Różne rozwiązania w zakresie odzysku fosforu z komunalnych osadów ściekowych

Fosfor jest krytycznym surowcem mineralnym, którego naturalne zasoby szybko się kurczą. W związku z tym rząd Niemiec ustanowił w drodze rozporządzenia, że od 2029 roku fosfor musi być w znacznym stopniu odzyskiwany z osadów ściekowych. Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy otwiera różne możliwości intensyfikacji odzysku fosforu z komunalnych osadów ściekowych.

Zakłady przetwarzania osadów ściekowych i recykling fosforu

Fosfor jest pierwiastkiem o krytycznym znaczeniu, szeroko stosowanym jako nawóz i surowiec w przemyśle chemikaliów specjalistycznych oraz farmaceutycznym. Ze względu na szybko kurczące się dostępne zasoby rząd Niemiec wprowadził przepisy, zgodnie z którymi wszystkie komunalne oczyszczalnie ścieków muszą podjąć działania w celu odzysku fosforu z komunalnych osadów ściekowych. Zastosowanie ultradźwięków o wysokiej wydajności oferuje różne możliwości przetwarzania, które znacząco zwiększają efektywność odzysku fosforu.

Oczyszczalnie ścieków wykorzystują ultradźwięki do poprawy fermentacji osadów i odzysku składników odżywczych, takich jak fosfor.

Ultradźwiękowa dezintegracja osadów ściekowych w celu poprawy odzysku fosforu

Jednoznacznie wykazano, że poddawanie osadów ściekowych działaniu fal ultradźwiękowych dużej mocy poprawia dezintegrację biomasy w osadach ściekowych. Liczne badania wykazały korzyści płynące z ultradźwiękowego przetwarzania nadmiernego osadu czynnego, a różne przemysłowe systemy ultradźwiękowe pracują w komunalnych oczyszczalniach ścieków w Niemczech.
Ultradźwiękowa obróbka wstępna substratów w osadach ściekowych ma kilka korzystnych skutków dla procesów fermentacji beztlenowej. Korzyści te obejmują zmniejszenie wielkości cząstek, zwiększenie szybkości hydrolizy i skrócenie hydraulicznego czasu retencji.
Kawitacyjne siły ścinające generowane przez fale ultradźwiękowe o wysokim natężeniu / niskiej częstotliwości powodują rozpad struktury morfologicznej kłaczków osadu i struktury mikrobiologicznej osadu.
Zespół badawczy Nguyena wykazał w swoich badaniach, „że zastosowanie ultradźwięków jest bardzo skuteczne w zmniejszaniu wielkości cząstek biomasy, zapewniając zmniejszenie do średniej wielkości cząstek wynoszącej >78,78%, proporcjonalnie do czasu i natężenia ekspozycji na ultradźwięki. Wskazywało to, że cząstki osadu ulegały dezintegracji, a ich wielkość malała, zgodnie z odwrotną zależnością między czasem sonikacji a wielkością cząstek kłaczków. Zastosowanie tej metody było wysoce skuteczne, mimo że obserwacje kłaczków osadu przed obróbką wykazały, iż były one gęste i bardzo zwarte, złożone między innymi z wielu podstruktur o zwartych rdzeniach, skupisk komórek, kolonii bakterii, pierwotniaków i bakterii nitkowatych. Analiza odpływu wykazuje, że proces ultradźwiękowy znacząco naruszył integralność strukturalną kłaczków osadu wszystkich rozmiarów. Fragmenty kłaczków zmniejszyły się aż do ≤6,5 μm w optymalnych warunkach obróbki i uległy rozpuszczeniu w zawiesinie osadu po 5–10 min obróbki ultradźwiękowej przy niskiej częstotliwości ultradźwięków wynoszącej 20 kHz”. (Nguyen et al., 2015)
Skutecznie zdezintegrowany osad ściekowy, tj. osad poddany sonikacji, wykazuje znacznie lepsze właściwości separacyjne, umożliwiające oddzielanie frakcji bogatych w fosfor od biomasy, frakcji żelowych oraz wody. Kawitacja ultradźwiękowa rozbija struktury komórkowe biomasy w osadach ściekowych i ułatwia późniejsze frakcjonowanie na trzy frakcje: (i) włókna bogate w celulozę, (ii) żel bogaty w składniki odżywcze oraz (iii) ciecz łatwo poddającą się fermentacji. Te trzy frakcje osadu mogą być dalej przetwarzane, np. w celu odzysku fosforu, usuwania metali ciężkich itp.

