Različne rešitve za pridobivanje fosforja iz komunalnega blata iz čistilnih naprav

Fosfor je kritični vir minerala, katerega naravna oskrba se hitro zmanjšuje. Zato je nemška vlada z odlokom sprejela, da je treba od leta 2029 fosfor v veliki meri predelati iz blata iz čistilnih naprav. Izvajanje ultrazvoka odpira različne možnosti za povečanje predelave fosforja iz komunalnega blata iz komunalnih čistilnih naprav.

Čistilne naprave blata iz čistilnih naprav in recikliranje fosforja

Fosfor je kritični element, ki se pogosto uporablja kot gnojilo in surovina v fini kemični in farmacevtski industriji. Zaradi hitrega krčenja razpoložljivih virov je nemška vlada uvedla zakon, po katerem morajo vse komunalne čistilne naprave vzpostaviti meritve za predelavo fosforja iz komunalnega blata. Izvajanje visoko zmogljivega ultrazvoka ponuja različne možnosti zdravljenja, ki znatno povečajo učinkovitost predelave fosforja.

Naprave za odpadne vode uporabljajo ultrazvok za izboljšano prebavo blata in predelavo hranil, kot je fosfor.

Ultrazvočno razpadanje blata iz čistilnih naprav za izboljšano predelavo fosforja

Jasno je bilo dokazano, da obsevanje blata iz čistilnih naprav z močnimi ultrazvočnimi valovi izboljšuje razpad biomase v blatu iz čistilnih naprav. Številne raziskovalne študije so pokazale prednosti ultrazvočne obdelave aktivnega blata iz odpadkov in različnih industrijskih ultrazvočnih sistemov, ki delujejo v komunalnih čistilnih napravah v Nemčiji.
Ultrazvočna predobdelava substratov v blatu iz čistilnih naprav ima več koristnih učinkov za procese anaerobne razgradnje. Te prednosti vključujejo zmanjšanje velikosti delcev, povečanje hitrosti hidrolize in skrajšanje hidravličnega zadrževalnega časa.
Kavitacijske strižne sile, ki jih ustvarjajo visokointenzivni? nizkofrekvenčni ultrazvočni valovi, povzročajo razpad morfologije blata in mikrobne strukture blata.
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)
Učinkovito razpadlo blato iz čistilnih naprav, tj. Sonicirano blato kaže bistveno izboljšane lastnosti ločevanja, ki omogočajo odstranjevanje frakcij, bogatih s fosforjem, iz biomase in gelu podobnih frakcij ter vode. Ultrazvočna kavitacija moti celične strukture biomase v blatu iz čistilnih naprav in olajša nadaljnjo frakcioniranje v tri frakcije (i) vlaken, bogatih s celulozo, (ii) gela, bogatega s hranili, in (iii) tekočine, ki je lahko fermentabilna. Te tri frakcije blata se lahko nadalje predelajo, npr. pridobivanje fosforja, odstranjevanje težkih kovin itd.

Ultrazvočno intenzivno mokro-kemično obarjanje fosforja

Ultrasonication je dobro znana tehnika, ki se že dolgo uporablja v kemiji za učinkovito in učinkovito obarjanje mineralov, delcev in kristalov. Za predelavo fosforja iz blata iz čistilnih naprav se uporablja ultrazvočna obdelava za spodbujanje in pospeševanje obarjanja struvita. Struvit (magnezijev amonijev fosfat) je fosfatni mineral s formulo NH₄MgPO₄·6H₂ O, ki ponuja preprosto rešitev za odstranjevanje fosforja v vezani obliki iz odpadnega blata.
Med postopkom kristalizacije/obarjanja struvita ioni PO₄^3-NH₄⁺in Mg²⁺ se odstranijo iz tekoče faze zaradi obarjanja struvita, dokler reakcija ne doseže ravnovesja.

Kristali struvita, oborjeni iz prašičjih odpadnih voda.(slika in študija: ©Kim et al. 2017)

Ko se ultrasonication uporablja kot predobdelava blata pred postopkom obarjanja struvita, ultrazvočno inducirana kavitacija zagotavlja temeljito mešanje na molekularni ravni, ki zagotavlja aktivno površino za rast kristalov. Povečanje stopnje raztapljanja zunajceličnih in znotrajceličnih snovi dodatno koristi obarjanju struvita s povečanjem biološke uporabnosti NH₄⁺ in PO₄^3- Ionov. Ultrazvočno zdravljenje povzroči olajšan prenos mase skozi gnojevko, ki jo povzroča ultrazvočna kavitacija.
Ultrazvočno razbijanje se lahko uporablja tudi za hidrotermalno karbonizacijsko tekočino, kjer se fosfor reciklira kot struvit iz hidrotermalne karbonizacijske tekočine z ultrazvočno podprto ekstrakcijo in obarjanjem.
Preberite več o obsežnih struvitnih obarjanjih za predelavo fosforja iz blata iz čistilnih naprav!

