Ultrazvuková úprava pri aeróbnom rozklade aktívneho kalu
Ultrazvuk s vysokým výkonom rozkladá odpadový aktívny kal (WAS) pred alebo počas aeróbneho rozkladu. Akustická kavitácia rozbíja zhluky kalu, narúša extracelulárne polymérne látky a otvára mikrobiálne bunky. Vďaka tomu sa organická hmota, ktorá bola predtým chránená, stáva prístupnejšou pre aeróbny rozkladač.
V prípade aeróbneho procesu nie je cieľom zvýšenie produkcie bioplynu. Zvýšenie obsahu metánu je relevantné pre anaeróbnu digesciu. V aeróbnom digestore sú relevantnými ukazovateľmi výkonnosti rozklad prchavých látok, spotreba kyslíka, doba digescie, zvyškové sušené látky, odvodniteľnosť a celkové prevádzkové náklady.
Priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher sa integrujú do čerpaného potrubia WAS alebo do recirkulačného okruhu fermentora. Ultrazvukové reaktory s prietokovou komorou sústredia spracovanie na definovaný prietok kalu a umožňujú monitorovanie procesu na základe výkonu, prietoku, koncentrácie tuhých látok, tlaku a teploty. Výsledkom je kompaktná modernizácia, ktorá umožňuje doplniť ultrazvukovú dezintegráciu kalu bez nutnosti výmeny existujúceho aeróbneho fermentora.
Priemyselný ultrazvukový inline prietokový modul spoločnosti Hielscher na spracovanie zahusteného WAS
Prečo je ťažké rozložiť odpad z aktívneho kalu
Odpad z aktívneho kalu je prebytočná biologická hmota odstránená z procesu čistenia odpadových vôd pomocou aktívneho kalu. Obsahuje mikroorganizmy, extracelulárne polymérne látky (EPS), zachytený organický materiál a inertné tuhé látky.
V sekundárnom usadzovači sa usadený aktívny kal rozdeľuje na dva toky:
- Spätný tok aktivovaného kalu (RAS) sa vracia do provzdušňovacej nádrže s cieľom udržať požadovanú koncentráciu biomasy.
- Odpadový aktivovaný kal (WAS) sa odoberá z procesu čistenia odpadových vôd a smeruje do zhusťovania, stabilizácie, fermentácie alebo odvodňovania.
WAS obsahuje vysoký podiel mikrobiálneho bunkového materiálu. Veľká časť jeho biologicky rozložiteľného organického obsahu je uzavretá v bunkových stenách alebo viazaná vo vnútri kompaktných zrazenín kalu. Táto fyzická ochrana spomaľuje prirodzenú lýzu buniek a hydrolýzu.
Počas aeróbneho rozkladu sa do systému privádza kyslík, pričom je k dispozícii len malé množstvo novej suroviny. Mikroorganizmy prechádzajú do endogénneho dýchania a spotrebúvajú uskladnený materiál, odumreté bunky a ďalšie biologicky rozložiteľné zložky kalu. Cieľom je stabilizovať kal, znížiť riziko vzniku zápachu a znížiť množstvo prchavých tuhých látok, ktoré je potrebné odvodniť a zlikvidovať.
Rýchlosť rozkladu je často obmedzená dostupnosťou substrátu. Fermentor môže obsahovať aktívne mikroorganizmy a mať dostatočnú dobu zdržania, avšak organická hmota nachádzajúca sa vo vnútri neporušených buniek a hustých zrazenín zostáva ťažko dostupná.
Porovnanie neupravených zhlukov s kalom ošetreným ultrazvukom: Ošetrenie ultrazvukom výrazne zmenšuje zhluky.
Štúdia a obrázky: ©Chu et al. 2001
Ako ultrazvuková kavitácia otvára WAS pre aeróbnu digesciu
Priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher pracujú pri frekvencii 20 kHz a v prúdoch kvapalín a kalových zmesí vytvárajú intenzívnu akustickú kavitáciu. V kalovej zmesi sa tvoria, zväčšujú a zrútia kavitačné bubliny. Ich zrútenie vytvára silné lokálne šmykové sily, ktoré pôsobia priamo na flokuly, EPS a mikrobiálne bunky.
Ultrazvuková liečba vyvoláva tri dôležité zmeny v WAS:
Rozpad zhlukov
Kavitácia rozbíja zhluky kalu a odkrýva povrchy, ktoré boli predtým obalené extracelulárnymi polymérnymi látkami (EPS). Upravený kal obsahuje menšie častice a má väčšiu prístupnú povrchovú plochu.
