Razna rješenja za obnavljanje fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja

Fosfor je ključni mineralni resurs čija se prirodna zaliha brzo smanjuje. Slijedom toga, njemačka vlada donijela je dekret da se od 2029. godine fosfor u velikoj mjeri mora oporabiti iz kanalizacijskog mulja. Implementacija snažnog ultrazvuka otvara različite mogućnosti za intenziviranje oporabe fosfora iz komunalnog kanalizacijskog mulja.

Postrojenja za obradu otpadnog mulja i recikliranje fosfora

Fosfor je kritičan element, naširoko se koristi kao gnojivo i sirovina u finoj kemijskoj i farmaceutskoj industriji. Zbog brzog smanjenja dostupnih resursa, njemačka vlada je provela zakon prema kojem sva komunalna postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda moraju uspostaviti mjerenje za dobivanje fosfora iz gradskog kanalizacijskog mulja. Primjena visokoučinkovitog ultrazvuka nudi različite mogućnosti liječenja, koje značajno povećavaju učinkovitost oporavka fosfora.

Postrojenja za otpadne vode koriste ultrazvuk za poboljšanu probavu mulja i obnavljanje hranjivih tvari kao što je fosfor.

Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja za poboljšanu oporabu fosfora

Ozračivanje otpadnog mulja snažnim ultrazvučnim valovima jasno je pokazalo da poboljšava razgradnju biomase u kanalizacijskom mulju. Brojne istraživačke studije pokazale su prednosti ultrazvučne obrade otpadnog aktivnog mulja i različiti industrijski ultrazvučni sustavi rade u komunalnim postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda u Njemačkoj.
Ultrazvučna prethodna obrada supstrata u kanalizacijskom mulju ima nekoliko korisnih učinaka za procese anaerobne digestije. Ove prednosti uključuju smanjenje veličine čestica, povećanje stope hidrolize i skraćivanje hidrauličkog vremena zadržavanja.
Kavitacijske sile smicanja koje generiraju ultrazvučni valovi visokog intenziteta/niske frekvencije uzrokuju razbijanje morfologije pahuljica mulja i mikrobne strukture mulja.
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)
Učinkovito dezintegrirani mulj otpadnih voda, tj. mulj obrađen ultrazvukom, pokazuje značajno poboljšana svojstva odvajanja omogućujući uklanjanje frakcija bogatih fosforom iz biomase i frakcija nalik gelu, kao i vode. Ultrazvučna kavitacija remeti stanične strukture biomase u kanalizacijskom mulju i olakšava naknadno frakcioniranje u tri frakcije (i) vlakana bogatih celulozom, (ii) gela bogatog hranjivim tvarima i (iii) tekućine koja se lako fermentira. Ove tri frakcije mulja mogu se dalje obrađivati, npr. obnavljanje fosfora, uklanjanje teških metala itd.

Ultrazvučno pojačano vlažno kemijsko taloženje fosfora

Ultrasonication je dobro poznata tehnika koja se od davnina koristi u kemiji za uspješno i učinkovito taloženje minerala, čestica i kristala. Za obnavljanje fosfora iz kanalizacijskog mulja primjenjuje se sonikacija kako bi se pospješilo i ubrzalo taloženje struvita. Struvit (magnezijev amonijev fosfat) je fosfatni 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 su iz svinjskih otpadnih voda.
(slika i studija: ©Kim et al. 2017.)

Kada se ultrazvučna obrada primjenjuje kao prethodna obrada mulja prije procesa taloženja struvita, ultrazvučno inducirana kavitacija osigurava temeljito miješanje na molekularnoj razini dajući aktivnu površinu za rast kristala. Povećanje stope solubilizacije izvanstaničnih i unutarstaničnih tvari dodatno pogoduje taloženju struvita povećanjem bioraspoloživosti NH₄⁺ i PO₄^3- ioni. Tretman sonikacijom rezultira olakšanim prijenosom mase kroz kašu, što je uzrokovano ultrazvučnom kavitacijom.
Sonikacija se također može primijeniti na tekućinu za hidrotermalnu karbonizaciju, gdje se fosfor reciklira kao struvit iz tekućine za hidrotermalnu karbonizaciju ultrazvučno potpomognutom ekstrakcijom i taloženjem.
Pročitajte više o velikom taloženju struvita za dobivanje fosfora iz kanalizacijskog mulja!

