Ultrahangos kezelés a fölös eleveniszap aerob lebontásához
A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés az aerob lebontás előtt vagy közben dezintegrálja a fölös eleveniszapot (WAS). Az akusztikus kavitáció széttöri az iszappelyheket, megbontja az extracelluláris polimer anyagokat, és feltárja a mikrobiális sejteket. Ez az aerob iszaplebontó reaktor számára hozzáférhetőbbé teszi a korábban védett szerves anyagot.
Az aerob eljárás célja nem a biogáztermelés növelése. A metántermelés fokozása az anaerob lebontás szempontjából releváns. Az aerob iszaplebontó reaktorban a releváns teljesítménymutatók az illékony szilárdanyagok lebontása, az oxigénfogyasztás, a lebontási idő, a visszamaradó szárazanyag, a vízteleníthetőség és a teljes üzemeltetési költség.
A Hielscher ipari ultrahangos kezelőberendezései szivattyúzott WAS-vezetékbe vagy az iszaplebontó reaktor recirkulációs körébe integrálhatók. Az ultrahangos átfolyócellás reaktorok egy meghatározott iszapáramra összpontosítják a kezelést, és lehetővé teszik a folyamat nyomon követését a teljesítmény, a térfogatáram, a szilárdanyag-koncentráció, a nyomás és a hőmérséklet alapján. Az eredmény egy kompakt utólagos bővítés, amely a meglévő aerob iszaplebontó reaktor cseréje nélkül egészítheti ki a rendszert ultrahangos iszapdezintegrációval.
Hielscher ipari ultrahangos, vezetékbe építhető, keretre szerelt átfolyó rendszer sűrített WAS feldolgozásához
Miért nehéz lebontani a fölös eleveniszapot?
A fölös eleveniszap az eleveniszapos szennyvíztisztítási folyamatból eltávolított többlet biológiai szilárdanyag. Mikroorganizmusokat, extracelluláris polimer anyagokat (EPS), megkötött szerves anyagot és inert szilárdanyagokat tartalmaz.
Az utóülepítőben a leülepedett eleveniszapot két áramra osztják:
- A visszavezetett eleveniszapot (RAS) visszajuttatják a levegőztető medencébe a szükséges biomassza-koncentráció fenntartása érdekében.
- A fölös eleveniszapot (WAS) eltávolítják a folyadékkezelési folyamatból, majd sűrítésre, stabilizálásra, lebontásra vagy víztelenítésre továbbítják.
A WAS nagy arányban tartalmaz mikrobiális sejtanyagot. Biológiailag lebontható szervesanyag-tartalmának jelentős részét sejtfalak zárják körül, vagy tömör iszappelyhek belsejében kötődik meg. Ez a fizikai védelem lassítja a természetes sejtlízist és hidrolízist.
Az aerob lebontás során oxigént biztosítanak, miközben kevés új tápanyag áll rendelkezésre. A mikroorganizmusok endogén légzésre térnek át, és a tárolt anyagokat, az elhalt sejteket, valamint az iszap egyéb, biológiailag lebontható összetevőit fogyasztják el. A cél az iszap stabilizálása, a szagképződési potenciál csökkentése és a víztelenítendő, majd ártalmatlanítandó illékony szilárdanyagok mennyiségének mérséklése.
A lebontás sebességét gyakran a szubsztráthoz való hozzáférés korlátozza. Az iszaplebontó reaktorban lehetnek aktív mikroorganizmusok, és a tartózkodási idő is elegendő lehet, de az ép sejtek és a tömör pelyhek belsejében lévő szerves anyag továbbra is nehezen hozzáférhető.
Kezeletlen pelyhek és ultrahanggal kezelt iszap összehasonlítása: az ultrahangos kezelés jelentősen redukálja a pelyheket.
Tanulmány és képek: ©Chu et al. 2001
Hogyan teszi hozzáférhetővé az ultrahangos kavitáció a WAS-t az aerob lebontáshoz?
A Hielscher ipari ultrahangos kezelőberendezései 20kHz frekvencián működnek, és intenzív akusztikus kavitációt hoznak létre a folyadék- és szuszpenzióáramokban. Az iszapban kavitációs buborékok képződnek, növekednek, majd összeomlanak. Összeomlásuk erőteljes helyi nyíróerőket hoz létre, amelyek közvetlenül hatnak a pelyhekre, az EPS-re és a mikrobiális sejtekre.
Az ultrahangos kezelés három fontos változást idéz elő a WAS-ban:
Pelyhek dezintegrációja
A kavitáció szétbontja az iszapaggregátumokat, és feltárja azokat a felületeket, amelyeket korábban extracelluláris polimer anyagok (EPS) zártak körül. A kezelt iszap kisebb részecskéket tartalmaz, és nagyobb hozzáférhető felülettel rendelkezik.
