都市下水汚泥からのリン回収に向けたさまざまなソリューション

リンは重要な鉱物資源であり、その天然供給量は急速に減少しています。そのため、ドイツ政府は、2029年から下水汚泥に含まれるリンの大部分を回収しなければならないと政令で定めました。強力超音波の導入により、都市下水汚泥からのリン回収を強化するさまざまな選択肢が開かれます。

下水汚泥処理施設とリンのリサイクル

リンは重要な元素であり、肥料として、またファインケミカル産業や製薬産業の原料として広く使用されています。利用可能な資源が急速に減少しているため、ドイツ政府は、すべての都市下水処理施設が都市下水汚泥からリンを回収するための措置を講じなければならないとする法律を施行しました。高性能超音波の導入により、リン回収の効率を大幅に高めるさまざまな処理方法が利用できます。

下水処理施設では、汚泥の消化とリンなどの栄養素の回収を改善するために超音波を使用しています。

リン回収を改善する超音波による下水汚泥の崩壊

下水汚泥に強力な超音波を照射すると、下水汚泥中のバイオマスの崩壊が改善されることが明確に実証されています。多数の研究で余剰活性汚泥の超音波処理の利点が示されており、ドイツの都市下水処理施設ではさまざまな産業用超音波システムが稼働しています。
下水汚泥中の基質を超音波で前処理すると、嫌気性消化プロセスにいくつかの有益な効果が得られます。これらの利点には、粒径の縮小、加水分解速度の増加、水理学的滞留時間の短縮が含まれます。
高強度／低周波の超音波によって生じるキャビテーションのせん断力は、汚泥フロックの形態と汚泥中の微生物構造を破壊します。
Nguyenの研究チームは、その研究で次のことを実証しました。「超音波の適用はバイオマスの粒径の縮小に非常に効果的であり、超音波照射への曝露時間と強度に比例して、平均粒径を>78.78%まで縮小しました。これは、超音波処理時間とフロック粒径の逆相関に基づき、汚泥粒子が崩壊して汚泥粒径が減少したことを示しています。処理前の汚泥フロックの観察では、フロックが高密度で非常に緻密であり、緻密なコア、細胞集塊、細菌コロニー、原生動物、糸状細菌などを含む多数の小区画で構成されていることが明らかになったにもかかわらず、この適用は非常に効果的でした。処理排出液の分析により、超音波プロセスがあらゆる大きさの汚泥フロックの構造的一体性を大幅に崩壊させたことが示されています。最適な処理条件下では、フロック片は≤6.5 μmという小ささまで縮小され、20 kHzの低い超音波周波数で5–10 minの超音波処理を行った後、汚泥スラリー中に溶解しました。」(Nguyen et al., 2015)
効率的に崩壊した下水汚泥、すなわち超音波処理された汚泥は、分離特性が大幅に改善され、バイオマス、ゲル状画分、および水からリンに富む画分を取り出せるようになります。超音波キャビテーションは下水汚泥中のバイオマスの細胞構造を破壊し、その後の分画を容易にします。分画されるのは、(i) セルロースに富む繊維、(ii) 栄養素に富むゲル、(iii) 発酵しやすい液体の三つの画分です。これら三つの汚泥画分には、リン回収や重金属除去などの追加処理を行うことができます。

超音波で強化する湿式化学法によるリンの沈殿

超音波処理は、鉱物、粒子、結晶を効果的かつ効率的に沈殿させるために、化学分野で古くから使用されているよく知られた技術です。下水汚泥からリンを回収する際には、ストルバイトの沈殿を促進し、加速するために超音波処理を適用します。ストルバイト（リン酸マグネシウムアンモニウム）は、化学式NH₄MgPO₄·6H₂ Oで表されるリン酸塩鉱物であり、廃汚泥から結合した形態のリンを除去する簡単な方法を提供します。
ストルバイトの結晶化／沈殿プロセスでは、PO₄^3-、NH₄⁺、およびMg²⁺ の各イオンが、反応が平衡に達するまで、ストルバイトの沈殿によって液相から除去されます。

