פתרונות שונים להשבת זרחן מבוצת ביוב עירונית

זרחן הוא מינרל משאב קריטי, אשר האספקה הטבעית פוחתת במהירות. כתוצאה מכך, ממשלת גרמניה חוקקה בצו כי משנת 2029 יש להחזיר זרחן ברובו מבוצת ביוב. יישום אולטרסאונד חשמל פותח אפשרויות שונות להגברת התאוששות הזרחן מבוצת הביוב העירונית.

מכוני טיהור בוצה בשפכים ומיחזור זרחן

זרחן הוא יסוד קריטי, בשימוש נרחב כדשן וחומר גלם בתעשיית הכימיקלים והתרופות העדינים. בשל המשאבים הזמינים ההולכים ומצטמצמים במהירות, ממשלת גרמניה יישמה חוק לפיו כל מתקן טיהור שפכים עירוני חייב לקבוע מדידה להשבת זרחן מבוצת הביוב העירונית. יישום אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים מציע אפשרויות טיפול שונות, המגדילות את יעילות התאוששות הזרחן באופן משמעותי.

מפעלי שפכים משתמשים באולטרסאונד לשיפור עיכול הבוצה והתאוששות של חומרים מזינים כגון זרחן.

התפוררות בוצת ביוב על-קולית לשיפור התאוששות הפורספורוס

הקרנת בוצת ביוב באמצעות גלי אולטרסאונד עוצמתיים הוכחה בבירור כמשפרת את התפוררות הביומסה בבוצת הביוב. מחקרים רבים הראו את היתרונות של טיפול בבוצה מופעלת בפסולת אולטראסונית ומערכות אולטרסאונד תעשייתיות שונות פועלות במתקני טיהור שפכים עירוניים בגרמניה.
לטיפול מקדים אולטראסוני במצעים בבוצת ביוב יש מספר השפעות מועילות לתהליכי עיכול אנאירוביים. יתרונות אלה כוללים הקטנת גודל החלקיקים, הגדלת קצב ההידרוליזה וקיצור זמן השימור ההידראולי.
כוחות גזירה קוויטציוניים הנוצרים על ידי גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה / בתדר נמוך גורמים לפירוק המורפולוגיה של פלוק הבוצה והמבנה המיקרוביאלי של הבוצה.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
בוצת ביוב מתפוררת ביעילות, כלומר בוצה סונית, מראה תכונות הפרדה משופרות באופן משמעותי ומאפשרות להסיר שברים עשירים בזרחן מביומסה ושברים דמויי ג'ל, כמו גם מים. קוויטציה על-קולית משבשת את מבני התאים של הביומסה בבוצת ביוב ומאפשרת את השבירה הבאה לשלושה שברים של (i) סיבים עשירים בתאית, (ii) ג'ל עשיר בחומרים מזינים, ו-(iii) נוזל שניתן לתסיס בקלות. שלושת שברי הבוצה הללו ניתנים לעיבוד נוסף, למשל השבת זרחן, סילוק מתכות כבדות וכו'.

משקעים כימיים רטובים מוגברים אולטרה-סאונד של זרחן

אולטרסוניקציה היא טכניקה ידועה המשמשת מאז זמן רב בכימיה עבור משקעים siccessful ויעיל של מינרלים, חלקיקים וגבישים. עבור התאוששות הזרחן מבוצת ביוב, סוניקציה מיושמת על מנת לקדם ולהאיץ את המשקעים של סטרוביט. סטרוביט (מגנזיום אמוניום פוספט) הוא מינרל פוספט עם נוסחה NH₄MgPO₄·6 שעות₂ O, המציעה פתרון פשוט לסילוק זרחן בצורה קשורה מבוצת פסולת.
במהלך תהליך התגבשות / משקעים סטרוביט, היונים PO₄^3-NH,₄⁺ומ"ג,²⁺ מוסרים מהשלב הנוזלי עקב משקעים סטרוביטים, עד שהתגובה מגיעה לשיווי משקל.

גבישי סטרוביט שמקורם בשפכי חזירים.
(תמונה ומחקר: ©קים ואחרים 2017)

כאשר אולטרסוניקציה מיושמת כטיפול מקדים בבוצה לפני תהליך משקעים סטרוביט, הקוויטציה המושרה באולטרה-סאונד מספקת ערבוב קשה ברמה המולקולרית ומספק שטח פנים פעיל לצמיחת גבישים. עלייה בשיעור המסיסות של חומרים חוץ-תאיים ותוך-תאיים, מועילה עוד יותר למשקעים סטרוביטים על ידי הגדלת הזמינות הביולוגית של NH₄⁺ ות"ע₄^3- יונים. הטיפול בסוניקציה גורם להעברת מסה קלה דרך הבוצה, הנגרמת על ידי קוויטציה קולית.
סוניקציה יכולה להיות מיושמת גם על ליקר קרבוניזציה הידרותרמי, שבו זרחן ממוחזר כסטרוביט מליקר קרבוניזציה הידרותרמי באמצעות מיצוי בסיוע אולטרה-סאונד ומשקעים.
קרא עוד על משקעי סטרוביט בקנה מידה גדול להשבת זרחן מבוצת ביוב!

