Rôzne riešenia na regeneráciu fosforu z komunálnych splaškových kalov

Fosfor je kritický zdroj minerálu, ktorého prírodné zásoby sa rýchlo znižujú. V dôsledku toho nemecká vláda dekrétom uzákonila, že od roku 2029 sa fosfor musí z veľkej časti získavať zo splaškových kalov. Implementácia výkonového ultrazvuku otvára rôzne možnosti na zintenzívnenie regenerácie fosforu z komunálnych čističiek odpadových vôd.

Čistiarne splaškových kalov a recyklácia fosforu

Fosfor je kritický prvok, ktorý sa široko používa ako hnojivo a surovina v jemnom chemickom a farmaceutickom priemysle. Vzhľadom na rýchlo sa zmenšujúce dostupné zdroje nemecká vláda zaviedla zákon, podľa ktorého musia všetky komunálne čistiarne odpadových vôd zaviesť meranie na regeneráciu fosforu z komunálnych čistiarní odpadových vôd. Implementácia vysokovýkonného ultrazvuku ponúka rôzne možnosti liečby, ktoré výrazne zvyšujú účinnosť regenerácie fosforu.

Čistiarne odpadových vôd používajú ultrazvuk na zlepšenie trávenia kalu a regeneráciu živín, ako je fosfor.

Ultrazvuková dezintegrácia splaškových kalov pre lepšiu regeneráciu phorsphoru

Bolo jasne preukázané, že ožarovanie splaškových kalov silnými ultrazvukovými vlnami zlepšuje rozpad biomasy v splaškových kaloch. Početné výskumné štúdie preukázali výhody ultrazvukového spracovania aktivovaného kalu z odpadu a v komunálnych čistiarňach odpadových vôd v Nemecku fungujú rôzne priemyselné ultrazvukové systémy.
Ultrazvuková predúprava substrátov v splaškových kaloch má niekoľko priaznivých účinkov na procesy anaeróbnej digescie. Medzi tieto výhody patrí zmenšenie veľkosti častíc, zvýšenie rýchlosti hydrolýzy a skrátenie času hydraulickej retencie.
Kavitačné šmykové sily generované vysokointenzívnymi / nízkofrekvenčnými ultrazvukovými vlnami spôsobujú rozpad morfológie vločiek kalu a mikrobiálnej štruktúry kalu.
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)
Efektívne rozložený splaškový kal, tj. Sonikovaný kal vykazuje výrazne zlepšené separačné vlastnosti, čo umožňuje odstrániť frakcie bohaté na fosfor z biomasy a gélovitých frakcií, ako aj vody. Ultrazvuková kavitácia narúša bunkové štruktúry biomasy v splaškových kaloch a uľahčuje následnú frakcionáciu na tri frakcie (i) vlákniny bohatej na celulózu, (ii) gélu bohatého na živiny a (iii) kvapaliny, ktorá je ľahko fermentovateľná. Tieto tri frakcie kalu je možné ďalej spracovávať, napr. regenerácia fosforu, odstraňovanie ťažkých kovov atď.

Ultrazvukom zosilnené mokro-chemické zrážanie fosforu

Ultrazvuk je dobre známa technika používaná už dlho v chémii na účinné a účinné zrážanie minerálov, častíc a kryštálov. Na regeneráciu fosforu z čistiarenských kalov sa používa sonikácia na podporu a urýchlenie zrážania struvitu. Struvit (fosforečnan horečnatý amónny) je fosfátový minerál so vzorcom NH₄MgPO₄·6H₂ O, ktorý ponúka jednoduché riešenie na odstránenie fosforu vo viazanej forme z odpadového kalu.
Počas procesu kryštalizácie/zrážania struvitu ióny PO₄^3-NH₄⁺a Mg²⁺ sa odstraňujú z kvapalnej fázy v dôsledku zrážania struvitov, kým reakcia nedosiahne rovnováhu.

Kryštály struvitu vyzrážané z odpadových vôd ošípaných.
(obrázok a štúdia: ©Kim et al. 2017)

Keď sa ultrazvuk aplikuje ako predbežná úprava kalu pred procesom zrážania struvitu, ultrazvukom indukovaná kavitácia poskytuje dôkladné premiešanie na molekulárnej úrovni, ktoré poskytuje aktívny povrch pre rast kryštálov. Zvýšenie rýchlosti rozpustenia extracelulárnych a intracelulárnych látok ďalej prospieva zrážaniu struvitov zvýšením biologickej dostupnosti NH₄⁺ a PO₄^3- ióny. Výsledkom sonikácie je uľahčený prenos hmoty cez suspenziu, ktorý je spôsobený ultrazvukovou kavitáciou.
Sonikácia sa môže aplikovať aj na hydrotermálnu karbonizačnú kvapalinu, kde sa fosfor recykluje ako struvit z hydrotermálnej karbonizačnej kvapaliny prostredníctvom ultrazvukovo asistovanej extrakcie a zrážania.
Prečítajte si viac o rozsiahlom zrážaní struvitov na regeneráciu fosforu z čistiarenských kalov!

