Soluții diverse pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare municipal

Fosforul este o resursă minerală critică, a cărei aprovizionare naturală se diminuează rapid. În consecință, guvernul german a adoptat prin decret că, începând cu 2029, fosforul trebuie recuperat în mare parte din nămolul de epurare. Implementarea ultrasunetelor de putere deschide diferite opțiuni pentru intensificarea recuperării fosforului din nămolul de epurare municipal.

Stații de tratare a nămolului de epurare și reciclarea fosforului

Fosforul este un element critic, utilizat pe scară largă ca îngrășământ și materie primă în industria chimică și farmaceutică fină. Datorită reducerii rapide a resurselor disponibile, guvernul german a implementat o lege prin care toate stațiile de epurare a apelor uzate municipale trebuie să stabilească măsurători pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare municipal. Implementarea ultrasunetelor de înaltă performanță oferă diferite opțiuni de tratament, care sporesc semnificativ eficiența recuperării fosforului.

Stațiile de epurare utilizează ultrasunete pentru îmbunătățirea digestiei nămolului și recuperarea nutrienților, cum ar fi fosforul.

Dezintegrarea nămolului de epurare cu ultrasunete pentru recuperarea îmbunătățită a phorsforului

S-a demonstrat clar că iradierea nămolului de epurare cu unde ultrasonice puternice îmbunătățește dezintegrarea biomasei din nămolul de epurare. Numeroase studii de cercetare au arătat beneficiile tratării cu ultrasunete a deșeurilor cu nămol activ și diverse sisteme industriale cu ultrasunete funcționează în stațiile municipale de epurare a apelor uzate din Germania.
Pretratarea cu ultrasunete a substraturilor din nămolul de epurare are mai multe efecte benefice pentru procesele de digestie anaerobă. Aceste beneficii includ reducerea dimensiunii particulelor, creșterea ratei de hidroliză și scurtarea timpului de retenție hidraulică.
Forțele de forfecare cavitaționale generate de undele cu ultrasunete de înaltă intensitate? joasă frecvență determină descompunerea morfologiei flocoanelor de nămol și a structurii microbiene a nămolului.
Echipa de cercetare a lui Nguyen a demonstrat în studiile lor “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)
Un nămol de epurare dezintegrat eficient, adică Nămolul sonicat, prezintă proprietăți de separare semnificativ îmbunătățite, permițând eliminarea fracțiunilor bogate în fosfor din biomasă și fracțiuni asemănătoare gelului, precum și din apă. Cavitația cu ultrasunete perturbă structurile celulare ale biomasei din nămolul de epurare și facilitează fracționarea ulterioară în trei fracțiuni de (i) fibre bogate în celuloză, (ii) un gel bogat în nutrienți și (iii) un lichid ușor fermentabil. Aceste trei fracțiuni ale nămolului pot fi prelucrate ulterior, de exemplu recuperarea fosforului, îndepărtarea metalelor grele etc.

Ultrasonically intensificat precipitații umede-chimice de fosfor

Ultrasonication este o tehnică bine cunoscută folosită de mult timp în chimie pentru precipitarea siccessous și eficace a mineralelor, particulelor și cristalelor. Pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare, sonicare se aplică pentru a promova și accelera precipitarea struvitului. Struvit (fosfat de magneziu amoniu) este un mineral fosfat cu formula chimică NH₄MgPO₄·6H₂ O, care oferă o soluție simplă pentru îndepărtarea fosforului sub formă legată din nămolul rezidual.
În timpul procesului de cristalizare/precipitare a struvitului, ionii PO₄^3-NH₄⁺și Mg²⁺ sunt îndepărtate din faza lichidă datorită precipitării struvitului, până când reacția ajunge la echilibru.

Cristale de struvit precipitate din efluenții porcinelor.(imagine și studiu: ©Kim et al. 2017)

Atunci când ultrasonication este aplicat ca nămol pre-tratament înainte de procesul de precipitare struvit, cavitație indusă ultrasonically oferă o amestecare aprofundată la nivel molecular, oferind o suprafață activă pentru creșterea cristalelor. O creștere a ratei de solubilizare a substanțelor extracelulare și intracelulare aduce beneficii suplimentare precipitațiilor struvite prin creșterea biodisponibilității NH₄⁺ și OP₄^3- Ioni. Tratamentul sonicare are ca rezultat un transfer de masă facilitat prin suspensie, care este cauzată de cavitație cu ultrasunete.
Sonicare poate fi, de asemenea, aplicat la lichidul de carbonizare hidrotermală, în cazul în care fosforul este reciclat ca struvit din lichidul de carbonizare hidrotermală prin extracție asistată ultrasonically și precipitare.
Citiți continuarea despre precipitațiile struvite la scară largă pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare!

