Ultrahangos kezelés az aerob szennyvíz-aktív iszap lebontásához
A nagy teljesítményű ultrahangkezelés az aerob lebontás előtt vagy közben szétbontja a hulladék-aktív iszapot (WAS). Az akusztikus kavitáció felbontja az iszapflokkulákat, szétszakítja az extracelluláris polimer anyagokat és megnyitja a mikrobiális sejteket. Ezáltal a korábban védett szerves anyagok könnyebben hozzáférhetővé válnak az aerob lebontó rendszer számára.
Egy aerob folyamat esetében a cél nem a biogáztermelés növelése. A metántermelés fokozása az anaerob lebontásnál releváns. Egy aerob fermentorban a releváns teljesítménymutatók a repülő szilárd anyagok lebontása, az oxigénfogyasztás, a lebontási idő, a maradék szárazanyag-tartalom, a vízteleníthetőség és a teljes üzemeltetési költség.
A Hielscher ipari ultrahangos berendezései beépíthetők egy szivattyúzott WAS-vezetékbe vagy egy rothasztó recirkulációs körébe. Az ultrahangos áramlási cellás reaktorok a kezelést egy meghatározott iszapáramra összpontosítják, és lehetővé teszik a folyamat figyelemmel kísérését a teljesítmény, az áramlás, a szilárdanyag-koncentráció, a nyomás és a hőmérséklet alapján. Az eredmény egy kompakt utólagos felszerelés, amely ultrahangos iszapszétbontást tesz lehetővé a meglévő aerob rothasztó cseréje nélkül.
Hielscher ipari ultrahangos inline áramlásirányú berendezés sűrített WAS feldolgozásához
Miért nehéz az iszap lebontása?
A szennyvíztisztító aktíviszap az aktíviszapos szennyvíztisztítási folyamatból eltávolított felesleges biológiai szilárd anyag. Mikroorganizmusokat, extracelluláris polimer anyagokat (EPS), megkötött szerves anyagokat és inert szilárd anyagokat tartalmaz.
A másodlagos ülepítőben az ülepedett aktív iszap két áramra oszlik:
- A visszavezetett aktív iszapot (RAS) visszavezetik a levegőztető medencébe a szükséges biomassza-koncentráció fenntartása érdekében.
- A felesleges aktív iszapot (WAS) kivonják a folyadékkezelési folyamatból, majd sűrítésre, stabilizálásra, rothasztásra vagy víztelenítésre továbbítják.
A WAS nagy arányban tartalmaz mikrobiális sejtanyagot. Biológiailag lebontható szerves anyagának jelentős része sejtfalakkal van körülvéve, vagy sűrű iszapflokokba kötődik. Ez a fizikai védelem lassítja a sejtek természetes lebomlását és a hidrolízist.
Az aerob lebontás során oxigénellátás biztosított, miközben alig áll rendelkezésre új tápanyag. A mikroorganizmusok endogén légzésbe kezdenek, és felhasználják a tárolt anyagokat, az elhalt sejteket és az iszap egyéb biológiailag lebontható alkotóelemeit. A cél az iszap stabilizálása, a szagképződés csökkentése, valamint a kiszárítandó és ártalmatlanítandó illékony szilárd anyagok mennyiségének csökkentése.
Az emésztési sebességet gyakran a szubsztrátumhoz való hozzáférés korlátozza. Előfordulhat, hogy egy emésztőben aktív mikroorganizmusok vannak és a tartózkodási idő is elegendő, de az ép sejtekben és a sűrű flokokban található szerves anyagokhoz továbbra is nehéz hozzáférni.
A kezeletlen flokok és az ultrahanggal kezelt iszap összehasonlítása: Az ultrahangkezelés jelentősen csökkenti a flokok méretét.
Tanulmány és képek: ©Chu és társai, 2001
Hogyan nyitja meg az ultrahangos kavitáció a WAS-t az aerob lebontás számára?
A Hielscher ipari ultrahangos készülékei 20 kHz-es frekvencián működnek, és folyadék- és iszapáramokban intenzív akusztikus kavitációt hoznak létre. A kavitációs buborékok az iszapban keletkeznek, növekednek és összeomlanak. Összeomlásuk hatalmas helyi nyíróerőket hoz létre, amelyek közvetlenül hatnak a flokkulátumokra, az EPS-re és a mikrobiális sejtekre.
Az ultrahangos kezelés három fontos változást idéz elő a WAS-ban:
A flokok szétesése
A kavitáció felbontja az iszapaggregátumokat, és felszínre hozza azokat a felületeket, amelyeket korábban extracelluláris polimer anyagok (EPS) vettek körül. A kezelt iszap kisebb részecskéket tartalmaz, és nagyobb a hozzáférhető felülete.