養豚排水から沈殿させたストルバイト結晶。
（画像および研究：©Kim et al. 2017）

ストルバイトの沈殿プロセスに先立つ汚泥の前処理として超音波処理を適用すると、超音波によって誘発されるキャビテーションが分子レベルでの十分な混合をもたらし、結晶成長のための活性表面積を提供します。細胞外物質および細胞内物質の可溶化速度の増加も、NH₄⁺ およびPO₄^3- イオンの生物学的利用能を高めることで、ストルバイトの沈殿にさらなる利点をもたらします。超音波処理によって生じる超音波キャビテーションは、スラリー内の物質移動を促進します。
超音波処理は水熱炭化液にも適用でき、超音波を利用した抽出と沈殿によって、水熱炭化液からリンをストルバイトとしてリサイクルします。
下水汚泥からのリン回収に向けた大規模なストルバイト沈殿について、詳しくはこちらをご覧ください！

下水汚泥からのリン放出に用いる超音波–フェントン法

Gong et al. (2015)の研究は、下水汚泥の崩壊に対する超音波–フェントン併用前処理（超音波–フェントン法としても知られる）の効率を実証しました。超音波–フェントン処理の適用により、炭素、窒素、リンの放出が大幅に増加しました。超音波–フェントン処理では、フェントン処理単独と比較して、全窒素（N）とリン（P）がそれぞれ1.7倍および2.2倍に増加しました。超音波–フェントン処理後の汚泥は、走査電子顕微鏡による観察で、粒径がかなり小さく、微細構造がより緩くなっていることが示されました。電子スピン共鳴を用いた測定では、OH•の最高信号強度がフェントン処理による568.7から、超音波–フェントン処理後には1106.3へと増加しました。これは、超音波–フェントン処理が汚泥の崩壊を誘発し、有機炭素、窒素、リンの放出を大幅に改善することを実証しました。

超音波で強化した微生物燃料電池

下水汚泥の超音波前処理は、汚泥マトリックスからのさまざまな有機化合物の可溶化を促進し、その結果、微生物による電気的水素生成を加速します。
More and Ghangrekar (2010)は、微生物燃料電池に対する超音波前処理の有益な効果は、酵素活性の向上と、細胞外タンパク質、多糖類、酵素の利用可能性によるものだとしています。これらの物質は、超音波によるソノポレーションと細胞破砕によって汚泥フロックの内層から外層へ放出され、基質利用効率の改善につながります。微生物燃料電池からの電力回収を改善するには、細菌が細胞外の固体物質へ電子を移動させる能力を向上させる必要があります。この細胞外電子移動は、細胞表面と固体表面の直接接触によって起こる場合も、いわゆる外因性および内因性のメディエーターを介して間接的に起こる場合もあります。細菌と電極表面の間で直接電子移動が起こるには、電子が細胞の外膜に到達する必要があります。比供給エネルギーが適切であった場合、接種汚泥に施した超音波前処理によってこの現象が起こった可能性があり、それによってより高いクーロン効率が得られやすくなったと考えられます。
超音波で強化した微生物電解プロセスは、汚泥処理のために、その後の発酵プロセスと組み合わせることが可能です。

超音波電気化学法による下水汚泥処理

電気凝集は簡単なプロセスであり、排水に容易に適用でき、大量の排水を効率的かつ低コストで処理できます。超音波処理は、電極上の不動態化層の形成を防ぐことで、電気凝集プロセスの主な欠点を克服するのに役立ちます。時間の経過とともに電極表面に形成される不動態皮膜は、電気凝集システムの効率を大幅に低下させます。超音波は、運転中にこれらの不動態化層を連続的に除去する簡便な方法であり、同時に超音波処理は電気凝集システムの処理能力を高めます。超音波は電極表面に形成された堆積物を破壊し、キャビテーション現象の際に溶液内に高圧点を形成することで、大量のラジカル種を生成して汚染物質を除去します。電気凝集と超音波を組み合わせると、キャビテーションや微小流によって電極上に新しい表面が形成されるため、物質移動速度の増加によって分布層の厚さの減少がさらに強まります。超音波電気凝集は、電気凝集と比較して凝集剤の生成量を増加させ、強力な混合とフリーラジカルの生成による酸化によってフロック形成が促進されるため、最短時間で所望の効率に達することが可能です。
(Moradi et al., 2021)

