Ultradźwiękowy odzysk fosforu z osadów ściekowych
- Światowe zapotrzebowanie na fosfor rośnie, podczas gdy zasoby naturalnego fosforu są coraz mniejsze.
- Osady ściekowe i popioły z osadów ściekowych są bogate w fosfor i dlatego mogą być wykorzystywane jako źródło do odzyskiwania fosforu.
- Ultradźwiękowa obróbka chemiczna na mokro i wytrącanie poprawia odzyskiwanie fosforanów z osadów ściekowych, a także z popiołu ze spalonego osadu i sprawia, że odzyskiwanie jest znacznie bardziej ekonomiczne.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) jest nieodnawialnym zasobem, który jest intensywnie wykorzystywany w rolnictwie jako nawóz, a także w wielu gałęziach przemysłu, gdzie fosfor jest cennym dodatkiem (np. farby, detergenty do prania, środki zmniejszające palność, pasza dla zwierząt). Osady ściekowe, popiół ze spalania osadów ściekowych (ISSA), obornik i ścieki mleczarskie są bogate w fosfor, co czyni je źródłem odzysku fosforu w odniesieniu do ograniczonych zasobów fosforu, a także obaw związanych z ochroną środowiska.
Stopień odzysku fosforu z ciekłych strumieni ścieków może sięgać od 40 do 50%, podczas gdy stopień odzysku z osadów ściekowych i popiołów z osadów ściekowych może sięgać nawet 90%. Fosfor może być wytrącany w wielu formach, z których jedną jest struwit (ceniony jako wysokiej jakości nawóz o powolnym uwalnianiu). Aby rekultywacja fosforu była ekonomiczna, należy usprawnić proces odzyskiwania. Ultradźwięki to metoda intensyfikacji procesu, która przyspiesza proces i zwiększa wydajność odzyskiwanych minerałów.
Ultradźwiękowy odzysk fosforu
Podczas sonikacji cenne materiały, takie jak struwit (fosforan magnezowo-amonowy (MAP)), fosforan wapnia, hydroksyapatyt (HAP) / hydroksyapatyt wapnia, fosforan oktawapniowy, fosforan trójwapniowy i dwuwodny fosforan dwuwapniowy można odzyskać ze strumieni odpadów. Obróbka ultradźwiękowa poprawia ekstrakcję chemiczną na mokro, a także wytrącanie i krystalizację (sono-krystalizację) cennych materiałów z osadów ściekowych i popiołu ze spalonego osadu.
Podczas gdy zawartość fosforu (8-10%), żelaza (10-15%) i aluminium (5-10%) w popiołach z monospalanych osadów ściekowych jest dość wysoka, zawierają one również toksyczne metale ciężkie, takie jak ołów, kadm, miedź i cynk.
Phopshorus Recovery – Dwuetapowy proces
-
- ekstrakcja kwasem
Pierwszym etapem odzyskiwania fosforu jest ekstrakcja lub ługowanie fosforu z osadów ściekowych lub popiołów ze spalonych osadów ściekowych (ISSA) przy użyciu kwasu, takiego jak kwas siarkowy lub kwas solny. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga wymywanie chemiczne na mokro poprzez zwiększenie transferu masy między kwasem a ISSA, dzięki czemu szybko uzyskuje się całkowite wymywanie fosforu. Etap obróbki wstępnej z użyciem kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA) może być stosowany w celu usprawnienia procedury ekstrakcji.
-
- Opady fosforu
Ultradźwiękowa krystalizacja znacznie poprawia wytrącanie fosforanów poprzez zwiększenie punktów zasiewu i przyspieszenie adsorpcji i agregacji cząsteczek w celu utworzenia kryształu. Ultradźwiękowe wytrącanie fosforu ze ścieków i ISSA można osiągnąć np. za pomocą wodorotlenku magnezu i wodorotlenku amonu. Powstały osad to struwit, związek składający się z magnezu, amonu, fosforu i tlenu.
Sonokrystalizacja struwitu
Dyspergowanie ultradźwiękowe sprzyja przenoszeniu masy między fazami i inicjuje zarodkowanie i wzrost kryształów fosforanów (np. struwitu / MAP).