Sono-Fenton pentru eliberarea fosforului din nămolul de epurare

Studiul lui Gong et al. (2015) a demonstrat eficiența unei pre-tratări combinate cu ultrasunete-Fenton (cunoscută și sub numele de sono-Fenton) pentru dezintegrarea nămolului de epurare. Aplicarea tratamentului cu ultrasunete-Fenton a crescut semnificativ eliberarea de carbon, azot și fosfor. Tratamentul sono-Fenton a crescut azotul total (N) și fosforul (P) de 1,7 și, respectiv, 2,2 ori, în comparație cu tratamentul Fenton singur. După tratamentul sono-Fenton, nămolul a prezentat o dimensiune considerabil mai fină a particulelor și o microstructură mai slabă bazată pe microscopia electronică de scanare. Folosind rezonanța spinului electronic, cea mai mare intensitate a semnalului OH• a crescut de la 568,7 prin tratamentul Fenton la 1106,3 după tratamentul sono-Fenton. Acest lucru a demonstrat că tratamentul sono-Fenton induce dezintegrarea nămolului și îmbunătățește semnificativ eliberarea de carbon organic, azot și fosfor.

Ultrasonically intensificat celule de combustibil microbiene

Pretratarea cu ultrasunete a nămolului de epurare promovează solubilizarea diferiților compuși organici din matricea nămolului, care accelerează ulterior electrohidrogeneza microbiană.
More și Ghangrekar (2010) contribuie la efectele benefice ale pre-tratamentului sonicare asupra celulelor de combustibil microbiene la îmbunătățirea activităților enzimatice și disponibilitatea proteinelor extracelulare, polizaharidelor și enzimelor, care sunt eliberate din straturile interioare ale flocoanelor de nămol la straturile exterioare prin sonoporație cu ultrasunete și întreruperea celulelor, rezultând o eficiență îmbunătățită a utilizării substratului. Pentru îmbunătățirea recoltării energiei electrice din pilele de combustie microbiene, este necesară îmbunătățirea capacității de transfer de electroni a bacteriilor către o substanță solidă extracelulară. Acest transfer extracelular de electroni poate avea loc fie în contact direct între suprafața celulei și suprafața solidă, fie indirect prin așa-numiții mediatori exogeni și endogeni. Pentru transferul direct de electroni între bacterii și suprafața electrodului, electronul trebuie să ajungă la membrana exterioară a celulei. Acest fenomen ar fi putut apărea din cauza ultrasonication pre-tratament dat la inocul atunci când energia specifică furnizată a fost adecvată; prin urmare, favorizând o eficiență Coulombic mai mare.
Un proces de electroliză microbiană intensificat ultrasonically ar putea fi combinat cu procesele ulterioare de fermentare pentru tratarea nămolului.

Tratarea nămolurilor de epurare sono-electrochimice

Electrocoagularea este un proces simplu, care poate fi aplicat cu ușurință apelor uzate și permite tratarea volumelor mari în mod eficient și rentabil. Ultrasonication ajută la depășirea principalului dezavantaj al proceselor de electrocoagulare prin prevenirea formării straturilor pasivante din electrozi. Filmele pasive care se formează pe suprafața electrodului în timp, reduc drastic eficiența sistemelor de electrocoagulare și ultrasunetele sunt o metodă facilă de a îndepărta aceste straturi pasivante continuu în timpul funcționării, în timp ce, în același timp, sonicare crește cifra de afaceri a sistemelor de electrocoagulare. Undele ultrasonice descompun sedimentele formate la suprafața electrodului și generează cantități mari de specii radicale pentru a elimina poluanții prin crearea de puncte de înaltă presiune în interiorul soluției în timpul fenomenului de cavitație. Prin combinarea electrocoagulării cu ultrasunete, datorită creării de noi suprafețe pe electrod prin cavitație sau micro-streaming, scăderea grosimii stratului de distribuție este exacerbată de creșterea ratelor de transfer de masă. Sono-electrocoagularea crește cantitatea de formare a coagulantului comparativ cu electrocoagularea, iar flocularea este îmbunătățită prin amestecare extremă și oxidare prin formarea radicalilor liberi; Prin urmare, atingerea eficienței dorite este posibilă în cel mai scurt timp.
(Moradi și colab., 2021)

