Различные решения для извлечения фосфора из осадка городских сточных вод

Фосфор является критически важным ресурсным минералом, естественное снабжение которого быстро сокращается. Следовательно, правительство Германии приняло постановление, 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 осадка городских сточных вод.

Установки по очистке осадка сточных вод и переработке фосфора

Фосфор является критически важным элементом, широко используемым в качестве удобрения и сырья в тонкой химической и фармацевтической промышленности. Из-за быстрого сокращения доступных ресурсов правительство Германии внедрило закон, согласно которому все муниципальные станции очистки сточных вод должны установить измерения для извлечения фосфора из осадка муниципальных сточных вод. Внедрение высокоэффективного ультразвука предлагает различные варианты лечения, которые значительно повышают эффективность восстановления фосфора.

Заводы по очистке сточных вод используют ультразвук для улучшения переваривания осадка и восстановления питательных веществ, таких как фосфор.

Ультразвуковая дезинтеграция осадка сточных вод для улучшения восстановления Phorsphorus

Было ясно продемонстрировано, что облучение осадка сточных вод мощными ультразвуковыми волнами улучшает распад биомассы в осадке сточных вод. Многочисленные исследования показали преимущества ультразвуковой обработки отходов активного ила и различных промышленных ультразвуковых систем, работающих на муниципальных очистных сооружениях в Германии.
Ультразвуковая предварительная обработка субстратов в осадке сточных вод оказывает ряд полезных эффектов на процессы анаэробного сбраживания. Эти преимущества включают уменьшение размера частиц, увеличение скорости гидролиза и сокращение времени гидравлического удержания.
Кавитационные силы сдвига, создаваемые высокоинтенсивными/низкочастотными ультразвуковыми волнами, вызывают разрушение морфологии шламовой хлопьев и микробной структуры ила.
Исследовательская группа Нгуена продемонстрировала в своих исследованиях, «что применение ультразвука очень эффективно в уменьшении размера частиц биомассы, достигая уменьшения до среднего размера частиц >78,78%, пропорционального продолжительности времени и интенсивности воздействия ультразвукового облучения. Это указывает на то, что частицы ила распадаются, а размер частиц осадка уменьшается на основе обратной зависимости между временем обработки ультразвуком и размером частиц флока. Применение было очень эффективным, несмотря на то, что наблюдения за шламовыми хлопьями перед обработкой показали, что шламовые хлопья были плотными и очень компактными, состоящими из многих подкомпонов с компактными ядрами, клеточными кластерами, бактериальными колониями, простейшими и нитевидными бактериями, среди других факторов. Анализ сточных вод показывает, что ультразвуковой процесс значительно разрушил структурную целостность шламовых хлопьев всех размеров. Куски флока были уменьшены до ≤6,5 мкм при оптимальных условиях обработки и растворялись в шламовой суспензии после 5-10 мин ультразвуковой обработки с низкой ультразвуковой частотой 20 кГц». (Нгуен и др., 2015)
Эффективно распавшийся осадок сточных вод, т.е. ультразвуковой шлам демонстрирует значительно улучшенные сепарационные свойства, позволяющие удалять богатые фосфором фракции из биомассы и гелеобразных фракций, а также воды. Ультразвуковая кавитация разрушает клеточные структуры биомассы в осадке сточных вод и облегчает последующее фракционирование на три фракции (i) богатых клетчаткой волокон, (ii) богатый питательными веществами гель и (iii) жидкость, которая легко ферментируется. Эти три фракции осадка могут быть дополнительно переработаны, например, извлечение фосфора, удаление тяжелых металлов и т.д.

Ультразвуко-интенсированное влажно-химическое осаждение фосфора

Ультразвук - это хорошо известный метод, используемый с давних времен в химии для последовательного и эффективного осаждения минералов, частиц и кристаллов. Для извлечения фосфориса из осадка сточных вод применяется обработка ультразвуком, чтобы способствовать и ускорять осаждение струвита. Струвит (фосфат аммония магния) — фосфатный минерал с формулой NH₄MgPO₄· 6H₂ O, который предлагает простое решение для удаления фосфора в связанной форме из шлама отходов.
В процессе кристаллизации/осаждения струвитов ионы PO₄^3-, NH₄⁺, и Mg^{2 евро} удаляются из жидкой фазы за счет осаждения струвитов, пока реакция не достигнет равновесия.

