טיפול אולטרסוני לעיכול אירובי של עודפי בוצה משופעלת
טיפול אולטרסוני בהספק גבוה מפרק עודפי בוצה משופעלת (WAS) לפני העיכול האירובי או במהלכו. קוויטציה אקוסטית מפרקת פתיתי בוצה, מפרקת חומרים פולימריים חוץ־תאיים ופותחת תאים מיקרוביאליים. כך חומר אורגני שהיה מוגן קודם לכן נעשה נגיש יותר למעכל האירובי.
בתהליך אירובי, המטרה אינה הגברת ייצור הביוגז. הגברת ייצור המתאן רלוונטית לעיכול אנאירובי. במעכל אירובי, מדדי הביצועים הרלוונטיים הם פירוק מוצקים נדיפים, צריכת חמצן, זמן העיכול, המוצקים היבשים שנותרו, יכולת סחיטה והעלות התפעולית הכוללת.
מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher משתלבים בקו WAS המצויד במשאבה או בלולאת סחרור של מעכל. כורים אולטרסוניים בעלי תא זרימה ממקדים את הטיפול בזרם בוצה מוגדר ומאפשרים לנטר את התהליך באמצעות הספק, ספיקת זרימה, ריכוז מוצקים, לחץ וטמפרטורה. התוצאה היא שדרוג קומפקטי שיכול להוסיף פירוק אולטרסוני של בוצה ללא החלפת המעכל האירובי הקיים.
יחידת זרימה אולטרסונית תעשייתית של Hielscher, מותקנת על מסגרת ומשולבת בקו, לעיבוד WAS מוסמכת
מדוע קשה לעכל עודפי בוצה משופעלת
עודפי בוצה משופעלת הם המוצקים הביולוגיים העודפים המורחקים מתהליך טיפול בשפכים בשיטת הבוצה המשופעלת. הם מכילים מיקרואורגניזמים, חומרים פולימריים חוץ־תאיים (EPS), חומר אורגני שנלכד ומוצקים אינרטיים.
באגן השיקוע השניוני, הבוצה המשופעלת ששקעה מחולקת לשני זרמים:
- בוצה משופעלת מוחזרת (RAS) מוחזרת לאגן האוורור כדי לשמור על ריכוז הביומסה הנדרש.
- עודפי בוצה משופעלת (WAS) מורחקים מתהליך הטיפול בנוזל ומועברים להסמכה, לייצוב, לעיכול או לסחיטה.
WAS מכילה שיעור גבוה של חומר תאי מיקרוביאלי. חלק ניכר מתכולת החומר האורגני שלה הניתן לפירוק ביולוגי מוקף בדופנות תאים או קשור בתוך פתיתי בוצה צפופים. הגנה פיזית זו מאטה את התמס הטבעי של התאים ואת ההידרוליזה.
במהלך העיכול האירובי מסופק חמצן, בעוד שמעט מזון חדש זמין. המיקרואורגניזמים עוברים לנשימה אנדוגנית וצורכים חומר שנאגר, תאים מתים ורכיבי בוצה אחרים הניתנים לפירוק ביולוגי. המטרה היא לייצב את הבוצה, להפחית את פוטנציאל היווצרות הריחות ולהקטין את כמות המוצקים הנדיפים שיש לסחוט ולסלק.
קצב העיכול מוגבל לעיתים קרובות בשל הנגישות למצע. במעכל עשויים להיות מיקרואורגניזמים פעילים וזמן שהייה מספיק, אך החומר האורגני שבתוך תאים שלמים ופתיתים צפופים נותר קשה לגישה.
השוואה בין פתיתים שלא טופלו לבין בוצה שעברה סוניקציה: סוניקציה מפחיתה במידה ניכרת את הפתיתים.
מחקר ותמונות: ©Chu et al. 2001
כיצד קוויטציה אולטרסונית הופכת WAS לנגישה לעיכול אירובי
מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher פועלים בתדר 20kHz ויוצרים קוויטציה אקוסטית עזה בזרמי נוזל ותרחיף. בועות קוויטציה נוצרות, גדלות וקורסות בתוך הבוצה. קריסתן יוצרת כוחות גזירה מקומיים חזקים הפועלים ישירות על פתיתים, EPS ותאים מיקרוביאליים.
טיפול אולטרסוני יוצר שלושה שינויים חשובים ב־WAS:
פירוק פתיתים
קוויטציה מפרקת צברי בוצה וחושפת משטחים שהיו מוקפים קודם לכן בחומרים פולימריים חוץ־תאיים (EPS). הבוצה המטופלת מכילה חלקיקים קטנים יותר ושטח פנים נגיש גדול יותר.
פירוק EPS ותאים
פירוק בסיוע אולטרסאונד מגביר את יכולת הפירוק הביולוגי האירובי של עודפי בוצה משופעלת עירונית באמצעות פירוק פתיתי בוצה עמידים ושחרור חומר אורגני שנלכד בהם. קוויטציה אולטרסונית מפרקת קרומי תאים ודופנות תאים. חלבונים ופחמימות, וכן תרכובות תוך־תאיות אחרות, עוברים לפאזה הנוזלית.
