Različita rješenja za oporabu fosfora iz mulja iz komunalnih otpadnih voda

Fosfor je kritična mineralna sirovina čije se prirodne zalihe brzo smanjuju. Stoga je njemačka vlada uredbom propisala da se od 2029. fosfor mora u velikoj mjeri oporabljivati iz kanalizacijskog mulja. Primjena ultrazvuka velike snage otvara različite mogućnosti za intenziviranje oporabe fosfora iz mulja iz komunalnih otpadnih voda.

Postrojenja za obradu kanalizacijskog mulja i recikliranje fosfora

Fosfor je kritičan element koji se široko upotrebljava kao gnojivo i sirovina u finoj kemijskoj i farmaceutskoj industriji. Zbog brzog smanjivanja njegovih raspoloživih zaliha njemačka vlada donijela je zakon kojim se svim postrojenjima za pročišćavanje komunalnih otpadnih voda nalaže poduzimanje mjera za oporabu fosfora iz mulja iz komunalnih otpadnih voda. Primjena ultrazvuka visokih performansi nudi različite mogućnosti obrade koje znatno povećavaju učinkovitost oporabe fosfora.

Postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda upotrebljavaju ultrazvuk za poboljšanu digestiju mulja i oporabu hranjivih tvari poput fosfora.

Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja za poboljšanu oporabu fosfora

Jasno je dokazano da izlaganje kanalizacijskog mulja snažnim ultrazvučnim valovima poboljšava dezintegraciju biomase u kanalizacijskom mulju. Brojna istraživanja pokazala su prednosti ultrazvučne obrade viška aktivnog mulja, a različiti industrijski ultrazvučni sustavi rade u komunalnim uređajima za pročišćavanje otpadnih voda u Njemačkoj.
Ultrazvučna predobrada supstrata u kanalizacijskom mulju ima nekoliko povoljnih učinaka na procese anaerobne digestije. Te prednosti uključuju smanjenje veličine čestica, povećanje brzine hidrolize i skraćivanje hidrauličkog vremena zadržavanja.
Kavitacijske smične sile koje stvaraju ultrazvučni valovi visokog intenziteta / niske frekvencije uzrokuju razgradnju morfologije flokula mulja i mikrobne strukture mulja.
Nguyenov istraživački tim u svojim je istraživanjima pokazao „da je primjena ultrazvuka vrlo učinkovita u smanjenju veličine čestica biomase, postižući smanjenje na prosječnu veličinu čestica od >78,78% proporcionalno trajanju i intenzitetu izlaganja ultrazvučnom zračenju. To je upućivalo na dezintegraciju čestica mulja i smanjenje njihove veličine, na temelju obrnute povezanosti između vremena sonikacije i veličine čestica flokula. Primjena je bila vrlo učinkovita, unatoč tome što su opažanja flokula mulja prije obrade pokazala da su flokule mulja bile guste i vrlo kompaktne te da su se, među ostalim, sastojale od brojnih pododjeljaka s kompaktnim jezgrama, nakupinama stanica, bakterijskim kolonijama, praživotinjama i filamentoznim bakterijama. Analiza efluenta pokazuje da je ultrazvučni postupak znatno narušio strukturnu cjelovitost flokula mulja svih veličina. Dijelovi flokula smanjeni su na svega ≤6,5 μm u optimalnim uvjetima obrade te su otopljeni u suspenziji mulja nakon 5–10 min ultrazvučne obrade pri niskoj ultrazvučnoj frekvenciji od 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Učinkovito dezintegriran kanalizacijski mulj, tj. sonikirani mulj, pokazuje znatno poboljšana svojstva odvajanja koja omogućuju uklanjanje frakcija bogatih fosforom iz biomase i frakcija nalik gelu, kao i vode. Ultrazvučna kavitacija razara stanične strukture biomase u kanalizacijskom mulju i olakšava naknadno frakcioniranje na tri frakcije: (i) vlakna bogata celulozom, (ii) gel bogat hranjivim tvarima i (iii) tekućinu koja lako fermentira. Te tri frakcije mulja mogu se dalje obrađivati, primjerice radi oporabe fosfora, uklanjanja teških metala itd.

Ultrazvučno intenzivirano mokro kemijsko taloženje fosfora

Ultrazvučna obrada dobro je poznata tehnika koja se već dugo primjenjuje u kemiji za uspješno i učinkovito taloženje minerala, čestica i kristala. Za oporabu fosfora iz kanalizacijskog mulja sonikacija se primjenjuje radi poticanja i ubrzavanja taloženja struvita. Struvit (magnezijev amonijev fosfat) fosfatni je mineral formule NH₄MgPO₄·6H₂ O, koji nudi jednostavno rješenje za uklanjanje fosfora u vezanom obliku iz otpadnog mulja.
Tijekom procesa kristalizacije / taloženja struvita ioni PO₄^3-, NH₄⁺ i Mg²⁺ uklanjaju se iz tekuće faze zbog taloženja struvita, sve dok reakcija ne postigne ravnotežu.

