Ultrazvučna obrada za aerobnu digestiju viška aktivnog mulja
Ultrazvučna obrada velike snage dezintegrira višak aktivnog mulja (WAS) prije ili tijekom aerobne digestije. Akustična kavitacija razbija flokule mulja, razara izvanstanične polimerne tvari i otvara mikrobne stanice. Time prethodno zaštićena organska tvar postaje dostupnija za razgradnju u aerobnom digestoru.
Cilj aerobnog procesa nije povećanje proizvodnje bioplina. Povećanje proizvodnje metana relevantno je za anaerobnu digestiju. U aerobnom digestoru relevantni pokazatelji učinkovitosti su razgradnja hlapljivih krutih tvari, potrošnja kisika, vrijeme digestije, preostala suha tvar, sposobnost odvodnjavanja i ukupni operativni troškovi.
Industrijski sonikatori Hielscher ugrađuju se u cjevovod kojim se pumpa WAS ili u recirkulacijski krug digestora. Ultrazvučni reaktori s protočnim ćelijama usmjeravaju obradu na definirani tok mulja i omogućuju praćenje procesa na temelju snage, protoka, koncentracije krutih tvari, tlaka i temperature. Rezultat je kompaktna nadogradnja koja omogućuje dodavanje ultrazvučne dezintegracije mulja bez zamjene postojećeg aerobnog digestora.
Industrijska ultrazvučna protočna jedinica Hielscher na okviru za obradu zgusnutog WAS-a
Zašto je višak aktivnog mulja teško razgraditi digestijom
Višak aktivnog mulja čine suvišne biološke krute tvari koje se uklanjaju iz procesa pročišćavanja otpadnih voda aktivnim muljem. Sadrži mikroorganizme, izvanstanične polimerne tvari (EPS), izdvojeni organski materijal i inertne krute tvari.
U sekundarnom taložniku istaloženi aktivni mulj dijeli se na dva toka:
- Povratni aktivni mulj (RAS) vraća se u aeracijski bazen radi održavanja potrebne koncentracije biomase.
- Višak aktivnog mulja (WAS) uklanja se iz procesa obrade tekuće faze i upućuje na zgušnjavanje, stabilizaciju, digestiju ili odvodnjavanje.
WAS sadrži velik udio mikrobnog staničnog materijala. Velik dio njegova biorazgradivog organskog sadržaja zatvoren je unutar staničnih stijenki ili vezan unutar kompaktnih flokula mulja. Ta fizička zaštita usporava prirodnu lizu stanica i hidrolizu.
Tijekom aerobne digestije dovodi se kisik, dok je dostupno malo nove hrane. Mikroorganizmi prelaze na endogeno disanje i troše pohranjeni materijal, mrtve stanice i druge biorazgradive sastojke mulja. Svrha je stabilizirati mulj, smanjiti mogućnost nastanka neugodnih mirisa i smanjiti količinu hlapljivih krutih tvari koje je potrebno odvodniti i zbrinuti.
Brzina digestije često je ograničena dostupnošću supstrata. Digestor može sadržavati aktivne mikroorganizme i imati dovoljno vrijeme zadržavanja, ali organska tvar unutar neoštećenih stanica i gustih flokula ostaje teško dostupna.
Usporedba neobrađenih flokula s muljem obrađenim sonikacijom: Sonikacija znatno smanjuje flokule.
Studija i slike: ©Chu et al. 2001
Kako ultrazvučna kavitacija čini WAS dostupnijim za aerobnu digestiju
Industrijski sonikatori Hielscher rade na 20kHz i stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tokovima tekućina i suspenzija. Kavitacijski mjehurići nastaju, rastu i implodiraju unutar mulja. Njihova implozija stvara snažne lokalne smične sile koje djeluju izravno na flokule, EPS i mikrobne stanice.
Ultrazvučna obrada uzrokuje tri važne promjene u WAS-u:
Dezintegracija flokula
Kavitacija razbija agregate mulja i otkriva površine koje su prethodno bile obavijene izvanstaničnim polimernim tvarima (EPS). Obrađeni mulj sadrži manje čestice i ima veću dostupnu površinu.
Razaranje EPS-a i stanica
Dezintegracija potpomognuta ultrazvukom povećava aerobnu biorazgradivost viška aktivnog mulja iz komunalnih otpadnih voda razbijanjem otpornih flokula mulja i oslobađanjem zarobljene organske tvari. Ultrazvučna kavitacija razara stanične membrane i stanične stijenke. Proteini i ugljikohidrati, kao i drugi unutarstanični spojevi, prelaze u tekuću fazu.
