Ultraljud fosforåtervinning från avloppsslam
- Den globala efterfrågan på fosfor ökar, samtidigt som tillgången på naturliga fosforresurser blir allt knappare.
- Avloppsslam och aska från avloppsslam är rika på fosfor och kan därför användas som källa för att återvinna fosfor.
- Den ultraljudsvåtkemiska bearbetningen och utfällningen förbättrar återvinningen av fosfat från avloppsslam samt från askan från förbränt slam och gör återvinningen betydligt mer ekonomisk.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) är en icke-förnybar resurs som används i stor utsträckning inom jordbruket som gödningsmedel och i många industrier där fosfor är en värdefull tillsats (t.ex. färger, tvättmedel, flamskyddsmedel, djurfoder). Avloppsslam, förbränd aska från avloppsslam (ISSA), gödsel och mejeriprodukter är rika på fosfor, vilket gör dem till en källa till fosforåtervinning när det gäller den ändliga resursen fosfor samt miljöhänsyn.
Återvinningsgraden för fosfor från flytande avloppsvatten kan uppgå till 40 till 50 %, medan återvinningsgraden från avloppsslam och aska från avloppsslam kan uppgå till 90 %. Fosfor kan fällas ut i många former, en av dem är struvit (värderad som ett högkvalitativt gödselmedel med långsam frisättning). För att det ska vara ekonomiskt att återvinna fosfor måste återvinningsprocessen förbättras. Ultraljud är en processintensifierande metod som påskyndar processen och ökar utbytet av återvunna mineraler.
Återvinning av fosfor med ultraljud
Under ultraljudsbehandling kan värdefulla material som struvit (magnesiumammoniumfosfat (MAP)), kalciumfosfat, hydroxiapatit (HAP) / kalciumhydroxiapatit, oktakalciumfosfat, trikalciumfosfat och dikalciumfosfatdihydrat återvinnas från avfallsströmmar. Ultraljudsbehandlingen förbättrar den våtkemiska extraktionen samt fällning och kristallisering (sono-kristallisation) av värdefulla material från avloppsslam och från askan från förbränt slam.
Även om innehållet av fosfor (8-10 %), järn (10-15 %) och aluminium (5-10 %) i aska av monoförbränt avloppsslam är ganska högt, innehåller det också giftiga tungmetaller som bly, kadmium, koppar och zink.
Phopshorus återhämtning – En process i två steg
- Extraktion av syra
Det första steget i fosforåtervinningen är extraktion eller urlakning av fosfor från avloppsslam eller förbränd avloppsslamaska (ISSA) med hjälp av en syra som svavelsyra eller saltsyra. Ultraljudsblandning främjar den våtkemiska urlakningen genom att öka massöverföringen mellan syran och ISSA så att en fullständig urlakning av fosfor uppnås snabbt. Ett förbehandlingssteg med etylendiamintetraättiksyra (EDTA) kan användas för att förbättra extraktionsförfarandet.
- Utfällning av fosfor
Ultraljudskristallisering förbättrar utfällningen av fosfater avsevärt genom att öka såpunkterna och påskynda adsorptionen och aggregeringen av molekyler för att bilda en kristall. Ultraljudsutfällning av fosfor från avloppsslam och ISSA kan uppnås t.ex. genom att använda magnesiumhydroxid och ammoniumhydroxid. Den resulterande fällningen är struvit, en förening som består av magnesium, ammonium, fosfor och syre.
Sonokristallisation av Struvit
Ultraljudsdispersion främjar massöverföringen mellan faserna och initierar kärnbildningen och kristalltillväxten för fosfater (t.ex. struvit / MAP).
Ultraljudsutfällning och kristallisering av struvit gör det möjligt att behandla stora volymer i industriell skala. Frågan om bearbetning av en stor avloppsslamström kan lösas genom en kontinuerlig ultraljudsprocess, som påskyndar kristallisationen av struvit och förbättrar kristallstorleken och producerar mindre, mer enhetliga fosfatpartiklar. Storleksfördelningen av utfällda partiklar bestäms kärnbildningshastigheten och den efterföljande kristalltillväxthastigheten. Accelererad kärnbildning och hämmad tillväxt är de viktigaste faktorerna för utfällning av kristallina fosfatpartiklar, dvs. struvit, i en vattenlösning. Ultraljud är en processintensifierande metod som förbättrar blandningen för att få en homogen fördelning av reaktiva joner.
Ultraljudsutfällning är känd för att ge smalare partikelstorleksfördelning, mindre kristallstorlek, kontrollerbar morfologi och samt snabb kärnbildningshastighet.