Az EPS megbontása és sejtfeltárás
Az ultrahanggal segített dezintegráció növeli a kommunális fölös eleveniszap aerob biológiai lebonthatóságát az ellenálló iszappelyhek szétbontásával és a bezárt szerves anyag felszabadításával. Az ultrahangos kavitáció megbontja a sejtmembránokat és a sejtfalakat. A fehérjék, a szénhidrátok és más sejten belüli vegyületek a folyadékfázisba kerülnek.
Fokozott biológiai hozzáférhetőség
Az aerob mikroorganizmusok könnyebben fogyasztják el az oldható és finoman eloszlatott szerves anyagot, mint az ép mikrobiális sejteket és a tömör pelyheket. Az ultrahangos kezelés ezért a lízis és a hidrolízis egy részét mechanikusan végzi el a biológiai oxidációs lépés előtt.
Az ultrahangos kezelés a szennyvíziszap vastag védőmátrixára irányul, hogy a mikrobiális lebontás sokkal gyorsabbá és hatékonyabbá váljon. Ez általában az oldható kémiai oxigénigény (SCOD) növekedéseként figyelhető meg.
Ipari ultrahangos átfolyó reaktor a WAS hatékonyabb lebontásához
Az ultrahangos kezelés előnyei az aerob iszaplebontó üzemekben
A hatás az iszaptól és az ultrahangos dózistól függ. Amikor az ultrahangos kezelés növeli az aerob biológiai lebonthatóságot, a szennyvíztisztító telep az alábbi előnyöket érheti el:
- Az illékony szilárdanyagok nagyobb mértékű lebontása a meglévő lebontási idő mellett
- Összemérhető iszapstabilizálás rövidebb tartózkodási idő mellett
- Kevesebb visszamaradó szárazanyag keletkezése
- A meglévő aerob iszaplebontó reaktor hasznos kapacitásának növelése
- A biológiai eredetű szilárdanyagok elszállítási és ártalmatlanítási igényének csökkentése
- Jobb folyamatstabilitás a nagy szilárdanyag-terhelésű időszakokban
- A fonalas szervezetek hatékonyabb szabályozása a pelyhek megbontásával és sejtfeltárással
Vezetékbe építhető Hielscher ultrahangos kezelőberendezések az egyszerű utólagos bővítéshez
Teljes üzemi léptékben általában hatékonyabb egy koncentrált iszapáramot ultrahanggal kezelni, mint az aerob iszaplebontó reaktor teljes térfogatát. A Hielscher ultrahangos átfolyócellás reaktorai két gyakorlatban alkalmazható konfigurációt tesznek lehetővé.
WAS-előkezelés a betápláló vezetékben
Az ultrahangos rendszert a WAS sűrítése után és az aerob iszaplebontó reaktor elé telepítik:
Sűrített WAS -> betápláló szivattyú -> Hielscher ultrahangos átfolyó cella -> aerob iszaplebontó reaktor
Ez az elrendezés meghatározott szárazanyag-tömegáramot kezel, és egyértelmű alapot biztosít a fajlagos ultrahangos energiabevitel szabályozásához.
Folyamatábra: sűrített WAS -> betápláló szivattyú -> Hielscher ipari, vezetékbe építhető UIP6000hdT ultrahangos kezelőberendezés -> aerob iszaplebontó reaktor
Az iszaplebontó reaktor recirkulációs vagy mellékáramú kezelése
Az iszap szabályozott hányadát az iszaplebontó reaktorból vagy az iszapvezetékből az ultrahangos kezelőberendezésen át szivattyúzzák, majd visszavezetik a folyamatba. Ez a konfiguráció akkor hasznos, ha a meglévő betápláló vezeték nehezen módosítható, vagy ha az iszapnak csak egy kiválasztott hányadát kell kezelni.
Mindkét elrendezés kompakt, keretre szerelt egységként telepíthető szivattyúval, ultrahangos átfolyó cellával, elzárószelepekkel, karbantartási megkerülő ággal, nyomás- és hőmérsékletméréssel, mintavételi pontokkal és folyamatirányítással. A meglévő iszaplebontó tartály változatlan marad.
Ez az ultrahangos kezelést különösen alkalmassá teszi a meglévő szennyvíztisztító telepek utólagos bővítésére. A keretre szerelt ultrahangos egység szivattyúzott vezetékbe telepíthető, önállóan üzemeltethető, és ellenőrzés vagy karbantartás során megkerülhető.
Javítsa az aerob iszapdezintegrációt nagy teljesítményű ultrahanggal!
A Hielscher ipari ultrahangos kezelőberendezései kompakt és méretezhető módszert biztosítanak a nagy teljesítményű ultrahang meglévő WAS-kezelő vezetékbe történő integrálásához. A vezetékbe épített átfolyócellás feldolgozás az iszapáramra összpontosítja az ultrahangos energiát, támogatja a reprodukálható dózisszabályozást, és megbízható, nagy igénybevétel melletti, 24/7 üzemre tervezhető.
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség
A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési követelményeikről ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelésük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását az ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a mostoha körülményekkel és a nagy követelményeket támasztó környezetekkel.