זמינות ביולוגית מוגברת
מיקרואורגניזמים אירוביים יכולים לצרוך חומר אורגני מסיס המחולק לחלקיקים קטנים ביתר קלות מאשר תאים מיקרוביאליים שלמים ופתיתים דחוסים. לכן, הטיפול האולטרסוני מבצע באופן מכני חלק מתהליכי הליזיס וההידרוליזה לפני שלב החמצון הביולוגי.
סוניקציה פועלת על מטריצת ההגנה העבה של בוצת שפכים כדי להפוך את העיכול המיקרוביאלי למהיר ויעיל הרבה יותר. הדבר מתבטא בדרך כלל בעלייה בצריכת החמצן הכימית של החומר המסיס (SCOD).
ריאקטור זרימה אולטרסוני תעשייתי לשיפור העיכול של בוצה משופעלת עודפת (WAS)
יתרונות הסוניקציה במתקני עיכול אירובי
התגובה תלויה בבוצה ובמינון האולטרסוני. כאשר סוניקציה מגבירה את יכולת הפירוק הביולוגי האירובי, מתקן לטיפול בשפכים עשוי להשיג:
- פירוק רב יותר של מוצקים נדיפים בזמן העיכול הקיים
- ייצוב בוצה ברמה דומה בזמן שהייה קצר יותר
- ייצור מופחת של מוצקים יבשים שיוריים
- קיבולת אפקטיבית נוספת ממעכל אירובי קיים
- צמצום ההובלה והסילוק של מוצקים ביולוגיים
- יציבות תהליך משופרת בתקופות של עומס מוצקים גבוה
- בקרה טובה יותר על אורגניזמים חוטיים באמצעות פירוק פתיתים ותאים
מכשירי סוניקציה של Hielscher להתקנה בקו לצורך שדרוג פשוט
בהיקף מלא, בדרך כלל יעיל יותר לבצע סוניקציה בזרם בוצה מרוכז מאשר בכל נפח המעכל האירובי. ריאקטורי תאי הזרימה האולטרסוניים של Hielscher תומכים בשתי תצורות מעשיות.
טיפול מקדים בקו ההזנה של בוצה משופעלת עודפת (WAS)
המערכת האולטרסונית מותקנת לאחר הסמכת הבוצה המשופעלת העודפת (WAS) ולפני המעכל האירובי:
WAS מוסמכת -> משאבת הזנה -> תא זרימה אולטרסוני של Hielscher -> מעכל אירובי
תצורה זו מטפלת בספיקת מסה מוגדרת של מוצקים יבשים ומספקת בסיס ברור לבקרה על תשומת האנרגיה האולטרסונית הסגולית.
תרשים זרימה: WAS מוסמכת -> משאבת הזנה -> מכשיר סוניקציה תעשייתי של Hielscher להתקנה בקו, UIP6000hdT -> מעכל אירובי
סחרור במעכל או טיפול בזרם צדדי
חלק מבוקר מהבוצה נשאב מהמעכל או מקו הבוצה, עובר דרך מכשיר הסוניקציה ומוחזר לתהליך. תצורה זו שימושית כאשר קשה לשנות את קו ההזנה הקיים או כאשר יש לטפל רק בחלק נבחר מהבוצה.
ניתן להתקין את שתי התצורות כיחידות קומפקטיות על גבי מסגרת, הכוללות משאבה, תא זרימה אולטרסוני, שסתומי בידוד, מעקף שירות, מדידת לחץ וטמפרטורה, נקודות דיגום ובקרות תהליך. מכל המעכל הקיים נותר ללא שינוי.
הדבר הופך את הטיפול האולטרסוני למתאים במיוחד לשדרוג מתקנים קיימים לטיפול בשפכים. ניתן להתקין את היחידה האולטרסונית בקו שבו הבוצה נשאבת, להפעיל אותה באופן עצמאי ולעקוף אותה במהלך בדיקה או תחזוקה.
שפרו את פירוק הבוצה בתהליך האירובי באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה!
מכשירי הסוניקציה התעשייתיים של Hielscher מספקים שיטה קומפקטית הניתנת להרחבה לשילוב אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בקו טיפול קיים בבוצה משופעלת עודפת (WAS). עיבוד בתא זרימה המותקן בקו מרכז את האנרגיה האולטרסונית בזרם הבוצה, תומך בבקרת מינון הניתנת לשחזור וניתן לתכנון לפעולה אמינה בתנאי עומס כבד 24/7.
תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה
מכשירי האולטרסאונד של Hielscher ידועים בתקני האיכות והתכנון הגבוהים ביותר שלהם. עמידות וקלות תפעול מאפשרות שילוב חלק של מכשירי האולטרסאונד שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.
Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו-RoHs.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
שאלות נפוצות
האם טיפול אולטרסוני מייצר יותר ביוגז במעכל אירובי?
לא. הגדלת תפוקת המתאן או הביוגז היא יתרון של עיכול אנאירובי. בעיכול אירובי, יש להעריך טיפול אולטרסוני לפי פירוק המוצקים הנדיפים (VS), צריכת החמצן, זמן העיכול, המוצקים היבשים השיוריים, יכולת סילוק המים והעלות הכוללת.
