Különféle megoldások a foszfor visszanyerésére a települési szennyvíziszapból

A foszfor kritikus fontosságú ásványi nyersanyag, amelynek természetes készletei gyorsan csökkennek. Következésképpen a német kormány rendeletben írta elő, hogy 2029-től a foszfort nagyrészt vissza kell nyerni a szennyvíziszapból. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása különféle lehetőségeket kínál a települési szennyvíziszapból történő foszfor-visszanyerés intenzifikálására.

Szennyvíziszap-kezelő telepek és a foszfor újrahasznosítása

A foszfor kritikus fontosságú elem, amelyet széles körben használnak műtrágyaként, valamint a finomvegyipar és a gyógyszeripar nyersanyagaként. A rendelkezésre álló készletek gyors csökkenése miatt a német kormány olyan törvényt vezetett be, amely szerint minden települési szennyvíztisztító telepnek intézkedéseket kell hoznia a foszfor települési szennyvíziszapból történő visszanyerésére. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása különféle kezelési lehetőségeket kínál, amelyek jelentősen növelik a foszfor-visszanyerés hatékonyságát.

A szennyvíztisztító telepek ultrahangot használnak az iszaprothasztás és a tápanyagok, például a foszfor visszanyerésének javítására.

A szennyvíziszap ultrahangos dezintegrálása a foszfor-visszanyerés javítására

Egyértelműen kimutatták, hogy a szennyvíziszap erőteljes ultrahanghullámokkal történő besugárzása javítja a szennyvíziszapban található biomassza dezintegrálását. Számos kutatás igazolta a fölös eleveniszap ultrahangos kezelésének előnyeit, és Németország települési szennyvíztisztító telepein különféle ipari ultrahangos rendszerek működnek.
A szennyvíziszapban található szubsztrátok ultrahangos előkezelése több kedvező hatást gyakorol az anaerob rothasztási folyamatokra. Ezek az előnyök magukban foglalják a részecskeméret csökkentését, a hidrolízis sebességének növelését és a hidraulikus tartózkodási idő lerövidítését.
A nagy intenzitású / alacsony frekvenciájú ultrahanghullámok által keltett kavitációs nyíróerők megbontják az iszappelyhek morfológiai szerkezetét és az iszap mikrobiális struktúráját.
Nguyen kutatócsoportja tanulmányaiban kimutatta, „hogy az ultrahang alkalmazása rendkívül hatékony a biomassza részecskeméretének csökkentésében, és az ultrahangos besugárzás időtartamával és intenzitásával arányosan >78,78%-os átlagos részecskeméretre történő csökkenést ér el. Ez azt jelezte, hogy az iszaprészecskék dezintegrálódtak, és az iszap részecskemérete csökkent, az ultrahangos kezelés időtartama és a pelyhek részecskemérete közötti fordított összefüggés alapján. Az alkalmazás rendkívül hatékony volt annak ellenére, hogy a kezelés előtti megfigyelések szerint az iszappelyhek sűrűek és igen tömörek voltak, és többek között számos, tömör magot tartalmazó alegységből, sejtcsoportból, baktériumkolóniából, protozoonból és fonalas baktériumból álltak. Az elfolyó közeg elemzése azt mutatja, hogy az ultrahangos eljárás minden méretű iszappehely szerkezeti integritását jelentősen megbontotta. Optimális kezelési körülmények között a pelyhek darabjai akár ≤6,5 μm méretűre csökkentek, és 20 kHz-es alacsony ultrahangfrekvenciával végzett 5–10 min ultrahangos kezelés után feloldódtak az iszapszuszpenzióban.” (Nguyen et al., 2015)
A hatékonyan dezintegrált szennyvíziszap, azaz az ultrahanggal kezelt iszap jelentősen jobb elválasztási tulajdonságokat mutat, amelyek lehetővé teszik a foszforban gazdag frakciók eltávolítását a biomasszából és a gélszerű frakciókból, valamint a vízből. Az ultrahangos kavitáció megbontja a szennyvíziszapban található biomassza sejtszerkezeteit, és megkönnyíti az ezt követő frakcionálást három frakcióra: (i) cellulózban gazdag rostokra, (ii) tápanyagokban gazdag gélre és (iii) könnyen fermentálható folyadékra. Az iszap e három frakciója tovább feldolgozható, például foszfor-visszanyerés, nehézfém-eltávolítás stb. céljából.

