都市下水汚泥からのリン回収のための様々なソリューション

リンは重要な資源鉱物であり、その天然供給量は急速に減少している。そのため、ドイツ政府は2029年以降、リンの大部分を下水汚泥から回収することを政令で定めた。電力超音波の導入により、自治体の下水汚泥からのリン回収を強化するためのさまざまな選択肢が開かれる。

下水汚泥処理プラントとリンのリサイクル

リンは重要な元素であり、肥料やファインケミカル、製薬産業の原料として広く使用されている。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、すべての地方自治体の下水処理場が、地方自治体の下水汚泥からリンを回収するための測定を確立しなければならないという法律を施行した。高性能超音波の導入は、リンの回収効率を大幅に向上させる様々な処理オプションを提供します。

廃水処理場では、汚泥の消化を改善し、リンなどの栄養素を回収するために超音波を使用している。

超音波による下水汚泥の分解によるリン回収の改善

下水汚泥に強力な超音波を照射することで、下水汚泥中のバイオマスの分解が促進されることが明らかになった。数多くの研究により、超音波による廃棄物活性汚泥処理の利点が示されており、ドイツの自治体の下水処理場では、さまざまな工業用超音波システムが稼動している。
下水汚泥中の基質の超音波前処理には、嫌気性消化プロセスにとっていくつかの有益な効果がある。これらの利点には、粒子径の縮小、加水分解速度の増加、水力保持時間の短縮などがある。
高強度・低周波超音波により発生するキャビテーションせん断力により、汚泥のフロック形態や微生物構造を破壊する。
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)
下水汚泥を効率的に崩壊させたもの、すなわち超音波処理した汚泥は、バイオマスからリンを多く含む画分、ゲル状の画分、および水を除去できる分離特性が著しく改善されている。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(i)セルロースが豊富な繊維、(ii)栄養分が豊富なゲル、(iii)発酵しやすい液体の3つの画分への分画を促進する。汚泥のこれら3つの画分は、リン回収、重金属除去など、さらに処理することができる。

超音波を利用したリンの湿式化学沈殿法

超音波処理は、鉱物、粒子、結晶を安全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ある。下水汚泥からのリン酸塩の回収では、ストルバイトの沈殿を促進するために超音波処理を行います。ストルバイト（リン酸マグネシウムアンモニウム）は、式NH₄MgPO₄-6H₂ これは、廃棄物汚泥から結合形態のリンを除去する簡単な解決策を提供する。
ストルバイトの晶析／沈殿の過程で、イオンPO₄^3-NH₄⁺およびMg²⁺ 反応平衡に達するまで、ストルバイトの析出により液相から除去される。

豚排水から析出したストルバイト結晶。
(写真と研究：©Kim et al.）

ストルバイト沈殿工程の前に汚泥の前処理として超音波処理を施すと、超音波によって誘導されたキャビテーションが分子レベルでの徹底的な混合をもたらし、結晶成長のための活性表面積を提供する。細胞外および細胞内物質の可溶化率の増加は、NH₄⁺ およびPO₄^3- イオンである。超音波処理により、超音波キャビテーションによるスラリー中の物質移動が促進される。
超音波処理は熱水炭化液にも適用でき、リンは超音波処理による抽出と沈殿によって、熱水炭化液からストルバイトとして再利用される。
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下水汚泥からのリン放出に対するソノフェントン

Gongら（2015）の研究では、下水汚泥の分解における超音波-フェントン（ソノフェントンとも呼ばれる）複合前処理の効率が実証された。超音波-フェントン処理を適用すると、炭素、窒素、リンの放出が著しく増加した。超音波フェントン処理は、フェントン単独処理と比較して、全窒素（N）とリン（P）をそれぞれ1.7倍と2.2倍に増加させた。ソノフェントン処理後の汚泥は、走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径がかなり細かくなり、微細構造も緩やかになった。電子スピン共鳴法を用いたところ、OH-のシグナル強度の最高値は、フェントン処理の568.7から、ソノフェントン処理後は1106.3に増加した。これは、超音波フェントン処理が汚泥の崩壊を誘導し、有機炭素、窒素、リンの放出を著しく改善することを実証した。

超音波強化微生物燃料電池

下水汚泥の超音波前処理は、汚泥マトリックスからの様々な有機化合物の可溶化を促進し、その後微生物の電気水素発生を促進する。
MoreとGhangrekar（2010）は、超音波処理による前処理が微生物燃料電池に及ぼす有益な効果として、酵素活性の向上と、超音波処理と細胞破砕によって汚泥フロックの内層から外層に放出される細胞外タンパク質、多糖類、酵素の利用可能性を挙げている。微生物燃料電池からの集電性を向上させるためには、バクテリアの細胞外固体物質への電子伝達能力の向上が必要である。この細胞外電子伝達は、細胞表面と固体表面との直接接触で起こる場合と、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がある。細菌と電極表面間の直接的な電子移動のためには、電子が細胞の外膜に到達する必要がある。この現象は、供給されるエネルギーが適切であったときに、菌体に対して超音波処理による前処理を施したために起こった可能性がある。
超音波で強化された微生物電解プロセスは、汚泥処理のための後続の発酵プロセスと組み合わせることができる。