Sono-Fenton za ispuštanje fosfora iz kanalizacijskog mulja

Studija Gonga i sur. (2015) demonstrirao je učinkovitost kombiniranog ultrazvuka i Fentona (također poznatog kao sono-Fenton) predtretmana za razgradnju kanalizacijskog mulja. Primjenom tretmana ultrazvukom – Fenton značajno je povećano otpuštanje ugljika, dušika i fosfora. Tretman sono-Fentonom povećao je ukupni dušik (N) i fosfor (P) za 1,7, odnosno 2,2 puta, u usporedbi sa samim tretmanom Fentonom. Nakon tretmana sono-Fenton, mulj je pokazao znatno manju veličinu čestica i labaviju mikrostrukturu na temelju skenirajuće elektronske mikroskopije. Korištenjem rezonancije elektronskog spina, najveći intenzitet OH• signala porastao je s 568,7 kod tretmana Fenton na 1106,3 nakon tretmana sono-Fenton. Ovo je pokazalo da sono-Fenton tretman izaziva razgradnju mulja i značajno poboljšava oslobađanje organskog ugljika, dušika i fosfora.

Ultrazvučno pojačane mikrobne gorivne ćelije

Ultrazvučna predobrada kanalizacijskog mulja potiče solubilizaciju različitih organskih spojeva iz matrice mulja, što posljedično ubrzava mikrobnu elektrohidrogenezu.
More i Ghangrekar (2010.) doprinose blagotvornim učincima predtretmana ultrazvukom na mikrobne gorivne ćelije poboljšanim enzimskim aktivnostima i dostupnosti izvanstaničnih proteina, polisaharida i enzima, koji se oslobađaju iz unutarnjih slojeva pahuljica mulja u vanjske slojeve ultrazvučnom sonoporacijom i poremećaj stanica, što rezultira poboljšanom učinkovitošću iskorištenja supstrata. Za poboljšanje prikupljanja električne energije iz mikrobnih gorivih ćelija, potrebno je poboljšanje sposobnosti prijenosa elektrona bakterija na izvanstaničnu čvrstu tvar. Ovaj izvanstanični prijenos elektrona može se dogoditi bilo u izravnom kontaktu između površine stanice i čvrste površine ili neizravno preko takozvanih egzogenih i endogenih medijatora. Za izravan prijenos elektrona između bakterija i površine elektrode, elektron bi trebao doći do vanjske membrane stanice. Ovaj se fenomen mogao dogoditi zbog prethodne obrade inokuluma ultrazvukom kada je specifična dovedena energija bila odgovarajuća; dakle, favorizira veću Coulombic učinkovitost.
Ultrazvučno intenzivirani proces mikrobne elektrolize mogao bi se kombinirati s naknadnim procesima fermentacije za obradu mulja.

Sono-elektrokemijska obrada otpadnog mulja

Elektrokoagulacija je jednostavan proces, koji se lako može primijeniti na otpadnu vodu i omogućuje učinkovitu i ekonomičnu obradu velikih količina. Ultrazvučna obrada pomaže u prevladavanju glavnog nedostatka procesa elektrokoagulacije sprječavanjem stvaranja pasivizirajućih slojeva s elektroda. Pasivni filmovi koji se stvaraju na površini elektrode tijekom vremena drastično smanjuju učinkovitost elektrokoagulacijskih sustava, a ultrazvuk je laka metoda za trajno uklanjanje tih pasivizirajućih slojeva tijekom rada, dok u isto vrijeme sonikacija povećava promet elektrokoagulacijskih sustava. Ultrazvučni valovi razgrađuju sedimente nastale na površini elektrode i stvaraju velike količine radikalnih vrsta za uklanjanje zagađivača stvaranjem točaka visokog tlaka unutar otopine tijekom fenomena kavitacije. Kombinacijom elektrokoagulacije s ultrazvukom, zbog stvaranja novih površina na elektrodi kavitacijom ili mikrostrujanjem, smanjenje debljine distribucijskog sloja pogoršava se povećanjem brzina prijenosa mase. Sono-elektrokoagulacija povećava količinu stvaranja koagulansa u usporedbi s elektrokoagulacijom, a flokulacija se pojačava ekstremnim miješanjem i oksidacijom stvaranjem slobodnih radikala; stoga je postizanje željene učinkovitosti moguće u najkraćem vremenu.
(Moradi i sur., 2021.)

