Ultrazvočna obdelava za aerobno razgradnjo aktivnega blata iz odpadnih vod
Ultrazvok visoke moči razgradi odpadno aktivno blato (WAS) pred ali med aerobno razgradnjo. Akustična kavitacija razbije blato v kepe, razgradi ekstracelularne polimerne snovi in odpre mikrobne celice. S tem postane prej zaščitena organska snov lažje dostopna za aerobni razgrajevalnik.
Pri aerobnem procesu cilj ni povečanje proizvodnje bioplina. Povečanje vsebnosti metana je pomembno pri anaerobni predelavi. V aerobnem digestorju so pomembni kazalniki učinkovitosti razgradnja hlapnih trdnih snovi, poraba kisika, čas predelave, preostale suhe trdne snovi, možnost odvodnjavanja in skupni obratovalni stroški.
Industrijski ultrazvočni reaktorji podjetja Hielscher se vključijo v črpalno WAS-linijo ali v recirkulacijski krog digestorja. Ultrazvočni reaktorji s pretočno celico osredotočajo obdelavo na določen pretok blata in omogočajo spremljanje procesa na podlagi moči, pretoka, koncentracije trdnih snovi, tlaka in temperature. Rezultat je kompaktna nadgradnja, ki omogoča dodajanje ultrazvočne razgradnje blata brez zamenjave obstoječega aerobnega digestorja.
Hielscherjev industrijski ultrazvočni inline sistem za obdelavo zgostljenega WAS
Zakaj je razgradnja odpadnega aktivnega blata težavna
Odpadno aktivno blato je presežek bioloških trdnih snovi, odstranjenih iz postopka čiščenja odpadne vode z aktivnim blatom. Vsebuje mikroorganizme, ekstracelularne polimerne snovi (EPS), vezano organsko snov in inertne trdne snovi.
V sekundarnem usedalniku se usedlo aktivno blato razdeli na dva toka:
- Vrnjeno aktivno blato (RAS) se vrne v bazen za prezračevanje, da se ohrani zahtevana koncentracija biomase.
- Odpadno aktivno blato (WAS) se izloči iz postopka čiščenja tekočin in se napoti v postopek zgostitve, stabilizacije, razgradnje ali odvodnjavanja.
WAS vsebuje visok delež mikrobnega celičnega materiala. Velika večina njegove biološko razgradljive organske snovi je obdana s celičnimi stenami ali vezana znotraj kompaktnih blata. Ta fizična zaščita upočasnjuje naravno lizo celic in hidrolizo.
Med aerobno razgradnjo se dovaja kisik, medtem ko je na voljo le malo nove hrane. Mikroorganizmi preidejo v endogeno dihanje in porabljajo shranjene snovi, odmrle celice ter druge biološko razgradljive sestavine blata. Namen tega je stabilizirati blato, zmanjšati možnost nastanka neprijetnih vonjav ter zmanjšati količino hlapnih trdnih snovi, ki jih je treba odvodniti in odstraniti.
Hitrost razgradnje je pogosto omejena z dostopom do substrata. V fermentorju so sicer lahko prisotni aktivni mikroorganizmi in zagotovljen zadosten čas zadrževanja, vendar je organska snov znotraj nepoškodovanih celic in gostih flokov še vedno težko dosegljiva.
Primerjava neobdelanih flokov z blatom, obdelanim z ultrazvokom: Ultrazvok znatno zmanjša velikost flokov.
Študija in slike: ©Chu et al. 2001
Kako ultrazvočna kavitacija odpira WAS za aerobno razgradnjo
Industrijski ultrazvočni aparati podjetja Hielscher delujejo pri frekvenci 20 kHz in v tokovih tekočin ter suspenzij povzročajo intenzivno akustično kavitacijo. V blatu se tvorijo, rastejo in razpadajo kavitacijski mehurčki. Njihov razpad ustvarja močne lokalne strižne sile, ki neposredno delujejo na flokule, EPS in mikrobne celice.
Ultrazvočna obdelava povzroči tri pomembne spremembe v WAS:
Razpadanje flokov
Kavitacija razbije agregate blata in razkrije površine, ki so bile prej prekrite z ekstracelularnimi polimernimi snovmi (EPS). Obdelano blato vsebuje manjše delce in ima večjo dostopno površino.
EPS in razgradnja celic
Razpadanje z ultrazvokom poveča aerobno biorazgradljivost aktivnega blata iz komunalnih odpadkov, saj razgradi trdne blatofloke in sprosti ujeto organsko snov. Ultrazvočna kavitacija poškoduje celične membrane in celične stene. Beljakovine in ogljikovi hidrati ter druge intracelularne spojine preidejo v tekoče stanje.
