Ультразвуковая обработка для аэробного сбраживания избыточного активного ила
Обработка ультразвуком высокой мощности разрушает избыточный активный ил (WAS) до или во время аэробного сбраживания. Акустическая кавитация разрушает хлопья ила, разрушает внеклеточные полимерные вещества и вскрывает клетки микроорганизмов. Благодаря этому ранее защищённое органическое вещество становится более доступным для переработки в аэробном реакторе сбраживания.
Цель аэробного процесса не состоит в увеличении производства биогаза. Повышение выхода метана имеет значение для анаэробного сбраживания. Для аэробного реактора сбраживания значимыми показателями эффективности являются разрушение летучих сухих веществ, потребление кислорода, продолжительность сбраживания, остаточное количество сухих веществ, способность к обезвоживанию и общие эксплуатационные затраты.
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher встраиваются в линию перекачки WAS или в контур рециркуляции реактора сбраживания. Ультразвуковые реакторы с проточными ячейками сосредоточивают обработку на определённом потоке ила и позволяют контролировать процесс по мощности, расходу, концентрации сухих веществ, давлению и температуре. В результате обеспечивается компактная модернизация, позволяющая добавить ультразвуковое разрушение ила без замены существующего аэробного реактора сбраживания.
Промышленная ультразвуковая проточная установка Hielscher на раме для обработки сгущённого WAS
Почему избыточный активный ил трудно подвергать сбраживанию
Избыточный активный ил представляет собой излишек биологических твёрдых веществ, удаляемых из процесса очистки сточных вод с использованием активного ила. Он содержит микроорганизмы, внеклеточные полимерные вещества (EPS), захваченный органический материал и инертные твёрдые вещества.
Во вторичном отстойнике осевший активный ил разделяется на два потока:
- Возвратный активный ил (RAS) возвращается в аэротенк для поддержания необходимой концентрации биомассы.
- Избыточный активный ил (WAS) выводится из процесса очистки жидкой фазы и направляется на сгущение, стабилизацию, сбраживание или обезвоживание.
WAS содержит значительную долю клеточного материала микроорганизмов. Большая часть его биоразлагаемого органического содержимого заключена внутри клеточных стенок или связана внутри плотных хлопьев ила. Эта физическая защита замедляет естественный лизис клеток и гидролиз.
При аэробном сбраживании подаётся кислород, при этом доступно мало нового питательного субстрата. Микроорганизмы переходят к эндогенному дыханию и потребляют запасённые вещества, отмершие клетки и другие биоразлагаемые компоненты ила. Цель состоит в стабилизации ила, снижении потенциала образования запахов и уменьшении количества летучих сухих веществ, которые необходимо обезвоживать и удалять.
Скорость сбраживания часто ограничивается доступностью субстрата. В реакторе сбраживания могут присутствовать активные микроорганизмы и обеспечиваться достаточное время пребывания, однако органическое вещество внутри неповреждённых клеток и плотных хлопьев остаётся труднодоступным.
Сравнение необработанных хлопьев с илом, обработанным ультразвуком: обработка ультразвуком значительно уменьшает хлопья.
Исследование и изображения: ©Chu et al. 2001
Как ультразвуковая кавитация делает WAS доступным для аэробного сбраживания
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher работают на частоте 20kHz и создают интенсивную акустическую кавитацию в потоках жидкостей и суспензий. Кавитационные пузырьки образуются, растут и схлопываются внутри ила. Их схлопывание создаёт мощные локальные силы сдвига, которые непосредственно воздействуют на хлопья, EPS и клетки микроорганизмов.
Ультразвуковая обработка вызывает три важных изменения в WAS:
Разрушение хлопьев
Кавитация разрушает агрегаты ила и обнажает поверхности, которые ранее были закрыты внеклеточными полимерными веществами (EPS). Обработанный ил содержит более мелкие частицы и имеет большую площадь доступной поверхности.
Разрушение EPS и клеток
Разрушение с помощью ультразвука повышает способность избыточного активного ила городских очистных сооружений к аэробному биоразложению, разрушая прочные хлопья ила и высвобождая заключённое в них органическое вещество. Ультразвуковая кавитация разрушает клеточные мембраны и клеточные стенки. Белки и углеводы, а также другие внутриклеточные соединения переходят в жидкую фазу.
