Olika lösningar för fosforåtervinning från kommunalt avloppsslam

Fosfor är en viktig resursmineral, vars naturliga tillgång minskar snabbt. Följaktligen antog den tyska regeringen genom ett dekret att fosfor från och med 2029 till stor del måste återvinnas från avloppsslam. Implementeringen av kraftultraljud öppnar olika alternativ för att intensifiera återvinningen av fosfor från kommunalt avloppsslam.

Reningsverk för avloppsslam och fosforåtervinning

Fosfor är ett kritiskt grundämne som ofta används som gödningsmedel och råvara inom finkemisk och farmaceutisk industri. På grund av dess snabbt krympande tillgängliga resurser har den tyska regeringen infört en lag som innebär att alla kommunala avloppsreningsverk måste införa en mätning för att återvinna fosfor från det kommunala avloppsslammet. Implementeringen av högpresterande ultraljud erbjuder olika behandlingsalternativ, vilket ökar effektiviteten i fosforåtervinningen avsevärt.

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

Ultraljud upplösning av avloppsslam för förbättrad Phorsphorus återhämtning

Att bestråla avloppsslam med kraftfulla ultraljudsvågor har tydligt visat sig förbättra nedbrytningen av biomassan i avloppsslam. Många forskningsstudier har visat fördelarna med behandling av ultraljudsavfallsaktiverat slam och olika industriella ultraljudssystem körs i kommunala avloppsreningsverk i Tyskland.
Ultraljudsförbehandling av substrat i avloppsslam har flera gynnsamma effekter för anaeroba nedbrytningsprocesser. Dessa fördelar inkluderar att minska partikelstorleken, öka hydrolyshastigheten och förkorta den hydrauliska retentionstiden.
Kavitationella skjuvkrafter som genereras av högintensiva / lågfrekventa ultraljudsvågor orsakar uppdelning av slamflockens morfologi och slammets mikrobiella struktur.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Ett effektivt nedbrutet avloppsslam, d.v.s. Ultraljudsbehandlat slam, visar avsevärt förbättrade separationsegenskaper som gör det möjligt att avlägsna fosforrika fraktioner från biomassa och gelliknande fraktioner samt vatten. Ultraljudskavitation stör cellstrukturerna i biomassan i avloppsslam och underlättar den efterföljande fraktioneringen i tre fraktioner av (i) cellulosarika fibrer, (ii) en näringsrik gel och (iii) en vätska som är lätt jäsbar. Dessa tre fraktioner av slammet kan bearbetas vidare, t.ex. fosforåtervinning, avlägsnande av tungmetaller etc.

Ultraljudsintensifierad våtkemisk utfällning av fosfor

Ultraljud är en välkänd teknik som använts sedan lång tid inom kemin för siccessful och effektiv utfällning av mineraler, partiklar och kristaller. För fosforåtervinning från avloppsslam används ultraljudsbehandling för att främja och påskynda utfällningen av struvit. Struvit (magnesiumammoniumfosfat) är ett fosfatmineral med formeln NH₄MgPO (på engelska)₄·6H₂ O, som erbjuder en enkel lösning för att avlägsna fosfor i bunden form från avfallsslam.
Under struvitkristallisations-/utfällningsprocessen ska jonerna PO₄^3-NH₄⁺och Mg²⁺ avlägsnas från vätskefasen på grund av struvitutfällning, tills reaktionen når jämvikt.

Struvitkristaller som fälls ut från svinspillning.
(bild och studie: ©Kim et al. 2017)

När ultraljud tillämpas som förbehandling av slam före struvitutfällningsprocessen, ger den ultraljudsinducerade kavitationen en grundlig blandning på molekylär nivå som ger aktiv yta för kristalltillväxt. En ökning av solubiliseringshastigheten för extracellulära och intracellulära ämnen gynnar ytterligare struvitutfällningen genom att öka biotillgängligheten av NH₄⁺ och PO₄^3- joner. Ultraljudsbehandlingen resulterar i en underlättad massöverföring genom slurryn, vilket orsakas av ultraljud kavitation.
Ultraljudsbehandling kan också tillämpas på hydrotermisk karboniseringslut, där fosfor återvinns som struvit från den hydrotermiska karboniseringsvätskan genom ultraljudsassisterad extraktion och utfällning.
Läs mer om storskalig struvitfällning för fosforåtervinning från avloppsslam!