סונו-פנטון לשחרור זרחן מבוצת ביוב

המחקר של Gong et al. (2015) הדגים את היעילות של אולטרסאונד משולב – פנטון (הידוע גם בשם סונו-פנטון) טיפול מקדים להתפוררות בוצת ביוב. יישום הטיפול באולטרסאונד-פנטון הגביר משמעותית את שחרור הפחמן, החנקן והזרחן. הטיפול בסונו-פנטון הגדיל את סך החנקן (N) והזרחן (P) פי 1.7 ופי 2.2, בהתאמה, בהשוואה לטיפול בפנטון בלבד. לאחר הטיפול בסונו-פנטון, הבוצה הראתה גודל חלקיקים עדין יותר באופן משמעותי ומיקרו-מבנה רופף יותר המבוסס על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. באמצעות תהודה של ספין אלקטרונים, עוצמת האות הגבוהה ביותר של OH• עלתה מ-568.7 על ידי טיפול פנטון ל-1106.3 לאחר טיפול סונו-פנטון. זה הראה כי הטיפול בסונו-פנטון גורם להתפוררות בוצה ומשפר את שחרור הפחמן האורגני, החנקן והזרחן באופן משמעותי.

תאי דלק מיקרוביאליים מועצמים באולטרה-סאונד

טיפול מקדים אולטראסוני בבוצת ביוב מקדם מסיסות של תרכובות אורגניות שונות ממטריצת הבוצה, אשר לאחר מכן מאיצה את האלקטרוהידרוגנזה המיקרוביאלית.
More and Ghangrekar (2010) תורמים את ההשפעות המועילות של טיפול מקדים בסוניקציה על תאי דלק מיקרוביאליים לפעילות אנזימטית משופרת ולזמינות של חלבונים חוץ-תאיים, רב-סוכרים ואנזימים, המשתחררים משכבות פנימיות של פלוקי בוצה לשכבות החיצוניות על ידי סונופורציה על-קולית ושיבוש תאים, וכתוצאה מכך יעילות ניצול משופרת של המצע. לשיפור קצירת החשמל מתאי דלק מיקרוביאליים נדרש שיפור ביכולת העברת האלקטרונים של החיידקים לחומר מוצק חוץ-תאי. העברת אלקטרונים חוץ-תאית זו יכולה להתרחש במגע ישיר בין פני התא לבין פני השטח המוצקים או בעקיפין באמצעות מה שמכונה מתווכים אקסוגניים ואנדוגניים. למעבר אלקטרונים ישיר בין חיידקים לפני השטח של האלקטרודות, האלקטרון צריך להגיע לקרום החיצוני של התא. תופעה זו עשויה הייתה להתרחש עקב טיפול מקדים באולטרה-סוניקציה שניתן לחיסון כאשר האנרגיה הספציפית שסופקה הייתה מספקת; לפיכך, העדפת יעילות קולומביאנית גבוהה יותר.
תהליך אלקטרוליזה מיקרוביאלית מוגברת באולטרסאונד יכול להיות משולב עם תהליכי תסיסה הבאים לטיפול בבוצה.

טיפול בבוצת שפכים סונו-אלקטרוכימית

אלקטרוקואגולציה היא תהליך פשוט, שניתן ליישם בקלות על שפכים ומאפשר טיפול בכמויות גדולות בצורה יעילה וחסכונית. Ultrasonication מסייע להתגבר על החיסרון העיקרי של תהליכי electrocoagulation על ידי מניעת היווצרות של שכבות פסיביות מן האלקטרודות. סרטים פסיביים הנוצרים על פני האלקטרודה לאורך זמן, מפחיתים באופן דרסטי את היעילות של מערכות אלקטרוקואגולציה ואולטרסאונד היא שיטה קלה להסרת שכבות פסיביות אלה ברציפות במהלך הפעולה, ובמקביל סוניקציה מגדילה את תחלופת מערכות האלקטרוקואגולציה. גלים על-קוליים המפרקים משקעים הנוצרים על פני השטח של האלקטרודה ומייצרים כמויות גבוהות של מינים רדיקליים לסילוק מזהמים על ידי יצירת נקודות לחץ גבוה בתוך התמיסה במהלך תופעת הקוויטציה. על ידי שילוב electrocoagulation עם קולי, עקב יצירת משטחים חדשים על האלקטרודה על ידי cavitation או micro-streaming, הירידה בעובי של שכבת ההפצה מחריפה על ידי הגדלת שיעורי העברת המסה. סונו-אלקטרוקואגולציה מגדילה את כמות היווצרות הקרישה בהשוואה לאלקטרוקואגולציה, והפלוקולציה משופרת על ידי ערבוב וחמצון קיצוניים על ידי היווצרות רדיקלים חופשיים; לכן להגיע ליעילות הרצויה אפשרי בזמן הקצר ביותר.
(מוראדי ואחרים, 2021)

