פתרונות שונים להשבת זרחן מבוצת שפכים עירונית

זרחן הוא משאב מינרלי חיוני, שההיצע הטבעי שלו הולך ופוחת במהירות. לפיכך, ממשלת גרמניה קבעה בצו כי החל משנת 2029 יש להשיב במידה רבה את הזרחן מבוצת שפכים. השימוש באולטרסאונד רב־עוצמה פותח אפשרויות שונות להגברת השבת הזרחן מבוצת שפכים עירונית.

מתקנים לטיפול בבוצת שפכים ומִחזור זרחן

זרחן הוא יסוד חיוני, הנמצא בשימוש נרחב כדשן וכחומר גלם בתעשיית הכימיקלים העדינים ובתעשיית התרופות. בשל ההצטמצמות המהירה של משאביו הזמינים, ממשלת גרמניה החילה חוק המחייב את כל המתקנים העירוניים לטיפול בשפכים לנקוט אמצעים להשבת זרחן מבוצת השפכים העירונית. השימוש באולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים מציע אפשרויות טיפול שונות, המגבירות באופן משמעותי את יעילות השבת הזרחן.

מתקנים לטיפול בשפכים משתמשים באולטרסאונד לשיפור עיכול הבוצה ולהשבת חומרי הזנה כגון זרחן.

פירוק בוצת שפכים באמצעות אולטרסאונד לשיפור השבת הזרחן

הוכח בבירור שחשיפת בוצת שפכים לגלי אולטרסאונד רבי עוצמה משפרת את התפרקות הביומסה בבוצת השפכים. מחקרים רבים הראו את היתרונות של טיפול אולטרסוני בעודפי בוצה משופעלת, ומערכות אולטרסאונד תעשייתיות שונות פועלות במתקנים עירוניים לטיפול בשפכים בגרמניה.
לטיפול מקדים אולטרסוני במצעים שבבוצת השפכים יש כמה השפעות מועילות על תהליכי עיכול אנאירובי. יתרונות אלה כוללים הקטנת גודל החלקיקים, הגדלת קצב ההידרוליזה וקיצור זמן השהייה ההידראולי.
כוחות גזירה הנוצרים עקב קוויטציה שמחוללים גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה / בתדירות נמוכה גורמים לפירוק המבנה הצורני של פתיתי הבוצה והמבנה המיקרוביאלי של הבוצה.
צוות המחקר של Nguyen הראה במחקריו "שהשימוש באולטרסאונד יעיל מאוד בהקטנת גודל חלקיקי הביומסה, ומביא להקטנה לגודל חלקיקים ממוצע של >78.78%, ביחס ישר למשך החשיפה לקרינה האולטרסונית ולעוצמתה. הדבר הצביע על כך שחלקיקי הבוצה התפרקו וגודלם פחת, בהתבסס על יחס הפוך בין משך הסוניקציה לגודל חלקיקי הפתיתים. השימוש היה יעיל מאוד, למרות העובדה שתצפיות בפתיתי הבוצה לפני הטיפול הראו כי הפתיתים היו צפופים ודחוסים מאוד, וכללו, בין היתר, תתי־מדורים רבים בעלי ליבות דחוסות, צברי תאים, מושבות חיידקים, פרוטוזואה וחיידקים חוטיים. ניתוח הקולחים מראה שהתהליך האולטרסוני פגע במידה ניכרת בשלמות המבנית של פתיתי בוצה בכל הגדלים. פיסות הפתיתים הוקטנו עד ל־≤6.5 μm בתנאי טיפול מיטביים, והתמוססו בתרחיף הבוצה לאחר 5–10 min של טיפול אולטרסוני בתדירות אולטרסאונד נמוכה של 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
בוצת שפכים שפורקה ביעילות, כלומר בוצה שעברה סוניקציה, מציגה תכונות הפרדה משופרות במידה ניכרת, המאפשרות להרחיק מקטעים עשירים בזרחן מביומסה וממקטעים דמויי ג'ל וכן מים. קוויטציה אולטרסונית מפרקת מבנים תאיים של הביומסה בבוצת השפכים ומקלה על החלוקה שלאחר מכן לשלושה מקטעים: (i) סיבים עשירים בתאית, (ii) ג'ל עשיר בחומרי הזנה, ו־(iii) נוזל הניתן לתסיסה בקלות. ניתן להמשיך ולעבד את שלושת מקטעי הבוצה האלה, למשל לצורך השבת זרחן, הרחקת מתכות כבדות וכו'.

