Ultrazvukové spracovanie na aeróbnu digesciu prebytočného aktivovaného kalu
Vysokovýkonná sonikácia dezintegruje prebytočný aktivovaný kal (WAS) pred aeróbnou digesciou alebo počas nej. Akustická kavitácia rozbíja kalové vločky, narúša extracelulárne polymérne látky a otvára mikrobiálne bunky. Tým sa predtým chránená organická hmota stáva prístupnejšou pre aeróbnu digesciu.
Cieľom aeróbneho procesu nie je zvýšenie produkcie bioplynu. Zvýšenie produkcie metánu je relevantné pre anaeróbnu digesciu. V aeróbnom digestore sú relevantnými ukazovateľmi výkonnosti odbúravanie organickej sušiny, spotreba kyslíka, čas digescie, zvyšková sušina, odvodniteľnosť a celkové prevádzkové náklady.
Priemyselné sonikátory Hielscher sa integrujú do potrubia s čerpaným WAS alebo do recirkulačného okruhu digestora. Ultrazvukové reaktory s prietokovou celou sústreďujú spracovanie na definovaný prúd kalu a umožňujú monitorovať proces prostredníctvom výkonu, prietoku, koncentrácie tuhých látok, tlaku a teploty. Výsledkom je kompaktné dodatočné vybavenie, ktoré umožňuje doplniť ultrazvukovú dezintegráciu kalu bez výmeny existujúceho aeróbneho digestora.
Priemyselná ultrazvuková prietoková zostava Hielscher na spoločnom ráme na spracovanie zahusteného WAS priamo v potrubí
Prečo je digescia prebytočného aktivovaného kalu náročná
Prebytočný aktivovaný kal predstavuje nadbytočné biologické tuhé látky odstraňované z procesu čistenia odpadových vôd aktivovaným kalom. Obsahuje mikroorganizmy, extracelulárne polymérne látky (EPS), zachytený organický materiál a inertné tuhé látky.
V dosadzovacej nádrži sa usadený aktivovaný kal rozdeľuje do dvoch prúdov:
- Vratný aktivovaný kal (RAS) sa vracia do prevzdušňovacej nádrže na udržanie požadovanej koncentrácie biomasy.
- Prebytočný aktivovaný kal (WAS) sa odvádza z procesu čistenia kvapalnej fázy na zahusťovanie, stabilizáciu, digesciu alebo odvodňovanie.
WAS obsahuje vysoký podiel mikrobiálneho bunkového materiálu. Veľká časť jeho biologicky rozložiteľnej organickej zložky je uzavretá bunkovými stenami alebo viazaná vo vnútri kompaktných kalových vločiek. Táto fyzická ochrana spomaľuje prirodzenú lýzu buniek a hydrolýzu.
Počas aeróbnej digescie sa dodáva kyslík, pričom je k dispozícii len málo novej potravy. Mikroorganizmy prechádzajú na endogénnu respiráciu a spotrebúvajú zásobné látky, odumreté bunky a ďalšie biologicky rozložiteľné zložky kalu. Cieľom je stabilizovať kal, znížiť potenciál tvorby zápachu a znížiť množstvo organickej sušiny, ktoré sa musí odvodniť a zneškodniť.
Rýchlosť digescie je často obmedzená prístupom k substrátu. V digestore môžu byť aktívne mikroorganizmy a môže byť zabezpečený dostatočný čas zdržania, no organická hmota vo vnútri neporušených buniek a hustých vločiek zostáva ťažko prístupná.
Porovnanie neošetrených vločiek s kalom ošetreným sonikáciou: Sonikácia výrazne zmenšuje vločky.
Štúdia a snímky: ©Chu et al. 2001
Ako ultrazvuková kavitácia sprístupňuje WAS na aeróbnu digesciu
Priemyselné sonikátory Hielscher pracujú pri frekvencii 20kHz a vytvárajú intenzívnu akustickú kavitáciu v prúdoch kvapalín a suspenzií. Kavitačné bubliny vznikajú, rastú a kolabujú v kale. Ich kolaps vytvára silné lokálne šmykové sily, ktoré pôsobia priamo na vločky, EPS a mikrobiálne bunky.
Ultrazvukové spracovanie vyvoláva vo WAS tri dôležité zmeny:
Dezintegrácia vločiek
Kavitácia rozbíja kalové agregáty a odhaľuje povrchy, ktoré boli predtým uzavreté extracelulárnymi polymérnymi látkami (EPS). Spracovaný kal obsahuje menšie častice a má väčšiu prístupnú plochu povrchu.
