Apstrāde ar ultraskaņu lieko aktīvo dūņu aerobajai noārdīšanai
Lielas jaudas ultraskaņas apstrāde dezintegrē liekās aktīvās dūņas (WAS) pirms aerobās noārdīšanas vai tās laikā. Akustiskā kavitācija sašķeļ dūņu pārslas, sagrauj ārpusšūnu polimērvielas un atver mikroorganismu šūnas. Tādējādi iepriekš aizsargātās organiskās vielas kļūst pieejamākas aerobās noārdīšanas reaktorā.
Aerobā procesa mērķis nav palielināt biogāzes ražošanu. Metāna ieguves palielināšana ir būtiska anaerobajā noārdīšanā. Aerobās noārdīšanas reaktorā būtiskie veiktspējas rādītāji ir gaistošo cieto vielu noārdīšana, skābekļa patēriņš, noārdīšanas laiks, atlikušās sausnas daudzums, atūdeņojamība un kopējās ekspluatācijas izmaksas.
Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas integrē WAS cauruļvadā, pa kuru dūņas pārsūknē, vai noārdīšanas reaktora recirkulācijas kontūrā. Ultraskaņas plūsmas šūnu reaktori koncentrē apstrādi uz noteiktu dūņu plūsmu un ļauj uzraudzīt procesu pēc jaudas, plūsmas ātruma, cieto vielu koncentrācijas, spiediena un temperatūras. Rezultāts ir kompakts esošās sistēmas modernizācijas risinājums, kas ļauj pievienot dūņu dezintegrāciju ar ultraskaņu, nenomainot esošo aerobās noārdīšanas reaktoru.
Hielscher rūpnieciskais uz rāmja montētais ultraskaņas caurplūdes modulis sabiezinātu WAS apstrādei
Kāpēc liekās aktīvās dūņas ir grūti noārdīt
Liekās aktīvās dūņas ir bioloģisko cieto vielu pārpalikums, ko izvada no notekūdeņu attīrīšanas procesa ar aktīvajām dūņām. Tās satur mikroorganismus, ārpusšūnu polimērvielas (EPS), uztvertās organiskās vielas un inertas cietās vielas.
Otrējā nostādinātājā nosēdušās aktīvās dūņas sadala divās plūsmās:
- Recirkulācijas aktīvās dūņas (RAS) atgriež aerācijas baseinā, lai uzturētu nepieciešamo biomasas koncentrāciju.
- Liekās aktīvās dūņas (WAS) izvada no šķidruma attīrīšanas procesa un novirza sabiezināšanai, stabilizācijai, noārdīšanai vai atūdeņošanai.
WAS satur lielu mikroorganismu šūnu materiāla īpatsvaru. Liela daļa tajās esošo bioloģiski noārdāmo organisko vielu ir ietverta šūnu sienās vai saistīta kompaktu dūņu pārslu iekšienē. Šī fiziskā aizsardzība palēnina dabisko šūnu līzi un hidrolīzi.
Aerobās noārdīšanas laikā pievada skābekli, bet jaunu barības vielu ir pieejams maz. Mikroorganismi pāriet uz endogēno elpošanu un patērē uzkrātās vielas, atmirušās šūnas un citus bioloģiski noārdāmus dūņu komponentus. Mērķis ir stabilizēt dūņas, samazināt smaku veidošanās potenciālu un samazināt to gaistošo cieto vielu daudzumu, kas jāatūdeņo un jālikvidē.
Noārdīšanas ātrumu bieži ierobežo substrāta pieejamība. Noārdīšanas reaktorā var būt aktīvi mikroorganismi un pietiekams uzturēšanās laiks, taču organiskās vielas neskartu šūnu un blīvu pārslu iekšienē joprojām ir grūti sasniedzamas.
Neapstrādātu pārslu salīdzinājums ar ultraskaņu apstrādātām dūņām: apstrāde ar ultraskaņu būtiski samazina pārslu izmēru.
