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

Il fosforo è un minerale dalle risorse critiche, la cui disponibilità naturale sta diminuendo rapidamente. Di conseguenza, il governo tedesco ha stabilito per decreto che dal 2029 il fosforo dovrà essere recuperato in gran parte dai fanghi di depurazione. L'implementazione degli ultrasuoni apre diverse opzioni per intensificare il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione comunali.

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 chimica fine e farmaceutica. A causa della rapida riduzione delle risorse disponibili, il governo tedesco ha implementato una legge che impone a tutti gli impianti di trattamento delle acque reflue municipali di stabilire misure per il recupero del fosforo dai fanghi di depurazione municipali. L'implementazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni offre diverse opzioni di trattamento, che aumentano notevolmente l'efficienza del recupero del fosforo.

Gli impianti di depurazione utilizzano gli ultrasuoni per migliorare la digestione dei fanghi e il recupero di sostanze nutritive come il fosforo.

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

È stato chiaramente dimostrato che l'irraggiamento dei fanghi di depurazione con potenti onde a ultrasuoni migliora la disintegrazione della biomassa nei fanghi di depurazione. Numerosi studi di ricerca hanno dimostrato i benefici del trattamento dei fanghi attivi di scarto con ultrasuoni e diversi sistemi industriali a ultrasuoni sono in funzione negli impianti comunali di trattamento delle acque reflue 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 delle dimensioni delle particelle, l'aumento del tasso di idrolisi e la riduzione del tempo di ritenzione idraulica.
Le forze di taglio cavitazionali generate da onde ultrasonore ad alta intensità/bassa frequenza provocano la rottura della morfologia del fiocco di fango e della struttura microbica del fango.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Un fango di depurazione efficacemente disintegrato, cioè sonicato, mostra proprietà di separazione significativamente migliorate, consentendo di rimuovere frazioni ricche di fosforo dalla biomassa e frazioni simili a gel, nonché acqua. La cavitazione ultrasonica interrompe 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 di fango possono essere sottoposte a ulteriori trattamenti, come il recupero del fosforo, la rimozione dei metalli pesanti, ecc.

Precipitazione chimica a umido intensificata con ultrasuoni del fosforo

L'ultrasonicazione è una tecnica ben nota, utilizzata da 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 l'ultrasuonoterapia viene applicata come pretrattamento 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. L'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 facilita il trasferimento di massa attraverso lo slurry, grazie alla cavitazione ultrasonica.
La sonicazione può essere applicata anche al bagno di carbonizzazione idrotermale, dove il fosforo viene riciclato come struvite dal bagno di carbonizzazione idrotermale attraverso l'estrazione e la precipitazione assistita da ultrasuoni.
Per saperne di più sulla precipitazione della 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 pretrattamento combinato ultrasuoni-Fenton (noto anche come sono-Fenton) per la disintegrazione dei fanghi di depurazione. L'applicazione del trattamento a 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 con 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 elettronico, l'intensità del segnale OH- più alto è aumentata da 568,7 con il trattamento Fenton a 1106,3 dopo il trattamento con sono-Fenton. Ciò dimostra 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 con gli ultrasuoni

