Ультразвукова обробка для аеробного розкладання активного мулу
Ультразвукова обробка високої потужності розщеплює відходи активного мулу (WAS) до або під час аеробного зброджування. Акустична кавітація руйнує флокули мулу, розриває позаклітинні полімерні речовини та відкриває клітини мікроорганізмів. Це робить органічну речовину, яка раніше була захищена, більш доступною для аеробного зброджувача.
У разі аеробного процесу метою не є збільшення обсягів виробництва біогазу. Підвищення вмісту метану має значення саме для анаеробного зброджування. У аеробному зброджувачі відповідними показниками ефективності є руйнування летких речовин, споживання кисню, час зброджування, залишок сухої речовини, здатність до зневоднення та загальні експлуатаційні витрати.
Промислові ультразвукові апарати компанії Hielscher інтегруються в лінію WAS з насосом або в контур рециркуляції метантенка. Ультразвукові реактори з проточною коміркою зосереджують обробку на визначеному потоці осаду та дають змогу контролювати процес за потужністю, витратою, концентрацією твердих речовин, тиском і температурою. Результатом є компактна модернізація, яка дозволяє додати ультразвукове роздрібнення осаду без заміни існуючого аеробного метантенка.
Промислова ультразвукова лінія поточної обробки Hielscher для переробки згущеного WAS
Чому відходи активного мулу важко перетравлювати
Відходи активного мулу — це надлишок біологічних твердих речовин, що видаляється в процесі очищення стічних вод за технологією активного мулу. Він містить мікроорганізми, позаклітинні полімерні речовини (EPS), зв’язані органічні речовини та інертні тверді речовини.
У вторинному відстійнику осілий активний мул розділяється на два потоки:
- Повернутий активний мул (RAS) повертається до аераційного басейну для підтримки необхідної концентрації біомаси.
- Відходи активного мулу (WAS) вилучаються з процесу очищення рідини та направляються на згущення, стабілізацію, ферментацію або зневоднення.
WAS містить значну частку клітинного матеріалу мікроорганізмів. Значна частина його біорозкладних органічних речовин знаходиться в клітинних стінках або зв’язана всередині щільних флокул осаду. Цей фізичний захист уповільнює природний розпад клітин та гідроліз.
Під час аеробного розкладання відбувається подача кисню, тоді як кількість свіжого органічного матеріалу є незначною. Мікроорганізми переходять у режим ендогенного дихання та споживають накопичені речовини, відмерлі клітини та інші біорозкладні компоненти осаду. Мета цього процесу полягає у стабілізації осаду, зменшенні неприємного запаху та зниженні кількості летких твердих речовин, які необхідно зневоднювати та утилізувати.
Швидкість розкладання часто обмежується доступністю субстрату. У біореакторі можуть бути активні мікроорганізми та достатній час перебування, але органічна речовина, що міститься всередині цілих клітин та щільних флокул, залишається важкодоступною.
Порівняння необроблених флокул із осадом, обробленим ультразвуком: обробка ультразвуком значно зменшує розмір флокул.
Дослідження та ілюстрації: ©Chu та ін., 2001
Як ультразвукова кавітація відкриває можливості для аеробного розщеплення
Промислові ультразвукові апарати компанії Hielscher працюють на частоті 20 кГц і створюють інтенсивну акустичну кавітацію в потоках рідини та суспензії. У суспензії утворюються, зростають і руйнуються кавітаційні бульбашки. Їхнє руйнування створює потужні локальні зсувні сили, які безпосередньо впливають на флокули, EPS та клітини мікроорганізмів.
Ультразвукова обробка спричиняє три важливі зміни в WAS:
Розпад флокулів
Кавітація розбиває агрегати осаду та оголює поверхні, які раніше були вкриті позаклітинними полімерними речовинами (EPS). Оброблений осад містить дрібніші частинки та має більшу доступну площу поверхні.
