Ultraskaņas apstrāde aerobiskajai notekūdeņu aktivēto dūņu sadalīšanai
Augstas jaudas ultraskaņas iedarbība sadala atkritumu aktivēto dūņu (WAS) pirms aerobās fermentācijas vai tās laikā. Akustiskā kavitācija sadala dūņu pārslas, izjauc ekstracelulārās polimēru vielas un atver mikrobu šūnas. Tādējādi aerobajā fermentatorā kļūst pieejamāka iepriekš aizsargātā organiskā viela.
Aerobiskā procesā mērķis nav palielināt biogāzes ražošanas apjomu. Metāna satura palielināšana ir svarīga anaerobiskajā sadalīšanā. Aerobiskajā fermentatorā nozīmīgie veiktspējas rādītāji ir gaistošo cieto vielu sadalīšanās, skābekļa patēriņš, sadalīšanās laiks, atlikušo sausās vielas daudzums, atūdeņošanas iespējas un kopējās ekspluatācijas izmaksas.
Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas iekārtas tiek integrētas sūkņu WAS līnijā vai fermentatora recirkulācijas kontūrā. Ultraskaņas plūsmas kameru reaktori koncentrē apstrādi uz noteiktu dūņu plūsmu un ļauj kontrolēt procesu pēc jaudas, plūsmas, cieto vielu koncentrācijas, spiediena un temperatūras. Rezultāts ir kompakta modernizācija, kas ļauj pievienot ultraskaņas dūņu sadalīšanu, nemainot esošo aerobo fermentatoru.
Hielscher rūpnieciskā ultraskaņas plūsmas apstrādes iekārta, kas paredzēta sabiezēta WAS apstrādei
Kāpēc notekūdeņu aktīvās dūņas ir grūti sadalāmas
Aktīvās dūņas ir liekās bioloģiskās cietās vielas, kas tiek atdalītas no notekūdeņu attīrīšanas procesa ar aktīvajām dūņām. Tās satur mikroorganismus, ekstracelulāras polimērās vielas (EPS), uztvertās organiskās vielas un inertas cietās vielas.
Sekundārajā nostādinātājā nogulsnējušies aktīvās dūņas tiek sadalītas divās plūsmās:
- Aktivētās dūņas (RAS) tiek atgrieztas aerācijas baseinā, lai uzturētu nepieciešamo biomasas koncentrāciju.
- Atkritumu aktīvās dūņas (WAS) tiek izņemtas no šķidruma attīrīšanas procesa un nosūtītas uz sabiezināšanu, stabilizēšanu, fermentāciju vai atūdeņošanu.
WAS satur lielu daļu mikrobiālo šūnu materiāla. Liela daļa tā bioloģiski noārdāmā organiskā satura ir ieslēgta šūnu sienās vai saistīta blīvos dūņu pikučos. Šī fiziskā aizsardzība palēnina dabisko šūnu līzi un hidrolīzi.
Aerobiskās sadalīšanās procesā tiek pievadīts skābeklis, bet jauna barība ir pieejama tikai nelielā daudzumā. Mikroorganismi sāk endogēno elpošanu un patērē uzkrātās vielas, mirušās šūnas un citus bioloģiski noārdāmos dūņu komponentus. Mērķis ir stabilizēt dūņas, samazināt smakas veidošanās iespēju un samazināt to gaistošo cieto vielu daudzumu, kuras ir jāatūdeņo un jāutilizē.
Sadalīšanās ātrumu bieži ierobežo piekļuve substrātam. Fermentatorā var būt aktīvi mikroorganismi un pietiekams uzturēšanās laiks, taču organiskās vielas, kas atrodas neskartās šūnās un blīvos flokos, joprojām ir grūti sasniedzamas.
Neapstrādātu flokulu salīdzinājums ar ultraskaņas apstrādātu dūņu: ultraskaņas apstrāde ievērojami samazina floku izmēru.