Avantajele sonoelectrochimiei și sonoelectrocoagulării

“Sonoelectrochimia este combinația de energie ultrasonică într-un sistem electrochimic care oferă mai multe avantaje, inclusiv îndepărtarea bulelor de gaz la suprafața electrodului, degazarea soluției, întreruperea stratului de difuzie Nernst, îmbunătățirea transportului de masă al speciilor electroactive prin stratul dublu și activarea și curățarea suprafeței electrodului. Aceste beneficii în electrochimie duc la îmbunătățirea eficienței proceselor (eficiența electrozilor și a curentului), creșterea ratelor și randamentelor electrochimice, scăderea tensiunilor celulelor și a suprapotențialului electrodului, îmbunătățirea materialelor electrodepuse în ceea ce privește duritatea, calitatea, porozitatea și grosimea și suprimarea murdăririi electrodului și a degazării la suprafața electrodului.” (Foroughi et al., 2021)
Citiți mai multe despre echipamentele sono-electrochimice și aplicațiile sale!

Sisteme industriale cu ultrasunete pentru tratarea nămolului de epurare

Hielscher Ultrasonics sisteme de înaltă performanță sunt un cal de lucru fiabil în apele uzate și stațiile de epurare a nămolului de epurare. Hielscher sisteme cu ultrasunete furniza ultrasunete de mare putere la 20kHz, care creează cavitație acustică intensă. Efectele tratamentului nostru cu ultrasunete de mare putere includ întreruperea și dezintegrarea celulelor, transferul de masă mare, dezinfecția, descompunerea polimerilor, eliberarea enzimelor și omogenizarea nămolului. Sonicare de mare intensitate îmbunătățește eficiența tratamentului prin generarea de radicali oxidativi și prin creșterea site-urilor de nucleație, asigurând o mai bună coagulare și floculare. Generarea fiabilă și continuă a acestor forțe intense de cavitație cu ultrasunete și efectele sale permit integrarea procesoarelor noastre puternice cu ultrasunete pentru diverse aplicații, în scopul de a îmbunătăți recolta de energie și nutrienți din nămolul de epurare.

• Dezintegrarea cu ultrasunete a nămolului de epurare
• Ultrasonically intensificat digestie anaerobă
• Recuperarea nutrienților valoroși (fosfor, azot, magneziu, calciu, potasiu etc.)
• Eliminarea contaminanților, cum ar fi metalele grele

Oferind procesoare cu ultrasunete cu reactoare de curgere la diferite dimensiuni, Hielscher Ultrasonics are ideal deșeuri cu ultrasunete deșeuri și sisteme de tratare a nămolului pentru instalația de nămol de epurare.
Designul modular permite instalarea simplă a mai multor unități cu ultrasunete în paralel, ceea ce face posibil un tratament fiabil și eficient al oricărui volum.
Hielscher sisteme cu ultrasunete de mare putere? mare randament spori eficiența și randamentul în tratarea biomasei în nămolul de epurare.
Toate ultrasonicators noastre dispun de curățare-în-loc (CIP).
Potrivit pentru tratamente solicitante: Nămolul de epurare conține adesea materiale fibroase cu conținut ridicat de celuloză, care sunt greu de dezintegrat. Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Astfel de amplitudini mari sunt o modalitate eficientă de a perturba structura celulară a celulozelor, ligninei și pereților celulari robuști ai altor materiale. Designul optimizat al reactoarelor noastre cu celule de flux asigură modele ideale de curgere și tratamentul cu ultrasunete uniform și eficient al nămolului alimentat.

Lucrăm cu integratori de sisteme și ingineri de stații de nămol de epurare

Ca producător și constructor de sistem de unități modulare cu ultrasunete de înaltă performanță, Hielscher Ultrasonics funcționează împreună cu integratorii de sistem. Majoritatea operatorilor de stații de epurare a apelor uzate și a nămolurilor de epurare lucrează cu integratori de sisteme, care au experiență în proiectarea și automatizarea unor astfel de stații de epurare. Echipa noastră de ingineri proiectanți și ingineri tehnici recomandă configurația optimă cu ultrasunete pentru volumul de nămol vizat, oferă informații detaliate despre sistem, desene CAD, precum și servicii de instalare și instruire operațională. Acest lucru permite o implementare constructivă și orientată spre obiective a integrării ultrasunetelor de înaltă performanță în stațiile de epurare a apelor uzate. Vă rugăm să ne contactați dacă sunteți interesat în integrarea procesoarelor noastre cu ultrasunete pentru un tratament îmbunătățit al nămolului!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Contactați-ne acum pentru a obține mai multe detalii despre sistemele de tratare a nămolului de epurare cu ultrasunete Hielscher, opțiuni de instalare și informații tehnice!