Il pretrattamento a ultrasuoni dei fanghi di depurazione favorisce la solubilizzazione di vari composti organici dalla matrice del fango, accelerando così l'elettroidrogenesi microbica.
More e Ghangrekar (2010) attribuiscono gli effetti benefici del pretrattamento con sonicazione sulle celle a combustibile microbiche al potenziamento delle attività enzimatiche e alla disponibilità di proteine extracellulari, polisaccaridi ed enzimi, che vengono rilasciati dagli strati interni dei fiocchi di fango a quelli esterni grazie alla sonorizzazione a ultrasuoni e alla disgregazione 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 a una sostanza solida extracellulare. Questo trasferimento extracellulare di elettroni può avvenire sia in contatto diretto tra la superficie cellulare e la superficie solida, sia indirettamente attraverso i cosiddetti mediatori esogeni ed endogeni. Per il trasferimento diretto di elettroni tra batteri e superficie dell'elettrodo, l'elettrone deve raggiungere la membrana esterna della cellula. Questo fenomeno potrebbe essersi verificato a causa del pretrattamento con ultrasuoni somministrato all'inoculo quando l'energia specifica fornita era adeguata, favorendo così una maggiore efficienza coulombiana.
Un processo di elettrolisi microbica intensificata a ultrasuoni potrebbe essere combinato con successivi processi di fermentazione 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 consente di trattare grandi volumi in modo efficiente ed economico. Gli ultrasuoni aiutano a superare il principale inconveniente dei processi di elettrocoagulazione, impedendo la formazione di strati passivanti dagli elettrodi. Le pellicole passive che si formano sulla superficie degli elettrodi nel corso del tempo riducono drasticamente l'efficienza dei sistemi di elettrocoagulazione e gli ultrasuoni rappresentano un metodo semplice per rimuovere questi strati passivanti in modo continuo durante il funzionamento, aumentando allo stesso tempo il turnover dei sistemi di elettrocoagulazione. Le onde ultrasoniche abbattono i sedimenti formatisi sulla superficie dell'elettrodo e generano elevate 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, grazie alla creazione di nuove superfici sull'elettrodo per cavitazione o microstreaming, la diminuzione dello spessore dello strato di distribuzione viene esacerbata 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 dall'estrema miscelazione e dall'ossidazione tramite la formazione di radicali liberi; pertanto è possibile raggiungere l'efficienza desiderata nel minor tempo possibile.
(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 degasaggio della soluzione, l'interruzione 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 dell'elettrodo. Questi vantaggi in elettrochimica portano a un miglioramento dell'efficienza del processo (efficienza dell'elettrodo e della corrente), a un aumento dei tassi e dei rendimenti elettrochimici, a una riduzione delle tensioni di cella e dei sovrappotenziali dell'elettrodo, a un miglioramento dei materiali elettrodeposti in termini di durezza, qualità, porosità e spessore e alla soppressione delle incrostazioni e del degassamento sulla superficie dell'elettrodo." (Foroughi et al., 2021)
Per saperne di più sulle apparecchiature sono-elettrochimiche e sulle loro applicazioni!

Sistemi industriali a ultrasuoni per il trattamento dei fanghi di depurazione

I sistemi ad alte prestazioni Hielscher Ultrasonics 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 20 kHz, che creano un'intensa cavitazione acustica. Gli effetti del nostro trattamento a ultrasuoni ad alta potenza includono la disgregazione 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 grazie alla generazione di radicali ossidativi e all'aumento dei siti di nucleazione, garantendo una migliore coagulazione e flocculazione. La generazione affidabile e continua di queste intense forze di cavitazione a ultrasuoni e i suoi effetti consentono di integrare i nostri potenti processori a ultrasuoni per varie applicazioni, al fine di migliorare il recupero di energia e nutrienti dai fanghi di depurazione.

• Disintegrazione a ultrasuoni di fanghi di depurazione
• Digestione anaerobica intensificata ad ultrasuoni
• Recupero di preziosi nutrienti (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 di trattamento dei rifiuti e dei fanghi a ultrasuoni ideali per il vostro impianto di fanghi di depurazione.
Il design modulare consente di installare in modo semplice diverse unità a ultrasuoni in parallelo, rendendo possibile un trattamento affidabile ed efficiente di qualsiasi volume.
I sistemi a ultrasuoni Hielscher ad alta potenza / alta produttività aumentano l'efficienza e la resa nel trattamento della biomassa nei fanghi di depurazione.
Tutti i nostri ultrasonori sono dotati di sistema di pulizia in loco (CIP).
Adatto a trattamenti impegnativi: I fanghi di depurazione contengono spesso materiali fibrosi ad alto contenuto di cellulosa, difficili da disintegrare. Hielscher Ultrasuoni’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Tali ampiezze sono un modo efficace per distruggere la struttura cellulare di cellulosa, lignina e pareti cellulari robuste di altri materiali. Il design ottimizzato dei nostri reattori a celle di flusso garantisce modelli di flusso ideali e un trattamento ultrasonico uniforme ed efficiente dei fanghi alimentati.

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

In qualità di 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 ingegneri progettisti e tecnici consiglia la configurazione ottimale degli ultrasuoni per il volume di fanghi desiderato, fornisce informazioni dettagliate sul sistema, disegni CAD, servizio di installazione e formazione operativa. Ciò consente un'implementazione costruttiva e orientata agli obiettivi dell'integrazione degli ultrasuoni ad alte prestazioni negli impianti di trattamento delle acque reflue. 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 lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

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