EPS a rozrušenie buniek
Rozpad podporovaný ultrazvukom zvyšuje aeróbnu biologickú rozložiteľnosť komunálneho aktívneho kalu tým, že rozbíja pevné zhluky kalu a uvoľňuje v nich uväznenú organickú hmotu. Ultrazvuková kavitácia narúša bunkové membrány a bunkové steny. Bielkoviny a sacharidy, ako aj ďalšie intracelulárne zlúčeniny, prechádzajú do kvapalnej fázy.
Zvýšená biologická dostupnosť
Aeróbne mikroorganizmy dokážu ľahšie spotrebovať rozpustný a jemne rozptýlený organický materiál než neporušené mikrobiálne bunky a kompaktné zhluky. Ultrazvukové ožiarenie preto mechanicky vykonáva časť procesu lýzy a hydrolýzy ešte pred fázou biologickej oxidácie.
Ultrazvukové ošetrzenie pôsobí na hustú ochrannú matricu čistiarenského kalu, čím výrazne urýchľuje a zefektívňuje mikrobiálne rozkladanie. Tento efekt sa zvyčajne prejavuje nárastom rozpustnej chemickej spotreby kyslíka (SCOD).
Priemyselný ultrazvukový prietokový reaktor na zefektívnenie rozkladu WAS
Výhody sonikácie v zariadeniach na aeróbnu digesciu
Reakcia závisí od charakteru kalu a od dávky ultrazvuku. Ak sonikácia zvyšuje aeróbnu biologickú rozložiteľnosť, čistiarne odpadových vôd môžu dosiahnuť:
- Vyššie množstvo zlikvidovaných prchavých látok pri súčasnej dobe rozkladu
- Porovnateľná stabilizácia kalu pri kratšej dobe zdržania
- Nižšia produkcia zvyškových suchých látok
- Dodatočná efektívna kapacita existujúceho aeróbneho fermentora
- Zníženie objemu prepravy a likvidácie biologických kalov
- Zlepšená stabilita procesu v obdobiach s vysokým obsahom tuhých látok
- Lepšia kontrola vláknitých organizmov prostredníctvom rozrušenia zhlukov a buniek
Inline sonikátory Hielscher pre jednoduchú dodatočnú inštaláciu
V plnom prevádzkovom rozsahu je zvyčajne efektívnejšie ošetrovať ultrazvukom prúd koncentrovaného kalu než celý objem aeróbneho fermentora. Ultrazvukové prietokové reaktory spoločnosti Hielscher podporujú dve praktické konfigurácie.
Predúprava v systéme WAS Feed-Line
Ultrazvukový systém je inštalovaný za zhusťovačom WAS a pred aeróbnym fermentorom:
Zhustený WAS -> napájacie čerpadlo -> ultrazvuková prietoková bunka Hielscher -> aeróbny fermentor
Toto usporiadanie zohľadňuje definovaný hmotnostný prietok sušiny a poskytuje jasný základ pre reguláciu špecifického prívodu ultrazvukovej energie.
Schéma postupu: Zahustená WAS → napájacie čerpadlo → priemyselný inline ultrazvukový reaktor Hielscher UIP6000hdT → aeróbny fermentor
Recirkulácia z fermentora alebo spracovanie vedľajšieho prúdu
Kontrolovaná časť kalu sa čerpá z fermentora alebo z potrubia na kal cez ultrazvukový reaktor a vracia sa späť do procesu. Táto konfigurácia je užitočná v prípadoch, keď je ťažké upraviť existujúce prívodné potrubie alebo keď sa má spracovať len vybraná časť kalu.
Obe zostavy je možné inštalovať ako kompaktné moduly vybavené čerpadlom, ultrazvukovou prietokovou komorou, uzáverovými ventilmi, servisným obtokom, meraním tlaku a teploty, odberovými miestami a riadením procesu. Existujúca fermentačná nádrž zostáva nezmenená.
Vďaka tomu je ultrazvuková úprava obzvlášť vhodná na dodatočnú inštaláciu do existujúcich čistiarní odpadových vôd. Ultrazvuková jednotka sa môže nainštalovať do čerpacieho potrubia, prevádzkovať samostatne a počas kontroly alebo údržby ju možno obísť.
Zlepšite aeróbnu dezintegráciu kalu pomocou výkonného ultrazvuku!
Priemyselné ultrazvukové zariadenia spoločnosti Hielscher ponúkajú kompaktný a škálovateľný spôsob integrácie vysokovýkonného ultrazvuku do existujúcej linky na spracovanie kalov (WAS). Spracovanie v prietokovej komore v rámci výrobnej linky sústreďuje ultrazvukovú energiu na prúd kalu, umožňuje reprodukovateľnú reguláciu dávky a môže byť navrhnuté tak, aby zabezpečovalo spoľahlivú nepretržitú prevádzku v náročných podmienkach.
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
často kladené otázky
Vytvára ultrazvuková úprava väčšie množstvo bioplynu v aeróbnom fermentore?
