Ուլտրաձայնային մշակում՝ ավելցուկային ակտիվ տիղմի աերոբ մարսման համար
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային մշակումը քայքայում է ավելցուկային ակտիվ տիղմը (WAS) աերոբ մարսումից առաջ կամ դրա ընթացքում։ Ակուստիկ կավիտացիան տրոհում է տիղմի փաթիլները, քայքայում արտաբջջային պոլիմերային նյութերը և բացում մանրէային բջիջները։ Դրա շնորհիվ նախկինում պաշտպանված օրգանական նյութն ավելի մատչելի է դառնում աերոբ մարսման ռեակտորում։
Աերոբ գործընթացի նպատակը կենսագազի արտադրության ավելացումը չէ։ Մեթանի արտադրության ավելացումը վերաբերում է անաերոբ մարսմանը։ Աերոբ մարսման ռեակտորի աշխատանքի համապատասխան ցուցանիշներն են ցնդող պինդ նյութերի քայքայումը, թթվածնի սպառումը, մարսման տևողությունը, մնացորդային չոր պինդ նյութերը, ջրազրկելիությունը և շահագործման ընդհանուր ծախսը։
Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը ինտեգրվում են ավելցուկային ակտիվ տիղմի պոմպով սնուցվող գծին կամ մարսման ռեակտորի վերաշրջանառության օղակին։ Ուլտրաձայնային հոսքային բջիջներով ռեակտորները մշակումը կենտրոնացնում են տիղմի որոշակի հոսքի վրա և հնարավորություն են տալիս վերահսկել գործընթացը՝ ըստ հզորության, հոսքի ծավալային արագության, պինդ նյութերի կոնցենտրացիայի, ճնշման և ջերմաստիճանի։ Արդյունքը կոմպակտ վերազինումն է, որը կարող է ավելացնել տիղմի ուլտրաձայնային քայքայման փուլ՝ առանց գործող աերոբ մարսման ռեակտորը փոխարինելու։
Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային հոսքային մոդուլ՝ հավաքված շրջանակի վրա և նախատեսված խտացված ավելցուկային ակտիվ տիղմի մշակման համար
Ինչու է ավելցուկային ակտիվ տիղմը դժվար մարսվում
Ավելցուկային ակտիվ տիղմը կենսաբանական պինդ նյութերի այն ավելցուկն է, որը հեռացվում է ակտիվ տիղմով կեղտաջրերի մաքրման գործընթացից։ Այն պարունակում է միկրոօրգանիզմներ, արտաբջջային պոլիմերային նյութեր (EPS), որսված օրգանական նյութ և իներտ պինդ նյութեր։
Երկրորդային պարզարանում նստեցված ակտիվ տիղմը բաժանվում է երկու հոսքի՝
- Հետադարձ ակտիվ տիղմը (RAS) վերադարձվում է օդավորման ավազան՝ կենսազանգվածի պահանջվող կոնցենտրացիան պահպանելու համար։
- Ավելցուկային ակտիվ տիղմը (WAS) հեռացվում է հեղուկի մաքրման գործընթացից և ուղարկվում խտացման, կայունացման, մարսման կամ ջրազրկման։
Ավելցուկային ակտիվ տիղմում մեծ բաժին է կազմում մանրէային բջջանյութը։ Դրա կենսաքայքայվող օրգանական բաղադրիչների մեծ մասը պարփակված է բջջապատերով կամ կապված է տիղմի խիտ փաթիլների ներսում։ Այս ֆիզիկական պաշտպանությունը դանդաղեցնում է բջիջների բնական լիզիսն ու հիդրոլիզը։
Աերոբ մարսման ընթացքում թթվածին է մատակարարվում, մինչդեռ նոր սննդանյութերի մատչելի քանակը փոքր է։ Միկրոօրգանիզմներն անցնում են էնդոգեն շնչառության և սպառում պաշարված նյութերը, մահացած բջիջներն ու տիղմի այլ կենսաքայքայվող բաղադրիչները։ Նպատակն է կայունացնել տիղմը, նվազեցնել հոտի առաջացման հավանականությունը և կրճատել այն ցնդող պինդ նյութերի քանակը, որոնք պետք է ջրազրկվեն և հեռացվեն։