Narušenie EPS a buniek
Dezintegrácia podporovaná ultrazvukom zvyšuje aeróbnu biologickú rozložiteľnosť komunálneho prebytočného aktivovaného kalu rozbíjaním odolných kalových vločiek a uvoľňovaním zachytenej organickej hmoty. Ultrazvuková kavitácia narúša bunkové membrány a bunkové steny. Bielkoviny a sacharidy, ako aj ďalšie vnútrobunkové zlúčeniny prechádzajú do kvapalnej fázy.
Zvýšená biologická dostupnosť
Aeróbne mikroorganizmy dokážu ľahšie spotrebúvať rozpustný a jemne rozptýlený organický materiál než neporušené mikrobiálne bunky a kompaktné vločky. Pôsobenie ultrazvuku preto mechanicky vykonáva časť lýzy a hydrolýzy pred krokom biologickej oxidácie.
Sonikácia pôsobí na hrubú ochrannú matricu čistiarenského kalu, aby bola mikrobiálna digescia oveľa rýchlejšia a účinnejšia. Bežne sa to prejavuje zvýšením rozpustnej chemickej spotreby kyslíka (SCOD).
Priemyselný ultrazvukový prietokový reaktor na zlepšenie digescie WAS
Výhody sonikácie v zariadeniach na aeróbnu digesciu
Účinok závisí od kalu a dávky ultrazvuku. Keď sonikácia zvyšuje aeróbnu biologickú rozložiteľnosť, čistiareň odpadových vôd môže dosiahnuť:
- Vyšší rozklad prchavých tuhých látok pri súčasnom čase digescie
- Porovnateľnú stabilizáciu kalu pri kratšom čase zdržania
- Nižšiu produkciu zvyškovej sušiny
- Dodatočnú efektívnu kapacitu existujúceho aeróbneho digestora
- Zníženie prepravy a likvidácie biokalov
- Lepšiu stabilitu procesu v obdobiach vysokého zaťaženia tuhými látkami
- Lepšiu reguláciu vláknitých organizmov narúšaním vločiek a buniek
Prietokové sonikátory Hielscher na jednoduchú dodatočnú montáž
V plnej prevádzkovej mierke je spravidla účinnejšie sonikovať koncentrovaný prúd kalu než celý objem aeróbneho digestora. Ultrazvukové reaktory Hielscher s prietokovou komorou umožňujú dve praktické konfigurácie.
Predúprava WAS v prívodnom potrubí
Ultrazvukový systém sa inštaluje za zahusťovaním WAS a pred aeróbnym digestorom:
Zahustený WAS -> podávacie čerpadlo -> ultrazvuková prietoková komora Hielscher -> aeróbny digestor
Toto usporiadanie spracúva definovaný hmotnostný tok sušiny a poskytuje jasný základ na reguláciu merného prívodu ultrazvukovej energie.
Vývojový diagram: Zahustený WAS -> podávacie čerpadlo -> priemyselný prietokový sonikátor Hielscher UIP6000hdT -> aeróbny digestor
Recirkulácia digestora alebo úprava vedľajšieho prúdu
Regulovaná časť kalu sa čerpá z digestora alebo kalového potrubia cez sonikátor a vracia sa späť do procesu. Táto konfigurácia je užitočná, keď je existujúce prívodné potrubie ťažké upraviť alebo keď sa má spracúvať iba vybraná časť kalu.
Obe usporiadania možno nainštalovať ako kompaktné jednotky na ráme s čerpadlom, ultrazvukovou prietokovou komorou, uzatváracími ventilmi, servisným obtokom, meraním tlaku a teploty, odberovými miestami a riadením procesu. Existujúca nádoba digestora zostáva nezmenená.
Vďaka tomu je ultrazvuková úprava obzvlášť vhodná na dodatočnú montáž do existujúcich čistiarní odpadových vôd. Ultrazvukovú jednotku na ráme možno nainštalovať do potrubia s čerpadlom, prevádzkovať nezávisle a počas kontroly alebo údržby obísť obtokom.
Zlepšite aeróbnu dezintegráciu kalu pomocou výkonového ultrazvuku!
Priemyselné sonikátory Hielscher poskytujú kompaktný a škálovateľný spôsob integrácie vysokovýkonného ultrazvuku do existujúcej linky na úpravu WAS. Spracovanie v prietokovej komore sústreďuje ultrazvukovú energiu na prúd kalu, podporuje reprodukovateľnú reguláciu dávky a možno ho technicky navrhnúť na spoľahlivú nepretržitú prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení.
Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje, ktoré sa vyznačujú najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Samozrejme, ultrazvukové prístroje Hielscher sú v súlade s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnej, poloprevádzkovej a priemyselnej mierke.
Často kladené otázky
Produkuje ultrazvuková úprava viac bioplynu v aeróbnom digestore?
