Ultraljudsbehandling för aerob nedbrytning av överskottsslam från aktivslamprocesser
Ultraljudsbehandling med hög effekt sönderdelar överskottsslam från aktivslamprocesser (WAS) före eller under aerob nedbrytning. Akustisk kavitation bryter upp slamflockar, sönderdelar extracellulära polymera substanser och öppnar mikrobiella celler. Detta gör tidigare skyddat organiskt material mer tillgängligt för nedbrytning i den aeroba slamreaktorn.
För en aerob process är målet inte ökad biogasproduktion. Ökad metanproduktion är relevant för anaerob nedbrytning. I en aerob slamreaktor är de relevanta prestandaindikatorerna nedbrytning av organiskt torrsubstansmaterial, syreförbrukning, nedbrytningstid, kvarvarande torrsubstans, avvattningsbarhet och total driftkostnad.
Hielschers industriella ultraljudsaggregat integreras i en pumpad ledning för WAS eller i en recirkulationsslinga för slamreaktorn. Ultraljudsreaktorer med flödesceller koncentrerar behandlingen till ett definierat slamflöde och gör det möjligt att övervaka processen med avseende på effekt, flöde, torrsubstanshalt, tryck och temperatur. Resultatet är en kompakt efterinstallation som kan tillföra sönderdelning av slam med ultraljud utan att den befintliga aeroba slamreaktorn behöver bytas ut.
Hielschers industriella, rammonterade ultraljudssystem för inlinebehandling av förtjockat WAS
Varför överskottsslam från aktivslamprocesser är svårt att bryta ned
Överskottsslam från aktivslamprocesser är det överskott av biologiskt fast material som avlägsnas från en aktivslamprocess för avloppsvattenrening. Det innehåller mikroorganismer, extracellulära polymera substanser (EPS), infångat organiskt material och inert fast material.
I eftersedimenteringsbassängen delas det sedimenterade aktivslammet upp i två strömmar:
- Returaktivslam (RAS) återförs till luftningsbassängen för att upprätthålla den erforderliga biomassakoncentrationen.
- Överskottsslam från aktivslamprocessen (WAS) avlägsnas från vattenreningsprocessen och skickas till förtjockning, stabilisering, nedbrytning eller avvattning.
WAS innehåller en hög andel mikrobiellt cellmaterial. En stor del av dess biologiskt nedbrytbara organiska innehåll är inneslutet av cellväggar eller bundet inuti kompakta slamflockar. Detta fysiska skydd bromsar naturlig celllys och hydrolys.
Under aerob nedbrytning tillförs syre samtidigt som tillgången till ny näring är liten. Mikroorganismerna övergår till endogen respiration och förbrukar lagrat material, döda celler och andra biologiskt nedbrytbara slamkomponenter. Syftet är att stabilisera slammet, minska risken för lukt och minska mängden organiskt torrsubstansmaterial som måste avvattnas och bortskaffas.
Nedbrytningshastigheten begränsas ofta av tillgången till substratet. En slamreaktor kan ha aktiva mikroorganismer och tillräcklig uppehållstid, men det organiska materialet inuti intakta celler och täta flockar är fortfarande svårt att nå.
Jämförelse av obehandlade flockar med ultraljudsbehandlat slam: Ultraljudsbehandling minskar flockarnas storlek avsevärt.
Studie och bilder: ©Chu et al. 2001
Hur ultraljudskavitation gör WAS tillgängligt för aerob nedbrytning
Hielschers industriella ultraljudsaggregat arbetar vid 20kHz och genererar intensiv akustisk kavitation i vätske- och slamströmmar. Kavitationsbubblor bildas, växer och kollapsar i slammet. När de kollapsar uppstår kraftiga lokala skjuvkrafter som verkar direkt på flockar, EPS och mikrobiella celler.
Ultraljudsbehandling ger tre viktiga förändringar i WAS:
Sönderdelning av flockar
Kavitation bryter upp slamaggregat och frilägger ytor som tidigare var inneslutna av extracellulära polymera substanser (EPS). Det behandlade slammet innehåller mindre partiklar och har en större tillgänglig yta.
Sönderdelning av EPS och celler
Ultraljudsassisterad sönderdelning ökar den aeroba biologiska nedbrytbarheten hos kommunalt överskottsslam från aktivslamprocesser genom att bryta upp motståndskraftiga slamflockar och frigöra instängt organiskt material. Ultraljudskavitation bryter sönder cellmembran och cellväggar. Proteiner och kolhydrater samt andra intracellulära föreningar övergår till vätskefasen.