Pētījums un attēli: ©Chu et al. 2001
Kā ultraskaņas kavitācija atver WAS aerobiskajai sadalīšanai
Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas ģeneratori darbojas 20 kHz frekvencē un rada intensīvu akustisko kavitāciju šķidruma un šķidruma-nogulumu plūsmās. Kavitācijas burbuļi veidojas, aug un sabrūk nogulumu masā. To sabrukums rada spēcīgas lokālas šķērsspēkas, kas iedarbojas tieši uz flokiem, EPS un mikrobu šūnām.
Ultraskaņas apstrāde izraisa trīs būtiskas izmaiņas WAS:
Flokulu sadalīšanās
Kavitācija sadala dūņu agregātus un atklāj virsmas, kuras iepriekš bija aptvertas ar ekstracelulārām polimērām vielām (EPS). Apstrādātās dūņas satur mazākas daļiņas un tām ir lielāka pieejamā virsmas platība.
EPS un šūnu sadalīšana
Ar ultraskaņas palīdzību veiktā sadalīšanās palielina sadzīves atkritumu aktivētā dūņu aerobo bioloģisko noārdāmību, sadalot cietos dūņu pikučus un atbrīvojot tajos ieslodzīto organisko vielu. Ultraskaņas kavitācija izjauc šūnu membrānas un šūnu sienas. Olbaltumvielas un ogļhidrāti, kā arī citi intracelulārie savienojumi nonāk šķidrajā fāzē.
Palielināta bioloģiskā pieejamība
Aerobie mikroorganismi spēj vieglāk sadalīt šķīstošas un smalki sadalītas organiskās vielas nekā neskartas mikrobiālās šūnas un blīvi floki. Tādējādi ultraskaņas apstrāde mehāniski veic daļu no šūnu sadalīšanas un hidrolīzes procesa pirms bioloģiskās oksidācijas posma.
Ultraskaņas apstrāde iedarbojas uz notekūdeņu dūņu biezo aizsargslāni, lai mikrobiālā sadalīšanās noritētu daudz ātrāk un efektīvāk. To parasti novēro kā šķīstošā ķīmiskā skābekļa patēriņa (SCOD) pieaugumu.
Rūpniecisks ultraskaņas plūsmas reaktors uzlabotai WAS sadalīšanai
Ultraskaņas izmantošanas priekšrocības aerobās sadalīšanās iekārtās
Reakcija ir atkarīga no dūņu veida un ultraskaņas devas. Ja ultraskaņas iedarbība palielina aerobo bioloģisko noārdīšanos, notekūdeņu attīrīšanas iekārta var panākt:
- Lielāks gaistošo cieto vielu sadalīšanās apjoms esošajā fermentācijas laikā
- Līdzvērtīga dūņu stabilizācija ar īsāku uzturēšanās laiku
- Mazāks atlikušo sausās vielas daudzums ražošanas procesā
- Papildu efektīvā jauda no esoša aerobā fermentatora
- Samazināta bioloģisko atlieku pārvadāšana un apglabāšana
- Uzlabota procesa stabilitāte periodos ar augstu cieto vielu slodzi
- Labāka pavedveida organismu kontrole, izmantojot flokulu veidošanos un šūnu sadalīšanos
Hielscher inline ultraskaņas iekārtas vienkāršai modernizācijai
Pilna mēroga apstākļos parasti ir efektīvāk apstrādāt ar ultraskaņu koncentrētu dūņu plūsmu, nevis visu aerobiskā fermentatora tilpumu. Hielscher ultraskaņas plūsmas kameru reaktori atbalsta divas praktiskas konfigurācijas.
WAS barošanas līnijas priekšapstrāde
Ultraskaņas sistēma tiek uzstādīta aiz WAS sabiezēšanas iekārtas un pirms aerobās fermentācijas tvertnes:
Sabiezējis WAS → padeves sūknis → Hielscher ultraskaņas plūsmas kamera → aerobais fermentators
Šī sistēma apstrādā noteiktu sausās vielas masas plūsmu un nodrošina skaidru pamatu konkrētās ultraskaņas enerģijas pievades regulēšanai.