Sono-Fenton za sproščanje fosforja iz blata iz čistilnih naprav

Študija Gong et al. (2015) je pokazala učinkovitost kombiniranega ultrazvočno-Fentonovega (znanega tudi kot sono-Fenton) predobdelave za razpadanje blata iz čistilnih naprav. Uporaba ultrazvočno-Fentonovega zdravljenja je znatno povečala sproščanje ogljika, dušika in fosforja. Sono-Fentonova obdelava je povečala skupni dušik (N) in fosfor (P) za 1,7- oziroma 2,2-krat v primerjavi s samo Fentonovo obdelavo. Po obdelavi sono-Fenton je blato pokazalo bistveno manjšo velikost delcev in ohlapnejšo mikrostrukturo, ki temelji na vrstični elektronski mikroskopiji. Z uporabo elektronske spinske resonance se je najvišja intenzivnost signala OH po zdravljenju s sono-Fentonom povečala s 568,7 na 1106,3. To je pokazalo, da sono-Fentonova obdelava povzroča razpad blata in znatno izboljša sproščanje organskega ogljika, dušika in fosforja.

Ultrazvočno intenzivirane mikrobne gorivne celice

Ultrazvočna predobdelava blata iz čistilnih naprav spodbuja raztapljanje različnih organskih spojin iz matriksa blata, kar posledično pospešuje mikrobno elektrohidrogenezo.
More in Ghangrekar (2010) prispevata k koristnim učinkom ultrazvočne predobdelave na mikrobne gorivne celice k okrepljenim encimskim aktivnostim in razpoložljivosti zunajceličnih beljakovin, polisaharidov in encimov, ki se sproščajo iz notranjih plasti blatnih kosmičev v zunanje plasti z ultrazvočno sonoporacijo in motnjami celic, kar ima za posledico izboljšano učinkovitost uporabe substrata. Za izboljšanje pridobivanja električne energije iz mikrobnih gorivnih celic je potrebno izboljšati sposobnost prenosa elektronov bakterij v zunajcelično trdno snov. Ta zunajcelični prenos elektronov se lahko pojavi bodisi v neposrednem stiku med celično površino in trdno površino bodisi posredno prek tako imenovanih eksogenih in endogenih mediatorjev. Za neposreden prenos elektronov med bakterijami in površino elektrode mora elektron doseči zunanjo membrano celice. Ta pojav bi se lahko pojavil zaradi ultrazvočne predobdelave, ki je bila dana inokulumu, ko je bila specifična dobavljena energija ustrezna; zato se zavzema za višjo Coulombsko učinkovitost.
Ultrazvočno intenziviran postopek mikrobne elektrolize se lahko kombinira z nadaljnjimi fermentacijskimi postopki za obdelavo blata.

Sono-elektrokemična obdelava blata iz čistilnih naprav

Elektrokoagulacija je preprost postopek, ki ga je mogoče enostavno uporabiti za odpadno vodo in omogoča učinkovito in stroškovno obdelavo velikih količin. Ultrasonication pomaga premagati glavno pomanjkljivost elektrokoagulacijskih procesov s preprečevanjem nastajanja pasivacijske plasti iz elektrod. Pasivni filmi, ki se sčasoma tvorijo na površini elektrode, drastično zmanjšajo učinkovitost elektrokoagulacijskih sistemov, ultrazvok pa je enostavna metoda za neprekinjeno odstranjevanje teh pasivacijskih plasti med delovanjem, hkrati pa ultrazvočna obdelava poveča promet elektrokoagulacijskih sistemov. Ultrazvočni valovi, ki razgrajujejo sedimente, ki nastanejo na površini elektrode in ustvarjajo velike količine radikalnih vrst za odstranjevanje onesnaževal z ustvarjanjem visokotlačnih točk znotraj raztopine med pojavom kavitacije. Z združevanjem elektrokoagulacije z ultrazvočnim zaradi ustvarjanja novih površin na elektrodi s kavitacijo ali mikro-tokanjem se zmanjšanje debeline porazdelitvenega sloja poslabša s povečanjem hitrosti prenosa mase. Sono-elektrokoagulacija poveča količino nastajanja koagulantov v primerjavi z elektrokoagulacijo, flokulacija pa se poveča z ekstremnim mešanjem in oksidacijo z nastajanjem prostih radikalov; Zato je doseganje želene učinkovitosti možno v najkrajšem času.
(Moradi et al., 2021)

