Dažādi risinājumi fosfora atgūšanai no komunālo notekūdeņu dūņām

Fosfors ir kritiski svarīgs minerālais resurss, kura dabiskie krājumi strauji samazinās. Tādēļ Vācijas valdība ar rīkojumu noteica, ka no 2029. gada fosfors lielā mērā ir jāatgūst no notekūdeņu dūņām. Lieljaudas ultraskaņas izmantošana paver dažādas iespējas intensificēt fosfora atgūšanu no komunālo notekūdeņu dūņām.

Notekūdeņu dūņu apstrādes iekārtas un fosfora reciklēšana

Fosfors ir kritiski svarīgs elements, ko plaši izmanto kā mēslošanas līdzekli un izejvielu smalkās ķīmijas un farmācijas rūpniecībā. Tā kā pieejamie fosfora resursi strauji sarūk, Vācijas valdība ir ieviesusi likumu, kas visām komunālo notekūdeņu attīrīšanas iekārtām uzliek pienākumu ieviest pasākumus fosfora atgūšanai no komunālo notekūdeņu dūņām. Augstas veiktspējas ultraskaņas izmantošana piedāvā dažādas apstrādes iespējas, kas ievērojami palielina fosfora atgūšanas efektivitāti.

Notekūdeņu attīrīšanas iekārtās izmanto ultraskaņu, lai uzlabotu dūņu fermentāciju un tādu barības vielu kā fosfors atgūšanu.

Notekūdeņu dūņu dezintegrācija ar ultraskaņu uzlabotai fosfora atgūšanai

Ir skaidri pierādīts, ka notekūdeņu dūņu apstarošana ar spēcīgiem ultraskaņas viļņiem uzlabo notekūdeņu dūņās esošās biomasas dezintegrāciju. Daudzos pētījumos ir pierādītas lieko aktīvo dūņu apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības, un Vācijas komunālo notekūdeņu attīrīšanas iekārtās darbojas dažādas rūpnieciskās ultraskaņas sistēmas.
Notekūdeņu dūņās esošo substrātu priekšapstrādei ar ultraskaņu ir vairākas labvēlīgas ietekmes uz anaerobās noārdīšanas procesiem. Šīs priekšrocības ietver daļiņu izmēra samazināšanu, hidrolīzes ātruma palielināšanu un hidrauliskās aiztures laika saīsināšanu.
Kavitācijas radītie bīdes spēki, ko izraisa augstas intensitātes / zemas frekvences ultraskaņas viļņi, sagrauj dūņu pārslu morfoloģisko uzbūvi un dūņu mikrobiālo struktūru.
Nguyen pētnieku grupa savos pētījumos pierādīja, “ka ultraskaņas izmantošana ir ļoti efektīva biomasas daļiņu izmēra samazināšanā, panākot samazinājumu līdz vidējam daļiņu izmēram >78,78% proporcionāli ultraskaņas apstarošanas ilgumam un intensitātei. Tas liecināja, ka dūņu daļiņas dezintegrējās un to izmērs samazinājās, pastāvot apgrieztai sakarībai starp apstrādes ar ultraskaņu ilgumu un pārslu daļiņu izmēru. Apstrāde bija ļoti efektīva, lai gan dūņu pārslu novērojumi pirms apstrādes atklāja, ka pārslas bija blīvas un ļoti kompaktas un tās cita starpā veidoja daudzi apakšnodalījumi ar kompaktiem kodoliem, šūnu kopas, baktēriju kolonijas, vienšūņi un pavedienveida baktērijas. Izplūdes analīze liecina, ka ultraskaņas process būtiski sagrāva visu izmēru dūņu pārslu strukturālo integritāti. Optimālos apstrādes apstākļos pārslu fragmentu izmērs tika samazināts pat līdz ≤6,5 μm, un tie izšķīda dūņu suspensijā pēc 5–10 min ilgas apstrādes ar ultraskaņu zemā ultraskaņas frekvencē – 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Efektīvi dezintegrētām notekūdeņu dūņām, t. i., ar ultraskaņu apstrādātām dūņām, ir ievērojami uzlabotas atdalīšanas īpašības, kas ļauj atdalīt ar fosforu bagātas frakcijas no biomasas un želejveida frakcijām, kā arī ūdens. Ultraskaņas kavitācija sagrauj notekūdeņu dūņās esošās biomasas šūnu struktūras un atvieglo turpmāko sadalīšanu trijās frakcijās: (i) ar celulozi bagātās šķiedrās, (ii) ar barības vielām bagātā gelā un (iii) viegli fermentējamā šķidrumā. Šīs trīs dūņu frakcijas var tālāk apstrādāt, piemēram, fosfora atgūšanai, smago metālu atdalīšanai utt.