Procesa shēma: sabiezējis WAS → padeves sūknis → Hielscher rūpnieciskais inline ultraskaņas iekārta UIP6000hdT → aerobais fermentators
Atkritumu fermentatora recirkulācija vai blakusplūsmas attīrīšana
Kontrolēta dūņu daļa tiek sūknēta no fermentatora vai dūņu cauruļvada caur ultraskaņas iekārtu un atgriezta procesā. Šāda konfigurācija ir noderīga gadījumos, kad esošo padeves cauruļvadu ir grūti pārveidot vai kad jāapstrādā tikai izvēlēta dūņu daļa.
Abas sistēmas var uzstādīt kā kompakta izmēra moduļus, kuros ietilpst sūknis, ultraskaņas plūsmas mērītājs, izolācijas vārsti, apkopes apvedceļš, spiediena un temperatūras mērīšanas ierīces, paraugu ņemšanas punkti un procesa vadības sistēmas. Esošais fermentācijas tvertnes korpuss paliek nemainīgs.
Tādēļ ultraskaņas apstrāde ir īpaši piemērota esošo notekūdeņu attīrīšanas iekārtu modernizācijai. Ultraskaņas moduli var uzstādīt sūkņu cauruļvadā, to var darbināt neatkarīgi, kā arī apiet pārbaudes vai apkopes laikā.
Uzlabojiet aerobisko dūņu sadalīšanos ar ultraskaņas palīdzību!
Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas ģeneratori nodrošina kompaktu un skalējamu metodi, kā integrēt lieljaudas ultraskaņu esošajā WAS attīrīšanas līnijā. Plūsmas kameras apstrāde plūsmā koncentrē ultraskaņas enerģiju uz dūņu plūsmu, nodrošina reproducējamu devas kontroli un var tikt projektēta, lai nodrošinātu uzticamu, nepārtrauktu darbību smagos apstākļos 24 stundas diennaktī, 7 dienas nedēļā.
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Kvalitāte ražots Vācijā
Hielscher ultrasonikatori ir labi pazīstami ar saviem augstākajiem kvalitātes un dizaina standartiem. Robustums un viegla darbība ļauj vienmērīgi integrēt mūsu ultrasonikatorus rūpnieciskajās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori viegli apstrādā neapstrādātus apstākļus un prasīgu vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums un īpašu uzsvaru liek uz augstas veiktspējas ultrasonikatoriem, kas piedāvā vismodernākās tehnoloģijas un lietotājdraudzīgumu. Protams, Hielscher ultrasonikatori atbilst CE prasībām un atbilst UL, CSA un RoHs prasībām.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Biežāk uzdotie jautājumi
Vai ultraskaņas apstrāde palielina biogāzes ražošanu aerobajā fermentatorā?
Nē. Palielināta metāna vai biogāzes ražība ir anaerobās sadalīšanās priekšrocība. Aerobās sadalīšanās gadījumā ultraskaņas apstrāde būtu jānovērtē, ņemot vērā VS iznīcināšanu, skābekļa patēriņu, sadalīšanās laiku, atlikušo sausno vielu daudzumu, atūdeņošanas iespējas un kopējās izmaksas.
Kur ir uzstādīta ultraskaņas sistēma?
Parasti sistēma tiek uzstādīta procesa plūsmā aiz WAS sabiezināšanas posma un pirms aerobiskā fermentatora. Tā var darboties arī kontrolētā sānu plūsmā vai fermentatora recirkulācijas kontūrā. Apkopes apvedceļš ļauj turpināt dūņu pārvietošanu apkopes laikā.
Kāpēc izmantot 20 kHz rūpniecisko ultraskaņas iekārtu?
Zemas frekvences, lieljaudas ultraskaņa rada intensīvu kavitāciju un mehānisku šķērsgriezumu. Tas efektīvi sadala dūņu pārslas, izjauc EPS un atver mikrobu šūnas šķidruma un cietvielu plūsmās.
