Obróbka ultradźwiękowa w tlenowej stabilizacji nadmiernego osadu czynnego
Sonikacja o dużej mocy powoduje dezintegrację nadmiernego osadu czynnego (WAS) przed stabilizacją tlenową lub podczas niej. Kawitacja akustyczna rozbija kłaczki osadu, niszczy zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe i otwiera komórki mikroorganizmów. Dzięki temu wcześniej chroniona materia organiczna staje się łatwiej dostępna w komorze stabilizacji tlenowej.
Celem procesu tlenowego nie jest zwiększenie produkcji biogazu. Zwiększenie produkcji metanu dotyczy fermentacji beztlenowej. W komorze stabilizacji tlenowej istotnymi wskaźnikami efektywności są rozkład organicznej suchej masy, zużycie tlenu, czas stabilizacji, pozostała sucha masa, podatność na odwadnianie i całkowite koszty eksploatacji.
Przemysłowe sonikatory Hielscher można zintegrować z przewodem tłocznym WAS lub pętlą recyrkulacji komory stabilizacji. Ultradźwiękowe reaktory z komorą przepływową skupiają obróbkę na określonym strumieniu osadu i umożliwiają monitorowanie procesu na podstawie mocy, natężenia przepływu, stężenia suchej masy, ciśnienia i temperatury. Rezultatem jest kompaktowa modernizacja, która umożliwia dodanie ultradźwiękowej dezintegracji osadu bez wymiany istniejącej komory stabilizacji tlenowej.
Przemysłowy ultradźwiękowy moduł przepływowy Hielscher na ramie do przetwarzania zagęszczonego WAS
Dlaczego nadmierny osad czynny trudno poddaje się stabilizacji
Nadmierny osad czynny to nadmiar biologicznej suchej masy usuwany z procesu oczyszczania ścieków metodą osadu czynnego. Zawiera mikroorganizmy, zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe (EPS), wychwyconą materię organiczną i obojętne substancje stałe.
W osadniku wtórnym osiadły osad czynny jest dzielony na dwa strumienie:
- Osad czynny recyrkulowany (RAS) jest zawracany do komory napowietrzania w celu utrzymania wymaganego stężenia biomasy.
- Nadmierny osad czynny (WAS) jest usuwany z procesu oczyszczania fazy ciekłej i kierowany do zagęszczania, stabilizacji, fermentacji lub odwadniania.
WAS zawiera duży udział materiału komórkowego mikroorganizmów. Znaczna część jego biodegradowalnej materii organicznej jest zamknięta wewnątrz ścian komórkowych lub związana wewnątrz zwartych kłaczków osadu. Ta fizyczna ochrona spowalnia naturalną lizę komórek i hydrolizę.
Podczas stabilizacji tlenowej dostarczany jest tlen, natomiast dostępność nowego pożywienia jest niewielka. Mikroorganizmy przechodzą na oddychanie endogenne i zużywają zmagazynowany materiał, martwe komórki oraz inne biodegradowalne składniki osadu. Celem jest stabilizacja osadu, ograniczenie potencjału powstawania odorów i zmniejszenie ilości organicznej suchej masy, którą trzeba odwodnić i poddać unieszkodliwieniu.
Szybkość stabilizacji jest często ograniczona dostępem do substratu. Komora stabilizacji może zawierać aktywne mikroorganizmy i zapewniać wystarczający czas przebywania, ale materia organiczna wewnątrz nienaruszonych komórek i gęstych kłaczków pozostaje trudno dostępna.
Porównanie kłaczków niepoddanych obróbce z osadem poddanym sonikacji: Sonikacja znacznie zmniejsza kłaczki.
Badanie i zdjęcia: ©Chu et al. 2001
Jak kawitacja ultradźwiękowa udostępnia WAS do stabilizacji tlenowej
Przemysłowe sonikatory Hielscher pracują przy częstotliwości 20kHz i wytwarzają intensywną kawitację akustyczną w strumieniach cieczy i zawiesin. Pęcherzyki kawitacyjne powstają, rosną i zapadają się w osadzie. Ich zapadanie się wytwarza silne lokalne siły ścinania, które oddziałują bezpośrednio na kłaczki, EPS i komórki mikroorganizmów.
Obróbka ultradźwiękowa powoduje trzy istotne zmiany w WAS:
Dezintegracja kłaczków
Kawitacja rozbija agregaty osadu i odsłania powierzchnie wcześniej otoczone zewnątrzkomórkowymi substancjami polimerowymi (EPS). Osad poddany obróbce zawiera mniejsze cząstki i ma większą dostępną powierzchnię.
