도시 하수 슬러지에서 인 회수를 위한 다양한 솔루션

인은 천연 공급이 급격히 감소하고 있는 중요한 자원 광물입니다. 이에 따라 독일 정부는 2029년부터 하수 슬러지에서 인을 대부분 회수해야 한다는 법령을 제정했습니다. 전력 초음파의 구현은 도시 하수 슬러지에서 인의 회수를 강화하기 위한 다양한 옵션을 제공합니다.

하수 슬러지 처리장과 인 재활용

인은 정밀 화학 및 제약 산업에서 비료 및 원료로 널리 사용되는 중요한 요소입니다. 가용 자원이 급격히 줄어들기 때문에 독일 정부는 모든 도시 폐수 처리장이 도시 하수 슬러지에서 인을 회수하기 위한 측정을 수립해야 하는 법률을 시행했습니다. 고성능 초음파의 구현은 인 회수의 효율성을 크게 향상시키는 다양한 치료 옵션을 제공합니다.

폐수 처리장은 슬러지 소화를 개선하고 인과 같은 영양분을 회수하기 위해 초음파를 사용합니다.

향상된 Phorsphorus 회수를 위한 초음파 하수 슬러지 분해

하수 슬러지에 강력한 초음파를 조사하는 것은 하수 슬러지에서 바이오매스의 분해를 개선하는 것으로 명확하게 입증되었습니다. 수많은 연구 조사에서 초음파 폐기물 활성 슬러지 처리의 이점을 보여주었으며 독일의 도시 폐수 처리장에서 다양한 산업용 초음파 시스템이 운영되고 있습니다.
하수 슬러지의 기질의 초음파 전처리는 혐기성 소화 과정에 여러 가지 유익한 효과가 있습니다. 이러한 이점에는 입자 크기 감소, 가수분해 속도 증가, 수압 머무름 시간 단축이 포함됩니다.
고강도/저주파 초음파에 의해 발생하는 캐비테이션 전단력은 슬러지 플록 형태와 슬러지의 미생물 구조를 파괴합니다.
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)
효율적으로 분해된 하수 슬러지, 즉 초음파 처리 슬러지는 상당히 개선 된 분리 특성을 보여 물뿐만 아니라 바이오 매스 및 겔 같은 분획에서 인이 풍부한 분획을 제거 할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 하수 슬러지에서 바이오매스의 세포 구조를 파괴하고 (i) 셀룰로오스가 풍부한 섬유, (ii) 영양이 풍부한 겔 및 (iii) 쉽게 발효할 수 있는 액체의 세 가지 분획으로 후속 분별을 용이하게 합니다. 슬러지의 이 세 가지 분획은 인 회수, 중금속 제거 등과 같이 추가로 처리할 수 있습니다.

Phosphorusn의 초음파 강화 습식 화학 침전

초음파는 광물, 입자 및 결정의 안정적이고 효과적인 침전을 위해 화학에서 오랜 시간 동안 사용 된 잘 알려진 기술입니다. 하수 슬러지로부터의 인 회수를 위해, struvite의 침전을 촉진하고 가속화하기 위해 초음파 처리가 적용됩니다. 스트루바이트(마그네슘 암모늄 포스페이트)는 화학식 NH를 갖는 인산염 광물입니다.₄엠지포₄·6H₂ O는 폐기물 슬러지에서 결합 형태의 인을 제거하는 간단한 솔루션을 제공합니다.
스트루바이트 결정화/침전 과정 동안, 이온 PO₄^3-, 뉴햄프셔₄⁺및 Mg²⁺ 반응이 평형에 도달할 때까지 스트루바이트 침전으로 인해 액상에서 제거됩니다.

돼지 폐수에서 침전된 스트루바이트 결정.
(사진 및 연구: ©Kim et al. 2017)

초음파가 struvite 침전 과정 전에 슬러지 전처리로 적용될 때, 초음파로 유도 된 캐비테이션은 분자 수준에서 thourough mixing을 제공하여 결정 성장을위한 활성 표면적을 제공합니다. 세포 외 및 세포 내 물질의 용해성 속도의 증가는 NH의 생체 이용률을 증가시킴으로써 스트루바이트 침전에 더욱 도움이 됩니다.₄⁺ 및 PO₄^3- 이온. 초음파 처리는 초음파 캐비테이션에 의해 발생하는 슬러리를 통한 질량 전달을 촉진합니다.
초음파 처리는 열수 탄화 주류에도 적용될 수 있으며, 인은 초음파 보조 추출 및 침전을 통해 열수 탄화 주액에서 스트루 바이트로 재활용됩니다.
하수 슬러지에서 인 회수를 위한 대규모 스트루바이트 침전에 대해 자세히 알아보십시오!