Povećana bioraspoloživost
Aerobni mikroorganizmi mogu lakše razgrađivati topljivi i fino usitnjeni organski materijal nego netaknute mikrobne stanice i kompaktne flokule. Ultrazvučna obrada stoga mehanički obavlja dio procesa lize i hidrolize prije koraka biološke oksidacije.
Sonikacija djeluje na debeli zaštitni matriks kanalizacijskog mulja kako bi mikrobna razgradnja bila mnogo brža i učinkovitija. To se obično očituje kao povećanje kemijske potrošnje kisika topljive frakcije (SCOD).
Industrijski ultrazvučni protočni reaktor za poboljšanu razgradnju WAS-a
Prednosti sonikacije u postrojenjima za aerobnu razgradnju
Učinak ovisi o mulju i dozi ultrazvuka. Kada sonikacija povećava aerobnu biorazgradivost, postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda može ostvariti:
- Veću razgradnju hlapljivih krutih tvari pri postojećem vremenu razgradnje
- Usporedivu stabilizaciju mulja uz kraće vrijeme zadržavanja
- Manju proizvodnju preostale suhe tvari
- Dodatni efektivni kapacitet postojećeg aerobnog digestora
- Manji opseg prijevoza i zbrinjavanja biokrutih tvari
- Poboljšanu stabilnost procesa tijekom razdoblja visokog opterećenja krutim tvarima
- Bolju kontrolu nitastih organizama razbijanjem flokula i razaranjem stanica
Hielscher sonikatori za ugradnju u cjevovod i jednostavnu nadogradnju
U punom industrijskom mjerilu općenito je učinkovitije sonicirati tok koncentriranog mulja nego cijeli volumen aerobnog digestora. Hielscher ultrazvučni reaktori s protočnim ćelijama podržavaju dvije praktične konfiguracije.
Predobrada WAS-a u dovodnom cjevovodu
Ultrazvučni sustav ugrađuje se nakon zgušnjavanja WAS-a, a prije aerobnog digestora:
Zgusnuti WAS -> dovodna pumpa -> Hielscher ultrazvučna protočna ćelija -> aerobni digestor
Ovim se rasporedom obrađuje definiran maseni protok suhe tvari i osigurava jasna osnova za kontrolu specifičnog unosa ultrazvučne energije.
Dijagram toka: Zgusnuti WAS -> dovodna pumpa -> Hielscher industrijski sonikator UIP6000hdT ugrađen u cjevovod -> aerobni digestor
Recirkulacija digestora ili obrada bočnog toka
Kontrolirani udio mulja pumpa se iz digestora ili cjevovoda za mulj kroz sonikator i vraća u proces. Ova je konfiguracija korisna kada je postojeći dovodni cjevovod teško preinačiti ili kada treba obraditi samo odabrani udio mulja.
Oba rasporeda mogu se ugraditi kao kompaktne jedinice na postolju s pumpom, ultrazvučnom protočnom ćelijom, zapornim ventilima, servisnim obilaznim vodom, mjerenjem tlaka i temperature, mjestima za uzorkovanje i sustavima za upravljanje procesom. Postojeća posuda digestora ostaje nepromijenjena.
Zbog toga je ultrazvučna obrada osobito prikladna za nadogradnju postojećih postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Ultrazvučna jedinica na postolju može se ugraditi u cjevovod s pumpnim transportom, raditi neovisno i zaobići tijekom pregleda ili održavanja.
Poboljšajte dezintegraciju mulja u aerobnoj razgradnji ultrazvukom velike snage!
Hielscher industrijski sonikatori pružaju kompaktnu i skalabilnu metodu za integraciju ultrazvuka velike snage u postojeću liniju za obradu WAS-a. Obrada u protočnoj ćeliji ugrađenoj u cjevovod koncentrira ultrazvučnu energiju na tok mulja, omogućuje ponovljivu kontrolu doze i može se projektirati za pouzdan rad pri velikim opterećenjima 24/7.
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.
Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim korištenjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima za oznaku CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
Često postavljana pitanja
Proizvodi li ultrazvučna obrada više bioplina u aerobnom digestoru?
