Il fosforo è una risorsa minerale critica, la cui fornitura naturale sta diminuendo rapidamente. Di conseguenza, il governo tedesco ha promulgato per decreto che dal 2029 il fosforo deve essere ampiamente recuperato dai fanghi di depurazione. L'implementazione degli ultrasuoni apre varie opzioni per intensificare il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione comunali.

Impianti di trattamento dei fanghi di depurazione e riciclaggio del fosforo

Il fosforo è un elemento critico, ampiamente utilizzato come fertilizzante e materia prima nell'industria chimica fine e farmaceutica. A causa della rapida riduzione delle risorse disponibili, il governo tedesco ha implementato una legge per cui tutti gli impianti di trattamento delle acque reflue comunali devono stabilire la misura per recuperare il fosforo dai fanghi di depurazione comunali. L'implementazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni offre varie opzioni di trattamento, che aumentano significativamente l'efficienza del recupero del fosforo.

Gli impianti di acque reflue usano gli ultrasuoni per migliorare la digestione dei fanghi e il recupero di sostanze nutritive come il fosforo.

Disintegrazione ultrasonica dei fanghi di depurazione per un migliore recupero del fosforo

È stato chiaramente dimostrato che l'irradiazione dei fanghi di depurazione con potenti onde ad ultrasuoni migliora la disintegrazione della biomassa nei fanghi di depurazione. Numerosi studi di ricerca hanno dimostrato i benefici del trattamento a ultrasuoni dei fanghi attivi e vari sistemi industriali a ultrasuoni sono in funzione negli impianti di trattamento delle acque reflue comunali in Germania.
Il pretrattamento a ultrasuoni dei substrati nei fanghi di depurazione ha diversi effetti benefici per i processi di digestione anaerobica. Questi benefici includono la riduzione della dimensione delle particelle, l'aumento del tasso di idrolisi e la riduzione del tempo di ritenzione idraulica.
Le forze di taglio cavitazionali generate dalle onde ultrasoniche ad alta intensità / bassa frequenza causano la rottura della morfologia del fiocco di fango e la struttura microbica del fango.
Il team di ricerca di Nguyen ha dimostrato nei suoi studi "che l'applicazione degli ultrasuoni è molto efficace nel ridurre la dimensione delle particelle della biomassa, ottenendo una riduzione ad una dimensione media delle particelle di >78,78% proporzionale alla lunghezza del tempo e all'intensità dell'esposizione all'irradiazione ultrasonica. Ciò indica che le particelle di fango si sono disintegrate e la dimensione delle particelle di fango è diminuita, sulla base di una relazione inversa tra il tempo di sonicazione e la dimensione delle particelle del floc. L'applicazione è stata molto efficace, nonostante il fatto che le osservazioni del floc di fango prima del trattamento hanno rivelato che i floc di fango erano densi e altamente compatti, composti da molti sottocomparti con nuclei compatti, ammassi di cellule, colonie batteriche, protozoi e batteri filamentosi, tra gli altri fattori. L'analisi dell'effluente mostra che il processo ultrasonico ha disintegrato significativamente l'integrità strutturale dei fiocchi di fango di tutte le dimensioni. I pezzi di floc sono stati ridotti a soli ≤6,5 μm in condizioni ottimali di trattamento, e sono stati dissolti nell'impasto di fango dopo 5-10 minuti di trattamento ad ultrasuoni con una bassa frequenza di ultrasuoni di 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
Un fango di depurazione efficacemente disintegrato, cioè il fango sonicato, mostra proprietà di separazione significativamente migliorate che permettono di rimuovere frazioni ricche di fosforo dalla biomassa e frazioni simili al gel, nonché l'acqua. La cavitazione ultrasonica interrompe le strutture cellulari della biomassa nei fanghi di depurazione e facilita il successivo frazionamento in tre frazioni di (i) fibre ricche di cellulosa, (ii) un gel ricco di nutrienti e (iii) un liquido facilmente fermentabile. Queste tre frazioni di fango possono essere ulteriormente elaborate, ad esempio per il recupero del fosforo, la rimozione dei metalli pesanti, ecc.

Precipitazione chimica umida intensificata a ultrasuoni del fosforo

L'ultrasuonazione è una tecnica ben nota usata da molto tempo in chimica per la precipitazione sicura ed efficace di minerali, particelle e cristalli. Per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione, la sonicazione viene applicata per promuovere 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 scarico.
Durante il processo di cristallizzazione/precipitazione della struvite, gli ioni PO₄^3-, NH₄⁺e Mg²⁺ vengono rimossi dalla fase liquida a causa della precipitazione della struvite, finché la reazione non raggiunge l'equilibrio.

