Olika lösningar för återvinning av fosfor ur kommunalt avloppsslam

Fosfor är en kritisk mineralråvara vars naturliga tillgång snabbt minskar. Därför har den tyska regeringen genom förordning föreskrivit att fosfor från och med 2029 i stor utsträckning måste återvinnas ur avloppsslam. Användningen av högeffektsultraljud öppnar olika möjligheter att intensifiera återvinningen av fosfor ur kommunalt avloppsslam.

Anläggningar för behandling av avloppsslam och återvinning av fosfor

Fosfor är ett kritiskt grundämne som används i stor utsträckning som gödselmedel och råvara inom finkemi- och läkemedelsindustrin. Eftersom de tillgängliga fosforresurserna snabbt minskar har den tyska regeringen infört en lag som kräver att alla kommunala avloppsreningsverk vidtar åtgärder för att återvinna fosfor ur det kommunala avloppsslammet. Användningen av högpresterande ultraljud erbjuder olika behandlingsalternativ som avsevärt ökar effektiviteten i fosforåtervinningen.

Avloppsreningsverk använder ultraljud för förbättrad slamrötning och återvinning av näringsämnen som fosfor.

Disintegrering av avloppsslam med ultraljud för förbättrad fosforåtervinning

Det har tydligt visats att bestrålning av avloppsslam med kraftiga ultraljudsvågor förbättrar sönderdelningen av biomassan i avloppsslammet. Många forskningsstudier har visat fördelarna med ultraljudsbehandling av överskottsaktivslam, och olika industriella ultraljudssystem är i drift vid kommunala avloppsreningsverk i Tyskland.
Ultraljudsförbehandling av substrat i avloppsslam har flera gynnsamma effekter på anaeroba rötningsprocesser. Dessa fördelar omfattar minskad partikelstorlek, ökad hydrolyshastighet och förkortad hydraulisk uppehållstid.
Skjuvkrafter från kavitation som genereras av högintensiva / lågfrekventa ultraljudsvågor bryter ned slamflockarnas morfologi och slammets mikrobiella struktur.
Nguyens forskargrupp visade i sina studier ”att användning av ultraljud är mycket effektiv för att minska biomassans partikelstorlek, med en minskning till en genomsnittlig partikelstorlek på >78,78% i proportion till ultraljudsbestrålningens varaktighet och intensitet. Detta visade att slampartiklarna sönderdelades och att deras storlek minskade, baserat på ett omvänt samband mellan ultraljudsbehandlingstiden och flockarnas partikelstorlek. Behandlingen var mycket effektiv, trots att observationer av slamflockarna före behandlingen visade att de var täta och mycket kompakta och bland annat bestod av många delområden med kompakta kärnor, cellkluster, bakteriekolonier, protozoer och trådformiga bakterier. Analys av utflödet visar att ultraljudsprocessen avsevärt bröt ned den strukturella integriteten hos slamflockar av alla storlekar. Flockfragmenten reducerades till så små storlekar som ≤6,5 μm under optimala behandlingsförhållanden och löstes upp i slamsuspensionen efter 5–10 min ultraljudsbehandling med en låg ultraljudsfrekvens på 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Effektivt sönderdelat avloppsslam, dvs. ultraljudsbehandlat slam, uppvisar avsevärt förbättrade separationsegenskaper som gör det möjligt att avskilja fosforrika fraktioner från biomassa och gelliknande fraktioner samt vatten. Ultraljudskavitation bryter sönder cellstrukturer i avloppsslammets biomassa och underlättar den efterföljande fraktioneringen i tre fraktioner: (i) cellulosarika fibrer, (ii) en näringsrik gel och (iii) en lättfermenterbar vätska. Dessa tre slamfraktioner kan bearbetas vidare, t.ex. för fosforåtervinning, avlägsnande av tungmetaller osv.

Ultraljudsintensifierad våtkemisk utfällning av fosfor

Ultraljudsbehandling är en välkänd teknik som sedan länge används inom kemin för framgångsrik och effektiv utfällning av mineraler, partiklar och kristaller. Vid återvinning av fosfor från avloppsslam används ultraljudsbehandling för att främja och påskynda utfällningen av struvit. Struvit (magnesiumammoniumfosfat) är ett fosfatmineral med formeln NH₄MgPO₄·6H₂ O, som erbjuder en enkel lösning för att avlägsna fosfor i bunden form från avloppsslam.
Under kristalliseringen / utfällningen av struvit avlägsnas jonerna PO₄^3-, NH₄⁺ och Mg²⁺ från vätskefasen genom utfällning av struvit tills reaktionen når jämvikt.