Մարսման արագությունը հաճախ սահմանափակվում է սուբստրատի մատչելիությամբ։ Մարսման ռեակտորը կարող է պարունակել ակտիվ միկրոօրգանիզմներ և ապահովել բավարար մնալու ժամանակ, սակայն անվնաս բջիջների ու խիտ փաթիլների ներսում գտնվող օրգանական նյութը շարունակում է դժվարամատչելի մնալ։
Չմշակված փաթիլների համեմատությունը ուլտրաձայնով մշակված տիղմի հետ․ ուլտրաձայնային մշակումը զգալիորեն նվազեցնում է փաթիլները։
Հետազոտություն և պատկերներ՝ ©Chu et al. 2001
Ինչպես է ուլտրաձայնային կավիտացիան ավելցուկային ակտիվ տիղմը մատչելի դարձնում աերոբ մարսման համար
Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերն աշխատում են 20kHz հաճախականությամբ և հեղուկների ու կախույթների հոսքերում առաջացնում ինտենսիվ ակուստիկ կավիտացիա։ Տիղմի ներսում կավիտացիոն պղպջակներ են առաջանում, մեծանում և փլուզվում։ Դրանց փլուզումն առաջացնում է տեղային հզոր սահքի ուժեր, որոնք ուղղակիորեն ազդում են փաթիլների, արտաբջջային պոլիմերային նյութերի և մանրէային բջիջների վրա։
Ուլտրաձայնային մշակումն ավելցուկային ակտիվ տիղմում առաջացնում է երեք կարևոր փոփոխություն՝
Փաթիլների քայքայում
Կավիտացիան տրոհում է տիղմի ագրեգատները և բացում մակերեսները, որոնք նախկինում պարփակված էին արտաբջջային պոլիմերային նյութերով (EPS)։ Մշակված տիղմը պարունակում է ավելի փոքր մասնիկներ և ունի ավելի մեծ մատչելի մակերես։
Արտաբջջային պոլիմերային նյութերի և բջիջների քայքայում
Ուլտրաձայնի օգնությամբ քայքայումը մեծացնում է քաղաքային կեղտաջրերի ավելցուկային ակտիվ տիղմի աերոբ կենսաքայքայելիությունը՝ տրոհելով տիղմի ամուր փաթիլները և ազատելով դրանցում պարփակված օրգանական նյութը։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան քայքայում է բջջաթաղանթներն ու բջջապատերը։ Սպիտակուցներն ու ածխաջրերը, ինչպես նաև ներբջջային այլ միացություններ անցնում են հեղուկ փուլ։
Կենսամատչելիության մեծացում
Աերոբ միկրոօրգանիզմները կարող են լուծված և մանր մասնատված օրգանական նյութն ավելի հեշտ յուրացնել, քան ամբողջական մանրէային բջիջներն ու խիտ փաթիլները։ Հետևաբար, ուլտրաձայնային մշակումը լիզի և հիդրոլիզի աշխատանքի մի մասը կատարում է մեխանիկորեն՝ կենսաբանական օքսիդացման փուլից առաջ։
Ուլտրաձայնային մշակումն ուղղված է կեղտաջրերի տիղմի հաստ պաշտպանիչ մատրիցին՝ մանրէային քայքայումը շատ ավելի արագ և արդյունավետ դարձնելու համար։ Սա սովորաբար դրսևորվում է լուծված նյութերի թթվածնի քիմիական պահանջարկի (SCOD) աճով։
Արդյունաբերական ուլտրաձայնային հոսքային ռեակտոր՝ WAS-ի քայքայումը բարելավելու համար
Ուլտրաձայնային մշակման առավելությունները աերոբ քայքայման կայաններում
Արդյունքը կախված է տիղմից և ուլտրաձայնային մշակման դոզայից։ Երբ ուլտրաձայնային մշակումը բարձրացնում է աերոբ կենսաքայքայելիությունը, կեղտաջրերի մաքրման կայանը կարող է ստանալ՝
- Ցնդող պինդ նյութերի ավելի մեծ քայքայում՝ քայքայման գործող տևողության պայմաններում
- Տիղմի համադրելի կայունացում՝ մնալու ավելի կարճ ժամանակով
