Ultraljud fosfor återhämtning från avloppsslam
- Den globala efterfrågan på fosfor ökar, medan utbudet av naturliga fosfor resurser blir knappa.
- Avloppsslam och slam aska är rika på fosfor och kan därför användas som källa för att återvinna fosfor.
- Ultraljud våt-kemisk bearbetning och nederbörd förbättrar återvinningen av fosfat från avloppsslam samt från aska av förbränt slam och gör återhämtningen betydligt mer ekonomiskt.
Fosfor
Fosfor (Phosphor, P) är en icke-förnybar resurs, som är starkt används inom jordbruket som gödningsmedel samt i många branscher, där fosfor är en värdefull tillsats (t. ex. färger, tvättmedel, flamskydd, djurfoder). Avloppsslam, förbränning av avloppsvatten aska (ISSA), gödsel och mejeriprodukter är rika på fosfor, vilket gör dem till en källa för fosfor återvinning i fråga om den ändliga resurs av fosfor samt miljöhänsyn.
Fosfor återvinningsgraden från de flytande avloppsvattenströmmar kan nå 40 till 50%, medan återvinningsgraden från avloppsslam och avloppsslam aska kan nå upp till 90%. Fosfor kan fällas ut i många former, en av dem är struvit (värderas som en hög kvalitet, långsam frisättning gödselmedel). För att göra regenerering av fosfor ekonomiskt, måste återhämtningsprocessen förbättras. Ultraljud är en process intensifiering metod som påskyndar processen och ökar avkastningen av återvunna mineraler.
Ultraljud fosfor återhämtning
Under ultraljudsbehandling, värdefulla material såsom struvit (magnesium ammoniumfosfat (MAP)), kalciumfosfat, hydroxyapatit (HAP)/kalciumhydroxiapatit, octacalcium fosfat, trikalciumfosfat och dikalciumfosfatdihydrat kan återvinnas från avfallsströmmar. Ultraljuds behandling förbättrar våtkemisk utvinning samt nederbörd och kristallisation (Sono-kristallisation) av värdefulla material från avloppsslam och från aska av förbränt slam.
Medan halten av fosfor (8-10%), järn (10-15%) och aluminium (5-10%) i aska av enförbränt avloppsslam är ganska hög, det innehåller också giftiga tungmetaller som bly, kadmium, koppar och zink.
Phopshorus återhämtning – En två stegs process
-
- utvinning av syra
Det första steget i fosfor återvinningen är utvinning eller läckage av fosfor från avloppsslam eller förbränning av avloppsslam (ISSA) med hjälp av en syra som svavelsyra eller saltsyra. Ultraljud blandning främjar våt-kemiska urlakning genom att öka Massöverföringen mellan syran och ISSA så att en fullständig läckage av fosfor uppnås snabbt. Ett steg före behandling med etylendiamintetraacetatiska syra (EDTA) kan användas för att förbättra extraktionsproceduren.
-
- Utfällning av fosfor
Ultraljud kristallisation förbättrar utfällning av fosfater avsevärt genom att öka sådd punkter och påskynda adsorption och aggregering av molekyler för att bilda en kristall. Ultraljud utfällning av fosfor från avloppsvatten sluge och ISSA kan uppnås t. ex., genom att använda magnesiumhydroxid och ammoniumhydroxid. Den resulterande fällat är struvite, en förening som består av magnesium, ammonium, fosfor och syre.
Sonocrystallization av Struvite
Ultraljud dispergering främjar massöverföring mellan faser och initierar kärnbildning och kristall tillväxt för fosfater (t. ex., struvit/Map).
Ultraljud Inline nederbörd och kristallisation av struvit möjliggör behandling av stora volymer strams på industriell skala. Frågan om bearbetning av en stor avloppsslam ström kan lösas genom en kontinuerlig ultraljud process, som påskyndar kristallisation av struvit och förbättrar kristall storlek producerar mindre, mer enhetliga fosfat partiklar. Storleksfördelningen av utfälld partiklar bestäms av kärnkrafts hastigheten och den efterföljande kristall ökningstakten. Accelererad kärnbildning och hämmad tillväxt är de viktigaste faktorerna för utfällning av kristallint fosfat partiklar, dvs struvite, i en vattenlösning. Ultraljud är en process intensifiering metod som förbättrar blandningen för att få en homogen fördelning av reaktiva joner.
Ultraljud nederbörd är kända för att ge smalare partikelstorleksfördelning, mindre kristall storlek, kontrollerbar morfologi och samt snabb nukleation hastighet.
Struvitekristaller fällda från svinutflöde (källa: Kim et al. 2017)
Bra nederbörd resultat kan uppnås till exempel med PO3-4 : NH+4 : Mg2 eller högre med ett förhållande på 1:3: 4. PH-intervallet på 8 till 10 leder till maximal fosfat-P-frisättning
Ultraljud är en mycket effektiv process intensifiering teknik för att främja utfällning av värdefulla material såsom kalciumfosfat, magnesium ammoniumfosfat (MAP) och hydroxyapatit (HAP), kalciumhydroxiapatit, octacalcium fosfat, trikalciumfosfat och dikalciumfosfatdihydrat från avloppsvatten. Avloppsslam, gödsel och mejeriprodukter är kända som näringsrikt avloppsvatten, som lämpar sig för produktion av värdefulla material via ultraljud assisterad nederbörd.