Ar ultraskaņu intensificēta fosfora izgulsnēšana ar slapjās ķīmijas metodi

Apstrāde ar ultraskaņu ir labi pazīstama metode, ko ķīmijā jau sen izmanto sekmīgai un efektīvai minerālu, daļiņu un kristālu izgulsnēšanai. Fosfora atgūšanai no notekūdeņu dūņām apstrādi ar ultraskaņu izmanto, lai veicinātu un paātrinātu struvīta izgulsnēšanos. Struvīts (magnija amonija fosfāts) ir fosfātu minerāls ar formulu NH₄MgPO₄·6H₂ O, kas piedāvā vienkāršu risinājumu fosfora atdalīšanai saistītā veidā no notekūdeņu dūņām.
Struvīta kristalizācijas / izgulsnēšanās procesā joni PO₄^3-, NH₄⁺ un Mg²⁺ tiek atdalīti no šķidrās fāzes struvīta izgulsnēšanās rezultātā, līdz reakcija sasniedz līdzsvaru.

No cūkkopības notekūdeņiem izgulsnēti struvīta kristāli.
(attēls un pētījums: ©Kim et al. 2017)

Ja apstrādi ar ultraskaņu izmanto dūņu priekšapstrādei pirms struvīta izgulsnēšanas procesa, ultraskaņas izraisītā kavitācija nodrošina rūpīgu sajaukšanu molekulārā līmenī, radot aktīvu virsmas laukumu kristālu augšanai. Ārpusšūnu un iekššūnu vielu šķīdināšanas ātruma palielināšanās vēl vairāk veicina struvīta izgulsnēšanos, palielinot jonu biopieejamību: NH₄⁺ un PO₄^3- . Apstrāde ar ultraskaņu atvieglo masas pārnesi suspensijā ultraskaņas kavitācijas ietekmē.
Apstrādi ar ultraskaņu var izmantot arī hidrotermiskās karbonizācijas šķidrumam, no kura fosforu atgūst struvīta veidā, izmantojot ultraskaņas veicinātu ekstrakciju un izgulsnēšanu.
Lasiet vairāk par struvīta izgulsnēšanu lielā mērogā fosfora atgūšanai no notekūdeņu dūņām!

Sono-Fentona process fosfora atbrīvošanai no notekūdeņu dūņām

Gong et al. (2015) pētījums apliecināja kombinētas ultraskaņas–Fentona priekšapstrādes (pazīstama arī kā sono-Fentona priekšapstrāde) efektivitāti notekūdeņu dūņu dezintegrācijā. Ultraskaņas–Fentona apstrāde būtiski palielināja oglekļa, slāpekļa un fosfora atbrīvošanos. Salīdzinājumā ar tikai Fentona apstrādi sono-Fentona apstrāde palielināja kopējā slāpekļa (N) un fosfora (P) daudzumu attiecīgi 1,7 un 2,2 reizes. Pēc sono-Fentona apstrādes skenējošās elektronu mikroskopijas rezultāti liecināja, ka dūņām bija ievērojami smalkākas daļiņas un irdenāka mikrostruktūra. Izmantojot elektronu spinu rezonansi, tika konstatēts, ka augstākā OH• signāla intensitāte palielinājās no 568,7 pēc Fentona apstrādes līdz 1106,3 pēc sono-Fentona apstrādes. Tas apliecināja, ka sono-Fentona apstrāde izraisa dūņu dezintegrāciju un būtiski uzlabo organiskā oglekļa, slāpekļa un fosfora atbrīvošanos.

