Različne rešitve za pridobivanje fosforja iz komunalnega blata iz čistilnih naprav

Fosfor je kritična mineralna surovina, katere naravne zaloge se hitro zmanjšujejo. Zato je nemška vlada z uredbo določila, da je treba od leta 2029 fosfor v veliki meri pridobivati iz blata iz čistilnih naprav. Uporaba ultrazvoka visoke moči odpira različne možnosti za intenziviranje pridobivanja fosforja iz komunalnega blata iz čistilnih naprav.

Naprave za obdelavo blata iz čistilnih naprav in recikliranje fosforja

Fosfor je kritičen element, ki se pogosto uporablja kot gnojilo in surovina v industriji finih kemikalij in farmacevtski industriji. Zaradi hitro zmanjšujočih se razpoložljivih virov je nemška vlada uvedla zakon, po katerem morajo vse komunalne čistilne naprave za odpadne vode sprejeti ukrepe za pridobivanje fosforja iz komunalnega blata iz čistilnih naprav. Uporaba visokozmogljivega ultrazvoka ponuja različne možnosti obdelave, ki znatno povečajo učinkovitost pridobivanja fosforja.

Čistilne naprave za odpadne vode uporabljajo ultrazvok za izboljšano anaerobno razgradnjo blata in pridobivanje hranil, kot je fosfor.

Ultrazvočna dezintegracija blata iz čistilnih naprav za izboljšano pridobivanje fosforja

Jasno je bilo dokazano, da izpostavljanje blata iz čistilnih naprav močnim ultrazvočnim valovom izboljša dezintegracijo biomase v blatu. Številne raziskave so pokazale prednosti ultrazvočne obdelave odvečnega aktivnega blata, v komunalnih čistilnih napravah za odpadne vode v Nemčiji pa delujejo različni industrijski ultrazvočni sistemi.
Ultrazvočna predobdelava substratov v blatu iz čistilnih naprav ima več ugodnih učinkov na procese anaerobne razgradnje. Te prednosti vključujejo zmanjšanje velikosti delcev, povečanje hitrosti hidrolize in skrajšanje hidravličnega zadrževalnega časa.
Kavitacijske strižne sile, ki jih ustvarjajo ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti / nizke frekvence, povzročijo razpad morfološke zgradbe kosmov blata in mikrobne strukture blata.
Nguyenova raziskovalna skupina je v svojih raziskavah dokazala, »da je uporaba ultrazvoka zelo učinkovita pri zmanjševanju velikosti delcev biomase, pri čemer se doseže zmanjšanje na povprečno velikost delcev >78,78%, sorazmerno s trajanjem in intenzivnostjo izpostavljenosti ultrazvočnemu obsevanju. To je pokazalo, da so delci blata razpadli in da se je njihova velikost zmanjšala, kar temelji na obratnem razmerju med časom sonikacije in velikostjo delcev kosmov. Uporaba je bila zelo učinkovita, čeprav so opazovanja kosmov blata pred obdelavo pokazala, da so bili gosti in zelo kompaktni ter so bili med drugim sestavljeni iz številnih podpredelkov s kompaktnimi jedri, skupkov celic, bakterijskih kolonij, praživali in nitastih bakterij. Analiza iztoka kaže, da je ultrazvočni proces znatno porušil strukturno celovitost kosmov blata vseh velikosti. Drobci kosmov so se v optimalnih pogojih obdelave zmanjšali na vsega ≤6,5 μm in so se po 5–10 min ultrazvočne obdelave pri nizki ultrazvočni frekvenci 20 kHz raztopili v suspenziji blata.« (Nguyen et al., 2015)
Učinkovito dezintegrirano blato iz čistilnih naprav, tj. sonikirano blato, ima znatno izboljšane lastnosti ločevanja, ki omogočajo odstranjevanje frakcij, bogatih s fosforjem, iz biomase in gelu podobnih frakcij ter vode. Ultrazvočna kavitacija poruši celične strukture biomase v blatu iz čistilnih naprav in olajša poznejše frakcioniranje na tri frakcije: (i) vlakna, bogata s celulozo, (ii) gel, bogat s hranili, in (iii) tekočino, ki zlahka fermentira. Te tri frakcije blata je mogoče nadalje obdelati, npr. za pridobivanje fosforja, odstranjevanje težkih kovin itd.

Ultrazvočno intenzivirano mokro kemijsko obarjanje fosforja

Ultrazvočna obdelava je dobro znana tehnika, ki se v kemiji že dolgo uporablja za uspešno in učinkovito obarjanje mineralov, delcev in kristalov. Pri pridobivanju fosforja iz blata iz čistilnih naprav se sonikacija uporablja 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 procesom kristalizacije / obarjanja struvita se ioni PO₄^3-, NH₄⁺ in Mg²⁺ odstranjujejo iz tekoče faze zaradi obarjanja struvita, dokler reakcija ne doseže ravnotežja.