שיקוע זרחן בשיטה כימית רטובה המוגבר באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה היא שיטה מוכרת המשמשת זה זמן רב בכימיה לשיקוע מוצלח ויעיל של מינרלים, חלקיקים וגבישים. לצורך השבת זרחן מבוצת שפכים, משתמשים בסוניקציה כדי לקדם ולהאיץ את שיקוע הסטרוביט. סטרוביט (מגנזיום אמוניום פוספט) הוא מינרל פוספט שנוסחתו NH₄MgPO₄·6H₂ O, המציע פתרון פשוט להרחקת זרחן בצורה קשורה מבוצת פסולת.
במהלך תהליך הגיבוש / השיקוע של סטרוביט, היונים PO₄^3-, NH₄⁺, ו־Mg²⁺ מורחקים מהפאזה הנוזלית עקב שיקוע סטרוביט, עד שהתגובה מגיעה לשיווי משקל.

גבישי סטרוביט ששוקעו מקולחים שמקורם בגידול חזירים.
(תמונה ומחקר: ©Kim et al. 2017)

כאשר משתמשים בסוניקציה כטיפול מקדים בבוצה לפני תהליך שיקוע הסטרוביט, הקוויטציה הנוצרת באמצעות האולטרסאונד מספקת ערבוב יסודי ברמה המולקולרית, המספק שטח פנים פעיל לצמיחת גבישים. עלייה בקצב ההמסה של חומרים חוץ־תאיים ותוך־תאיים תורמת עוד לשיקוע הסטרוביט באמצעות הגדלת הזמינות הביולוגית של היונים NH₄⁺ ו־PO₄^3- . הטיפול בסוניקציה מקל על מעבר המסה דרך התרחיף, כתוצאה מקוויטציה אולטרסונית.
ניתן ליישם סוניקציה גם בנוזל המתקבל מפחמון הידרותרמי, שבו זרחן ממוחזר כסטרוביט מתוך נוזל הפחמון ההידרותרמי באמצעות מיצוי ושיקוע בסיוע אולטרסאונד.
קראו עוד על שיקוע סטרוביט בקנה מידה גדול להשבת זרחן מבוצת שפכים!

סונו–פנטון לשחרור זרחן מבוצת שפכים

המחקר של Gong ועמיתיו (2015) הדגים את יעילותו של טיפול מקדים משולב באולטרסאונד ובפנטון (המכונה גם סונו–פנטון) לפירוק בוצת שפכים. יישום הטיפול המשולב באולטרסאונד ובפנטון הגביר באופן משמעותי את שחרור הפחמן, החנקן והזרחן. הטיפול בסונו–פנטון הגדיל את הכמות הכוללת של חנקן (N) ושל זרחן (P) פי 1.7 ופי 2.2, בהתאמה, בהשוואה לטיפול בפנטון בלבד. לאחר הטיפול בסונו–פנטון, הבוצה הציגה גודל חלקיקים קטן במידה ניכרת ומיקרו־מבנה פחות צפוף, על סמך מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת. במדידה באמצעות תהודת ספין אלקטרוני, עוצמת האות הגבוהה ביותר של OH• עלתה מ־568.7 בטיפול בפנטון ל־1106.3 לאחר הטיפול בסונו–פנטון. ממצא זה הדגים שהטיפול בסונו–פנטון גורם לפירוק הבוצה ומשפר באופן משמעותי את שחרור הפחמן האורגני, החנקן והזרחן.

