Различита решења за издвајање фосфора из комуналног канализационог муља

Фосфор је критична минерална сировина чије се природне залихе брзо смањују. Због тога је немачка влада уредбом прописала да се од 2029. године фосфор мора у великој мери издвајати из канализационог муља. Примена ултразвука велике снаге отвара различите могућности за интензивирање издвајања фосфора из комуналног канализационог муља.

Постројења за третман канализационог муља и рециклажа фосфора

Фосфор је критичан елемент који се широко користи као ђубриво и сировина у финој хемијској и фармацеутској индустрији. Због брзог смањивања његових расположивих ресурса, немачка влада је донела закон према којем сва комунална постројења за пречишћавање отпадних вода морају успоставити мере за издвајање фосфора из комуналног канализационог муља. Примена ултразвука високих перформанси нуди различите могућности третмана које значајно повећавају ефикасност издвајања фосфора.

Постројења за пречишћавање отпадних вода користе ултразвук за побољшану дигестију муља и издвајање хранљивих материја као што је фосфор.

Ултразвучна дезинтеграција канализационог муља за побољшано издвајање фосфора

Јасно је показано да излагање канализационог муља снажним ултразвучним таласима побољшава дезинтеграцију биомасе у канализационом муљу. Бројна истраживања показала су предности ултразвучне обраде вишка активног муља, а различити индустријски ултразвучни системи раде у комуналним постројењима за пречишћавање отпадних вода у Немачкој.
Ултразвучни предтретман супстрата у канализационом муљу има неколико корисних ефеката на процесе анаеробне дигестије. Ове предности обухватају смањење величине честица, повећање брзине хидролизе и скраћење хидрауличког времена задржавања.
Кавитационе силе смицања које стварају ултразвучни таласи високог интензитета / ниске фреквенције изазивају разарање морфолошке структуре флокула муља и микробне структуре муља.
Истраживачки тим Nguyen показао је у својим студијама „да је примена ултразвука веома ефикасна у смањењу величине честица биомасе, постижући смањење на просечну величину честица од >78,78% сразмерно трајању и интензитету излагања ултразвучном зрачењу. То је указало на то да су се честице муља дезинтегрисале и да се величина честица муља смањила, на основу обрнуте зависности између времена соникације и величине честица флокула. Примена је била веома ефикасна, упркос томе што је посматрање флокула муља пре обраде показало да су флокуле муља биле густе и веома компактне, састављене, између осталог, од бројних пододељака са компактним језгрима, ћелијских група, бактеријских колонија, протозоа и филаментозних бактерија. Анализа ефлуента показује да је ултразвучни процес знатно нарушио структурни интегритет флокула муља свих величина. Делови флокула смањени су на свега ≤6,5 μm у оптималним условима обраде и растворени су у суспензији муља након 5–10 min ултразвучне обраде при ниској ултразвучној фреквенцији од 20 kHz.“ (Nguyen et al., 2015)
Ефикасно дезинтегрисан канализациони муљ, тј. соницирани муљ, показује знатно побољшана својства сепарације, што омогућава издвајање фракција богатих фосфором из биомасе и фракција налик гелу, као и воде. Ултразвучна кавитација разара ћелијске структуре биомасе у канализационом муљу и олакшава накнадно фракционисање на три фракције: (i) влакна богата целулозом, (ii) гел богат хранљивим материјама и (iii) течност која лако ферментише. Ове три фракције муља могу се даље обрађивати, нпр. ради издвајања фосфора, уклањања тешких метала итд.

Ултразвучно интензивирано влажно хемијско таложење фосфора

Ултразвучна обрада је добро позната техника која се већ дуго користи у хемији за успешно и ефикасно таложење минерала, честица и кристала. За издвајање фосфора из канализационог муља, соникација се примењује ради подстицања и убрзавања таложења струвита. Струвит (магнезијум-амонијум-фосфат) је фосфатни минерал са формулом NH₄MgPO₄·6H₂ O, који нуди једноставно решење за уклањање фосфора у везаном облику из отпадног муља.
Током процеса кристализације / таложења струвита, јони PO₄^3-, NH₄⁺, и Mg²⁺ уклањају се из течне фазе услед таложења струвита, све док реакција не достигне равнотежу.

