Różne rozwiązania w zakresie odzyskiwania fosforu z komunalnych osadów ściekowych

Fosfor jest kluczowym surowcem mineralnym, którego naturalne zasoby szybko się zmniejszają. W związku z tym rząd niemiecki uchwalił dekretem, że od 2029 r. fosfor musi być w dużej mierze odzyskiwany z osadów ściekowych. Wdrożenie ultradźwięków energetycznych otwiera różne możliwości intensyfikacji odzysku fosforu z komunalnych osadów ściekowych.

Oczyszczalnie osadów ściekowych i recykling fosforu

Fosfor jest pierwiastkiem krytycznym, szeroko stosowanym jako nawóz i surowiec w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym. Ze względu na szybko kurczące się dostępne zasoby, rząd niemiecki wdrożył prawo, zgodnie z którym wszystkie komunalne oczyszczalnie ścieków muszą ustanowić pomiar w celu odzyskania fosforu z komunalnych osadów ściekowych. Wdrożenie wysokowydajnych ultradźwięków oferuje różne opcje oczyszczania, które znacznie zwiększają wydajność odzyskiwania fosforu.

Oczyszczalnie ścieków wykorzystują ultradźwięki do lepszego trawienia osadów i odzyskiwania składników odżywczych, takich jak fosfor.

Ultradźwiękowa dezintegracja osadów ściekowych w celu poprawy odzysku fosforu

Wyraźnie wykazano, że napromieniowanie osadów ściekowych silnymi falami ultradźwiękowymi poprawia rozpad biomasy w osadach ściekowych. Liczne badania wykazały korzyści płynące z ultradźwiękowej obróbki osadu czynnego, a różne przemysłowe systemy ultradźwiękowe działają 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 wysokiej intensywności / niskiej częstotliwości powodują rozpad morfologii kłaczków osadu i mikrobiologicznej struktury osadu.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Skutecznie zdezintegrowany osad ściekowy, tj. osad poddany działaniu ultradźwięków, wykazuje znacznie lepsze właściwości separacyjne pozwalające na usuwanie frakcji bogatych w fosfor z biomasy i frakcji żelopodobnych, a także 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, która jest łatwo fermentowalna. Te trzy frakcje osadu mogą być dalej przetwarzane, np. odzyskiwanie fosforu, usuwanie metali ciężkich itp.

Ultradźwiękowo zintensyfikowane chemiczne wytrącanie fosforu na mokro

Ultradźwięki są dobrze znaną techniką stosowaną od dawna w chemii do bezpiecznego i skutecznego wytrącania minerałów, cząstek i kryształów. Do odzyskiwania fosforu z osadów ściekowych stosuje się sonikację w celu promowania i przyspieszenia wytrącania struwitu. Struwit (fosforan magnezowo-amonowy) jest minerałem fosforanowym o wzorze NH₄MgPO₄-6H₂ O, który oferuje proste rozwiązanie do usuwania fosforu w postaci związanej z osadów ściekowych.
Podczas procesu krystalizacji / wytrącania struwitu, jony PO₄^3-, NH₄⁺i Mg²⁺ są usuwane z fazy ciekłej w wyniku wytrącania struwitu, aż reakcja osiągnie stan równowagi.

Kryształy struwitu wytrącone ze ścieków wieprzowych.
(zdjęcie i opracowanie: ©Kim et al. 2017)

Gdy ultradźwięki są stosowane jako wstępna obróbka osadu przed procesem wytrącania struwitu, kawitacja wywołana ultradźwiękami zapewnia dokładne mieszanie na poziomie molekularnym, zapewniając aktywną powierzchnię do wzrostu kryształów. Zwiększenie szybkości solubilizacji substancji zewnątrzkomórkowych i wewnątrzkomórkowych, dodatkowo korzystnie wpływa na wytrącanie struwitu poprzez zwiększenie biodostępności NH₄⁺ i PO₄^3- jonów. Zabieg sonikacji powoduje ułatwiony transfer masy przez zawiesinę, co jest spowodowane kawitacją ultradźwiękową.
Sonikacja może być również stosowana do hydrotermalnego płynu karbonizacyjnego, w którym fosfor jest zawracany jako struwit z hydrotermalnego płynu karbonizacyjnego poprzez wspomaganą ultradźwiękami ekstrakcję i wytrącanie.
Przeczytaj więcej o strącaniu struwitu na dużą skalę w celu odzyskiwania fosforu z osadów ściekowych!

Sono-Fenton do uwalniania fosforu z osadów ściekowych

Badanie Gong et al. (2015) wykazało skuteczność połączonej obróbki wstępnej ultradźwiękami-Fenton (znanej również jako sono-Fenton) do dezintegracji osadów ściekowych. Zastosowanie obróbki ultradźwiękowej-Fentona znacznie zwiększyło uwalnianie węgla, azotu i fosforu. Obróbka sono-Fenton zwiększyła całkowity azot (N) i fosfor (P) odpowiednio 1,7- i 2,2-krotnie w porównaniu z samą obróbką Fenton. Po obróbce sono-Fentonem osad wykazywał znacznie drobniejszy rozmiar cząstek i luźniejszą mikrostrukturę w oparciu o skaningową mikroskopię elektronową. Wykorzystując elektronowy rezonans spinowy, najwyższa intensywność sygnału OH- wzrosła z 568,7 przy obróbce Fentonem do 1106,3 po obróbce sono-Fentonem. Wykazało to, że obróbka sono-Fenton indukuje dezintegrację osadu i znacznie poprawia uwalnianie węgla organicznego, azotu i fosforu.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wzmocnione ultradźwiękami

Ultradźwiękowa obróbka wstępna osadów ściekowych sprzyja solubilizacji różnych związków organicznych z matrycy osadu, co następnie przyspiesza mikrobiologiczną elektrohydrogenezę.
More i Ghangrekar (2010) przypisują korzystny wpływ wstępnej obróbki sonicznej na mikrobiologiczne ogniwa paliwowe zwiększonej aktywności enzymatycznej i dostępności zewnątrzkomórkowych białek, polisacharydów i enzymów, które są uwalniane z wewnętrznych warstw kłaczków osadu do warstw zewnętrznych przez ultradźwiękową sonoporację i rozrywanie komórek, co skutkuje poprawą wydajności wykorzystania substratów. Aby poprawić pozyskiwanie energii elektrycznej z mikrobiologicznych ogniw paliwowych, konieczna jest poprawa zdolności przenoszenia elektronów przez bakterie do pozakomórkowej substancji stałej. Ten pozakomórkowy transfer elektronów może zachodzić albo w bezpośrednim kontakcie między powierzchnią komórki a powierzchnią stałą, albo pośrednio poprzez tak zwane egzogenne i endogenne mediatory. W przypadku bezpośredniego transferu elektronów między bakteriami a powierzchnią elektrody, elektron powinien dotrzeć do zewnętrznej błony komórki. Zjawisko to mogło wystąpić z powodu wstępnej obróbki ultradźwiękowej inokulum, gdy dostarczona energia była odpowiednia, co sprzyjało wyższej wydajności kulombowskiej.
Ultradźwiękowo zintensyfikowany proces elektrolizy mikrobiologicznej można połączyć z późniejszymi procesami fermentacji w celu obróbki osadów.

Sonoelektrochemiczna obróbka osadów ściekowych

Elektrokoagulacja jest prostym procesem, który można łatwo zastosować do ścieków i pozwala na oczyszczanie dużych objętości w sposób wydajny i opłacalny. Ultradźwięki pomagają przezwyciężyć główną wadę procesów elektrokoagulacji, zapobiegając tworzeniu się warstw pasywujących na elektrodach. Pasywne filmy tworzące się z czasem na powierzchni elektrody drastycznie zmniejszają wydajność systemów elektrokoagulacji, a ultradźwięki są łatwą metodą usuwania tych warstw pasywujących w sposób ciągły podczas pracy, a jednocześnie sonikacja zwiększa obroty systemów elektrokoagulacji. Fale ultradźwiękowe rozbijają osady powstałe na powierzchni elektrody i generują duże ilości rodników w celu usunięcia zanieczyszczeń poprzez tworzenie punktów wysokiego ciśnienia wewnątrz roztworu podczas zjawiska kawitacji. Łącząc elektrokoagulację z ultradźwiękami, ze względu na tworzenie nowych powierzchni na elektrodzie przez kawitację lub mikrostrumieniowanie, spadek grubości warstwy dystrybucyjnej jest zaostrzony przez zwiększenie szybkości transferu masy. Sono-elektrokoagulacja zwiększa ilość tworzonego koagulantu w porównaniu z elektrokoagulacją, a flokulacja jest wzmocniona przez ekstremalne mieszanie i utlenianie przez tworzenie wolnych rodników; dlatego osiągnięcie pożądanej wydajności jest możliwe w jak najkrótszym czasie.
(Moradi i in., 2021)

