Ultraljudsbehandling för aerob nedbrytning av aktiverat slam
Ultraljudsbehandling med hög effekt bryter ned avfallsaktiverat slam (WAS) före eller under aerob nedbrytning. Akustisk kavitation bryter upp slamflockar, bryter ned extracellulära polymera ämnen och öppnar mikrobiella celler. Detta gör att organiskt material som tidigare varit skyddat blir mer tillgängligt för den aeroba nedbrytaren.
Vid en aerob process är målet inte att öka biogasproduktionen. Metanförstärkning är relevant vid anaerob rötning. I en aerob rötkammare är de relevanta prestationsindikatorerna nedbrytning av flyktiga fasta ämnen, syreförbrukning, rötningstid, återstående torrsubstans, avvattningsbarhet och totala driftskostnader.
Hielschers industriella ultraljudsapparater kan integreras i en pumpad WAS-ledning eller i en återcirkulationsslinga för rötkammaren. Ultraljudsreaktorer med flödesceller koncentrerar behandlingen till ett definierat slamflöde och gör det möjligt att övervaka processen utifrån effekt, flöde, fastämneskoncentration, tryck och temperatur. Resultatet är en kompakt eftermontering som möjliggör ultraljudsbaserad slamsönderdelning utan att den befintliga aeroba rötkammaren behöver bytas ut.
Hielschers industriella ultraljudsanläggning med inline-flödesmodul för bearbetning av förtjockat WAS
Varför avfallsaktiverat slam är svårt att bryta ned
Avfall från aktiverat slam är det överskott av biologiska fasta ämnen som avlägsnas från en avloppsreningsprocess med aktiverat slam. Det innehåller mikroorganismer, extracellulära polymera ämnen (EPS), upptaget organiskt material och inerta fasta ämnen.
I efterreningsbassängen delas det sedimenterade aktiva slammet upp i två strömmar:
- Återföringsslam (RAS) återförs till luftningsbassängen för att upprätthålla den erforderliga biomassakoncentrationen.
- Avfall från aktivt slam (WAS) avlägsnas från vätskebehandlingsprocessen och skickas vidare för förtjockning, stabilisering, rötning eller avvattning.
WAS innehåller en hög andel mikrobiellt cellmaterial. En stor del av dess biologiskt nedbrytbara organiska innehåll är inneslutet i cellväggar eller bundet inuti kompakta slamflockar. Detta fysiska skydd bromsar den naturliga cellnedbrytningen och hydrolysen.
Vid aerob nedbrytning tillförs syre samtidigt som det finns mycket lite nytt näringsmaterial tillgängligt. Mikroorganismerna övergår till endogen respiration och bryter ned lagrat material, döda celler och andra biologiskt nedbrytbara slamkomponenter. Syftet är att stabilisera slammet, minska risken för lukt och sänka mängden flyktiga fasta ämnen som måste avvattnas och bortskaffas.
Nedbrytningshastigheten begränsas ofta av tillgången till substratet. En rötkammare kan visserligen innehålla aktiva mikroorganismer och ha tillräcklig uppehållstid, men det organiska materialet inuti intakta celler och täta flockar är fortfarande svårt att nå.
Jämförelse mellan obehandlade flockar och ultraljudsbehandlat slam: Ultraljudsbehandlingen minskar flockarna avsevärt.
Studie och bilder: ©Chu m.fl. 2001
Hur ultraljudskavitation öppnar upp WAS för aerob nedbrytning
Hielschers industriella ultraljudsenheter arbetar vid 20 kHz och alstrar kraftfull akustisk kavitation i vätske- och slamströmmar. Kavitationsbubblor bildas, växer och kollapsar i slammet. När de kollapsar uppstår kraftfulla lokala skjuvkrafter som verkar direkt på flockar, EPS och mikrobiella celler.
Ultraljudsbehandlingen ger upphov till tre viktiga förändringar i WAS:
Flockupplösning
Kavitation bryter upp slamaggregat och blottlägger ytor som tidigare var omslutna av extracellulära polymera substanser (EPS). Det behandlade slammet innehåller mindre partiklar och har en större tillgänglig yta.