- Մնացորդային չոր պինդ նյութերի ավելի փոքր քանակի առաջացում
- Գոյություն ունեցող աերոբ քայքայման ռեակտորի լրացուցիչ արդյունավետ հզորություն
- Կենսապինդ նյութերի տեղափոխման և հեռացման ծավալների նվազում
- Գործընթացի բարելավված կայունություն՝ պինդ նյութերով բարձր բեռնվածության ժամանակահատվածներում
- Թելանման օրգանիզմների ավելի լավ վերահսկում՝ փաթիլների և բջիջների քայքայման միջոցով
Hielscher հոսքագծային ուլտրաձայնային մշակման սարքեր՝ հեշտ վերազինման համար
Լիամասշտաբ շահագործման պայմաններում սովորաբար ավելի արդյունավետ է ուլտրաձայնով մշակել խտացված տիղմի հոսքը, քան աերոբ քայքայման ռեակտորի ամբողջ ծավալը։ Hielscher ուլտրաձայնային հոսքային բջջային ռեակտորները հնարավորություն են տալիս կիրառել երկու գործնական դասավորություն։
WAS-ի նախնական մշակում մատակարարման գծում
Ուլտրաձայնային համակարգը տեղադրվում է WAS-ի խտացումից հետո և աերոբ քայքայման ռեակտորից առաջ՝
Խտացված WAS -> մատակարարման պոմպ -> Hielscher ուլտրաձայնային հոսքային բջիջ -> աերոբ քայքայման ռեակտոր
Այս դասավորությամբ մշակվում է չոր պինդ նյութերի սահմանված զանգվածային հոսք, ինչը հստակ հիմք է ապահովում ներմուծվող տեսակարար ուլտրաձայնային էներգիան վերահսկելու համար։
Հոսքի սխեմա՝ խտացված WAS -> մատակարարման պոմպ -> Hielscher արդյունաբերական հոսքագծային ուլտրաձայնային մշակման սարք UIP6000hdT -> աերոբ քայքայման ռեակտոր
Քայքայման ռեակտորի վերաշրջանառություն կամ կողմնային հոսքի մշակում
Տիղմի վերահսկվող բաժինը քայքայման ռեակտորից կամ տիղմի գծից պոմպով անցկացվում է ուլտրաձայնային մշակման սարքի միջով և վերադարձվում գործընթացին։ Այս դասավորությունն օգտակար է, երբ գործող մատակարարման գիծը դժվար է փոփոխել, կամ երբ պետք է մշակել տիղմի միայն ընտրված բաժինը։
Երկու դասավորություններն էլ կարող են տեղադրվել որպես հենաշրջանակի վրա հավաքված կոմպակտ հանգույցներ՝ պոմպով, ուլտրաձայնային հոսքային բջջով, մեկուսիչ փականներով, սպասարկման շրջանցիկ գծով, ճնշման և ջերմաստիճանի չափման միջոցներով, նմուշառման կետերով և գործընթացի կառավարման միջոցներով։ Գոյություն ունեցող քայքայման ռեակտորի տարողությունը մնում է անփոփոխ։
Սա ուլտրաձայնային մշակումը դարձնում է հատկապես հարմար՝ գործող կեղտաջրերի մաքրման կայանները վերազինելու համար։ Հենաշրջանակի վրա հավաքված ուլտրաձայնային հանգույցը կարելի է տեղադրել պոմպով սնուցվող գծում, շահագործել ինքնուրույն և զննման կամ տեխնիկական սպասարկման ընթացքում շրջանցել։
Բարելավե՛ք տիղմի աերոբ կազմալուծումը հզոր ուլտրաձայնով։
Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային մշակման սարքերն ապահովում են կոմպակտ և դեպի ավելի մեծ մասշտաբներ ընդլայնելի մեթոդ՝ բարձր հզորության ուլտրաձայնը WAS-ի մշակման գործող գծում ինտեգրելու համար։ Հոսքագծային հոսքային բջջում մշակումը կենտրոնացնում է ուլտրաձայնային էներգիան տիղմի հոսքի վրա, ապահովում է դոզայի վերարտադրելի վերահսկում և կարող է նախագծվել՝ բարձր բեռնվածության պայմաններում հուսալի 24/7 աշխատանքի համար։
