Diverse soluzioni per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione urbani

Il fosforo è una risorsa minerale critica, la cui disponibilità naturale sta diminuendo rapidamente. Di conseguenza, il governo tedesco ha stabilito per decreto che, a partire dal 2029, il fosforo deve essere recuperato in larga misura dai fanghi di depurazione. L’impiego degli ultrasuoni di potenza offre diverse possibilità per intensificare il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione urbani.

Impianti di trattamento dei fanghi di depurazione e riciclo del fosforo

Il fosforo è un elemento critico, ampiamente utilizzato come fertilizzante e materia prima nell’industria della chimica fine e farmaceutica. A causa della rapida diminuzione delle risorse disponibili, il governo tedesco ha introdotto una legge che impone a tutti gli impianti di depurazione delle acque reflue urbane di adottare misure per recuperare il fosforo dai fanghi di depurazione urbani. L’impiego di ultrasuoni ad alte prestazioni offre diverse opzioni di trattamento, che aumentano significativamente l’efficienza del recupero del fosforo.

Gli impianti di depurazione delle acque reflue utilizzano gli ultrasuoni per migliorare la digestione dei fanghi e il recupero di nutrienti come il fosforo.

Disintegrazione dei fanghi di depurazione mediante ultrasuoni per migliorare il recupero del fosforo

È stato chiaramente dimostrato che l’irradiazione dei fanghi di depurazione con potenti onde ultrasoniche migliora la disintegrazione della biomassa presente nei fanghi. Numerosi studi hanno dimostrato i benefici del trattamento a ultrasuoni dei fanghi attivi di supero e diversi sistemi industriali a ultrasuoni sono in funzione negli impianti di depurazione delle acque reflue urbane in Germania.
Il pretrattamento a ultrasuoni dei substrati presenti nei fanghi di depurazione ha diversi effetti benefici sui processi di digestione anaerobica. Questi benefici comprendono la riduzione delle dimensioni delle particelle, l’aumento della velocità di idrolisi e la riduzione del tempo di ritenzione idraulica.
Le forze di taglio dovute alla cavitazione, generate da onde ultrasoniche ad alta intensità / bassa frequenza, causano la disgregazione della struttura morfologica dei fiocchi e della struttura microbica dei fanghi.
Il gruppo di ricerca di Nguyen ha dimostrato nei propri studi “che l’applicazione degli ultrasuoni è molto efficace nel ridurre le dimensioni delle particelle della biomassa, ottenendo una riduzione a una dimensione media delle particelle di >78,78%, proporzionale alla durata e all’intensità dell’esposizione all’irradiazione ultrasonica. Ciò indicava che le particelle dei fanghi si disintegravano e che le loro dimensioni diminuivano, sulla base di una relazione inversa tra il tempo di sonicazione e le dimensioni delle particelle dei fiocchi. L’applicazione è risultata altamente efficace, nonostante le osservazioni dei fiocchi prima del trattamento avessero rivelato che questi erano densi e molto compatti, costituiti da numerosi sottocompartimenti con nuclei compatti, aggregati cellulari, colonie batteriche, protozoi e batteri filamentosi, tra gli altri elementi. L’analisi dell’effluente mostra che il processo a ultrasuoni ha compromesso significativamente l’integrità strutturale dei fiocchi di tutte le dimensioni. I frammenti dei fiocchi sono stati ridotti fino a ≤6,5 μm in condizioni di trattamento ottimali e si sono dissolti nella sospensione dei fanghi dopo 5–10 min di trattamento a ultrasuoni a una bassa frequenza ultrasonica di 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Un fango di depurazione efficacemente disintegrato, ossia un fango sottoposto a sonicazione, presenta proprietà di separazione significativamente migliori, che consentono di separare le frazioni ricche di fosforo dalla biomassa, dalle frazioni gelatinose e dall’acqua. La cavitazione ultrasonica disgrega le strutture cellulari della biomassa nei fanghi di depurazione e facilita il successivo frazionamento in tre frazioni: (i) fibre ricche di cellulosa, (ii) un gel ricco di nutrienti e (iii) un liquido facilmente fermentabile. Queste tre frazioni dei fanghi possono essere ulteriormente trattate, ad es. per il recupero del fosforo, la rimozione dei metalli pesanti, ecc.

Precipitazione del fosforo per via chimica umida intensificata mediante ultrasuoni

La sonicazione è una tecnica ben nota, utilizzata da tempo in chimica per la precipitazione efficace di minerali, particelle e cristalli. Per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione, la sonicazione viene applicata per favorire e accelerare la precipitazione della struvite. La struvite (fosfato di magnesio e ammonio) è un minerale fosfatico con formula NH₄MgPO₄·6H₂ O, che offre una soluzione semplice per rimuovere il fosforo in forma legata dai fanghi di depurazione.
Durante il processo di cristallizzazione / precipitazione della struvite, gli ioni PO₄^3-, NH₄⁺ e Mg²⁺ vengono rimossi dalla fase liquida per effetto della precipitazione della struvite, fino al raggiungimento dell’equilibrio della reazione.