EPS och celluppbrytning
Ultraljudsassisterad sönderdelning ökar den aeroba biologiska nedbrytbarheten hos aktiverat slam från kommunalt avfall genom att bryta ned sega slamflockar och frigöra inneslutet organiskt material. Ultraljudskavitation bryter ned cellmembran och cellväggar. Proteiner och kolhydrater samt andra intracellulära föreningar övergår till vätskefasen.
Ökad biotillgänglighet
Aeroba mikroorganismer kan bryta ned lösligt och finfördelat organiskt material lättare än intakta mikroorganismer och kompakta flockar. Ultraljudsbehandlingen utför därför en del av lyserings- och hydrolysprocessen mekaniskt redan före det biologiska oxidationssteget.
Ultraljudsbehandling riktar in sig på den tjocka skyddande matrisen i avloppsslammet för att göra den mikrobiella nedbrytningen betydligt snabbare och effektivare. Detta märks oftast som en ökning av den lösliga kemiska syreförbrukningen (SCOD).
Industriell ultraljudsflödesreaktor för förbättrad WAS-nedbrytning
Fördelarna med ultraljudsbehandling i anläggningar för aerob rötning
Resultatet beror på slammet och ultraljudsdosen. När ultraljudsbehandlingen ökar den aeroba biologiska nedbrytbarheten kan ett avloppsreningsverk uppnå följande:
- Ökad nedbrytning av flyktiga fasta ämnen vid den nuvarande rötningstiden
- Likvärdig stabilisering av slam vid kortare uppehållstid
- Minskad produktion av torra restämnen
- Ytterligare effektiv kapacitet från en befintlig aerob rötkammare
- Minskad transport och bortskaffande av slam
- Förbättrad processstabilitet under perioder med hög fastämneshalt
- Bättre kontroll av trådformiga organismer genom flockbildning och cellnedbrytning
Inline-sonikatorer från Hielscher för enkel eftermontering
I full skala är det i allmänhet effektivare att behandla ett koncentrerat slamflöde med ultraljud än hela volymen i den aeroba rötkammaren. Hielschers ultraljudsreaktorer med flödescell stöder två praktiska konfigurationer.
WAS-förbehandling av matningsledningen
Ultraljudssystemet installeras efter WAS-förtjockningen och före den aeroba rötkammaren:
Förtjockad WAS → matningspump → Hielschers ultraljudsflödesceller -> aerob rötkammare
Denna konstruktion hanterar ett definierat massflöde av torrsubstans och utgör en tydlig grund för reglering av den specifika ultraljudsenergiinmatningen.
Flödesschema: Förtjockad WAS → matarpump → Hielschers industriella inline-ultraljudsapparat UIP6000hdT → aerob rötkammare
Återcirkulation i rötkammaren eller sidoströmsbehandling
En kontrollerad del av slammet pumpas från rötkammaren eller slamledningen genom ultraljudsenheten och återförs till processen. Denna konfiguration är lämplig när den befintliga tillförseln är svår att anpassa eller när endast en utvald del av slammet ska behandlas.
Båda lösningarna kan installeras som kompakta moduler med pump, ultraljudsflödescell, avstängningsventiler, servicebypass, tryck- och temperaturmätning, provtagningspunkter och processstyrning. Den befintliga rötkammaren förblir oförändrad.
Detta gör ultraljudsbehandling särskilt lämplig för eftermontering i befintliga avloppsreningsverk. Ultraljudsenheten kan installeras i en pumpledning, drivas självständigt och kopplas förbi vid inspektion eller underhåll.
Förbättra den aeroba slamnedbrytningen med kraftfullt ultraljud!
Hielschers industriella ultraljudsenheter erbjuder en kompakt och skalbar metod för att integrera högpresterande ultraljud i en befintlig WAS-behandlingslinje. Inline-bearbetning i flödesceller koncentrerar ultraljudsenergin till slamströmmen, möjliggör reproducerbar dosering och kan utformas för tillförlitlig, intensiv drift dygnet runt.
Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland
Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.
Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Vanliga frågor och svar
Ger ultraljudsbehandling upphov till mer biogas i en aerob rötkammare?