Kristali struvita istaloženi iz otpadnih voda svinjogojstva.
(slika i istraživanje: ©Kim et al. 2017)

Kada se ultrazvučna obrada primjenjuje kao predobrada mulja prije procesa taloženja struvita, ultrazvučno inducirana kavitacija osigurava temeljito miješanje na molekularnoj razini, čime se osigurava aktivna površina za rast kristala. Povećanje brzine solubilizacije izvanstaničnih i unutarstaničnih tvari dodatno pogoduje taloženju struvita povećanjem bioraspoloživosti iona NH₄⁺ i PO₄^3- . Sonikacija olakšava prijenos tvari kroz suspenziju zahvaljujući ultrazvučnoj kavitaciji.
Sonikacija se također može primijeniti na tekuću fazu hidrotermalne karbonizacije, iz koje se fosfor reciklira u obliku struvita ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom i taloženjem.
Pročitajte više o taloženju struvita u velikim razmjerima radi oporabe fosfora iz kanalizacijskog mulja!

Sono-Fenton za oslobađanje fosfora iz kanalizacijskog mulja

Istraživanje koje su proveli Gong i sur. (2015) pokazalo je učinkovitost kombinirane predobrade ultrazvukom i Fentonovim postupkom (poznate i kao sono-Fenton) za dezintegraciju kanalizacijskog mulja. Primjena obrade ultrazvukom i Fentonovim postupkom znatno je povećala oslobađanje ugljika, dušika i fosfora. Obrada sono-Fenton povećala je ukupni dušik (N) i fosfor (P) za faktor 1,7 odnosno 2,2 u usporedbi sa samim Fentonovim postupkom. Nakon obrade sono-Fenton, pretražna elektronska mikroskopija pokazala je da mulj ima znatno sitnije čestice i rahliju mikrostrukturu. Mjerenjem elektronske spinske rezonancije utvrđeno je da se najviši intenzitet signala OH• povećao s 568,7 pri obradi Fentonovim postupkom na 1106,3 nakon obrade sono-Fenton. To je pokazalo da obrada sono-Fenton izaziva dezintegraciju mulja i znatno poboljšava oslobađanje organskog ugljika, dušika i fosfora.

Mikrobni gorivni članci s ultrazvučno intenziviranim radom

Ultrazvučna predobrada kanalizacijskog mulja potiče solubilizaciju različitih organskih spojeva iz matrice mulja, što zatim ubrzava mikrobnu elektrohidrogenezu.
More i Ghangrekar (2010) pripisuju povoljne učinke predobrade sonikacijom na mikrobne gorivne članke pojačanoj enzimskoj aktivnosti i dostupnosti izvanstaničnih proteina, polisaharida i enzima, koji se ultrazvučnom sonoporacijom i razaranjem stanica oslobađaju iz unutarnjih slojeva flokula mulja u vanjske slojeve, što povećava učinkovitost iskorištavanja supstrata. Za poboljšanje dobivanja električne energije iz mikrobnih gorivnih članaka potrebno je poboljšati sposobnost bakterija da prenose elektrone na izvanstaničnu čvrstu tvar. Taj izvanstanični prijenos elektrona može se odvijati izravnim kontaktom između površine stanice i čvrste površine ili neizravno putem takozvanih egzogenih i endogenih posrednika. Za izravan prijenos elektrona između bakterija i površine elektrode elektron treba dosegnuti vanjsku membranu stanice. Ta je pojava mogla nastati zbog ultrazvučne predobrade inokuluma kada je specifična dovedena energija bila odgovarajuća, čime se pogodovalo većoj kulonskoj učinkovitosti.
Ultrazvučno intenziviran proces mikrobne elektrolize mogao bi se kombinirati s naknadnim fermentacijskim procesima za obradu mulja.

Sonoelektrokemijska obrada kanalizacijskog mulja

Elektrokoagulacija je jednostavan postupak koji se lako može primijeniti na otpadne vode te omogućuje učinkovitu i troškovno isplativu obradu velikih volumena. Sonikacija pomaže prevladati glavni nedostatak postupaka elektrokoagulacije sprječavanjem stvaranja pasivirajućih slojeva na elektrodama. Pasivni filmovi koji se s vremenom stvaraju na površini elektroda drastično smanjuju učinkovitost elektrokoagulacijskih sustava, a ultrazvuk je jednostavna metoda za kontinuirano uklanjanje tih pasivirajućih slojeva tijekom rada, pri čemu sonikacija istodobno povećava kapacitet obrade elektrokoagulacijskih sustava. Ultrazvučni valovi razgrađuju naslage nastale na površini elektroda i stvaraju velike količine radikalskih vrsta za uklanjanje onečišćujućih tvari stvaranjem visokotlačnih točaka unutar otopine tijekom pojave kavitacije. Kombiniranjem elektrokoagulacije s ultrazvukom, zbog stvaranja novih površina na elektrodi djelovanjem kavitacije ili mikrostrujanja, smanjenje debljine distribucijskog sloja dodatno se pojačava povećanjem brzine prijenosa tvari. Sonoelektrokoagulacija povećava količinu nastalog koagulansa u usporedbi s elektrokoagulacijom, a flokulacija se pojačava iznimno intenzivnim miješanjem i oksidacijom uslijed stvaranja slobodnih radikala; stoga je željenu učinkovitost moguće postići u najkraćem vremenu.
(Moradi et al., 2021)

