Diverse oplossingen voor fosforterugwinning uit gemeentelijk zuiveringsslib

Fosfor is een mineraal met een kritieke hulpbron, waarvan de natuurlijke voorraad snel afneemt. Daarom heeft de Duitse regering per decreet bepaald dat vanaf 2029 fosfor grotendeels moet worden teruggewonnen uit rioolslib. De implementatie van power ultrasound opent verschillende mogelijkheden om de terugwinning van fosfor uit gemeentelijk zuiveringsslib te intensiveren.

Zuiveringsinstallaties voor rioolslib en fosforrecycling

Fosfor is een essentieel element dat veel wordt gebruikt als meststof en als grondstof in de fijnchemische en farmaceutische industrie. Vanwege de snel slinkende beschikbare bronnen heeft de Duitse regering een wet ingevoerd die voorschrijft dat alle gemeentelijke waterzuiveringsinstallaties metingen moeten uitvoeren om fosfor terug te winnen uit het gemeentelijke rioolslib. De toepassing van ultrageluid met hoge prestaties biedt verschillende behandelingsopties die de efficiëntie van fosforterugwinning aanzienlijk verhogen.

Afvalwaterzuiveringsinstallaties gebruiken ultrageluid voor een betere slibgisting en terugwinning van voedingsstoffen zoals fosfor.

Ultrasone desintegratie van zuiveringsslib voor een betere terugwinning van fosfor

Er is duidelijk aangetoond dat het bestralen van rioolslib met krachtige ultrasone golven de desintegratie van de biomassa in rioolslib verbetert. Talloze onderzoeken hebben de voordelen aangetoond van ultrasone behandeling van actief zuiveringsslib en er draaien verschillende industriële ultrasone systemen in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties in Duitsland.
Ultrasone voorbehandeling van substraten in rioolslib heeft verschillende gunstige effecten voor anaerobe vergistingsprocessen. Deze voordelen omvatten het verkleinen van de deeltjesgrootte, het verhogen van de hydrolysesnelheid en het verkorten van de hydraulische retentietijd.
Cavitatie-schuifkrachten gegenereerd door ultrasone geluidsgolven met hoge intensiteit / lage frequentie veroorzaken het uiteenvallen van de slibvlokmorfologie en de microbiële structuur van slib.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Een efficiënt gedesintegreerd zuiveringsslib, d.w.z. gesoniseerd slib, vertoont aanzienlijk verbeterde scheidingseigenschappen waardoor fosforrijke fracties uit biomassa en gelachtige fracties kunnen worden verwijderd, evenals water. Ultrasone cavitatie verstoort de celstructuren van de biomassa in zuiveringsslib en vergemakkelijkt de daaropvolgende fractionering in drie fracties van (i) cellulose-rijke vezels, (ii) een nutriëntenrijke gel en (iii) een vloeistof die gemakkelijk vergistbaar is. Deze drie fracties van het slib kunnen verder worden verwerkt, bijv. terugwinning van fosfor, verwijdering van zware metalen enz.

Ultrasoon geïntensiveerde natchemische neerslag van fosforn

Ultrasoon is een bekende techniek die al heel lang in de chemie wordt gebruikt om mineralen, deeltjes en kristallen op een veilige en efficiënte manier te laten neerslaan. Voor de terugwinning van fosfor uit rioolslib wordt sonificatie toegepast om de precipitatie van struviet te bevorderen en te versnellen. Struviet (magnesiumammoniumfosfaat) is een fosfaatmineraal met de formule NH₄MgPO₄-6H₂ O, dat een eenvoudige oplossing biedt om fosfor in gebonden vorm uit afvalslib te verwijderen.
Tijdens het struvietkristallisatie-/precipitatieproces worden de ionen PO₄^3-, NH₄⁺en Mg²⁺ worden verwijderd uit de vloeibare fase als gevolg van struvietneerslag, totdat de reactie het evenwicht bereikt.

Struvietkristallen neergeslagen uit varkensuitwerpselen.
(foto en studie: ©Kim et al. 2017)

Wanneer ultrasoonbehandeling wordt toegepast als slibvoorbehandeling voorafgaand aan het struvietprecipitatieproces, zorgt de ultrasoon geïnduceerde cavitatie voor een grondige menging op moleculair niveau, waardoor een actief oppervlak ontstaat voor kristalgroei. Een toename in de oplosbaarheidsgraad van extracellulaire en intracellulaire stoffen komt de struvietprecipitatie verder ten goede doordat de biologische beschikbaarheid van NH₄⁺ en PO₄^3- ionen. De sonicatiebehandeling resulteert in een vergemakkelijkte massaoverdracht door de slurry, die wordt veroorzaakt door ultrasone cavitatie.
Sonificatie kan ook worden toegepast op hydrothermische carbonisatievloeistof, waarbij fosfor wordt gerecycled als struviet uit de hydrothermische carbonisatievloeistof door middel van ultrasoon geassisteerde extractie en precipitatie.
Lees meer over grootschalige struvietprecipitatie voor fosforterugwinning uit rioolslib!

