Rôzne riešenia získavania fosforu z komunálneho čistiarenského kalu

Fosfor je kritická nerastná surovina, ktorej prírodné zásoby sa rýchlo zmenšujú. Nemecká vláda preto nariadením stanovila, že od roku 2029 sa musí fosfor vo veľkej miere získavať späť z čistiarenského kalu. Zavedenie výkonového ultrazvuku otvára rôzne možnosti zintenzívnenia získavania fosforu z komunálneho čistiarenského kalu.

Zariadenia na spracovanie čistiarenského kalu a recyklácia fosforu

Fosfor je kritický prvok, ktorý sa vo veľkej miere používa ako hnojivo a surovina v priemysle jemných chemikálií a vo farmaceutickom priemysle. Vzhľadom na jeho rýchlo sa zmenšujúce dostupné zásoby nemecká vláda zaviedla zákon, podľa ktorého musia všetky komunálne čistiarne odpadových vôd zaviesť opatrenia na získavanie fosforu z komunálneho čistiarenského kalu. Zavedenie vysokovýkonného ultrazvuku ponúka rôzne možnosti spracovania, ktoré výrazne zvyšujú účinnosť získavania fosforu.

Čistiarne odpadových vôd používajú ultrazvuk na zlepšenie vyhnívania kalu a spätného získavania živín, ako je fosfor.

Ultrazvuková dezintegrácia čistiarenského kalu na zlepšenie získavania fosforu

Bolo jednoznačne preukázané, že pôsobenie silných ultrazvukových vĺn na čistiarenský kal zlepšuje dezintegráciu biomasy v čistiarenskom kale. Početné výskumné štúdie preukázali výhody ultrazvukového spracovania prebytočného aktivovaného kalu a v komunálnych čistiarňach odpadových vôd v Nemecku sú v prevádzke rôzne priemyselné ultrazvukové systémy.
Ultrazvuková predúprava substrátov v čistiarenskom kale má viacero priaznivých účinkov na procesy anaeróbnej digescie. Medzi tieto výhody patrí zmenšenie veľkosti častíc, zvýšenie rýchlosti hydrolýzy a skrátenie hydraulickej doby zdržania.
Kavitačné šmykové sily vytvárané ultrazvukovými vlnami s vysokou intenzitou / nízkou frekvenciou spôsobujú rozrušenie morfológie kalových vločiek a mikrobiálnej štruktúry kalu.
Nguyenov výskumný tím vo svojich štúdiách preukázal, „že aplikácia ultrazvuku je veľmi účinná pri zmenšovaní veľkosti častíc biomasy, pričom sa dosahuje zmenšenie na priemernú veľkosť častíc >78,78% úmerne trvaniu a intenzite pôsobenia ultrazvuku. To naznačovalo, že častice kalu sa rozpadali a ich veľkosť sa zmenšovala na základe nepriamej úmernosti medzi časom sonikácie a veľkosťou častíc vločiek. Aplikácia bola vysoko účinná napriek tomu, že pozorovania kalových vločiek pred spracovaním odhalili, že vločky boli husté a veľmi kompaktné, zložené okrem iného z mnohých čiastkových oddielov s kompaktnými jadrami, zhlukov buniek, bakteriálnych kolónií, prvokov a vláknitých baktérií. Analýza odtoku ukazuje, že ultrazvukový proces výrazne narušil štrukturálnu integritu kalových vločiek všetkých veľkostí. Fragmenty vločiek sa za optimálnych podmienok spracovania zmenšili až na ≤6,5 μm a po 5–10 min ultrazvukového spracovania pri nízkej frekvencii ultrazvuku 20 kHz sa rozpustili v kalovej suspenzii.“ (Nguyen et al., 2015)
Účinne dezintegrovaný čistiarenský kal, t. j. kal spracovaný sonikáciou, vykazuje výrazne zlepšené separačné vlastnosti, ktoré umožňujú oddeľovať frakcie bohaté na fosfor od biomasy a gélovitých frakcií, ako aj vody. Ultrazvuková kavitácia narúša bunkové štruktúry biomasy v čistiarenskom kale a uľahčuje následnú frakcionáciu na tri frakcie: (i) vlákna bohaté na celulózu, (ii) gél bohatý na živiny a (iii) ľahko fermentovateľnú kvapalinu. Tieto tri frakcie kalu možno ďalej spracovať, napr. na získavanie fosforu, odstraňovanie ťažkých kovov atď.

