Belediye Arıtma Çamurundan Fosfor Geri Kazanımı için Çeşitli Çözümler

Fosfor, doğal arzı hızla azalan kritik bir mineral kaynağıdır. Bu nedenle Alman hükümeti, 2029 yılından itibaren fosforun büyük ölçüde arıtma çamurundan geri kazanılmasını kararnameyle zorunlu kılmıştır. Güç ultrasonunun uygulanması, belediye arıtma çamurundan fosfor geri kazanımını yoğunlaştırmak için çeşitli seçenekler sunar.

Arıtma Çamuru Arıtma Tesisleri ve Fosfor Geri Dönüşümü

Fosfor, gübre olarak ve ince kimyasallar ile ilaç endüstrisinde ham madde olarak yaygın biçimde kullanılan kritik bir elementtir. Mevcut kaynaklarının hızla azalması nedeniyle Alman hükümeti, tüm belediye atık su arıtma tesislerinin belediye arıtma çamurundan fosfor geri kazanımı için önlemler almasını zorunlu kılan bir yasayı yürürlüğe koymuştur. Yüksek performanslı ultrasonun uygulanması, fosfor geri kazanımının verimliliğini önemli ölçüde artıran çeşitli arıtma seçenekleri sunar.

Atık su arıtma tesisleri, çamur çürütmesini ve fosfor gibi besin maddelerinin geri kazanımını iyileştirmek için ultrason kullanır.

Fosfor Geri Kazanımını İyileştirmek için Arıtma Çamurunun Ultrasonik Parçalanması

Arıtma çamurunun güçlü ultrason dalgalarına maruz bırakılmasının, arıtma çamurundaki biyokütlenin parçalanmasını iyileştirdiği açıkça gösterilmiştir. Çok sayıda araştırma, fazla aktif çamurun ultrasonik arıtımının faydalarını göstermiştir ve Almanya’daki belediye atık su arıtma tesislerinde çeşitli endüstriyel ultrason sistemleri çalışmaktadır.
Arıtma çamurundaki substratların ultrasonik ön işlemi, anaerobik çürütme süreçleri için çeşitli faydalı etkilere sahiptir. Bu faydalar arasında parçacık boyutunun küçültülmesi, hidroliz hızının artırılması ve hidrolik bekletme süresinin kısaltılması yer alır.
Yüksek yoğunluklu / düşük frekanslı ultrason dalgalarının oluşturduğu kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri, çamur floklarının morfolojisinin ve çamurun mikrobiyal yapısının parçalanmasına neden olur.
Nguyen’in araştırma ekibi, çalışmalarında “ultrason uygulamasının, ultrasonik ışınlamaya maruz kalma süresi ve yoğunluğuyla orantılı olarak ortalama parçacık boyutunu >%78,78 düzeyine düşürerek biyokütlenin parçacık boyutunu küçültmede çok etkili olduğunu” göstermiştir. “Bu, sonikasyon süresi ile flok parçacık boyutu arasındaki ters ilişkiye bağlı olarak çamur parçacıklarının parçalandığını ve çamur parçacık boyutunun küçüldüğünü göstermiştir. İşlem öncesindeki çamur floku gözlemleri, çamur floklarının yoğun ve son derece sıkı olduğunu; diğer unsurların yanı sıra sıkı çekirdekler, hücre kümeleri, bakteri kolonileri, protozoalar ve filamentli bakteriler içeren çok sayıda alt bölmeden oluştuğunu ortaya koymasına rağmen uygulama oldukça etkili olmuştur. Çıkış suyunun analizi, ultrasonik sürecin her boyuttaki çamur floklarının yapısal bütünlüğünü önemli ölçüde parçaladığını göstermektedir. Optimum işlem koşullarında flok parçalarının boyutu ≤6,5 μm kadar küçük değerlere indirilmiş ve 20 kHz gibi düşük bir ultrason frekansında 5–10 min ultrasonik işlemden sonra çamur süspansiyonunda çözünmüştür.” (Nguyen et al., 2015)
Verimli biçimde parçalanmış arıtma çamuru, yani sonikasyon uygulanmış çamur, fosfor açısından zengin fraksiyonların biyokütleden, jel benzeri fraksiyonlardan ve sudan ayrılmasına olanak tanıyan, önemli ölçüde iyileştirilmiş ayırma özellikleri gösterir. Ultrasonik kavitasyon, arıtma çamurundaki biyokütlenin hücre yapılarını parçalar ve ardından (i) selüloz açısından zengin lifler, (ii) besin maddeleri açısından zengin bir jel ve (iii) kolayca fermente edilebilen bir sıvı olmak üzere üç fraksiyona ayrılmasını kolaylaştırır. Çamurun bu üç fraksiyonu, örneğin fosfor geri kazanımı, ağır metal giderimi vb. için daha ileri işlemlere tabi tutulabilir.