A foszfor ultrahanggal intenzifikált nedves kémiai kicsapatása

Az ultrahangos kezelés jól ismert technika, amelyet régóta használnak a kémiában ásványi anyagok, részecskék és kristályok sikeres és hatékony kicsapatására. A szennyvíziszapból történő foszfor-visszanyerés során az ultrahangos kezelést a struvit kicsapódásának elősegítésére és felgyorsítására alkalmazzák. A struvit (magnézium-ammónium-foszfát) olyan foszfátásvány, amelynek képlete NH₄MgPO₄·6H₂ O, és amely egyszerű megoldást kínál a foszfor kötött formában történő eltávolítására a hulladékiszapból.
A struvit kristályosodási / kicsapódási folyamata során a PO₄^3-, NH₄⁺ és Mg²⁺ ionok a struvit kicsapódása következtében eltávoznak a folyadékfázisból, amíg a reakció el nem éri az egyensúlyt.

Sertéstartásból származó szennyvízből kicsapatott struvitkristályok.
(kép és tanulmány: ©Kim et al. 2017)

Ha az ultrahangos kezelést az iszap előkezelésére alkalmazzák a struvitkicsapatási folyamat előtt, az ultrahang által kiváltott kavitáció molekuláris szinten alapos keverést biztosít, és aktív felületet hoz létre a kristálynövekedéshez. Az extracelluláris és intracelluláris anyagok szolubilizációs sebességének növekedése tovább kedvez a struvit kicsapódásának azáltal, hogy növeli az NH₄⁺ és PO₄^3- ionok biológiai hozzáférhetőségét. Az ultrahangos kezelés megkönnyíti az anyagátadást a szuszpenzióban, amit az ultrahangos kavitáció idéz elő.
Az ultrahangos kezelés a hidrotermális karbonizálás folyadékfázisára is alkalmazható, amelyből a foszfort struvit formájában nyerik vissza ultrahanggal segített extrakció és kicsapatás révén.
Tudjon meg többet a szennyvíziszapból történő foszfor-visszanyerést szolgáló, nagy léptékű struvitkicsapatásról!

Szono-Fenton-kezelés a foszfor felszabadítására a szennyvíziszapból

Gong és munkatársai (2015) tanulmánya igazolta a kombinált ultrahang–Fenton-előkezelés (más néven szono-Fenton-előkezelés) hatékonyságát a szennyvíziszap dezintegrálásában. Az ultrahang–Fenton-kezelés alkalmazása jelentősen növelte a szén, a nitrogén és a foszfor felszabadulását. A szono-Fenton-kezelés az önmagában alkalmazott Fenton-kezeléshez képest az összes nitrogén (N) mennyiségét 1,7-szeresére, a foszforét (P) pedig 2,2-szeresére növelte. A szono-Fenton-kezelés után a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat alapján az iszap jelentősen finomabb részecskeméretet és lazább mikroszerkezetet mutatott. Az elektronspin-rezonanciával végzett mérés szerint a legnagyobb OH•-jelintenzitás a Fenton-kezeléssel kapott 568,7 értékről a szono-Fenton-kezelés után 1106,3 értékre nőtt. Ez azt bizonyította, hogy a szono-Fenton-kezelés az iszap dezintegrálását idézi elő, és jelentősen javítja a szerves szén, a nitrogén és a foszfor felszabadulását.

