Obróbka ultradźwiękowa w procesie tlenowego rozkładu osadu czynnego
Ultradźwięki o dużej mocy powodują rozpad odpadowego osadu czynnego (WAS) przed lub w trakcie fermentacji tlenowej. Kawitacja akustyczna rozbija kłaczki osadu, niszczy pozakomórkowe substancje polimerowe i otwiera komórki mikroorganizmów. Dzięki temu materia organiczna, która wcześniej była chroniona, staje się bardziej dostępna dla fermentatora tlenowego.
W przypadku procesu tlenowego celem nie jest zwiększenie produkcji biogazu. Zwiększenie wydajności metanu ma znaczenie w przypadku fermentacji beztlenowej. W komorze fermentacyjnej tlenowej istotnymi wskaźnikami wydajności są: rozkład substancji lotnych, zużycie tlenu, czas fermentacji, pozostałości suchej masy, zdolność do odwadniania oraz całkowity koszt eksploatacji.
Przemysłowe sonikatory firmy Hielscher można zintegrować z linią WAS wyposażoną w pompę lub z pętlą recyrkulacyjną komory fermentacyjnej. Ultradźwiękowe reaktory przepływowe skupiają działanie na określonym strumieniu osadu i umożliwiają monitorowanie procesu pod kątem mocy, natężenia przepływu, stężenia substancji stałych, ciśnienia i temperatury. Efektem jest kompaktowa modernizacja, która pozwala na wprowadzenie ultradźwiękowego rozdrabniania osadu bez konieczności wymiany istniejącego komory fermentacyjnej tlenowej.
Przemysłowy ultradźwiękowy moduł przepływowy typu inline firmy Hielscher do przetwarzania zagęszczonych osadów z oczyszczania ścieków
Dlaczego osad czynny z oczyszczalni ścieków jest trudny do przetrawienia
Odpady osadu czynnego to nadmiar substancji stałych pochodzenia biologicznego usuwany z procesu oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Zawierają one mikroorganizmy, pozakomórkowe substancje polimerowe (EPS), wychwycony materiał organiczny oraz substancje stałe obojętne.
W osadniku wtórnym osiadły osad czynny dzieli się na dwa strumienie:
- Osad czynny powrotny (RAS) jest zawracany do zbiornika napowietrzającego w celu utrzymania wymaganego stężenia biomasy.
- Zużyty osad czynny (WAS) jest usuwany z procesu oczyszczania ścieków i kierowany do zagęszczania, stabilizacji, fermentacji lub odwadniania.
WAS zawiera dużą ilość materiału komórkowego pochodzenia mikrobiologicznego. Znaczna część jego biodegradowalnych składników organicznych jest zamknięta w ścianach komórkowych lub związana wewnątrz zwartych kłaczków osadu. Ta fizyczna ochrona spowalnia naturalną lizę komórek i hydrolizę.
Podczas fermentacji tlenowej dostarczany jest tlen, przy czym dostępna jest niewielka ilość nowego materiału biologicznego. Mikroorganizmy przechodzą w stan oddychania endogennego i zużywają zgromadzone substancje, martwe komórki oraz inne biodegradowalne składniki osadu. Celem tego procesu jest stabilizacja osadu, ograniczenie potencjału zapachowego oraz zmniejszenie ilości lotnych substancji stałych, które należy odwodnić i usunąć.
Szybkość rozkładu jest często ograniczona przez dostęp do substratu. W komorze fermentacyjnej mogą znajdować się aktywne mikroorganizmy i może panować odpowiedni czas przebywania, jednak materia organiczna zawarta w nienaruszonych komórkach i gęstych kłaczkach pozostaje trudno dostępna.
Porównanie niepoddanych obróbce kłaczków z osadem poddanym działaniu ultradźwięków: Działanie ultradźwięków znacznie zmniejsza wielkość kłaczków.
Badanie i ilustracje: ©Chu i in. 2001
W jaki sposób kawitacja ultradźwiękowa otwiera proces WAS w ramach fermentacji tlenowej
Przemysłowe ultradźwiękowce firmy Hielscher działają z częstotliwością 20 kHz i wywołują intensywną kawitację akustyczną w strumieniach cieczy i zawiesin. W osadzie powstają pęcherzyki kawitacyjne, które rosną i zapadają się. Ich zapadanie się powoduje powstanie silnych lokalnych sił ścinających, które oddziałują bezpośrednio na kłaczki, EPS i komórki mikroorganizmów.
Zabieg ultradźwiękowy powoduje trzy istotne zmiany w WAS:
Rozpad kłaczków
Kawitacja rozbija agregaty osadu i odsłania powierzchnie, które wcześniej były pokryte pozakomórkowymi substancjami polimerowymi (EPS). Oczyszczony osad zawiera mniejsze cząstki i charakteryzuje się większą dostępną powierzchnią.