Cristalli di struvite precipitati da effluenti suinicoli.
(immagine e studio: ©Kim et al. 2017)

Quando la sonicazione viene applicata come pretrattamento dei fanghi prima del processo di precipitazione della struvite, la cavitazione indotta dagli ultrasuoni garantisce una miscelazione accurata a livello molecolare, fornendo superficie attiva per la crescita dei cristalli. L’aumento della velocità di solubilizzazione delle sostanze extracellulari e intracellulari favorisce ulteriormente la precipitazione della struvite, aumentando la biodisponibilità degli ioni NH₄⁺ e PO₄^3- . Il trattamento di sonicazione facilita il trasferimento di massa attraverso la sospensione grazie alla cavitazione ultrasonica.
La sonicazione può essere applicata anche al liquido di carbonizzazione idrotermale, dal quale il fosforo viene riciclato sotto forma di struvite mediante estrazione e precipitazione assistite da ultrasuoni.
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Sono-Fenton per il rilascio del fosforo dai fanghi di depurazione

Lo studio di Gong et al. (2015) ha dimostrato l’efficienza di un pretrattamento combinato ultrasuoni–Fenton (noto anche come sono-Fenton) per la disintegrazione dei fanghi di depurazione. L’applicazione del trattamento ultrasuoni–Fenton ha aumentato significativamente il rilascio di carbonio, azoto e fosforo. Il trattamento sono-Fenton ha aumentato l’azoto totale (N) e il fosforo (P) rispettivamente di 1,7 e 2,2 volte rispetto al solo trattamento Fenton. Dopo il trattamento sono-Fenton, i fanghi hanno mostrato dimensioni delle particelle notevolmente inferiori e una microstruttura meno compatta, come osservato mediante microscopia elettronica a scansione. Utilizzando la risonanza di spin elettronico, l’intensità massima del segnale OH• è aumentata da 568,7 con il trattamento Fenton a 1106,3 dopo il trattamento sono-Fenton. Ciò ha dimostrato che il trattamento sono-Fenton induce la disintegrazione dei fanghi e migliora significativamente il rilascio di carbonio organico, azoto e fosforo.

Celle a combustibile microbiche intensificate mediante ultrasuoni

Il pretrattamento a ultrasuoni dei fanghi di depurazione favorisce la solubilizzazione di vari composti organici dalla matrice dei fanghi, accelerando successivamente l’elettroidrogenesi microbica.
More e Ghangrekar (2010) attribuiscono gli effetti benefici del pretrattamento di sonicazione sulle celle a combustibile microbiche all’aumento delle attività enzimatiche e alla disponibilità di proteine extracellulari, polisaccaridi ed enzimi, che vengono rilasciati dagli strati interni dei fiocchi dei fanghi verso quelli esterni mediante sonoporazione ultrasonica e disgregazione cellulare, migliorando l’efficienza di utilizzo del substrato. Per migliorare il recupero di energia elettrica dalle celle a combustibile microbiche, è necessario migliorare la capacità dei batteri di trasferire elettroni a una sostanza solida extracellulare. Questo trasferimento extracellulare di elettroni può avvenire mediante contatto diretto tra la superficie cellulare e la superficie solida oppure indirettamente attraverso i cosiddetti mediatori esogeni ed endogeni. Per il trasferimento diretto di elettroni tra i batteri e la superficie dell’elettrodo, l’elettrone deve raggiungere la membrana esterna della cellula. Questo fenomeno potrebbe essersi verificato grazie al pretrattamento di sonicazione applicato all’inoculo quando l’energia specifica fornita era adeguata, favorendo così una maggiore efficienza coulombica.
Un processo di elettrolisi microbica intensificato mediante ultrasuoni potrebbe essere combinato con successivi processi di fermentazione per il trattamento dei fanghi.

Trattamento sonoelettrochimico dei fanghi di depurazione

L’elettrocoagulazione è un processo semplice, facilmente applicabile alle acque reflue, che consente di trattare grandi volumi in modo efficiente ed economico. La sonicazione aiuta a superare il principale inconveniente dei processi di elettrocoagulazione, prevenendo la formazione di strati passivanti sugli elettrodi. Le pellicole passive che si formano nel tempo sulla superficie degli elettrodi riducono drasticamente l’efficienza dei sistemi di elettrocoagulazione; gli ultrasuoni rappresentano un metodo semplice per rimuovere continuamente questi strati passivanti durante il funzionamento, mentre la sonicazione aumenta al contempo la capacità di trattamento dei sistemi di elettrocoagulazione. Le onde ultrasoniche disgregano i sedimenti formatisi sulla superficie degli elettrodi e generano grandi quantità di specie radicaliche per rimuovere gli inquinanti, creando punti ad alta pressione all’interno della soluzione durante il fenomeno della cavitazione. Combinando l’elettrocoagulazione con gli ultrasuoni, grazie alla creazione di nuove superfici sull’elettrodo per effetto della cavitazione o dei microflussi, la diminuzione dello spessore dello strato di distribuzione viene accentuata dall’aumento delle velocità di trasferimento di massa. La sonoelettrocoagulazione aumenta la quantità di coagulante formato rispetto all’elettrocoagulazione e la flocculazione viene potenziata dalla miscelazione estrema e dall’ossidazione dovuta alla formazione di radicali liberi; è quindi possibile raggiungere l’efficienza desiderata nel minor tempo possibile.
(Moradi et al., 2021)