Fosforun Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Yaş Kimyasal Yöntemle Çöktürülmesi

Ultrasonik işlem, minerallerin, parçacıkların ve kristallerin başarılı ve etkili biçimde çöktürülmesi için kimyada uzun zamandır kullanılan, iyi bilinen bir tekniktir. Arıtma çamurundan fosfor geri kazanımı için sonikasyon, strüvitin çökelmesini desteklemek ve hızlandırmak amacıyla uygulanır. Strüvit (magnezyum amonyum fosfat), formülü NH₄MgPO₄·6H₂ O olan ve atık çamurdan fosforun bağlı biçimde giderilmesi için basit bir çözüm sunan bir fosfat mineralidir.
Strüvit kristalleşmesi / çökelmesi sürecinde PO₄^3-, NH₄⁺ ve Mg²⁺ iyonları, reaksiyon dengeye ulaşıncaya kadar strüvit çökelmesi nedeniyle sıvı fazdan uzaklaştırılır.

Domuz yetiştiriciliği atık sularından çöktürülmüş strüvit kristalleri.
(görsel ve çalışma: ©Kim et al. 2017)

Strüvit çöktürme sürecinden önce çamura ön işlem olarak ultrasonik işlem uygulandığında, ultrasonun oluşturduğu kavitasyon, kristal büyümesi için aktif yüzey alanı sağlayan, moleküler düzeyde kapsamlı bir karıştırma sağlar. Hücre dışı ve hücre içi maddelerin çözünür hâle gelme hızındaki artış, NH₄⁺ ve PO₄^3- iyonlarının biyoyararlanımını artırarak strüvit çökelmesine ilave fayda sağlar. Sonikasyon işlemi, ultrasonik kavitasyon sayesinde çamur süspansiyonu boyunca kütle transferini kolaylaştırır.
Sonikasyon, hidrotermal karbonizasyon sıvısına da uygulanabilir; burada fosfor, ultrason destekli ekstraksiyon ve çöktürme yoluyla hidrotermal karbonizasyon sıvısından strüvit olarak geri dönüştürülür.
Arıtma çamurundan fosfor geri kazanımı için büyük ölçekli strüvit çöktürme hakkında daha fazla bilgi edinin!

Arıtma Çamurundan Fosfor Salımı için Sono-Fenton

Gong et al. (2015) tarafından yapılan çalışma, arıtma çamurunun parçalanması için birleşik ultrason–Fenton (sono-Fenton olarak da bilinir) ön işleminin verimliliğini göstermiştir. Ultrason–Fenton işleminin uygulanması, karbon, azot ve fosfor salımını önemli ölçüde artırmıştır. Sono-Fenton işlemi, yalnızca Fenton işlemiyle karşılaştırıldığında toplam azotu (N) ve fosforu (P) sırasıyla 1,7 ve 2,2 kat artırmıştır. Sono-Fenton işleminden sonra, taramalı elektron mikroskobu bulgularına göre çamur, belirgin biçimde daha küçük parçacık boyutu ve daha gevşek bir mikroyapı göstermiştir. Elektron spin rezonansı kullanılarak ölçülen en yüksek OH• sinyal yoğunluğu, Fenton işlemindeki 568,7 değerinden sono-Fenton işlemi sonrasında 1106,3 değerine yükselmiştir. Bu, sono-Fenton işleminin çamurun parçalanmasını tetiklediğini ve organik karbon, azot ve fosfor salımını önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir.

