Ультразвуковая обработка при аэробном сбраживании активного ила
Высокомощная ультразвуковая обработка разрушает отходы активного ила (WAS) до или во время аэробного сбраживания. Акустическая кавитация разрушает флокулы ила, разрывает внеклеточные полимерные вещества и открывает микробиальные клетки. Благодаря этому органическое вещество, которое ранее находилось под защитой, становится более доступным для аэробного сбраживателя.
В случае аэробного процесса целью не является увеличение объема производства биогаза. Повышение выхода метана актуально для анаэробного сбраживания. В аэробном сбраживателе важными показателями эффективности являются разложение летучих веществ, потребление кислорода, время сбраживания, остаточное содержание сухих веществ, степень обезвоживания и общие эксплуатационные затраты.
Промышленные ультразвуковые устройства компании Hielscher интегрируются в линию WAS с насосом или в контур рециркуляции метантенка. Ультразвуковые реакторы с проточной ячейкой позволяют сконцентрировать обработку на заданном потоке осадка и контролировать процесс по мощности, расходу, концентрации твердых веществ, давлению и температуре. В результате получается компактная модернизация, позволяющая добавить ультразвуковое разрушение осадка без замены существующего аэробного метантенка.
Промышленная ультразвуковая установка Hielscher с потоковым режимом работы для переработки сгущенной WAS
Почему отходы активного ила трудно переваривать
Отходы активного ила — это избыточные биологические твердые вещества, удаляемые в процессе очистки сточных вод методом активного ила. Они содержат микроорганизмы, внеклеточные полимерные вещества (ВКПВ), уловленный органический материал и инертные твердые вещества.
Во вторичном отстойнике осаждённый активный ил разделяется на две потоки:
- Возвратный активный ил (ВАИ) возвращается в аэрационный бассейн для поддержания необходимой концентрации биомассы.
- Отходы активного ила (WAS) удаляются из процесса очистки жидкостей и направляются на сгущение, стабилизацию, сбраживание или обезвоживание.
WAS содержит значительную долю клеточного материала микроорганизмов. Большая часть его биоразлагаемого органического состава заключена в клеточные стенки или связана внутри плотных флокулов осадка. Эта физическая защита замедляет естественный процесс лизиса клеток и гидролиза.
В процессе аэробного сбраживания происходит подача кислорода при ограниченном поступлении свежих органических веществ. Микроорганизмы переходят в режим эндогенного дыхания и потребляют накопленные вещества, отмершие клетки и другие биоразлагаемые компоненты осадка. Цель этого процесса заключается в стабилизации осадка, снижении интенсивности запаха и уменьшении количества летучих твердых веществ, которые необходимо обезвоживать и утилизировать.
Скорость сбраживания зачастую ограничивается доступностью субстрата. Даже если в биореакторе присутствуют активные микроорганизмы и обеспечено достаточное время пребывания, органическое вещество, находящееся внутри неповрежденных клеток и плотных флокул, по-прежнему остается труднодоступным.
Сравнение необработанных флокул с осадоком, подвергшимся ультразвуковой обработке: ультразвуковая обработка значительно уменьшает размер флокул.
Исследование и иллюстрации: ©Chu и др., 2001 г.
Как ультразвуковая кавитация открывает возможности WAS для аэробного сбраживания
Промышленные ультразвуковые устройства компании Hielscher работают на частоте 20 кГц и вызывают интенсивную акустическую кавитацию в потоках жидкости и суспензии. В суспензии образуются, растут и разрушаются кавитационные пузырьки. Их разрушение создает мощные локальные сдвиговые силы, которые воздействуют непосредственно на флокулы, EPS и микробиологические клетки.
Ультразвуковая обработка вызывает три важных изменения в WAS:
Распад флокул
Кавитация разрушает агрегаты осадка и обнажает поверхности, которые ранее были покрыты внеклеточными полимерными веществами (ВКПВ). Обработанный осадок содержит более мелкие частицы и имеет большую доступную площадь поверхности.