Rozbijanie EPS i komórek
Dezintegracja wspomagana ultradźwiękami zwiększa podatność komunalnego nadmiernego osadu czynnego na biodegradację tlenową poprzez rozbijanie wytrzymałych kłaczków osadu i uwalnianie uwięzionej materii organicznej. Kawitacja ultradźwiękowa rozbija błony i ściany komórkowe. Białka i węglowodany, a także inne związki wewnątrzkomórkowe, przechodzą do fazy ciekłej.
Zwiększona biodostępność
Mikroorganizmy tlenowe mogą łatwiej zużywać rozpuszczalną i drobno rozdrobnioną materię organiczną niż nienaruszone komórki mikroorganizmów i zwarte kłaczki. Sonikacja wykonuje zatem mechanicznie część pracy związanej z lizą i hydrolizą przed etapem utleniania biologicznego.
Sonikacja oddziałuje na grubą macierz ochronną osadu ściekowego, dzięki czemu jego rozkład przez mikroorganizmy staje się znacznie szybszy i wydajniejszy. Zwykle obserwuje się to jako wzrost chemicznego zapotrzebowania na tlen frakcji rozpuszczonej (SCOD).
Przemysłowy ultradźwiękowy reaktor przepływowy do usprawnienia stabilizacji WAS
Korzyści z sonikacji w instalacjach stabilizacji tlenowej
Efekt zależy od osadu i dawki ultradźwięków. Gdy sonikacja zwiększa podatność na biodegradację tlenową, oczyszczalnia ścieków może uzyskać:
- Większy rozkład organicznej suchej masy przy dotychczasowym czasie stabilizacji
- Porównywalną stabilizację osadu przy krótszym czasie przebywania
- Mniejszą ilość powstającej pozostałej suchej masy
- Dodatkową efektywną przepustowość istniejącej komory stabilizacji tlenowej
- Ograniczenie transportu i unieszkodliwiania osadów biologicznych
- Lepszą stabilność procesu w okresach dużego obciążenia suchą masą
- Lepszą kontrolę organizmów nitkowatych dzięki rozbijaniu kłaczków i komórek
Przepływowe sonikatory Hielscher umożliwiające łatwą modernizację
W pełnej skali zazwyczaj wydajniej jest poddawać sonikacji strumień zagęszczonego osadu niż całą objętość komory stabilizacji tlenowej. Ultradźwiękowe reaktory Hielscher z komorą przepływową umożliwiają zastosowanie dwóch praktycznych konfiguracji.
Obróbka wstępna WAS w przewodzie zasilającym
System ultradźwiękowy jest instalowany po zagęszczaniu WAS, a przed komorą stabilizacji tlenowej:
Zagęszczony WAS -> pompa zasilająca -> ultradźwiękowa komora przepływowa Hielscher -> komora stabilizacji tlenowej
Ten układ poddaje obróbce określony strumień masowy suchej masy i zapewnia jednoznaczną podstawę do kontrolowania jednostkowego nakładu energii ultradźwiękowej.
Schemat przepływu: Zagęszczony WAS -> pompa zasilająca -> przemysłowy sonikator przepływowy Hielscher UIP6000hdT -> komora stabilizacji tlenowej
Recyrkulacja komory stabilizacji lub obróbka strumienia bocznego
Kontrolowana część osadu jest pompowana z komory stabilizacji lub przewodu osadowego przez sonikator i zawracana do procesu. Ta konfiguracja jest przydatna, gdy istniejący przewód zasilający trudno zmodyfikować lub gdy obróbce należy poddać tylko wybraną część osadu.
Oba układy można zainstalować jako kompaktowe moduły na ramach, wyposażone w pompę, ultradźwiękową komorę przepływową, zawory odcinające, obejście serwisowe, pomiar ciśnienia i temperatury, punkty poboru próbek oraz układy sterowania procesem. Istniejący zbiornik komory stabilizacji pozostaje bez zmian.
Dzięki temu obróbka ultradźwiękowa szczególnie dobrze nadaje się do modernizacji istniejących oczyszczalni ścieków. Moduł ultradźwiękowy na ramie można zainstalować w przewodzie tłocznym, eksploatować niezależnie i omijać podczas przeglądów lub konserwacji.
Usprawnij dezintegrację osadu w procesie tlenowym dzięki ultradźwiękom o dużej mocy!
Przemysłowe sonikatory Hielscher zapewniają kompaktową i skalowalną metodę integracji ultradźwięków o dużej mocy z istniejącą linią przetwarzania WAS. Obróbka w komorze przepływowej zainstalowanej w linii skupia energię ultradźwiękową na strumieniu osadu, umożliwia powtarzalne kontrolowanie dawki i może zostać zaprojektowana do niezawodnej pracy 24/7 w trudnych warunkach eksploatacyjnych.
Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość Made in Germany
Sonikatory Hielscher są znane z najwyższej jakości i najwyższych standardów projektowania. Solidność i łatwa obsługa umożliwiają płynną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami pracy.
Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wykorzystujące najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Najczęściej zadawane pytania
Czy obróbka ultradźwiękowa zwiększa produkcję biogazu w komorze stabilizacji tlenowej?
Nie. Zwiększona wydajność produkcji metanu lub biogazu jest korzyścią związaną z fermentacją beztlenową. W przypadku stabilizacji tlenowej obróbkę ultradźwiękową należy oceniać na podstawie rozkładu VS, zużycia tlenu, czasu stabilizacji, pozostałej suchej masy, podatności na odwadnianie i całkowitych kosztów.
Gdzie instaluje się system ultradźwiękowy?
System jest zazwyczaj instalowany w linii po zagęszczaniu WAS, a przed komorą stabilizacji tlenowej. Może również pracować w kontrolowanym strumieniu bocznym lub pętli recyrkulacji komory stabilizacji. Obejście serwisowe umożliwia dalsze przesyłanie osadu podczas konserwacji.
Dlaczego warto stosować przemysłowy sonikator 20kHz?
Ultradźwięki o niskiej częstotliwości i dużej mocy wytwarzają intensywną kawitację i ścinanie mechaniczne. Jest to skuteczny sposób rozbijania kłaczków osadu, niszczenia EPS i otwierania komórek mikroorganizmów w strumieniach cieczy zawierających substancje stałe.
Czy sonikator Hielscher może pracować w sposób ciągły?
Tak. Przemysłowe sonikatory Hielscher z serii hdT są zaprojektowane do ciągłej pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych i znane ze swojej trwałości. Reaktory z komorą przepływową umożliwiają kontrolowaną obróbkę w linii lub w obiegu recyrkulacyjnym, a automatyczne rejestrowanie danych wspomaga monitorowanie procesu i jego powtarzalność.
Jakie dane są potrzebne do doboru wielkości ultradźwiękowego systemu do osadów?
Główne dane wejściowe to natężenie przepływu WAS, stężenia TS i VS, lepkość osadu, docelowa energia jednostkowa, wymagany efekt obróbki, liczba godzin pracy i dostępne ciśnienie. Zaleca się przeprowadzenie prób pilotażowych w celu określenia skutecznej dawki przed doborem wielkości systemu do pracy w pełnej skali.
Czy sonikacja poprawia odwadnianie osadu?
Wynik zależy od właściwości osadu i dawki. Umiarkowana obróbka może usprawnić przetwarzanie substancji stałych, natomiast nadmierna dezintegracja może wytwarzać drobne cząstki i rozpuszczalne polimery, które pogarszają wychwytywanie substancji stałych lub zmniejszają zawartość suchej masy w placku osadowym. Próby odwadniania są zatem niezbędną częścią optymalizacji procesu.
Co mówią badania naukowe o ultradźwiękowym wspomaganiu stabilizacji WAS?
Badania laboratoryjne potwierdzają zasadność stosowania ultradźwięków w celu zwiększenia dostępności WAS i jego podatności na biodegradację tlenową.
W badaniu łączonej alkalicznej i ultradźwiękowej obróbki wstępnej przed stabilizacją tlenową odnotowano rozkład materii organicznej przy tym samym czasie stabilizacji na poziomie 38,0% dla osadu niepoddanego obróbce i 42,5% dla osadu poddanego ultradźwiękowej obróbce wstępnej. Połączona alkaliczna i ultradźwiękowa obróbka wstępna zwiększyła rozkład do 50,7%. Wynik pokazuje, że same ultradźwięki mogą poprawić rozkład tlenowy, a jednocześnie wskazuje, że możliwa do osiągnięcia poprawa zależy od strategii obróbki wstępnej i właściwości osadu. (por. Jin et al., 2009)
W innym badaniu komunalnego WAS odnotowano zwiększoną solubilizację osadu i podatność na biodegradację tlenową po dezintegracji bakteryjnej wspomaganej ultradźwiękami. Osad poddany obróbce wstępnej wykazywał większą szybkość biodegradacji lub rozpadu niż niepoddana obróbce próba kontrolna. (por. Kavitha et al. 2016)
Czy sonikacja wspomaga inne procesy przetwarzania osadów?
Tak. Sonikacja wspomaga kilka procesów obróbki osadów poprzez rozbijanie kłaczków, EPS i komórek mikroorganizmów:
Fermentacja beztlenowa/Produkcja biogazu: przyspiesza hydrolizę, zwiększa COD frakcji rozpuszczonej i może poprawić rozkład VS oraz wydajność produkcji metanu.
Odzysk fosforu: uwalnia do fazy ciekłej fosfor związany z komórkami oraz fosfor organiczny, poprawiając jego dostępność do późniejszego wytrącania struwitu lub wiwianitu; ultradźwięki mogą również intensyfikować ługowanie fosforu z popiołu z osadów.
Literatura / Źródła
- 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 wersji laboratoryjnych po wersje przemysłowe.