Fosfor is een mineraal dat van cruciaal belang is en waarvan de natuurlijke voorraden snel slinken. Daarom heeft de Duitse regering per decreet bepaald dat fosfor vanaf 2029 grotendeels moet worden teruggewonnen uit zuiveringsslib. De uitvoering van de energie-echografie opent verschillende mogelijkheden om de terugwinning van fosfor uit stedelijk zuiveringsslib te intensiveren.

Zuiveringsslibbehandelingsinstallaties en fosforrecycling

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

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

Ultrasone desintegratie van zuiveringsslib voor een betere terugwinning van fosfor

Van bestraling van zuiveringsslib met krachtige ultrageluidsgolven is duidelijk aangetoond dat het de desintegratie van de biomassa in zuiveringsslib verbetert. Talrijke onderzoekstudies hebben de voordelen van ultrasone behandeling van actief slib aangetoond en in de gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties in Duitsland zijn verschillende industriële ultrasone systemen in bedrijf.
Ultrasone voorbehandeling van substraten in zuiveringsslib heeft verschillende gunstige effecten op anaërobe gistingsprocessen. Deze voordelen omvatten verkleining van de deeltjesgrootte, verhoging van de hydrolysesnelheid en verkorting van de hydraulische verblijftijd.
Schuifkrachten van de cavitatie, opgewekt door ultrasone golven met hoge intensiteit/lage frequentie, veroorzaken het uiteenvallen van de slibvlokmorfologie en de microbiële structuur van het slib.
Het onderzoeksteam van Nguyen toonde in hun studie aan "dat de toepassing van ultrageluid zeer effectief is in het verkleinen van de deeltjesgrootte van biomassa, waarbij een vermindering tot een gemiddelde deeltjesgrootte van >78,78% werd bereikt die evenredig was met de tijdsduur en de intensiteit van de blootstelling aan ultrasone bestraling. Dit wees erop dat de slibdeeltjes desintegreerden en de slibdeeltjesgrootte afnam, gebaseerd op een omgekeerd evenredig verband tussen de sonicatietijd en de grootte van de vlokdeeltjes. De toepassing was zeer effectief, ondanks het feit dat uit slibvlokwaarnemingen vóór de behandeling bleek dat de slibvlokken dicht en zeer compact waren, samengesteld uit vele subcompartimenten met compacte kernen, celclusters, bacteriekolonies, protozoa en filamenteuze bacteriën, naast andere factoren. Analyse van het effluent toont aan dat het ultrasoonproces de structurele integriteit van slibvlokken van alle grootten aanzienlijk heeft gedesintegreerd. Flocstukken werden gereduceerd tot zo weinig als ≤6,5 μm onder optimale behandelingsomstandigheden, en werden opgelost in de slibslurry na 5-10 min ultrasone behandeling met een lage ultrageluidsfrequentie van 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
Een efficiënt gedesintegreerd zuiveringsslib, d.w.z. gesonificeerd slib, vertoont aanzienlijk verbeterde scheidingseigenschappen waardoor fosforrijke fracties uit biomassa en gelachtige fracties alsmede water kunnen worden verwijderd. Ultrasone cavitatie verstoort de celstructuren van de biomassa in zuiveringsslib en vergemakkelijkt de daaropvolgende fractionering in drie fracties van (i) celluloserijke vezels, (ii) een voedingsrijke gel, en (iii) een vloeistof die gemakkelijk fermenteerbaar is. Deze drie fracties van het slib kunnen verder worden verwerkt, b.v. terugwinning van fosfor, verwijdering van zware metalen, enz.

Ultrasoon geïntensifieerde nat-chemische neerslag van fosfor

Ultrasoonbehandeling is een bekende techniek die sinds lange tijd in de chemie wordt gebruikt voor de veilige en efficiënte 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 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⁺ uit de vloeibare fase worden verwijderd als gevolg van struvietneerslag, totdat de reactie het evenwicht heeft bereikt.

Struvietkristallen geprecipiteerd uit varkensafvalwater.
(foto en studie: ©Kim et al. 2017)

Wanneer ultrasoonbehandeling wordt toegepast als voorbehandeling van slib voorafgaand aan het struvietprecipitatieproces, zorgt de ultrasoon geïnduceerde cavitatie voor een grondige menging op moleculair niveau, waardoor een actief oppervlak voor kristalgroei ontstaat. Een verhoging van de oplosbaarheid van extracellulaire en intracellulaire stoffen komt de struvietprecipitatie verder ten goede door een verhoging van 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 hydrothermale carbonisatievloeistof, waarbij fosfor als struviet uit de hydrothermale carbonisatievloeistof wordt gerecycleerd door middel van ultrasoon ondersteunde extractie en precipitatie.
Lees meer over grootschalige struvietprecipitatie voor fosforterugwinning uit zuiveringsslib!