היתרונות של Sonoelectrochemistry ו Sonoelectrocoagulation

"סונואלקטרוכימיה היא שילוב של אנרגיה על-קולית במערכת אלקטרוכימית המציעה מספר יתרונות, ביניהם הסרת בועות גז על פני האלקטרודה, פירוק תמיסה, שיבוש שכבת הדיפוזיה של נרנסט, שיפור ההובלה ההמונית של מינים אלקטרואקטיביים דרך השכבה הכפולה, והפעלה וניקוי של משטח האלקטרודה. יתרונות אלה באלקטרוכימיה מובילים לשיפור יעילות התהליך (נצילות אלקטרודות וזרם), קצב ותשואות אלקטרוכימיים מוגדלים, מתחי תאים מופחתים ופוטנציאלי יתר של אלקטרודות, חומרים משופרים המושקעים באלקטרו במונחים של קשיות, איכות, נקבוביות ועובי, ודיכוי של עכירת אלקטרודות ופירוק גזים על פני האלקטרודה". (Foroughi et al., 2021)
קרא עוד על ציוד סונו-אלקטרוכימי ויישומיו!

מערכות אולטראסוניות תעשייתיות לטיפול בבוצת ביוב

Hielscher Ultrasonics מערכות ביצועים גבוהים הם סוס עבודה אמין במתקני טיפול בבוצה שפכים וביוב. מערכות קוליות Hielscher לספק אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ב 20kHz, אשר יוצר cavitation אקוסטי אינטנסיבי. ההשפעות של הטיפול האולטרסוני בהספק גבוה שלנו כוללות שיבוש ופירוק תאים, העברת מסה גבוהה, חיטוי, פירוק פולימרים, שחרור אנזימים והומוגניזציה של הבוצה. סוניקציה בעוצמה גבוהה משפרת את יעילות הטיפול באמצעות יצירת רדיקלים חמצוניים ועל ידי הגדלת אתרי הגרעין, מה שמבטיח קרישה ופלוקולציה טובות יותר. הדור האמין והרציף של כוחות קוויטציה על-קוליים אינטנסיביים אלה והשפעותיו מאפשרים לשלב את המעבדים העל-קוליים רבי העוצמה שלנו ליישומים שונים על מנת לשפר את קציר האנרגיה והחומרים המזינים מבוצת הביוב.

• התפוררות אולטראסונית של בוצת ביוב
• עיכול אנאירובי מוגבר באולטרסאונד
• התאוששות של חומרים מזינים יקרי ערך (זרחן, חנקן, מגנזיום, סידן, אשלגן, וכו ')
• הסרת מזהמים כגון מתכות כבדות

מציע מעבדים קוליים עם כורים זרימה בגדלים שונים, Hielscher Ultrasonics יש את בזבוז פסולת קולי אידיאלי מערכות טיפול בבוצה עבור מתקן בוצת הביוב שלך.
העיצוב המודולרי מאפשר פרק פשוט של מספר יחידות קוליות במקביל, מה שהופך טיפול אמין ויעיל של כל נפח אפשרי.
Hielscher הספק גבוה / תפוקה גבוהה מערכות קוליות להגביר את היעילות ואת התשואה בטיפול ביומסה בבוצת ביוב.
כל האולטרסוניקטורים שלנו כוללים ניקוי במקום (CIP).
מתאים לטיפולים תובעניים: בוצת ביוב מכילה לרוב חומרים סיביים בעלי תכולת תאית גבוהה, שקשה לפרקם. Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. אמפליטודות גבוהות כאלה הן דרך יעילה לשבש את המבנה התאי של תאית, ליגנין ודפנות תאים חזקות של חומרים אחרים. התכנון הממוטב של כורי תאי הזרימה שלנו מבטיח דפוסי זרימה אידיאליים וטיפול על-קולי אחיד ויעיל בבוצה המוזנת.

אנו עובדים עם אינטגרטורים ומהנדסי מערכות של מפעלי בוצת ביוב

כיצרן ובונה מערכות של יחידות מודולריות קוליות בעלות ביצועים גבוהים, Hielscher Ultrasonics עובד יחד עם אינטגרטורים של מערכות. רוב המפעילים של מתקני טיהור שפכים ובוצה עובדים עם אינטגרטורים של מערכות, אשר מנוסים היטב בתכנון ואוטומציה של מתקני טיהור כאלה. צוות מהנדסי התכנון והמהנדסים הטכניים שלנו ממליץ על תצורה קולית אופטימלית עבור נפח הבוצה הממוקד, מספק מידע מפורט על המערכת, שרטוטי CAD וכן שירות התקנה והדרכה תפעולית. הדבר מאפשר יישום בונה ומוכוון מטרה של שילוב אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים במכוני טיהור שפכים. אנא צרו איתנו קשר אם אתם מעוניינים לשלב את המעבדים האולטרסוניים שלנו לטיפול משופר בבוצה!

הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

צרו קשר עכשיו כדי לקבל פרטים נוספים על מערכות טיפול בבוצה בשפכים אולטראסוניים של Hielscher, אפשרויות התקנה ומידע טכני!