Кристаллы струвита, осажденные из сточных вод свиней.
(фото и исследование: ©Kim et al. 2017)

Когда ультразвук применяется в качестве предварительной обработки осадка перед процессом осаждения струвитов, ультразвуковая кавитация обеспечивает перемешивание на молекулярном уровне, обеспечивая активную площадь поверхности для роста кристаллов. Увеличение скорости солюбилизации внеклеточных и внутриклеточных веществ, дополнительно улучшает осаждение струвитов за счет увеличения биодоступности NH₄⁺ и СП₄^3- Ионов. Обработка ультразвуком приводит к облегченному массообмену через суспензию, что вызвано ультразвуковой кавитацией.
Обработка ультразвуком может быть также применена к гидротермическому карбонизационному щелоку, где фосфор рециркулируется в виде струвита из гидротермального раствора карбонизации путем ультразвуковой экстракции и осаждения.
Узнайте больше о крупномасштабных струвитных осадках для извлечения фосфора из осадка сточных вод!

Sono-Fenton для высвобождения фосфора из осадка сточных вод

Исследование Gong et al. (2015) продемонстрировало эффективность комбинированной ультразвуковой предварительной обработки Фентона (также известной как соно-Фентон) для дезинтеграции осадка сточных вод. Применение ультразвуковой обработки Фентоном значительно увеличило выделение углерода, азота и фосфора. Обработка соно-фентоном увеличивала общий азот (N) и фосфор (P) в 1,7 и 2,2 раза соответственно по сравнению с одной только обработкой Фентоном. После обработки соно-Фентоном осадок показал значительно меньший размер частиц и более рыхлую микроструктуру, основанную на сканирующей электронной микроскопии. Используя электронный спиновый резонанс, наибольшая интенсивность сигнала OH• увеличилась с 568,7 при лечении Фентоном до 1106,3 после лечения соно-фентоном. Это показало, что обработка соно-фентоном вызывает распад осадка и значительно улучшает высвобождение органического углерода, азота и фосфора.

Ультразвуковые усиленные микробные топливные элементы

Ультразвуковая предварительная обработка осадка сточных вод способствует солюбилизации различных органических соединений из шламовой матрицы, что впоследствии ускоряет микробный электрогидрогенез.
More и Ghangrekar (2010) вносят свой вклад в благотворное влияние предварительной обработки ультразвуком на микробные топливные элементы для повышения ферментативной активности и доступности внеклеточных белков, полисахаридов и ферментов, которые высвобождаются из внутренних слоев шламовых хлопьев во внешние слои путем ультразвуковой сонопорации и разрушения клеток, что приводит к повышению эффективности использования субстрата. Для улучшения сбора электроэнергии из микробных топливных элементов необходимо улучшение способности бактерий переносить электроны во внеклеточное твердое вещество. Этот внеклеточный перенос электронов может происходить либо в прямом контакте между поверхностью клетки и твердой поверхностью, либо косвенно через так называемые экзогенные и эндогенные медиаторы. Для прямого переноса электронов между бактериями и поверхностью электрода электрон должен достичь внешней мембраны клетки. Это явление могло произойти из-за ультразвуковой предварительной обработки инокулята, когда удельная подаваемая энергия была достаточной; следовательно, отдавая предпочтение более высокой кулоновской эффективности.
Ультразвуково усиленный процесс микробного электролиза может быть объединен с последующими процессами ферментации для обработки осадка.