EPS та руйнування клітин
Розпад під дією ультразвуку підвищує аеробну біорозкладність активного мулу з побутових відходів шляхом руйнування міцних флокул мулу та вивільнення ув’язненої органічної речовини. Ультразвукова кавітація руйнує клітинні мембрани та клітинні стінки. Білки та вуглеводи, а також інші внутрішньоклітинні сполуки переходять у рідку фазу.
Підвищена біодоступність
Аеробні мікроорганізми здатні легше розщеплювати розчинні та дрібнодисперсні органічні речовини, ніж цілі мікробіологічні клітини та щільні флокули. Отже, ультразвукова обробка механічним шляхом виконує частину роботи з лізису та гідролізу ще до етапу біологічного окислення.
Ультразвукова обробка спрямована на товсту захисну матрицю осаду стічних вод, щоб зробити мікробне розщеплення значно швидшим та ефективнішим. Це зазвичай проявляється у вигляді збільшення показника хімічного споживання кисню розчинними речовинами (SCOD).
Промисловий ультразвуковий потоковий реактор для покращення процесу гідролізу WAS
Переваги використання ультразвуку на установках аеробного зброджування
Результат залежить від складу осаду та дози ультразвукового впливу. Якщо ультразвукова обробка підвищує аеробну біорозкладність, очисна станція може досягти:
- Більше руйнування летких речовин за існуючий час ферментації
- Аналогічна стабілізація осаду за меншого часу перебування
- Зниження обсягу залишків сухої речовини у продукції
- Додаткова ефективна потужність існуючого аеробного біореактора
- Скорочення обсягів перевезення та утилізації біоосаду
- Підвищення стабільності технологічного процесу в періоди високого вмісту твердих речовин
- Покращення контролю над нитчастими організмами шляхом руйнування флокул та клітин
Вбудовані ультразвукові пристрої Hielscher для простої модернізації
У промислових масштабах, як правило, ефективніше піддавати ультразвуковій обробці потік концентрованого осаду, ніж весь об’єм аеробного реактора. Ультразвукові реактори Hielscher з проточною коміркою підтримують дві практичні конфігурації.
Попередня обробка в лінії подачі WAS
Ультразвукова система встановлюється після згущувача WAS і перед аеробним реактором:
Згущений WAS → подаючий насос → ультразвукова проточна комірка Hielscher → аеробний реактор
Ця система забезпечує подачу заданого масового потоку сухої речовини та створює чітку основу для регулювання питомої потужності ультразвукової енергії.
Схема технологічного процесу: Згущений WAS → подаючий насос → промисловий вбудований у лінію ультразвуковий розбивач Hielscher UIP6000hdT → аеробний біореактор
Рециркуляція з біореактора або побічна очистка
Контрольована фракція осаду перекачується з біореактора або осадопроводу через ультразвуковий апарат і повертається в технологічний процес. Така конфігурація є доцільною, коли існуючий подаючий трубопровід важко модифікувати або коли обробці підлягає лише певна фракція осаду.
Обидві установки можуть бути змонтовані у вигляді компактних блоків, що містять насос, ультразвуковий витратомір, ізолюючі клапани, сервісний байпас, прилади вимірювання тиску та температури, точки відбору проб та засоби управління технологічним процесом. Існуюча реакційна ємність залишається без змін.
Завдяки цьому ультразвукова обробка особливо підходить для модернізації існуючих очисних споруд. Ультразвуковий блок можна встановити в нагнітальному трубопроводі, експлуатувати його автономно та відключати під час перевірки або технічного обслуговування.
Покращуйте аеробне розкладання осаду за допомогою потужного ультразвуку!
Промислові ультразвукові апарати компанії Hielscher забезпечують компактний та масштабований спосіб інтеграції потужного ультразвуку в існуючу лінію обробки осаду (WAS). Потокова обробка в проточній комірці концентрує ультразвукову енергію на потоці осаду, забезпечує відтворюване регулювання дози та може бути спроектована для надійної цілодобової роботи в умовах інтенсивної експлуатації.
Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині
Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.
Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Поширені запитання
Чи сприяє ультразвукова обробка збільшенню обсягу біогазу в аеробному біореакторі?