Prednosti sonoelektrokemije i sonoelektrokoagulacije

„Sonoelektrokemija je kombinacija ultrazvučne energije i elektrokemijskog sustava koja nudi nekoliko prednosti, uključujući uklanjanje mjehurića plina s površine elektrode, otplinjavanje otopine, narušavanje Nernstova difuzijskog sloja, poboljšanje prijenosa tvari elektroaktivnih vrsta kroz dvosloj te aktivaciju i čišćenje površine elektrode. Te prednosti u elektrokemiji dovode do poboljšane učinkovitosti procesa (učinkovitosti elektroda i iskorištenja struje), povećanja brzina i prinosa elektrokemijskih procesa, smanjenja napona ćelija i prenapona elektroda, poboljšanja elektrotaloženih materijala u pogledu tvrdoće, kvalitete, poroznosti i debljine te suzbijanja onečišćenja elektroda i otplinjavanja na površini elektroda.” (Foroughi et al., 2021)
Pročitajte više o sonoelektrokemijskoj opremi i njezinim primjenama!

Industrijski ultrazvučni sustavi za obradu kanalizacijskog mulja

Visokoučinkoviti sustavi Hielscher Ultrasonics pouzdan su oslonac u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda i obradu kanalizacijskog mulja. Ultrazvučni sustavi Hielscher isporučuju ultrazvuk velike snage pri 20kHz, koji stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju. Učinci naše ultrazvučne obrade velike snage uključuju razaranje stanica i dezintegraciju, intenzivan prijenos tvari, dezinfekciju, razgradnju polimera, oslobađanje enzima i homogenizaciju mulja. Sonikacija visokog intenziteta poboljšava učinkovitost obrade stvaranjem oksidacijskih radikala i povećanjem broja mjesta nukleacije, čime se osiguravaju bolja koagulacija i flokulacija. Pouzdano i kontinuirano stvaranje tih intenzivnih ultrazvučnih kavitacijskih sila i njihovih učinaka omogućuje integraciju naših snažnih ultrazvučnih procesora za različite primjene radi boljeg iskorištavanja energije i oporabe hranjivih tvari iz kanalizacijskog mulja.

• Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja
• Ultrazvučno intenzivirana anaerobna digestija
• Oporaba vrijednih hranjivih tvari (fosfor, dušik, magnezij, kalcij, kalij itd.)
• Uklanjanje onečišćujućih tvari poput teških metala

Ponudom ultrazvučnih procesora s protočnim reaktorima različitih veličina Hielscher Ultrasonics pruža idealne ultrazvučne sustave za obradu otpadnih voda i mulja za vaše postrojenje za obradu kanalizacijskog mulja.
Modularni dizajn omogućuje jednostavnu paralelnu ugradnju nekoliko ultrazvučnih jedinica, čime se omogućuje pouzdana i učinkovita obrada bilo kojeg volumena.
Ultrazvučni sustavi Hielscher velike snage / velikog kapaciteta obrade povećavaju učinkovitost i prinos pri obradi biomase u kanalizacijskom mulju.
Svi naši ultrazvučni uređaji imaju mogućnost čišćenja na mjestu (CIP).
Prikladni za zahtjevne obrade: Kanalizacijski mulj često sadrži vlaknaste materijale s visokim udjelom celuloze, koje je teško dezintegrirati. Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Tako visoke amplitude učinkovit su način razaranja stanične strukture celuloza, lignina i čvrstih staničnih stijenki drugih materijala. Optimizirani dizajn naših reaktora s protočnim ćelijama osigurava idealne obrasce strujanja te ujednačenu i učinkovitu ultrazvučnu obradu dovedenog mulja.

Surađujemo s integratorima sustava i inženjerima postrojenja za obradu kanalizacijskog mulja

Kao proizvođač i graditelj sustava s visokoučinkovitim ultrazvučnim modularnim jedinicama, Hielscher Ultrasonics surađuje s integratorima sustava. Većina operatera postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda i obradu kanalizacijskog mulja surađuje s integratorima sustava koji imaju veliko iskustvo u projektiranju i automatizaciji takvih postrojenja za pročišćavanje. Naš tim projektnih i tehničkih inženjera preporučuje optimalnu ultrazvučnu konfiguraciju za ciljani volumen mulja, pruža detaljne informacije o sustavu i CAD nacrte te uslugu ugradnje i obuku za rad. To omogućuje konstruktivnu i ciljanu provedbu integracije visokoučinkovitog ultrazvuka u postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Obratite nam se ako ste zainteresirani za integraciju naših ultrazvučnih procesora radi poboljšanja obrade mulja!

Tablica u nastavku daje okvirni pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Obratite nam se sada za više pojedinosti o Hielscher ultrazvučnim sustavima za obradu kanalizacijskog mulja, mogućnostima ugradnje i tehničkim informacijama!