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

Kadar se ultrazvočna obdelava uporablja za predobdelavo blata pred procesom obarjanja struvita, ultrazvočno povzročena kavitacija zagotavlja temeljito mešanje na molekularni ravni in s tem aktivno površino za rast kristalov. Povečanje hitrosti solubilizacije zunajceličnih in znotrajceličnih snovi dodatno koristi obarjanju struvita, saj povečuje biološko razpoložljivost ionov NH₄⁺ in PO₄^3- . Sonikacijska obdelava omogoča lažji prenos snovi skozi suspenzijo, ki ga povzroča ultrazvočna kavitacija.
Sonikacijo je mogoče uporabiti tudi za procesno tekočino hidrotermalne karbonizacije, iz katere se fosfor reciklira v obliki struvita z ultrazvočno podprto ekstrakcijo in obarjanjem.
Preberite več o obarjanju struvita v velikem obsegu za pridobivanje fosforja iz blata iz čistilnih naprav!

Sono-Fenton za sproščanje fosforja iz blata iz čistilnih naprav

Raziskava Gong et al. (2015) je dokazala učinkovitost kombinirane predobdelave z ultrazvokom in Fentonovim postopkom (znane tudi kot sono-Fenton) za dezintegracijo blata iz čistilnih naprav. Uporaba obdelave z ultrazvokom in Fentonovim postopkom je znatno povečala sproščanje ogljika, dušika in fosforja. Obdelava sono-Fenton je v primerjavi s samim Fentonovim postopkom povečala skupni dušik (N) za 1,7-krat in fosfor (P) za 2,2-krat. Po obdelavi sono-Fenton je imelo blato na podlagi vrstične elektronske mikroskopije znatno manjše delce in bolj rahlo mikrostrukturo. Pri uporabi elektronske spinske resonance se je najvišja intenzivnost signala OH• povečala s 568,7 pri Fentonovem postopku na 1106,3 po obdelavi sono-Fenton. To je dokazalo, da obdelava sono-Fenton povzroči dezintegracijo blata in znatno izboljša sproščanje organskega ogljika, dušika in fosforja.

Ultrazvočno intenzivirane mikrobne gorivne celice

Ultrazvočna predobdelava blata iz čistilnih naprav spodbuja solubilizacijo različnih organskih spojin iz matriksa blata, kar nato pospeši mikrobno elektrohidrogenezo.
More in Ghangrekar (2010) ugodne učinke sonikacijske predobdelave na mikrobne gorivne celice pripisujeta povečani encimski aktivnosti in razpoložljivosti zunajceličnih beljakovin, polisaharidov in encimov, ki se z ultrazvočno sonoporacijo in razgradnjo celic sproščajo iz notranjih plasti kosmov blata v zunanje plasti, kar izboljša učinkovitost izrabe substrata. Za izboljšanje pridobivanja električne energije iz mikrobnih gorivnih celic je treba izboljšati sposobnost bakterij za prenos elektronov na zunajcelično trdno snov. Ta zunajcelični prenos elektronov lahko poteka bodisi ob neposrednem stiku med površino celice 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. Do tega pojava je morda prišlo zaradi ultrazvočne predobdelave inokuluma, ko je bila specifična dovedena energija ustrezna, kar je omogočilo višji kulonski izkoristek.
Ultrazvočno intenziviran proces mikrobne elektrolize bi bilo mogoče združiti z nadaljnjimi fermentacijskimi procesi za obdelavo blata.

Sonoelektrokemijska obdelava blata iz čistilnih naprav

Elektrokoagulacija je preprost proces, ki ga je mogoče zlahka uporabiti pri odpadni vodi in omogoča učinkovito ter stroškovno ugodno obdelavo velikih količin. Ultrazvočna obdelava pomaga premagati glavno pomanjkljivost elektrokoagulacijskih procesov, saj preprečuje nastajanje pasivacijskih plasti na elektrodah. Pasivne prevleke, ki sčasoma nastanejo na površini elektrode, drastično zmanjšajo učinkovitost elektrokoagulacijskih sistemov, ultrazvok pa je preprosta metoda za neprekinjeno odstranjevanje teh pasivacijskih plasti med delovanjem, pri čemer sonikacija hkrati poveča zmogljivost obdelave elektrokoagulacijskih sistemov. Ultrazvočni valovi razgrajujejo usedline, ki nastanejo na površini elektrode, in ustvarjajo velike količine radikalskih zvrsti za odstranjevanje onesnaževal, saj med kavitacijskim pojavom ustvarjajo točke visokega tlaka v raztopini. Pri kombiniranju elektrokoagulacije z ultrazvokom se zaradi nastajanja novih površin na elektrodi s kavitacijo ali mikrostrujanjem zmanjšanje debeline porazdelitvene plasti okrepi s povečanjem hitrosti prenosa snovi. Sonoelektrokoagulacija v primerjavi z elektrokoagulacijo poveča količino nastalega koagulanta, flokulacijo pa izboljšata izredno intenzivno mešanje in oksidacija zaradi nastajanja prostih radikalov; zato je želeno učinkovitost mogoče doseči v najkrajšem času.
(Moradi et al., 2021)

