Ultrasone behandeling voor de aerobe vergisting van overtollig actief slib
Sonicatie met hoog vermogen desintegreert overtollig actief slib (WAS) vóór of tijdens de aerobe vergisting. Akoestische cavitatie breekt slibvlokken af, verstoort extracellulaire polymere stoffen en opent microbiële cellen. Hierdoor wordt eerder beschermd organisch materiaal beter toegankelijk voor de aerobe vergister.
Bij een aeroob proces is een hogere biogasproductie niet het doel. Een hogere methaanopbrengst is relevant voor anaerobe vergisting. Bij een aerobe vergister zijn de relevante prestatie-indicatoren de afbraak van vluchtige vaste stoffen, het zuurstofverbruik, de vergistingstijd, de resterende droge stof, de ontwaterbaarheid en de totale bedrijfskosten.
Industriële sonicators van Hielscher kunnen worden geïntegreerd in een WAS-leiding met een pomp of in een recirculatiecircuit van een vergister. Ultrasone doorstroomcelreactoren concentreren de behandeling op een vastgelegde slibstroom en maken het mogelijk het proces te bewaken aan de hand van vermogen, debiet, concentratie vaste stoffen, druk en temperatuur. Het resultaat is een compacte retrofit waarmee ultrasone slibdesintegratie kan worden toegevoegd zonder de bestaande aerobe vergister te vervangen.
Industriële ultrasone inline-skid van Hielscher voor de verwerking van ingedikt WAS
Waarom overtollig actief slib moeilijk te vergisten is
Overtollig actief slib bestaat uit de overtollige biologische vaste stoffen die worden verwijderd uit een afvalwaterzuiveringsproces met actief slib. Het bevat micro-organismen, extracellulaire polymere stoffen (EPS), ingevangen organisch materiaal en inerte vaste stoffen.
In de nabezinktank wordt bezonken actief slib verdeeld in twee stromen:
- Retouractiefslib (RAS) wordt teruggevoerd naar het beluchtingsbassin om de vereiste biomassaconcentratie te handhaven.
- Overtollig actief slib (WAS) wordt uit het waterzuiveringsproces verwijderd en naar indikking, stabilisatie, vergisting of ontwatering geleid.
WAS bevat een hoog aandeel microbieel celmateriaal. Een groot deel van het biologisch afbreekbare organische materiaal is omsloten door celwanden of gebonden binnen compacte slibvlokken. Deze fysieke bescherming vertraagt de natuurlijke cellysis en hydrolyse.
Tijdens de aerobe vergisting wordt zuurstof toegevoerd terwijl er weinig nieuw voedsel beschikbaar is. De micro-organismen schakelen over op endogene respiratie en verbruiken opgeslagen materiaal, dode cellen en andere biologisch afbreekbare slibcomponenten. Het doel is het slib te stabiliseren, de potentiële geurvorming te verminderen en de hoeveelheid vluchtige vaste stoffen die moet worden ontwaterd en afgevoerd te verlagen.
De vergistingssnelheid wordt vaak beperkt door de toegankelijkheid van het substraat. Een vergister kan actieve micro-organismen en voldoende verblijftijd hebben, maar het organische materiaal binnen intacte cellen en dichte vlokken blijft moeilijk bereikbaar.
Vergelijking van onbehandelde vlokken met gesoniceerd slib: sonicatie vermindert de vlokken aanzienlijk.
Onderzoek en afbeeldingen: ©Chu et al. 2001
Hoe ultrasone cavitatie WAS toegankelijk maakt voor aerobe vergisting
Industriële sonicators van Hielscher werken bij 20kHz en genereren intense akoestische cavitatie in vloeistof- en suspensiestromen. Cavitatiebellen ontstaan, groeien en imploderen in het slib. Hun implosie veroorzaakt krachtige lokale afschuifkrachten die rechtstreeks inwerken op vlokken, EPS en microbiële cellen.
Ultrasone behandeling veroorzaakt drie belangrijke veranderingen in WAS:
Desintegratie van vlokken
Cavitatie breekt slibaggregaten uiteen en legt oppervlakken bloot die eerder omsloten waren door extracellulaire polymere stoffen (EPS). Het behandelde slib bevat kleinere deeltjes en heeft een groter toegankelijk oppervlak.