Nej. Ökad metan- eller biogasutbyte är en fördel vid anaerob nedbrytning. Vid aerob nedbrytning bör ultraljudsbehandlingen utvärderas utifrån nedbrytningen av växtmassa (VS), syreförbrukning, nedbrytningstid, kvarvarande torrsubstans, avvattningsförmåga och totalkostnad.
Var är ultraljudssystemet installerat?
Systemet installeras vanligtvis i processkedjan efter WAS-förtjockningen och före den aeroba rötkammaren. Det kan även drivas i en kontrollerad sidoström eller i en återcirkulationsslinga för rötkammaren. En servicebypass gör det möjligt att fortsätta slamtransporten under underhållsarbeten.
Varför använda en industriell ultraljudsapparat på 20 kHz?
Lågfrekvent, högpresterande ultraljud ger upphov till kraftig kavitation och mekanisk skjuvning. Detta är effektivt för att bryta upp slamflockar, bryta ned EPS och öppna mikrobiella celler i vätske- och fastämnesflöden.
Kan en Hielscher-ultraljudsapparat köras kontinuerligt?
Ja. Hielschers industriella hdT-sonikatorserie är utformad för kontinuerlig drift under tuffa förhållanden och känd för sin hållbarhet. Flödescellsreaktorerna möjliggör kontrollerad inline- eller recirkulationsbearbetning, medan den automatiska dataloggningen underlättar processövervakning och reproducerbarhet.
Vilka uppgifter behövs för att dimensionera ett ultraljudsslamsystem?
De viktigaste ingångsvärdena är WAS-flöde, TS- och VS-koncentration, slamviskositet, mål för specifik energi, önskad reningsgrad, driftstimmar och tillgängligt tryck. Pilotförsök rekommenderas för att fastställa den lämpliga dosen innan dimensionering i full skala genomförs.
Förbättrar ultraljudsbehandling avvattningen av slam?
Resultatet beror på slamets egenskaper och doseringen. En måttlig behandling kan förbättra processen för fastämnen, medan en alltför kraftig sönderdelning kan ge upphov till fina partiklar och lösliga polymerer som försämrar uppsamlingen eller fastämneshalten i kakan. Avvattningsförsök är därför en väsentlig del av processoptimeringen.
Vad säger vetenskapliga studier om ultraljudsbaserad WAS-nedbrytning?
Laboratoriestudier visar att ultraljud kan användas för att förbättra tillgängligheten och den aeroba biologiska nedbrytbarheten hos WAS.
I en studie av kombinerad alkalisk och ultraljudsförbehandling före aerob nedbrytning rapporterades nedbrytningen av organiskt material vid samma nedbrytningstid till 38,0 % för obehandlat slam och 42,5 % för slam som förbehandlats med ultraljud. Den kombinerade alkaliska och ultraljudsförbehandlingen ökade nedbrytningen till 50,7 %. Resultatet visar att ultraljud ensamt kan förbättra den aeroba nedbrytningen, samtidigt som det framgår att den uppnåeliga förbättringen beror på förbehandlingsstrategin och slamets egenskaper. (jfr Jin et al., 2009)
En annan studie av kommunalt avloppsslam visade på ökad slamlöslighet och aerob biologisk nedbrytbarhet efter ultraljudsstödd bakteriell nedbrytning. Det förbehandlade slammet uppvisade en högre biologisk nedbrytnings- eller sönderdelningshastighet än det obehandlade kontrollslammet. (jfr. Kavitha m.fl. 2016)
Kan ultraljudsbehandling stödja andra slambehandlingsprocesser?
Ja. Ultraljudsbehandling underlättar flera slambehandlingsprocesser genom att bryta upp flocker, EPS och mikrobiella celler:
Anaerob nedbrytning/Biogasproduktion: påskyndar hydrolysen, ökar halten av lösligt kemiskt syreförbrukningsvärde (COD) och kan förbättra nedbrytningen av organiskt material samt metanavkastningen.
Återvinning av fosfor: frisätter cellbundet och organiskt fosfor till vätskefasen, vilket förbättrar tillgängligheten för efterföljande utfällning av struvit eller vivianit; ultraljud kan också förstärka urlakningen av fosfor från 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 labb till industriell storlek.