תאי דלק מיקרוביאליים המוגברים באמצעות אולטרסאונד

טיפול מקדים אולטרסוני בבוצת שפכים מקדם את ההמסה של תרכובות אורגניות שונות מתוך מטריצת הבוצה, ובעקבות זאת מאיץ את האלקטרוהידרוגנזה המיקרוביאלית.
More ו־Ghangrekar (2010) מייחסים את ההשפעות המועילות של טיפול מקדים בסוניקציה על תאי דלק מיקרוביאליים לפעילות אנזימטית מוגברת ולזמינותם של חלבונים, רב־סוכרים ואנזימים חוץ־תאיים, המשתחררים מהשכבות הפנימיות של פתיתי הבוצה אל השכבות החיצוניות באמצעות יצירת נקבוביות באולטרסאונד ופירוק תאים, וכך משפרים את יעילות ניצול המצע. כדי לשפר את הפקת החשמל מתאי הדלק המיקרוביאליים, יש לשפר את יכולתם של החיידקים להעביר אלקטרונים לחומר מוצק חוץ־תאי. העברת אלקטרונים חוץ־תאית זו יכולה להתרחש במגע ישיר בין פני התא לפני המוצק, או בעקיפין באמצעות מה שמכונה מתווכים אקסוגניים ואנדוגניים. לצורך העברה ישירה של אלקטרונים בין חיידקים לפני האלקטרודה, האלקטרון צריך להגיע לקרום החיצוני של התא. ייתכן שתופעה זו התרחשה בעקבות טיפול מקדים באולטרסאונד שניתן למזרע כאשר האנרגיה הסגולית שסופקה הייתה מספקת; ובכך תרמה ליעילות קולומבית גבוהה יותר.
ניתן יהיה לשלב תהליך אלקטרוליזה מיקרוביאלית המוגבר באמצעות אולטרסאונד עם תהליכי תסיסה עוקבים לטיפול בבוצה.

טיפול סונו־אלקטרוכימי בבוצת שפכים

אלקטרוקואגולציה היא תהליך פשוט, שניתן ליישמו בקלות בשפכים ומאפשר לטפל בנפחים גדולים ביעילות ובעלות כדאית. טיפול אולטרסוני מסייע להתגבר על החיסרון העיקרי של תהליכי אלקטרוקואגולציה באמצעות מניעת היווצרות שכבות פסיבציה על האלקטרודות. שכבות פסיביות הנוצרות על פני האלקטרודות עם הזמן מפחיתות באופן דרסטי את יעילותן של מערכות אלקטרוקואגולציה, ואולטרסאונד הוא שיטה פשוטה להסרה רציפה של שכבות פסיבציה אלה במהלך הפעולה, ובמקביל הסוניקציה מגדילה את תפוקתן של מערכות האלקטרוקואגולציה. גלים אולטרסוניים מפרקים משקעים שנוצרו על פני האלקטרודות ומייצרים כמויות גדולות של צורונים רדיקליים לסילוק מזהמים, באמצעות יצירת מוקדים של לחץ גבוה בתוך התמיסה במהלך תופעת הקוויטציה. בשילוב אלקטרוקואגולציה עם אולטרסאונד, עקב יצירת משטחים חדשים על האלקטרודה באמצעות קוויטציה או מיקרו־זרימה, העלייה בקצבי מעבר המסה מגבירה את הירידה בעובי שכבת הפיזור. סונו־אלקטרוקואגולציה מגדילה את כמות חומר הקרישה הנוצר בהשוואה לאלקטרוקואגולציה, וההפתתה מוגברת באמצעות ערבוב עז וחמצון הנובע מהיווצרות רדיקלים חופשיים; לכן ניתן להגיע ליעילות הרצויה בזמן הקצר ביותר.
(Moradi et al., 2021)

היתרונות של סונו־אלקטרוכימיה וסונו־אלקטרוקואגולציה

"סונו־אלקטרוכימיה היא שילוב של אנרגיה אולטרסונית במערכת אלקטרוכימית, המציע כמה יתרונות, ובהם הסרת בועות גז מפני האלקטרודה, סילוק גזים מהתמיסה, שיבוש שכבת הדיפוזיה של נרנסט, הגברת מעבר המסה של צורונים אלקטרואקטיביים דרך השכבה הכפולה, וכן שפעול וניקוי של פני האלקטרודה. יתרונות אלה באלקטרוכימיה מובילים לשיפור נצילויות התהליך (נצילות האלקטרודה ונצילות הזרם), להגדלת הקצבים והתפוקות האלקטרוכימיים, להפחתת מתחי התא ופוטנציאלי היתר של האלקטרודות, לשיפור החומרים המושקעים אלקטרוכימית מבחינת קשיות, איכות, נקבוביות ועובי, ולדיכוי ההתלכלכות של האלקטרודות ופליטת הגזים על פני האלקטרודה." (Foroughi et al., 2021)
קראו עוד על ציוד סונו־אלקטרוכימי ועל יישומיו!

