Различные решения для извлечения фосфора из осадка городских сточных вод

Фосфор является критически важным ресурсным минералом, природные запасы которого быстро сокращаются. В связи с этим правительство Германии издало указ о том, что с 2029 года фосфор должен в значительной степени извлекаться из осадка сточных вод. Внедрение силового ультразвука открывает различные возможности для интенсификации извлечения фосфора из осадков городских сточных вод.

Установки по очистке осадков сточных вод и переработке фосфора

Фосфор является критически важным элементом, широко используемым в качестве удобрения и сырья в тонкой химической и фармацевтической промышленности. В связи с быстрым сокращением доступных ресурсов правительство Германии ввело закон, согласно которому все городские очистные сооружения должны проводить измерения для извлечения фосфора из осадка городских сточных вод. Внедрение высокоэффективного ультразвука предлагает различные варианты лечения, которые значительно повышают эффективность восстановления фосфора.

На станциях очистки сточных вод используется ультразвук для улучшения сбраживания осадка и восстановления питательных веществ, таких как фосфор.

Ультразвуковая дезинтеграция осадка сточных вод для улучшения извлечения форсфора

Было наглядно продемонстрировано, что облучение осадка сточных вод мощными ультразвуковыми волнами улучшает распад биомассы в осадке сточных вод. Многочисленные научные исследования показали преимущества ультразвуковой обработки отходов с активированным илом и различными промышленными ультразвуковыми системами, которые используются на муниципальных очистных сооружениях в Германии.
Ультразвуковая предварительная обработка субстратов в осадке сточных вод имеет ряд положительных эффектов для процессов анаэробного сбраживания. Эти преимущества включают уменьшение размера частиц, увеличение скорости гидролиза и сокращение времени удержания в гидравлике.
Кавитационные сдвиговые силы, создаваемые высокоинтенсивными/низкочастотными ультразвуковыми волнами, вызывают разрушение морфологии хлопьев осадка и микробной структуры ила.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “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)
Эффективно дезинтегрированный осадок сточных вод, т.е. Ультразвуковой осадок, демонстрирует значительно улучшенные сепарационные свойства, позволяющие удалять богатые фосфором фракции из биомассы и гелеобразные фракции, а также воду. Ультразвуковая кавитация разрушает клеточные структуры биомассы в осадке сточных вод и способствует последующему фракционированию на три фракции (i) волокон, богатых целлюлозой, (ii) богатого питательными веществами геля и (iii) жидкости, которая легко ферментируется. Эти три фракции осадка могут быть подвергнуты дальнейшей обработке, например, извлечению фосфора, удалению тяжелых металлов и т.д.

Ультразвуковое интенсификация влажно-химического осаждения фосфора

Ультразвуковая технология является хорошо известным методом, используемым в течение долгих времен в химии для успешного и эффективного осаждения минералов, частиц и кристаллов. Для восстановления фосфора из осадка сточных вод применяется ультразвук с целью стимулирования и ускорения осаждения струвитов. Струвит (фосфат магния и аммония) — фосфатный минерал с формулой NH₄MgPO₄·6Ч₂ O, который предлагает простое решение для удаления фосфора в связанной форме из отработанного осадка.
В процессе кристаллизации/осаждения струвитов ионы PO₄^3-, NH₄⁺, и Mg²⁺ удаляются из жидкой фазы за счет выпадения струвитов, до тех пор, пока реакция не достигнет равновесия.

Кристаллы струвита выпадали в осадок из стоков свиней.
(фото и исследование: ©Kim et al. 2017)

Когда ультразвук применяется в качестве предварительной обработки осадка перед процессом осаждения струвитов, индуцированная ультразвуком кавитация обеспечивает тщательное перемешивание на молекулярном уровне, обеспечивая активную площадь поверхности для роста кристаллов. Увеличение скорости солюбилизации внеклеточных и внутриклеточных веществ еще больше способствует выпадению струвитов за счет повышения биодоступности NH₄⁺ и PO₄^3- Ионов. Обработка ультразвуком приводит к облегченному массопереносу через пульпу, который вызван ультразвуковой кавитацией.
Ультразвуковая обработка также может быть применена к гидротермальному раствору карбонизации, где фосфор перерабатывается в виде струвита из гидротермального карбонизирующего щелока путем ультразвуковой экстракции и осаждения.
Узнайте больше о крупномасштабных струвитных осадках для извлечения фосфора из осадка сточных вод!