Struvitkristaller som fälls ut från svinspillning (källa: Kim et al. 2017)
Goda nederbördsresultat kan uppnås till exempel med PO3-4 :NH+4 :Mg2+ i förhållandet 1 : 3 : 4. pH-intervallet 8 till 10 leder till maximal fosfatfosforbildning
Ultraljud är en mycket effektiv process intensifiera teknik för att främja utfällning av värdefulla material såsom kalciumfosfat, magnesiumammoniumfosfat (MAP) och hydroxiapatit (HAP), kalciumhydroxiapatit, oktakalciumfosfat, trikalciumfosfat och dikalciumfosfatdihydrat från avloppsvatten. Avloppsslam, gödsel och mejeriutsläpp är kända som näringsrikt avloppsvatten, som är lämpligt för produktion av värdefulla material via ultraljudsassisterad fällning.
Bildning av struvitkristaller:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ultraljudsprocessorer med hög effekt från labb till pilot och industriell skala.
Industriell ultraljudsutrustning för urlakning och nederbörd
Högpresterande ultraljudssystem och reaktorer krävs för att behandla förbränd avloppsslamaska (ISSA) och avloppsslam i industriell skala. Hielscher Ultrasonics är specialiserat på design och tillverkning av ultraljudsutrustning med hög effekt – Från labb och bänkskivor till helt industriella enheter. Hielscher ultraljudsapparater är robusta och byggda för 24/7 drift under full belastning i krävande miljöer. Tillbehör som flödescellsreaktorer med olika geometrier, sonotroder (ultraljudssonder) och boosterhorn möjliggör optimal anpassning av ultraljudssystemet till processkraven. För att bearbeta stora volymströmmar erbjuder Hielscher 4 kW, 10 kW och 16 kW ultraljudsenheter, som enkelt kan kombineras parallellt med ultraljudskluster.
Hielschers sofistikerade ultraljudsapparater har en digital pekskärm för enkel drift och exakt kontroll av processparametrarna.
Användarvänlighet och en enkel, säker drift är viktiga egenskaper hos Hielscher ultraljudsapparater. Fjärrkontrollen gör det möjligt att styra och kontrollera ultraljudssystemet via PC, smartphone eller surfplatta.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur/Referenser
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Effekten av ultraljud på kristallisations-utfällningsprocesser: Några exempel och en ny segregationsmodell. Karakterisering av partiklar och partikelsystem, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraktion av näringsämnen från mejeriavloppsvatten i form av MAP (magnesiumammoniumfosfat) och HAP (hydroxiapatit). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, nr 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Effekter av pH, molförhållanden och förbehandling på fosforåtervinning genom struvitkristallisation från utflöde av anaerobt rötat svinavloppsvatten. Forskning i miljöteknik 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produktion av kristallgödsel med långsam frisättning från avloppsvatten genom struvitkristallisation. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Fakta som är värda att veta
Hur fungerar ultraljudsnederbörd?
Ultraljud påverkar kärnbildning och kristalltillväxt, en process som kallas Sonokristallisation.
För det första gör tillämpningen av ultraljud det möjligt att påverka kärnbildningshastigheten, där det bildas fasta kristaller från en flytande lösning. Ultraljud med hög effekt skapar kavitation, vilket är tillväxt och implosion av vakuumbubblor i ett flytande medium. Implosionen av vakuumbubblorna introducerar energi i systemet och minskar det kritiska överskottet av fri energi. Därmed initieras såpunkter och kärnbildning i hög takt och vid tidigaste tidpunkt. Vid gränsytan mellan kavitationsbubblan och lösningen löses hälften av en löst molekyl av lösningsmedlet, medan den andra halvan av molekylytan täcks av kavitationsbubblan, så att solvetationshastigheten minskar. Återupplösningen av den lösta molekylen förhindras, medan koaguleringen av molekyler i lösningen ökar.
För det andra, ultraljudsbehandling främjar kristalltillväxten. Ultraljudsblandning främjar tillväxten av kristaller genom att öka massöverföringen och aggregeringen av molekyler.
De resultat som uppnås genom ultraljudsbehandling kan styras av ultraljudsbehandling:
Kontinuerlig ultraljudsbehandling:
Kontinuerlig ultraljudsbehandling av lösningen producerar många kärnbildningsställen, så att ett stort antal små kristaller skapas
Pulserande ultraljudsbehandling:
Tillämpningen av pulserande / cyklad ultraljudsbehandling möjliggör exakt kontroll över kristallstorleken
Ultraljudsbehandling för att initiera kärnbildning:
När ultraljud appliceras endast under början av kristallisationsprocessen bildas ett ändligt antal kärnor, som sedan växer till en större storlek.
Med hjälp av ultraljud under kristallisation kan tillväxthastigheten, storleken och formen på kristallstrukturerna påverkas och kontrolleras. De olika alternativen för ultraljudsbehandling gör sono-kristallisationsprocesser exakt kontrollerbara och repeterbara.
ultraljud kavitation
När högintensivt ultraljud passerar ett flytande medium växlar högtrycksvågor (kompression) och lågtrycksvågor (sällsynthet) genom vätskan. När undertrycket som orsakas av en ultraljudsvåg som korsar en vätska är tillräckligt stort, överstiger avståndet mellan vätskans molekyler det minsta molekylära avståndet som krävs för att hålla vätskan intakt, och sedan bryts vätskan ner så att vakuumbubblor eller tomrum skapas. Dessa vakuumbubblor är också kända som Kavitation Bubblor.