Ultradźwiękowe wytrącanie i krystalizacja struwitu w linii pozwala na obróbkę dużych strumieni objętości na skalę przemysłową. Problem przetwarzania dużego strumienia osadów ściekowych można rozwiązać za pomocą ciągłego procesu ultradźwiękowego, który przyspiesza krystalizację struwitu i poprawia wielkość kryształów, wytwarzając mniejsze, bardziej jednorodne cząstki fosforanów. Rozkład wielkości wytrąconych cząstek określa szybkość zarodkowania i późniejszą szybkość wzrostu kryształów. Przyspieszone zarodkowanie i zahamowany wzrost są kluczowymi czynnikami wytrącania krystalicznych cząstek fosforanu, tj. struwitu, w roztworze wodnym. Ultradźwięki to metoda intensyfikacji procesu, która poprawia mieszanie w celu uzyskania jednorodnego rozkładu jonów reaktywnych.
Wiadomo, że wytrącanie ultradźwiękowe daje węższy rozkład wielkości cząstek, mniejszy rozmiar kryształu, kontrolowaną morfologię, a także szybkie tempo zarodkowania.
Kryształy struwitu wytrącone ze ścieków ze świń (źródło: Kim et al. 2017)
Dobre wyniki wytrącania można osiągnąć na przykład przy użyciu PO3-4 : NH+4 : Mg2+ w stosunku 1 : 3 : 4. Zakres pH od 8 do 10 prowadzi do maksymalnego uwalniania fosforanu P
Ultradźwięki to wysoce wydajna technika intensyfikacji procesu, która sprzyja wytrącaniu cennych materiałów, takich jak fosforan wapnia, fosforan magnezowo-amonowy (MAP) i hydroksyapatyt (HAP), hydroksyapatyt wapnia, fosforan oktawapniowy, fosforan trójwapniowy i dwuwodny fosforan dwuwapniowy ze ścieków. Osady ściekowe, obornik i ścieki mleczarskie są znane jako ścieki bogate w składniki odżywcze, które nadają się do produkcji cennych materiałów poprzez wytrącanie wspomagane ultradźwiękami.
Tworzenie się kryształów struwitu:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Przemysłowy sprzęt ultradźwiękowy do ługowania i wytrącania
Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe i reaktory są wymagane do obróbki popiołów ze spalanych osadów ściekowych (ISSA) i osadów ściekowych na skalę przemysłową. Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w projektowaniu i produkcji urządzeń ultradźwiękowych o dużej mocy – od laboratoryjnych i stołowych po w pełni przemysłowe. Ultradźwięki Hielscher są wytrzymałe i zbudowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem w wymagających środowiskach. Akcesoria, takie jak reaktory przepływowe o różnych geometriach, sonotrody (sondy ultradźwiękowe) i rogi wspomagające, pozwalają na optymalne dostosowanie systemu ultradźwiękowego do wymagań procesu. W celu przetwarzania strumieni o dużej objętości, Hielscher oferuje jednostki ultradźwiękowe o mocy 4 kW, 10 kW i 16 kW, które można łatwo łączyć równolegle z klastrami ultradźwiękowymi.
Wyrafinowane ultradźwięki firmy Hielscher są wyposażone w cyfrowy wyświetlacz dotykowy zapewniający łatwą obsługę i precyzyjną kontrolę parametrów procesu.
Przyjazność dla użytkownika i łatwa, bezpieczna obsługa to kluczowe cechy ultrasonografów Hielscher. Zdalne sterowanie przez przeglądarkę umożliwia obsługę i sterowanie systemem ultradźwiękowym za pomocą komputera, smartfona lub tabletu.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura/Referencje
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Wpływ ultradźwięków na procesy krystalizacji i wytrącania: Kilka przykładów i nowy model segregacji. Charakteryzacja cząstek i układów cząstek, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraction of Nutrients from Dairy Wastewater in the Form of MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) and HAP (Hydroxyapatite). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Wpływ pH, stosunków molowych i wstępnego oczyszczania na odzyskiwanie fosforu poprzez krystalizację struwitu ze ścieków z beztlenowo przefermentowanych trzody chlewnej. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produkcja krystalicznego nawozu o powolnym uwalnianiu ze ścieków poprzez krystalizację struwitu. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Fakty, które warto znać
Jak działa wytrącanie ultradźwiękowe?