Struvitkristaller utfällda ur avloppsvatten från svinhållning.
(bild och studie: ©Kim et al. 2017)

När ultraljudsbehandling används som förbehandling av slam före utfällningen av struvit ger den ultraljudsinducerade kavitationen en grundlig blandning på molekylär nivå och tillhandahåller aktiv yta för kristalltillväxt. En ökad solubiliseringshastighet för extracellulära och intracellulära ämnen gynnar dessutom struvitutfällningen genom att öka biotillgängligheten för NH₄⁺ och PO₄^3- joner. Ultraljudsbehandlingen underlättar masstransporten genom slamsuspensionen till följd av ultraljudskavitation.
Ultraljudsbehandling kan även tillämpas på processvätska från hydrotermisk karbonisering, där fosfor återvinns som struvit ur processvätskan genom ultraljudsassisterad extraktion och utfällning.
Läs mer om storskalig struvitutfällning för fosforåtervinning ur avloppsslam!

Sono-Fenton för frigörande av fosfor ur avloppsslam

Studien av Gong et al. (2015) visade effektiviteten hos en kombinerad ultraljuds–Fenton-förbehandling (även kallad sono-Fenton) för sönderdelning av avloppsslam. Ultraljuds–Fenton-behandlingen ökade frisättningen av kol, kväve och fosfor avsevärt. Sono-Fenton-behandlingen ökade det totala kvävet (N) och fosforn (P) med en faktor på 1,7 respektive 2,2 jämfört med enbart Fenton-behandling. Efter sono-Fenton-behandlingen uppvisade slammet en avsevärt finare partikelstorlek och en luckrare mikrostruktur enligt svepelektronmikroskopi. Vid mätning med elektronspinnresonans ökade den högsta OH•-signalintensiteten från 568,7 vid Fenton-behandling till 1106,3 efter sono-Fenton-behandling. Detta visade att sono-Fenton-behandlingen orsakar sönderdelning av slammet och avsevärt förbättrar frisättningen av organiskt kol, kväve och fosfor.

Ultraljudsintensifierade mikrobiella bränsleceller

Ultraljudsförbehandling av avloppsslam främjar upplösningen av olika organiska föreningar ur slammatrisen, vilket i sin tur påskyndar den mikrobiella elektrovätgasbildningen.
More och Ghangrekar (2010) tillskriver ultraljudsförbehandlingens gynnsamma effekter på mikrobiella bränsleceller ökad enzymaktivitet och tillgången till extracellulära proteiner, polysackarider och enzymer, som frigörs från slamflockarnas inre skikt till de yttre skikten genom ultraljudsinducerad sonoporation och cellsönderdelning, vilket leder till ett effektivare substratutnyttjande. För att förbättra utvinningen av elektricitet ur de mikrobiella bränslecellerna behöver bakteriernas förmåga att överföra elektroner till ett extracellulärt fast ämne förbättras. Denna extracellulära elektronöverföring kan ske antingen genom direkt kontakt mellan cellytan och den fasta ytan eller indirekt via så kallade exogena och endogena mediatorer. För direkt elektronöverföring mellan bakterier och elektrodytan bör elektronen nå cellens yttre membran. Detta fenomen kan ha uppstått till följd av ultraljudsförbehandlingen av inokulatet när den specifika tillförda energin var tillräcklig, vilket därmed gynnade en högre coulombisk verkningsgrad.
En ultraljudsintensifierad mikrobiell elektrolysprocess skulle kunna kombineras med efterföljande fermenteringsprocesser för slambehandling.

Sonoelektrokemisk behandling av avloppsslam

Elektrokoagulering är en enkel process som lätt kan tillämpas på avloppsvatten och möjliggör effektiv och kostnadseffektiv behandling av stora volymer. Ultraljudsbehandling bidrar till att övervinna den främsta nackdelen med elektrokoaguleringsprocesser genom att förhindra bildandet av passiverande skikt på elektroderna. Passiva filmer som med tiden bildas på elektrodytan minskar elektrokoaguleringssystemens effektivitet drastiskt, och ultraljud är en enkel metod för att kontinuerligt avlägsna dessa passiverande skikt under drift, samtidigt som ultraljudsbehandlingen ökar elektrokoaguleringssystemens omsättning. Ultraljudsvågor bryter ned sediment som bildats på elektrodytan och genererar stora mängder radikaler för att avlägsna föroreningar genom att skapa punkter med högt tryck i lösningen under kavitationsfenomenet. När elektrokoagulering kombineras med ultraljud förstärks minskningen av fördelningsskiktets tjocklek genom ökad massöverföringshastighet, till följd av att kavitation eller mikroströmning skapar nya ytor på elektroden. Sonoelektrokoagulering ökar mängden koaguleringsmedel som bildas jämfört med elektrokoagulering, och flockningen förbättras genom extrem omblandning och oxidation till följd av bildandet av fria radikaler; därför är det möjligt att uppnå önskad effektivitet på kortast möjliga tid.
(Moradi et al., 2021)