Prednosti sonoelektrokemije i sonoelektrokoagulacije

„Sonoelektrokemija je kombinacija ultrazvučne energije u elektrokemijskom sustavu koja nudi nekoliko prednosti, uključujući uklanjanje mjehurića plina na površini elektrode, rasplinjavanje otopine, prekid Nernstovog difuzijskog sloja, poboljšanje prijenosa mase elektroaktivnih vrsta kroz dvostruki sloj i aktiviranje i čišćenje površine elektrode. Ove prednosti u elektrokemiji dovode do poboljšane učinkovitosti procesa (učinkovitosti elektroda i struje), povećanih elektrokemijskih brzina i prinosa, smanjenih napona ćelija i prenapona elektroda, poboljšanih elektrodeponiranih materijala u smislu tvrdoće, kvalitete, poroznosti i debljine, te suzbijanja onečišćenja elektroda i otplinjavanje na površini elektrode.” (Foroughi i sur., 2021.)
Pročitajte više o sono-elektrokemijskoj opremi i njezinoj primjeni!

Industrijski ultrazvučni sustavi za obradu kanalizacijskog mulja

Hielscher Ultrasonics sustavi visokih performansi pouzdani su radni konj u postrojenjima za obradu otpadnih voda i kanalizacijskog mulja. Hielscher ultrazvučni sustavi isporučuju ultrazvuk velike snage na 20 kHz, što stvara intenzivnu akustičnu kavitaciju. Učinci našeg ultrazvučnog tretmana velike snage uključuju razbijanje i dezintegraciju stanica, veliki prijenos mase, dezinfekciju, razgradnju polimera, oslobađanje enzima i homogenizaciju mulja. Ultrazvuk visokog intenziteta poboljšava učinkovitost tretmana stvaranjem oksidativnih radikala i povećanjem mjesta nukleacije, osiguravajući bolju koagulaciju i flokulaciju. Pouzdana i kontinuirana generacija ovih intenzivnih ultrazvučnih kavitacijskih sila i njezini učinci omogućuju integraciju naših snažnih ultrazvučnih procesora za različite primjene kako bi se poboljšala proizvodnja energije i hranjivih tvari iz kanalizacijskog mulja.

• Ultrazvučna dezintegracija kanalizacijskog mulja
• Ultrazvučno pojačana anaerobna digestija
• Oporavak vrijednih nutrijenata (fosfor, dušik, magnezij, kalcij, kalij, itd.)
• Uklanjanje kontaminanata kao što su teški metali

Nudeći ultrazvučne procesore s protočnim reaktorima različitih veličina, Hielscher Ultrasonics ima idealne ultrazvučne sustave za otpad i obradu mulja za vaše postrojenje za kanalizacijski mulj.
Modularni dizajn omogućuje jednostavnu ugradnju nekoliko ultrazvučnih jedinica paralelno, što čini mogućim pouzdan i učinkovit tretman bilo kojeg volumena.
Hielscher ultrazvučni sustavi velike snage / velike propusnosti povećavaju učinkovitost i prinos u obradi biomase u kanalizacijskom mulju.
Svi naši ultrazvučni uređaji imaju mogućnost čišćenja na licu mjesta (CIP).
Prikladno za zahtjevne tretmane: Kanalizacijski mulj često sadrži vlaknaste materijale s visokim sadržajem celuloze, koji se teško raspadaju. Hielscher ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Takve visoke amplitude učinkovit su način za narušavanje stanične strukture celuloze, lignina i robusnih staničnih stijenki drugih materijala. Optimizirani dizajn naših reaktora s protočnim ćelijama osigurava idealne obrasce protoka i jednoliku, učinkovitu ultrazvučnu obradu unesenog mulja.

Surađujemo s integratorima sustava i inženjerima postrojenja za otpadni mulj

Kao proizvođač i graditelj sustava ultrazvučnih modularnih jedinica visokih performansi, Hielscher Ultrasonics radi zajedno s integratorima sustava. Većina operatera uređaja za pročišćavanje otpadnih voda i kanalizacijskog mulja surađuje s integratorima sustava koji imaju veliko iskustvo u projektiranju i automatizaciji takvih postrojenja za pročišćavanje. Naš tim projektantskih inženjera i tehničkih inženjera preporučuje optimalnu ultrazvučnu konfiguraciju za ciljani volumen mulja, pruža detaljne informacije o sustavu, CAD crteže kao i usluge instalacije i operativnu obuku. To omogućuje konstruktivnu i ciljno usmjerenu implementaciju integracije visokoučinkovitog ultrazvuka u postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Kontaktirajte nas ako ste zainteresirani za integraciju naših ultrazvučnih procesora za poboljšanu obradu mulja!

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Kontaktirajte nas sada kako biste dobili više detalja o Hielscher ultrazvučnim sustavima za obradu otpadnog mulja, mogućnostima ugradnje i tehničkim informacijama!