Ultrasonik Olarak Yoğunlaştırılmış Mikrobiyal Yakıt Hücreleri

Arıtma çamurunun ultrasonik ön işlemi, çamur matrisindeki çeşitli organik bileşiklerin çözünür hâle gelmesini destekler; bu da daha sonra mikrobiyal elektrohidrojenezi hızlandırır.
More ve Ghangrekar (2010), sonikasyon ön işleminin mikrobiyal yakıt hücreleri üzerindeki faydalı etkilerini, artan enzimatik aktivitelere ve ultrasonik sonoporasyon ile hücre parçalama yoluyla çamur floklarının iç katmanlarından dış katmanlarına salınan hücre dışı proteinlerin, polisakkaritlerin ve enzimlerin kullanılabilirliğine bağlamaktadır; bunlar substrat kullanım verimliliğini artırır. Mikrobiyal yakıt hücrelerinden elektrik elde edilmesini iyileştirmek için bakterilerin hücre dışı katı bir maddeye elektron aktarma kabiliyetinin iyileştirilmesi gerekir. Bu hücre dışı elektron transferi, hücre yüzeyi ile katı yüzey arasında doğrudan temas yoluyla veya eksojen ve endojen mediyatörler olarak adlandırılan aracılar üzerinden dolaylı olarak gerçekleşebilir. Bakteriler ile elektrot yüzeyi arasında doğrudan elektron transferi için elektronun hücrenin dış zarına ulaşması gerekir. Bu olgu, sağlanan özgül enerjinin yeterli olduğu durumda inokuluma uygulanan ultrasonik ön işlem nedeniyle gerçekleşmiş olabilir; böylece daha yüksek kulombik verimliliği desteklemiş olabilir.
Ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış bir mikrobiyal elektroliz süreci, çamur arıtımı için sonraki fermantasyon süreçleriyle birleştirilebilir.

Sono-Elektrokimyasal Arıtma Çamuru Arıtımı

Elektrokoagülasyon, atık suya kolayca uygulanabilen ve büyük hacimlerin verimli ve uygun maliyetli biçimde arıtılmasına olanak tanıyan basit bir süreçtir. Ultrasonik işlem, elektrotlarda pasifleştirici tabakaların oluşmasını önleyerek elektrokoagülasyon süreçlerinin başlıca dezavantajının aşılmasına yardımcı olur. Zamanla elektrot yüzeyinde oluşan pasif filmler, elektrokoagülasyon sistemlerinin verimliliğini büyük ölçüde azaltır; ultrason, çalışma sırasında bu pasifleştirici tabakaları sürekli olarak gidermenin kolay bir yöntemidir ve aynı zamanda sonikasyon, elektrokoagülasyon sistemlerinin işleme kapasitesini artırır. Ultrason dalgaları, elektrot yüzeyinde oluşan birikintileri parçalar ve kavitasyon olgusu sırasında çözelti içinde yüksek basınç noktaları oluşturarak kirleticileri gidermek için yüksek miktarlarda radikal türleri üretir. Elektrokoagülasyonun ultrasonla birleştirilmesiyle, kavitasyon veya mikroakış nedeniyle elektrot üzerinde yeni yüzeyler oluşur ve artan kütle transfer hızları, dağılım tabakasının kalınlığındaki azalmayı daha da belirginleştirir. Sono-elektrokoagülasyon, elektrokoagülasyona kıyasla oluşan koagülant miktarını artırır ve flokülasyon, yoğun karıştırma ve serbest radikal oluşumuyla gerçekleşen oksidasyon sayesinde güçlenir; bu nedenle istenen verimliliğe en kısa sürede ulaşmak mümkündür.
(Moradi et al., 2021)

Sonoelektrokimya ve Sonoelektrokoagülasyonun Avantajları

“Sonoelektrokimya, ultrasonik enerjinin bir elektrokimyasal sistemde birleştirilmesidir ve elektrot yüzeyindeki gaz kabarcıklarının giderilmesi, çözeltinin gazdan arındırılması, Nernst difüzyon tabakasının bozulması, elektroaktif türlerin çift tabaka boyunca kütle taşınımının artırılması ve elektrot yüzeyinin etkinleştirilmesi ile temizlenmesi dâhil olmak üzere çeşitli avantajlar sunar. Elektrokimyadaki bu faydalar, süreç verimliliklerinin (elektrot ve akım verimlilikleri) iyileşmesine, elektrokimyasal hızların ve verimlerin artmasına, hücre gerilimlerinin ve elektrot aşırı potansiyellerinin azalmasına, elektrokimyasal olarak biriktirilmiş malzemelerin sertlik, kalite, gözeneklilik ve kalınlık açısından iyileşmesine ve elektrot kirlenmesinin ve elektrot yüzeyinde gaz çıkışının baskılanmasına yol açar.” (Foroughi et al., 2021)
Sono-elektrokimyasal ekipman ve uygulamaları hakkında daha fazla bilgi edinin!

