Diverse oplossingen voor fosforterugwinning uit gemeentelijk zuiveringsslib

Fosfor is een kritisch grondstofmineraal waarvan de natuurlijke voorraad snel afneemt. Daarom heeft de Duitse overheid bij verordening bepaald dat vanaf 2029 fosfor grotendeels uit zuiveringsslib moet worden teruggewonnen. De toepassing van ultrageluid met hoog vermogen biedt diverse mogelijkheden om de terugwinning van fosfor uit gemeentelijk zuiveringsslib te intensiveren.

Installaties voor zuiveringsslibbehandeling en fosforrecycling

Fosfor is een kritisch element dat veel wordt gebruikt als meststof en als grondstof in de fijnchemische en farmaceutische industrie. Vanwege de snel afnemende beschikbare voorraden heeft de Duitse overheid een wet ingevoerd die alle gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties verplicht maatregelen te treffen om fosfor uit gemeentelijk zuiveringsslib terug te winnen. De toepassing van ultrageluid met hoge prestaties biedt diverse behandelingsmogelijkheden die de efficiëntie van de fosforterugwinning aanzienlijk verhogen.

Afvalwaterzuiveringsinstallaties gebruiken ultrageluid voor een betere slibvergisting en terugwinning van nutriënten zoals fosfor.

Ultrasone desintegratie van zuiveringsslib voor verbeterde fosforterugwinning

Er is duidelijk aangetoond dat het bestralen van zuiveringsslib met krachtige ultrasone golven de desintegratie van de biomassa in zuiveringsslib verbetert. Talrijke onderzoeken hebben de voordelen van ultrasone behandeling van overtollig actief slib aangetoond en diverse industriële ultrasone systemen zijn in gebruik bij gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties in Duitsland.
Ultrasone voorbehandeling van substraten in zuiveringsslib heeft verschillende gunstige effecten op anaerobe vergistingsprocessen. Deze voordelen omvatten een kleinere deeltjesgrootte, een hogere hydrolysesnelheid en een kortere hydraulische verblijftijd.
Afschuifkrachten door cavitatie, opgewekt door ultrasone golven met hoge intensiteit / lage frequentie, breken de morfologische structuur van slibvlokken en de microbiële structuur van het slib af.
Het onderzoeksteam van Nguyen toonde in zijn onderzoeken aan “dat de toepassing van ultrageluid zeer effectief is bij het verkleinen van de deeltjesgrootte van biomassa, waarbij een afname tot een gemiddelde deeltjesgrootte van >78,78% wordt bereikt, evenredig met de duur en de intensiteit van de blootstelling aan ultrasone bestraling. Dit wees erop dat de slibdeeltjes desintegreerden en dat de deeltjesgrootte van het slib afnam, op basis van een omgekeerd verband tussen de sonicatieduur en de deeltjesgrootte van de vlokken. De toepassing was zeer effectief, ondanks het feit dat waarnemingen van slibvlokken vóór de behandeling aantoonden dat de slibvlokken dicht en zeer compact waren en onder andere bestonden uit vele subcompartimenten met compacte kernen, celclusters, bacteriekolonies, protozoën en filamenteuze bacteriën. Analyse van het effluent laat zien dat het ultrasone proces de structurele integriteit van slibvlokken van alle groottes aanzienlijk aantastte. Onder optimale behandelingsomstandigheden werden vlokfragmenten verkleind tot slechts ≤6,5 μm en na 5–10 min ultrasone behandeling met een lage ultrasone frequentie van 20 kHz waren ze opgelost in de slibsuspensie.” (Nguyen et al., 2015)
Efficiënt gedesintegreerd zuiveringsslib, d.w.z. gesoniceerd slib, vertoont aanzienlijk verbeterde scheidingseigenschappen, waardoor fosforrijke fracties kunnen worden afgescheiden van biomassa, gelachtige fracties en water. Ultrasone cavitatie verstoort de celstructuren van de biomassa in zuiveringsslib en vergemakkelijkt de daaropvolgende fractionering in drie fracties: (i) celluloserijke vezels, (ii) een nutriëntenrijke gel en (iii) een vloeistof die gemakkelijk vergistbaar is. Deze drie slibfracties kunnen verder worden verwerkt, bijv. voor fosforterugwinning, verwijdering van zware metalen enz.

Ultrasoon geïntensiveerde natchemische precipitatie van fosfor

Sonicatie is een bekende techniek die al lange tijd in de chemie wordt gebruikt voor de succesvolle en doeltreffende precipitatie van mineralen, deeltjes en kristallen. Voor de terugwinning van fosfor uit zuiveringsslib wordt sonicatie 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 kristallisatie- / precipitatieproces van struviet worden de ionen PO₄^3-, NH₄⁺ en Mg²⁺ door de precipitatie van struviet uit de vloeistoffase verwijderd totdat de reactie het evenwicht bereikt.