Ökad biotillgänglighet
Aeroba mikroorganismer kan lättare förbruka lösligt och finfördelat organiskt material än intakta mikrobiella celler och kompakta flockar. Ultraljudsbehandling utför därför en del av lys- och hydrolysarbetet mekaniskt före det biologiska oxidationssteget.
Ultraljudsbehandling riktar sig mot avloppsslammets tjocka skyddande matris för att göra den mikrobiella nedbrytningen mycket snabbare och effektivare. Detta observeras vanligen som en ökning av den lösliga kemiska syreförbrukningen (SCOD).
Industriell ultraljudsflödesreaktor för förbättrad aerob stabilisering av WAS
Fördelar med ultraljudsbehandling i anläggningar för aerob slamstabilisering
Effekten beror på slammet och ultraljudsdosen. När ultraljudsbehandling ökar den aeroba biologiska nedbrytbarheten kan ett avloppsreningsverk uppnå:
- Större nedbrytning av organisk torrsubstans vid befintlig stabiliseringstid
- Jämförbar slamstabilisering vid kortare uppehållstid
- Mindre produktion av kvarvarande torrsubstans
- Ytterligare effektiv kapacitet från en befintlig aerob slamstabiliseringsreaktor
- Minskad transport och minskat bortskaffande av behandlat avloppsslam
- Förbättrad processtabilitet under perioder med hög belastning av fasta ämnen
- Bättre kontroll av trådformiga organismer genom sönderdelning av flockar och celler
Hielscher inline-ultraljudsapparater för enkel efterinstallation
I full skala är det i allmänhet effektivare att ultraljudsbehandla ett koncentrerat slamflöde än hela volymen i den aeroba slamstabiliseringsreaktorn. Hielschers ultraljudsflödescellsreaktorer stöder två praktiska konfigurationer.
Förbehandling i WAS-matarledningen
Ultraljudssystemet installeras efter förtjockningen av WAS och före den aeroba slamstabiliseringsreaktorn:
Förtjockat WAS -> matarpump -> Hielscher ultraljudsflödescell -> aerob slamstabiliseringsreaktor
Detta arrangemang behandlar ett definierat massflöde av torrsubstans och ger en tydlig grund för att styra den specifika ultraljudsenergitillförseln.
Flödesschema: Förtjockat WAS -> matarpump -> Hielscher industriell inline-ultraljudsapparat UIP6000hdT -> aerob slamstabiliseringsreaktor
Recirkulation i slamstabiliseringsreaktorn eller behandling i en sidoström
En kontrollerad andel av slammet pumpas från slamstabiliseringsreaktorn eller slamledningen genom ultraljudsapparaten och återförs till processen. Denna konfiguration är användbar när den befintliga matarledningen är svår att modifiera eller när endast en utvald andel av slammet ska behandlas.
Båda arrangemangen kan installeras som kompakta, rammonterade enheter med pump, ultraljudsflödescell, avstängningsventiler, förbikopplingsledning för service, tryck- och temperaturmätning, provtagningspunkter och processtyrning. Det befintliga reaktorkärlet för slamstabilisering förblir oförändrat.
Detta gör ultraljudsbehandling särskilt lämplig för efterinstallation i befintliga avloppsreningsverk. Den rammonterade ultraljudsenheten kan installeras i en pumpad ledning, drivas oberoende och förbikopplas vid inspektion eller underhåll.
Förbättra sönderdelningen av slam vid aerob stabilisering med högeffektultraljud!
Hielschers industriella ultraljudsapparater erbjuder en kompakt och skalbar metod för att integrera högeffektultraljud i en befintlig behandlingslinje för WAS. Inline-behandling i flödesceller koncentrerar ultraljudsenergin till slamströmmen, möjliggör reproducerbar dosstyrning och kan utformas för tillförlitlig drift under hög belastning dygnet runt, alla dagar i veckan (24/7).
Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland
Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör det möjligt att smidigt integrera våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar enkelt tuffa förhållanden och krävande miljöer.
Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och god användarvänlighet. Självklart är Hielschers ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandning, dispergering, emulgering och extraktion i laboratorie-, pilot- och industriell skala.