EPS és sejtfelbomlás
Az ultrahanggal segített szétesés növeli a kommunális hulladékból származó aktív iszap aerob biológiai lebonthatóságát azáltal, hogy felbontja a szilárd iszapflokkulátumokat és felszabadítja a bennük rekedt szerves anyagokat. Az ultrahangos kavitáció megzavarja a sejtmembránokat és a sejtfalakat. A fehérjék és a szénhidrátok, valamint más sejten belüli vegyületek átkerülnek a folyadékfázisba.
Megnövekedett biológiai hozzáférhetőség
Az aerob mikroorganizmusok az oldható és finoman felaprózott szerves anyagokat könnyebben képesek lebontani, mint az ép mikrobiális sejteket és a tömör flokokat. Az ultrahangkezelés ezért a biológiai oxidációs lépés előtt mechanikusan elvégzi a sejtfelbomlás és a hidrolízis egy részét.
Az ultrahangkezelés a szennyvíziszap vastag védőrétegét célozza meg, hogy a mikrobiális lebontás sokkal gyorsabb és hatékonyabb legyen. Ez általában az oldható kémiai oxigénigény (SCOD) növekedéseként figyelhető meg.
Ipari ultrahangos áramlási reaktor a WAS-emésztés javításához
Az ultrahangos kezelés előnyei az aerob lebontó telepeken
A reakció az iszaptól és az ultrahangos besugárzás mértékétől függ. Ha az ultrahangos kezelés fokozza az aerob biológiai lebonthatóságot, a szennyvíztisztító telep az alábbi előnyöket érheti el:
- A meglévő emésztési idő alatt több illékony szilárd anyag semlegesítése
- Hasonló iszapstabilizálás rövidebb tartózkodási idő mellett
- Alacsonyabb maradék szárazanyag-termelés
- Egy meglévő aerob fermentőből származó további hatékony kapacitás
- A szennyvíziszap szállításának és ártalmatlanításának csökkentése
- A folyamat stabilitásának javítása magas szilárdanyag-terhelésű időszakokban
- A szálas szervezetek hatékonyabb szabályozása a flokkuláció és a sejtek szétzúzása révén
Hielscher beépíthető ultrahangos készülékek az egyszerű utólagos felszereléshez
Teljes méretű üzemeltetés esetén általában hatékonyabb a koncentrált iszapáram ultrahangos kezelése, mint az aerob rothasztó teljes térfogatának kezelése. A Hielscher ultrahangos áramlási cellás reaktorai két gyakorlati konfigurációt támogatnak.
WAS adagolóvezeték előkezelése
Az ultrahangos rendszert a WAS-sűrítő után és az aerob rothasztó előtt szerelik be:
Sűrített WAS → adagolószivattyú → Hielscher ultrahangos áramlási cella → aerob fermentor
Ez a rendszer egy meghatározott szárazanyag-tömegáramot kezel, és egyértelmű alapot biztosít a specifikus ultrahangos energia-beviteli érték szabályozásához.
Folyamatábra: Besűrített WAS → adagolószivattyú → Hielscher UIP6000hdT ipari inline ultrahangos berendezés → aerob fermentáló tartály
Fermentátoros visszavezetés vagy mellékáramú kezelés
Az iszap egy szabályozott részét az erjesztőtartályból vagy az iszapvezetékből az ultrahangos berendezésen keresztül szivattyúzzák, majd visszavezetik a folyamatba. Ez a kialakítás akkor hasznos, ha a meglévő betápláló vezeték átalakítása nehézségekbe ütközik, vagy ha az iszapnak csak egy kiválasztott részét kell kezelni.
Mindkét rendszer kompakt, készre szerelt egységként telepíthető, amely tartalmazza a szivattyút, az ultrahangos áramlásmérő cellát, az elzárószelepeket, a karbantartási bypass-vezetéket, a nyomás- és hőmérséklet-mérőket, a mintavételi pontokat és a folyamatvezérlőket. A meglévő erjesztőtartály változatlan marad.
Ezért az ultrahangos kezelés különösen alkalmas a meglévő szennyvíztisztító telepek utólagos felszerelésére. Az ultrahangos berendezés beépíthető a szivattyúvezetékbe, önállóan üzemeltethető, és ellenőrzés vagy karbantartás során ki lehet kapcsolni.
Javítsa az aerob iszap szétesését nagy teljesítményű ultrahang segítségével!
A Hielscher ipari ultrahangos berendezései kompakt és skálázható megoldást kínálnak a nagy teljesítményű ultrahang beépítésére egy meglévő WAS-kezelő vonalba. Az áramláscellás feldolgozás az ultrahangos energiát az iszapáramra összpontosítja, lehetővé teszi a dózis reprodukálható szabályozását, és úgy alakítható ki, hogy megbízhatóan működjön a hét minden napján, éjjel-nappal, nagy terhelés mellett is.
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség
A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszperzióhoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti és ipari méretekben.
Gyakran Ismételt Kérdések
Az ultrahangos kezelés több biogázt eredményez-e egy aerob fermentorban?