Povečana biološka razpoložljivost
Aerobni mikroorganizmi lahko topne in drobno razdeljene organske snovi razgrajujejo lažje kot nepoškodovane mikrobne celice in kompaktne floke. Ultrazvok zato mehansko opravi del procesa lize in hidrolize še pred fazo biološke oksidacije.
Ultrazvok deluje na gosto zaščitno matriko kanalizacijskega blata, da bi mikrobiološka razgradnja potekala veliko hitreje in učinkoviteje. To se običajno kaže kot povečanje topne kemijske potrebe po kisiku (SCOD).
Industrijski ultrazvočni pretočni reaktor za izboljšano razgradnjo WAS
Prednosti ultrazvoka v obratih za aerobno razgradnjo
Reakcija je odvisna od blata in ultrazvočne doze. Kadar ultrazvok poveča aerobno biorazgradljivost, lahko čistilna naprava doseže:
- Večje uničevanje hlapnih trdnih snovi ob obstoječem času razgradnje
- Enakovredna stabilizacija blata pri krajšem času zadrževanja
- Manjša proizvodnja preostalih suhih trdnih snovi
- Dodatna efektivna zmogljivost iz obstoječega aerobnega digestorja
- Zmanjšanje prevoza in odlaganja bioloških trdnih snovi
- Izboljšana stabilnost procesa v obdobjih visoke vsebnosti trdnih snovi
- Boljši nadzor nad nitastimi organizmi z razpadanjem flokov in celic
Vgrajeni ultrazvočni aparati Hielscher za enostavno naknadno vgradnjo
V polnem obsegu je na splošno učinkovitejše, da se z ultrazvokom obdeluje koncentriran tok blata kot pa celotna prostornina aerobnega fermentorja. Ultrazvočni reaktorji s pretočno celico podjetja Hielscher podpirajo dve praktični konfiguraciji.
Predobdelava v sistemu WAS Feed-Line
Ultrazvočni sistem je nameščen za napravo za zgostitev WAS in pred aerobnim digestorjem:
Zgoščena WAS → dovodna črpalka → Hielscherjeva ultrazvočna pretočna celica → aerobni fermentor
Ta ureditev upošteva določen masni pretok suhe snovi in zagotavlja jasno podlago za nadzorovanje specifičnega vnosa ultrazvočne energije.
Shema poteka: Zgoščena WAS → dovodna črpalka → Hielscherjev industrijski vgrajen ultrazvočni aparat UIP6000hdT → aerobni fermentor
Recirkulacija v fermentorju ali obdelava stranskega toka
Nadzorovan delež blata se iz fermentorja ali blatnega voda črpa skozi ultrazvočni aparat in vrne v proces. Ta konfiguracija je koristna, kadar je obstoječi dovodni vod težko prilagoditi ali kadar je treba obdelati le izbran delež blata.
Obe rešitvi je mogoče namestiti v obliki kompaktnih skidov, opremljenih s črpalko, ultrazvočno merilno celico, zapornimi ventili, servisnim obvodom, merilniki tlaka in temperature, mestih za odvzem vzorcev ter krmilnimi elementi procesa. Obstoječa posoda za fermentacijo ostane nespremenjena.
Zaradi tega je ultrazvočna obdelava še posebej primerna za naknadno opremljanje obstoječih čistilnih naprav za odpadne vode. Ultrazvočno napravo je mogoče vgraditi v črpalni vod, deluje samostojno, med pregledom ali vzdrževanjem pa jo je mogoče obiti.
Izboljšajte aerobno razgradnjo blata z močnim ultrazvokom!
Industrijski ultrazvočni aparati podjetja Hielscher ponujajo kompaktno in prilagodljivo rešitev za vključitev visokozmogljivega ultrazvoka v obstoječo linijo za obdelavo WAS. Obdelava v pretočni celici v proizvodni liniji usmerja ultrazvočno energijo na tok blata, omogoča ponovljivo nadzorovanje odmerka in je lahko zasnovana za zanesljivo neprekinjeno delovanje v težkih pogojih 24 ur na dan, 7 dni na teden.
Projektiranje, izdelava in svetovanje – Kakovost izdelana v Nemčiji
Hielscher ultrazvočni aparati so znani po svojih najvišjih standardih kakovosti in oblikovanja. Robustnost in enostavno upravljanje omogočata nemoteno integracijo naših ultrazvočnih aparatov v industrijske objekte. Težke pogoje in zahtevna okolja zlahka obvladajo Hielscher ultrasonicatorji.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visoko zmogljivim ultrazvočnim aparatom z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Seveda so Hielscher ultrazvočni aparati skladni s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Pogosto zastavljena vprašanja
Ali ultrazvočna obdelava poveča nastajanje bioplina v aerobnem fermentorju?
