Diverse soluții pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare municipal

Fosforul este un mineral cu statut de resursă critică, ale cărui rezerve naturale se diminuează rapid. În consecință, guvernul german a stabilit prin decret ca, începând din 2029, fosforul să fie recuperat în mare măsură din nămolul de epurare. Implementarea ultrasunetelor de putere deschide diverse 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 ca materie primă în industria chimică fină și în industria farmaceutică. Din cauza resurselor sale disponibile, care se reduc rapid, guvernul german a adoptat o lege prin care toate stațiile municipale de epurare a apelor uzate trebuie să adopte măsuri pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare municipal. Implementarea ultrasunetelor de înaltă performanță oferă diverse opțiuni de tratare, care cresc semnificativ eficiența recuperării fosforului.

Stațiile de epurare a apelor uzate utilizează ultrasunete pentru îmbunătățirea digestiei nămolului și pentru recuperarea nutrienților, precum fosforul.

Dezintegrarea cu ultrasunete a nămolului de epurare pentru recuperarea îmbunătățită a fosforului

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 nămolului activ în exces, iar diverse sisteme industriale cu ultrasunete funcționează în stații 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 vitezei de hidroliză și scurtarea timpului de retenție hidraulică.
Forțele de forfecare cavitaționale generate de undele ultrasonice de intensitate ridicată / frecvență joasă provoacă destrămarea morfologiei flocoanelor de nămol și a structurii microbiene a nămolului.
Echipa de cercetare a lui Nguyen a demonstrat în studiile sale „că aplicarea ultrasunetelor este foarte eficientă în reducerea dimensiunii particulelor de biomasă, obținându-se o reducere la o dimensiune medie a particulelor de >78,78%, proporțională cu durata și intensitatea expunerii la iradierea ultrasonică. Aceasta a indicat că particulele de nămol s-au dezintegrat și că dimensiunea particulelor de nămol a scăzut, pe baza unei relații invers proporționale între timpul de sonicare și dimensiunea particulelor de floc. Aplicarea a fost foarte eficientă, în ciuda faptului că observațiile flocoanelor de nămol înainte de tratare au arătat că acestea erau dense și foarte compacte, compuse din numeroase subcompartimente cu nuclee compacte, aglomerări de celule, colonii bacteriene, protozoare și bacterii filamentoase, printre alți factori. Analiza efluentului arată că procesul cu ultrasunete a dezintegrat semnificativ integritatea structurală a flocoanelor de nămol de toate dimensiunile. Fragmentele de floc au fost reduse până la doar ≤6,5 μm în condiții optime de tratare și au fost dizolvate în suspensia de nămol după 5–10 min de tratare cu ultrasunete la o frecvență ultrasonică joasă de 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Un nămol de epurare dezintegrat eficient, adică un nămol sonicat, prezintă proprietăți de separare semnificativ îmbunătățite, care permit separarea fracțiilor bogate în fosfor de biomasă și de fracțiile gelatinoase, precum și de apă. Cavitația ultrasonică distruge structurile celulare ale biomasei din nămolul de epurare și facilitează fracționarea ulterioară în trei fracții: (i) fibre bogate în celuloză, (ii) un gel bogat în nutrienți și (iii) un lichid ușor fermentabil. Aceste trei fracții ale nămolului pot fi prelucrate în continuare, de ex. pentru recuperarea fosforului, îndepărtarea metalelor grele etc.

Precipitarea pe cale umedă a fosforului, intensificată cu ultrasunete

Ultrasonicarea este o tehnică binecunoscută, utilizată de mult timp în chimie pentru precipitarea reușită și eficace a mineralelor, particulelor și cristalelor. Pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare, sonicarea se aplică pentru a favoriza și accelera precipitarea struvitului. Struvitul (fosfat de amoniu și magneziu) este un mineral fosfatic cu formula NH₄MgPO₄·6H₂ O, care oferă o soluție simplă pentru îndepărtarea fosforului în formă legată din nămolul rezidual.
În timpul procesului de cristalizare /precipitare a struvitului, ionii PO₄^3-, NH₄⁺ și Mg²⁺ sunt eliminați din faza lichidă prin precipitarea struvitului, până când reacția atinge echilibrul.