I vantaggi della sonoelettrochimica e della sonoelettrocoagulazione

“La sonoelettrochimica consiste nell’impiego combinato dell’energia ultrasonica in un sistema elettrochimico e offre diversi vantaggi, tra cui la rimozione delle bolle di gas dalla superficie degli elettrodi, il degasaggio della soluzione, la perturbazione dello strato di diffusione di Nernst, il miglioramento del trasporto di massa delle specie elettroattive attraverso il doppio strato e l’attivazione e la pulizia della superficie degli elettrodi. Questi benefici in elettrochimica determinano una maggiore efficienza dei processi (efficienza degli elettrodi ed efficienza di corrente), un aumento delle velocità e delle rese elettrochimiche, una riduzione delle tensioni di cella e delle sovratensioni degli elettrodi, un miglioramento dei materiali elettrodepositati in termini di durezza, qualità, porosità e spessore, nonché la soppressione delle incrostazioni e del degasaggio sulla superficie degli elettrodi.” (Foroughi et al., 2021)
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Sistemi industriali a ultrasuoni per il trattamento dei fanghi di depurazione

I sistemi ad alte prestazioni di Hielscher Ultrasonics sono strumenti di lavoro affidabili negli impianti di trattamento delle acque reflue e dei fanghi di depurazione. I sistemi a ultrasuoni Hielscher erogano ultrasuoni ad alta potenza a 20kHz, generando un’intensa cavitazione acustica. Gli effetti del nostro trattamento a ultrasuoni ad alta potenza comprendono la disgregazione cellulare e la disintegrazione, un elevato trasferimento di massa, la disinfezione, la decomposizione dei polimeri, il rilascio di enzimi e l’omogeneizzazione dei fanghi. La sonicazione ad alta intensità migliora l’efficienza del trattamento attraverso la generazione di radicali ossidanti e l’aumento dei siti di nucleazione, garantendo una migliore coagulazione e flocculazione. La generazione affidabile e continua di queste intense forze di cavitazione ultrasonica e dei relativi effetti consente di integrare i nostri potenti processori a ultrasuoni in diverse applicazioni per migliorare il recupero di energia e nutrienti dai fanghi di depurazione.

• Disintegrazione dei fanghi di depurazione mediante ultrasuoni
• Digestione anaerobica intensificata mediante ultrasuoni
• Recupero di nutrienti preziosi (fosforo, azoto, magnesio, calcio, potassio, ecc.)
• Rimozione di contaminanti come i metalli pesanti

Offrendo processori a ultrasuoni con reattori a flusso continuo di varie dimensioni, Hielscher Ultrasonics dispone dei sistemi ideali per il trattamento a ultrasuoni delle acque reflue e dei fanghi per il vostro impianto di trattamento dei fanghi di depurazione.
Il design modulare consente la semplice installazione di più unità a ultrasuoni in parallelo, rendendo possibile un trattamento affidabile ed efficiente di qualsiasi volume.
I sistemi a ultrasuoni Hielscher ad alta potenza / elevata capacità di trattamento aumentano l’efficienza e la resa del trattamento della biomassa nei fanghi di depurazione.
Tutti i nostri sonicatori sono dotati di pulizia in loco (CIP).
Adatti a trattamenti impegnativi: i fanghi di depurazione contengono spesso materiali fibrosi con un elevato contenuto di cellulosa, difficili da disintegrare. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora più elevate, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Ampiezze così elevate rappresentano un metodo efficace per disgregare la struttura cellulare delle cellulose, della lignina e le pareti cellulari resistenti di altri materiali. Il design ottimizzato dei nostri reattori con cella di flusso garantisce condizioni di flusso ideali e un trattamento a ultrasuoni uniforme ed efficiente dei fanghi alimentati.

Collaboriamo con integratori di sistemi e ingegneri degli impianti di trattamento dei fanghi di depurazione

In qualità di produttore di unità modulari a ultrasuoni ad alte prestazioni e costruttore di sistemi, Hielscher Ultrasonics collabora con integratori di sistemi. La maggior parte dei gestori degli impianti di trattamento delle acque reflue e dei fanghi di depurazione collabora con integratori di sistemi con una vasta esperienza nella progettazione e nell’automazione di tali impianti di depurazione. Il nostro team di ingegneri progettisti e tecnici raccomanda la configurazione a ultrasuoni ottimale per il volume di fanghi da trattare e fornisce informazioni dettagliate sui sistemi, disegni CAD, servizi di installazione e formazione operativa. Ciò consente di realizzare in modo costruttivo e orientato agli obiettivi l’integrazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni negli impianti di depurazione. Contattateci se siete interessati a integrare i nostri processori a ultrasuoni per migliorare il trattamento dei fanghi!

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Contattateci subito per ottenere maggiori dettagli sui sistemi Hielscher per il trattamento a ultrasuoni dei fanghi di depurazione, sulle opzioni di installazione e sulle informazioni tecniche!