Prednosti sonoelektrokemije in sonoelektrokoagulacije

»Sonoelektrokemija je združevanje ultrazvočne energije z elektrokemijskim sistemom, ki ponuja več prednosti, vključno z odstranjevanjem plinskih mehurčkov na površini elektrode, razplinjevanjem raztopine, porušitvijo Nernstove difuzijske plasti, izboljšanjem prenosa snovi elektroaktivnih zvrsti skozi dvojno plast ter aktivacijo in čiščenjem površine elektrode. Te prednosti v elektrokemiji vodijo do izboljšanih izkoristkov procesov (elektrodnega in tokovnega izkoristka), povečanih hitrosti elektrokemijskih procesov in donosov, zmanjšanih napetosti celic in prenapetosti elektrod, izboljšanih elektrodeponiranih materialov glede trdote, kakovosti, poroznosti in debeline ter omejevanja onesnaževanja elektrod in razplinjevanja na površini elektrode.« (Foroughi et al., 2021)
Preberite več o sonoelektrokemijski opremi in njeni uporabi!

Industrijski ultrazvočni sistemi za obdelavo blata iz čistilnih naprav

Visokozmogljivi sistemi Hielscher Ultrasonics so zanesljiva delovna oprema v napravah za čiščenje odpadnih voda in obdelavo blata. Ultrazvočni sistemi Hielscher zagotavljajo ultrazvok visoke moči pri 20kHz, ki ustvarja intenzivno akustično kavitacijo. Učinki naše ultrazvočne obdelave z visoko močjo vključujejo razgradnjo celic in dezintegracijo, intenziven prenos snovi, dezinfekcijo, razgradnjo polimerov, sproščanje encimov in homogenizacijo blata. Sonikacija visoke intenzivnosti izboljša učinkovitost obdelave z ustvarjanjem oksidativnih radikalov in povečanjem števila nukleacijskih mest, kar zagotavlja boljšo koagulacijo in flokulacijo. Zanesljivo in neprekinjeno ustvarjanje teh intenzivnih ultrazvočnih kavitacijskih sil ter njihovih učinkov omogoča vključevanje naših zmogljivih ultrazvočnih procesorjev v različne aplikacije za izboljšanje pridobivanja energije in hranil iz blata iz čistilnih naprav.

• Ultrazvočna dezintegracija blata iz čistilnih naprav
• Ultrazvočno intenzivirana anaerobna razgradnja
• Pridobivanje dragocenih hranil (fosforja, dušika, magnezija, kalcija, kalija itd.)
• Odstranjevanje onesnaževal, kot so težke kovine

Hielscher Ultrasonics z ultrazvočnimi procesorji s pretočnimi reaktorji različnih velikosti ponuja idealne ultrazvočne sisteme za obdelavo odpadne vode in blata za vaš obrat za obdelavo blata iz čistilnih naprav.
Modularna zasnova omogoča preprosto vzporedno namestitev več ultrazvočnih enot, kar omogoča zanesljivo in učinkovito obdelavo poljubne prostornine.
Ultrazvočni sistemi Hielscher z visoko močjo / visoko zmogljivostjo obdelave povečajo učinkovitost in donos pri obdelavi biomase v blatu iz čistilnih naprav.
Vse naše ultrazvočne naprave omogočajo čiščenje na mestu (CIP).
Primerno za zahtevne obdelave: blato iz čistilnih naprav pogosto vsebuje vlaknaste materiale z visoko vsebnostjo celuloze, ki jih je težko dezintegrirati. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče zlahka neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Tako visoke amplitude so učinkovit način za porušitev celične strukture celuloz, lignina in trdnih celičnih sten drugih materialov. Optimizirana zasnova naših reaktorjev s pretočnimi celicami zagotavlja idealne vzorce toka ter enakomerno in učinkovito ultrazvočno obdelavo dovajanega blata.

Sodelujemo s sistemskimi integratorji in inženirji obratov za obdelavo blata iz čistilnih naprav

Hielscher Ultrasonics kot proizvajalec in graditelj sistemov visokozmogljivih ultrazvočnih modularnih enot sodeluje s sistemskimi integratorji. Večina upravljavcev naprav za čiščenje odpadnih voda in obdelavo blata sodeluje s sistemskimi integratorji, ki imajo veliko izkušenj s projektiranjem in avtomatizacijo takšnih čistilnih naprav. Naša ekipa projektnih in tehničnih inženirjev priporoči optimalno ultrazvočno konfiguracijo za predvideno prostornino blata ter zagotovi podrobne informacije o sistemu, risbe CAD, storitev namestitve in usposabljanje za upravljanje. To omogoča konstruktivno in ciljno usmerjeno vključitev visokozmogljivega ultrazvoka v čistilne naprave. Obrnite se na nas, če vas zanima vključitev naših ultrazvočnih procesorjev za izboljšano obdelavo blata!

Spodnja preglednica prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

Obrnite se na nas že zdaj za več podrobnosti o ultrazvočnih sistemih Hielscher za obdelavo blata iz čistilnih naprav, možnostih namestitve in tehničnih informacijah!