Nie. Zvýšený výťažok metánu alebo bioplynu je výhodou anaeróbneho rozkladu. V prípade aeróbneho rozkladu by sa účinok ultrazvukovej úpravy mal hodnotiť na základe deštrukcie VS, spotreby kyslíka, doby rozkladu, zostatkových suchých tuhých látok, odvodniteľnosti a celkových nákladov.
Kde je nainštalovaný ultrazvukový systém?
Systém sa zvyčajne inštaluje do potrubia za zhusťovačom WAS a pred aeróbnym digestorom. Môže tiež pracovať v riadenom bočnom prúde alebo v recirkulačnom okruhu digestora. Servisný obtok umožňuje pokračovať v prečerpávaní kalu aj počas údržby.
Prečo používať priemyselný ultrazvukový prístroj s frekvenciou 20 kHz?
Nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokým výkonom vyvoláva intenzívnu kavitáciu a mechanické šmykové pôsobenie. Tento proces je účinný pri rozbíjaní zhlukov kalu, narúšaní EPS a otváraní mikrobiálnych buniek v prúdoch obsahujúcich kvapalinu a tuhé častice.
Môže sonikátor spoločnosti Hielscher pracovať nepretržite?
Áno. Rad priemyselných ultrazvukových zariadení hdT od spoločnosti Hielscher je navrhnutý pre nepretržitú prevádzku v náročných podmienkach a je známy svojou odolnosťou. Reaktory s prietokovou komorou umožňujú riadené spracovanie v priamom toku alebo s recirkuláciou, pričom automatické zaznamenávanie údajov podporuje monitorovanie procesu a jeho reprodukovateľnosť.
Aké údaje sú potrebné na dimenzovanie ultrazvukového systému na spracovanie kalu?
Hlavnými vstupnými parametrami sú prietok WAS, koncentrácia TS a VS, viskozita kalu, cieľová špecifická energia, požadovaný čistiaci účinok, prevádzkové hodiny a dostupný tlak. Pred dimenzovaním zariadenia v plnom rozsahu sa odporúča vykonať pilotné testovanie s cieľom určiť vhodnú dávku.
Zlepšuje ultrazvukové ošetrzenie odvodňovanie kalu?
Výsledok závisí od vlastností kalu a dávky. Stredná úroveň spracovania môže zlepšiť proces odstraňovania tuhých látok, zatiaľ čo nadmerné rozpadanie môže viesť k vzniku jemných častíc a rozpustných polymérov, ktoré zhoršujú zachytávanie tuhých látok alebo kvalitu kalového koláča. Skúšky odvodňovania sú preto nevyhnutnou súčasťou optimalizácie procesu.
Čo hovoria vedecké štúdie o ultrazvukovom WAS-štiepení?
Laboratórne štúdie potvrdzujú, že použitie ultrazvuku zvyšuje dostupnosť a aeróbnu biologickú rozložiteľnosť WAS.
V štúdii zameranej na kombinovanú alkalickú a ultrazvukovú predúpravu pred aeróbnym rozkladom bola pri rovnakej dobe rozkladu zaznamenaná degradácia organickej hmoty na úrovni 38,0 % v prípade neupraveného kalu a 42,5 % v prípade kalu predspracovaného ultrazvukom. Kombinovaná alkalická a ultrazvuková predúprava zvýšila mieru degradácie na 50,7 %. Tento výsledok dokazuje, že samotné ultrazvukové ožiarenie môže zlepšiť aeróbnu degradáciu, pričom zároveň ukazuje, že dosiahnuteľné zlepšenie závisí od stratégie predúpravy a vlastností kalu. (porov. Jin et al., 2009)
Ďalšie štúdie týkajúce sa komunálnych čistiarní odpadových vôd (WAS) zaznamenali zvýšenú rozpustnosť kalu a aeróbnu biologickú rozložiteľnosť po bakteriálnej dezintegrácii podporenej ultrazvukom. Predspracovaný kal vykazoval vyššiu rýchlosť biologického rozkladu alebo rozpadania ako neupravená kontrolná vzorka. (porov. Kavitha et al. 2016)
Podporuje sonikácia aj iné procesy spracovania kalu?
Áno. Ultrazvuková úprava podporuje viacero procesov spracovania kalu tým, že rozbíja zhluky, EPS a mikrobiálne bunky:
Anaeróbna digescia/výroba bioplynu: urýchľuje hydrolýzu, zvyšuje obsah rozpustného CHSK a môže zlepšiť rozklad organickej hmoty a výťažok metánu.
Získavanie fosforu: uvoľňuje fosfor viazaný v bunkách a organický fosfor do kvapalnej fázy, čím sa zvyšuje jeho dostupnosť pre následnú precipitáciu struvitu alebo vivianitu; ultrazvuk môže tiež zintenzívniť vyluhovanie fosforu z popola z kalu.
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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.