Ultrasone behandeling voor aërobe afbraak van geactiveerd slib
Krachtige ultrasone behandeling breekt afvalactief slib (WAS) af vóór of tijdens de aërobe vergisting. Door akoestische cavitatie worden slibvlokken afgebroken, extracellulaire polymere stoffen verstoord en microbiële cellen geopend. Hierdoor wordt organisch materiaal dat voorheen beschermd was, beter toegankelijk voor de aërobe vergister.
Bij een aëroob proces is het doel niet het verhogen van de biogasproductie. Het verhogen van het methaangehalte is van belang bij anaërobe vergisting. In een aërobe vergister zijn de relevante prestatie-indicatoren de afbraak van vluchtige vaste stoffen, het zuurstofverbruik, de vergistingstijd, de resthoeveelheid droge vaste stoffen, de ontwaterbaarheid en de totale exploitatiekosten.
De industriële ultrasone apparaten van Hielscher kunnen worden geïntegreerd in een WAS-leiding met pomp of in een recirculatielus van een vergister. Ultrasone doorstroomreactoren concentreren de behandeling op een gedefinieerde slibstroom en maken het mogelijk het proces te monitoren op basis van vermogen, debiet, vaste-stofconcentratie, druk en temperatuur. Het resultaat is een compacte retrofit waarmee ultrasone slibdesintegratie kan worden toegevoegd zonder de bestaande aërobe vergister te vervangen.
Hielscher industriële ultrasone inline-doorstroomunit voor de verwerking van ingedikt WAS
Waarom afval van actief slib moeilijk te verwerken is
Afval van actief slib is het overtollige biologische vaste materiaal dat uit een afvalwaterzuiveringsproces met actief slib wordt verwijderd. Het bevat micro-organismen, extracellulaire polymere stoffen (EPS), opgevangen organisch materiaal en inerte vaste stoffen.
In de secundaire bezinker wordt het bezonken actief slib in twee stromen verdeeld:
- Teruggevoerd actief slib (RAS) wordt teruggevoerd naar het beluchtingsbassin om de vereiste biomassaconcentratie op peil te houden.
- Afval-actiefslib (WAS) wordt uit het vloeistofzuiveringsproces verwijderd en doorgestuurd naar de verdikkings-, stabilisatie-, vergistings- of ontwateringsfase.
WAS bevat een groot aandeel aan microbieel celmateriaal. Een groot deel van de biologisch afbreekbare organische stoffen zit ingesloten in celwanden of is gebonden in compacte slibvlokken. Deze fysieke bescherming vertraagt de natuurlijke celyse en hydrolyse.
Tijdens aërobe vergisting wordt zuurstof toegevoerd terwijl er weinig nieuwe voedingsstoffen beschikbaar zijn. De micro-organismen schakelen over op endogene ademhaling en verbruiken opgeslagen materiaal, dode cellen en andere biologisch afbreekbare slibcomponenten. Het doel is om het slib te stabiliseren, het geurpotentieel te verminderen en de hoeveelheid vluchtige vaste stoffen te verlagen die moeten worden ontwaterd en afgevoerd.
De afbraaksnelheid wordt vaak beperkt door de toegankelijkheid van het substraat. Een vergister kan weliswaar beschikken over actieve micro-organismen en een voldoende verblijftijd, maar het organisch materiaal in intacte cellen en compacte vlokken blijft moeilijk bereikbaar.
Vergelijking van onbehandelde vlokken met onder ultrasone behandeling geplaatst slib: Ultrasone behandeling zorgt voor een aanzienlijke verkleining van de vlokken.
Onderzoek en afbeeldingen: ©Chu et al. 2001
Hoe ultrasone cavitatie nieuwe mogelijkheden biedt voor aërobe vergisting
De industriële ultrasone apparaten van Hielscher werken op een frequentie van 20 kHz en veroorzaken intense akoestische cavitatie in vloeistof- en slibstromen. In het slib ontstaan cavitatiebellen die groeien en vervolgens instorten. Door het instorten ervan ontstaan krachtige lokale schuifkrachten die rechtstreeks inwerken op vlokken, EPS en microbiële cellen.
Ultrasone behandeling brengt drie belangrijke veranderingen teweeg in WAS:
Ontbinding van vlokken
Door cavitatie worden slibaggregaten afgebroken en komen oppervlakken bloot te liggen die voorheen waren omhuld door extracellulaire polymere stoffen (EPS). Het behandelde slib bevat kleinere deeltjes en heeft een groter toegankelijk oppervlak.