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում ստեղծված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման իրենց ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունն ու շահագործման դյուրինությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային մշակման սարքերն անխափան ինտեգրել արդյունաբերական կայանքներում։ Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերը հեշտությամբ հաղթահարում են ծանր պայմաններն ու բարձր պահանջներ առաջադրող միջավայրերը։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն ունի ISO հավաստագրում և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային մշակման սարքերին, որոնք առանձնանում են ամենաժամանակակից տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերը համապատասխանում են CE պահանջներին և բավարարում են UL, CSA և RoHs պահանջները։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսման, էմուլգացման և էքստրակցիայի կիրառությունների համար։
Հաճախ տրվող հարցեր
Արդյո՞ք ուլտրաձայնային մշակումն ավելի շատ կենսագազ է արտադրում աերոբ քայքայման ռեակտորում։
Ոչ։ Մեթանի կամ կենսագազի ելքի ավելացումն անաերոբ մարսման առավելություն է։ Աերոբ մարսման դեպքում ուլտրաձայնային մշակումը պետք է գնահատել ըստ ցնդող պինդ նյութերի (VS) քայքայման, թթվածնի սպառման, մարսման տևողության, մնացորդային չոր պինդ նյութերի, ջրազրկելիության և ընդհանուր ծախսերի։
Որտե՞ղ է տեղադրվում ուլտրաձայնային համակարգը։
Համակարգը սովորաբար տեղադրվում է հոսքագծում՝ ավելցուկային ակտիվ տիղմի (WAS) խտացումից հետո և աերոբ մարսիչից առաջ։ Այն կարող է աշխատել նաև վերահսկվող կողմնային հոսքում կամ մարսիչի վերաշրջանառության օղակում։ Սպասարկման շրջանցիկ գիծը թույլ է տալիս շարունակել տիղմի տեղափոխումը տեխնիկական սպասարկման ընթացքում։
Ինչո՞ւ օգտագործել 20kHz հաճախականությամբ արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարք։
Ցածր հաճախականությամբ, բարձր հզորության ուլտրաձայնն առաջացնում է ինտենսիվ կավիտացիա և մեխանիկական սահք։ Սա արդյունավետ է հեղուկ և պինդ բաղադրիչներ պարունակող հոսքերում տիղմի փաթիլները տրոհելու, արտաբջջային պոլիմերային նյութերը (EPS) քայքայելու և մանրէային բջիջները բացելու համար։
Կարո՞ղ է Hielscher ուլտրաձայնային սարքն աշխատել անընդհատ։
Այո։ Hielscher արդյունաբերական hdT շարքի ուլտրաձայնային սարքերը նախատեսված են անընդհատ ծանրաբեռնված աշխատանքի համար և հայտնի են իրենց երկարակեցությամբ։ Հոսքային խցիկով ռեակտորները հնարավորություն են տալիս իրականացնել վերահսկվող մշակում հոսքագծում կամ վերաշրջանառությամբ, իսկ տվյալների ավտոմատ գրանցումն աջակցում է գործընթացի մշտադիտարկմանն ու վերարտադրելիությանը։
Ի՞նչ տվյալներ են անհրաժեշտ տիղմի ուլտրաձայնային համակարգի չափերն ու հզորությունը որոշելու համար։