Wytrącanie fosforu metodą chemiczną na mokro intensyfikowane ultradźwiękami

Sonikacja jest dobrze znaną techniką od dawna stosowaną w chemii do skutecznego i wydajnego wytrącania minerałów, cząstek i kryształów. W odzysku fosforu z osadów ściekowych sonikację stosuje się w celu wspomagania i przyspieszania wytrącania struwitu. Struwit (fosforan magnezowo-amonowy) jest minerałem fosforanowym o wzorze NH₄MgPO₄·6H₂ O, który stanowi proste rozwiązanie umożliwiające usuwanie fosforu w postaci związanej z osadów odpadowych.
Podczas procesu krystalizacji / wytrącania struwitu jony PO₄^3-, NH₄⁺ i Mg²⁺ są usuwane z fazy ciekłej wskutek wytrącania struwitu, aż reakcja osiągnie stan równowagi.

Kryształy struwitu wytrącone ze ścieków z hodowli trzody chlewnej.
(zdjęcie i badanie: ©Kim et al. 2017)

Gdy sonikację stosuje się jako obróbkę wstępną osadu przed procesem wytrącania struwitu, kawitacja wywołana ultradźwiękami zapewnia dokładne mieszanie na poziomie molekularnym, udostępniając aktywną powierzchnię do wzrostu kryształów. Zwiększenie szybkości solubilizacji substancji zewnątrzkomórkowych i wewnątrzkomórkowych dodatkowo wspomaga wytrącanie struwitu poprzez zwiększenie biodostępności jonów NH₄⁺ i PO₄^3- . Obróbka sonikacyjna ułatwia przenoszenie masy w zawiesinie dzięki kawitacji ultradźwiękowej.
Sonikację można również stosować do cieczy procesowej z karbonizacji hydrotermalnej, z której fosfor odzyskuje się w postaci struwitu poprzez ekstrakcję i wytrącanie wspomagane ultradźwiękami.
Przeczytaj więcej o wytrącaniu struwitu na dużą skalę w celu odzysku fosforu z osadów ściekowych!

Proces sono-Fentona do uwalniania fosforu z osadów ściekowych

Badanie Gong et al. (2015) wykazało skuteczność połączonej obróbki wstępnej ultradźwiękami i metodą Fentona (znanej również jako proces sono-Fentona) w dezintegracji osadów ściekowych. Zastosowanie obróbki ultradźwiękami i metodą Fentona znacząco zwiększyło uwalnianie węgla, azotu i fosforu. Obróbka metodą sono-Fentona zwiększyła ilość azotu ogólnego (N) i fosforu (P) odpowiednio 1,7 i 2,2 razy w porównaniu z samą obróbką metodą Fentona. Po obróbce metodą sono-Fentona osad wykazywał znacznie mniejszą wielkość cząstek i luźniejszą mikrostrukturę, co stwierdzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. W pomiarach elektronowego rezonansu spinowego najwyższe natężenie sygnału OH• wzrosło z 568,7 przy obróbce metodą Fentona do 1106,3 po obróbce metodą sono-Fentona. Wykazało to, że obróbka metodą sono-Fentona wywołuje dezintegrację osadu i znacząco poprawia uwalnianie węgla organicznego, azotu i fosforu.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe intensyfikowane ultradźwiękami

Ultradźwiękowa obróbka wstępna osadów ściekowych wspomaga solubilizację różnych związków organicznych z matrycy osadu, co następnie przyspiesza mikrobiologiczną elektrogenerezę wodoru.
More i Ghangrekar (2010) przypisują korzystny wpływ wstępnej obróbki sonikacyjnej na mikrobiologiczne ogniwa paliwowe zwiększonej aktywności enzymatycznej oraz dostępności zewnątrzkomórkowych białek, polisacharydów i enzymów, które są uwalniane z wewnętrznych warstw kłaczków osadu do warstw zewnętrznych wskutek ultradźwiękowej sonoporacji i rozbijania komórek, co poprawia efektywność wykorzystania substratu. Aby poprawić pozyskiwanie energii elektrycznej z mikrobiologicznych ogniw paliwowych, konieczne jest zwiększenie zdolności bakterii do przenoszenia elektronów na zewnątrzkomórkową substancję stałą. To zewnątrzkomórkowe przenoszenie elektronów może zachodzić albo przy bezpośrednim kontakcie powierzchni komórki z powierzchnią ciała stałego, albo pośrednio przez tak zwane mediatory egzogenne i endogenne. Aby mogło nastąpić bezpośrednie przeniesienie elektronu między bakterią a powierzchnią elektrody, elektron powinien dotrzeć do zewnętrznej błony komórki. Zjawisko to mogło wystąpić wskutek wstępnej obróbki ultradźwiękowej inokulum, gdy dostarczona energia właściwa była odpowiednia, sprzyjając tym samym wyższej sprawności kulombowskiej.
Proces elektrolizy mikrobiologicznej intensyfikowany ultradźwiękami można by połączyć z kolejnymi procesami fermentacji w celu przetwarzania osadu.

Sonoelektrochemiczne przetwarzanie osadów ściekowych

Elektrokoagulacja jest prostym procesem, który można łatwo zastosować do ścieków i który pozwala na wydajne oraz ekonomiczne przetwarzanie dużych objętości. Sonikacja pomaga przezwyciężyć główną wadę procesów elektrokoagulacji, zapobiegając tworzeniu się warstw pasywacyjnych na elektrodach. Warstwy pasywne tworzące się z czasem na powierzchni elektrod drastycznie zmniejszają efektywność systemów elektrokoagulacji, a ultradźwięki stanowią prostą metodę ciągłego usuwania tych warstw pasywacyjnych podczas pracy, przy czym sonikacja jednocześnie zwiększa wydajność przetwarzania systemów elektrokoagulacji. Fale ultradźwiękowe rozbijają osady powstające na powierzchni elektrod i generują duże ilości form rodnikowych służących do usuwania zanieczyszczeń, tworząc podczas zjawiska kawitacji punkty wysokiego ciśnienia wewnątrz roztworu. Przy połączeniu elektrokoagulacji z ultradźwiękami, wskutek tworzenia nowych powierzchni na elektrodzie przez kawitację lub mikroprzepływy, zmniejszenie grubości warstwy dystrybucyjnej nasila się wraz ze zwiększaniem szybkości przenoszenia masy. Sonoelektrokoagulacja zwiększa ilość powstającego koagulantu w porównaniu z elektrokoagulacją, a flokulacja jest wzmacniana przez niezwykle intensywne mieszanie i utlenianie wynikające z powstawania wolnych rodników; dlatego osiągnięcie pożądanej efektywności jest możliwe w najkrótszym czasie.
(Moradi et al., 2021)

Zalety sonoelektrochemii i sonoelektrokoagulacji

„Sonoelektrochemia polega na połączeniu energii ultradźwiękowej z układem elektrochemicznym, co oferuje szereg korzyści, w tym usuwanie pęcherzyków gazu z powierzchni elektrody, odgazowywanie roztworu, zaburzanie warstwy dyfuzyjnej Nernsta, zwiększenie transportu masy form elektroaktywnych przez warstwę podwójną oraz aktywację i czyszczenie powierzchni elektrody. Te korzyści w elektrochemii prowadzą do poprawy sprawności procesów (sprawności elektrodowej i prądowej), zwiększenia szybkości i wydajności procesów elektrochemicznych, obniżenia napięć ogniw i nadpotencjałów elektrod, poprawy właściwości materiałów osadzanych elektrolitycznie pod względem twardości, jakości, porowatości i grubości oraz ograniczenia zanieczyszczania elektrod i odgazowywania na powierzchni elektrody”. (Foroughi et al., 2021)
Przeczytaj więcej o urządzeniach sonoelektrochemicznych i ich zastosowaniach!

