Различные решения для извлечения фосфора из осадка городских сточных вод

Фосфор – критически важный минеральный ресурс, природные запасы которого быстро сокращаются. Поэтому правительство Германии постановило, что с 2029 года фосфор должен в значительной степени извлекаться из осадка сточных вод. Применение мощного ультразвука открывает различные возможности для интенсификации извлечения фосфора из осадка городских сточных вод.

Установки обработки осадка сточных вод и возврат фосфора в оборот

Фосфор – критически важный элемент, широко используемый в качестве удобрения и сырья в тонкой химической и фармацевтической промышленности. В связи с быстрым сокращением его доступных запасов правительство Германии ввело закон, согласно которому все городские очистные сооружения должны принимать меры для извлечения фосфора из осадка городских сточных вод. Применение высокопроизводительного ультразвука предлагает различные варианты обработки, которые значительно повышают эффективность извлечения фосфора.

Очистные сооружения используют ультразвук для улучшения сбраживания осадка и извлечения питательных веществ, таких как фосфор.

Ультразвуковая дезинтеграция осадка сточных вод для улучшения извлечения фосфора

Было убедительно продемонстрировано, что воздействие мощных ультразвуковых волн на осадок сточных вод улучшает дезинтеграцию содержащейся в нем биомассы. Многочисленные исследования показали преимущества ультразвуковой обработки избыточного активного ила, и на городских очистных сооружениях Германии работают различные промышленные ультразвуковые системы.
Предварительная ультразвуковая обработка субстратов в осадке сточных вод оказывает несколько благоприятных воздействий на процессы анаэробного сбраживания. Эти преимущества включают уменьшение размера частиц, повышение скорости гидролиза и сокращение времени гидравлического удерживания.
Кавитационные силы сдвига, создаваемые ультразвуковыми волнами высокой интенсивности / низкой частоты, вызывают разрушение морфологической структуры хлопьев и микробной структуры осадка.
Исследовательская группа Nguyen продемонстрировала в своих исследованиях, «что применение ультразвука очень эффективно уменьшает размер частиц биомассы, обеспечивая уменьшение до среднего размера частиц >78,78% пропорционально продолжительности и интенсивности ультразвукового воздействия. Это указывало на дезинтеграцию частиц осадка и уменьшение их размера на основе обратной зависимости между временем обработки ультразвуком и размером частиц хлопьев. Применение было высокоэффективным, несмотря на то, что наблюдения за хлопьями осадка до обработки показали их плотность и высокую компактность: они состояли из множества подструктур с компактными ядрами, скоплений клеток, бактериальных колоний, простейших и нитчатых бактерий, наряду с другими составляющими. Анализ выходящего потока показывает, что ультразвуковой процесс значительно нарушал структурную целостность хлопьев осадка всех размеров. В оптимальных условиях обработки фрагменты хлопьев уменьшались вплоть до ≤6,5 μm и растворялись в суспензии осадка после 5–10 min ультразвуковой обработки при низкой частоте ультразвука 20 kHz». (Nguyen et al., 2015)
Эффективно дезинтегрированный осадок сточных вод, то есть осадок, обработанный ультразвуком, обладает значительно улучшенными характеристиками разделения, позволяющими отделять богатые фосфором фракции от биомассы и гелеобразных фракций, а также воды. Ультразвуковая кавитация разрушает клеточные структуры биомассы в осадке сточных вод и облегчает последующее разделение на три фракции: (i) богатые целлюлозой волокна, (ii) богатый питательными веществами гель и (iii) легко поддающаяся ферментации жидкость. Эти три фракции осадка можно подвергать дальнейшей обработке, например для извлечения фосфора, удаления тяжелых металлов и т. д.

Осаждение фосфора мокрым химическим методом с ультразвуковой интенсификацией

Обработка ультразвуком – хорошо известный метод, давно применяемый в химии для успешного и эффективного осаждения минералов, частиц и кристаллов. При извлечении фосфора из осадка сточных вод обработка ультразвуком применяется для стимулирования и ускорения осаждения струвита. Струвит (фосфат магния и аммония) – фосфатный минерал с формулой NH₄MgPO₄·6H₂ O, который предлагает простое решение для удаления фосфора в связанной форме из осадка сточных вод.
В процессе кристаллизации / осаждения струвита ионы PO₄^3-, NH₄⁺ и Mg²⁺ удаляются из жидкой фазы вследствие осаждения струвита, пока реакция не достигнет равновесия.