Verstoring van EPS en celontsluiting
Ultrasoon ondersteunde desintegratie verhoogt de aerobe biologische afbreekbaarheid van overtollig actief slib uit stedelijke afvalwaterzuivering door taaie slibvlokken af te breken en ingesloten organisch materiaal vrij te maken. Ultrasone cavitatie verstoort celmembranen en celwanden. Eiwitten en koolhydraten gaan, net als andere intracellulaire verbindingen, over in de vloeistoffase.
Verhoogde biologische beschikbaarheid
Aerobe micro-organismen kunnen oplosbaar en fijn verdeeld organisch materiaal gemakkelijker verbruiken dan intacte microbiële cellen en compacte vlokken. Sonicatie voert daarom een deel van de lysis en hydrolyse mechanisch uit vóór de biologische oxidatiestap.
Sonicatie richt zich op de dikke beschermende matrix van zuiveringsslib om de microbiële vergisting veel sneller en efficiënter te maken. Dit wordt doorgaans waargenomen als een toename van het oplosbare chemische zuurstofverbruik (SCOD).
Industriële ultrasone doorstroomreactor voor verbeterde WAS-vergisting
Voordelen van sonicatie in aerobe vergistingsinstallaties
Het effect hangt af van het slib en de ultrasone dosis. Wanneer sonicatie de aerobe biologische afbreekbaarheid verhoogt, kan een afvalwaterzuiveringsinstallatie het volgende bereiken:
- Meer afbraak van vluchtige vaste stoffen bij de bestaande vergistingstijd
- Vergelijkbare slibstabilisatie bij een kortere verblijftijd
- Lagere productie van resterende droge stof
- Extra effectieve capaciteit van een bestaande aerobe vergister
- Minder transport en afvoer van biosolids
- Verbeterde processtabiliteit tijdens perioden met een hoge belasting door vaste stoffen
- Betere beheersing van draadvormige organismen door desintegratie van vlokken en celontsluiting
Inline-sonicators van Hielscher voor een eenvoudige retrofit
Op praktijkschaal is het doorgaans efficiënter om een geconcentreerde slibstroom te soniceren dan het volledige volume van de aerobe vergister. Ultrasone doorstroomcelreactoren van Hielscher ondersteunen twee praktische configuraties.
WAS-voorbehandeling in de toevoerleiding
Het ultrasone systeem wordt geïnstalleerd na de WAS-indikking en vóór de aerobe vergister:
Ingedikt WAS -> toevoerpomp -> ultrasone doorstroomcel van Hielscher -> aerobe vergister
Deze opstelling behandelt een vastgelegde massastroom droge stof en biedt een duidelijke basis voor het regelen van de specifieke ultrasone energietoevoer.
Stroomschema: ingedikt WAS -> toevoerpomp -> industriële inline-sonicator UIP6000hdT van Hielscher -> aerobe vergister
Recirculatie van de vergister of behandeling van een deelstroom
Een gecontroleerde fractie van het slib wordt vanuit de vergister of slibleiding door de sonicator gepompt en teruggevoerd naar het proces. Deze configuratie is nuttig wanneer de bestaande toevoerleiding moeilijk aan te passen is of wanneer slechts een geselecteerde fractie van het slib moet worden behandeld.
Beide opstellingen kunnen worden geïnstalleerd als compacte skids met een pomp, ultrasone doorstroomcel, afsluiters, onderhoudsbypass, druk- en temperatuurmeting, monsternamepunten en procesbesturing. Het bestaande vergistingsvat blijft ongewijzigd.
Dit maakt ultrasone behandeling bijzonder geschikt voor het aanpassen van bestaande afvalwaterzuiveringsinstallaties. De ultrasone skid kan worden geïnstalleerd in een leiding met een pomp, onafhankelijk worden bedreven en tijdens inspectie of onderhoud via een bypass worden omzeild.
Verbeter de aerobe slibdesintegratie met ultrasoon geluid met hoog vermogen!
Industriële sonicators van Hielscher bieden een compacte en schaalbare methode om ultrasoon geluid met hoog vermogen te integreren in een bestaande WAS-behandelingslijn. Inline-verwerking in een doorstroomcel concentreert de ultrasone energie op de slibstroom, ondersteunt reproduceerbare dosisregeling en kan worden ontworpen voor betrouwbaar continu bedrijf onder zware belasting, 24/7.
Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland
Sonicators van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicators in industriële installaties mogelijk. Sonicators van Hielscher kunnen ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.
Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicators met hoge prestaties met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard voldoen sonicators van Hielscher aan de CE-eisen en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Veelgestelde vragen
Produceert ultrasone behandeling meer biogas in een aerobe vergister?
