Ultrazvočna obdelava za aerobno presnovo odvečnega aktivnega blata
Ultrazvočna obdelava z veliko močjo dezintegrira odvečno aktivno blato (WAS) pred aerobno presnovo ali med njo. Akustična kavitacija razbija kosme blata, razgrajuje zunajcelične polimerne snovi in odpira mikrobne celice. Tako predhodno zaščitena organska snov postane dostopnejša za aerobno presnovo v digestorju.
Pri aerobnem procesu cilj ni povečana proizvodnja bioplina. Povečanje proizvodnje metana je pomembno pri anaerobni presnovi. Pri aerobnem digestorju so pomembni kazalniki učinkovitosti razgradnja hlapnih trdnih snovi, poraba kisika, čas presnove, preostala suha snov, sposobnost odvodnjavanja in skupni obratovalni stroški.
Industrijske sonikatorje Hielscher je mogoče vključiti v cevovod s črpanjem WAS ali v recirkulacijsko zanko digestorja. Ultrazvočni reaktorji s pretočno celico osredotočajo obdelavo na določen tok blata in omogočajo spremljanje procesa na podlagi moči, pretoka, koncentracije trdnih snovi, tlaka in temperature. Rezultat je kompaktna nadgradnja, ki omogoča dodajanje ultrazvočne dezintegracije blata brez zamenjave obstoječega aerobnega digestorja.
Industrijski ultrazvočni pretočni sklop Hielscher na nosilnem ogrodju za obdelavo zgoščenega WAS
Zakaj je odvečno aktivno blato težko presnavljati
Odvečno aktivno blato so presežne biološke trdne snovi, odstranjene iz procesa čiščenja odpadne vode z aktivnim blatom. Vsebuje mikroorganizme, zunajcelične polimerne snovi (EPS), zajet organski material in inertne trdne snovi.
V sekundarnem usedalniku se usedlo aktivno blato razdeli v dva tokova:
- Povratno aktivno blato (RAS) se vrača v prezračevalni bazen, da se ohranja potrebna koncentracija biomase.
- Odvečno aktivno blato (WAS) se odstrani iz procesa obdelave tekoče faze in pošlje na zgoščevanje, stabilizacijo, presnovo ali odvodnjavanje.
WAS vsebuje velik delež mikrobnega celičnega materiala. Velik del njegove biorazgradljive organske snovi je zaprt v celičnih stenah ali vezan znotraj kompaktnih kosmov blata. Ta fizična zaščita upočasnjuje naravno lizo celic in hidrolizo.
Med aerobno presnovo se dovaja kisik, medtem ko je na voljo malo nove hrane. Mikroorganizmi preidejo v endogeno dihanje ter porabljajo shranjene snovi, odmrle celice in druge biorazgradljive sestavine blata. Namen je stabilizirati blato, zmanjšati možnost nastajanja neprijetnih vonjav in zmanjšati količino hlapnih trdnih snovi, ki jih je treba odvodnjavati in odstraniti.
Hitrost presnove je pogosto omejena z dostopnostjo substrata. Digestor lahko vsebuje aktivne mikroorganizme in zagotavlja zadosten zadrževalni čas, vendar organska snov znotraj nepoškodovanih celic in gostih kosmov ostaja težko dostopna.
Primerjava neobdelanih kosmov s sonificiranim blatom: sonikacija znatno zmanjša kosme.
Študija in slike: ©Chu et al. 2001
Kako ultrazvočna kavitacija odpira WAS za aerobno presnovo
Industrijski sonikatorji Hielscher delujejo pri 20kHz in ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo v tokovih tekočin in suspenzij. Kavitacijski mehurčki nastajajo, rastejo in se sesedajo znotraj blata. Njihovo sesedanje ustvarja močne lokalne strižne sile, ki neposredno delujejo na kosme, EPS in mikrobne celice.
Ultrazvočna obdelava povzroči tri pomembne spremembe v WAS:
Dezintegracija kosmov
Kavitacija razbija agregate blata in razkriva površine, ki so bile predhodno obdane z zunajceličnimi polimernimi snovmi (EPS). Obdelano blato vsebuje manjše delce in ima večjo dostopno površino.