EPS и разрушение клеток
Разрушение с помощью ультразвука повышает аэробную биоразлагаемость активного ила из бытовых сточных вод за счет расщепления прочных флокулов ила и высвобождения удерживаемого в них органического вещества. Ультразвуковая кавитация разрушает клеточные мембраны и клеточные стенки. Белки и углеводы, а также другие внутриклеточные соединения переходят в жидкую фазу.
Повышенная биодоступность
Аэробные микроорганизмы способны усваивать растворимые и мелкодисперсные органические вещества более эффективно, чем целые микробные клетки и плотные флокулы. Таким образом, ультразвуковая обработка механическим путем выполняет часть работы по лизису и гидролизу ещё до этапа биологического окисления.
Ультразвуковая обработка воздействует на плотную защитную матрицу сточных осадков, что позволяет значительно ускорить и повысить эффективность микробиологического разложения. Это обычно проявляется в виде увеличения показателя химической потребности в кислороде растворимых веществ (SCOD).
Промышленный ультразвуковой поточный реактор для оптимизации процесса гидролизации WAS
Преимущества применения ультразвуковой обработки на установках аэробного сбраживания
Результат зависит от состава осадка и интенсивности ультразвукового воздействия. Если ультразвуковая обработка способствует повышению аэробной биоразлагаемости, очистные сооружения могут добиться следующих результатов:
- Более полное уничтожение летучих веществ при существующей продолжительности сбраживания
- Аналогичная стабилизация осадка при более коротком времени пребывания
- Снижение объема остаточных сухих веществ в продукции
- Дополнительная эффективная мощность существующего аэробного биореактора
- Сокращение объёмов транспортировки и утилизации биологических осадков
- Повышение стабильности процесса в периоды высокой концентрации твердых частиц
- Более эффективный контроль нитчатых организмов за счет разрушения флокул и клеток
Встраиваемые ультразвуковые аппараты Hielscher для простой модернизации
В промышленных масштабах, как правило, более эффективно подвергать ультразвуковой обработке поток концентрированного осадка, чем весь объем аэробного биореактора. Ультразвуковые реакторы с проточной ячейкой компании Hielscher поддерживают две практические конфигурации.
Предварительная обработка на линии подачи WAS
Ультразвуковая установка монтируется после уплотнителя WAS и перед аэробным биореактором:
Уплотнённая WAS → подающий насос → ультразвуковая проточная ячейка Hielscher → аэробный биореактор
Данная схема обеспечивает подачу заданного массового расхода сухого вещества и создает чёткую основу для регулирования удельной мощности ультразвукового излучения.
Схема технологического процесса: сгущенная отработанная вода (WAS) → подающий насос → промышленный встроенный ультразвуковой аппарат Hielscher UIP6000hdT → аэробный биореактор
Рециркуляция из биореактора или очистка побочного потока
Определённая доля осадка перекачивается из метанного реактора или по трубопроводу для осадка через ультразвуковой аппарат и возвращается в технологический процесс. Такая конфигурация целесообразна в тех случаях, когда существующий трубопровод подачи трудно модифицировать или когда необходимо обработать только определённую долю осадка.
Обе установки могут быть смонтированы в виде компактных модулей, включающих насос, ультразвуковую расходомерную ячейку, запорную арматуру, сервисный байпас, датчики давления и температуры, точки отбора проб и средства управления технологическим процессом. Существующий реактор ферментации остается без изменений.
Благодаря этому ультразвуковая очистка особенно подходит для модернизации существующих станций очистки сточных вод. Ультразвуковой блок можно установить в нагнетательную линию, он работает автономно, а во время осмотра или технического обслуживания его можно отключить.
Повысьте эффективность аэробного разложения ила с помощью мощного ультразвука!
Промышленные ультразвуковые устройства компании Hielscher представляют собой компактный и масштабируемый способ интеграции высокомощного ультразвука в существующую линию очистки сточных вод. Потоковая обработка в проточной ячейке позволяет сконцентрировать ультразвуковую энергию на потоке осадка, обеспечивает воспроизводимое регулирование дозы и может быть спроектирована для надежной круглосуточной работы в тяжелых условиях эксплуатации.
Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»
Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.
Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют 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
Позволяет ли ультразвуковая обработка увеличить объем производства биогаза в аэробном биореакторе?