Fördelarna med sonoelektrokemi och sonoelektrokoagulering

”Sonoelektrokemi innebär att ultraljudsenergi kombineras med ett elektrokemiskt system, vilket ger flera fördelar, däribland avlägsnande av gasbubblor från elektrodytan, avgasning av lösningen, uppluckring av Nernsts diffusionsskikt, förbättrad masstransport av elektroaktiva ämnen genom dubbelskiktet samt aktivering och rengöring av elektrodytan. Dessa fördelar inom elektrokemin leder till förbättrad processeffektivitet (elektrod- och strömverkningsgrad), ökade elektrokemiska reaktionshastigheter och utbyten, minskade cellspänningar och elektrodöverpotentialer, förbättrade elektrodeponerade material vad gäller hårdhet, kvalitet, porositet och tjocklek samt minskad beläggningsbildning och avgasning vid elektrodytan.” (Foroughi et al., 2021)
Läs mer om sonoelektrokemisk utrustning och dess tillämpningar!

Industriella ultraljudssystem för behandling av avloppsslam

Hielscher Ultrasonics högpresterande system är pålitliga arbetshästar i anläggningar för behandling av avloppsvatten och avloppsslam. Hielschers ultraljudssystem levererar ultraljud med hög effekt vid 20kHz, vilket skapar intensiv akustisk kavitation. Effekterna av vår ultraljudsbehandling med hög effekt omfattar cellsönderdelning och disintegration, hög massöverföring, desinfektion, nedbrytning av polymerer, frisättning av enzymer och homogenisering av slammet. Högintensiv ultraljudsbehandling förbättrar behandlingseffektiviteten genom att generera oxiderande radikaler och öka antalet kärnbildningsställen, vilket säkerställer bättre koagulering och flockning. Den tillförlitliga och kontinuerliga genereringen av dessa intensiva kavitationskrafter från ultraljud och deras effekter gör det möjligt att integrera våra kraftfulla ultraljudsprocessorer i olika tillämpningar för att förbättra utvinningen av energi och näringsämnen ur avloppsslam.

• Disintegration av avloppsslam med ultraljud
• Ultraljudsintensifierad anaerob rötning
• Återvinning av värdefulla näringsämnen (fosfor, kväve, magnesium, kalcium, kalium osv.)
• Avlägsnande av föroreningar såsom tungmetaller

Med ultraljudsprocessorer med genomströmningsreaktorer i olika storlekar har Hielscher Ultrasonics de idealiska ultraljudssystemen för behandling av avloppsvatten och slam för din slambehandlingsanläggning.
Den modulära konstruktionen gör det enkelt att installera flera ultraljudsenheter parallellt, vilket möjliggör tillförlitlig och effektiv behandling av vilken volym som helst.
Hielschers ultraljudssystem med hög effekt och hög genomströmningskapacitet ökar effektiviteten och utbytet vid behandling av biomassa i avloppsslam.
Alla våra ultraljudsapparater har rengöring på plats (CIP).
Lämpliga för krävande behandlingar: Avloppsslam innehåller ofta fibermaterial med hög cellulosahalt som är svåra att sönderdela. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt i 24/7-drift. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Så höga amplituder är ett effektivt sätt att bryta ned cellstrukturen hos cellulosa, lignin och robusta cellväggar i andra material. Den optimerade konstruktionen av våra flödescellsreaktorer säkerställer idealiska flödesmönster och en jämn, effektiv ultraljudsbehandling av det tillförda slammet.

Vi samarbetar med systemintegratörer och ingenjörer vid anläggningar för behandling av avloppsslam

Som tillverkare och systembyggare av högpresterande modulära ultraljudsenheter samarbetar Hielscher Ultrasonics med systemintegratörer. De flesta operatörer av anläggningar för behandling av avloppsvatten och avloppsslam samarbetar med systemintegratörer som har stor erfarenhet av konstruktion och automatisering av sådana reningsanläggningar. Vårt team av konstruktionsingenjörer och tekniska ingenjörer rekommenderar den optimala ultraljudskonfigurationen för den avsedda slamvolymen och tillhandahåller detaljerad systeminformation, CAD-ritningar samt installationsservice och utbildning i drift. Detta möjliggör ett konstruktivt och målinriktat genomförande av integreringen av högpresterande ultraljud i avloppsreningsverk. Kontakta oss om du är intresserad av att integrera våra ultraljudsprocessorer för förbättrad slambehandling!

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Kontakta oss nu för mer information om Hielschers ultraljudssystem för behandling av avloppsslam, installationsalternativ och tekniska uppgifter!