היכן מותקנת המערכת האולטרסונית?
המערכת מותקנת בדרך כלל בתוך קו הזרימה, לאחר הסמכת הבוצה המשופעלת העודפת (WAS) ולפני המעכל האירובי. היא יכולה לפעול גם בזרם צד מבוקר או בלולאת סחרור של המעכל. מעקף שירות מאפשר להמשיך בהעברת הבוצה במהלך תחזוקה.
מדוע להשתמש במכשיר סוניקציה תעשייתי בתדר 20kHz?
אולטרסאונד בתדר נמוך ובהספק גבוה יוצר קוויטציה עזה וגזירה מכנית. פעולה זו יעילה לשבירת פתיתי בוצה, לפירוק חומרים פולימריים חוץ־תאיים (EPS) ולפתיחת תאים מיקרוביאליים בזרמים המכילים נוזל ומוצקים.
האם מכשיר סוניקציה של Hielscher יכול לפעול ברציפות?
כן. סדרת מכשירי הסוניקציה התעשייתיים hdT של Hielscher מיועדת לפעולה רציפה בתנאי עבודה תובעניים וידועה בעמידותה. כורים עם תאי זרימה מאפשרים עיבוד מבוקר בתוך קו הזרימה או בסחרור, ואילו רישום נתונים אוטומטי תומך בניטור התהליך ובשחזורו.
אילו נתונים נדרשים לקביעת גודלה של מערכת אולטרסונית לטיפול בבוצה?
נתוני הקלט העיקריים הם ספיקת זרימת הבוצה המשופעלת העודפת (WAS), ריכוזי המוצקים הכוללים (TS) והמוצקים הנדיפים (VS), צמיגות הבוצה, אנרגיה סגולית רצויה, השפעת הטיפול הנדרשת, שעות הפעילות והלחץ הזמין. מומלץ לבצע ניסויי פיילוט כדי לקבוע את מנת הטיפול המועילה לפני קביעת גודל המערכת בקנה מידה מלא.
האם סוניקציה משפרת את סילוק המים מהבוצה?
התוצאה תלויה במאפייני הבוצה ובמנת הטיפול. טיפול מתון עשוי לשפר את עיבוד המוצקים, ואילו פירוק יתר עלול ליצור חלקיקים דקים ופולימרים מסיסים הפוגעים בלכידת המוצקים או בתכולת המוצקים בעוגת הסינון. לכן, ניסויי סילוק מים הם חלק חיוני ממיטוב התהליך.
מה אומרים מחקרים מדעיים על עיכול בוצה משופעלת עודפת (WAS) בסיוע אולטרסאונד?
מחקרי מעבדה תומכים בשימוש באולטרסאונד להגברת הנגישות והיכולת לפירוק ביולוגי אירובי של בוצה משופעלת עודפת (WAS).
במחקר על טיפול מקדים משולב בסיסי ואולטרסוני לפני עיכול אירובי, דווח כי פירוק החומר האורגני באותו זמן עיכול היה 38.0% בבוצה שלא טופלה ו־42.5% בבוצה שעברה טיפול מקדים אולטרסוני. טיפול מקדים משולב בסיסי ואולטרסוני הגדיל את הפירוק ל־50.7%. התוצאה מדגימה שאולטרסאונד לבדו יכול לשפר את הפירוק האירובי, ובה בעת מראה שהשיפור שניתן להשיג תלוי באסטרטגיית הטיפול המקדים ובמאפייני הבוצה. (ראו Jin et al., 2009)
מחקר נוסף על בוצה משופעלת עודפת עירונית דיווח על הגברת המססת הבוצה והיכולת לפירוקה הביולוגי האירובי לאחר פירוק באמצעות חיידקים בסיוע אולטרסאונד. הבוצה שעברה טיפול מקדים הראתה קצב פירוק ביולוגי או דעיכה גבוה יותר מזה של דגימת הביקורת שלא טופלה. (ראו Kavitha et al. 2016)
האם סוניקציה תומכת בתהליכים נוספים לטיפול בבוצה?
כן. סוניקציה תומכת בכמה תהליכי טיפול בבוצה באמצעות פירוק פתיתים, חומרים פולימריים חוץ־תאיים (EPS) ותאים מיקרוביאליים:
עיכול אנאירובי/ייצור ביוגז: מאיצה הידרוליזה, מגדילה את צריכת החמצן הכימית המסיסה (COD) ויכולה לשפר את פירוק המוצקים הנדיפים (VS) ואת תפוקת המתאן.
השבת זרחן: משחררת זרחן הקשור לתאים וזרחן אורגני אל הפאזה הנוזלית, ובכך משפרת את זמינותם לשיקוע בהמשך כסטרוביט או כוויוויאניט; אולטרסאונד יכול גם להגביר מיצוי זרחן מאפר בוצה באמצעות שטיפה.
ספרות / מקורות
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים עתירי ביצועים החל בקנה מידה של מעבדה ועד קנה מידה תעשייתי.