Ultrazvukom intenzifikované mokré chemické zrážanie fosforu

Ultrazvukové spracovanie je dobre známa technika, ktorá sa v chémii už dlho používa na úspešné a účinné zrážanie minerálov, častíc a kryštálov. Pri získavaní fosforu z čistiarenského kalu sa sonikácia používa na podporu a urýchlenie zrážania struvitu. Struvit (fosforečnan horečnato-amónny) je fosforečnanový minerál so vzorcom NH₄MgPO₄·6H₂ O, ktorý ponúka jednoduché riešenie na odstránenie fosforu vo viazanej forme z odpadového kalu.
Počas procesu kryštalizácie / zrážania struvitu sa ióny PO₄^3-, NH₄⁺ a Mg²⁺ odstraňujú z kvapalnej fázy v dôsledku zrážania struvitu, až kým reakcia nedosiahne rovnováhu.

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

Keď sa ultrazvukové spracovanie používa na predúpravu kalu pred procesom zrážania struvitu, ultrazvukom vyvolaná kavitácia zabezpečuje dôkladné premiešavanie na molekulovej úrovni a poskytuje aktívny povrch na rast kryštálov. Zvýšenie rýchlosti solubilizácie extracelulárnych a intracelulárnych látok ďalej podporuje zrážanie struvitu zvýšením biologickej dostupnosti NH₄⁺ a PO₄^3- iónov. Sonikácia uľahčuje prenos hmoty v kalovej suspenzii pôsobením ultrazvukovej kavitácie.
Sonikáciu možno použiť aj na kvapalinu z hydrotermálnej karbonizácie, z ktorej sa fosfor recykluje vo forme struvitu pomocou ultrazvukom podporovanej extrakcie a zrážania.
Prečítajte si viac o veľkokapacitnom zrážaní struvitu na získavanie fosforu z čistiarenského kalu!

Sono-Fentonov proces na uvoľňovanie fosforu z čistiarenského kalu

Štúdia Gong et al. (2015) preukázala účinnosť kombinovanej predúpravy ultrazvukom a Fentonovým procesom (známej aj ako sono-Fentonov proces) pri dezintegrácii čistiarenského kalu. Použitie úpravy ultrazvukom a Fentonovým procesom výrazne zvýšilo uvoľňovanie uhlíka, dusíka a fosforu. Úprava sono-Fentonovým procesom zvýšila celkový dusík (N) 1,7-násobne a fosfor (P) 2,2-násobne v porovnaní so samotným Fentonovým procesom. Po úprave sono-Fentonovým procesom vykazoval kal podľa pozorovaní pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie výrazne jemnejšie častice a voľnejšiu mikroštruktúru. Pri meraní elektrónovou spinovou rezonanciou sa najvyššia intenzita signálu OH• zvýšila z 568,7 pri úprave Fentonovým procesom na 1106,3 po úprave sono-Fentonovým procesom. Tým sa preukázalo, že úprava sono-Fentonovým procesom vyvoláva dezintegráciu kalu a výrazne zlepšuje uvoľňovanie organického uhlíka, dusíka a fosforu.