Ar ultraskaņu intensificēti mikrobiālie kurināmā elementi

Notekūdeņu dūņu priekšapstrāde ar ultraskaņu veicina dažādu organisko savienojumu šķīdināšanu no dūņu matricas, kas pēc tam paātrina mikrobiālo elektrohidrogenēzi.
More un Ghangrekar (2010) ultraskaņas priekšapstrādes labvēlīgo ietekmi uz mikrobiālajiem kurināmā elementiem skaidro ar paaugstinātu enzīmu aktivitāti un ārpusšūnu olbaltumvielu, polisaharīdu un enzīmu pieejamību. Ultraskaņas izraisītas sonoporācijas un šūnu sagraušanas rezultātā šīs vielas no dūņu pārslu iekšējiem slāņiem nonāk ārējos slāņos, tādējādi uzlabojot substrāta izmantošanas efektivitāti. Lai uzlabotu elektroenerģijas ieguvi no mikrobiālajiem kurināmā elementiem, jāuzlabo baktēriju spēja pārnest elektronus uz ārpusšūnas cietu vielu. Šī ārpusšūnu elektronu pārnese var notikt vai nu tiešā saskarē starp šūnas virsmu un cieto virsmu, vai arī netieši ar tā saukto eksogēno un endogēno mediatoru starpniecību. Lai notiktu tieša elektronu pārnese starp baktērijām un elektroda virsmu, elektronam jāsasniedz šūnas ārējā membrāna. Šī parādība, iespējams, radās inokulātam veiktās priekšapstrādes ar ultraskaņu dēļ, kad īpatnējā pievadītā enerģija bija pietiekama, tādējādi veicinot augstāku kulonisko efektivitāti.
Ar ultraskaņu intensificētu mikrobiālās elektrolīzes procesu varētu apvienot ar turpmākiem fermentācijas procesiem dūņu apstrādei.

Notekūdeņu dūņu sonoelektroķīmiskā apstrāde

Elektrokoagulācija ir vienkāršs process, ko var viegli izmantot notekūdeņu apstrādei un kas ļauj efektīvi un ekonomiski apstrādāt lielus tilpumus. Apstrāde ar ultraskaņu palīdz novērst elektrokoagulācijas procesu galveno trūkumu, nepieļaujot pasivējošu slāņu veidošanos uz elektrodiem. Pasīvās plēves, kas laika gaitā veidojas uz elektrodu virsmas, krasi samazina elektrokoagulācijas sistēmu efektivitāti, un ultraskaņa ir vienkārša metode šo pasivējošo slāņu nepārtrauktai noņemšanai darbības laikā, vienlaikus palielinot elektrokoagulācijas sistēmu ražīgumu. Ultraskaņas viļņi noārda nogulsnes, kas veidojas uz elektrodu virsmas, un rada lielu daudzumu radikāļu piesārņotāju noņemšanai, kavitācijas laikā veidojot augsta spiediena punktus šķīdumā. Apvienojot elektrokoagulāciju ar ultraskaņu, kavitācijas vai mikroplūsmu radītās jaunās virsmas uz elektroda palielina masas pārneses ātrumu, tādējādi pastiprinot sadalījuma slāņa biezuma samazināšanos. Sonoelektrokoagulācijā salīdzinājumā ar elektrokoagulāciju veidojas lielāks koagulanta daudzums, un flokulāciju pastiprina ārkārtīgi intensīva sajaukšana un oksidēšanās, ko izraisa brīvo radikāļu veidošanās; tādēļ vēlamo efektivitāti iespējams sasniegt visīsākajā laikā.
(Moradi et al., 2021)

Sonoelektroķīmijas un sonoelektrokoagulācijas priekšrocības

“Sonoelektroķīmija ir ultraskaņas enerģijas izmantošana elektroķīmiskā sistēmā, kas sniedz vairākas priekšrocības, tostarp gāzes burbuļu noņemšanu no elektroda virsmas, šķīduma degazāciju, Nernsta difūzijas slāņa izjaukšanu, elektroaktīvo daļiņu masas pārneses uzlabošanu caur dubultslāni, kā arī elektroda virsmas aktivēšanu un tīrīšanu. Šīs priekšrocības elektroķīmijā uzlabo procesu efektivitāti (elektrodu un strāvas efektivitāti), palielina elektroķīmisko procesu ātrumu un iznākumu, samazina šūnu spriegumu un elektrodu pārspriegumu, uzlabo elektrolītiski izgulsnēto materiālu cietību, kvalitāti, porainību un biezumu, kā arī nomāc elektrodu piesārņošanos un degazāciju uz elektroda virsmas.” (Foroughi et al., 2021)
Lasiet vairāk par sonoelektroķīmiskajām iekārtām un to lietojumiem!