EPS i rozbijanie komórek
Rozpad wspomagany ultradźwiękami zwiększa biodegradowalność tlenową osadu czynnego z odpadów komunalnych poprzez rozbijanie twardych kłaczków osadu i uwalnianie uwięzionej materii organicznej. Kawitacja ultradźwiękowa powoduje rozpad błon komórkowych i ścian komórkowych. Białka i węglowodany, a także inne związki wewnątrzkomórkowe przechodzą do fazy ciekłej.
Zwiększona biodostępność
Mikroorganizmy tlenowe mogą łatwiej wykorzystywać rozpuszczalny i drobno rozdrobniony materiał organiczny niż nienaruszone komórki mikrobiologiczne i zwarte kłaczki. Ultradźwiękowanie pełni zatem część funkcji lizy i hydrolizy w sposób mechaniczny przed etapem utleniania biologicznego.
Ultradźwiękowanie oddziałuje na gęstą matrycę ochronną osadu ściekowego, dzięki czemu rozkład mikrobiologiczny przebiega znacznie szybciej i wydajniej. Zjawisko to zazwyczaj objawia się wzrostem chemicznego zapotrzebowania na tlen w postaci substancji rozpuszczalnych (SCOD).
Przemysłowy ultradźwiękowy reaktor przepływowy do usprawnionego rozkładu WAS
Zalety zastosowania sonikacji w zakładach fermentacji tlenowej
Reakcja zależy od rodzaju osadu i dawki ultradźwięków. Gdy sonikacja zwiększa biodegradowalność tlenową, oczyszczalnia ścieków może uzyskać:
- Większy stopień rozkładu substancji lotnych przy dotychczasowym czasie fermentacji
- Porównywalna stabilizacja osadu przy krótszym czasie przebywania
- Niższa produkcja pozostałości suchej masy
- Dodatkowa wydajność z istniejącego reaktora fermentacyjnego tlenowego
- Ograniczenie transportu i utylizacji osadów ściekowych
- Zwiększona stabilność procesu w okresach wysokiego stężenia cząstek stałych
- Skuteczniejsza kontrola organizmów nitkowatych poprzez rozbijanie kłaczków i komórek
Sonikatory liniowe firmy Hielscher do łatwej modernizacji
W pełnej skali zazwyczaj bardziej efektywne jest poddanie działaniu ultradźwięków strumienia zagęszczonego osadu niż całej objętości komory fermentacyjnej tlenowej. Reaktory ultradźwiękowe typu flow-cell firmy Hielscher obsługują dwie praktyczne konfiguracje.
WAS – Obróbka wstępna linii zasilającej
System ultradźwiękowy jest instalowany za zagęszczaczem WAS i przed komorą fermentacji tlenowej:
Zgęszczony WAS → pompa zasilająca → komora przepływowa z ultradźwiękami firmy Hielscher → komora fermentacyjna tlenowa
Układ ten uwzględnia określony przepływ masowy suchej substancji stałej i stanowi jasną podstawę do regulacji konkretnego wkładu energii ultradźwiękowej.
Schemat blokowy: Zgęszczony osad z procesu WAS → pompa zasilająca → przemysłowy sonikator liniowy Hielscher UIP6000hdT → komora fermentacyjna tlenowa
Oczyszczanie w systemie recyrkulacyjnym lub w obiegu bocznym
Kontrolowana frakcja osadu jest pompowana z komory fermentacyjnej lub z przewodu osadowego przez sonikator i zawracana do procesu. Taka konfiguracja sprawdza się w sytuacjach, gdy trudno jest zmodyfikować istniejącą linię zasilającą lub gdy obróbce ma zostać poddana jedynie wybrana frakcja osadu.
Oba rozwiązania można zainstalować w postaci kompaktowych modułów wyposażonych w pompę, ultradźwiękową komorę pomiarową, zawory odcinające, obejście serwisowe, układy pomiaru ciśnienia i temperatury, punkty poboru próbek oraz układy sterowania procesem. Istniejący zbiornik fermentacyjny pozostaje bez zmian.
Dzięki temu technologia ultradźwiękowa nadaje się szczególnie do modernizacji istniejących oczyszczalni ścieków. Moduł ultradźwiękowy można zainstalować w rurociągu tłocznym, może on pracować niezależnie, a podczas kontroli lub konserwacji można go wyłączyć z obiegu.
Zwiększ efektywność aerobicznego rozkładu osadu za pomocą ultradźwięków o dużej mocy!
Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe firmy Hielscher stanowią kompaktowe i skalowalne rozwiązanie umożliwiające włączenie ultradźwięków o dużej mocy do istniejącej linii przetwarzania osadu ściekowego (WAS). Przetwarzanie w komorze przepływowej typu inline pozwala skoncentrować energię ultradźwiękową na strumieniu osadu, zapewnia powtarzalną kontrolę dawki i może zostać zaprojektowane z myślą o niezawodnej, intensywnej eksploatacji w trybie 24/7.
Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany
Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.
Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
często zadawane pytania
Czy obróbka ultradźwiękowa powoduje wytworzenie większej ilości biogazu w komorze fermentacyjnej tlenowej?