Кристали струвита исталожени из ефлуената из свињогојства.
(слика и студија: ©Kim et al. 2017)

Када се ултразвучна обрада примењује као предтретман муља пре процеса таложења струвита, ултразвучно изазвана кавитација обезбеђује темељно мешање на молекулском нивоу, чиме се обезбеђује активна површина за раст кристала. Повећање брзине солубилизације ванћелијских и унутарћелијских супстанци додатно погодује таложењу струвита повећањем биорасположивости NH₄⁺ и PO₄^3- јона. Третман ултразвуком олакшава пренос масе кроз суспензију услед ултразвучне кавитације.
Ултразвучни третман се такође може применити на течност из хидротермалне карбонизације, из које се фосфор рециклира у облику струвита екстракцијом и таложењем потпомогнутим ултразвуком.
Прочитајте више о таложењу струвита у великом обиму ради издвајања фосфора из канализационог муља!

Соно-Фентонов поступак за ослобађање фосфора из канализационог муља

Студија Gong et al. (2015) показала је ефикасност комбинованог предтретмана ултразвуком и Фентоновим поступком (познатог и као соно-Фентонов поступак) за дезинтеграцију канализационог муља. Примена третмана ултразвуком и Фентоновим поступком значајно је повећала ослобађање угљеника, азота и фосфора. Соно-Фентонов третман повећао је укупни азот (N) и фосфор (P) 1,7 односно 2,2 пута у поређењу са самим Фентоновим третманом. Након соно-Фентоновог третмана, скенирајућа електронска микроскопија показала је да муљ има знатно ситније честице и растреситију микроструктуру. Мерењем електронске спинске резонанце утврђено је да је највећи интензитет сигнала OH• порастао са 568,7 при Фентоновом третману на 1106,3 након соно-Фентоновог третмана. То је показало да соно-Фентонов третман изазива дезинтеграцију муља и значајно побољшава ослобађање органског угљеника, азота и фосфора.

Микробне горивне ћелије са ултразвучно интензивираним радом

Ултразвучни предтретман канализационог муља подстиче солубилизацију различитих органских једињења из матрикса муља, што затим убрзава микробну електрохидрогенезу.
More and Ghangrekar (2010) приписују повољне ефекте ултразвучног предтретмана на микробне горивне ћелије појачаној ензимској активности и доступности ванћелијских протеина, полисахарида и ензима, који се ултразвучном сонопорацијом и разарањем ћелија ослобађају из унутрашњих слојева флокула муља у спољашње слојеве, што доводи до побољшане ефикасности искоришћења супстрата. За побољшање добијања електричне енергије из микробних горивних ћелија неопходно је побољшати способност бактерија да преносе електроне на ванћелијску чврсту супстанцу. Овај ванћелијски пренос електрона може се одвијати директним контактом површине ћелије са чврстом површином или посредно, преко такозваних егзогених и ендогених медијатора. За директан пренос електрона између бактерија и површине електроде, електрон треба да стигне до спољашње мембране ћелије. До ове појаве је можда дошло услед ултразвучног предтретмана инокулума када је специфична доведена енергија била одговарајућа, чиме је погодовано већој кулонској ефикасности.
Ултразвучно интензивиран процес микробне електролизе могао би се комбиновати са накнадним процесима ферментације за третман муља.

Соноелектрохемијски третман канализационог муља

Електрокоагулација је једноставан процес који се лако може применити на отпадне воде и омогућава ефикасну и економичну обраду великих запремина. Ултразвучна обрада помаже у превазилажењу главног недостатка процеса електрокоагулације спречавањем стварања пасивирајућих слојева на електродама. Пасивни филмови који се временом формирају на површини електрода драстично смањују ефикасност система за електрокоагулацију, а ултразвук представља једноставан начин за непрекидно уклањање ових пасивирајућих слојева током рада, при чему ултразвучна обрада истовремено повећава учинак система за електрокоагулацију. Ултразвучни таласи разграђују наслаге настале на површини електрода и стварају велике количине радикалских врста за уклањање загађујућих материја, стварањем тачака високог притиска у раствору током појаве кавитације. Комбиновањем електрокоагулације са ултразвуком, услед стварања нових површина на електроди кавитацијом или микрострујањем, смањење дебљине дистрибуционог слоја додатно се појачава повећањем брзина преноса масе. Соноелектрокоагулација повећава количину насталог коагуланта у поређењу са електрокоагулацијом, а флокулација се побољшава изузетно интензивним мешањем и оксидацијом услед стварања слободних радикала; стога је жељену ефикасност могуће постићи за најкраће време.
(Moradi et al., 2021)