EPS en celvernietiging
Door middel van ultrasone desintegratie wordt de aërobe biologische afbreekbaarheid van actief slib uit gemeentelijk afval verhoogd, doordat hardnekkige slibvlokken worden afgebroken en ingesloten organisch materiaal vrijkomt. Ultrasone cavitatie verstoort celmembranen en celwanden. Eiwitten en koolhydraten, evenals andere intracellulaire verbindingen, komen in de vloeibare fase terecht.
Verhoogde biologische beschikbaarheid
Aërobe micro-organismen kunnen oplosbaar en fijn verdeeld organisch materiaal gemakkelijker afbreken dan intacte microbiële cellen en compacte vlokken. Ultrasone behandeling neemt daarom een deel van het werk op het gebied van lysis en hydrolyse mechanisch voor zijn rekening, nog vóór de biologische oxidatiestap plaatsvindt.
Door middel van ultrasone bewerking wordt de dikke beschermende matrix van rioolslib aangepakt, waardoor de microbiële afbraak aanzienlijk sneller en efficiënter verloopt. Dit komt doorgaans tot uiting in een toename van het oplosbaar chemisch zuurstofverbruik (SCOD).
Industriële ultrasone stromingsreactor voor een verbeterde WAS-afbraak
Voordelen van ultrasone behandeling in installaties voor aërobe vergisting
Het resultaat hangt af van het slib en de ultrasone dosering. Wanneer ultrasone behandeling de aërobe biologische afbreekbaarheid verhoogt, kan een afvalwaterzuiveringsinstallatie het volgende bereiken:
- Grotere afbraak van vluchtige vaste stoffen bij de huidige vergistingstijd
- Vergelijkbare slibstabilisatie bij een kortere verblijftijd
- Lagere productie van resterende droge stof
- Extra effectieve capaciteit uit een bestaande aërobe vergister
- Minder transport en afvoer van zuiveringsslib
- Verbeterde processtabiliteit tijdens periodes met een hoge vastestofbelasting
- Betere beheersing van filamenteuze organismen door middel van vlokvorming en celafbraak
Inline Hielscher-sonicators voor een eenvoudige retrofit
Op volledige schaal is het doorgaans efficiënter om een geconcentreerde slibstroom te behandelen met ultrasone trillingen dan het volledige volume van de aërobe vergister. De ultrasone flow-cell-reactoren van Hielscher ondersteunen twee praktische configuraties.
WAS-voedingslijn: voorbehandeling
Het ultrasone systeem wordt geïnstalleerd na de WAS-verdikking en vóór de aërobe vergister:
Verdikte WAS -> toevoerpomp -> Hielscher ultrasone doorstroomcel -> aërobe vergister
Deze opstelling regelt een vastgestelde massastroom van droge vaste stoffen en biedt een duidelijke basis voor het regelen van de specifieke ultrasone energie-invoer.
Stroomschema: Verdikte WAS -> toevoerpomp -> Hielscher industriële inline-sonicator UIP6000hdT -> aërobe vergister
Recirculatie in de vergister of behandeling van een nevenstroom
Een gecontroleerde hoeveelheid slib wordt vanuit de vergister of de slibleiding door de ultrasone bewerker gepompt en weer in het proces teruggevoerd. Deze opstelling is handig wanneer de bestaande toevoerleiding moeilijk aan te passen is of wanneer slechts een bepaald deel van het slib moet worden behandeld.
Beide opstellingen kunnen worden geïnstalleerd als compacte skids met een pomp, een ultrasone doorstroomcel, afsluitkleppen, een onderhoudsbypass, druk- en temperatuurmetingen, bemonsteringspunten en procesregelaars. Het bestaande vergistingsvat blijft ongewijzigd.
Hierdoor is ultrasone behandeling bijzonder geschikt voor het achteraf inbouwen in bestaande afvalwaterzuiveringsinstallaties. De ultrasone module kan in een pompleiding worden geïnstalleerd, zelfstandig worden gebruikt en tijdens inspectie of onderhoud worden omzeild.
Verbeter de aërobe slibafbraak met krachtige ultrasone golven!
De industriële ultrasone apparaten van Hielscher bieden een compacte en schaalbare methode om krachtige ultrasone golven te integreren in een bestaande WAS-behandelingslijn. Bij de inline-verwerking in een doorstroomcel wordt de ultrasone energie geconcentreerd op de slibstroom, is een reproduceerbare doseringsregeling mogelijk en kan het systeem worden ontworpen voor een betrouwbare, intensieve 24/7-werking.
Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany
Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
veelgestelde vragen
Leidt ultrasone behandeling tot een hogere biogasopbrengst in een aërobe vergister?