Nie. Zwiększona wydajność metanu lub biogazu stanowi zaletę fermentacji beztlenowej. W przypadku fermentacji tlenowej skuteczność obróbki ultradźwiękowej należy oceniać pod kątem zniszczenia VS, zużycia tlenu, czasu trwania fermentacji, pozostałości suchej masy, możliwości odwadniania oraz całkowitego kosztu.
Gdzie zainstalowano system ultradźwiękowy?
System ten jest zazwyczaj instalowany w linii produkcyjnej po zagęszczaniu w urządzeniu WAS, a przed komorą fermentacji tlenowej. Może również pracować w kontrolowanym obiegu bocznym lub w pętli recyrkulacji z komory fermentacyjnej. Obwodnica serwisowa umożliwia kontynuowanie transportu osadu podczas prac konserwacyjnych.
Dlaczego warto korzystać z przemysłowego sonikatora o częstotliwości 20 kHz?
Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i dużej mocy powodują intensywną kawitację i mechaniczne ścinanie. Jest to skuteczna metoda rozbijania kłaczków osadu, niszczenia struktur EPS oraz rozrywania komórek mikroorganizmów w strumieniach ciecz-ciało stałe.
Czy sonikator firmy Hielscher może pracować w trybie ciągłym?
Tak. Przemysłowa linia sonikatorów hdT firmy Hielscher została zaprojektowana z myślą o ciągłej pracy w trudnych warunkach i słynie z trwałości. Reaktory z komorą przepływową umożliwiają kontrolowane przetwarzanie w trybie inline lub z recyrkulacją, a automatyczne rejestrowanie danych ułatwia monitorowanie procesu i zapewnia jego powtarzalność.
Jakie dane są potrzebne do doboru wielkości ultradźwiękowego systemu do oczyszczania osadów?
Głównymi parametrami wejściowymi są przepływ WAS, stężenie TS i VS, lepkość osadu, docelowa energia właściwa, wymagany efekt oczyszczania, godziny pracy oraz dostępne ciśnienie. Przed wymiarowaniem instalacji na pełną skalę zaleca się przeprowadzenie testów pilotażowych w celu ustalenia optymalnej dawki.
Czy sonikacja poprawia odwadnianie osadu?
Wynik zależy od właściwości osadu i dawki. Umiarkowane przetwarzanie może poprawić proces oddzielania substancji stałych, natomiast nadmierne rozdrabnianie może prowadzić do powstania drobnych cząstek i rozpuszczalnych polimerów, które utrudniają wychwytywanie lub tworzenie się placka osadowego. Próby odwadniania stanowią zatem istotny element optymalizacji procesu.
Co mówią badania naukowe na temat ultradźwiękowego rozkładu metodą WAS?
Badania laboratoryjne potwierdzają skuteczność stosowania ultradźwięków w zwiększaniu dostępności i biodegradowalności tlenowej osadu po oczyszczaniu ścieków (WAS).
W badaniu dotyczącym łącznej obróbki wstępnej metodą alkaliczną i ultradźwiękową przed fermentacją tlenową odnotowano, że stopień rozkładu materii organicznej przy tym samym czasie fermentacji wyniósł 38,0% dla osadu niepoddanego obróbce wstępnej oraz 42,5% dla osadu poddanego obróbce wstępnej metodą ultradźwiękową. Łączna obróbka wstępna metodą alkaliczną i ultradźwiękową zwiększyła stopień rozkładu do 50,7%. Wynik ten pokazuje, że same ultradźwięki mogą poprawić degradację tlenową, wskazując jednocześnie, że osiągalna poprawa zależy od strategii obróbki wstępnej oraz właściwości osadu. (por. Jin i in., 2009)
W innym badaniu dotyczącym osadów ściekowych z oczyszczalni komunalnych odnotowano zwiększoną rozpuszczalność osadu oraz jego biodegradowalność tlenową po rozbiciu bakteryjnym wspomaganym ultradźwiękami. Osad poddany wstępnej obróbce wykazywał wyższy wskaźnik biodegradacji lub rozkładu niż osad kontrolny niepoddany obróbce. (por. Kavitha i in. 2016)
Czy sonikacja wspomaga inne procesy związane z osadem?
Tak. Ultradźwiękowanie wspomaga kilka procesów oczyszczania osadu poprzez rozbijanie kłaczków, EPS i komórek mikroorganizmów:
Fermentacja beztlenowa / Wytwarzanie biogazu: przyspiesza hydrolizę, zwiększa zawartość rozpuszczalnego ChZT oraz może poprawić stopień rozkładu substancji organicznej i wydajność metanu.
Odzysk fosforu: uwalnia fosfor związany z komórkami oraz fosfor organiczny do fazy ciekłej, zwiększając jego dostępność dla późniejszego wytrącania się struwitu lub wivianitu; ultradźwięki mogą również zintensyfikować wypłukiwanie fosforu z popiołów osadowych.
Literatura / Referencje
- 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 produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.