Sono-Fenton voor fosforvrijmaking uit zuiveringsslib

De studie van Gong et al. (2015) toonde de efficiëntie aan van een gecombineerde ultrageluid-Fenton (ook bekend als sono-Fenton) voorbehandeling voor het desintegreren van zuiveringsslib. Het toepassen van de ultrasound-Fenton behandeling verhoogde de koolstof-, stikstof- en fosforafgifte aanzienlijk. De sono-Fenton behandeling verhoogde de totale stikstof (N) en fosfor (P) met respectievelijk 1,7- en 2,2-voudig in vergelijking 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 elektronspin resonantie nam de hoogste OH- signaalintensiteit toe van 568,7 bij de Fenton behandeling tot 1106,3 na de sono-Fenton behandeling. Dit toonde aan dat de sono-fentonbehandeling de desintegratie van slib induceert en de afgifte van organische koolstof, stikstof en fosfor aanzienlijk verbetert.

Ultrasoon geïntensiveerde microbiële brandstofcellen

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

Sono-Elektrochemische zuivering 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 het belangrijkste nadeel van elektrocoaguleringsprocessen te ondervangen door de vorming van passiverende lagen op de elektroden te voorkomen. Passieve lagen die zich na verloop van tijd op het oppervlak van de elektrode vormen, verminderen de doeltreffendheid van elektrocoagulatiesystemen drastisch en ultrasoon geluid is een gemakkelijke methode om deze passiverende lagen tijdens de werking voortdurend te verwijderen, terwijl sonificatie tegelijkertijd de omzet van elektrocoagulatiesystemen verhoogt. Ultrasone golven breken sedimenten af die zich aan het elektrodeoppervlak hebben gevormd en genereren grote hoeveelheden radicale species om verontreinigende stoffen te verwijderen door hoge-drukpunten in de oplossing te creëren tijdens het cavitatie-fenomeen. Door de combinatie van elektrocoagulatie met ultrasoon wordt, als gevolg van het ontstaan van nieuwe oppervlakken op de elektrode door cavitatie of micro-streaming, de afname van de dikte van de verdeellaag versterkt door een toename van de massaoverdrachtssnelheid. Sono-elektrocoagulatie verhoogt de hoeveelheid coagulantvorming in vergelijking met elektrocoagulatie, en de flocculatie wordt versterkt door extreme menging en oxidatie door de vorming van vrije radicalen; daardoor kan in de kortst mogelijke tijd het gewenste rendement worden bereikt.
(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 gasbelverwijdering aan het elektrodeoppervlak, ontgassing van de oplossing, verstoring van de Nernst-diffusielaag, verbetering van het massatransport van elektroactieve stoffen door de dubbele laag, en activering en reiniging van het elektrodeoppervlak. Deze voordelen in de elektrochemie leiden tot verbeterde procesefficiënties (elektrode- en stroomefficiënties), hogere elektrochemische snelheden en rendementen, verlaagde celspanningen en elektrodeoverpotentiëlen, verbeterde elektrodepositiematerialen in termen van hardheid, kwaliteit, porositeit en dikte, en de 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 zuiveringsslibbehandeling

Hielscher ultrasoon systemen zijn een betrouwbaar werkpaard in afvalwater- en rioolslibbehandelingsinstallaties. Hielscher ultrasoon systemen leveren ultrageluid met een hoog vermogen bij 20kHz, waardoor intense akoestische cavitatie ontstaat. Effecten van onze high-power ultrasone behandeling zijn onder andere celdisruptie en desintegratie, hoge massaoverdracht, desinfectie, afbraak van polymeren, vrijkomen van enzymen en homogenisering van het slib. Hoge intensiteit sonicatie verbetert de zuiveringsefficiëntie door de generatie van oxidatieve radicalen en door de toename van nucleatieplaatsen, waardoor een betere coagulatie en flocculatie wordt verkregen. De betrouwbare en continue opwekking van deze intense ultrasone cavitatiekrachten en de effecten daarvan maken het mogelijk onze krachtige ultrasone processoren te integreren voor diverse toepassingen ter verbetering van de energie- en nutriëntenoogst uit zuiveringsslib.

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

Hielscher Ultrasonics biedt ultrasoonprocessoren met doorstroomreactoren in verschillende maten. Hielscher Ultrasonics heeft de ideale ultrasone afvalwater- en slibbehandelingssystemen voor uw zuiveringsinstallatie.
Het modulaire ontwerp maakt de eenvoudige installatie van meerdere ultrasone eenheden in parallel mogelijk, wat een betrouwbare en efficiënte behandeling van elk volume mogelijk maakt.
Hielscher ultrasone systemen met een hoog vermogen en een hoge verwerkingscapaciteit verhogen de efficiëntie en het rendement bij de behandeling van biomassa in zuiveringsslib.
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 te desintegreren zijn. Hielscher ultrasoontechniek’ Industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar. Dergelijke hoge amplitudes zijn een efficiënte manier om de cellulaire structuur van celluloses, lignine en robuuste celwanden van andere materialen te verstoren. Het geoptimaliseerde ontwerp van onze doorstroomcelreactoren garandeert ideale stromingspatronen en een uniforme, efficiënte ultrasone behandeling van het aangevoerde slib.

Wij werken met systeemintegratoren en ingenieurs van zuiveringsslibinstallaties

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

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

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