Pētījums un attēli: ©Chu et al. 2001
Kā ultraskaņas kavitācija padara WAS pieejamas aerobajai noārdīšanai
Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas darbojas ar 20kHz frekvenci un rada intensīvu akustisko kavitāciju šķidrumu un suspensiju plūsmās. Dūņās veidojas, aug un sabrūk kavitācijas burbuļi. To sabrukšana rada spēcīgus lokālus bīdes spēkus, kas tieši iedarbojas uz pārslām, EPS un mikroorganismu šūnām.
Apstrāde ar ultraskaņu rada trīs būtiskas izmaiņas WAS:
Pārslu dezintegrācija
Kavitācija sašķeļ dūņu agregātus un atsedz virsmas, kuras iepriekš ietvēra ārpusšūnu polimērvielas (EPS). Apstrādātās dūņas satur mazākas daļiņas, un tām ir lielāks pieejamās virsmas laukums.
EPS un šūnu sagraušana
Ar ultraskaņu veicināta dezintegrācija palielina sadzīves notekūdeņu lieko aktīvo dūņu aerobo bioloģisko noārdāmību, sašķeļot izturīgās dūņu pārslas un atbrīvojot tajās ieslēgtās organiskās vielas. Ultraskaņas kavitācija sagrauj šūnu membrānas un šūnu sienas. Olbaltumvielas un ogļhidrāti, kā arī citi šūnu iekšienē esošie savienojumi pāriet šķidrajā fāzē.
Palielināta biopieejamība
Aerobie mikroorganismi var vieglāk patērēt šķīstošas un smalki sasmalcinātas organiskās vielas nekā neskartas mikroorganismu šūnas un kompaktas flokulas. Tādēļ apstrāde ar ultraskaņu pirms bioloģiskās oksidēšanas posma mehāniski veic daļu līzes un hidrolīzes procesa.
Apstrāde ar ultraskaņu iedarbojas uz notekūdeņu dūņu biezo aizsargmatricu, lai mikrobiālā noārdīšana noritētu daudz ātrāk un efektīvāk. To parasti novēro kā šķīstošā ķīmiskā skābekļa patēriņa (SCOD) pieaugumu.
Rūpniecisks ultraskaņas plūsmas reaktors uzlabotai WAS noārdīšanai
Apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības aerobās noārdīšanas iekārtās
Iedarbības rezultāts ir atkarīgs no dūņām un ultraskaņas devas. Ja apstrāde ar ultraskaņu palielina aerobo bioloģisko noārdāmību, notekūdeņu attīrīšanas iekārtā var panākt:
- Lielāku gaistošo cietvielu noārdīšanu pie esošā noārdīšanas ilguma
- Salīdzināmu dūņu stabilizāciju īsākā uzturēšanās laikā
- Mazāku atlikušo sauso cietvielu daudzumu
- Papildu efektīvo jaudu esošajā aerobās noārdīšanas reaktorā
- Mazāku bioloģisko dūņu izvešanas un apglabāšanas apjomu
- Uzlabotu procesa stabilitāti augstas cietvielu slodzes periodos
- Labāku pavedienveida organismu kontroli, sagraujot flokulas un šūnas
Hielscher cauruļvadā uzstādāmas ultraskaņas iekārtas vienkāršai modernizācijai
Pilna mēroga iekārtās parasti ir efektīvāk apstrādāt ar ultraskaņu koncentrētu dūņu plūsmu nekā visu aerobās noārdīšanas reaktora tilpumu. Hielscher ultraskaņas plūsmas šūnu reaktori nodrošina divas praktiskas konfigurācijas.
WAS priekšapstrāde padeves līnijā
Ultraskaņas sistēmu uzstāda pēc WAS biezināšanas un pirms aerobās noārdīšanas reaktora:
Sabiezinātas WAS -> padeves sūknis -> Hielscher ultraskaņas plūsmas šūna -> aerobās noārdīšanas reaktors
Šādā izvietojumā tiek apstrādāta noteikta sauso cietvielu masas plūsma, nodrošinot skaidru pamatu īpatnējās ultraskaņas enerģijas ievades kontrolei.