מערכות אולטרסוניות תעשייתיות לטיפול בבוצת שפכים

המערכות עתירות הביצועים של Hielscher Ultrasonics הן סוס עבודה אמין במתקנים לטיפול בשפכים ובבוצת שפכים. המערכות האולטרסוניות של Hielscher מספקות אולטרסאונד בהספק גבוה בתדר 20kHz, היוצר קוויטציה אקוסטית עזה. השפעות הטיפול האולטרסוני שלנו בהספק גבוה כוללות פירוק תאים והתפוררות, מעבר מסה מוגבר, חיטוי, פירוק פולימרים, שחרור אנזימים והומוגניזציה של הבוצה. סוניקציה בעוצמה גבוהה משפרת את יעילות הטיפול באמצעות יצירת רדיקלים מחמצנים והגדלת מספר אתרי ההתגרענות, המבטיחות קרישה והפתתה משופרות. היצירה האמינה והרציפה של כוחות קוויטציה אולטרסונית עזים אלה ושל השפעותיהם מאפשרת לשלב את המעבדים האולטרסוניים רבי העוצמה שלנו ביישומים שונים, כדי לשפר את הפקת האנרגיה והשבת חומרי ההזנה מבוצת שפכים.

• פירוק אולטרסוני של בוצת שפכים
• עיכול אנאירובי מוגבר באמצעות אולטרסאונד
• השבת חומרי הזנה יקרי ערך (זרחן, חנקן, מגנזיום, סידן, אשלגן וכו׳)
• סילוק מזהמים כגון מתכות כבדות

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים אולטרסוניים עם ריאקטורים לטיפול בזרימה בגדלים שונים, ומספקת את המערכות האולטרסוניות האידיאליות לטיפול בשפכים ובבוצה עבור מתקן בוצת השפכים שלכם.
התכנון המודולרי מאפשר התקנה פשוטה של כמה יחידות אולטרסוניות במקביל, וכך מאפשר טיפול אמין ויעיל בכל נפח.
המערכות האולטרסוניות של Hielscher בהספק גבוה / בתפוקה גבוהה מגבירות את היעילות והתפוקה בטיפול בביומסה שבבוצת שפכים.
כל המכשירים האולטרסוניים שלנו כוללים ניקוי במקום (CIP).
מתאימים לטיפולים תובעניים: בוצת שפכים מכילה לעיתים קרובות חומרים סיביים בעלי תכולת תאית גבוהה, שקשה לפרקם. המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעילם בקלות וברציפות במשרעות של עד 200µm בפעולה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. משרעות גבוהות כאלה הן דרך יעילה לפירוק המבנה התאי של סוגי תאית, ליגנין ודופנות תאים עמידות של חומרים אחרים. התכנון הממוטב של כורי תאי הזרימה שלנו מבטיח דפוסי זרימה אידיאליים וטיפול אולטרסוני אחיד ויעיל בבוצה המוזנת.

אנו עובדים עם משלבי מערכות ומהנדסים של מתקנים לטיפול בבוצת שפכים

כיצרנית וכבונה של מערכות המורכבות מיחידות אולטרסוניות מודולריות בעלות ביצועים גבוהים, Hielscher Ultrasonics עובדת בשיתוף עם משלבי מערכות. רוב מפעילי המתקנים לטיפול בשפכים ובבוצת שפכים עובדים עם משלבי מערכות בעלי ניסיון רב בתכנון ובאוטומציה של מתקני טיהור כאלה. צוות מהנדסי התכנון והמהנדסים הטכניים שלנו ממליץ על התצורה האולטרסונית המיטבית לנפח הבוצה המיועד, ומספק מידע מפורט על המערכת, שרטוטי CAD וכן שירותי התקנה והדרכה לתפעול. כך מתאפשר יישום מועיל וממוקד מטרה של שילוב אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים במתקנים לטיפול בשפכים. צרו איתנו קשר אם אתם מעוניינים לשלב את המעבדים האולטרסוניים שלנו לשיפור הטיפול בבוצה!

הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

צרו איתנו קשר כעת לקבלת פרטים נוספים על המערכות האולטרסוניות של Hielscher לטיפול בבוצת שפכים, אפשרויות התקנה ומידע טכני!