Vai Hielscher ultraskaņas iekārta var darboties nepārtraukti?
Jā. Hielscher rūpnieciskās hdT ultraskaņas iekārtu sērija ir paredzēta nepārtrauktai darbībai smagos apstākļos un ir pazīstama ar savu izturību. Plūsmas kameru reaktori nodrošina kontrolētu iekārtas iekšējo vai recirkulācijas apstrādi, savukārt automātiskā datu reģistrēšana atbalsta procesa uzraudzību un reproducējamību.
Kādi dati ir nepieciešami, lai aprēķinātu ultraskaņas dūņu apstrādes sistēmas jaudu?
Galvenie ieejas lielumi ir WAS plūsma, TS un VS koncentrācija, dūņu viskozitāte, mērķa īpatnējā enerģija, nepieciešamais attīrīšanas efekts, darbības stundas un pieejamais spiediens. Pirms pilna mēroga sistēmas projektēšanas ieteicams veikt eksperimentālus testus, lai noteiktu piemēroto devu.
Vai ultraskaņas apstrāde uzlabo dūņu atūdeņošanu?
Rezultāts ir atkarīgs no dūņu īpašībām un devas. Mērens apstrādes intensitātes līmenis var uzlabot cieto vielu apstrādes procesu, savukārt pārmērīga sadalīšanās var radīt smalkas daļiņas un šķīstošus polimērus, kas traucē cieto vielu uztveršanu vai nogulšņu veidošanos. Tādēļ atūdeņošanas izmēģinājumi ir būtiska procesa optimizācijas sastāvdaļa.
Ko par ultraskaņas WAS hidrolīzi liecina zinātniskie pētījumi?
Laboratorijas pētījumi apstiprina ultraskaņas izmantošanu, lai uzlabotu WAS pieejamību un aerobo bioloģisko noārdāmību.
Pētījumā par kombinētu sārmainu un ultraskaņas priekšapstrādi pirms aerobiskās sadalīšanās tika ziņots, ka organiskās vielas sadalīšanās tajā pašā sadalīšanās laikā bija 38,0 % neapstrādātiem dūņām un 42,5 % ultraskaņas priekšapstrādātiem dūņām. Kombinētā sārmainā un ultraskaņas priekšapstrāde palielināja sadalīšanos līdz 50,7 %. Rezultāti liecina, ka ultraskaņa pati par sevi var uzlabot aerobo sadalīšanos, vienlaikus parādot, ka sasniedzamais uzlabojums ir atkarīgs no priekšapstrādes stratēģijas un dūņu īpašībām. (sk. Jin et al., 2009)
Vēl vienā pētījumā par pašvaldības notekūdeņiem tika ziņots par palielinātu dūņu šķīdību un aerobo bioloģisko noārdīšanos pēc ultraskaņas palīdzības izmantošanas baktēriju sadalīšanā. Priekšapstrādātajiem dūņiem tika novērots augstāks bioloģiskās noārdīšanās vai sadalīšanās ātrums nekā neapstrādātajiem kontroles paraugiem. (sk. Kavitha et al. 2016)
Vai ultraskaņas apstrāde veicina citus dūņu apstrādes procesus?
Jā. Ultraskaņas apstrāde veicina vairākus dūņu attīrīšanas procesus, sadalot flokus, EPS un mikroorganismu šūnas:
Anaerobā sadalīšanās/biogāzes ražošana: paātrina hidrolīzi, palielina šķīstošo ķīmisko skābekļa patēriņu (COD) un var uzlabot organiskās vielas (VS) sadalīšanos un metāna ražību.
Fosfora reģenerācija: atbrīvo šūnās saistīto un organisko fosforu šķidrajā fāzē, uzlabojot tā pieejamību turpmākai struvīta vai vivianīta nogulsnēšanai; ultraskaņa var arī pastiprināt fosfora izskalošanos no dūņu pelniem.
Literatūra / Atsauces
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.