Vanliga frågor
Producerar ultraljudsbehandling mer biogas i en aerob slamstabiliseringsreaktor?
Nej. Ökat metan- eller biogasutbyte är en fördel vid anaerob rötning. Vid aerob nedbrytning bör ultraljudsbehandling utvärderas utifrån reduktion av flyktig substans (VS), syreförbrukning, nedbrytningstid, kvarvarande torrsubstans, avvattningsbarhet och totalkostnad.
Var installeras ultraljudssystemet?
Systemet installeras i allmänhet inline efter förtjockningen av överskottsaktivslam (WAS) och före den aeroba slamnedbrytaren. Det kan också användas i en kontrollerad sidoström eller i slamnedbrytarens recirkulationsslinga. En servicebypass gör att slamöverföringen kan fortsätta under underhåll.
Varför använda en industriell ultraljudsapparat på 20kHz?
Lågfrekvent ultraljud med hög effekt genererar intensiv kavitation och mekanisk skjuvning. Detta är effektivt för att bryta sönder slamflockar, sönderdela EPS och öppna mikrobiella celler i strömmar av vätska och fasta ämnen.
Kan en ultraljudsapparat från Hielscher användas kontinuerligt?
Ja. Hielschers industriella ultraljudsapparater i hdT-serien är konstruerade för kontinuerlig drift under hög belastning och är kända för sin hållbarhet. Flödescellreaktorer möjliggör kontrollerad behandling inline eller med recirkulation, medan automatisk dataloggning stöder processövervakning och reproducerbarhet.
Vilka data behövs för att dimensionera ett ultraljudssystem för slam?
De viktigaste indata är flödet av överskottsaktivslam (WAS), koncentrationerna av torrsubstans (TS) och flyktig substans (VS), slammets viskositet, önskad specifik energi, erforderlig behandlingseffekt, drifttimmar och tillgängligt tryck. Pilotförsök rekommenderas för att fastställa den verksamma dosen före dimensionering i full skala.
Förbättrar ultraljudsbehandling slamavvattningen?
Resultatet beror på slammets egenskaper och dosen. Måttlig behandling kan förbättra hanteringen av fasta ämnen, medan alltför kraftig sönderdelning kan generera fina partiklar och lösliga polymerer som försämrar avskiljningen eller slamkakans torrsubstanshalt. Avvattningsförsök är därför en väsentlig del av processoptimeringen.
Vad säger vetenskapliga studier om ultraljudsbehandling vid nedbrytning av överskottsaktivslam (WAS)?
Laboratoriestudier stöder användningen av ultraljud för att öka tillgängligheten och den aeroba biologiska nedbrytbarheten hos överskottsaktivslam (WAS).
I en studie av kombinerad alkalisk förbehandling och ultraljudsförbehandling före aerob nedbrytning rapporterades nedbrytningen av organiskt material vid samma nedbrytningstid vara 38,0% för obehandlat slam och 42,5% för ultraljudsförbehandlat slam. Kombinerad alkalisk förbehandling och ultraljudsförbehandling ökade nedbrytningen till 50,7%. Resultatet visar att enbart ultraljud kan förbättra den aeroba nedbrytningen, samtidigt som det visar att den möjliga förbättringen beror på förbehandlingsstrategin och slammets egenskaper. (jfr Jin et al., 2009)
En annan undersökning av kommunalt överskottsaktivslam rapporterade ökad solubilisering av slammet och ökad aerob biologisk nedbrytbarhet efter ultraljudsassisterad bakteriell sönderdelning. Det förbehandlade slammet uppvisade högre biologisk nedbrytningshastighet eller sönderfallshastighet än den obehandlade kontrollen. (jfr Kavitha et al. 2016)
Stöder ultraljudsbehandling andra slambehandlingsprocesser?
Ja. Ultraljudsbehandling stöder flera slambehandlingsprocesser genom att sönderdela flockar, EPS och mikrobiella celler:
Anaerob rötning/biogasproduktion: påskyndar hydrolysen, ökar löslig COD och kan förbättra reduktionen av flyktig substans (VS) och metanutbytet.
Fosforåtervinning: frigör cellbunden och organisk fosfor till vätskefasen, vilket förbättrar tillgängligheten för efterföljande struvit- eller vivianitutfällning; ultraljud kan också intensifiera fosforutlakningen ur slamaska.
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieskala till industriell skala.