하수 슬러지에서 인 방출을 위한 Sono-Fenton

Gong et al. (2015)의 연구는 하수 슬러지 분해를 위한 결합 초음파-Fenton(sono-Fenton이라고도 함) 전처리의 효율성을 입증했습니다. 초음파-Fenton 처리를 적용하면 탄소, 질소 및 인 방출이 크게 증가했습니다. sono-Fenton 처리는 Fenton 처리 단독과 비교할 때 총 질소(N)와 인(P)을 각각 1.7배 및 2.2배 증가시켰습니다. sono-Fenton 처리 후 슬러지는 주사 전자 현미경을 기반으로 훨씬 더 미세한 입자 크기와 더 느슨한 미세 구조를 보여주었습니다. 전자 스핀 공명을 사용하여 가장 높은 OH• 신호 강도는 Fenton 처리에 의한 568.7에서 sono-Fenton 처리 후 1106.3으로 증가했습니다. 이는 sono-Fenton 처리가 슬러지의 분해를 유도하고 유기 탄소, 질소 및 인의 방출을 크게 향상시키는 것으로 입증되었습니다.

초음파 강화 미생물 연료 전지

하수 슬러지의 초음파 전처리는 슬러지 매트릭스에서 다양한 유기 화합물의 용해화를 촉진하여 미생물 전기 수소 발생을 가속화합니다.
More와 Ghangrekar (2010)는 미생물 연료 전지에 대한 초음파 처리 전처리의 유익한 효과를 향상된 효소 활성과 초음파 초음파 처리 및 세포 파괴에 의해 슬러지 플록의 내부 층에서 외부 층으로 방출되는 세포 외 단백질, 다당류 및 효소의 가용성에 기여하여 기판 활용 효율을 향상시킵니다. 미생물 연료 전지로부터의 전기 수확을 개선하기 위해서는 세포외 고체 물질에 대한 박테리아의 전자 전달 능력의 향상이 필요합니다. 이러한 세포외 전자 전달은 세포 표면과 고체 표면 사이의 직접 접촉 또는 소위 외인성 및 내인성 매개체를 통해 간접적으로 발생할 수 있습니다. 박테리아와 전극 표면 사이의 직접 전자 전달을 위해 전자는 세포의 외막에 도달해야 합니다. 이 현상은 특정 공급 에너지가 적절할 때 접종물에 주어진 초음파 전처리로 인해 발생했을 수 있습니다. 따라서 더 높은 쿨롱 효율성을 선호합니다.
초음파로 강화된 미생물 전기분해 공정은 슬러지 처리를 위한 후속 발효 공정과 결합될 수 있습니다.

Sono-Electrochemical 하수 슬러지 처리

전기 응고는 폐수에 쉽게 적용할 수 있는 간단한 공정으로 대량을 효율적이고 비용 효율적으로 처리할 수 있습니다. 초음파는 전극에서 부동태화 층의 형성을 방지함으로써 전기 응고 과정의 주요 단점을 극복하는 데 도움이됩니다. 시간이 지남에 따라 전극 표면에 형성되는 수동 필름은 전기 응고 시스템의 효율성을 크게 감소시키고 초음파는 작동 중에 이러한 부동 태화 층을 지속적으로 제거하는 쉬운 방법이며, 동시에 초음파 처리는 전기 응고 시스템의 회전율을 증가시킵니다. 초음파는 전극 표면에 형성된 퇴적물을 분해하고 캐비테이션 현상 동안 용액 내부에 고압점을 생성하여 오염 물질을 제거하기 위해 다량의 라디칼 종을 생성합니다. 전기 응고와 초음파를 결합하면 캐비테이션 또는 마이크로 스트리밍에 의해 전극에 새로운 표면이 생성되기 때문에 분배층의 두께 감소는 질량 전달 속도가 증가함에 따라 악화됩니다. Sono-electrocoagulation은 전기 응고에 비해 응고제 형성의 양을 증가시키고, 응집은 자유 라디칼 형성에 의한 극한 혼합 및 산화에 의해 향상됩니다. 따라서 최단 시간에 원하는 효율에 도달 할 수 있습니다.
(Moradi 외, 2021)