Հիմնական ելակետային տվյալներն են ավելցուկային ակտիվ տիղմի (WAS) ծախսը, ընդհանուր պինդ նյութերի (TS) և ցնդող պինդ նյութերի (VS) կոնցենտրացիաները, տիղմի մածուցիկությունը, նպատակային տեսակարար էներգիան, մշակման պահանջվող ազդեցությունը, աշխատանքային ժամերը և հասանելի ճնշումը։ Նախքան լիամասշտաբ համակարգի չափերն ու հզորությունը որոշելը խորհուրդ է տրվում կատարել փորձնական փորձարկումներ՝ արդյունավետ չափաբաժինը որոշելու համար։
Արդյո՞ք ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում է տիղմի ջրազրկումը։
Արդյունքը կախված է տիղմի բնութագրերից և չափաբաժնից։ Չափավոր մշակումը կարող է բարելավել պինդ նյութերի մշակման գործընթացը, մինչդեռ չափազանց ուժեղ տրոհումը կարող է առաջացնել մանր մասնիկներ և լուծելի պոլիմերներ, որոնք վատացնում են պինդ նյութերի որսումը կամ նվազեցնում ֆիլտրակարկանդակի պինդ նյութերի պարունակությունը։ Հետևաբար, ջրազրկման փորձարկումները գործընթացի օպտիմալացման էական մասն են։
Ի՞նչ են ասում գիտական ուսումնասիրությունները ավելցուկային ակտիվ տիղմի (WAS) ուլտրաձայնային մարսման մասին։
Լաբորատոր ուսումնասիրությունները հաստատում են ուլտրաձայնի կիրառման նպատակահարմարությունը՝ ավելցուկային ակտիվ տիղմի (WAS) մատչելիությունն ու աերոբ կենսաքայքայելիությունը բարձրացնելու համար։
Աերոբ մարսումից առաջ համակցված ալկալային և ուլտրաձայնային նախամշակման վերաբերյալ ուսումնասիրությունում հաղորդվել է, որ մարսման նույն տևողության դեպքում օրգանական նյութի քայքայման աստիճանը չմշակված տիղմի համար կազմել է 38,0%, իսկ ուլտրաձայնով նախամշակված տիղմի համար՝ 42,5%։ Համակցված ալկալային և ուլտրաձայնային նախամշակումը քայքայման աստիճանը բարձրացրել է մինչև 50,7%։ Արդյունքը ցույց է տալիս, որ միայն ուլտրաձայնը կարող է բարելավել աերոբ քայքայումը՝ միաժամանակ ցույց տալով, որ հասանելի բարելավումը կախված է նախամշակման ռազմավարությունից և տիղմի բնութագրերից։ (տես՝ Jin et al., 2009)
Համայնքային ավելցուկային ակտիվ տիղմի (WAS) մեկ այլ ուսումնասիրությունում հաղորդվել է, որ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ մանրէային տրոհումից հետո աճել են տիղմի լուծելիացումը և աերոբ կենսաքայքայելիությունը։ Նախամշակված տիղմը ցուցաբերել է կենսաքայքայման կամ քայքայման ավելի բարձր արագություն, քան չմշակված ստուգիչ նմուշը։ (տես՝ Kavitha et al. 2016)
Արդյո՞ք ուլտրաձայնային մշակումն աջակցում է տիղմի մշակման այլ գործընթացների։
Այո։ Ուլտրաձայնային մշակումն աջակցում է տիղմի մշակման մի շարք գործընթացների՝ տրոհելով փաթիլները, արտաբջջային պոլիմերային նյութերը (EPS) և մանրէային բջիջները․
Անաերոբ մարսում/կենսագազի արտադրություն․ արագացնում է հիդրոլիզը, բարձրացնում թթվածնի լուծելի քիմիական պահանջարկը (COD) և կարող է բարելավել ցնդող պինդ նյութերի (VS) քայքայումն ու մեթանի ելքը։
Ֆոսֆորի կորզում․ բջիջների հետ կապված և օրգանական ֆոսֆորն ազատում է հեղուկ փուլում՝ բարելավելով դրա մատչելիությունը հետագա՝ ստրուվիտի կամ վիվիանիտի տեսքով նստեցման համար․ ուլտրաձայնը կարող է նաև ուժեղացնել ֆոսֆորի տարրալվացումը տիղմի մոխրից։
Գրականություն / Հղումներ
- 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 ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափերը։