O fósforo é um mineral de recursos críticos, que a oferta natural está diminuindo rapidamente. Consequentemente, o governo alemão promulgou por decreto que a partir de 2029 o fósforo deve ser em grande parte recuperado da lama de esgoto. A implantação do ultrassom de energia abre várias opções para intensificar a recuperação do fósforo da lama de esgoto municipal.

Estações de Tratamento de Lodo de Esgoto e Reciclagem de Fósforo

O fósforo é um elemento crítico, amplamente utilizado como fertilizante e matéria-prima na indústria química e farmacêutica. Devido ao rápido encolhimento dos recursos disponíveis, o governo alemão implementou uma lei pela qual todas as estações municipais de tratamento de águas residuais devem estabelecer medidas para recuperar o fósforo da lama de esgoto municipal. A implementação de ultrassom de alto desempenho oferece várias opções de tratamento, que aumentam significativamente a eficiência da recuperação do fósforo.

As plantas de águas residuais usam ultrassom para melhor digestão da lodo e recuperação de nutrientes como fósforo.

Desintegração da lama de esgoto ultrassônico para melhor recuperação do phorsphorus

A irradiação de lodo de esgoto com poderosas ondas de ultrassom foi claramente demonstrada para melhorar a desintegração da biomassa na lama de esgoto. Inúmeros estudos mostraram os benefícios do tratamento de lodo ativado por resíduos ultrassônicos e vários sistemas industriais de ultrassom estão funcionando em estações municipais de tratamento de águas residuais na Alemanha.
O pré-tratamento ultrassônico de substratos na lama de esgoto tem vários efeitos benéficos para processos de digestão anaeróbica. Esses benefícios incluem a redução do tamanho das partículas, o aumento da taxa de hidrólise e a redução do tempo de retenção hidráulica.
As forças de tesoura cavitacional geradas por ondas de ultrassom de alta intensidade / baixa frequência causam o rompimento da morfologia floc de lodo e da estrutura microbiana da lama.
A equipe de pesquisa de Nguyen demonstrou em seus estudos "que a aplicação do ultrassom é muito eficaz na redução do tamanho da partícula da biomassa, alcançando uma redução para um tamanho médio de partícula de >78,78% proporcional ao tempo e intensidade da exposição à irradiação ultrassônica. Isso indicou que as partículas de lodo se desintegraram e o tamanho das partículas de lodo diminuiu, com base em uma relação inversa entre o tempo de sonicação e o tamanho das partículas floc. A aplicação foi altamente eficaz, apesar de as observações de fio dental antes do tratamento revelarem que os flocos de lodo eram densos e altamente compactos, compostos por muitos subcompartimentais com núcleos compactos, aglomerados celulares, colônias bacterianas, protozoários e bactérias filamentosas, entre outros fatores. A análise do efluente mostra que o processo ultrassônico desintegrou significativamente a integridade estrutural de flocos de lodo de todos os tamanhos. As peças de floc foram reduzidas a apenas ≤ 6,5 μm em condições ideais de tratamento, e foram dissolvidas no chorume de lodo após 5-10 minutos de tratamento ultrassônico com baixa frequência de ultrassom de 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
Uma lama de esgoto eficientemente desintegrada, ou seja. lodo sonicado, mostra propriedades de separação significativamente melhoradas permitindo remover frações ricas em fósforo de biomassa e frações semelhantes a gel, bem como água. A cavitação ultrassônica interrompe as estruturas celulares da biomassa na lama de esgoto e facilita o fracionamento subsequente em três frações de (i) fibras ricas em celulose, (ii) um gel rico em nutrientes, e (iii) um líquido facilmente fermentável. Estas três frações da lama podem ser processadas ainda mais, por exemplo, recuperação de fósforo, remoção de metais pesados etc.

Precipitação ultrasonicamente intensificada de fósforo

Ultrassônica é uma técnica bem conhecida usada há muito tempo em química para a precipitação siccessful e eficaz de minerais, partículas e cristais. Para a recuperação de fosforás da lama de esgoto, a sônica é aplicada a fim de promover e acelerar a precipitação de struvite. Struvite (fosfato de amônio de magnésio) é um mineral fosfato com fórmula NH₄Método MgPO₄· 6H₂ O, que oferece uma solução simples para remover fósforo na forma ligada da lama de resíduos.
Durante o processo de cristalização/precipitação struvite, os íons PO₄^3-NH₄⁺, e Mg²⁺ são removidos da fase líquida devido à precipitação struvite, até que a reação atinja o equilíbrio.

Cristais struvite precipitados de efluentes suínos.
(foto e estudo: ©Kim et al. 2017)

Quando a ultrassônica é aplicada como pré-tratamento de lodo antes do processo de precipitação struvite, a cavitação ultrasonicamente induzida fornece uma mistura thourough em nível molecular fornecendo área de superfície ativa para o crescimento de cristais. Um aumento na taxa de solubilização de substâncias extracelulares e intracelulares beneficia ainda mais a precipitação de struvite aumentando a biodisponibilidade da NH₄⁺ e PO₄^3- Íons. O tratamento de sônica resulta em uma transferência de massa facilitada através do chorume, que é causado pela cavitação ultrassônica.
A sônicação também pode ser aplicada ao licor de carbonização hidrotérmica, onde o fósforo é reciclado como estévito do licor de carbonização hidrotérmica através da extração e precipitação ultrasonicamente assistidas.
Leia mais sobre precipitação de estruvite em larga escala para recuperação de fósforo da lama de esgoto!

Sono-Fenton para liberação de fósforo da lama de esgoto

O estudo de Gong et al. (2015) demonstrou a eficiência de um ultrassom combinado-Fenton (também conhecido como sono-Fenton) pré-tratamento para desintegração da lama de esgoto. A aplicação do tratamento ultrassom-fenton aumentou significativamente a liberação de carbono, nitrogênio e fósforo. O tratamento sono-Fenton aumentou o nitrogênio total (N) e fósforo (P) em 1,7 e 2,2 vezes, respectivamente, quando comparado apenas ao tratamento fenton. Após o tratamento sono-Fenton, a lama mostrou um tamanho de partícula consideravelmente mais fino e microestrutura mais frouxa baseada na microscopia eletrônica de varredura. Usando ressonância de spin de elétrons, a maior intensidade de sinal oh• aumentou de 568,7 pelo tratamento fenton para 1106,3 após o tratamento sono-fenton. Isso demonstrou que o tratamento sono-fenton induz a desintegração da lama e melhora significativamente a liberação de carbono orgânico, nitrogênio e fósforo.

Células de combustível microbiana ultrasonicamente intensificadas

O pré-tratamento ultrassônico da lama de esgoto promove a solubilização de vários compostos orgânicos da matriz de lodo, que acelera posteriormente a eletrohidrogenese microbiana.
Mais e Ghangrekar (2010) contribuem com os efeitos benéficos do pré-tratamento da sônica em células de combustível microbiano para atividades enzimáticas aprimoradas e a disponibilidade de proteínas extracelulares, polissacarídeos e enzimas, que são liberadas de camadas internas de fio dental para camadas externas por sonoporação ultrassônica e interrupção celular, resultando em melhor eficiência de utilização de substratos. Para melhorar a colheita de eletricidade das células de combustível microbianas, é necessário melhorar a capacidade de transferência de elétrons da bactéria para uma substância sólida extracelular. Esta transferência extracelular de elétrons pode ocorrer em contato direto entre a superfície celular e a superfície sólida ou indiretamente através dos chamados mediadores exógenos e endógenos. Para a transferência direta de elétrons entre bactérias e superfície eletrodo, o elétron deve atingir a membrana externa da célula. Esse fenômeno pode ter ocorrido devido ao pré-tratamento de ultrassônica dado ao inóculo quando a energia fornecida específica foi adequada; portanto, favorecendo maior eficiência coulombica.
Um processo de eletrólise microbiana ultrasonicamente intensificada poderia ser combinado com processos subsequentes de fermentação para o tratamento da lodo.

Tratamento sono-eletroquímico de lodo de esgoto

A eletrocoagulação é um processo simples, que pode ser facilmente aplicado a águas residuais e permite o tratamento de grandes volumes de forma eficiente e econômica. A ultrassonização ajuda a superar a principal desvantagem dos processos de eletrocoagulação, impedindo a formação de camadas passivantes dos eletrodos. Filmes passivos que se formam na superfície do eletrodo ao longo do tempo, reduzem drasticamente a eficiência dos sistemas de eletrocoagulação e o ultrassom é um método fácil para remover essas camadas passivating continuamente durante a operação, enquanto ao mesmo tempo a sonicação aumenta a rotatividade dos sistemas de eletrocoagulação. Ondas ultrassônicas quebrando sedimentos formados na superfície do eletrodo e geram altas quantidades de espécies radicais para remover poluentes criando pontos de alta pressão dentro da solução durante o fenômeno da cavitação. Ao combinar eletrocoagulação com ultrassônica, devido à criação de novas superfícies no eletrodo por cavitação ou microtranssopulo, a diminuição da espessura da camada de distribuição é exacerbada pelo aumento das taxas de transferência de massa. A sono-eletrocoagulação aumenta a quantidade de formação coagulante em comparação com a eletrocoagulação, e a floculação é reforçada por mistura extrema e oxidação por formação radical livre; portanto, alcançar a eficiência desejada é possível no menor tempo.
(Moradi et al., 2021)