超音波電気化学と超音波電気凝集の利点

「超音波電気化学は、電気化学システムに超音波エネルギーを組み合わせたものであり、電極表面の気泡除去、溶液の脱気、ネルンスト拡散層の破壊、二重層を通る電気活性種の物質輸送の促進、電極表面の活性化と洗浄など、いくつかの利点をもたらします。電気化学におけるこれらの利点は、プロセス効率（電極効率および電流効率）の改善、電気化学反応速度と収率の増加、セル電圧と電極過電圧の低下、硬さ、品質、気孔率、厚さの面での電析材料の改善、ならびに電極の汚損と電極表面での脱気の抑制につながります。」(Foroughi et al., 2021)
超音波電気化学装置とその用途について、詳しくはこちらをご覧ください！

下水汚泥処理用の産業用超音波システム

Hielscher Ultrasonicsの高性能システムは、排水および下水汚泥処理施設で頼りになる主力装置です。Hielscherの超音波システムは20kHzの高出力超音波を供給し、強烈な音響キャビテーションを生み出します。当社の高出力超音波処理の効果には、細胞破砕と崩壊、高い物質移動、消毒、ポリマーの分解、酵素の放出、汚泥の均質化が含まれます。高強度の超音波処理は、酸化性ラジカルの生成と核生成部位の増加を通じて処理効率を改善し、より良好な凝集とフロック形成を確保します。これらの強烈な超音波キャビテーション力とその効果を確実かつ連続的に生み出すことで、下水汚泥からのエネルギーと栄養素の回収を改善するために、当社の強力な超音波プロセッサーをさまざまな用途に組み込むことができます。

• 超音波による下水汚泥の崩壊
• 超音波で強化する嫌気性消化
• 価値ある栄養素（リン、窒素、マグネシウム、カルシウム、カリウムなど）の回収
• 重金属などの汚染物質の除去

Hielscher Ultrasonicsは、さまざまなサイズのフロー式反応器を備えた超音波プロセッサーを提供しており、お客様の下水汚泥施設に最適な超音波排水・汚泥処理システムを取り揃えています。
モジュール設計により、複数の超音波ユニットを並列に容易に設置でき、あらゆる容量を確実かつ効率的に処理できます。
Hielscherの高出力／高処理能力の超音波システムは、下水汚泥中のバイオマスの処理における効率と収率を高めます。
当社のすべての超音波装置は定置洗浄（CIP）機能を備えています。
厳しい処理条件にも対応：下水汚泥には、セルロース含有量が高く、崩壊しにくい繊維状物質が多く含まれています。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を供給できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するため、特注の超音波ソノトロードも提供しています。このような高い振幅は、セルロース類やリグニンの細胞構造、およびその他の物質の強固な細胞壁を破壊する効果的な方法です。当社のフローセル反応器の最適化された設計は、理想的な流動パターンと、供給される汚泥への均一で効率的な超音波処理を確保します。

システムインテグレーターおよび下水汚泥処理施設のエンジニアとの協力

高性能超音波モジュールユニットのメーカーおよびシステム構築企業として、Hielscher Ultrasonicsはシステムインテグレーターと協力しています。排水および下水汚泥処理施設の運営者の多くは、このような浄化施設の設計と自動化に豊富な経験を持つシステムインテグレーターと協働しています。当社の設計エンジニアと技術エンジニアのチームは、対象となる汚泥量に最適な超音波構成を提案し、詳細なシステム情報、CAD図面、設置サービス、運転トレーニングを提供します。これにより、下水処理施設への高性能超音波の組み込みを、建設的かつ目標に沿って実現できます。汚泥処理の改善のために当社の超音波プロセッサーの導入をご検討の場合は、ぜひお問い合わせください！

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。

Hielscherの超音波下水汚泥処理システム、設置オプション、技術情報の詳細について、今すぐお問い合わせください！