Sono-Fenton для выделения фосфора из осадка сточных вод

Исследование Gong et al. (2015) продемонстрировало эффективность комбинированной ультразвуковой обработки по методу Фентона (также известной как соно-Фентон) для дезинтеграции осадка сточных вод. Применение ультразвуковой обработки по методу Фентона значительно увеличивало выделение углерода, азота и фосфора. Обработка Соно-Фентона увеличивала общее содержание азота (N) и фосфора (P) соответственно в 1,7 и 2,2 раза по сравнению с обработкой Фентона. После обработки Соно-Фентона осадок показал значительно меньший размер частиц и более рыхлую микроструктуру на основе сканирующей электронной микроскопии. При использовании электронного спинового резонанса наибольшая интенсивность сигнала OH• увеличилась с 568,7 при обработке Фентона до 1106,3 после обработки Соно-Фентона. Это продемонстрировало, что обработка Соно-Фентона вызывает разрушение осадка и значительно улучшает выделение органического углерода, азота и фосфора.

Ультразвуково интенсифицированные микробные топливные элементы

Ультразвуковая предварительная обработка осадка сточных вод способствует солюбилизации различных органических соединений из матрицы осадка, что в последующем ускоряет микробный электрогидрогенез.
More и Ghangrekar (2010) вносят свой вклад в благотворное влияние предварительной обработки ультразвуком на микробные топливные элементы на повышение ферментативной активности и доступность внеклеточных белков, полисахаридов и ферментов, которые высвобождаются из внутренних слоев хлопьев ила во внешние слои в результате ультразвуковой сонопорации и разрушения клеток, что приводит к повышению эффективности использования субстрата. Для улучшения сбора электроэнергии из микробных топливных элементов необходимо улучшить способность бактерий к переносу электронов во внеклеточное твердое вещество. Этот внеклеточный перенос электронов может происходить либо при прямом контакте между поверхностью клетки и твердой поверхностью, либо опосредованно через так называемые экзогенные и эндогенные медиаторы. Для прямого переноса электронов между бактерией и поверхностью электрода электрон должен достичь внешней мембраны клетки. Это явление могло произойти из-за предварительной обработки ультразвуком посевного материала, когда удельная подаваемая энергия была достаточной; следовательно, предпочтение отдается более высокой кулоновской эффективности.
Процесс ультразвукового интенсификации микробного электролиза может быть совмещен с последующими процессами ферментации для обработки осадка.

Соно-электрохимическая очистка осадка сточных вод

Электрокоагуляция является простым процессом, который может быть легко применен к сточным водам и позволяет эффективно и экономично обрабатывать большие объемы. Ультразвуковое исследование помогает преодолеть главный недостаток процессов электрокоагуляции, предотвращая образование пассивирующих слоев от электродов. Пассивные пленки, образующиеся на поверхности электродов с течением времени, резко снижают эффективность электрокоагуляционных систем, а ультразвук является легким методом непрерывного удаления этих пассивирующих слоев во время работы, в то время как ультразвук увеличивает оборот электрокоагуляционных систем. Ультразвуковые волны разрушают осадок, образующийся на поверхности электрода, и генерируют большое количество радикальных соединений для удаления загрязняющих веществ путем создания точек высокого давления внутри раствора во время явления кавитации. При сочетании электрокоагуляции с ультразвуком, за счет создания новых поверхностей на электроде путем кавитации или микропотокового движения, уменьшение толщины распределительного слоя усугубляется увеличением скоростей массообмена. Соно-электрокоагуляция увеличивает количество образования коагулянта по сравнению с электрокоагуляцией, а флокуляция усиливается за счет экстремального смешивания и окисления за счет образования свободных радикалов; Поэтому достичь желаемой эффективности можно в кратчайшие сроки.
(Моради и др., 2021)