A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, és különös hangsúlyt fektet a csúcstechnológiát és felhasználóbarát kezelést kínáló, nagy teljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE előírásainak, és teljesítik az UL, a CSA és a RoHs követelményeit.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Gyakran ismételt kérdések
Több biogázt termel-e az ultrahangos kezelés egy aerob iszaplebontó reaktorban?
Nem. A megnövekedett metán- vagy biogázhozam az anaerob lebontás egyik előnye. Aerob lebontás esetén az ultrahangos kezelést a VS lebontása, az oxigénfogyasztás, a lebontási idő, a visszamaradó szárazanyag, a vízteleníthetőség és a teljes költség alapján kell értékelni.
Hová telepítik az ultrahangos rendszert?
A rendszert általában a vezetékbe építve, a WAS sűrítése után és az aerob iszaplebontó reaktor elé telepítik. Szabályozott mellékáramban vagy az iszaplebontó reaktor recirkulációs körében is működhet. A karbantartási megkerülő ág lehetővé teszi az iszaptovábbítás folytatását a karbantartás ideje alatt.
Miért érdemes 20kHz frekvenciájú ipari ultrahangos kezelőberendezést használni?
Az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahang intenzív kavitációt és mechanikai nyírást hoz létre. Ez hatékonyan töri szét az iszappelyheket, bontja meg az EPS-t, és tárja fel a mikrobiális sejteket a folyadék–szilárdanyag áramokban.
Működhet-e folyamatosan egy Hielscher ultrahangos kezelőberendezés?
Igen. A Hielscher ipari hdT ultrahangos kezelőberendezés-sorozatát folyamatos, nagy igénybevétel melletti üzemre tervezték, és tartósságáról ismert. Az átfolyócellás reaktorok szabályozott, vezetékbe épített vagy recirkulációs feldolgozást tesznek lehetővé, míg az automatikus adatnaplózás támogatja a folyamat nyomon követését és reprodukálhatóságát.
Milyen adatok szükségesek egy ultrahangos iszapkezelő rendszer méretezéséhez?
A fő bemeneti adatok a WAS térfogatárama, a TS- és VS-koncentráció, az iszap viszkozitása, a megcélzott fajlagos energia, a szükséges kezelési hatás, az üzemórák és a rendelkezésre álló nyomás. A teljes üzemi léptékű méretezés előtt kísérleti üzemi vizsgálatok javasoltak a hasznos dózis meghatározásához.
Javítja-e az ultrahangos kezelés az iszap víztelenítését?
Az eredmény az iszap jellemzőitől és a dózistól függ. A mérsékelt kezelés javíthatja a szilárdanyagok feldolgozását, míg a túlzott dezintegráció olyan finom részecskéket és oldható polimereket hozhat létre, amelyek ronthatják a szilárdanyagok leválasztását vagy csökkenthetik a víztelenített iszaplepény szilárdanyag-tartalmát. A víztelenítési vizsgálatok ezért a folyamatoptimalizálás alapvető részét képezik.
Mit mondanak a tudományos tanulmányok a WAS ultrahangos lebontásáról?
Laboratóriumi vizsgálatok alátámasztják az ultrahang alkalmazását a WAS hozzáférhetőségének és aerob biológiai lebonthatóságának növelésére.
Az aerob lebontás előtti kombinált lúgos és ultrahangos előkezelést vizsgáló tanulmányban azonos lebontási idő mellett a szerves anyag lebomlását kezeletlen iszap esetén 38,0%-nak, ultrahanggal előkezelt iszap esetén pedig 42,5%-nak jelentették. A kombinált lúgos és ultrahangos előkezelés 50,7%-ra növelte a lebomlást. Az eredmény azt mutatja, hogy az ultrahang önmagában is javíthatja az aerob lebontást, ugyanakkor azt is jelzi, hogy az elérhető javulás az előkezelési stratégiától és az iszap jellemzőitől függ. (vö. Jin et al., 2009)
A kommunális WAS egy másik vizsgálata az iszap fokozott szolubilizációjáról és aerob biológiai lebonthatóságáról számolt be az ultrahanggal segített bakteriális dezintegrációt követően. Az előkezelt iszap biológiai lebomlási vagy bomlási sebessége nagyobb volt, mint a kezeletlen kontrollé. (vö. Kavitha et al. 2016)
Támogat-e az ultrahangos kezelés más iszapkezelési folyamatokat?
Igen. Az ultrahangos kezelés a pelyhek, az EPS és a mikrobiális sejtek megbontásával több iszapkezelési folyamatot is támogat:
Anaerob lebontás/Biogáztermelés: felgyorsítja a hidrolízist, növeli az oldható COD-t, és javíthatja a VS lebontását és a metánhozamot.
Foszfor-visszanyerés: a sejtekhez kötött és a szerves foszfort a folyadékfázisba szabadítja fel, javítva hozzáférhetőségét a későbbi struvit- vagy vivianitkicsapatáshoz; az ultrahang az iszaphamuból történő foszforkioldást is intenzívebbé teheti.
Szakirodalom / 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől az ipari méretig.