Ultradźwięki wpływają na zarodkowanie i wzrost kryształów, proces znany jako sonokrystalizacja.
Po pierwsze, zastosowanie ultradźwięków pozwala wpływać na szybkość zarodkowania, gdzie z ciekłego roztworu tworzą się stałe kryształy. Ultradźwięki o dużej mocy tworzą kawitację, która polega na wzroście i implozji pęcherzyków próżniowych w ciekłym ośrodku. Implozja pęcherzyków próżniowych wprowadza energię do układu i zmniejsza krytyczną nadwyżkę energii swobodnej. W ten sposób punkty zasiewu i zarodkowanie są inicjowane z dużą szybkością i w najwcześniejszym momencie. Na granicy między pęcherzykiem kawitacyjnym a roztworem połowa cząsteczki substancji rozpuszczonej jest rozpuszczana przez rozpuszczalnik, podczas gdy druga połowa powierzchni cząsteczki jest pokryta pęcherzykiem kawitacyjnym, co zmniejsza szybkość solwatacji. Zapobiega to ponownemu rozpuszczeniu cząsteczki substancji rozpuszczonej, podczas gdy koagulacja cząsteczek w roztworze jest zwiększona.
Po drugie, sonikacja sprzyja wzrostowi kryształów. Mieszanie ultradźwiękowe sprzyja wzrostowi kryształów poprzez zwiększenie transferu masy i agregacji cząsteczek.
Wyniki osiągane przez sonikację mogą być kontrolowane przez tryb sonikacji:
Ciągła sonikacja:
Ciągła obróbka ultradźwiękowa roztworu wytwarza wiele miejsc zarodkowania, dzięki czemu powstaje duża liczba małych kryształów
Sonikacja impulsowa:
Zastosowanie pulsacyjnej / cyklicznej sonikacji pozwala na precyzyjną kontrolę wielkości kryształów
Sonikacja w celu zainicjowania zarodkowania:
Gdy ultradźwięki są stosowane tylko na początku procesu krystalizacji, powstaje skończona liczba jąder, które następnie rosną do większego rozmiaru.
Stosując ultradźwięki podczas krystalizacji, można wpływać i kontrolować tempo wzrostu, wielkość i kształt struktur krystalicznych. Różne opcje sonikacji sprawiają, że procesy sonokrystalizacji są precyzyjnie kontrolowane i powtarzalne.
Kawitacja ultradźwiękowa
Gdy ultradźwięki o wysokiej intensywności przecinają ciekły ośrodek, fale wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie) przepływają naprzemiennie przez ciecz. Gdy podciśnienie wywołane przez falę ultradźwiękową przechodzącą przez ciecz jest wystarczająco duże, odległość między cząsteczkami cieczy przekracza minimalną odległość molekularną wymaganą do utrzymania cieczy w stanie nienaruszonym, a następnie ciecz rozpada się, tworząc pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Te pęcherzyki próżniowe są również znane jako kawitacja bańki.
Pęcherzyki kawitacyjne używane do zastosowań ultradźwiękowych, takich jak mieszanie, Dyspersacja, frezowanie, ekstracji itp. występują przy natężeniu ultradźwięków wyższym niż 10 Wcm2. Pęcherzyki kawitacyjne rosną w kilku akustycznych cyklach niskiego / wysokiego ciśnienia, aż osiągną rozmiar, w którym nie mogą wchłonąć więcej energii. Gdy pęcherzyk kawitacyjny osiągnie swój maksymalny rozmiar, imploduje gwałtownie podczas cyklu sprężania. Gwałtowne zapadanie się przejściowego pęcherzyka kawitacyjnego tworzy ekstremalne warunki, takie jak bardzo wysokie temperatury i ciśnienia, bardzo wysokie różnice ciśnień i temperatur oraz strumienie cieczy. Siły te są źródłem efektów chemicznych i mechanicznych wykorzystywanych w zastosowaniach ultradźwiękowych. Każdy zapadający się pęcherzyk może być uważany za mikroreaktor, w którym temperatury kilku tysięcy stopni i ciśnienia wyższe niż tysiąc atmosfer są tworzone natychmiast [Suslick et al 1986].
Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających
fosfor
Fosfor jest niezbędnym, nieodnawialnym zasobem, a eksperci już teraz przewidują, że świat osiągnie poziom “szczyt fosforu”, tj. czas, od którego podaż nie będzie już w stanie zaspokoić zwiększonego popytu, za około 20 lat. Komisja Europejska już sklasyfikowała fosfor jako surowiec krytyczny.
Osady ściekowe są często wykorzystywane jako nawóz do nawożenia pól. Ponieważ jednak osady ściekowe zawierają nie tylko cenne fosforany, ale także szkodliwe metale ciężkie i zanieczyszczenia organiczne, wiele krajów, takich jak Niemcy, ogranicza przepisy dotyczące ilości osadów ściekowych, które mogą być wykorzystywane jako nawóz. W wielu krajach, takich jak Niemcy, obowiązują rygorystyczne przepisy dotyczące nawozów, które ściśle ograniczają zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Ponieważ fosfor jest zasobem ograniczonym, niemieckie rozporządzenie w sprawie osadów ściekowych z 2017 r. wymaga od operatorów oczyszczalni ścieków recyklingu fosforanów.
Fosfor może być odzyskiwany ze ścieków, osadów ściekowych, a także z popiołu ze spalonych osadów ściekowych.
fosforan
Fosforan, nieorganiczny związek chemiczny, jest solą kwasu fosforowego. Nieorganiczne fosforany są wydobywane w celu uzyskania fosforu do wykorzystania w rolnictwie i przemyśle. W chemii organicznej fosforan lub organofosforan jest estrem kwasu fosforowego.
Nie należy mylić nazwy fosfor z pierwiastkiem fosfor (symbol chemiczny P). Są to dwie różne rzeczy. Fosfor, wielowartościowy niemetal z grupy azotowców, powszechnie występuje w nieorganicznych skałach fosforanowych.
Fosforany organiczne są ważne w biochemii i biogeochemii.
Fosforan to nazwa jonu PO43-. Z drugiej strony kwas fosforowy to nazwa kwasu trójrotonowego H3PO3. Jest to połączenie 3 H+ i jeden jon fosforynowy (PO33-).
Fosfor to pierwiastek chemiczny o symbolu P i liczbie atomowej 15. Związki fosforu są również szeroko stosowane w materiałach wybuchowych, środkach nerwowych, zapałkach ciernych, fajerwerkach, pestycydach, pastach do zębów i detergentach.
struwit
Struwit, określany również jako fosforan magnezowo-amonowy (MAP), jest minerałem fosforanowym o wzorze chemicznym NH4MgPO4-6H2O. Struwit krystalizuje w układzie ortorombowym w postaci białych do żółtawych lub brązowawo-białych kryształów piramidalnych lub w formach przypominających płytki. Będąc miękkim minerałem, struwit ma twardość Mohsa od 1,5 do 2 i niski ciężar właściwy 1,7. W warunkach obojętnych i zasadowych struwit jest trudno rozpuszczalny, ale może być łatwo rozpuszczony w kwasie. Kryształy struwitu tworzą się, gdy w ściekach występuje stosunek moli do moli (1:1:1) magnezu, amoniaku i fosforanów. Wszystkie trzy pierwiastki – magnez, amoniak i fosforan – są zwykle obecne w ściekach: magnez pochodzi głównie z gleby, wody morskiej i wody pitnej, amoniak jest rozkładany z mocznika w ściekach, a fosforany pochodzą z żywności, mydeł i detergentów w ściekach. Przy obecności tych trzech pierwiastków struwit tworzy się z większym prawdopodobieństwem przy wyższych wartościach pH, wyższej przewodności, niższych temperaturach i wyższych stężeniach magnezu, amoniaku i fosforanów. Odzyskiwanie fosforu ze ścieków w postaci struwitu i recykling tych składników odżywczych jako nawozu dla rolnictwa jest obiecujące.
Struvite to cenny nawóz mineralny o spowolnionym uwalnianiu stosowany w rolnictwie, który ma zalety granulatu, jest łatwy w użyciu i bezzapachowy.