Nie. Zvýšený výťažok metánu alebo bioplynu je prínosom anaeróbnej digescie. Pri aeróbnej digescii by sa ultrazvukové spracovanie malo hodnotiť podľa odbúravania prchavých tuhých látok (VS), spotreby kyslíka, času digescie, zvyškovej sušiny, odvodniteľnosti a celkových nákladov.
Kde sa inštaluje ultrazvukový systém?
Systém sa zvyčajne inštaluje priamo do potrubia za zahusťovaním prebytočného aktivovaného kalu (WAS) a pred aeróbnym digestorom. Môže tiež pracovať v riadenom bočnom prúde alebo v recirkulačnom okruhu digestora. Servisný obtok umožňuje pokračovať v prečerpávaní kalu počas údržby.
Prečo používať priemyselný sonikátor s frekvenciou 20kHz?
Nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokým výkonom vytvára intenzívnu kavitáciu a mechanický šmyk. Tieto účinky sú účinné pri rozbíjaní kalových vločiek, narúšaní EPS a otváraní mikrobiálnych buniek v prúdoch kvapalín s obsahom tuhých látok.
Môže sonikátor Hielscher pracovať nepretržite?
Áno. Priemyselné sonikátory Hielscher radu hdT sú navrhnuté na nepretržitú prevádzku pri vysokom zaťažení a sú známe svojou dlhou životnosťou. Reaktory s prietokovou celou umožňujú riadené spracovanie priamo v potrubí alebo v recirkulačnom okruhu, zatiaľ čo automatické zaznamenávanie údajov podporuje monitorovanie procesu a reprodukovateľnosť.
Aké údaje sú potrebné na dimenzovanie ultrazvukového systému na spracovanie kalu?
Hlavnými vstupnými údajmi sú prietok prebytočného aktivovaného kalu (WAS), koncentrácie celkových tuhých látok (TS) a prchavých tuhých látok (VS), viskozita kalu, cieľová merná energia, požadovaný účinok spracovania, prevádzkové hodiny a dostupný tlak. Pred dimenzovaním systému v plnej prevádzkovej mierke sa odporúčajú pilotné skúšky na určenie účinnej dávky.
Zlepšuje sonikácia odvodňovanie kalu?
Výsledok závisí od vlastností kalu a dávky. Mierne spracovanie môže zlepšiť spracovanie tuhých látok, zatiaľ čo nadmerná dezintegrácia môže vytvárať jemné častice a rozpustné polyméry, ktoré zhoršujú zachytávanie tuhých látok alebo znižujú obsah sušiny v odvodnenom koláči. Skúšky odvodňovania sú preto nevyhnutnou súčasťou optimalizácie procesu.
Čo hovoria vedecké štúdie o digescii prebytočného aktivovaného kalu (WAS) s využitím ultrazvuku?
Laboratórne štúdie podporujú používanie ultrazvuku na zvýšenie prístupnosti a aeróbnej biologickej rozložiteľnosti prebytočného aktivovaného kalu (WAS).
V štúdii kombinovanej alkalickej a ultrazvukovej predúpravy pred aeróbnou digesciou sa pri rovnakom čase digescie uvádzalo odbúranie organickej hmoty na úrovni 38,0% pri neupravenom kale a 42,5% pri kale predbežne upravenom ultrazvukom. Kombinovaná alkalická a ultrazvuková predúprava zvýšila odbúranie na 50,7%. Výsledok dokazuje, že samotný ultrazvuk môže zlepšiť aeróbne odbúravanie, a zároveň ukazuje, že dosiahnuteľné zlepšenie závisí od stratégie predúpravy a vlastností kalu. (porov. Jin et al., 2009)
Ďalší výskum komunálneho prebytočného aktivovaného kalu (WAS) zaznamenal zvýšenú solubilizáciu kalu a aeróbnu biologickú rozložiteľnosť po bakteriálnej dezintegrácii podporenej ultrazvukom. Predbežne upravený kal vykazoval vyššiu rýchlosť biologického rozkladu alebo rozpadu než neupravená kontrolná vzorka. (porov. Kavitha et al. 2016)
Podporuje sonikácia aj iné procesy spracovania kalu?
Áno. Sonikácia podporuje viaceré procesy spracovania kalu narúšaním vločiek, EPS a mikrobiálnych buniek:
Anaeróbna digescia/výroba bioplynu: urýchľuje hydrolýzu, zvyšuje rozpustnú CHSK a môže zlepšiť odbúravanie prchavých tuhých látok (VS) a výťažok metánu.
Získavanie fosforu: uvoľňuje fosfor viazaný v bunkách a organický fosfor do kvapalnej fázy, čím zlepšuje jeho dostupnosť na následné zrážanie struvitu alebo vivianitu; ultrazvuk môže tiež zintenzívniť lúhovanie fosforu z kalového popola.
Literatúra / Referencie
- 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 vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnej po priemyselnú veľkosť.