Struvietkristallen geprecipiteerd uit effluent van de varkenshouderij.
(afbeelding en onderzoek: ©Kim et al. 2017)

Wanneer sonicatie wordt toegepast als slibvoorbehandeling vóór het precipitatieproces van struviet, zorgt de ultrasoon opgewekte cavitatie voor een grondige menging op moleculair niveau, waardoor actief oppervlak voor kristalgroei beschikbaar komt. Een hogere solubilisatiesnelheid van extracellulaire en intracellulaire stoffen bevordert de precipitatie van struviet verder door de biologische beschikbaarheid te verhogen van NH₄⁺ en PO₄^3- als ionen. De sonicatiebehandeling vergemakkelijkt de massaoverdracht door de slibsuspensie dankzij ultrasone cavitatie.
Sonicatie kan ook worden toegepast op de procesvloeistof van hydrothermale carbonisatie, waarbij fosfor als struviet uit deze procesvloeistof wordt gerecycled door ultrasoon ondersteunde extractie en precipitatie.
Lees meer over grootschalige precipitatie van struviet voor fosforterugwinning uit zuiveringsslib!

Sono-Fenton voor het vrijmaken van fosfor uit zuiveringsslib

Het onderzoek van Gong et al. (2015) toonde de efficiëntie aan van een gecombineerde ultrasone–Fenton-voorbehandeling (ook bekend als sono-Fenton) voor de desintegratie van zuiveringsslib. De toepassing van de ultrasone–Fenton-behandeling verhoogde de vrijmaking van koolstof, stikstof en fosfor aanzienlijk. De sono-Fenton-behandeling verhoogde de totale stikstof (N) en fosfor (P) met respectievelijk een factor 1,7 en 2,2 ten opzichte van alleen de Fenton-behandeling. Na de sono-Fenton-behandeling vertoonde het slib volgens rasterelektronenmicroscopie een aanzienlijk fijnere deeltjesgrootte en een lossere microstructuur. Met elektronspinresonantie werd vastgesteld dat de hoogste signaalintensiteit van OH• toenam van 568,7 bij de Fenton-behandeling tot 1106,3 na de sono-Fenton-behandeling. Dit toonde aan dat de sono-Fenton-behandeling slibdesintegratie veroorzaakt en de vrijmaking van organische koolstof, stikstof en fosfor aanzienlijk verbetert.

Ultrasoon geïntensiveerde microbiële brandstofcellen

Ultrasone voorbehandeling van zuiveringsslib bevordert de solubilisatie van diverse organische verbindingen uit de slibmatrix, wat vervolgens de microbiële elektrohydrogenese versnelt.
More en Ghangrekar (2010) schrijven de gunstige effecten van voorbehandeling door sonicatie op microbiële brandstofcellen toe aan verhoogde enzymatische activiteiten en de beschikbaarheid van extracellulaire eiwitten, polysachariden en enzymen. Deze worden door ultrasone sonoporatie en celontsluiting vanuit de binnenste lagen van slibvlokken naar de buitenste lagen vrijgemaakt, wat resulteert in een efficiëntere substraatbenutting. Om de elektriciteitswinning uit microbiële brandstofcellen te verbeteren, moet het vermogen van de bacteriën om elektronen over te dragen aan een extracellulaire vaste stof worden verbeterd. Deze extracellulaire elektronenoverdracht kan plaatsvinden via direct contact tussen het celoppervlak en het vaste oppervlak, of indirect via de zogenoemde exogene en endogene mediatoren. Voor directe elektronenoverdracht tussen bacteriën en het elektrodeoppervlak moet het elektron het buitenmembraan van de cel bereiken. Dit verschijnsel kan zijn opgetreden door de ultrasone voorbehandeling van het inoculum wanneer de specifiek toegevoerde energie toereikend was, waardoor een hogere coulombische efficiëntie werd bevorderd.
Een ultrasoon geïntensiveerd microbieel elektrolyseproces zou kunnen worden gecombineerd met daaropvolgende fermentatieprocessen voor slibbehandeling.

Sono-elektrochemische behandeling van zuiveringsslib

Elektrocoagulatie is een eenvoudig proces dat gemakkelijk op afvalwater kan worden toegepast en een efficiënte en kosteneffectieve behandeling van grote volumes mogelijk maakt. Sonicatie helpt het belangrijkste nadeel van elektrocoagulatieprocessen te overwinnen door de vorming van passiverende lagen op de elektroden te voorkomen. Passieve films die zich na verloop van tijd op het elektrodeoppervlak vormen, verminderen de efficiëntie van elektrocoagulatiesystemen drastisch. Ultrageluid is een eenvoudige methode om deze passiverende lagen tijdens bedrijf continu te verwijderen, terwijl sonicatie tegelijkertijd de doorzet van elektrocoagulatiesystemen verhoogt. Ultrasone golven breken afzettingen op het elektrodeoppervlak af en genereren grote hoeveelheden radicale species om verontreinigingen te verwijderen door tijdens het cavitatieverschijnsel hogedrukpunten in de oplossing te creëren. Door elektrocoagulatie met ultrageluid te combineren, worden door cavitatie of microstromingen nieuwe oppervlakken op de elektrode gecreëerd en wordt de afname van de dikte van de distributielaag versterkt door hogere massaoverdrachtssnelheden. Sono-elektrocoagulatie verhoogt de hoeveelheid gevormd coagulatiemiddel ten opzichte van elektrocoagulatie, en de flocculatie wordt versterkt door extreme menging en oxidatie door de vorming van vrije radicalen. Daardoor kan de gewenste efficiëntie in de kortste tijd worden bereikt.
(Moradi et al., 2021)