Ne. Povećani prinos metana ili bioplina prednost je anaerobne digestije. Pri aerobnoj digestiji ultrazvučnu obradu treba procjenjivati prema razgradnji hlapivih krutih tvari (VS), potrošnji kisika, vremenu digestije, preostaloj suhoj tvari, mogućnosti odvodnjavanja i ukupnim troškovima.
Gdje se ugrađuje ultrazvučni sustav?
Sustav se obično ugrađuje izravno u cjevovod nakon zgušnjavanja viška aktivnog mulja (WAS), a prije aerobnog digestora. Može raditi i u kontroliranom bočnom toku ili recirkulacijskoj petlji digestora. Servisni obilazni vod omogućuje nastavak transporta mulja tijekom održavanja.
Zašto upotrebljavati industrijski sonikator frekvencije 20kHz?
Ultrazvuk niske frekvencije i velike snage stvara intenzivnu kavitaciju i mehaničko smicanje. To je učinkovito za razbijanje flokula mulja, razaranje izvanstaničnih polimernih tvari (EPS) i otvaranje mikrobnih stanica u tokovima koji sadrže tekućinu i krute tvari.
Može li sonikator Hielscher raditi neprekidno?
Da. Industrijski sonikatori Hielscher iz serije hdT projektirani su za neprekidan rad pri velikim opterećenjima i poznati su po svojoj dugotrajnosti. Reaktori s protočnim ćelijama omogućuju kontroliranu obradu izravno u cjevovodu ili u recirkulaciji, dok automatsko bilježenje podataka podržava praćenje procesa i ponovljivost.
Koji su podaci potrebni za dimenzioniranje ultrazvučnog sustava za obradu mulja?
Glavni ulazni podaci su protok viška aktivnog mulja (WAS), koncentracije ukupnih krutih tvari (TS) i hlapivih krutih tvari (VS), viskoznost mulja, ciljana specifična energija, potreban učinak obrade, radni sati i raspoloživi tlak. Preporučuje se pilot-ispitivanje kako bi se utvrdila korisna doza prije dimenzioniranja sustava pune veličine.
Poboljšava li sonikacija odvodnjavanje mulja?
Rezultat ovisi o svojstvima mulja i dozi. Umjerena obrada može poboljšati proces obrade krutih tvari, dok prekomjerna dezintegracija može stvoriti sitne čestice i topljive polimere koji otežavaju izdvajanje krutih tvari ili smanjuju sadržaj krutih tvari u filtarskom kolaču. Ispitivanja odvodnjavanja stoga su ključan dio optimizacije procesa.
Što znanstvena istraživanja govore o ultrazvučnoj digestiji viška aktivnog mulja (WAS)?
Laboratorijska istraživanja podupiru primjenu ultrazvuka za povećanje dostupnosti i aerobne biorazgradivosti viška aktivnog mulja (WAS).
U istraživanju kombinirane alkalne i ultrazvučne predobrade prije aerobne digestije zabilježena je razgradnja organske tvari pri istom vremenu digestije od 38,0% za neobrađeni mulj i 42,5% za ultrazvučno predobrađeni mulj. Kombinirana alkalna i ultrazvučna predobrada povećala je razgradnju na 50,7%. Rezultat pokazuje da sam ultrazvuk može poboljšati aerobnu razgradnju, a istodobno pokazuje da ostvarivo poboljšanje ovisi o strategiji predobrade i svojstvima mulja. (usp. Jin i sur., 2009)
U drugom istraživanju komunalnog viška aktivnog mulja (WAS) zabilježene su povećana solubilizacija mulja i aerobna biorazgradivost nakon bakterijske dezintegracije potpomognute ultrazvukom. Predobrađeni mulj pokazao je veću brzinu biorazgradnje ili raspadanja od neobrađenog kontrolnog uzorka. (usp. Kavitha i sur. 2016)
Podržava li sonikacija druge procese obrade mulja?
Da. Sonikacija podržava nekoliko procesa obrade mulja razaranjem flokula, izvanstaničnih polimernih tvari (EPS) i mikrobnih stanica:
Anaerobna digestija/Proizvodnja bioplina: ubrzava hidrolizu, povećava topljivi COD i može poboljšati razgradnju hlapivih krutih tvari (VS) i prinos metana.
Oporaba fosfora: oslobađa fosfor vezan za stanice i organski fosfor u tekuću fazu, čime poboljšava njihovu dostupnost za naknadno taloženje struvita ili vivijanita; ultrazvuk također može intenzivirati izluživanje fosfora iz pepela mulja.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi u rasponu od laboratorijskih do industrijskih veličina.