Struvite kristall bildas:
Mg2 eller högre + NH+4 + HPO2-4 + H2den –> MgNH (4Po4 ∙ 6H2O + H+
Hög effekt ultraljud processorer från Lab till pilot och industriell skala.
Industriell ultraljud utrustning för urlakning och nederbörd
Högpresterande ultraljud system och reaktorer krävs för att behandla förbränns slam aska (ISSA) och avloppsslam i industriell skala. Hielscher Ultrasonics är specialiserade på design och tillverkning av hög effekt ultraljud utrustning – från Lab och bänk till fullt industriella enheter. Hielscher ultrasonicators är robusta och byggda för 24/7 drift under full belastning i krävande miljöer. Tillbehör såsom flöde cell reaktorer med olika geometrier, sonotrodes (ultraljud sonder) och booster horn möjliggör optimal anpassning av ultraljud systemet till processen krav. För att bearbeta stora volym strömmar, erbjuder Hielscher 4kW, 10kW och 16kW ultraljud enheter, som lätt kan kombineras parallellt med ultraljud kluster.
Hielschers sofistikerade ultrasonicators har en Digital Touch-skärm för enkel manövrering och exakt kontroll av processparametrarna.
Användarvänlighet och en enkel, säker drift är viktiga funktioner i Hielscher ultrasonicators. Fjärrkontrollen webbläsare kontroll tillåter drift och kontroll av ultraljud systemet via PC, smart telefon eller surfplatta.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:
| batch Volym | Flödeshastighet | Rekommenderade Devices |
|---|---|---|
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 till 100 liter | 2 till 10 1 / 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 kristallisation-nederbörd processer: några exempel och en ny segregering modell. Karakterisering av partikel-och partikel system, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s. 18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): extraktion av näringsämnen från mejeri avloppsvatten i form av karta (magnesium ammonium fosfat) och HAP (hydroxyapatit). Rasayan tidning kemi Vol. 9, nr 2; 2016.215-221.
- Kim, D.; Jin min, K.; Lee, K.; Yu, M. S:; Park, K.Y. (2017): Effekter av pH, molar nyckeltal och förbehandling på fosfor återhämtning genom struvit kristallisation från utflöde av anaerobt smält svin avloppsvatten. Miljöteknik forskning 22 (1), 2017. 12-18.
- Rahman, m., Salleh, m., Ahsan, A., Hossain, m., ra, C. (2014): produktion av långsam frisättning kristall gödsel från avloppsvatten genom struvit kristallisation. Arabiska. J. Chem. 7, 139 – 155.
Fakta Värt att veta
Hur fungerar ultraljud nederbörd?
Ultraljud påverkar kärnbildning och kristall tillväxt, en process som kallas sonocrystallization.
För det första, tillämpningen av ultraljud gör det möjligt att påverka kärnbildning hastighet, där det solida kristaller bildas från en flytande lösning. Hög effekt ultrasond skapar kavitation, vilket är tillväxt och implosion av vakuum bubblor i ett flytande medium. Implosionen av vakuum bubblor introducerar energi i systemet och minskar den kritiska överskott fri energi. Därmed initieras seedning Poäng och nukleation på en hög hastighet och på den tidigaste tiden. Vid gränssnittet mellan kavitation bubbla och lösningen, är hälften av en solute molekyl solvatiserade av lösningsmedlet, medan den andra halvan av molekylen ytan täcks av kavitation bubblan, så att solvatbildningsreaktioner hastigheten minskas. Återupplösningen av solute molekylen förhindras, medan koagulering av molekyler i lösningen ökas.
För det andra, sonikering främjar den kristall tillväxt. Ultraljud blandning främjar tillväxten av kristaller genom att incresing massöverföring och aggregering av molekyler.
De resultat som uppnås genom ultraljudsbehandling kan styras av ultraljudsbehandling läge:
Kontinuerlig ultraljudsbehandling:
Kontinuerlig Ultraljuds behandling av lösningen producerar många nukleation platser, så att ett stort antal små kristaller skapas
Pulsad ultraljudsbehandling:
Tillämpningen av pulsad/cyklade ultraljudsbehandling möjliggör exakt kontroll över kristall storlek
Ultraljudsbehandling att initiera nukleation:
När ultraljud appliceras endast under början av kristalliserings processen, ett ändligt antal kärnor bildas, som sedan odlas till en större storlek.