Kavitationsbubblor som används för ultraljudstillämpningar som blandning, Spridning, fräsning, Extraktion etc. inträffar under ultraljudsintensiteter högre än 10 Wcm2. Kavitationsbubblorna växer över flera akustiska lågtrycks- / högtryckscykler tills de når en dimension där de inte kan absorbera mer energi. När en kavitationsbubbla har nått sin maximala storlek imploderar den våldsamt under en kompressionscykel. De våldsamma kollapserna av en transient kavitationsbubbla skapar extrema förhållanden såsom mycket höga temperaturer och tryck, mycket höga tryck- och temperaturskillnader och vätskestrålar. Dessa krafter är källan till kemiska och mekaniska effekter som används i ultraljudsapplikationer. Varje kollapsande bubbla kan betraktas som en mikroreaktor i vilken temperaturer på flera tusen grader och tryck högre än tusen atmosfärer skapas ögonblickligen [Suslick et al 1986].
Ultraljudsextraktion är baserad på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter
fosfor
Fosfor är en viktig, icke-regenererbar resurs och experter förutspår redan att världen kommer att drabbas “Fosfor topp”, det vill säga den tidpunkt från vilken utbudet inte längre kan möta den ökade efterfrågan, om cirka 20 år. EU-kommissionen har redan klassificerat fosfor som en kritisk råvara.
Avloppsslam används ofta som gödningsmedel som sprids på åkrarna. Men eftersom avloppsslam inte bara innehåller värdefullt fosfat utan även skadliga tungmetaller och organiska föroreningar, begränsar många länder, som Tyskland, genom lagstiftning hur mycket avloppsslam som kan användas som gödningsmedel. Många länder, till exempel Tyskland, har stränga regler för gödningsmedel, som strikt begränsar kontaminering med tungmetaller. Eftersom fosfor är en ändlig resurs kräver den tyska förordningen om avloppsslam från 2017 att reningsverksoperatörer ska återvinna fosfater.
Fosfor kan återvinnas från avloppsvatten, avloppsslam samt från askan från förbränt avloppsslam.
fosfat
Ett fosfat, en oorganisk kemikalie, är ett salt av fosforsyra. Oorganiska fosfater bryts för att utvinna fosfor för användning inom jordbruk och industri. Inom organisk kemi är ett fosfat, eller organofosfat, en ester av fosforsyra.
Blanda inte ihop namnet fosfor med grundämnet fosfor (kemisk beteckning P). Det är två olika saker. Fosfor är en multivalent icke-metall i kvävegruppen och finns vanligtvis i oorganiska fosfatstenar.
Organiska fosfater är viktiga inom biokemi och biogeokemi.
Fosfat är namnet på jonen PO43-. Fosforsyra, å andra sidan, är namnet på den triprotiska syran H3PO3. Detta är en kombination av 3 H+ joner och en fosfit (PO33-) ion.
Fosfor är det kemiska grundämnet som har symbolen P och atomnummer 15. Fosforföreningar används också i stor utsträckning i sprängämnen, nervgaser, friktionständstickor, fyrverkerier, bekämpningsmedel, tandkräm och rengöringsmedel.
Stuvite
Struvit, även kallad magnesiumammoniumfosfat (MAP), är ett fosfatmineral med den kemiska formeln NH4MgPO (på engelska)4·6H2O. Struvit kristalliserar i det ortorombiska systemet som vita till gulaktiga eller brunvita pyramidala kristaller eller i platletliknande former. Eftersom struvit är ett mjukt mineral har det en Mohs-hårdhet på 1,5 till 2 och en låg specifik vikt på 1,7. Under neutrala och alkaliska förhållanden är struvit knappast löslig, men kan lätt lösas upp i syra. Struvitkristaller bildas när det finns ett förhållande mellan mol och mol (1:1:1) av magnesium, ammoniak och fosfat i avloppsvattnet. Alla tre elementen – magnesium, ammoniak och fosfat – förekommer normalt i avloppsvatten: magnesium som huvudsakligen kommer från mark, havsvatten och dricksvatten, ammoniak bryts ner från urea i avloppsvatten och fosfat som kommer från livsmedel, tvål och rengöringsmedel till avloppsvattnet. Med dessa tre element närvarande är det mer sannolikt att struvit bildas vid högre pH-värden, högre konduktivitet, lägre temperaturer och högre koncentrationer av magnesium, ammoniak och fosfat. Återvinning av fosfor från avloppsvatten i form av struvit och återvinning av dessa näringsämnen som gödningsmedel för jordbruket är lovande.
Struvit är ett värdefullt mineralgödselmedel med långsam frisättning som används inom jordbruket och som har fördelen att det är granulat, lätt att använda och luktfritt.