Prednosti sonoelektrokemije in sonoelektrokoagulacije

“Sonoelectrochemistry is the combination of ultrasonic energy in an electrochemical system that offers several advantages, including gas bubble removal at the electrode surface, solution degassing, disruption of the Nernst diffusion layer, enhancement of the mass transport of electroactive species through the double layer, and the activation and cleaning of the electrode surface. These benefits in electrochemistry lead to improved process efficiencies (electrode and current efficiencies), increased electrochemical rates and yields, decreased cell voltages and electrode overpotentials, improved electrodeposited materials in terms of hardness, quality, porosity and thickness, and the suppression of electrode fouling and degassing at the electrode surface.” (Foroughi et al., 2021)
Preberite več o sono-elektrokemični opremi in njenih aplikacijah!

Industrijski ultrazvočni sistemi za obdelavo blata iz čistilnih naprav

Visokozmogljivi sistemi Hielscher Ultrasonics so zanesljiv delovni konj v čistilnih napravah za odpadne vode in blato iz čistilnih naprav. Hielscher ultrazvočni sistemi zagotavljajo ultrazvok visoke moči pri 20kHz, kar ustvarja intenzivno akustično kavitacijo. Učinki naše ultrazvočne obdelave z visoko močjo vključujejo motnje in razpad celic, visok prenos mase, dezinfekcijo, razgradnjo polimerov, sproščanje encimov in homogenizacijo blata. Visoko intenzivna ultrazvočna obdelava izboljša učinkovitost zdravljenja z ustvarjanjem oksidativnih radikalov in povečanjem nukleacijskih mest, kar zagotavlja boljšo koagulacijo in flokulacijo. Zanesljivo in neprekinjeno ustvarjanje teh intenzivnih ultrazvočnih kavitacijskih sil in njenih učinkov omogoča integracijo naših zmogljivih ultrazvočnih procesorjev za različne aplikacije, da bi izboljšali pridobivanje energije in hranil iz blata iz čistilnih naprav.

• Ultrazvočno razpadanje blata iz čistilnih naprav
• Ultrazvočno intenzivirana anaerobna razgradnja
• Predelava dragocenih hranil (fosfor, dušik, magnezij, kalcij, kalij itd.)
• Odstranjevanje onesnaževal, kot so težke kovine

Hielscher Ultrasonics, ki ponuja ultrazvočne procesorje s pretočnimi reaktorji različnih velikosti, ima idealne ultrazvočne sisteme za obdelavo odpadkov in blata za vaš objekt za blato iz čistilnih naprav.
Modularna zasnova omogoča enostavno namestitev več ultrazvočnih enot vzporedno, kar omogoča zanesljivo in učinkovito obdelavo katerega koli volumna.
Hielscher ultrazvočni sistemi z visoko močjo? visoko zmogljivostjo povečajo učinkovitost in donos pri obdelavi biomase v blatu iz čistilnih naprav.
Vsi naši ultrazvočni aparati imajo čiščenje na mestu (CIP).
Primerno za zahtevne obdelave: blato iz čistilnih naprav pogosto vsebuje vlaknaste materiale z visoko vsebnostjo celuloze, ki jih je težko razgraditi. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Tako visoke amplitude so učinkovit način za prekinitev celične strukture celuloze, lignina in robustnih celičnih sten drugih materialov. Optimizirana zasnova naših reaktorjev s pretočnimi celicami zagotavlja idealne vzorce pretoka in enakomerno, učinkovito ultrazvočno obdelavo dovajanega blata.

Sodelujemo s sistemskimi integratorji in inženirji čistilnih naprav

Kot proizvajalec in izdelovalec sistemov visoko zmogljivih ultrazvočnih modularnih enot, Hielscher Ultrasonics sodeluje s sistemskimi integratorji. Večina upravljavcev čistilnih naprav odpadnih voda in blata iz čistilnih naprav sodeluje s sistemskimi integratorji, ki imajo izkušnje pri načrtovanju in avtomatizaciji takšnih čistilnih naprav. Naša ekipa inženirjev in tehničnih inženirjev priporoča optimalno ultrazvočno konfiguracijo za ciljno količino blata, zagotavlja podrobne informacije o sistemu, CAD risbe ter inštalacijsko službo in operativno usposabljanje. To omogoča konstruktivno in ciljno usmerjeno izvedbo integracije visokozmogljivega ultrazvoka v čistilne naprave. Prosimo, kontaktirajte nas, če vas zanima integracija naših ultrazvočnih procesorjev za izboljšano obdelavo blata!

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Kontaktirajte nas zdaj, če želite dobiti več podrobnosti o Hielscher ultrazvočnih sistemih za čiščenje blata iz čistilnih naprav, možnostih namestitve in tehničnih informacijah!