Sonoelectrochemistry 및 Sonoelectrocoagulation의 장점

"Sonoelectrochemistry는 전극 표면의 가스 기포 제거, 용액 탈기, Nernst 확산 층의 파괴, 이중층을 통한 전기 활성 종의 대량 수송 향상, 전극 표면의 활성화 및 청소를 포함한 여러 가지 이점을 제공하는 전기 화학 시스템에서 초음파 에너지의 조합입니다. 전기화학에서의 이러한 이점은 공정 효율성(전극 및 전류 효율) 개선, 전기화학적 속도 및 수율 증가, 전지 전압 및 전극 과전위 감소, 경도, 품질, 다공성 및 두께 측면에서 전착 재료 개선, 전극 표면의 전극 오염 및 탈기 억제로 이어집니다." (Foroughi 외, 2021)
초음파 전기 화학 장비 및 그 응용 분야에 대해 자세히 알아보십시오!

하수 슬러지 처리를 위한 산업용 초음파 시스템

Hielscher 초음파 고성능 시스템은 폐수 및 하수 슬러지 처리장에서 신뢰할 수있는 일꾼입니다. Hielscher 초음파 시스템은 20kHz에서 고출력 초음파를 제공하여 강렬한 음향 캐비테이션을 생성합니다. 당사의 고출력 초음파 처리의 효과에는 세포 파괴 및 붕괴, 높은 질량 전달, 소독, 고분자 분해, 효소 방출 및 슬러지의 균질화가 포함됩니다. 고강도 초음파 처리는 산화 라디칼의 생성과 핵 형성 부위의 증가를 통해 처리 효율성을 향상시켜 더 나은 응고 및 응집을 보장합니다. 이러한 강렬한 초음파 캐비테이션 힘과 그 효과의 안정적이고 지속적인 생성을 통해 다양한 응용 분야에 강력한 초음파 프로세서를 통합하여 하수 슬러지에서 에너지 및 영양분 수확을 향상시킬 수 있습니다.

• 하수 슬러지의 초음파 붕괴
• 초음파로 강화된 혐기성 소화
• 귀중한 영양소 (인, 질소, 마그네슘, 칼슘, 칼륨 등)의 회수
• 중금속과 같은 오염 물질 제거

다양한 크기의 플로우 스루 반응기가있는 초음파 프로세서를 제공하는 Hielscher 초음파는 하수 슬러지 시설에 이상적인 초음파 폐기물 폐기물 및 슬러지 처리 시스템을 갖추고 있습니다.
모듈식 설계로 여러 초음파 장치를 병렬로 간단하게 설치할 수 있어 모든 부피를 안정적이고 효율적으로 처리할 수 있습니다.
Hielscher 고출력 / 고 처리량 초음파 시스템은 하수 슬러지의 바이오 매스 처리에서 효율성과 수율을 향상시킵니다.
당사의 모든 초음파기는 CIP (Cleaning-in-Place) 기능을 갖추고 있습니다.
까다로운 처리에 적합: 하수 슬러지에는 종종 분해되기 어려운 셀룰로오스 함량이 높은 섬유질 물질이 포함되어 있습니다. Hielscher 초음파’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 이러한 높은 진폭은 셀룰로오스, 리그닌 및 다른 물질의 견고한 세포벽의 세포 구조를 파괴하는 효과적인 방법입니다. 플로우 셀 반응기의 최적화된 설계는 이상적인 흐름 패턴과 유향 슬러지의 균일하고 효율적인 초음파 처리를 보장합니다.

우리는 하수 슬러지 플랜트의 시스템 통합업체 및 엔지니어와 협력합니다.

고성능 초음파 모듈 식 장치의 제조업체 및 시스템 빌더 인 Hielscher Ultrasonics는 시스템 통합 업체와 협력합니다. 대부분의 폐수 및 하수 슬러지 처리장 운영자는 이러한 정화 플랜트의 설계 및 자동화에 경험이 풍부한 시스템 통합업체와 협력합니다. 당사의 설계 엔지니어 및 기술 엔지니어 팀은 대상 슬러지 부피에 대한 최적의 초음파 구성을 권장하고 자세한 시스템 정보, CAD 도면, 설치 서비스 및 운영 교육을 제공합니다. 이를 통해 하수 처리장에서 고성능 초음파를 통합하는 건설적이고 목표 지향적인 구현이 가능합니다. 슬러지 처리 개선을 위해 초음파 처리기를 통합하는 데 관심이 있으시면 당사에 문의하십시오!

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

Hielscher 초음파 하수 슬러지 처리 시스템, 설치 옵션 및 기술 정보에 대한 자세한 내용을 얻으려면 지금 문의하십시오!