Sono-Fenton na uvoľňovanie fosforu z čistiarenských kalov

Štúdia Gong et al. (2015) preukázala účinnosť kombinovanej ultrazvukovo-Fentonovej (tiež známej ako sono-Fenton) predbežnej úpravy na rozpad splaškových kalov. Aplikácia ultrazvuku-Fentonovej liečby významne zvýšila uvoľňovanie uhlíka, dusíka a fosforu. Sono-Fentonova liečba zvýšila celkový dusík (N) a fosfor (P) 1,7- a 2,2-násobne v porovnaní so samotnou liečbou Fenton. Po sono-Fentonovej úprave kal vykazoval podstatne jemnejšiu veľkosť častíc a voľnejšiu mikroštruktúru založenú na skenovacej elektrónovej mikroskopii. Pomocou elektrónovej spinovej rezonancie sa najvyššia intenzita signálu OH• zvýšila z 568,7 pri liečbe Fentonom na 1106,3 po sono-Fentonovej liečbe. To preukázalo, že sono-Fentonova úprava indukuje rozpad kalu a výrazne zlepšuje uvoľňovanie organického uhlíka, dusíka a fosforu.

Ultrazvukovo zosilnené mikrobiálne palivové články

Ultrazvuková predúprava splaškových kalov podporuje rozpustenie rôznych organických zlúčenín z kalovej matrice, čo následne urýchľuje mikrobiálnu elektrohydrogenézu.
More a Ghangrekar (2010) prispievajú priaznivými účinkami sonikácie predbežnej úpravy na mikrobiálne palivové články k zvýšeným enzymatickým aktivitám a dostupnosti extracelulárnych proteínov, polysacharidov a enzýmov, ktoré sa uvoľňujú z vnútorných vrstiev kalových vločiek do vonkajších vrstiev ultrazvukovou sonoporáciou a narušením buniek, čo vedie k zlepšeniu efektívnosti využitia substrátu. Na zlepšenie zberu elektriny z mikrobiálnych palivových článkov je potrebné zlepšiť schopnosť baktérií prenášať elektróny do extracelulárnej pevnej látky. K tomuto extracelulárnemu prenosu elektrónov môže dôjsť buď v priamom kontakte medzi povrchom bunky a pevným povrchom, alebo nepriamo prostredníctvom takzvaných exogénnych a endogénnych mediátorov. Pre priamy prenos elektrónov medzi baktériami a povrchom elektródy by sa elektrón mal dostať na vonkajšiu membránu bunky. Tento jav sa mohol vyskytnúť v dôsledku ultrazvukovej predbežnej úpravy inokula, keď bola špecifická dodaná energia dostatočná; preto uprednostňuje vyššiu Coulombickú účinnosť.
Ultrazvukovo zosilnený proces mikrobiálnej elektrolýzy by sa mohol kombinovať s následnými fermentačnými procesmi na spracovanie kalu.

Sono-elektrochemické čistenie čistiarenských kalov

Elektrokoagulácia je jednoduchý proces, ktorý sa dá ľahko aplikovať na odpadové vody a umožňuje efektívne a nákladovo efektívne čistenie veľkých objemov. Ultrazvuk pomáha prekonať hlavnú nevýhodu elektrokoagulačných procesov tým, že zabraňuje tvorbe pasivačných vrstiev z elektród. Pasívne filmy, ktoré sa časom tvoria na povrchu elektródy, drasticky znižujú účinnosť elektrokoagulačných systémov a ultrazvuk je jednoduchá metóda na nepretržité odstraňovanie týchto pasivačných vrstiev počas prevádzky, zatiaľ čo sonikacia zvyšuje obrat elektrokoagulačných systémov. Ultrazvukové vlny rozkladajú sedimenty vytvorené na povrchu elektródy a vytvárajú veľké množstvo radikálových druhov na odstránenie znečisťujúcich látok vytváraním vysokotlakových bodov vo vnútri roztoku počas javu kavitácie. Kombináciou elektrokoagulácie s ultrazvukom sa v dôsledku vytvárania nových povrchov na elektróde kavitáciou alebo mikroprúdením zhoršuje zmenšenie hrúbky distribučnej vrstvy zvýšením rýchlosti prenosu hmoty. Sono-elektrokoagulácia zvyšuje množstvo tvorby koagulantu v porovnaní s elektrokoaguláciou a flokulácia je zvýšená extrémnym miešaním a oxidáciou tvorbou voľných radikálov; preto je možné dosiahnuť požadovanú účinnosť v čo najkratšom čase.
(Moradi a kol., 2021)