Кристаллы струвита, осажденные из стоков свиноводческих хозяйств.
(изображение и исследование: ©Kim et al. 2017)

При применении ультразвука для предварительной обработки осадка перед осаждением струвита вызванная ультразвуком кавитация обеспечивает тщательное перемешивание на молекулярном уровне, создавая активную поверхность для роста кристаллов. Повышение скорости солюбилизации внеклеточных и внутриклеточных веществ дополнительно способствует осаждению струвита, повышая биодоступность ионов NH₄⁺ и PO₄^3- . Обработка ультразвуком облегчает массоперенос в суспензии благодаря ультразвуковой кавитации.
Обработка ультразвуком также может применяться к жидкой фазе гидротермальной карбонизации, из которой фосфор извлекается в виде струвита посредством экстракции и осаждения с ультразвуковым содействием.
Узнайте больше о крупномасштабном осаждении струвита для извлечения фосфора из осадка сточных вод!

Процесс соно-Фентона для высвобождения фосфора из осадка сточных вод

Исследование Gong et al. (2015) продемонстрировало эффективность комбинированной предварительной обработки ультразвуком и реагентом Фентона (также известной как процесс соно-Фентона) для дезинтеграции осадка сточных вод. Применение обработки ультразвуком и реагентом Фентона значительно увеличивало высвобождение углерода, азота и фосфора. Обработка методом соно-Фентона увеличивала общее количество азота (N) и фосфора (P) в 1,7 и 2,2 раза соответственно по сравнению с обработкой только реагентом Фентона. После обработки методом соно-Фентона осадок имел значительно меньший размер частиц и более рыхлую микроструктуру, что показала сканирующая электронная микроскопия. По данным электронного спинового резонанса, наивысшая интенсивность сигнала OH• увеличилась с 568,7 при обработке реагентом Фентона до 1106,3 после обработки методом соно-Фентона. Это продемонстрировало, что обработка методом соно-Фентона вызывает дезинтеграцию осадка и значительно улучшает высвобождение органического углерода, азота и фосфора.

Микробные топливные элементы с ультразвуковой интенсификацией

Предварительная ультразвуковая обработка осадка сточных вод способствует солюбилизации различных органических соединений из матрицы осадка, что впоследствии ускоряет микробный электрогидрогенез.
More и Ghangrekar (2010) связывают благоприятное воздействие предварительной обработки ультразвуком на микробные топливные элементы с повышением ферментативной активности и доступности внеклеточных белков, полисахаридов и ферментов, которые высвобождаются из внутренних слоев хлопьев осадка во внешние слои благодаря ультразвуковой сонопорации и разрушению клеток, что повышает эффективность использования субстрата. Для улучшения получения электроэнергии из микробных топливных элементов необходимо повысить способность бактерий переносить электроны на внеклеточное твердое вещество. Этот внеклеточный перенос электронов может происходить либо при непосредственном контакте поверхности клетки с твердой поверхностью, либо опосредованно через так называемые экзогенные и эндогенные медиаторы. Для прямого переноса электронов между бактериями и поверхностью электрода электрон должен достигнуть наружной мембраны клетки. Это явление могло возникнуть вследствие предварительной ультразвуковой обработки инокулята при достаточной удельной подводимой энергии, способствуя тем самым более высокой кулоновской эффективности.
Процесс микробного электролиза с ультразвуковой интенсификацией можно было бы сочетать с последующими процессами ферментации для обработки осадка.

Соноэлектрохимическая обработка осадка сточных вод

Электрокоагуляция – простой процесс, который легко применять к сточным водам и который позволяет эффективно и экономично обрабатывать большие объемы. Обработка ультразвуком помогает преодолеть основной недостаток процессов электрокоагуляции, предотвращая образование пассивирующих слоев на электродах. Пассивные пленки, со временем образующиеся на поверхности электродов, резко снижают эффективность систем электрокоагуляции, а ультразвук представляет собой простой способ непрерывного удаления этих пассивирующих слоев во время работы; одновременно обработка ультразвуком повышает производительность систем электрокоагуляции. Ультразвуковые волны разрушают отложения, образовавшиеся на поверхности электрода, и генерируют большое количество радикальных частиц для удаления загрязняющих веществ, создавая локальные области высокого давления внутри раствора в ходе кавитации. При сочетании электрокоагуляции с ультразвуком вследствие образования новых поверхностей на электроде за счет кавитации или микропотоков уменьшение толщины слоя распределения усиливается благодаря повышению скорости массопереноса. Соноэлектрокоагуляция увеличивает количество образующегося коагулянта по сравнению с электрокоагуляцией, а флокуляция усиливается за счет чрезвычайно интенсивного перемешивания и окисления вследствие образования свободных радикалов; поэтому достижение желаемой эффективности возможно в кратчайшее время.
(Moradi et al., 2021)