Mikrobiálne palivové články intenzifikované ultrazvukom

Ultrazvuková predúprava čistiarenského kalu podporuje solubilizáciu rôznych organických zlúčenín z kalovej matrice, čo následne urýchľuje mikrobiálnu elektrohydrogenézu.
More a Ghangrekar (2010) pripisujú priaznivé účinky predúpravy sonikáciou na mikrobiálne palivové články zvýšeným enzymatickým aktivitám a dostupnosti extracelulárnych proteínov, polysacharidov a enzýmov, ktoré sa ultrazvukovou sonoporáciou a rozrušením buniek uvoľňujú z vnútorných vrstiev kalových vločiek do vonkajších vrstiev, čím sa zvyšuje účinnosť využitia substrátu. Na zlepšenie získavania elektrickej energie z mikrobiálnych palivových článkov je potrebné zlepšiť schopnosť baktérií prenášať elektróny na extracelulárnu tuhú látku. Tento extracelulárny prenos elektrónov môže prebiehať buď priamym kontaktom medzi povrchom bunky a povrchom tuhej látky, alebo nepriamo prostredníctvom takzvaných exogénnych a endogénnych mediátorov. Pri priamom prenose elektrónov medzi baktériami a povrchom elektródy by mal elektrón dosiahnuť vonkajšiu membránu bunky. K tomuto javu mohlo dôjsť vďaka ultrazvukovej predúprave inokula pri dostatočnej mernej dodanej energii, čo podporovalo vyššiu coulombickú účinnosť.
Proces mikrobiálnej elektrolýzy intenzifikovaný ultrazvukom by sa mohol kombinovať s následnými fermentačnými procesmi na spracovanie kalu.

Sonoelektrochemické spracovanie čistiarenského kalu

Elektrokoagulácia je jednoduchý proces, ktorý možno ľahko použiť na čistenie odpadových vôd a ktorý umožňuje efektívne a nákladovo výhodné spracovanie veľkých objemov. Ultrazvukové pôsobenie pomáha prekonať hlavnú nevýhodu elektrokoagulačných procesov tým, že zabraňuje tvorbe pasivačných vrstiev na elektródach. Pasívne filmy, ktoré sa časom vytvárajú na povrchu elektród, drasticky znižujú účinnosť elektrokoagulačných systémov a ultrazvuk predstavuje jednoduchú metódu na nepretržité odstraňovanie týchto pasivačných vrstiev počas prevádzky, pričom sonikácia zároveň zvyšuje spracovateľskú kapacitu elektrokoagulačných systémov. Ultrazvukové vlny rozrušujú usadeniny vytvorené na povrchu elektród a vytváraním vysokotlakových bodov v roztoku počas kavitácie generujú veľké množstvá radikálových častíc na odstraňovanie znečisťujúcich látok. Pri kombinácii elektrokoagulácie s ultrazvukom sa v dôsledku vytvárania nových povrchov na elektróde kavitáciou alebo mikroprúdením zintenzívňuje zmenšovanie hrúbky distribučnej vrstvy vďaka zvyšovaniu rýchlosti prenosu hmoty. Sonoelektrokoagulácia zvyšuje množstvo vytvoreného koagulantu v porovnaní s elektrokoaguláciou a flokulácia sa zlepšuje intenzívnym miešaním a oxidáciou prostredníctvom tvorby voľných radikálov; preto je možné dosiahnuť požadovanú účinnosť v najkratšom čase.
(Moradi et al., 2021)

Výhody sonoelektrochémie a sonoelektrokoagulácie

„Sonoelektrochémia predstavuje kombináciu ultrazvukovej energie s elektrochemickým systémom, ktorá ponúka viaceré výhody vrátane odstraňovania plynových bublín z povrchu elektródy, odplyňovania roztoku, narúšania Nernstovej difúznej vrstvy, zlepšenia prenosu hmoty elektroaktívnych častíc cez dvojvrstvu a aktivácie a čistenia povrchu elektródy. Tieto výhody v elektrochémii vedú k zlepšeniu účinnosti procesov (elektródovej a prúdovej účinnosti), zvýšeniu rýchlosti a výťažnosti elektrochemických procesov, zníženiu napätia článkov a prepätia elektród, zlepšeniu elektrolyticky vylúčených materiálov z hľadiska tvrdosti, kvality, pórovitosti a hrúbky a k potlačeniu zanášania elektród a odplyňovania na povrchu elektródy.“ (Foroughi et al., 2021)
Prečítajte si viac o sonoelektrochemických zariadeniach a ich využití!