下水汚泥の電気化学処理

電気凝固はシンプルなプロセスで、廃水に簡単に適用でき、大量の処理を効率的かつコスト効率よく行うことができます。超音波処理は、電極からの不動態化層の形成を防ぐことにより、電気凝固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膜は、電気凝固システムの効率を大幅に低下させます。超音波は、このような不動態膜を運転中に継続的に除去する容易な方法であり、同時に超音波処理によって電気凝固システムの回転率が向上します。超音波は、電極表面に形成された沈殿物を分解し、大量のラジカル種を発生させ、キャビテーション現象中に溶液内に高圧点を形成することで汚染物質を除去する。電気凝集と超音波を組み合わせることで、キャビテーションやマイクロストリーミングによって電極上に新たな表面が形成されるため、物質移動速度が増加し、分配層の厚さの減少が悪化する。ソノ電気凝集は、電気凝集に比べて凝集剤の生成量が増加し、極端な混合とフリーラジカル生成による酸化によって凝集が促進されるため、所望の効率に最短時間で到達することが可能です。
(モラディら、2021年）。

ソノエレクトロケミストリーとソノエレクトロコアギュレーションの利点

「ソノエレクトロケミストリーは、電気化学システムにおける超音波エネルギーの組み合わせであり、電極表面での気泡除去、溶液の脱ガス、ネルンスト拡散層の破壊、二重層を介した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、いくつかの利点を提供する。電気化学におけるこれらの利点は、プロセス効率（電極効率と電流効率）の向上、電気化学的速度と収率の増加、セル電圧と電極過電位の低下、硬度、品質、気孔率、厚さの点で電着材料の改善、電極表面における電極の汚れと脱ガスの抑制につながる。(Foroughiら、2021年)
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下水汚泥処理用工業用超音波システム

Hielscher Ultrasonicsの高性能システムは、廃水や下水汚泥処理プラントで信頼できる主力製品です。Hielscherの超音波システムは20kHzのハイパワー超音波を供給し、強力な音響キャビテーションを発生させます。ハイパワー超音波処理の効果には、細胞の破砕と崩壊、高い物質移動、殺菌、ポリマーの分解、酵素の放出、汚泥の均質化などがあります。高強度の超音波処理は、酸化ラジカルの生成と核生成部位の増加により処理効率を向上させ、凝集と凝集をより確実にします。このような強力な超音波キャビテーション力とその効果を確実かつ継続的に発生させることで、下水汚泥からのエネルギーと栄養分の収穫を改善するために、当社の強力な超音波プロセッサーを様々な用途に統合することができます。

• 下水汚泥の超音波分解
• 超音波による嫌気性消化の強化
• 貴重な栄養素の回収（リン、窒素、マグネシウム、カルシウム、カリウムなど）
• 重金属などの汚染物質の除去

Hielscher Ultrasonics社は、様々なサイズのフロースルー反応器を備えた超音波処理装置を提供し、お客様の下水汚泥施設に理想的な超音波廃棄物・汚泥処理システムを提供します。
モジュラー設計のため、複数の超音波ユニットを並列に設置することができ、どんな容積でも信頼性の高い効率的な処理が可能です。
Hielscherのハイパワー/ハイスループット超音波システムは、下水汚泥中のバイオマス処理の効率と歩留まりを向上させます。
すべての超音波洗浄機は、CIP（Cleaning-in-Place）機能を備えています。
要求の厳しい処理に適しています：下水汚泥にはセルロースを多く含む繊維質が含まれることが多く、分解が困難です。ヒールシャー超音波’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続稼働が容易です。さらに高い振幅を得るには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。このような高振幅は、セルロース、リグニン、その他の材料の強固な細胞壁の細胞構造を破壊する効果的な方法です。当社のフローセルリアクターの最適化された設計は、理想的なフローパターンと、供給された汚泥の均一で効率的な超音波処理を保証します。

下水汚泥プラントのシステムインテグレーターやエンジニアと連携しています。

高性能超音波モジュラーユニットの製造・システムビルダーとして、Hielscher Ultrasonics社はシステムインテグレーターと協力しています。廃水・下水汚泥処理プラントのオペレーターの多くは、このような浄化プラントの設計と自動化に精通したシステムインテグレーターと連携しています。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、操作トレーニングを提供します。これにより、下水処理場における高性能超音波の統合を、建設的かつ目標指向で実施することが可能になります。汚泥処理改善のための超音波処理装置の統合にご興味のある方は、お気軽にお問い合わせください！

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：

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