Повышение биодоступности
Аэробные микроорганизмы могут потреблять растворённый и мелкодисперсный органический материал легче, чем неповреждённые клетки микроорганизмов и плотные хлопья. Таким образом, обработка ультразвуком механически выполняет часть работы по лизису и гидролизу до стадии биологического окисления.
Обработка ультразвуком воздействует на плотную защитную матрицу осадка сточных вод, делая микробное сбраживание значительно более быстрым и эффективным. Обычно это проявляется в повышении химического потребления кислорода растворённой фракцией (SCOD).
Промышленный ультразвуковой проточный реактор для улучшения сбраживания WAS
Преимущества обработки ультразвуком на установках аэробного сбраживания
Эффект зависит от ила и дозы ультразвука. Когда обработка ультразвуком повышает способность к аэробному биоразложению, очистные сооружения могут получить:
- Более высокую степень разрушения летучих сухих веществ при существующей продолжительности сбраживания
- Сопоставимую стабилизацию ила при меньшем времени пребывания
- Меньшее образование остаточных сухих веществ
- Дополнительную полезную производительность существующего аэробного реактора сбраживания
- Сокращение объёмов транспортировки и удаления биологических твёрдых остатков
- Повышение стабильности процесса в периоды высокой нагрузки по сухим веществам
- Более эффективный контроль нитчатых организмов за счёт разрушения хлопьев и клеток
Проточные ультразвуковые аппараты Hielscher для простой модернизации
В промышленном масштабе обычно эффективнее обрабатывать ультразвуком поток концентрированного ила, чем весь объём аэробного реактора сбраживания. Ультразвуковые реакторы Hielscher с проточными ячейками поддерживают две практические конфигурации.
Предварительная обработка WAS в линии подачи
Ультразвуковая система устанавливается после сгущения WAS и перед аэробным реактором сбраживания:
Сгущённый WAS -> подающий насос -> ультразвуковая проточная ячейка Hielscher -> аэробный реактор сбраживания
Эта схема обеспечивает обработку определённого массового расхода сухих веществ и даёт чёткую основу для контроля удельного ввода ультразвуковой энергии.
Технологическая схема: сгущённый WAS -> подающий насос -> промышленный проточный ультразвуковой аппарат Hielscher UIP6000hdT -> аэробный реактор сбраживания
Рециркуляция в реакторе сбраживания или обработка бокового потока
Контролируемая часть ила перекачивается из реактора сбраживания или линии ила через ультразвуковой аппарат и возвращается в процесс. Эта конфигурация полезна, когда существующую линию подачи трудно изменить или когда следует обрабатывать только выбранную часть ила.
Обе схемы можно установить в виде компактных установок на раме с насосом, ультразвуковой проточной ячейкой, запорными клапанами, байпасом для технического обслуживания, средствами измерения давления и температуры, точками отбора проб и средствами управления процессом. Существующая ёмкость реактора сбраживания остаётся без изменений.
Это делает ультразвуковую обработку особенно подходящей для модернизации существующих очистных сооружений. Ультразвуковую установку на раме можно встроить в линию перекачки, эксплуатировать независимо и обходить по байпасу во время осмотра или технического обслуживания.
Улучшите разрушение ила при аэробном сбраживании с помощью мощного ультразвука!
Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают компактный и масштабируемый способ внедрения ультразвука высокой мощности в существующую линию обработки WAS. Обработка в проточных ячейках сосредоточивает ультразвуковую энергию на потоке ила, обеспечивает воспроизводимый контроль дозы и может быть спроектирована для надёжной работы 24/7 в тяжёлых условиях эксплуатации.
Проектирование, производство и консультации – качество из Германии
Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и требовательной эксплуатационной средой.
Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и требованиям UL, CSA и RoHs.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Часто задаваемые вопросы
Производит ли ультразвуковая обработка больше биогаза в аэробном реакторе сбраживания?