Výhody sonoelektrochémie a sonoelektrokoagulácie

"Sonoelektrochémia je kombinácia ultrazvukovej energie v elektrochemickom systéme, ktorá ponúka niekoľko výhod, vrátane odstraňovania plynových bublín na povrchu elektródy, odplyňovania roztoku, narušenia Nernstovej difúznej vrstvy, zlepšenia hmotnostného transportu elektroaktívnych látok cez dvojitú vrstvu a aktivácie a čistenia povrchu elektródy. Tieto výhody v elektrochémii vedú k zlepšeniu účinnosti procesov (elektródová a prúdová účinnosť), zvýšeniu elektrochemických rýchlostí a výťažkov, zníženiu napätia článkov a nadmerných potenciálov elektród, zlepšeniu elektrolyticky nanášaných materiálov z hľadiska tvrdosti, kvality, pórovitosti a hrúbky a potlačeniu znečistenia a odplyňovania elektród na povrchu elektródy." (Foroughi a kol., 2021)
Prečítajte si viac o sono-elektrochemických zariadeniach a ich aplikáciách!

Priemyselné ultrazvukové systémy na čistenie splaškových kalov

Vysokovýkonné systémy Hielscher Ultrasonics sú spoľahlivým ťažným koňom v čistiarňach odpadových vôd a čistiarní splaškových kalov. Ultrazvukové systémy Hielscher poskytujú vysokovýkonný ultrazvuk pri 20 kHz, ktorý vytvára intenzívnu akustickú kavitáciu. Účinky našej vysokovýkonnej ultrazvukovej úpravy zahŕňajú narušenie a rozpad buniek, vysoký prenos hmoty, dezinfekciu, rozklad polymérov, uvoľňovanie enzýmov a homogenizáciu kalu. Vysoko intenzívna sonikacia zlepšuje účinnosť liečby prostredníctvom vytvárania oxidačných radikálov a zväčšením nukleačných miest, čím sa zabezpečuje lepšia koagulácia a flokulácia. Spoľahlivé a nepretržité generovanie týchto intenzívnych ultrazvukových kavitačných síl a ich účinky umožňujú integrovať naše výkonné ultrazvukové procesory pre rôzne aplikácie s cieľom zlepšiť zber energie a živín z čistiarenských kalov.

• Ultrazvukový rozpad splaškových kalov
• Ultrazvukom zosilnená anaeróbna digescia
• Regenerácia cenných živín (fosfor, dusík, horčík, vápnik, draslík atď.)
• Odstránenie kontaminantov, ako sú ťažké kovy

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics, ktorá ponúka ultrazvukové procesory s prietokovými reaktormi rôznych veľkostí, má ideálne ultrazvukové systémy na spracovanie odpadu a kalu pre vaše zariadenie na čistenie odpadových kalov.
Modulárna konštrukcia umožňuje jednoduchú inštaláciu niekoľkých ultrazvukových jednotiek paralelne, čo umožňuje spoľahlivé a efektívne spracovanie akéhokoľvek objemu.
Vysokovýkonné / vysokovýkonné ultrazvukové systémy Hielscher zvyšujú účinnosť a výťažnosť pri spracovaní biomasy v splaškových kaloch.
Všetky naše ultrazvukové prístroje sú vybavené funkciou čistenia na mieste (CIP).
Vhodné na náročné úpravy: Splaškové kaly často obsahujú vláknité materiály s vysokým obsahom celulózy, ktoré sa ťažko rozkladajú. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Takéto vysoké amplitúdy sú účinným spôsobom, ako narušiť bunkovú štruktúru celulóz, lignínu a robustných bunkových stien iných materiálov. Optimalizovaná konštrukcia našich reaktorov s prietokovými bunkami zaisťuje ideálne prietokové vzorce a rovnomerné a efektívne ultrazvukové spracovanie privádzaného kalu.

Spolupracujeme so systémovými integrátormi a inžiniermi čističiek odpadových kalov

Ako výrobca a výrobca systémov vysokovýkonných ultrazvukových modulárnych jednotiek spolupracuje spoločnosť Hielscher Ultrasonics so systémovými integrátormi. Väčšina prevádzkovateľov čistiarní odpadových vôd a čistiarní odpadových kalov spolupracuje so systémovými integrátormi, ktorí majú skúsenosti s návrhom a automatizáciou takýchto čističiek. Náš tím konštruktérov a technických inžinierov odporúča optimálnu ultrazvukovú konfiguráciu pre cieľový objem kalu, poskytuje podrobné informácie o systéme, výkresy CAD, ako aj inštalačný servis a prevádzkové školenie. To umožňuje konštruktívnu a cieľavedomú implementáciu integrácie vysokovýkonného ultrazvuku do čistiarní odpadových vôd. Ak máte záujem o integráciu našich ultrazvukových procesorov pre lepšiu úpravu kalu, kontaktujte nás!

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

Kontaktujte nás teraz a získajte viac informácií o ultrazvukových systémoch čistenia odpadových kalov spoločnosti Hielscher, možnostiach inštalácie a technických informáciách!