As Vantagens da Sonoeletristria e Sonoelectrocoagulação

"A sonoeletroquímica é a combinação de energia ultrassônica em um sistema eletroquímico que oferece várias vantagens, incluindo a remoção de bolhas de gás na superfície do eletrodo, desgaseamento de soluções, interrupção da camada de difusão Nernst, aprimoramento do transporte de massa de espécies eletroativas através da camada dupla, e ativação e limpeza da superfície do eletrodo. Esses benefícios na eletroquímica levam a melhores eficiências de processos (eletrodo e eficiência atual), aumento das taxas e rendimentos eletroquímicos, diminuição das tensões celulares e superpotenciais eletrodos, melhoria dos materiais eletrodepositados em termos de dureza, qualidade, porosidade e espessura, e supressão de incrustamento e desgaseamento de eletrodos na superfície do eletrodo." (Foroughi et al., 2021)
Leia mais sobre equipamentos sono-eletroquímicos e suas aplicações!

Sistemas Ultrassônicos Industriais para Tratamento de Lodo de Esgoto

Os sistemas de alto desempenho da Hielscher Ultrasonics são um trabalho-cavalo confiável em estações de tratamento de águas residuais e esgoto. Os sistemas ultrassônicos hielscher fornecem ultrassom de alta potência a 20kHz, o que cria cavitação acústica intensa. Os efeitos do nosso tratamento ultrassônico de alta potência incluem interrupção e desintegração celular, transferência de alta massa, desinfecção, decomposição de polímeros, liberação de enzimas e homogeneização da lama. A sônica de alta intensidade melhora a eficiência do tratamento através da geração de radicais oxidativos e pelo aumento dos locais de nucleação, garantindo melhor coagulação e floculação. A geração confiável e contínua dessas intensas forças de cavitação ultrassônica e seus efeitos permitem integrar nossos poderosos processadores ultrassônicos para várias aplicações, a fim de melhorar a energia e a colheita de nutrientes da lama de esgoto.

• Desintegração ultrassônica da lama de esgoto
• Digestão anaeróbica ultrasonicamente intensificada
• Recuperação de nutrientes valiosos (fósforo, nitrogênio, magnésio, cálcio, potássio, etc.)
• Remoção de contaminantes como metais pesados

Oferecendo processadores ultrassônicos com reatores de fluxo em vários tamanhos, a Hielscher Ultrasonics tem os sistemas ideais de tratamento de resíduos ultrassônicos e lodo para sua instalação de lodo de esgoto.
O design modular permite a simples parcela de várias unidades ultrassônicas em paralelo, o que torna possível um tratamento confiável e eficiente de qualquer volume.
Sistemas ultrassônicos hielscher de alta potência / alto rendimento aumentam a eficiência e o rendimento no tratamento da biomassa na lama de esgoto.
Todos os nossos ultrassonicadores apresentam limpeza no local (CIP).
Adequado para tratamentos exigentes: O lodo de esgoto muitas vezes contém materiais fibrosos com alto teor de celulose, que são difíceis de desintegrar. Hielscher Ultrasonics’ processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente na operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis. Tais altas amplitudes são uma maneira eficaz de interromper a estrutura celular de celuloses, lignina e paredes celulares robustas de outros materiais. O design otimizado de nossos reatores de células de fluxo garante padrões ideais de fluxo e o tratamento ultrassônico uniforme e eficiente da lama alimentada.

Trabalhamos com Integradores de Sistemas e Engenheiros de Usinas de Lodo de Esgoto

Como fabricante e construtor de sistemas de unidades modulares ultrassônicas de alto desempenho, a Hielscher Ultrasonics trabalha em conjunto com integradores de sistemas. A maioria dos operadores das estações de tratamento de esgoto e esgoto trabalham com integradores de sistemas, bem experientes no projeto e automação dessas usinas de purificação. Nossa equipe de engenheiros de design e engenheiros técnicos recomendam a configuração ultrassônica ideal para o volume de lodo direcionado, fornecem informações detalhadas do sistema, desenhos CAD, bem como serviço de instalação e treinamento operacional. Isso possibilita uma implementação construtiva e orientada para a integração do ultrassom de alto desempenho nas estações de tratamento de esgoto. Entre em contato conosco se você estiver interessado em integrar nossos processadores ultrassônicos para melhor tratamento de lodo!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Entre em contato conosco agora para obter mais detalhes sobre sistemas de tratamento de lodo de esgoto ultrassônico hielscher, opções de instalação e informações técnicas!