Använda ultraljud under kristallisation, tillväxttakt, storlek, och form av kristallstrukturer kan påverkas och kontrolleras. De olika alternativen för ultraljudsbehandling gör Sono-kristalliserings processer exakt kontrollerbara och repeterbara.
ultraljud kavitation
När hög intensitet ultraljud korsa ett flytande medium, högtryck (kompression) och lågtrycks (rarefaction) vågor växlar genom vätskan. När det negativa trycket som orsakas för ett ultraljud våg korsar en vätska är tillräckligt stor, avståndet mellan molekylerna av vätskan överskrider den minsta molekyl avstånd som krävs för att hålla vätskan intakt, och sedan vätskan bryts ner så att vakuum bubblor eller håligheter skapas. Dessa vakuum bubblor är också känd som kavitation Bubblor.
Kavitation bubblor som används för makt ultraljud applikationer såsom blandning, spridning, fräsning, Extraktion etc. uppträder under ultraljud intensiteter högre än 10 WCM2. Kavitationsbubblorna växer över flera akustiska lågtrycks-/högtrycks cykler tills de når en dimension där de inte kan absorbera mer energi. När en kavitation bubbla har nått sin maximala storlek, imploderar det våldsamt under en kompressions cykel. De våldsamma kolla av en övergående kavitation bubbla skapar extrema förhållanden såsom mycket höga temperaturer och tryck, mycket högt tryck och temperatur differentialer och flytande jets. Dessa styrkor är källan för kemiska och mekaniska effekter som används i ultraljud applikationer. Varje kollapsande bubbla kan betraktas som en mikroreaktor där temperaturer på flera tusen grader och tryck högre än 1000 atmosfärer skapas omedelbart [Suslick et al 1986].
Ultraljud extraktion är baserad på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvning krafter
Fosfor
Fosfor är en viktig, icke-regenererbar resurs och experter förutspår redan att världen kommer att drabba “fosfor topp”, det vill säga den tid från vilken utbudet inte längre kan möta den ökade efterfrågan, ca 20 år. Europeiska kommissionen har redan klassificerat fosfor som en kritisk råvara.
Avloppsslam används ofta som gödselspridning på fälten. Men eftersom avloppsslam inte bara innehåller värdefullt fosfat utan även skadliga tungmetaller och organiska föroreningar, så begränsar många länder som Tyskland genom lagstiftning hur mycket avloppsslam som kan användas som gödningsmedel. Många länder som Tyskland har stränga gödningsmedel förordningar, som begränsar kontaminering med tungmetaller strikt. Eftersom fosfor är en ändlig resurs, den tyska avloppsslam förordning från 2017 kräver reningsverket operatörer att återvinna fosfater.
Fosfor kan återvinnas från avloppsvatten, avloppsslam, samt från aska av förbrända avloppsslam.
Fosfat
En fosfat, en oorganisk kemisk, är ett salt av fosforsyra. Oorganiska fosfater bryts för att erhålla fosfor för användning inom jordbruk och industri. I organisk kemi, en fosfat, eller Organofosfat, är en ester av fosforsyra.
Förväxla inte namnet fosfor med elementet fosfor (kemisk symbol P). De är två olika saker. En multivalenta nonmetal av kväve gruppen, fosfor är vanligt förekommande i oorganiska fosfat stenar.
Organiska fosfater är viktiga i biokemi och biogeokemi.
Fosfat är namnet på Jon PO43-. Fosforsyra, å andra sidan, är namnet på triprotic Acid H3PO3. Detta är en kombination av 3 H+ joner och en fosfit (PO33-Jon.
Fosfor är det kemiska elementet som har symbolen P och atomnummer 15. Fosforföreningar används också ofta i sprängämnen, nerv agenter, friktions tändstickor, fyrverkerier, bekämpningsmedel, tandkräm och rengöringsmedel.
Struvit
Struvite, även kallad magnesium ammoniumfosfat (MAP), är ett fosfat mineral med den kemiska formeln NH4MgPO4· 6H2O. Struvite kristalliserar i det orthorhombic systemet som vit till gulaktig eller brun-vit pyramidal kristaller eller i platlet-liknande former. Att vara en mjuk mineral, struvite har en Mohs hårdhet på 1,5 till 2 och en låg specifik gravitation på 1,7. Under neutrala och alkaliska förhållanden struvit är knappast lösligt, men kan lätt lösas upp i syra. Struvite kristaller bildas när det finns en mullvad till mullvad till mullvad förhållande (1:1:1) av magnesium, ammoniak och fosfat i avloppsvatten. Alla tre elementen – magnesium, ammoniak och fosfat – normalt förekommer i avloppsvatten: magnesium kommer huvudsakligen från jord, havsvatten och dricksvatten, ammoniak bryts ned från urea i avloppsvattnet, och fosfat som kommer från mat, tvål och rengöringsmedel i avloppsvattnet. Med dessa tre element närvarande, struvit är mer benägna att bildas vid högre pH-värden, högre ledningsförmåga, lägre temperaturer, och högre koncentrationer av magnesium, ammoniak och fosfat. Återvinning av fosfor från avloppsvattenströmmar som struvit och återvinning dessa näringsämnen som gödningsmedel för jordbruket är lovande.
Struvite är en värdefull långsam frisättning mineralgödsel som används inom jordbruket, som har fördelarna med att vara granulat, lätt att använda, och luktfri.