Zalety sonoelektrochemii i sonoelektrokoagulacji

"Sonoelektrochemia to połączenie energii ultradźwiękowej w układzie elektrochemicznym, które oferuje szereg korzyści, w tym usuwanie pęcherzyków gazu na powierzchni elektrody, odgazowanie roztworu, przerwanie warstwy dyfuzyjnej Nernsta, zwiększenie transportu masy gatunków elektroaktywnych przez warstwę podwójną oraz aktywację i czyszczenie powierzchni elektrody. Te korzyści w elektrochemii prowadzą do poprawy wydajności procesu (wydajności elektrody i prądu), zwiększenia szybkości i wydajności elektrochemicznej, obniżenia napięcia ogniwa i nadpotencjału elektrody, poprawy materiałów elektrodepozytowych pod względem twardości, jakości, porowatości i grubości oraz tłumienia zanieczyszczenia elektrody i odgazowania na powierzchni elektrody". (Foroughi et al., 2021)
Dowiedz się więcej o urządzeniach sonoelektrochemicznych i ich zastosowaniach!

Przemysłowe systemy ultradźwiękowe do oczyszczania osadów ściekowych

Wysokowydajne systemy Hielscher Ultrasonics są niezawodnym koniem roboczym w oczyszczalniach ścieków i osadów ściekowych. Systemy ultradźwiękowe Hielscher dostarczają ultradźwięki o dużej mocy przy częstotliwości 20 kHz, co powoduje intensywną kawitację akustyczną. Efekty naszego leczenia ultradźwiękowego o dużej mocy obejmują rozbicie i dezintegrację komórek, wysoki transfer masy, dezynfekcję, rozkład polimerów, uwalnianie enzymów i homogenizację osadu. Sonikacja o wysokiej intensywności poprawia skuteczność oczyszczania poprzez generowanie rodników utleniających i zwiększenie liczby miejsc zarodkowania, zapewniając lepszą koagulację i flokulację. Niezawodne i ciągłe generowanie tych intensywnych ultradźwiękowych sił kawitacyjnych i ich efektów pozwala na integrację naszych potężnych procesorów ultradźwiękowych do różnych zastosowań w celu poprawy pozyskiwania energii i składników odżywczych z osadów ściekowych.

• Ultradźwiękowa dezintegracja osadów ściekowych
• Ultradźwiękowo zintensyfikowana fermentacja beztlenowa
• Odzyskiwanie cennych składników odżywczych (fosfor, azot, magnez, wapń, potas itp.).
• Usuwanie zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie

Oferując procesory ultradźwiękowe z reaktorami przepływowymi w różnych rozmiarach, firma Hielscher Ultrasonics posiada idealne ultradźwiękowe systemy oczyszczania ścieków i osadów ściekowych.
Modułowa konstrukcja pozwala na prostą instalację kilku jednostek ultradźwiękowych równolegle, co umożliwia niezawodną i wydajną obróbkę dowolnej objętości.
Systemy ultradźwiękowe Hielscher o dużej mocy / wysokiej przepustowości zwiększają wydajność i wydajność przetwarzania biomasy w osadach ściekowych.
Wszystkie nasze ultradźwięki są wyposażone w funkcję czyszczenia na miejscu (CIP).
Odpowiedni do wymagających procesów oczyszczania: Osady ściekowe często zawierają materiały włókniste o wysokiej zawartości celulozy, które są trudne do rozpadu. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Tak wysokie amplitudy są skutecznym sposobem na zakłócenie struktury komórkowej celulozy, ligniny i wytrzymałych ścian komórkowych innych materiałów. Zoptymalizowana konstrukcja naszych reaktorów przepływowych zapewnia idealne wzorce przepływu i jednolitą, wydajną obróbkę ultradźwiękową podawanego osadu.

Współpracujemy z integratorami systemów i inżynierami oczyszczalni ścieków

Jako producent i konstruktor systemów wysokowydajnych ultradźwiękowych jednostek modułowych, firma Hielscher Ultrasonics współpracuje z integratorami systemów. Większość operatorów oczyszczalni ścieków i osadów ściekowych współpracuje z integratorami systemów, którzy mają duże doświadczenie w projektowaniu i automatyzacji takich oczyszczalni. Nasz zespół inżynierów projektantów i inżynierów technicznych zaleca optymalną konfigurację ultradźwiękową dla docelowej objętości osadu, zapewnia szczegółowe informacje o systemie, rysunki CAD, a także usługi instalacyjne i szkolenia operacyjne. Umożliwia to konstruktywne i zorientowane na cel wdrożenie integracji wysokowydajnych ultradźwięków w oczyszczalniach ścieków. Skontaktuj się z nami, jeśli jesteś zainteresowany integracją naszych procesorów ultradźwiękowych w celu poprawy obróbki osadów!

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Skontaktuj się z nami już teraz, aby uzyskać więcej informacji na temat ultradźwiękowych systemów oczyszczania osadów ściekowych Hielscher, opcji instalacji i informacji technicznych!