Nee. Een hogere methaan- of biogasopbrengst is een voordeel van anaerobe vergisting. Bij aerobe vergisting moet ultrasone behandeling worden beoordeeld op de afbraak van VS, het zuurstofverbruik, de vergistingstijd, de resterende droge stof, de ontwaterbaarheid en de totale kosten.
Waar wordt het ultrasone systeem geïnstalleerd?
Het systeem wordt doorgaans inline geïnstalleerd na de WAS-indikking en vóór de aerobe vergister. Het kan ook werken in een gecontroleerde deelstroom of een recirculatiecircuit van de vergister. Een onderhoudsbypass maakt het mogelijk het slibtransport tijdens onderhoud voort te zetten.
Waarom een industriële sonicator van 20kHz gebruiken?
Laagfrequent ultrasoon geluid met hoog vermogen genereert intense cavitatie en mechanische afschuiving. Dit is effectief voor het afbreken van slibvlokken, het verstoren van EPS en het openen van microbiële cellen in stromen van vloeistof en vaste stoffen.
Kan een sonicator van Hielscher continu werken?
Ja. De industriële hdT-sonicatorserie van Hielscher is ontworpen voor continu bedrijf onder zware belasting en staat bekend om haar duurzaamheid. Doorstroomcelreactoren maken gecontroleerde inline- of recirculatieverwerking mogelijk, terwijl automatische gegevensregistratie de procesbewaking en reproduceerbaarheid ondersteunt.
Welke gegevens zijn nodig om een ultrasoon slibsysteem te dimensioneren?
De belangrijkste invoergegevens zijn het WAS-debiet, de TS- en VS-concentratie, de slibviscositeit, de beoogde specifieke energie, het vereiste behandelingseffect, de bedrijfsuren en de beschikbare druk. Proeven op pilotschaal worden aanbevolen om de bruikbare dosis vast te stellen vóór de dimensionering op praktijkschaal.
Verbetert sonicatie de slibontwatering?
Het resultaat hangt af van de slibeigenschappen en de dosis. Een matige behandeling kan de verwerking van vaste stoffen verbeteren, terwijl overmatige desintegratie fijne deeltjes en oplosbare polymeren kan genereren die de afscheiding van vaste stoffen belemmeren of het drogestofgehalte van de slibkoek verlagen. Ontwateringsproeven zijn daarom een essentieel onderdeel van de procesoptimalisatie.
Wat zeggen wetenschappelijke studies over ultrasone WAS-vergisting?
Laboratoriumstudies ondersteunen het gebruik van ultrasoon geluid om de toegankelijkheid en de aerobe biologische afbreekbaarheid van WAS te verhogen.
In een studie naar gecombineerde alkalische en ultrasone voorbehandeling vóór aerobe vergisting werd bij dezelfde vergistingstijd een afbraak van organisch materiaal gerapporteerd van 38,0% voor onbehandeld slib en 42,5% voor ultrasoon voorbehandeld slib. Gecombineerde alkalische en ultrasone voorbehandeling verhoogde de afbraak tot 50,7%. Het resultaat toont aan dat ultrasoon geluid op zichzelf de aerobe afbraak kan verbeteren, en laat ook zien dat de haalbare verbetering afhangt van de voorbehandelingsstrategie en de slibeigenschappen. (vgl. Jin et al., 2009)
Een ander onderzoek naar WAS uit stedelijke afvalwaterzuivering rapporteerde een verhoogde slibsolubilisatie en aerobe biologische afbreekbaarheid na ultrasoon ondersteunde bacteriële desintegratie. Het voorbehandelde slib vertoonde een hogere snelheid van biologische afbraak of verval dan het onbehandelde controlemonster. (vgl. Kavitha et al. 2016)
Ondersteunt sonicatie andere slibprocessen?
Ja. Sonicatie ondersteunt verschillende slibbehandelingsprocessen door vlokken en EPS te verstoren en microbiële cellen te ontsluiten:
Anaerobe vergisting/biogasproductie: versnelt de hydrolyse, verhoogt het oplosbare COD en kan de afbraak van VS en de methaanopbrengst verbeteren.
Fosforterugwinning: maakt celgebonden en organisch fosfor vrij in de vloeistoffase, waardoor de beschikbaarheid voor daaropvolgende struviet- of vivianietprecipitatie verbetert; ultrasoon geluid kan ook de uitloging van fosfor uit slibas intensiveren.
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 ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.