Ne. Povečan izkoristek metana ali bioplina je prednost anaerobne predelave. Pri aerobni predelavi je treba ultrazvočno obdelavo oceniti na podlagi uničenja VS, porabe kisika, časa predelave, preostalih suhih trdnih snovi, zmožnosti odvodnjavanja in skupnih stroškov.
Kje je nameščen ultrazvočni sistem?
Sistem se običajno vgradi v procesno verigo za zgoščevalnikom WAS in pred aerobnim fermentorjem. Deluje lahko tudi v nadzorovanem stranskem toku ali v krožnem sistemu za recirkulacijo iz fermentorja. Servisni obvod omogoča nadaljevanje prečrpavanja blata tudi med vzdrževanjem.
Zakaj uporabljati industrijski ultrazvočni aparat s frekvenco 20 kHz?
Nizkofrekvenčni ultrazvok visoke moči povzroča intenzivno kavitacijo in mehansko strižno silo. To je učinkovito pri razbijanju flokov mulja, razbijanju EPS in odpiranju mikrobnih celic v tokovih tekočin in trdnih snovi.
Ali lahko ultrazvočni aparat Hielscher deluje neprekinjeno?
Da. Serija industrijskih ultrazvočnih naprav hdT podjetja Hielscher je zasnovana za neprekinjeno delovanje v težkih pogojih in znana po svoji vzdržljivosti. Reaktorji s pretočno celico omogočajo nadzorovano obdelavo v liniji ali s ponovnim kroženjem, medtem ko avtomatsko beleženje podatkov omogoča spremljanje procesa in ponovljivost.
Kateri podatki so potrebni za določitev velikosti ultrazvočnega sistema za obdelavo blata?
Glavni vhodni podatki so pretok WAS, koncentracija TS in VS, viskoznost blata, ciljna specifična energija, zahtevani učinek obdelave, obratovalne ure in razpoložljivi tlak. Pred dimenzioniranjem v polnem obsegu se priporoča izvedba pilotnih preskusov za določitev ustreznega odmerka.
Ali ultrazvok izboljša odvodnjavanje blata?
Rezultat je odvisen od lastnosti mulja in odmerka. Zmerna obdelava lahko izboljša proces obdelave trdnih snovi, medtem ko lahko prekomerno razpadanje povzroči nastanek drobnih delcev in topnih polimerov, ki ovirajo zajemanje trdnih snovi ali nastajanje muljnega kolača. Poskusi z odvodnjavanjem so zato bistven del optimizacije procesa.
Kaj pravijo znanstvene študije o ultrazvočnem razgrajevanju z metodo WAS?
Laboratorijske raziskave potrjujejo, da je uporaba ultrazvoka primerna za izboljšanje dostopnosti in aerobne biorazgradljivosti WAS.
V študiji o kombinirani alkalni in ultrazvočni predobdelavi pred aerobno razgradnjo je bila razgradnja organskih snovi pri enakem času razgradnje ocenjena na 38,0 % za neobdelano blato in 42,5 % za blato, predhodno obdelano z ultrazvokom. Kombinirana alkalna in ultrazvočna predobdelava je povečala razgradnjo na 50,7 %. Rezultat kaže, da lahko že sam ultrazvok izboljša aerobno razgradnjo, hkrati pa kaže, da je dosegljivo izboljšanje odvisno od strategije predobdelave in lastnosti blata. (glej Jin et al., 2009)
V drugi raziskavi o komunalnih odpadnih vodah je bilo ugotovljeno povečano raztapljanje blata in aerobna biološka razgradljivost po bakterijski razgradnji z ultrazvokom. Predobdelano blato je pokazalo višjo stopnjo biološke razgradnje ali razpadanja kot neobdelana kontrolna skupina. (glej Kavitha et al. 2016)
Ali ultrazvok podpira druge postopke obdelave blata?
Da. Ultrazvok podpira več postopkov obdelave mulja, saj razgrajuje floke, EPS in mikrobne celice:
Anaerobna razgradnja/proizvodnja bioplina: pospešuje hidrolizo, poveča vsebnost topnega COD ter lahko izboljša razgradnjo organske snovi in donos metana.
Pridobivanje fosforja: sprosti fosfor, vezan v celicah, in organski fosfor v tekoče stanje, s čimer izboljša njegovo razpoložljivost za poznejše izločanje struvita ali vivianita; ultrazvok lahko prav tako pospeši izpiranje fosforja iz pepela iz blata.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.