Razgradnja EPS in celic
Dezintegracija s pomočjo ultrazvoka poveča aerobno biorazgradljivost komunalnega odvečnega aktivnega blata, saj razbija odporne kosme blata in sprošča ujeto organsko snov. Ultrazvočna kavitacija razgrajuje celične membrane in celične stene. Beljakovine in ogljikovi hidrati ter druge znotrajcelične spojine prehajajo v tekočo fazo.
Povečana biološka razpoložljivost
Aerobni mikroorganizmi lažje porabljajo topen in drobno razdeljen organski material kot nepoškodovane mikrobne celice in kompaktne kosme. Ultrazvočna obdelava zato mehansko opravi del lize in hidrolize pred korakom biološke oksidacije.
Sonikacija deluje na debelo zaščitno matrico blata iz čistilnih naprav, da mikrobna presnova postane veliko hitrejša in učinkovitejša. To se običajno kaže kot povečanje kemijske potrebe po kisiku za topne snovi (SCOD).
Industrijski ultrazvočni pretočni reaktor za izboljšano presnovo WAS
Prednosti sonikacije v obratih za aerobno presnovo
Odziv je odvisen od blata in ultrazvočnega odmerka. Kadar sonikacija poveča aerobno biorazgradljivost, lahko čistilna naprava za odpadne vode doseže:
- Večjo razgradnjo hlapnih trdnih snovi pri obstoječem času presnove
- Primerljivo stabilizacijo blata pri krajšem zadrževalnem času
- Manjšo proizvodnjo preostale suhe snovi
- Dodatno učinkovito zmogljivost obstoječega aerobnega digestorja
- Manjši obseg prevoza in odstranjevanja bioloških trdnih snovi
- Izboljšano stabilnost procesa v obdobjih visoke obremenitve s trdnimi snovmi
- Boljši nadzor nad nitastimi organizmi z razgradnjo kosmov in celic
Pretočni sonikatorji Hielscher za preprosto nadgradnjo
V polnem obsegu je praviloma učinkoviteje sonificirati koncentriran tok blata kot celotno prostornino aerobnega digestorja. Ultrazvočni reaktorji Hielscher s pretočno celico podpirajo dve praktični konfiguraciji.
Predobdelava WAS v dovodnem cevovodu
Ultrazvočni sistem se namesti za zgoščevanjem WAS in pred aerobnim digestorjem:
Zgoščeno WAS -> dovodna črpalka -> ultrazvočna pretočna celica Hielscher -> aerobni digestor
Ta postavitev obdeluje določen masni pretok suhe snovi in zagotavlja jasno osnovo za nadzor specifičnega vnosa ultrazvočne energije.
Diagram poteka: zgoščeno WAS -> dovodna črpalka -> industrijski pretočni sonikator Hielscher UIP6000hdT -> aerobni digestor
Recirkulacija digestorja ali obdelava stranskega toka
Nadzorovan delež blata se črpa iz digestorja ali cevovoda za blato skozi sonikator in vrne v proces. Ta konfiguracija je uporabna, kadar je obstoječi dovodni cevovod težko spremeniti ali kadar je treba obdelati samo izbran delež blata.
Obe postavitvi je mogoče namestiti kot kompaktna sklopa na nosilnem ogrodju s črpalko, ultrazvočno pretočno celico, zapornimi ventili, servisnim obvodom, merjenjem tlaka in temperature, mesti za vzorčenje ter procesnim krmiljenjem. Obstoječa posoda digestorja ostane nespremenjena.
Zato je ultrazvočna obdelava posebej primerna za nadgradnjo obstoječih čistilnih naprav za odpadne vode. Ultrazvočni sklop na nosilnem ogrodju je mogoče namestiti v cevovod s črpanjem, upravljati neodvisno in obiti med pregledom ali vzdrževanjem.
Izboljšajte dezintegracijo blata pri aerobni presnovi z ultrazvokom velike moči!
Industrijski sonikatorji Hielscher zagotavljajo kompaktno metodo s prilagodljivo zmogljivostjo za vključitev ultrazvoka velike moči v obstoječo linijo za obdelavo WAS. Pretočna obdelava v pretočni celici osredotoča ultrazvočno energijo na tok blata, podpira ponovljiv nadzor odmerka in jo je mogoče zasnovati za zanesljivo delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah.
Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost iz Nemčije
Ultrazvočne naprave Hielscher so dobro znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher zlahka obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.
Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in prijaznostjo do uporabnika. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne z zahtevami CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Pogosta vprašanja
Ali ultrazvočna obdelava v aerobnem digestorju proizvede več bioplina?