Sono-Fenton för fosforutsläpp från avloppsslam

Studien av Gong et al. (2015) visade effektiviteten av en kombinerad ultraljud-Fenton (även känd som sono-Fenton) förbehandling för sönderdelning av avloppsslam. Tillämpning av ultraljuds-Fenton-behandlingen ökade signifikant frisättningen av kol, kväve och fosfor. Sono-Fenton-behandlingen ökade det totala kvävet (N) och fosforn (P) med 1,7 respektive 2,2 gånger jämfört med Fenton-behandlingen ensam. Efter sono-Fenton-behandlingen uppvisade slammet en betydligt finare partikelstorlek och lösare mikrostruktur baserat på svepelektronmikroskopi. Med hjälp av elektronspinnresonans ökade den högsta OH•-signalintensiteten från 568,7 med Fenton-behandlingen till 1106,3 efter sono-Fenton-behandlingen. Detta visade att sono-Fenton-behandlingen inducerar sönderdelning av slam och förbättrar frisättningen av organiskt kol, kväve och fosfor avsevärt.

Ultraljudsintensifierade mikrobiella bränsleceller

Ultraljudsförbehandling av avloppsslam främjar solubiliseringen av olika organiska föreningar från slammatrisen, vilket därefter påskyndar den mikrobiella elektrohydrogenesen.
Mer och Ghangrekar (2010) bidrar med de positiva effekterna av ultraljudsbehandling av ultraljudsbehandling på mikrobiella bränsleceller till förbättrade enzymatiska aktiviteter och tillgången på extracellulära proteiner, polysackarider och enzymer, som frigörs från inre lager av slamflockar till yttre lager genom ultraljud sonoporation och cellstörningar, vilket resulterar i förbättrad substratutnyttjandeeffektivitet. För att förbättra elskörden från de mikrobiella bränslecellerna är det nödvändigt att förbättra bakteriernas elektronöverföringsförmåga till en extracellulär fast substans. Denna extracellulära elektronöverföring kan ske antingen i direktkontakt mellan cellytan och den fasta ytan eller indirekt via de så kallade exogena och endogena mediatorerna. För direkt elektronöverföring mellan bakterier och elektrodytan bör elektronen nå cellens yttre membran. Detta fenomen kan ha inträffat på grund av ultraljud förbehandling som gavs till inokulatet när den specifika tillförda energin var tillräcklig; vilket gynnar högre Coulombic-effektivitet.
En ultraljudsintensifierad mikrobiell elektrolysprocess skulle kunna kombineras med efterföljande fermenteringsprocesser för slambehandling.

Sono-elektrokemisk behandling av avloppsslam

Elektrokoagulering är en enkel process som lätt kan tillämpas på avloppsvatten och möjliggör behandling av stora volymer effektivt och kostnadseffektivt. Ultraljud hjälper till att övervinna den största nackdelen med elektrokoagulationsprocesser genom att förhindra bildandet av passiverande skikt från elektroderna. Passiva filmer som bildas på elektrodytan över tid, minskar drastiskt effektiviteten hos elektrokoagulationssystem och ultraljud är en enkel metod för att kontinuerligt avlägsna dessa passiverande skikt under drift, samtidigt som ultraljudsbehandling ökar omsättningen av elektrokoagulationssystem. Ultraljudsvågor som bryter ner sediment som bildas vid elektrodytan och genererar stora mängder radikala arter för att avlägsna föroreningar genom att skapa högtryckspunkter inuti lösningen under kavitationsfenomenet. Genom att kombinera elektrokoagulering med ultraljud, på grund av skapandet av nya ytor på elektroden genom kavitation eller mikroströmning, förvärras minskningen av tjockleken på fördelningsskiktet av ökande massöverföringshastigheter. Sono-elektrokoagulation ökar mängden koaguleringsbildning jämfört med elektrokoagulering, och flockningen förstärks av extrem blandning och oxidation genom bildning av fria radikaler; Därför är det möjligt att uppnå önskad effektivitet på kortast möjliga tid.
(Moradi et al., 2021)