Преимущества соноэлектрохимии и соноэлектрокоагуляции

«Соноэлектрохимия представляет собой применение ультразвуковой энергии в электрохимической системе, обеспечивающее несколько преимуществ, включая удаление газовых пузырьков с поверхности электрода, дегазацию раствора, разрушение диффузионного слоя Нернста, усиление массопереноса электроактивных частиц через двойной слой, а также активацию и очистку поверхности электрода. Эти преимущества в электрохимии приводят к повышению эффективности процессов (эффективности электродов и выхода по току), увеличению скоростей электрохимических процессов и выходов продуктов, снижению напряжений ячеек и перенапряжений электродов, улучшению электроосажденных материалов с точки зрения твердости, качества, пористости и толщины, а также подавлению загрязнения электродов и выделения газа на поверхности электрода». (Foroughi et al., 2021)
Узнайте больше о соноэлектрохимическом оборудовании и его применении!

Промышленные ультразвуковые системы для обработки осадка сточных вод

Высокопроизводительные системы Hielscher Ultrasonics – надежное рабочее оборудование для установок очистки сточных вод и обработки их осадка. Ультразвуковые системы Hielscher обеспечивают мощный ультразвук на частоте 20kHz, создающий интенсивную акустическую кавитацию. Воздействия нашей мощной ультразвуковой обработки включают разрушение клеток и дезинтеграцию, интенсивный массоперенос, обеззараживание, разложение полимеров, высвобождение ферментов и гомогенизацию осадка. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком повышает эффективность обработки за счет образования окислительных радикалов и увеличения числа центров зародышеобразования, обеспечивая улучшение коагуляции и флокуляции. Надежное и непрерывное создание этих интенсивных сил ультразвуковой кавитации и их воздействий позволяет интегрировать наши мощные ультразвуковые процессоры для различных применений с целью улучшения получения энергии и извлечения питательных веществ из осадка сточных вод.

• Ультразвуковая дезинтеграция осадка сточных вод
• Анаэробное сбраживание с ультразвуковой интенсификацией
• Извлечение ценных питательных веществ (фосфора, азота, магния, кальция, калия и т. д.)
• Удаление загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы

Предлагая ультразвуковые процессоры с проточными реакторами различных размеров, Hielscher Ultrasonics располагает идеальными ультразвуковыми системами обработки сточных вод и осадка для вашего предприятия по обработке осадка сточных вод.
Модульная конструкция позволяет легко устанавливать несколько ультразвуковых устройств параллельно, обеспечивая возможность надежной и эффективной обработки любого объема.
Мощные / высокопроизводительные ультразвуковые системы Hielscher повышают эффективность и выход продуктов при обработке биомассы в осадке сточных вод.
Все наши ультразвуковые аппараты оснащены функцией безразборной очистки (CIP).
Подходят для обработки в сложных условиях: осадок сточных вод часто содержит волокнистые материалы с высоким содержанием целлюлозы, которые трудно дезинтегрировать. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm легко поддерживаются непрерывно в режиме работы 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны изготовленные по индивидуальному заказу ультразвуковые сонотроды. Такие высокие амплитуды являются эффективным способом разрушения клеточной структуры целлюлоз, лигнина и прочных клеточных стенок других материалов. Оптимизированная конструкция наших реакторов с проточными ячейками обеспечивает идеальные характеристики потока и равномерную, эффективную ультразвуковую обработку подаваемого осадка.

Мы сотрудничаем с системными интеграторами и инженерами предприятий по обработке осадка сточных вод

Как производитель и разработчик систем на основе высокопроизводительных ультразвуковых модульных устройств, Hielscher Ultrasonics сотрудничает с системными интеграторами. Большинство операторов установок очистки сточных вод и обработки их осадка работают с системными интеграторами, имеющими большой опыт проектирования и автоматизации таких очистных сооружений. Наша команда инженеров-конструкторов и технических специалистов рекомендует оптимальную ультразвуковую конфигурацию для целевого объема осадка, предоставляет подробную информацию о системе, чертежи CAD, а также услуги монтажа и обучение эксплуатации. Это обеспечивает конструктивную и целенаправленную интеграцию высокопроизводительного ультразвука на очистных сооружениях. Свяжитесь с нами, если вы заинтересованы в интеграции наших ультразвуковых процессоров для улучшения обработки осадка!

В приведенной ниже таблице указана приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

Свяжитесь с нами сейчас, чтобы получить более подробные сведения об ультразвуковых системах Hielscher для обработки осадка сточных вод, вариантах установки и техническую информацию!