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

Quando gli ultrasuoni vengono applicati come pre-trattamento dei fanghi prima del processo di precipitazione della struvite, la cavitazione indotta dagli ultrasuoni fornisce un'accurata miscelazione a livello molecolare, fornendo una superficie attiva per la crescita dei cristalli. Un aumento del tasso di solubilizzazione delle sostanze extracellulari e intracellulari favorisce ulteriormente la precipitazione della struvite aumentando la biodisponibilità di NH₄⁺ e PO₄^3- ioni. Il trattamento di sonicazione provoca un trasferimento di massa facilitato attraverso lo slurry, che è causato dalla cavitazione ultrasonica.
La sonicazione può essere applicata anche al liquido di carbonizzazione idrotermale, dove il fosforo viene riciclato come struvite dal liquido di carbonizzazione idrotermale attraverso l'estrazione e la precipitazione assistita dagli ultrasuoni.
Leggi di più sulla precipitazione di struvite su larga scala per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione!

Sono-Fenton per il rilascio di fosforo dai fanghi di depurazione

Lo studio di Gong et al. (2015) ha dimostrato l'efficienza di un pre-trattamento combinato ultrasuoni-Fenton (noto anche come sono-Fenton) per la disintegrazione dei fanghi di depurazione. L'applicazione del trattamento ad 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) di 1,7 e 2,2 volte, rispettivamente, rispetto al solo trattamento Fenton. Dopo il trattamento sono-Fenton, i fanghi hanno mostrato una dimensione delle particelle notevolmente più fine e una microstruttura più sciolta in base alla microscopia elettronica a scansione. Utilizzando la risonanza di spin degli elettroni, la più alta intensità del segnale OH- è aumentata da 568,7 dal trattamento Fenton a 1106,3 dopo il trattamento sono-Fenton. Questo ha dimostrato che il trattamento sono-Fenton induce la disintegrazione del fango e migliora il rilascio di carbonio organico, azoto e fosforo in modo significativo.

Celle a combustibile microbiche intensificate a ultrasuoni

Il pretrattamento ultrasonico dei fanghi di depurazione promuove la solubilizzazione di vari composti organici dalla matrice del fango, che successivamente accelera l'elettroidrogenesi microbica.
More e Ghangrekar (2010) attribuiscono gli effetti benefici del pre-trattamento di sonicazione sulle celle a combustibile microbiche al miglioramento delle attività enzimatiche e alla disponibilità di proteine extracellulari, polisaccaridi ed enzimi, che vengono rilasciati dagli strati interni dei flocculi di fango agli strati esterni tramite la sonorizzazione ultrasonica e la rottura delle cellule, con conseguente miglioramento dell'efficienza di utilizzo del substrato. Per migliorare la raccolta di elettricità dalle celle a combustibile microbiche, è necessario migliorare la capacità di trasferimento di elettroni dei batteri verso una sostanza solida extracellulare. Questo trasferimento extracellulare di elettroni può avvenire sia in contatto diretto tra la superficie cellulare e la superficie solida o indirettamente attraverso i cosiddetti mediatori esogeni ed endogeni. Per il trasferimento diretto di elettroni tra i batteri e la superficie dell'elettrodo, l'elettrone dovrebbe raggiungere la membrana esterna della cellula. Questo fenomeno potrebbe essersi verificato a causa del pre-trattamento di ultrasuoni dato all'inoculo quando l'energia specifica fornita era adeguata; quindi, favorendo una maggiore efficienza Coulombica.
Un processo di elettrolisi microbica intensificata ad ultrasuoni potrebbe essere combinato con processi di fermentazione successivi per il trattamento dei fanghi.

Trattamento sono-elettrochimico dei fanghi di depurazione

L'elettrocoagulazione è un processo semplice, che può essere facilmente applicato alle acque reflue e permette il trattamento di grandi volumi in modo efficiente ed economico. L'ultrasuoni aiuta a superare lo svantaggio principale dei processi di elettrocoagulazione impedendo la formazione di strati passivanti dagli elettrodi. Le pellicole passive che si formano sulla superficie dell'elettrodo nel tempo, riducono drasticamente l'efficienza dei sistemi di elettrocoagulazione e gli ultrasuoni sono un metodo facile per rimuovere questi strati passivanti continuamente durante il funzionamento, mentre allo stesso tempo la sonicazione aumenta il fatturato dei sistemi di elettrocoagulazione. Le onde ultrasoniche rompono i sedimenti formati sulla superficie dell'elettrodo e generano alte quantità di specie radicali per rimuovere gli inquinanti creando punti di alta pressione all'interno della soluzione durante il fenomeno della cavitazione. Combinando l'elettrocoagulazione con gli ultrasuoni, a causa della creazione di nuove superfici sull'elettrodo per cavitazione o micro-streaming, la diminuzione dello spessore dello strato di distribuzione è aggravata dall'aumento dei tassi di trasferimento di massa. La sono-elettrocoagulazione aumenta la quantità di formazione di coagulante rispetto all'elettrocoagulazione, e la flocculazione è potenziata dalla miscelazione estrema e dall'ossidazione per formazione di radicali liberi; quindi è possibile raggiungere l'efficienza desiderata nel più breve tempo.
(Moradi et al., 2021)