Rūpnieciskās ultraskaņas sistēmas notekūdeņu dūņu apstrādei

Hielscher Ultrasonics augstas veiktspējas sistēmas ir uzticams darba balsts notekūdeņu un notekūdeņu dūņu attīrīšanas iekārtās. Hielscher ultraskaņas sistēmas nodrošina lieljaudas ultraskaņu ar 20kHz frekvenci, kas rada intensīvu akustisko kavitāciju. Mūsu lieljaudas ultraskaņas apstrādes iedarbība ietver šūnu sagraušanu un dezintegrāciju, intensīvu masas pārnesi, dezinfekciju, polimēru sadalīšanu, enzīmu atbrīvošanu un dūņu homogenizāciju. Augstas intensitātes apstrāde ar ultraskaņu uzlabo apstrādes efektivitāti, radot oksidējošus radikāļus un palielinot kristalizācijas centru skaitu, tādējādi nodrošinot labāku koagulāciju un flokulāciju. Šo intensīvo ultraskaņas kavitācijas spēku un to iedarbības uzticama un nepārtraukta radīšana ļauj integrēt mūsu jaudīgos ultraskaņas procesorus dažādos lietojumos, lai uzlabotu enerģijas un barības vielu atgūšanu no notekūdeņu dūņām.

• Notekūdeņu dūņu dezintegrācija ar ultraskaņu
• Ar ultraskaņu intensificēta anaerobā noārdīšana
• Vērtīgu barības vielu (fosfora, slāpekļa, magnija, kalcija, kālija u. c.) atgūšana
• Piesārņotāju, piemēram, smago metālu, noņemšana

Piedāvājot ultraskaņas procesorus ar dažādu izmēru caurplūdes reaktoriem, Hielscher Ultrasonics nodrošina ideālas ultraskaņas sistēmas notekūdeņu un dūņu apstrādei jūsu notekūdeņu dūņu apstrādes iekārtā.
Modulārā konstrukcija ļauj vienkārši uzstādīt vairākas ultraskaņas iekārtas paralēli, tādējādi nodrošinot uzticamu un efektīvu jebkura tilpuma apstrādi.
Hielscher lieljaudas ultraskaņas sistēmas ar augstu ražīgumu palielina notekūdeņu dūņu biomasas apstrādes efektivitāti un iznākumu.
Visām mūsu ultraskaņas iekārtām ir paredzēta tīrīšana uz vietas (CIP).
Piemērotas sarežģītai apstrādei: notekūdeņu dūņas bieži satur šķiedrainus materiālus ar augstu celulozes saturu, kurus ir grūti dezintegrēt. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā 24/7 darbības režīmā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Tik augstas amplitūdas ir iedarbīgs veids, kā sagraut celuložu un lignīna šūnu struktūru un citu materiālu izturīgos šūnu apvalkus. Mūsu plūsmas šūnu reaktoru optimizētā konstrukcija nodrošina ideālu plūsmas raksturu un vienmērīgu, efektīvu padoto dūņu apstrādi ar ultraskaņu.

Mēs sadarbojamies ar sistēmu integratoriem un notekūdeņu dūņu apstrādes iekārtu inženieriem

Hielscher Ultrasonics kā augstas veiktspējas ultraskaņas moduļu ražotājs un sistēmu izstrādātājs sadarbojas ar sistēmu integratoriem. Lielākā daļa notekūdeņu un notekūdeņu dūņu attīrīšanas iekārtu operatoru sadarbojas ar sistēmu integratoriem, kuriem ir plaša pieredze šādu attīrīšanas iekārtu projektēšanā un automatizācijā. Mūsu projektēšanas un tehnisko inženieru komanda iesaka paredzētajam dūņu tilpumam optimālo ultraskaņas konfigurāciju, nodrošina detalizētu informāciju par sistēmu, CAD rasējumus, kā arī uzstādīšanas pakalpojumus un apmācību iekārtu ekspluatācijā. Tas ļauj konstruktīvi un mērķtiecīgi integrēt augstas veiktspējas ultraskaņu notekūdeņu attīrīšanas iekārtās. Lūdzu, sazinieties ar mums, ja vēlaties integrēt mūsu ultraskaņas procesorus, lai uzlabotu dūņu apstrādi!

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Sazinieties ar mums jau tagad, lai saņemtu sīkāku informāciju par Hielscher ultraskaņas sistēmām notekūdeņu dūņu apstrādei, uzstādīšanas iespējām un tehnisko informāciju!