Cristale de struvit precipitate din efluenți din creșterea porcilor.
(imagine și studiu: ©Kim et al. 2017)

Atunci când ultrasonicarea este aplicată ca pretratare a nămolului înaintea procesului de precipitare a struvitului, cavitația indusă de ultrasunete asigură o amestecare temeinică la nivel molecular, oferind suprafață activă pentru creșterea cristalelor. O creștere a vitezei de solubilizare a substanțelor extracelulare și intracelulare favorizează suplimentar precipitarea struvitului, prin creșterea biodisponibilității NH₄⁺ și PO₄^3- sub formă de ioni. Tratarea prin sonicare are ca rezultat un transfer de masă facilitat prin suspensie, cauzat de cavitația ultrasonică.
Sonicarea poate fi aplicată și lichidului de carbonizare hidrotermală, din care fosforul este reciclat sub formă de struvit prin extracție și precipitare asistate de ultrasunete.
Aflați mai multe despre precipitarea struvitului la scară largă pentru recuperarea fosforului din nămolul de epurare!

Sono-Fenton pentru eliberarea fosforului din nămolul de epurare

Studiul realizat de Gong et al. (2015) a demonstrat eficiența unei pretratări combinate ultrasunete–Fenton (cunoscută și ca sono-Fenton) pentru dezintegrarea nămolului de epurare. Aplicarea tratării ultrasunete–Fenton a crescut semnificativ eliberarea carbonului, azotului și fosforului. Tratarea sono-Fenton a crescut azotul total (N) și fosforul (P) de 1,7 și, respectiv, 2,2 ori, în comparație cu tratarea Fenton singură. După tratarea sono-Fenton, nămolul a prezentat o dimensiune a particulelor considerabil mai fină și o microstructură mai afânată, pe baza microscopiei electronice de baleiaj. Folosind rezonanța de spin electronic, cea mai mare intensitate a semnalului OH• a crescut de la 568,7 în cazul tratării Fenton la 1106,3 după tratarea sono-Fenton. Aceasta a demonstrat că tratarea sono-Fenton induce dezintegrarea nămolului și îmbunătățește semnificativ eliberarea carbonului organic, a azotului și a fosforului.

Pile de combustie microbiene intensificate cu ultrasunete

Pretratarea cu ultrasunete a nămolului de epurare favorizează solubilizarea diverșilor compuși organici din matricea nămolului, ceea ce accelerează ulterior electrohidrogeneza microbiană.
More și Ghangrekar (2010) atribuie efectele benefice ale pretratării prin sonicare asupra pilelor de combustie microbiene activităților enzimatice sporite și disponibilității proteinelor, polizaharidelor și enzimelor extracelulare, care sunt eliberate din straturile interioare ale flocoanelor de nămol către straturile exterioare prin sonoporare ultrasonică și dezintegrarea celulelor, rezultând o eficiență îmbunătățită a utilizării substratului. Pentru îmbunătățirea recoltării de energie electrică din pilele de combustie microbiene, este necesară îmbunătățirea capacității bacteriilor de a transfera electroni către o substanță solidă extracelulară. Acest transfer extracelular de electroni poate avea loc fie prin 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 ar trebui să ajungă la membrana exterioară a celulei. Acest fenomen s-ar fi putut produce datorită pretratării prin ultrasonicare aplicate inoculului atunci când energia specifică furnizată a fost adecvată, favorizând astfel o eficiență coulombiană mai mare.
Un proces de electroliză microbiană intensificat cu ultrasunete ar putea fi combinat cu procese ulterioare de fermentare pentru tratarea nămolului.

Tratarea sono-electrochimică a nămolului de epurare

Electrocoagularea este un proces simplu, care poate fi aplicat cu ușurință apelor uzate și permite tratarea eficientă și rentabilă a unor volume mari. Ultrasonicarea ajută la depășirea principalului dezavantaj al proceselor de electrocoagulare, prevenind formarea straturilor de pasivare de pe electrozi. Filmele pasive care se formează în timp pe suprafața electrodului reduc drastic eficiența sistemelor de electrocoagulare, iar ultrasunetele reprezintă o metodă facilă de îndepărtare continuă a acestor straturi de pasivare în timpul funcționării, în timp ce sonicarea crește totodată productivitatea sistemelor de electrocoagulare. Undele ultrasonice descompun sedimentele formate pe suprafața electrodului și generează cantități mari de specii radicalice pentru îndepărtarea poluanților, creând puncte de presiune înaltă în interiorul soluției în timpul fenomenului de cavitație. Prin combinarea electrocoagulării cu ultrasunetele, datorită creării de noi suprafețe pe electrod prin cavitație sau microcurenți, scăderea grosimii stratului de distribuție este accentuată prin creșterea vitezelor de transfer de masă. Sono-electrocoagularea crește cantitatea de coagulant format comparativ cu electrocoagularea, iar flocularea este intensificată prin amestecarea extremă și prin oxidarea datorată formării radicalilor liberi; prin urmare, atingerea eficienței dorite este posibilă în cel mai scurt timp.
(Moradi et al., 2021)