I vantaggi della sonoelettrochimica e della sonoelettrocoagulazione

"La Sonoelettrochimica è la combinazione di energia ultrasonica in un sistema elettrochimico che offre diversi vantaggi, tra cui la rimozione delle bolle di gas sulla superficie dell'elettrodo, il degassamento della soluzione, la rottura dello strato di diffusione di Nernst, il miglioramento del trasporto di massa delle specie elettroattive attraverso il doppio strato, l'attivazione e la pulizia della superficie dell'elettrodo. Questi benefici nell'elettrochimica portano a migliori efficienze di processo (efficienza dell'elettrodo e della corrente), maggiori tassi e rendimenti elettrochimici, minori tensioni di cella e overpotenziali dell'elettrodo, migliori materiali elettrodepositati in termini di durezza, qualità, porosità e spessore, e la soppressione del fouling dell'elettrodo e del degassamento sulla superficie dell'elettrodo." (Foroughi et al., 2021)
Leggi di più sull'attrezzatura sono-elettrochimica e le sue applicazioni!

Sistemi industriali a ultrasuoni per il trattamento dei fanghi di depurazione

I sistemi Hielscher Ultrasonics ad alte prestazioni sono un cavallo di battaglia affidabile negli impianti di trattamento delle acque reflue e dei fanghi di depurazione. I sistemi a ultrasuoni Hielscher erogano ultrasuoni ad alta potenza a 20kHz, che creano un'intensa cavitazione acustica. Gli effetti del nostro trattamento a ultrasuoni ad alta potenza includono la distruzione e la disintegrazione delle cellule, un elevato trasferimento di massa, la disinfezione, la decomposizione dei polimeri, il rilascio di enzimi e l'omogeneizzazione del fango. La sonicazione ad alta intensità migliora l'efficienza del trattamento attraverso la generazione di radicali ossidativi 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 i suoi effetti permettono di integrare i nostri potenti processori a ultrasuoni per varie applicazioni al fine di migliorare la raccolta di energia e nutrienti dai fanghi di depurazione.

• Disintegrazione a ultrasuoni dei fanghi di depurazione
• Digestione anaerobica intensificata a 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 ha i sistemi a ultrasuoni ideali per il trattamento dei rifiuti e dei fanghi per il vostro impianto di fanghi di depurazione.
Il design modulare permette la semplice installazione di diverse unità a ultrasuoni in parallelo, il che rende possibile un trattamento affidabile ed efficiente di qualsiasi volume.
I sistemi a ultrasuoni Hielscher ad alta potenza/alto rendimento aumentano l'efficienza e la resa nel trattamento della biomassa nei fanghi di depurazione.
Tutti i nostri ultrasuoni sono dotati di pulizia sul posto (CIP).
Adatto per trattamenti impegnativi: I fanghi di depurazione contengono spesso materiali fibrosi ad alto contenuto di cellulosa, che sono difficili da disintegrare. Hielscher Ultrasonics’ I processori a ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente eseguite in modo continuo in un funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tali ampiezze elevate sono un modo efficace per distruggere la struttura cellulare delle cellulose, della lignina e delle robuste pareti cellulari di altri materiali. Il design ottimizzato dei nostri reattori a cella di flusso assicura schemi di flusso ideali e un trattamento ultrasonico uniforme ed efficiente dei fanghi alimentati.

Lavoriamo con integratori di sistemi e ingegneri di impianti di fanghi di depurazione

Come produttore e costruttore di sistemi di unità modulari a ultrasuoni ad alte prestazioni, Hielscher Ultrasonics collabora con integratori di sistemi. La maggior parte dei gestori di impianti di trattamento delle acque reflue e dei fanghi di depurazione lavora con integratori di sistemi, che hanno una grande esperienza nella progettazione e nell'automazione di tali impianti di depurazione. Il nostro team di progettisti e ingegneri tecnici raccomanda la configurazione ottimale degli ultrasuoni per il volume di fango desiderato, fornisce informazioni dettagliate sul sistema, disegni CAD, nonché il servizio di installazione e la formazione operativa. Ciò consente un'implementazione costruttiva e orientata all'obiettivo dell'integrazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni negli impianti di trattamento delle acque reflue. Contattateci se siete interessati all'integrazione dei nostri processori a ultrasuoni per un migliore trattamento dei fanghi!

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

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