Предности соноелектрохемије и соноелектрокоагулације

„Соноелектрохемија представља примену ултразвучне енергије у електрохемијском систему која пружа неколико предности, укључујући уклањање мехурића гаса са површине електроде, дегазацију раствора, нарушавање Нернстовог дифузионог слоја, побољшање преноса масе електроактивних врста кроз двојни слој, као и активирање и чишћење површине електроде. Ове предности у електрохемији доводе до побољшане ефикасности процеса (ефикасности електрода и струјне ефикасности), повећаних брзина електрохемијских реакција и приноса, смањених напона ћелија и пренапона електрода, побољшаних својстава електроталожених материјала у погледу тврдоће, квалитета, порозности и дебљине, као и до сузбијања запрљања електрода и дегазације на површини електроде.“ (Foroughi et al., 2021)
Прочитајте више о соноелектрохемијској опреми и њеним применама!

Индустријски ултразвучни системи за обраду канализационог муља

Системи високих перформанси компаније Hielscher Ultrasonics поуздан су ослонац у постројењима за пречишћавање отпадних вода и обраду канализационог муља. Ултразвучни системи Hielscher испоручују ултразвук велике снаге на 20kHz, који ствара интензивну акустичну кавитацију. Ефекти наше ултразвучне обраде великом снагом обухватају разарање ћелија и дезинтеграцију, интензиван пренос масе, дезинфекцију, разградњу полимера, ослобађање ензима и хомогенизацију муља. Ултразвучна обрада високог интензитета побољшава ефикасност обраде стварањем оксидативних радикала и повећањем броја места нуклеације, чиме се обезбеђују боља коагулација и флокулација. Поуздано и непрекидно стварање ових интензивних сила ултразвучне кавитације и њихови ефекти омогућавају интеграцију наших снажних ултразвучних процесора у различите примене ради побољшања добијања енергије и издвајања хранљивих материја из канализационог муља.

• Ултразвучна дезинтеграција канализационог муља
• Анаеробна дигестија интензивирана ултразвуком
• Издвајање вредних хранљивих материја (фосфора, азота, магнезијума, калцијума, калијума итд.)
• Уклањање загађујућих материја као што су тешки метали

Захваљујући понуди ултразвучних процесора са проточним реакторима различитих величина, Hielscher Ultrasonics има идеалне ултразвучне системе за обраду отпадних вода и муља за ваше постројење за обраду канализационог муља.
Модуларни дизајн омогућава једноставну паралелну уградњу више ултразвучних јединица, чиме се омогућава поуздана и ефикасна обрада било које запремине.
Ултразвучни системи Hielscher велике снаге / високог капацитета обраде повећавају ефикасност и принос при обради биомасе у канализационом муљу.
Сви наши ултразвучни уређаји омогућавају чишћење на месту (CIP).
Погодни за захтевне третмане: Канализациони муљ често садржи влакнасте материјале са високим садржајем целулозе, који се тешко дезинтегришу. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно током рада 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Тако високе амплитуде представљају ефикасан начин за разарање ћелијске структуре целулозе, лигнина и отпорних ћелијских зидова других материјала. Оптимизован дизајн наших реактора са проточним ћелијама обезбеђује идеалне обрасце струјања и равномеран, ефикасан ултразвучни третман доведеног муља.

Сарађујемо са системским интеграторима и инжењерима постројења за третман канализационог муља

Као произвођач и градитељ система од ултразвучних модуларних јединица високих перформанси, Hielscher Ultrasonics сарађује са системским интеграторима. Већина оператера постројења за пречишћавање отпадних вода и третман канализационог муља сарађује са системским интеграторима који имају велико искуство у пројектовању и аутоматизацији таквих постројења за пречишћавање. Наш тим пројектних и техничких инжењера препоручује оптималну ултразвучну конфигурацију за предвиђену запремину муља, обезбеђује детаљне информације о систему, CAD цртеже, као и услуге уградње и обуку за рад. Тиме се омогућава конструктивна и циљно усмерена интеграција ултразвука високих перформанси у постројења за пречишћавање канализационих вода. Контактирајте нас ако сте заинтересовани за интеграцију наших ултразвучних процесора ради побољшаног третмана муља!

Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

Контактирајте нас сада да бисте добили више детаља о Hielscher ултразвучним системима за третман канализационог муља, могућностима уградње и техничким информацијама!