Sono-Fenton voor fosforvrijstelling uit zuiveringsslib

Het onderzoek van Gong et al. (2015) toonde de efficiëntie aan van een gecombineerde ultrasone-Fenton (ook bekend als sono-Fenton) voorbehandeling voor de desintegratie van zuiveringsslib. De toepassing van de ultrasone Fentonbehandeling verhoogde de afgifte van koolstof, stikstof en fosfor aanzienlijk. De sono-Fenton behandeling verhoogde de totale stikstof (N) en fosfor (P) met respectievelijk het 1,7- en 2,2-voudige vergeleken met de Fenton behandeling alleen. Na de sono-Fenton behandeling vertoonde het slib een aanzienlijk fijnere deeltjesgrootte en een lossere microstructuur op basis van scanning elektronenmicroscopie. Met behulp van elektronen-spinresonantie nam de hoogste OH-signaalintensiteit toe van 568,7 door de Fenton behandeling tot 1106,3 na de sono-Fenton behandeling. Dit toonde aan dat de sono-Fenton behandeling de desintegratie van slib induceert en het vrijkomen van organische koolstof, stikstof en fosfor aanzienlijk verbetert.

Ultrasoon versterkte microbiële brandstofcellen

Ultrasone voorbehandeling van zuiveringsslib bevordert de oplosbaarheid van verschillende organische verbindingen uit de slibmatrix, wat vervolgens de microbiële elektrohydrogenese versnelt.
More en Ghangrekar (2010) schrijven de gunstige effecten van sonische voorbehandeling op microbiële brandstofcellen toe aan verbeterde enzymatische activiteiten en de beschikbaarheid van extracellulaire eiwitten, polysacchariden en enzymen, die vrijkomen uit de binnenlagen van slibvlokken naar de buitenlagen door ultrasone sonoporatie en celdisruptie, wat resulteert in een verbeterde efficiëntie van het substraatgebruik. Om de winning van elektriciteit uit microbiële brandstofcellen te verbeteren, moet de elektronenoverdracht van de bacteriën naar een extracellulaire vaste stof worden verbeterd. Deze extracellulaire elektronenoverdracht kan plaatsvinden door direct contact tussen het celoppervlak en de vaste stof of indirect via de zogenaamde exogene en endogene mediatoren. Voor directe elektronenoverdracht tussen bacteriën en het elektrodeoppervlak moet het elektron het buitenmembraan van de cel bereiken. Dit fenomeen kan zich hebben voorgedaan door de voorbehandeling met ultrasoon die aan het inoculum werd gegeven toen de specifieke toegevoerde energie voldoende was, waardoor een hogere coulombische efficiëntie werd bevorderd.
Een ultrasoon geïntensiveerd microbieel elektrolyseproces zou gecombineerd kunnen worden met daaropvolgende fermentatieprocessen voor slibbehandeling.

Sono-elektrochemische behandeling van zuiveringsslib

Elektrocoagulatie is een eenvoudig proces dat gemakkelijk kan worden toegepast op afvalwater en waarmee grote volumes efficiënt en kosteneffectief kunnen worden behandeld. Ultrasoonbehandeling helpt om het belangrijkste nadeel van elektrocoagulatieprocessen te overwinnen door de vorming van passiveerlagen op de elektroden te voorkomen. Passieve films die zich na verloop van tijd op het elektrodeoppervlak vormen, verminderen de efficiëntie van elektrocoagulatiesystemen drastisch. Ultrasoon geluid is een gemakkelijke methode om deze passiverende lagen tijdens het proces continu te verwijderen en tegelijkertijd verhoogt ultrasoon geluid de omloopsnelheid van elektrocoagulatiesystemen. Ultrasone golven breken sedimenten af die aan het oppervlak van de elektrode worden gevormd en genereren grote hoeveelheden radicale stoffen om verontreinigende stoffen te verwijderen door het creëren van hoge drukpunten in de oplossing tijdens het cavitatieverschijnsel. Door elektrocoagulatie te combineren met ultrasoon wordt, als gevolg van het creëren van nieuwe oppervlakken op de elektrode door cavitatie of microstroming, de afname van de dikte van de distributielaag verergerd door het verhogen van de massatransfersnelheden. Sono-elektrocoagulatie verhoogt de hoeveelheid coagulantvorming in vergelijking met elektrocoagulatie, en de flocculatie wordt verbeterd door extreme menging en oxidatie door de vorming van vrije radicalen; daarom is het bereiken van de gewenste efficiëntie in de kortste tijd mogelijk.
(Moradi et al., 2021)