Ne. Povečan izplen metana ali bioplina je prednost anaerobne presnove. Pri aerobni presnovi je treba ultrazvočno obdelavo ocenjevati na podlagi razgradnje VS, porabe kisika, časa presnove, preostale suhe snovi, sposobnosti odvodnjavanja in skupnih stroškov.
Kje je nameščen ultrazvočni sistem?
Sistem je praviloma nameščen pretočno za zgoščevanjem WAS in pred aerobnim digestorjem. Deluje lahko tudi v nadzorovanem stranskem toku ali recirkulacijski zanki digestorja. Servisni obvod omogoča nadaljevanje prenosa blata med vzdrževanjem.
Zakaj uporabiti industrijski sonikator s frekvenco 20kHz?
Nizkofrekvenčni ultrazvok velike moči ustvarja intenzivno kavitacijo in mehanski strig. To učinkovito razbija kosme blata, razgrajuje EPS in odpira mikrobne celice v tokovih tekočin s trdnimi snovmi.
Ali lahko sonikator Hielscher deluje neprekinjeno?
Da. Industrijski sonikatorji Hielscher iz serije hdT so zasnovani za neprekinjeno delovanje pri velikih obremenitvah in so znani po svoji trajnosti. Reaktorji s pretočno celico omogočajo nadzorovano pretočno ali recirkulacijsko obdelavo, samodejno beleženje podatkov pa podpira spremljanje procesa in ponovljivost.
Kateri podatki so potrebni za dimenzioniranje ultrazvočnega sistema za blato?
Glavni vhodni podatki so pretok WAS, koncentraciji TS in VS, viskoznost blata, ciljna specifična energija, zahtevani učinek obdelave, obratovalne ure in razpoložljivi tlak. Pred dimenzioniranjem sistema za polni obseg je priporočljivo pilotno preizkušanje za določitev uporabnega odmerka.
Ali sonikacija izboljša odvodnjavanje blata?
Rezultat je odvisen od lastnosti blata in odmerka. Zmerna obdelava lahko izboljša proces obdelave trdnih snovi, prekomerna dezintegracija pa lahko ustvari drobne delce in topne polimere, ki poslabšajo zajem trdnih snovi ali zmanjšajo vsebnost trdnih snovi v pogači. Preizkusi odvodnjavanja so zato bistveni del optimizacije procesa.
Kaj znanstvene študije pravijo o ultrazvočni presnovi WAS?
Laboratorijske študije podpirajo uporabo ultrazvoka za povečanje dostopnosti in aerobne biorazgradljivosti WAS.
V študiji kombinirane alkalne in ultrazvočne predobdelave pred aerobno presnovo so pri enakem času presnove poročali o razgradnji organske snovi v višini 38,0% pri neobdelanem blatu in 42,5% pri ultrazvočno predobdelanem blatu. Kombinirana alkalna in ultrazvočna predobdelava je povečala razgradnjo na 50,7%. Rezultat dokazuje, da lahko sam ultrazvok izboljša aerobno razgradnjo, hkrati pa kaže, da je dosegljivo izboljšanje odvisno od strategije predobdelave in lastnosti blata. (prim. Jin et al., 2009)
Druga raziskava komunalnega WAS je poročala o povečani solubilizaciji blata in aerobni biorazgradljivosti po bakterijski dezintegraciji s pomočjo ultrazvoka. Predobdelano blato je pokazalo višjo hitrost biorazgradnje ali razpada kot neobdelani kontrolni vzorec. (prim. Kavitha et al. 2016)
Ali sonikacija podpira druge procese obdelave blata?
Da. Sonikacija podpira več procesov obdelave blata z razgradnjo kosmov, EPS in mikrobnih celic:
Anaerobna presnova/proizvodnja bioplina: pospešuje hidrolizo, povečuje kemijsko potrebo po kisiku za topne snovi (COD) ter lahko izboljša razgradnjo VS in izplen metana.
Pridobivanje fosforja: sprošča celično vezan in organski fosfor v tekočo fazo ter izboljšuje njegovo razpoložljivost za poznejše obarjanje struvita ali vivianita; ultrazvok lahko tudi okrepi izluževanje fosforja iz pepela blata.
Literatura / viri
- 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 visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskih do industrijskih velikosti.