Arıtma Çamuru Arıtımı için Endüstriyel Ultrasonik Sistemler

Hielscher Ultrasonics yüksek performanslı sistemleri, atık su ve arıtma çamuru arıtma tesislerinde ağır işleri güvenilir biçimde üstlenir. Hielscher ultrasonik sistemleri, yoğun akustik kavitasyon oluşturan 20kHz frekansında yüksek güçlü ultrason sağlar. Yüksek güçlü ultrasonik işlemimizin etkileri arasında hücre parçalama ve parçalanma, yüksek kütle transferi, dezenfeksiyon, polimerlerin ayrışması, enzimlerin salınması ve çamurun homojenizasyonu yer alır. Yüksek yoğunluklu sonikasyon, oksidatif radikallerin üretilmesi ve çekirdeklenme noktalarının artırılması yoluyla arıtma verimliliğini iyileştirerek daha iyi koagülasyon ve flokülasyon sağlar. Bu yoğun ultrasonik kavitasyon kuvvetlerinin ve etkilerinin güvenilir ve sürekli biçimde oluşturulması, arıtma çamurundan enerji ve besin maddesi elde edilmesini iyileştirmek amacıyla güçlü ultrasonik işlemcilerimizin çeşitli uygulamalara entegre edilmesine olanak tanır.

• Arıtma çamurunun ultrasonik parçalanması
• Ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış anaerobik çürütme
• Değerli besin maddelerinin geri kazanımı (fosfor, azot, magnezyum, kalsiyum, potasyum vb.)
• Ağır metaller gibi kirleticilerin giderilmesi

Çeşitli boyutlarda sürekli akışlı reaktörlere sahip ultrasonik işlemciler sunan Hielscher Ultrasonics, arıtma çamuru tesisiniz için ideal ultrasonik atık su ve çamur arıtma sistemlerine sahiptir.
Modüler tasarım, birden fazla ultrasonik ünitenin paralel olarak kolayca kurulmasına olanak tanır; bu da her hacimde güvenilir ve verimli arıtımı mümkün kılar.
Hielscher yüksek güçlü / yüksek işleme kapasiteli ultrasonik sistemleri, arıtma çamurundaki biyokütlenin işlenmesinde verimliliği ve ürün verimini artırır.
Tüm sonikatörlerimiz yerinde temizleme (CIP) özelliğine sahiptir.
Zorlu işlemler için uygundur: Arıtma çamuru, çoğu zaman parçalanması zor olan, yüksek selüloz içerikli lifli malzemeler içerir. Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolayca sürdürülebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Bu kadar yüksek genlikler, selülozların ve ligninin hücresel yapısını ve diğer malzemelerin sağlam hücre duvarlarını parçalamak için etkili bir yöntemdir. Akış hücresi reaktörlerimizin optimize edilmiş tasarımı, ideal akış düzenlerini ve beslenen çamurun homojen, verimli ultrasonik işlenmesini sağlar.

Arıtma Çamuru Tesislerinin Sistem Entegratörleri ve Mühendisleriyle Çalışıyoruz

Yüksek performanslı ultrasonik modüler ünitelerin üreticisi ve sistem kurucusu olarak Hielscher Ultrasonics, sistem entegratörleriyle birlikte çalışır. Atık su ve arıtma çamuru arıtma tesislerinin işletmecilerinin çoğu, bu tür arıtma tesislerinin tasarımı ve otomasyonunda oldukça deneyimli sistem entegratörleriyle çalışır. Tasarım mühendisleri ve teknik mühendislerden oluşan ekibimiz, hedeflenen çamur hacmi için optimum ultrasonik yapılandırmayı önerir; ayrıntılı sistem bilgileri, CAD çizimleri, kurulum hizmeti ve işletim eğitimi sağlar. Bu, yüksek performanslı ultrasonun atık su arıtma tesislerine entegrasyonunun yapıcı ve hedef odaklı biçimde gerçekleştirilmesine olanak tanır. Çamur arıtımını iyileştirmek için ultrasonik işlemcilerimizi entegre etmekle ilgileniyorsanız lütfen bizimle iletişime geçin!

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:

Hielscher ultrasonik arıtma çamuru arıtma sistemleri, kurulum seçenekleri ve teknik bilgiler hakkında daha fazla ayrıntı için hemen bizimle iletişime geçin!