Соно-электрохимическая обработка осадка сточных вод

Электрокоагуляция – это простой процесс, который легко применяется к сточным водам и позволяет эффективно и экономично обрабатывать большие объемы. Ультразвук помогает преодолеть основной недостаток процессов электрокоагуляции, предотвращая образование пассивирующих слоев из электродов. Пассивные пленки, образующиеся на поверхности электрода с течением времени, резко снижают эффективность электрокоагуляционных систем, а ультразвук является легким методом непрерывного удаления этих пассивирующих слоев во время работы, в то же время обработка ультразвуком увеличивает оборот систем электрокоагуляции. Ультразвуковые волны разрушают осадочные породы, образующиеся на поверхности электрода, и генерируют большое количество радикальных видов для удаления загрязняющих веществ путем создания точек высокого давления внутри раствора во время кавитационного явления. Сочетая электрокоагуляцию с ультразвуковой, за счет создания новых поверхностей на электроде путем кавитации или микропотока, уменьшение толщины распределительного слоя усугубляется увеличением скорости массопереноса. Соно-электрокоагуляция увеличивает количество образования коагулянтов по сравнению с электрокоагуляцией, а флокуляция усиливается экстремальным перемешиванием и окислением образованием свободных радикалов; поэтому достичь желаемой эффективности можно в кратчайшие сроки.
(Моради и др., 2021)

Преимущества соноэлектрохимии и соноэлектрокоагуляции

«Соноэлектрохимия представляет собой комбинацию ультразвуковой энергии в электрохимической системе, которая предлагает несколько преимуществ, включая удаление пузырьков газа на поверхности электрода, дегазацию раствора, разрушение диффузионного слоя Нернста, усиление массового переноса 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 ячеек и избыточных возможностей электродов, улучшению электроосажденных материалов с точки зрения твердости, качества, пористости и толщины, а также подавлению обрастания и дегазации электродов на поверхности электрода». (Foroughi et al., 2021)
Узнайте больше о соно-электрохимическом оборудовании и его применении!

Промышленные ультразвуковые системы для очистки осадка сточных вод

Высокопроизводительные системы Hielscher Ultrasonics являются надежной рабочей лошадкой на станциях очистки 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 распад клеток, высокий массообмен, дезинфекцию, разложение полимеров, высвобождение ферментов и гомогенизацию осадка. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком повышает эффективность лечения за счет генерации окислительных радикалов и увеличения участков нуклеации, обеспечивая лучшую коагуляцию и флокуляцию. Надежная и непрерывная генерация этих интенсивных сил ультразвуковой кавитации и ее эффекты позволяют интегрировать наши мощные ультразвуковые процессоры для различных применений, чтобы улучшить сбор энергии и питательных веществ из осадка сточных вод.

• Ультразвуковой распад осадка сточных вод
• Ультразвуковое усиленное анаэробное сбраживание
• 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 имеет идеальные ультразвуковые системы очистки отходов и шлама для вашего установки осадка сточных вод.
Модульная конструкция позволяет производить простую установку нескольких ультразвуковых установок параллельно, что делает возможной надежную и эффективную обработку любого объема.
Мощные / высокопроизводительные ультразвуковые системы Hielscher повышают эффективность и выход при обработке биомассы в осадке сточных вод.
Все наши ультразвуковые аппараты оснащены системой безразборной мойки (CIP).
Подходит для сложных обработок: осадок сточных вод часто содержит волокнистые материалы с высоким содержанием целлюлозы, которые трудно распадаются. Ультразвук Hielscher’ промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно запущены 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 проточными ячейками обеспечивает идеальную схему потока и равномерную, эффективную ультразвуковую обработку подаваемого шлама.

Мы работаем с системными интеграторами и инженерами шламовых установок

Как производитель и сборщик систем высокопроизводительных ультразвуковых модульных блоков, Hielscher Ultrasonics работает вместе с системными интеграторами. Большинство операторов очистных сооружений сточных вод и осадка сточных вод работают с системными интеграторами, которые имеют большой опыт в проектировании и автоматизации таких очистных сооружений. Наша команда инженеров-проектировщиков и инженеров-технологов рекомендует оптимальную ультразвуковую конфигурацию для целевого объема шлама, предоставляет подробную информацию о системе, чертежи САПР, а также услуги по установке и обучению эксплуатации. Это позволяет конструктивно и целенаправленно реализовать интеграцию высокоэффективного ультразвука в очистные сооружения. Пожалуйста, свяжитесь с нами, если вы заинтересованы в интеграции наших ультразвуковых процессоров для улучшенной обработки осадка!

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

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