Przemysłowe systemy ultradźwiękowe do przetwarzania osadów ściekowych

Systemy Hielscher Ultrasonics o wysokiej wydajności są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy w oczyszczalniach ścieków i zakładach przetwarzania osadów ściekowych. Systemy ultradźwiękowe Hielscher dostarczają ultradźwięki dużej mocy o częstotliwości 20kHz, które wywołują intensywną kawitację akustyczną. Efekty naszej obróbki ultradźwiękowej dużej mocy obejmują rozbijanie komórek i dezintegrację, intensywne przenoszenie masy, dezynfekcję, rozkład polimerów, uwalnianie enzymów i homogenizację osadu. Sonikacja o wysokim natężeniu poprawia efektywność przetwarzania poprzez wytwarzanie rodników utleniających i zwiększanie liczby miejsc zarodkowania, zapewniając lepszą koagulację i flokulację. Niezawodne i ciągłe wytwarzanie tych intensywnych sił kawitacji ultradźwiękowej oraz ich efektów pozwala na integrowanie naszych procesorów ultradźwiękowych dużej mocy w różnych zastosowaniach w celu poprawy odzysku energii i składników odżywczych z osadów ściekowych.

• Ultradźwiękowa dezintegracja osadów ściekowych
• Fermentacja beztlenowa intensyfikowana ultradźwiękami
• Odzysk cennych składników odżywczych (fosforu, azotu, magnezu, wapnia, potasu itp.)
• Usuwanie zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie

Oferując procesory ultradźwiękowe z reaktorami przepływowymi o różnych rozmiarach, Hielscher Ultrasonics dysponuje idealnymi ultradźwiękowymi systemami do przetwarzania ścieków i osadów dla Twojego zakładu przetwarzania osadów ściekowych.
Modułowa konstrukcja umożliwia łatwą instalację kilku jednostek ultradźwiękowych równolegle, co pozwala na niezawodne i wydajne przetwarzanie dowolnej objętości.
Systemy ultradźwiękowe Hielscher o dużej mocy / wysokiej wydajności przetwarzania zwiększają efektywność i uzysk podczas przetwarzania biomasy w osadach ściekowych.
Wszystkie nasze sonikatory umożliwiają czyszczenie na miejscu (CIP).
Przystosowane do wymagających procesów: osady ściekowe często zawierają materiały włókniste o wysokiej zawartości celulozy, które trudno poddają się dezintegracji. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy w trybie 24/7. W celu uzyskania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Tak wysokie amplitudy stanowią skuteczny sposób rozbijania struktury komórkowej celuloz, ligniny oraz wytrzymałych ścian komórkowych innych materiałów. Zoptymalizowana konstrukcja naszych reaktorów z komorami przepływowymi zapewnia idealne wzorce przepływu oraz równomierną, wydajną obróbkę ultradźwiękową doprowadzanego osadu.

Współpracujemy z integratorami systemów i inżynierami zakładów przetwarzania osadów ściekowych

Jako producent i wykonawca systemów modułowych jednostek ultradźwiękowych o wysokiej wydajności Hielscher Ultrasonics współpracuje z integratorami systemów. Większość operatorów oczyszczalni ścieków i zakładów przetwarzania osadów ściekowych współpracuje z integratorami systemów, którzy mają duże doświadczenie w projektowaniu i automatyzacji takich instalacji oczyszczania. Nasz zespół konstruktorów i inżynierów technicznych zaleca optymalną konfigurację ultradźwiękową dla docelowej objętości osadu, dostarcza szczegółowe informacje o systemie i rysunki CAD, a także zapewnia usługi instalacyjne i szkolenia z obsługi. Umożliwia to konstruktywne i ukierunkowane na cel wdrożenie integracji ultradźwięków o wysokiej wydajności w oczyszczalniach ścieków. Skontaktuj się z nami, jeśli interesuje Cię integracja naszych procesorów ultradźwiękowych w celu poprawy przetwarzania osadów!

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Skontaktuj się z nami już teraz, aby uzyskać więcej szczegółów na temat ultradźwiękowych systemów Hielscher do przetwarzania osadów ściekowych, możliwości instalacji i informacji technicznych!