Преимущества соноэлектрохимии и соноэлектрокоагуляции

«Соноэлектрохимия — это комбинация ультразвуковой энергии в электрохимической системе, которая обеспечивает ряд преимуществ, включая удаление пузырьков газа на поверхности электрода, дегазацию раствора, разрушение диффузионного слоя Нернста, увеличение массопереноса электроактивных веществ через двойной слой, а также активацию и очистку поверхности электрода. Эти преимущества в электрохимии приводят к повышению эффективности процесса (эффективность электродов и тока), увеличению электрохимических скоростей и выходов, снижению напряжения элементов и перенапряжений электродов, улучшению электроосажденных материалов с точки зрения твердости, качества, пористости и толщины, а также к подавлению загрязнения электродов и дегазации на поверхности электрода». (Форуги и др., 2021)
Узнайте больше о соно-электрохимическом оборудовании и его применении!

Промышленные ультразвуковые системы для обработки осадков сточных вод

Высокопроизводительные ультразвуковые системы Hielscher являются надежной рабочей лошадкой на очистных сооружениях сточных вод и осадка сточных вод. Ультразвуковые системы Hielscher обеспечивают мощный ультразвук на частоте 20 кГц, что создает интенсивную акустическую кавитацию. Эффекты нашей мощной ультразвуковой обработки включают разрушение и дезинтеграцию клеток, высокий массообмен, дезинфекцию, разложение полимеров, высвобождение ферментов и гомогенизацию осадка. Высокоинтенсивная ультразвуковая обработка повышает эффективность обработки за счет образования окислительных радикалов и увеличения центров зародышеобразования, обеспечивая лучшую коагуляцию и флокуляцию. Надежная и непрерывная генерация этих интенсивных ультразвуковых кавитационных сил и их эффектов позволяет интегрировать наши мощные ультразвуковые процессоры для различных применений с целью улучшения сбора энергии и питательных веществ из осадка сточных вод.

• Ультразвуковое разрушение осадка сточных вод
• Ультразвуковая интенсификация анаэробного сбраживания
• Восстановление ценных питательных веществ (фосфора, азота, магния, кальция, калия и др.)
• Удаление загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы

Предлагая ультразвуковые процессоры с проточными реакторами различных размеров, Hielscher Ultrasonics предлагает идеальные ультразвуковые системы обработки отходов и осадка сточных вод для вашего объекта по переработке осадка сточных вод.
Модульная конструкция позволяет легко установить несколько ультразвуковых установок параллельно, что делает возможным надежное и эффективное лечение любого объема.
Ультразвуковые системы Hielscher высокой мощности и производительности повышают эффективность и производительность при переработке биомассы в осадке сточных вод.
Все наши ультразвуковые аппараты оснащены функцией безразборной мойки (CIP).
Подходит для сложных методов обработки: осадок сточных вод часто содержит волокнистые материалы с высоким содержанием целлюлозы, которые трудно разлагаются. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Такие высокие амплитуды являются эффективным способом нарушения клеточной структуры целлюлозы, лигнина и прочных клеточных стенок других материалов. Оптимизированная конструкция наших реакторов с проточной ячейкой обеспечивает идеальные схемы потока и равномерную, эффективную ультразвуковую обработку подаваемого осадка.

Мы работаем с системными интеграторами и инженерами очистных сооружений

Являясь производителем и сборщиком высокопроизводительных ультразвуковых модульных установок, Hielscher Ultrasonics сотрудничает с системными интеграторами. Большинство операторов очистных сооружений сточных вод и осадков сточных вод работают с системными интеграторами, которые имеют большой опыт проектирования и автоматизации таких очистных сооружений. Наша команда инженеров-проектировщиков и технических инженеров рекомендует оптимальную конфигурацию ультразвукового излучения для целевого объема осадка, предоставляет подробную информацию о системе, чертежи CAD, а также услуги по установке и обучение эксплуатации. Это позволяет конструктивно и целенаправленно реализовать интеграцию высокоэффективного ультразвука в очистных сооружениях. Пожалуйста, свяжитесь с нами, если вы заинтересованы в интеграции наших ультразвуковых процессоров для улучшенной обработки осадка!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

Свяжитесь с нами сейчас, чтобы получить более подробную информацию о системах ультразвуковой обработки осадка сточных вод Hielscher, вариантах установки и технической информации!