Plūsmas shēma: Sabiezinātas WAS -> padeves sūknis -> Hielscher rūpnieciskā cauruļvadā uzstādāmā ultraskaņas iekārta UIP6000hdT -> aerobās noārdīšanas reaktors
Recirkulācija noārdīšanas reaktorā vai sānu plūsmas apstrāde
Kontrolētu dūņu daļu no noārdīšanas reaktora vai dūņu līnijas sūknē caur ultraskaņas iekārtu un atgriež procesā. Šī konfigurācija ir noderīga, ja esošo padeves līniju ir grūti pārveidot vai ja jāapstrādā tikai izvēlēta dūņu daļa.
Abus variantus var uzstādīt kā kompaktus, uz rāmja montētus moduļus ar sūkni, ultraskaņas plūsmas šūnu, noslēgvārstiem, apkopes apvadlīniju, spiediena un temperatūras mērīšanas ierīcēm, paraugu ņemšanas vietām un procesa vadības ierīcēm. Esošā noārdīšanas reaktora tvertne paliek nemainīta.
Tādēļ apstrāde ar ultraskaņu ir īpaši piemērota esošu notekūdeņu attīrīšanas iekārtu modernizācijai. Uz rāmja montēto ultraskaņas moduli var uzstādīt cauruļvadā ar sūkņa nodrošinātu plūsmu, darbināt neatkarīgi un pārbaužu vai apkopes laikā novirzīt plūsmu pa apvadlīniju.
Uzlabojiet dūņu dezintegrāciju aerobās noārdīšanas procesā ar lieljaudas ultraskaņu!
Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas nodrošina kompaktu un mērogojamu veidu, kā integrēt lieljaudas ultraskaņu esošā WAS apstrādes līnijā. Apstrāde cauruļvadā uzstādītā plūsmas šūnā koncentrē ultraskaņas enerģiju uz dūņu plūsmu, nodrošina reproducējamu devas kontroli, un sistēmu var projektēt uzticamai darbībai lielas slodzes apstākļos 24/7.
Projektēšana, ražošana un konsultācijas – Vācijā radīta kvalitāte
Hielscher ultraskaņas iekārtas ir labi pazīstamas ar saviem visaugstākajiem kvalitātes un konstrukcijas standartiem. Izturība un vienkārša lietošana ļauj mūsu ultraskaņas iekārtas viegli integrēt rūpnieciskajās ražotnēs. Hielscher ultraskaņas iekārtas viegli tiek galā ar skarbiem apstākļiem un prasīgu darba vidi.
Hielscher Ultrasonics ir ISO sertificēts uzņēmums, kas īpašu uzmanību pievērš augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām un ērtu lietošanu. Protams, Hielscher ultraskaņas iekārtas atbilst CE prasībām un izpilda UL, CSA un RoHs prasības.
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus maisīšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.
Bieži uzdotie jautājumi
Vai apstrāde ar ultraskaņu palielina biogāzes ražošanu aerobās noārdīšanas reaktorā?
Nē. Palielināts metāna vai biogāzes iznākums ir anaerobās noārdīšanas priekšrocība. Aerobās noārdīšanas gadījumā apstrāde ar ultraskaņu jāvērtē pēc VS noārdīšanas, skābekļa patēriņa, noārdīšanas ilguma, atlikušās sausnas daudzuma, atūdeņojamības un kopējām izmaksām.
Kur tiek uzstādīta ultraskaņas sistēma?
Sistēmu parasti uzstāda tieši plūsmas līnijā pēc WAS sabiezināšanas un pirms aerobās noārdīšanas reaktora. Tā var darboties arī kontrolētā sānu plūsmā vai noārdīšanas reaktora recirkulācijas kontūrā. Apkopes apvadlīnija ļauj turpināt dūņu pārsūknēšanu apkopes laikā.
Kāpēc izmantot 20kHz rūpniecisko ultraskaņas iekārtu?
Zemas frekvences lieljaudas ultraskaņa rada intensīvu kavitāciju un mehānisku bīdi. Tā efektīvi sašķeļ dūņu pārslas, sagrauj EPS un atver mikroorganismu šūnas šķidruma un cieto vielu plūsmās.