Priemyselné ultrazvukové systémy na spracovanie čistiarenského kalu

Vysokovýkonné systémy Hielscher Ultrasonics sú spoľahlivými pomocníkmi v čistiarňach odpadových vôd a prevádzkach na spracovanie čistiarenského kalu. Ultrazvukové systémy Hielscher poskytujú vysokovýkonný ultrazvuk s frekvenciou 20kHz, ktorý vytvára intenzívnu akustickú kavitáciu. Medzi účinky nášho vysokovýkonného ultrazvukového spracovania patrí narúšanie a dezintegrácia buniek, intenzívny prenos hmoty, dezinfekcia, rozklad polymérov, uvoľňovanie enzýmov a homogenizácia kalu. Sonikácia s vysokou intenzitou zlepšuje účinnosť spracovania tvorbou oxidačných radikálov a zvyšovaním počtu nukleačných miest, čím zabezpečuje lepšiu koaguláciu a flokuláciu. Spoľahlivé a nepretržité vytváranie týchto intenzívnych ultrazvukových kavitačných síl a ich účinky umožňujú začleniť naše výkonné ultrazvukové procesory do rôznych aplikácií s cieľom zlepšiť získavanie energie a živín z čistiarenského kalu.

• Ultrazvuková dezintegrácia čistiarenského kalu
• Ultrazvukom zintenzívnená anaeróbna digescia
• Získavanie cenných živín (fosfor, dusík, horčík, vápnik, draslík atď.)
• Odstraňovanie kontaminantov, ako sú ťažké kovy

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka ultrazvukové procesory s prietokovými reaktormi rôznych veľkostí a má ideálne ultrazvukové systémy na čistenie odpadových vôd a spracovanie kalu pre vašu prevádzku na spracovanie čistiarenského kalu.
Modulárna konštrukcia umožňuje jednoduchú paralelnú inštaláciu viacerých ultrazvukových jednotiek, vďaka čomu je možné spoľahlivo a efektívne spracovať akýkoľvek objem.
Ultrazvukové systémy Hielscher s vysokým výkonom / vysokou spracovateľskou kapacitou zvyšujú účinnosť a výťažnosť pri spracovaní biomasy v čistiarenskom kale.
Všetky naše ultrazvukové zariadenia umožňujú čistenie na mieste (CIP).
Vhodné na náročné spracovanie: Čistiarenský kal často obsahuje vláknité materiály s vysokým obsahom celulózy, ktoré sa ťažko dezintegrujú. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Pri amplitúdach až do 200µm možno ľahko nepretržite pracovať v režime 24/7. Na dosiahnutie ešte vyšších amplitúd sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Takéto vysoké amplitúdy predstavujú účinný spôsob narušenia bunkovej štruktúry celulóz, lignínu a odolných bunkových stien iných materiálov. Optimalizovaná konštrukcia našich prietokových reaktorov zabezpečuje ideálne prúdenie a rovnomerné, účinné ultrazvukové spracovanie privádzaného kalu.

Spolupracujeme so systémovými integrátormi a inžiniermi zariadení na spracovanie čistiarenského kalu

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ako výrobca a dodávateľ systémov vysokovýkonných modulárnych ultrazvukových jednotiek spolupracuje so systémovými integrátormi. Väčšina prevádzkovateľov čistiarní odpadových vôd a zariadení na spracovanie čistiarenského kalu spolupracuje so systémovými integrátormi, ktorí majú bohaté skúsenosti s navrhovaním a automatizáciou takýchto čistiacich zariadení. Náš tím konštruktérov a technických inžinierov odporučí optimálnu ultrazvukovú konfiguráciu pre požadovaný objem kalu, poskytne podrobné informácie o systéme, výkresy CAD, ako aj montážne služby a školenie obsluhy. To umožňuje konštruktívne a cieľavedomé začlenenie vysokovýkonného ultrazvuku do čistiarní odpadových vôd. Ak máte záujem o začlenenie našich ultrazvukových procesorov na zlepšenie spracovania kalu, kontaktujte nás!

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

Kontaktujte nás ešte dnes a získajte ďalšie podrobnosti o ultrazvukových systémoch Hielscher na spracovanie čistiarenského kalu, možnostiach inštalácie a technické informácie!