Fördelarna med sonoelektrokemi och sonoelektrokoagulation

"Sonoelektrokemi är kombinationen av ultraljudsenergi i ett elektrokemiskt system som ger flera fördelar, inklusive avlägsnande av gasbubblor vid elektrodytan, avgasning av lösningen, störning av Nernst-diffusionsskiktet, förbättring av masstransporten av elektroaktiva ämnen genom det dubbla lagret och aktivering och rengöring av elektrodytan. Dessa fördelar inom elektrokemin leder till förbättrad processeffektivitet (elektrod- och strömeffektivitet), ökade elektrokemiska hastigheter och utbyten, minskade cellspänningar och elektrodöverpotentialer, förbättrade elektrodeponerade material när det gäller hårdhet, kvalitet, porositet och tjocklek, och undertryckande av elektrodnedsmutsning och avgasning vid elektrodytan. (Foroughi et al., 2021)
Läs mer om sono-elektrokemisk utrustning och dess tillämpningar!

Industriella ultraljudssystem för behandling av avloppsslam

Hielscher Ultrasonics högpresterande system är en pålitlig arbetshäst i avloppsreningsverk och avloppsslamreningsverk. Hielscher ultraljudssystem levererar ultraljud med hög effekt vid 20 kHz, vilket skapar intensiv akustisk kavitation. Effekterna av vår högeffektiva ultraljudsbehandling inkluderar cellstörning och sönderfall, hög massöverföring, desinfektion, nedbrytning av polymerer, frisättning av enzymer och homogenisering av slammet. Högintensiv ultraljudsbehandling förbättrar behandlingseffektiviteten genom generering av oxidativa radikaler och genom ökningen av kärnbildningsställen, vilket säkerställer bättre koagulering och flockning. Den tillförlitliga och kontinuerliga genereringen av dessa intensiva ultraljudskavitationskrafter och dess effekter gör det möjligt att integrera våra kraftfulla ultraljudsprocessorer för olika applikationer för att förbättra energi- och näringsskörden från avloppsslam.

• Ultraljudssönderfall av avloppsslam
• Ultraljudsintensifierad rötning
• Återvinning av värdefulla näringsämnen (fosfor, kväve, magnesium, kalcium, kalium etc.)
• Avlägsnande av föroreningar som tungmetaller

Hielscher Ultrasonics erbjuder ultraljudsprocessorer med genomströmningsreaktorer i olika storlekar och har den perfekta ultraljudsavfallsavfallshanteraren och slambehandlingssystemen för din avloppsslamanläggning.
Den modulära designen gör det möjligt att enkelt installera flera ultraljudsenheter parallellt, vilket möjliggör en tillförlitlig och effektiv behandling av alla volymer.
Hielscher ultraljudssystem med hög effekt / hög genomströmning ökar effektiviteten och avkastningen vid behandling av biomassa i avloppsslam.
Alla våra ultraljudsapparater har rengöring på plats (CIP).
Lämplig för krävande behandlingar: Avloppsslam innehåller ofta fibrösa material med hög cellulosahalt, som är svåra att sönderdela. Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Sådana höga amplituder är ett effektivt sätt att störa den cellulära strukturen hos cellulosa, lignin och robusta cellväggar av andra material. Den optimerade designen av våra flödescellsreaktorer säkerställer idealiska flödesmönster och en enhetlig, effektiv ultraljudsbehandling av det matade slammet.

Vi arbetar med systemintegratörer och ingenjörer av avloppsslamanläggningar

Som tillverkare och systembyggare av högpresterande ultraljudsmodulära enheter arbetar Hielscher Ultrasonics tillsammans med systemintegratörer. De flesta operatörer av reningsverk för avloppsvatten och avloppsslam arbetar med systemintegratörer, som har stor erfarenhet av design och automatisering av sådana reningsverk. Vårt team av konstruktörer och tekniska ingenjörer rekommenderar den optimala ultraljudskonfigurationen för den riktade slamvolymen, tillhandahåller detaljerad systeminformation, CAD-ritningar samt installationsservice och driftutbildning. Detta möjliggör en konstruktiv och målinriktad implementering av integrationen av högpresterande ultraljud i avloppsreningsverk. Kontakta oss gärna om du är intresserad av att integrera våra ultraljudsprocessorer för förbättrad slambehandling!

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Kontakta oss nu för att få mer information om Hielscher ultraljudssystem för behandling av avloppsslam, installationsalternativ och teknisk information!