Nem. A megnövekedett metán- vagy biogáz-hozam az anaerob lebontás egyik előnye. Az aerob lebontás esetében az ultrahangos kezelést a VS-érték csökkenése, az oxigénfogyasztás, a lebontási idő, a maradék szárazanyag-tartalom, a vízteleníthetőség és a teljes költség alapján kell értékelni.
Hol van felszerelve az ultrahangos rendszer?
A rendszert általában a WAS-sűrítés után és az aerob rothasztó előtt építik be a folyamatba. Emellett szabályozott mellékáramú vagy rothasztó-visszakeringető körben is működhet. A karbantartás ideje alatt egy szerviz-bypass biztosítja az iszapszállítás folytonosságát.
Miért érdemes 20 kHz-es ipari ultrahangos készüléket használni?
Az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang intenzív kavitációt és mechanikus nyíróerőt generál. Ez hatékonyan szétbontja az iszapflokkulátumokat, felbomlasztja az EPS-t és megnyitja a mikrobiális sejteket a folyadék-szilárd anyag keverékekben.
A Hielscher ultrahangos készülék folyamatosan működhet?
Igen. A Hielscher ipari hdT ultrahangos berendezéssorozata folyamatos, nagy terhelésű üzemre lett tervezve, és tartósságáról ismert. Az áramlási cellás reaktorok lehetővé teszik a szabályozott inline vagy recirkulációs feldolgozást, míg az automatikus adatrögzítés elősegíti a folyamat figyelemmel kísérését és a reprodukálhatóságot.
Milyen adatokra van szükség egy ultrahangos iszapkezelő rendszer méretezéséhez?
A fő bemeneti paraméterek a WAS-áramlás, a TS- és VS-koncentráció, az iszap viszkozitása, a célul kitűzött fajlagos energiafogyasztás, a szükséges tisztítási hatékonyság, az üzemórák száma és a rendelkezésre álló nyomás. A teljes méretű tervezés előtt kísérleti tesztelés elvégzése ajánlott a megfelelő adag meghatározása érdekében.
Javítja-e az ultrahangos kezelés az iszap víztelenítését?
Az eredmény az iszap tulajdonságaitól és az adagolási mennyiségtől függ. A mérsékelt kezelés javíthatja a szilárdanyag-kezelési folyamatot, míg a túlzott szétesés finom részecskéket és oldható polimereket eredményezhet, amelyek rontják a szilárdanyagok kicsapódását vagy a szilárdanyag-tortát. A víztelenítési kísérletek ezért elengedhetetlen részét képezik a folyamat optimalizálásának.
Mit mondanak a tudományos tanulmányok az ultrahangos WAS-emésztésről?
A laboratóriumi vizsgálatok alátámasztják az ultrahang alkalmazását a szennyvíziszap hozzáférhetőségének és aerob lebomlási képességének javítása érdekében.
Az aerob lebontást megelőző, lúgos és ultrahangos előkezelés kombinációját vizsgáló tanulmányban az azonos lebontási idő alatt elért szervesanyag-lebontás mértéke a kezeletlen iszap esetében 38,0%, az ultrahanggal előkezelt iszap esetében pedig 42,5% volt. A lúgos és ultrahangos előkezelés kombinációja a lebontás mértékét 50,7%-ra növelte. Az eredmények azt mutatják, hogy az ultrahang önmagában is javíthatja az aerob lebomlást, ugyanakkor azt is alátámasztják, hogy az elérhető javulás az előkezelési stratégiától és az iszap jellemzőitől függ. (vö. Jin et al., 2009)
Egy másik, a kommunális szennyvízkezelő telepekre vonatkozó vizsgálat arról számolt be, hogy az ultrahanggal támogatott bakteriális lebontás után megnőtt az iszap oldhatósága és aerob biológiai lebonthatósága. Az előkezelt iszap nagyobb biológiai lebonthatósági vagy bomlási sebességet mutatott, mint a kezeletlen kontrollminta. (vö. Kavitha et al. 2016)
Segíti-e az ultrahangkezelés más iszapkezelési eljárásokat?
Igen. Az ultrahangos kezelés számos iszapkezelési folyamatot támogat azáltal, hogy felbomlasztja a flokkulátumokat, az EPS-t és a mikrobiális sejteket:
Anaerob lebontás/biogáz-előállítás: felgyorsítja a hidrolízist, növeli az oldható COD-értéket, és javíthatja a szerves anyagok lebomlását és a metánhozamot.
Foszfor-visszanyerés: a sejtekhez kötött és szerves foszfort a folyadékfázisba szabadítja fel, javítva annak rendelkezésre állását a későbbi sztruvit- vagy vivianit-kicsapódáshoz; az ultrahang emellett fokozhatja a foszfor kimosódását az iszaphamuból is.
Irodalom / Hivatkozások
- 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 gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.