Нет. Повышение выхода метана или биогаза является преимуществом анаэробного сбраживания. При аэробном сбраживании ультразвуковую обработку следует оценивать по разрушению летучих сухих веществ (VS), потреблению кислорода, продолжительности сбраживания, остаточному количеству сухих веществ, способности к обезвоживанию и общим затратам.
Где устанавливается ультразвуковая система?
Система обычно устанавливается в потоке после сгущения WAS и перед аэробным реактором сбраживания. Она также может работать в контролируемом боковом потоке или контуре рециркуляции реактора сбраживания. Байпас для технического обслуживания позволяет продолжать перекачку ила во время обслуживания.
Зачем использовать промышленный ультразвуковой аппарат с частотой 20kHz?
Низкочастотный ультразвук высокой мощности создаёт интенсивную кавитацию и механический сдвиг. Это эффективно для разрушения хлопьев ила, разрушения EPS и вскрытия клеток микроорганизмов в потоках, содержащих жидкую и твёрдую фазы.
Может ли ультразвуковой аппарат Hielscher работать непрерывно?
Да. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher серии hdT рассчитаны на непрерывную работу в тяжёлых условиях эксплуатации и известны своей долговечностью. Реакторы с проточными ячейками обеспечивают контролируемую обработку в потоке или режиме рециркуляции, а автоматическая регистрация данных способствует контролю процесса и воспроизводимости.
Какие данные нужны для подбора ультразвуковой системы обработки ила?
Основные исходные данные – расход WAS, концентрации общих сухих веществ (TS) и летучих сухих веществ (VS), вязкость ила, целевая удельная энергия, требуемый эффект обработки, количество часов работы и доступное давление. Перед подбором системы промышленного масштаба рекомендуется провести пилотные испытания для определения эффективной дозы.
Улучшает ли обработка ультразвуком обезвоживание ила?
Результат зависит от характеристик ила и дозы. Умеренная обработка может улучшить процесс обработки твёрдых веществ, тогда как чрезмерное разрушение может привести к образованию мелких частиц и растворимых полимеров, которые ухудшают улавливание твёрдых веществ или снижают содержание сухих веществ в кеке. Поэтому испытания обезвоживания являются необходимой частью оптимизации процесса.
Что говорят научные исследования об ультразвуковой обработке при сбраживании WAS?
Лабораторные исследования подтверждают возможность использования ультразвука для повышения доступности WAS и его способности к аэробному биоразложению.
В исследовании комбинированной щелочной и ультразвуковой предварительной обработки перед аэробным сбраживанием сообщалось, что при одинаковой продолжительности сбраживания степень разложения органического вещества составляла 38,0% для необработанного ила и 42,5% для ила, предварительно обработанного ультразвуком. Комбинированная щелочная и ультразвуковая предварительная обработка повысила степень разложения до 50,7%. Результат показывает, что ультразвук сам по себе может улучшать аэробное разложение, одновременно демонстрируя, что достижимое улучшение зависит от стратегии предварительной обработки и характеристик ила. (см. Jin et al., 2009)
В другом исследовании избыточного активного ила городских очистных сооружений сообщалось о повышении солюбилизации ила и его способности к аэробному биоразложению после бактериального разрушения с помощью ультразвука. Предварительно обработанный ил показал более высокую скорость биоразложения или распада, чем необработанный контрольный образец. (см. Kavitha et al. 2016)
Способствует ли обработка ультразвуком другим процессам обработки ила?
Да. Обработка ультразвуком способствует нескольким процессам обработки ила за счёт разрушения хлопьев, EPS и клеток микроорганизмов:
Анаэробное сбраживание/Производство биогаза: ускоряет гидролиз, повышает химическое потребление кислорода растворённой фракцией (COD) и может улучшить разрушение летучих сухих веществ (VS) и выход метана.
Извлечение фосфора: высвобождает связанный с клетками и органический фосфор в жидкую фазу, повышая его доступность для последующего осаждения струвита или вивианита; ультразвук также может интенсифицировать выщелачивание фосфора из золы осадка сточных вод.
Литература / Источники
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторного до промышленного масштаба.