Ultradźwiękowe przetwarzanie odpadów i osadów

Biogaz jest wytwarzany z takich surowców jak komunalne odpady organiczne, osady ściekowe, szlam lub obornik. Sonikacja poprawia podatność takiego materiału organicznego na fermentację, co prowadzi do uzyskania większej ilości biogazu i mniejszej ilości osadów resztkowych.

Biogaz jest produktem ubocznym rozkładu materii organicznej przez bakterie beztlenowe lub tlenowe. Składa się głównie z metanu, dwutlenku węgla i siarkowodoru. Dzięki temu biogaz stanowi odnawialną alternatywę dla paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny.

Ceny energii, koszty środków chemicznych i unieszkodliwiania osadów, przepisy dotyczące ochrony środowiska oraz inne kwestie, takie jak ograniczenie emisji odorów, wymagają od zakładów przetwarzania odpadów zwiększenia wydajności procesów. Ultradźwiękowa dezintegracja materiału organicznego przed fermentacją znacznie poprawia produkcję biogazu. Ponadto sonikacja poprawia podatność osadów na odwadnianie i zmniejsza ilość osadów resztkowych wymagających unieszkodliwienia.

Surowce do produkcji biogazu są mieszaninami różnych substancji tworzących agregaty i kłaczki, włókien, wirusów i bakterii, celulozy oraz innych substancji nieorganicznych. Odpady spożywcze oraz organiczne odpady przemysłowe i pochodzące z działalności handlowej, takie jak tłuszcze lub wywar gorzelniany, stanowią dodatkowe surowce dla mezofilowych i termofilowych komór fermentacyjnych. Kawitacja ultradźwiękowa niszczy agregaty i struktury komórkowe. Dzięki oddziaływaniu na strukturę materiału tworzącego osady można je łatwiej odwadniać. Ponadto zniszczenie agregatów i ścian komórkowych zwiększa biodostępność materiału wewnątrzkomórkowego do rozkładu przez bakterie.

Zwiększenie uzysku biogazu dzięki sonikacji

W niedawnym badaniu analizowano wpływ wstępnego przetwarzania osadów za pomocą sonikacji w komunalnym zakładzie przetwarzania osadów „Geek”. (Zdjęcie po lewej stronie przedstawia instalację w skali pilotażowej.) Zastosowanie wstępnego przetwarzania ultradźwiękowego przy użyciu urządzenia Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W), którym poddawano osady działaniu ultradźwięków przez 15 min, wykazało znaczną poprawę efektywności fermentacji beztlenowej, przejawiającą się przede wszystkim zwiększoną produkcją biogazu. W porównaniu z osadami niepoddanymi przetwarzaniu uzysk biogazu wzrósł z około 16 ± 2 NL·d⁻¹ do 26 ± 2 NL·d⁻¹, co odpowiada poprawie o około 63%. Poprawę tę przypisuje się ultradźwiękowej dezintegracji kłaczków osadu i struktur komórkowych, która znacznie zwiększyła chemiczne zapotrzebowanie na tlen (COD) frakcji rozpuszczonej oraz stężenia lotnych kwasów tłuszczowych, poprawiając tym samym biodostępność substratu dla mikroorganizmów metanogennych. W rezultacie osiągnięto wyższe jednostkowe uzyski metanu bez zmiany jego zawartości, która pozostawała stabilna na poziomie około 62%. Wyniki te potwierdzają, że sonikacja o niskiej częstotliwości i dużej mocy jest skuteczną strategią wstępnego przetwarzania służącą intensyfikacji fermentacji beztlenowej poprzez przyspieszenie hydrolizy i zwiększenie udziału łatwo biodegradowalnej materii organicznej. (por. Gkalipidou et al., 2026)

 
Od 1999 roku Hielscher dostarcza systemy dezintegracji ultradźwiękowej o mocy jednostkowej do 48kW do różnych oczyszczalni ścieków, w tym komunalnych i przemysłowych zakładów przetwarzania odpadów na całym świecie. Niektóre z tych systemów zwiększyły uzysk biogazu nawet o 25%.

 

Poniższa tabela przedstawia typowe zapotrzebowanie na moc przy różnych objętościowych natężeniach przepływu. System ultradźwiękowy jest zazwyczaj zintegrowany z linią przepływową przed podaniem materiału do komory fermentacyjnej. Alternatywnie materiał organiczny można recyrkulować z komory fermentacyjnej przez system ultradźwiękowy z powrotem do komory. Dzięki temu etap sonikacji można łatwo włączyć do istniejących instalacji.

Natężenie przepływu Urządzenia 50 – 200L/hr UIP1000hd 200 – 800L/hr 4xUIP1000hd 1 – 3m³/hr 4xUIP4000 5 – 20m³/hr 6xUIP16000 50 – 200m³/hr 62xUIP16000

Zastosowanie ultradźwięków do przetwarzania osadów i strumieni odpadów może przynieść różne rezultaty, takie jak:

• Zwiększenie uzysku biogazu
• Usprawnienie rozkładu beztlenowego
• Poprawa właściwości sedymentacyjnych dzięki odgazowaniu i dezintegracji kłaczków
• Poprawa stosunku C/N na potrzeby denitryfikacji
• Poprawa zagęszczania osadu nadmiernego
• Poprawa fermentacji i podatności na odwadnianie
• Zmniejszenie ilości flokulantów
• Niższe koszty unieszkodliwiania dzięki zmniejszeniu ilości osadów resztkowych po fermentacji
• Zmniejszenie wymaganej ilości polimeru
• Niszczenie bakterii nitkowatych

Zalecamy przeprowadzenie prób w skali pilotażowej, np. z użyciem systemów o mocy od 1 do 4kW. Pozwoli to wykazać ogólne efekty i poprawę w przypadku konkretnego strumienia procesowego. Chętnie omówimy z Państwem stosowany proces i zalecimy dalsze kroki.