Нет. Увеличение выхода метана или биогаза является преимуществом анаэробного сбраживания. В случае аэробного сбраживания эффективность ультразвуковой обработки следует оценивать по таким показателям, как разрушение органической массы (VS), потребление кислорода, время сбраживания, остаточное содержание сухого вещества, способность к обезвоживанию и общая стоимость.
Где установлена ультразвуковая система?
Как правило, система устанавливается в линию после устройства сгущения WAS и перед аэробным биореактором. Она также может работать в режиме контролируемого бокового потока или в контуре рециркуляции биореактора. Обходной канал позволяет продолжать перекачку осадка во время технического обслуживания.
Зачем использовать промышленный ультразвуковой аппарат с частотой 20 кГц?
Низкочастотный ультразвук высокой мощности вызывает интенсивную кавитацию и механическое сдвиговое воздействие. Это позволяет эффективно разрушать флокулы осадка, разрушать структуры EPS и вскрывать клетки микроорганизмов в жидко-твердых потоках.
Может ли ультразвуковой аппарат Hielscher работать в непрерывном режиме?
Да. Промышленные ультразвуковые аппараты серии hdT компании Hielscher разработаны для непрерывной работы в тяжелых условиях и отличаются высокой надежностью. Реакторы с проточной ячейкой позволяют осуществлять контролируемую потоковую или рециркуляционную обработку, а автоматическая регистрация данных обеспечивает мониторинг технологического процесса и его воспроизводимость.
Какие данные необходимы для расчета мощности ультразвуковой системы очистки осадка?
Основными входными параметрами являются расход WAS, концентрация TS и VS, вязкость осадка, целевой удельный расход энергии, требуемый эффект очистки, время работы и доступное давление. Перед расчетом параметров полномасштабной установки рекомендуется провести пилотные испытания для определения эффективной дозы.
Помогает ли ультразвуковая обработка улучшить обезвоживание осадка?
Результат зависит от характеристик осадка и дозы. Умеренная обработка может улучшить процесс отделения твердых частиц, тогда как чрезмерное раздробление может привести к образованию мелких частиц и растворимых полимеров, которые ухудшают эффективность улавливания или качество осадочного слоя. Поэтому испытания по обезвоживанию являются важной частью оптимизации технологического процесса.
Что говорят научные исследования об ультразвуковом расщеплении с использованием WAS?
Результаты лабораторных исследований подтверждают эффективность использования ультразвука для повышения доступности и аэробной биоразлагаемости осадка, полученного при очистке сточных вод (WAS).
В исследовании, посвящённом комбинированной щелочной и ультразвуковой предварительной обработке перед аэробным сбраживанием, было отмечено, что степень разложения органического вещества за одинаковое время сбраживания составила 38,0 % для необработанного осадка и 42,5 % для осадка, прошедшего ультразвуковую предварительную обработку. Комбинированная щелочная и ультразвуковая предварительная обработка повысила степень разложения до 50,7 %. Этот результат демонстрирует, что ультразвук сам по себе может улучшить аэробное разложение, а также показывает, что достижимое улучшение зависит от стратегии предварительной обработки и характеристик осадка. (см. Jin et al., 2009)
В другом исследовании муниципальных сточных вод было отмечено повышение растворимости осадка и его аэробной биоразлагаемости после бактериального разложения с использованием ультразвука. Предварительно обработанный осадок демонстрировал более высокую скорость биоразложения или разложения по сравнению с необработанным контрольным образцом. (см. Kavitha et al. 2016)
Способствует ли ультразвуковая обработка другим процессам переработки осадка?
Да. Ультразвуковая обработка способствует осуществлению ряда процессов очистки осадка за счет разрушения флокул, EPS и микробиальных клеток:
Анаэробное сбраживание/Производство биогаза: ускоряет гидролиз, повышает содержание растворимого ХПК и может способствовать более полному разложению органической вещества и увеличению выхода метана.
Рекуперация фосфора: выделяет связанный с клетками и органический фосфор в жидкую фазу, повышая его доступность для последующего осаждения в виде струвита или вивианита; ультразвук также может усиливать выщелачивание фосфора из золы осадка.
Литература / Литература
- 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 лаборатория Кому промышленного размера.