Avantajele sonoelectrochimiei și ale sonoelectrocoagulării

„Sonoelectrochimia reprezintă combinarea energiei ultrasonice într-un sistem electrochimic, care oferă mai multe avantaje, inclusiv îndepărtarea bulelor de gaz de la suprafața electrodului, degazarea soluției, perturbarea stratului de difuzie Nernst, intensificarea transportului de masă al speciilor electroactive prin stratul dublu, precum și activarea și curățarea suprafeței electrodului. Aceste beneficii în electrochimie conduc la eficiențe îmbunătățite ale proceselor (eficiența electrodului și eficiența de curent), viteze și randamente electrochimice crescute, tensiuni de celulă și supratensiuni de electrod reduse, materiale electrodepuse îmbunătățite în ceea ce privește duritatea, calitatea, porozitatea și grosimea, precum și suprimarea colmatării electrodului și a degazării la suprafața electrodului.” (Foroughi et al., 2021)
Aflați mai multe despre echipamentele sono-electrochimice și aplicațiile acestora!

Sisteme industriale cu ultrasunete pentru tratarea nămolului de epurare

Sistemele de înaltă performanță Hielscher Ultrasonics sunt un „cal de povară” fiabil în stațiile de epurare a apelor uzate și de tratare a nămolului de epurare. Sistemele cu ultrasunete Hielscher furnizează ultrasunete de mare putere la 20kHz, care generează o cavitație acustică intensă. Efectele tratării noastre cu ultrasunete de mare putere includ dezintegrarea celulelor și dezintegrarea, transferul de masă ridicat, dezinfecția, descompunerea polimerilor, eliberarea enzimelor și omogenizarea nămolului. Sonicarea de intensitate ridicată îmbunătățește eficiența tratării prin generarea de radicali oxidativi și prin creșterea numărului de situsuri de nucleație, asigurând o coagulare și o floculare mai bune. Generarea fiabilă și continuă a acestor forțe intense de cavitație ultrasonică și efectele lor permit integrarea procesoarelor noastre puternice cu ultrasunete în diverse aplicații, pentru a îmbunătăți recuperarea de energie și de nutrienți din nămolul de epurare.

• Dezintegrarea cu ultrasunete a nămolului de epurare
• Digestie anaerobă intensificată cu ultrasunete
• Recuperarea nutrienților valoroși (fosfor, azot, magneziu, calciu, potasiu etc.)
• Îndepărtarea contaminanților, precum metalele grele

Oferind procesoare cu ultrasunete cu reactoare cu flux continuu de diverse dimensiuni, Hielscher Ultrasonics dispune de sistemele ideale de tratare cu ultrasunete a apelor uzate și a nămolului pentru instalația dumneavoastră de nămol de epurare.
Designul modular permite instalarea simplă a mai multor unități cu ultrasunete în paralel, ceea ce face posibilă tratarea fiabilă și eficientă a oricărui volum.
Sistemele cu ultrasunete Hielscher de mare putere / cu capacitate mare de procesare cresc eficiența și randamentul în tratarea biomasei din nămolul de epurare.
Toate ultrasonicatoarele noastre dispun de curățare în loc (CIP).
Adecvate pentru tratări solicitante: nămolul de epurare conține adesea materiale fibroase cu conținut ridicat de celuloză, greu de dezintegrat. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi rulate ușor și continuu în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Asemenea amplitudini mari reprezintă o modalitate eficace de a distruge structura celulară a celulozelor, a ligninei și pereții celulari rezistenți ai altor materiale. Designul optimizat al reactoarelor noastre cu celulă de flux asigură modele de curgere ideale și tratarea uniformă și eficientă cu ultrasunete a nămolului alimentat.

Colaborăm cu integratori de sisteme și ingineri ai stațiilor de nămol de epurare

În calitate de producător și constructor de sisteme de unități modulare cu ultrasunete de înaltă performanță, Hielscher Ultrasonics colaborează cu integratori de sisteme. Majoritatea operatorilor de stații de epurare a apelor uzate și de tratare a nămolului de epurare lucrează cu integratori de sisteme, care au o vastă 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 și oferă informații detaliate despre sistem, desene CAD, precum și servicii de instalare și instruire pentru operare. Acest lucru permite o implementare constructivă și orientată spre obiective a integrării ultrasunetelor de înaltă performanță în stațiile de epurare. Vă rugăm să ne contactați dacă sunteți interesați de integrarea procesoarelor noastre cu ultrasunete pentru o tratare îmbunătățită a nămolului!

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

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