Nee. Een hogere opbrengst aan methaan of biogas is een voordeel van anaërobe vergisting. Bij aërobe vergisting moet de effectiviteit van ultrasone behandeling worden beoordeeld aan de hand van VS-afbraak, zuurstofverbruik, vergistingstijd, resterende droge stof, ontwaterbaarheid en totale kosten.
Waar is het ultrasone systeem geïnstalleerd?
Het systeem wordt doorgaans in lijn geïnstalleerd na de WAS-verdikking en vóór de aërobe vergister. Het kan ook worden gebruikt in een gecontroleerde zijstroom of een recirculatielus van de vergister. Dankzij een onderhoudsbypass kan het slibtransport tijdens onderhoudswerkzaamheden doorgaan.
Waarom zou je een industriële sonicator van 20 kHz gebruiken?
Laagfrequente, krachtige ultrasone golven veroorzaken intense cavitatie en mechanische afschuiving. Dit is effectief voor het breken van slibklonters, het afbreken van EPS en het openbreken van microbiële cellen in vloeistof-vastestofstromen.
Kan een Hielscher-sonicator continu werken?
Ja. De industriële hdT-sonicators van Hielscher zijn ontworpen voor continu gebruik onder zware omstandigheden en staan bekend om hun duurzaamheid. Met behulp van flow-cell-reactoren is een gecontroleerde inline- of recirculatieverwerking mogelijk, terwijl de automatische gegevensregistratie de procesbewaking en reproduceerbaarheid ondersteunt.
Welke gegevens zijn nodig om de capaciteit van een ultrasoon slibverwerkingssysteem te bepalen?
De belangrijkste invoerparameters zijn de WAS-stroom, de TS- en VS-concentraties, de slibviscositeit, de beoogde specifieke energie, het vereiste zuiveringsrendement, de bedrijfsuren en de beschikbare druk. Het wordt aanbevolen om proefopstellingen uit te voeren om de geschikte dosering te bepalen alvorens de installatie op ware grootte te dimensioneren.
Verbetert ultrasone behandeling de ontwatering van slib?
Het resultaat hangt af van de eigenschappen van het slib en de dosering. Een gematigde behandeling kan het proces voor vaste stoffen verbeteren, terwijl overmatige desintegratie kan leiden tot fijne deeltjes en oplosbare polymeren die de opvang of de vaste stoffen in de slibkoek nadelig beïnvloeden. Ontwateringsproeven vormen daarom een essentieel onderdeel van de procesoptimalisatie.
Wat zeggen wetenschappelijke onderzoeken over WAS-digestie met behulp van ultrasone trillingen?
Laboratoriumonderzoek ondersteunt het gebruik van ultrasone trillingen om de toegankelijkheid en de aërobe biologische afbreekbaarheid van WAS te verbeteren.
In een onderzoek naar een gecombineerde alkalische en ultrasone voorbehandeling voorafgaand aan aërobe vergisting werd de afbraak van organisch materiaal bij dezelfde vergistingstijd gerapporteerd als 38,0% voor onbehandeld slib en 42,5% voor met ultrasone golven voorbehandeld slib. De gecombineerde alkalische en ultrasone voorbehandeling verhoogde de afbraak tot 50,7%. Het resultaat toont aan dat ultrasoon geluid op zichzelf de aërobe afbraak kan verbeteren, terwijl tevens blijkt dat de haalbare verbetering afhankelijk is van de voorbehandelingsstrategie en de eigenschappen van het slib. (cf. Jin et al., 2009)
Een ander onderzoek naar gemeentelijk WAS meldde een verhoogde oplosbaarheid en aërobe biologische afbreekbaarheid van slib na bacteriële afbraak met behulp van ultrasone trillingen. Het voorbehandelde slib vertoonde een hogere biologische afbraak- of verval snelheid dan de onbehandelde controlegroep. (zie Kavitha et al. 2016)
Draagt ultrasone behandeling bij aan andere slibverwerkingsprocessen?
Ja. Ultrasone behandeling ondersteunt verschillende slibverwerkingsprocessen door vlokken, EPS en microbiële cellen te breken:
Anaërobe vergisting/biogasproductie: versnelt de hydrolyse, verhoogt het gehalte aan oplosbare COD en kan de afbraak van organische stof en de methaanopbrengst verbeteren.
Terugwinning van fosfor: maakt aan cellen gebonden en organisch fosfor vrij in de vloeibare fase, waardoor de beschikbaarheid voor de daaropvolgende neerslag van struviet of vivianiet wordt verbeterd; ultrasone trillingen kunnen ook de uitloging van fosfor uit slibas versterken.
Literatuur / Referenties
- 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 produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.