Vai Hielscher ultraskaņas iekārta var darboties nepārtraukti?
Jā. Hielscher rūpnieciskās hdT sērijas ultraskaņas iekārtas ir paredzētas nepārtrauktai darbībai lielas slodzes apstākļos un ir pazīstamas ar savu izturību. Plūsmas šūnu reaktori nodrošina kontrolētu apstrādi tieši plūsmas līnijā vai recirkulācijas kontūrā, savukārt automātiska datu reģistrēšana palīdz uzraudzīt procesu un nodrošināt tā reproducējamību.
Kādi dati ir nepieciešami, lai noteiktu ultraskaņas dūņu apstrādes sistēmas izmērus un jaudu?
Galvenie ievaddati ir WAS plūsmas ātrums, TS un VS koncentrācija, dūņu viskozitāte, mērķa īpatnējā enerģija, nepieciešamais apstrādes efekts, darbības stundas un pieejamais spiediens. Pirms pilna mēroga sistēmas izmēru un jaudas noteikšanas ieteicams veikt pilotizmēģinājumus, lai noteiktu lietderīgo devu.
Vai apstrāde ar ultraskaņu uzlabo dūņu atūdeņošanu?
Rezultāts ir atkarīgs no dūņu īpašībām un devas. Mērena apstrāde var uzlabot cieto vielu apstrādes procesu, savukārt pārmērīga dezintegrācija var radīt smalkas daļiņas un šķīstošus polimērus, kas pasliktina cieto vielu uztveršanu vai samazina sausnas saturu atūdeņoto dūņu masā. Tāpēc atūdeņošanas izmēģinājumi ir būtiska procesa optimizācijas daļa.
Ko zinātniskie pētījumi liecina par WAS noārdīšanu ar ultraskaņas palīdzību?
Laboratorijas pētījumi pamato ultraskaņas izmantošanu, lai palielinātu WAS pieejamību un aerobo bioloģisko noārdāmību.
Pētījumā par kombinētu sārmainu priekšapstrādi un priekšapstrādi ar ultraskaņu pirms aerobās noārdīšanas tika ziņots, ka vienādā noārdīšanas laikā organisko vielu noārdīšanās neapstrādātās dūņās bija 38,0%, bet ar ultraskaņu priekšapstrādātās dūņās – 42,5%. Kombinēta sārmaina priekšapstrāde un priekšapstrāde ar ultraskaņu palielināja noārdīšanos līdz 50,7%. Rezultāts pierāda, ka ultraskaņa viena pati var uzlabot aerobo noārdīšanos, vienlaikus parādot, ka sasniedzamais uzlabojums ir atkarīgs no priekšapstrādes stratēģijas un dūņu īpašībām. (sal. Jin et al., 2009)
Citā komunālo notekūdeņu WAS pētījumā tika ziņots par palielinātu dūņu šķīdināšanu un aerobo bioloģisko noārdāmību pēc baktēriju izraisītas dezintegrācijas ar ultraskaņas palīdzību. Priekšapstrādātajām dūņām bija lielāks bioloģiskās noārdīšanās vai sabrukšanas ātrums nekā neapstrādātajam kontrolparaugam. (sal. Kavitha et al. 2016)
Vai apstrāde ar ultraskaņu veicina citus dūņu apstrādes procesus?
Jā. Apstrāde ar ultraskaņu veicina vairākus dūņu apstrādes procesus, sagraujot pārslas, EPS un mikroorganismu šūnas:
Anaerobā noārdīšana/biogāzes ražošana: paātrina hidrolīzi, palielina šķīstošo vielu ĶSP un var uzlabot VS noārdīšanu un metāna iznākumu.
Fosfora atgūšana: atbrīvo ar šūnām saistīto un organisko fosforu šķidrajā fāzē, uzlabojot tā pieejamību turpmākai struvīta vai vivianīta izgulsnēšanai; ultraskaņa var arī pastiprināt fosfora izskalošanu 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 laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.