Ultrahanggal intenzifikált mikrobiális üzemanyagcellák

A szennyvíziszap ultrahangos előkezelése elősegíti különféle szerves vegyületek szolubilizációját az iszapmátrixból, ami ezt követően felgyorsítja a mikrobiális elektrohidrogenezist.
More és Ghangrekar (2010) az ultrahangos előkezelés mikrobiális üzemanyagcellákra gyakorolt kedvező hatásait a fokozott enzimaktivitásnak, valamint az extracelluláris fehérjék, poliszacharidok és enzimek hozzáférhetőségének tulajdonítják. Ezek az ultrahangos szonoporáció és sejtfeltárás révén az iszappelyhek belső rétegeiből a külső rétegekbe szabadulnak fel, ami javítja a szubsztráthasznosítás hatékonyságát. A mikrobiális üzemanyagcellákból történő villamosenergia-kinyerés javításához növelni kell a baktériumok azon képességét, hogy elektronokat adjanak át egy extracelluláris szilárd anyagnak. Ez az extracelluláris elektronátadás történhet a sejtfelszín és a szilárd felület közvetlen érintkezésével, vagy közvetve, úgynevezett exogén és endogén mediátorokon keresztül. A baktériumok és az elektródfelület közötti közvetlen elektronátadáshoz az elektronnak el kell érnie a sejt külső membránját. Ez a jelenség az inokulum ultrahangos előkezelése következtében fordulhatott elő, amikor a fajlagosan bevitt energia megfelelő volt; ezáltal elősegítve a nagyobb coulombikus hatásfokot.
Az ultrahanggal intenzifikált mikrobiális elektrolízis folyamata az iszapkezelés során későbbi fermentációs folyamatokkal kombinálható lehet.

A szennyvíziszap szonoelektrokémiai kezelése

Az elektrokoaguláció egyszerű eljárás, amely könnyen alkalmazható szennyvízre, és nagy térfogatok hatékony és költségtakarékos kezelését teszi lehetővé. Az ultrahangos kezelés segít kiküszöbölni az elektrokoagulációs folyamatok fő hátrányát azáltal, hogy megakadályozza a passziváló rétegek kialakulását az elektródokon. Az elektródfelületen idővel kialakuló passzív filmek drasztikusan csökkentik az elektrokoagulációs rendszerek hatékonyságát. Az ultrahang egyszerű módszert kínál e passziváló rétegek működés közbeni folyamatos eltávolítására, miközben az ultrahangos kezelés növeli az elektrokoagulációs rendszerek feldolgozási teljesítményét is. Az ultrahanghullámok lebontják az elektródfelületen képződött lerakódásokat, és nagy mennyiségű gyököt hoznak létre a szennyező anyagok eltávolításához azáltal, hogy a kavitáció során nagy nyomású pontokat alakítanak ki az oldat belsejében. Az elektrokoaguláció és az ultrahang kombinálásakor a kavitáció vagy a mikroáramlás új felületeket hoz létre az elektródon, és az anyagátadási sebesség növekedése fokozza az eloszlási réteg vastagságának csökkenését. A szonoelektrokoaguláció az elektrokoagulációhoz képest növeli a képződő koagulálószer mennyiségét, a flokkulációt pedig az intenzív keverés és a szabadgyök-képződés révén végbemenő oxidáció fokozza; ezért a kívánt hatékonyság a legrövidebb idő alatt érhető el.
(Moradi et al., 2021)

A szonoelektrokémia és a szonoelektrokoaguláció előnyei

„A szonoelektrokémia az ultrahangenergia elektrokémiai rendszerbe történő bevonása, amely számos előnyt kínál, többek között a gázbuborékok eltávolítását az elektródfelületről, az oldat gáztalanítását, a Nernst-féle diffúziós réteg megbontását, az elektroaktív részecskék kettős rétegen keresztüli anyagtranszportjának fokozását, valamint az elektródfelület aktiválását és tisztítását. Ezek az elektrokémiai előnyök javítják a folyamatok hatásfokát (az elektródhatásfokot és az áramhatásfokot), növelik az elektrokémiai reakciósebességet és a kihozatalt, csökkentik a cellafeszültséget és az elektródok túlfeszültségét, javítják az elektrokémiailag leválasztott anyagok keménységét, minőségét, porozitását és vastagságát, valamint visszaszorítják az elektródok elszennyeződését és az elektródfelületen történő gázkiválást.” (Foroughi et al., 2021)
Tudjon meg többet a szonoelektrokémiai berendezésekről és alkalmazásaikról!