De voordelen van sono-elektrochemie en sono-elektrocoagulatie

“Sono-elektrochemie is de combinatie van ultrasone energie met een elektrochemisch systeem die verschillende voordelen biedt, waaronder verwijdering van gasbellen aan het elektrodeoppervlak, ontgassing van de oplossing, verstoring van de Nernst-diffusielaag, verbetering van het massatransport van elektroactieve species door de dubbellaag en activering en reiniging van het elektrodeoppervlak. Deze voordelen in de elektrochemie leiden tot verbeterde procesefficiënties (elektrode- en stroomefficiënties), hogere elektrochemische reactiesnelheden en opbrengsten, lagere celspanningen en elektrodeoverpotentialen, verbeterde elektrolytisch afgezette materialen wat betreft hardheid, kwaliteit, porositeit en dikte, en onderdrukking van elektrodevervuiling en ontgassing aan het elektrodeoppervlak.” (Foroughi et al., 2021)
Lees meer over sono-elektrochemische apparatuur en de toepassingen ervan!

Industriële ultrasone systemen voor de behandeling van zuiveringsslib

De systemen van Hielscher Ultrasonics met hoge prestaties zijn betrouwbare werkpaarden in installaties voor de behandeling van afvalwater en zuiveringsslib. De ultrasone systemen van Hielscher leveren ultrageluid met hoog vermogen bij 20kHz, dat intense akoestische cavitatie opwekt. Effecten van onze ultrasone behandeling met hoog vermogen omvatten celontsluiting en desintegratie, hoge massaoverdracht, desinfectie, afbraak van polymeren, vrijmaking van enzymen en homogenisatie van het slib. Sonicatie met hoge intensiteit verbetert de behandelingsefficiëntie door de vorming van oxidatieve radicalen en een toename van het aantal nucleatieplaatsen, waardoor een betere coagulatie en flocculatie worden gewaarborgd. De betrouwbare en continue opwekking van deze intense ultrasone cavitatiekrachten en hun effecten maken het mogelijk onze krachtige ultrasone processors voor diverse toepassingen te integreren om de winning van energie en nutriënten uit zuiveringsslib te verbeteren.

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

Met ultrasone processors met doorstroomreactoren in verschillende groottes biedt Hielscher Ultrasonics de ideale ultrasone systemen voor afvalwater- en slibbehandeling voor uw zuiveringsslibinstallatie.
Het modulaire ontwerp maakt het eenvoudig om meerdere ultrasone eenheden parallel te installeren, waardoor een betrouwbare en efficiënte behandeling van elk volume mogelijk is.
De ultrasone systemen van Hielscher met hoog vermogen / hoge verwerkingscapaciteit verhogen de efficiëntie en opbrengst bij de behandeling van biomassa in zuiveringsslib.
Al onze sonicatoren zijn voorzien van cleaning-in-place (CIP).
Geschikt voor veeleisende behandelingen: zuiveringsslib bevat vaak vezelachtige materialen met een hoog cellulosegehalte die moeilijk te desintegreren zijn. De industriële ultrasone processors van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gehandhaafd tijdens 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Dergelijke hoge amplitudes zijn een doeltreffende manier om de cellulaire structuur van celluloses, lignine en robuuste celwanden van andere materialen te verstoren. Het geoptimaliseerde ontwerp van onze doorstroomcelreactoren waarborgt ideale stromingspatronen en een uniforme, efficiënte ultrasone behandeling van het toegevoerde slib.

Wij werken samen met systeemintegratoren en ingenieurs van zuiveringsslibinstallaties

Als fabrikant en systeembouwer van ultrasone modulaire eenheden met hoge prestaties werkt Hielscher Ultrasonics samen met systeemintegratoren. De meeste exploitanten van installaties voor de behandeling van afvalwater en zuiveringsslib werken met systeemintegratoren 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 en levert gedetailleerde systeeminformatie, CAD-tekeningen, installatieservice en bedieningstraining. Dit maakt een constructieve en doelgerichte integratie van ultrageluid met hoge prestaties in afvalwaterzuiveringsinstallaties mogelijk. Neem contact met ons op als u geïnteresseerd bent in de integratie van onze ultrasone processors voor een verbeterde slibbehandeling!

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren:

Neem nu contact met ons op voor meer details over de ultrasone systemen van Hielscher voor zuiveringsslibbehandeling, installatiemogelijkheden en technische informatie!