De voordelen van sono-elektrochemie en sono-elektrocoagulatie

"Sono-elektrochemie is de combinatie van ultrasone energie in een elektrochemisch systeem die verschillende voordelen biedt, waaronder het verwijderen van gasbellen aan het elektrodeoppervlak, oplossingontgassing, verstoring van de Nernst-diffusielaag, verbetering van het massatransport van elektroactieve stoffen door de dubbele laag en de activering en reiniging van het elektrodeoppervlak. Deze voordelen in de elektrochemie leiden tot verbeterde procesefficiënties (elektrode- en stroomefficiënties), verhoogde elektrochemische snelheden en opbrengsten, verlaagde celspanningen en elektrode-overpotentialen, verbeterde elektrodeposietmaterialen wat betreft hardheid, kwaliteit, porositeit en dikte, en de onderdrukking van elektrodevervuiling en ontgassing aan het elektrodeoppervlak." (Foroughi et al., 2002). (Foroughi et al., 2021)
Lees meer over sono-elektrochemische apparatuur en toepassingen!

Industriële ultrasone systemen voor zuiveringsslibbehandeling

De hoogwaardige systemen van Hielscher Ultrasonics zijn een betrouwbaar werkpaard in afvalwater- en slibbehandelingsinstallaties. Hielscher ultrasone systemen leveren ultrageluid van 20 kHz met een hoog vermogen, waardoor intense akoestische cavitatie ontstaat. De effecten van onze ultrasone behandeling met hoog vermogen zijn onder andere celdisruptie en desintegratie, hoge massaoverdracht, desinfectie, afbraak van polymeren, afgifte van enzymen en homogenisatie van het slib. Sonicatie met hoge intensiteit verbetert de behandelingsefficiëntie door het genereren van oxidatieve radicalen en door de toename van nucleatieplaatsen, wat zorgt voor een betere coagulatie en flocculatie. De betrouwbare en continue opwekking van deze intense ultrasone cavitatiekrachten en de effecten ervan maken het mogelijk om onze krachtige ultrasone processoren te integreren in verschillende toepassingen om de energie- en nutriëntenoogst uit zuiveringsslib te verbeteren.

• Ultrasone desintegratie van zuiveringsslib
• Ultrasoon geïntensiveerde anaerobe vergisting
• Terugwinnen van waardevolle voedingsstoffen (fosfor, stikstof, magnesium, calcium, kalium, enz.)
• Verwijdering van verontreinigingen zoals zware metalen

Hielscher Ultrasonics biedt ultrasone processoren met doorstroomreactoren in verschillende maten. Hielscher Ultrasonics heeft de ideale ultrasone afval- en slibbehandelingssystemen voor uw rioolslibinstallatie.
Dankzij het modulaire ontwerp kunnen er eenvoudig meerdere ultrasone eenheden parallel worden geïnstalleerd, wat een betrouwbare en efficiënte behandeling van elk volume mogelijk maakt.
Hielscher ultrasone systemen met hoog vermogen en hoge doorvoer verhogen de efficiëntie en het rendement bij de behandeling van biomassa in rioolslib.
Al onze ultrasoonapparaten zijn voorzien van cleaning-in-place (CIP).
Geschikt voor veeleisende behandelingen: Zuiveringsslib bevat vaak vezelachtige materialen met een hoog cellulosegehalte, die moeilijk uit elkaar te halen zijn. Hielscher Ultrasoon’ Industriële ultrasone processors kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar. Zulke hoge amplitudes zijn een effectieve manier om de cellulaire structuur van celluloses, lignine en robuuste celwanden van andere materialen te verstoren. Het geoptimaliseerde ontwerp van onze flowcelreactoren zorgt voor ideale stromingspatronen en de uniforme, efficiënte ultrasone behandeling van het toegevoerde slib.

We werken samen met systeemintegrators en ingenieurs van zuiveringsslibinstallaties

Als fabrikant en systeembouwer van hoogwaardige ultrasone modulaire units werkt Hielscher Ultrasonics samen met systeemintegrators. De meeste exploitanten van afvalwater- en rioolslibbehandelingsinstallaties werken met systeemintegrators, die veel ervaring hebben met het ontwerp en de automatisering van dergelijke zuiveringsinstallaties. Ons team van ontwerpingenieurs en technische ingenieurs adviseert de optimale ultrasone configuratie voor het beoogde slibvolume, levert gedetailleerde systeeminformatie, CAD-tekeningen, installatieservice en operationele training. Dit maakt een constructieve en doelgerichte implementatie van de integratie van ultrasoon geluid met hoge prestaties in rioolwaterzuiveringsinstallaties mogelijk. Neem contact met ons op als u geïnteresseerd bent in de integratie van onze ultrasone processoren voor een verbeterde slibbehandeling!

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Neem nu contact met ons op voor meer informatie over Hielscher ultrasone slibbehandelingssystemen, installatiemogelijkheden en technische informatie!