Ipari ultrahangos rendszerek a szennyvíziszap kezelésére

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű rendszerei megbízhatóan végzik a munkát a szennyvíztisztító és szennyvíziszap-kezelő telepeken. A Hielscher ultrahangos rendszerei 20kHz frekvenciájú, nagy teljesítményű ultrahangot biztosítanak, amely intenzív akusztikus kavitációt hoz létre. Nagy teljesítményű ultrahangos kezelésünk hatásai közé tartozik a sejtfeltárás és a dezintegrálás, a nagymértékű anyagátadás, a fertőtlenítés, a polimerek lebontása, az enzimek felszabadítása és az iszap homogenizálása. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés oxidáló gyökök létrehozásával és a gócképződési helyek számának növelésével javítja a kezelés hatékonyságát, jobb koagulációt és flokkulációt biztosítva. Ezen intenzív ultrahangos kavitációs erők és hatásaik megbízható és folyamatos létrehozása lehetővé teszi nagy teljesítményű ultrahangos processzoraink integrálását különféle alkalmazásokba a szennyvíziszapból történő energia- és tápanyagkinyerés javítása érdekében.

• A szennyvíziszap ultrahangos dezintegrálása
• Ultrahanggal intenzifikált anaerob rothasztás
• Értékes tápanyagok visszanyerése (foszfor, nitrogén, magnézium, kalcium, kálium stb.)
• Szennyező anyagok, például nehézfémek eltávolítása

Különböző méretű átfolyó reaktorokkal rendelkező ultrahangos processzorokat kínálva a Hielscher Ultrasonics ideális ultrahangos szennyvíz- és iszapkezelő rendszereket biztosít az Ön szennyvíziszap-kezelő létesítményéhez.
A moduláris kialakítás lehetővé teszi több ultrahangos egység egyszerű, párhuzamos telepítését, amellyel bármilyen térfogat megbízható és hatékony kezelése megvalósítható.
A Hielscher nagy teljesítményű / nagy átbocsátóképességű ultrahangos rendszerei növelik a szennyvíziszapban található biomassza kezelésének hatékonyságát és kihozatalát.
Minden ultrahangos készülékünk helyben tisztítható (CIP).
Nagy igénybevételt jelentő kezelésekre is alkalmasak: a szennyvíziszap gyakran tartalmaz magas cellulóztartalmú rostos anyagokat, amelyeket nehéz dezintegrálni. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdók előállítására képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemmódban. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Az ilyen nagy amplitúdók hatékonyan megbontják a cellulózok és a lignin sejtes szerkezetét, valamint más anyagok ellenálló sejtfalait. Átfolyócellás reaktoraink optimalizált kialakítása ideális áramlási viszonyokat és a betáplált iszap egyenletes, hatékony ultrahangos kezelését biztosítja.

Együttműködünk a szennyvíziszap-kezelő telepek rendszerintegrátoraival és mérnökeivel

A nagy teljesítményű, moduláris ultrahangos egységek gyártójaként és rendszerépítőjeként a Hielscher Ultrasonics rendszerintegrátorokkal működik együtt. A szennyvíztisztító és szennyvíziszap-kezelő telepek üzemeltetőinek többsége olyan rendszerintegrátorokkal dolgozik, akik nagy tapasztalattal rendelkeznek az ilyen tisztítótelepek tervezésében és automatizálásában. Tervezőmérnökeinkből és műszaki mérnökeinkből álló csapatunk javaslatot tesz a kezelni kívánt iszaptérfogathoz optimális ultrahangos konfigurációra, részletes rendszerinformációkat és CAD-rajzokat biztosít, valamint telepítési szolgáltatást és üzemeltetési képzést nyújt. Ez lehetővé teszi a nagy teljesítményű ultrahang konstruktív és célorientált integrálását a szennyvíztisztító telepekbe. Kérjük, lépjen kapcsolatba velünk, ha ultrahangos processzoraink integrálásával szeretné javítani az iszapkezelést!

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

Lépjen kapcsolatba velünk most a Hielscher ultrahangos szennyvíziszap-kezelő rendszereivel és telepítési lehetőségeivel kapcsolatos további részletekért és műszaki információkért!