Ні. Збільшення виходу метану або біогазу є перевагою анаеробного розщеплення. У разі аеробного розщеплення ефективність ультразвукової обробки слід оцінювати за такими показниками: руйнування валової сухих речовин, споживання кисню, тривалість розщеплення, залишкова суха речовина, здатність до зневоднення та загальні витрати.
Де встановлено ультразвукову систему?
Зазвичай система встановлюється в лінію після згущувача WAS і перед аеробним реактором. Вона також може працювати в режимі контрольованого бічного потоку або в контурі рециркуляції реактора. Обхідний канал дозволяє продовжувати перекачування осаду під час технічного обслуговування.
Чому варто використовувати промисловий ультразвуковий апарат з частотою 20 кГц?
Низькочастотний ультразвук високої потужності викликає інтенсивну кавітацію та механічне зсувне зусилля. Це ефективно сприяє руйнуванню флокул осаду, розриву EPS та розриву клітин мікроорганізмів у потоках, що містять як рідину, так і тверді речовини.
Чи може ультразвуковий апарат Hielscher працювати у безперервному режимі?
Так. Лінійка промислових ультразвукових апаратів hdT від компанії Hielscher призначена для безперервної експлуатації в умовах інтенсивного навантаження та відома своєю довговічністю. Реактори з проточною коміркою забезпечують контрольовану обробку в потоці або з рециркуляцією, а автоматичний запис даних сприяє моніторингу процесу та відтворюваності результатів.
Які дані необхідні для розрахунку потужності ультразвукової системи для обробки осаду?
Основними вхідними параметрами є потік WAS, концентрації TS і VS, в’язкість осаду, цільова питома енергія, необхідний ефект очищення, час роботи та доступний тиск. Перед розрахунком повномасштабної установки рекомендується провести пілотні випробування для визначення ефективної дози.
Чи сприяє ультразвукова обробка покращенню зневоднення осаду?
Результат залежить від характеристик осаду та дози. Помірна обробка може покращити процес обробки твердих речовин, тоді як надмірне роздрібнення може призвести до утворення дрібних частинок та розчинних полімерів, які погіршують ефективність уловлювання або утворення осадового шара. Тому випробування зневоднення є важливою складовою оптимізації процесу.
Що кажуть наукові дослідження про ультразвукове розщеплення за методом WAS?
Лабораторні дослідження підтверджують ефективність використання ультразвуку для підвищення доступності та аеробної біорозкладності відходів після очищення стічних вод.
У дослідженні, присвяченому комбінованій лужній та ультразвуковій попередній обробці перед аеробним розкладом, було зазначено, що ступінь розкладу органічної речовини за однакового часу розкладу становив 38,0 % для необробленого осаду та 42,5 % для осаду, що пройшов ультразвукову попередню обробку. Комбінована лужна та ультразвукова попередня обробка підвищила ступінь розкладу до 50,7 %. Цей результат демонструє, що ультразвук сам по собі може покращити аеробний розпад, а також показує, що досяжне поліпшення залежить від стратегії попередньої обробки та характеристик осаду. (див. Jin et al., 2009)
В іншому дослідженні муніципальних стічних вод було зафіксовано підвищення розчинюваності осаду та його аеробної біорозкладності після бактеріального розщеплення за допомогою ультразвуку. Попередньо оброблений осад демонстрував вищу швидкість біорозкладу або розпаду, ніж необроблений контрольний зразок. (див. Kavitha et al. 2016)
Чи сприяє ультразвукова обробка іншим процесам переробки осаду?
Так. Ультразвукова обробка сприяє кільком процесам переробки осаду завдяки руйнуванню флокул, EPS та мікробних клітин:
Анаеробне розщеплення/Виробництво біогазу: прискорює гідроліз, підвищує вміст розчинного ХСК та може покращити розпад органічної речовини та вихід метану.
Рекуперація фосфору: вивільняє зв’язаний у клітинах та органічний фосфор у рідку фазу, покращуючи його доступність для подальшого осадження струвіту або вівіаніту; ультразвук також може посилити вилуговування фосфору із золи осаду.
Література / Список літератури
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.