Ультразвукова обробка для аеробного зневоднення надлишкового активного мулу
Високопотужна ультразвукова обробка руйнує надлишковий активний мул (WAS) перед або під час аеробного зневоднення. Акустична кавітація руйнує пластівці мулу, порушує позаклітинні полімерні речовини та відкриває мікробні клітини. Це робить раніше захищену органічну речовину більш доступною для аеробного метантенку.
Для аеробного процесу метою не є збільшення виробництва біогазу. Підвищення виходу метану актуальне для анаеробного зневоднення. В аеробному метантенку відповідними показниками ефективності є руйнування летких твердих речовин, споживання кисню, час зневоднення, залишкові сухі речовини, зневоднюваність та загальні експлуатаційні витрати.
Промислові ультразвукові реактори Hielscher інтегруються в лінію перекачування WAS або в контур рециркуляції метантенка. Ультразвукові проточні реактори концентрують обробку на визначеному потоці мулу та дозволяють контролювати процес за потужністю, потоком, концентрацією твердих речовин, тиском і температурою. Результатом є компактне дообладнання, яке може додати ультразвукове руйнування мулу без заміни існуючого аеробного метантенка.
Промисловий ультразвуковий inline flow-skid від Hielscher для обробки згущеного WAS
Чому надлишковий активний мул важко піддається зневодненню
Надлишковий активний мул – це надлишкові біологічні тверді речовини, які видаляються з процесу очищення стічних вод за допомогою активного мулу. Він містить мікроорганізми, позаклітинні полімерні речовини (EPS), захоплену органічну речовину та інертні тверді речовини.
У вторинному відстійнику осаджений активний мул розділяється на два потоки:
- Повернений активний мул (RAS) повертається в аеротенк для підтримання необхідної концентрації біомаси.
- Надлишковий активний мул (WAS) видаляється з процесу очищення рідини та надходить на згущення, стабілізацію, зневоднення або зневоднювання.
WAS містить високу частку мікробного клітинного матеріалу. Значна частина його біорозкладного органічного вмісту оточена клітинними стінками або зв’язана всередині компактних пластівців мулу. Цей фізичний захист уповільнює природний лізис клітин та гідроліз.
Під час аеробного зневоднення кисень подається, коли мало нової їжі доступно. Мікроорганізми переходять до ендогенного дихання та споживають запасені матеріали, мертві клітини та інші біорозкладні компоненти мулу. Мета полягає в стабілізації мулу, зменшенні потенціалу запаху та зниженні кількості летких твердих речовин, які потрібно зневоднювати та утилізувати.
Швидкість зневоднення часто обмежена доступністю до субстрату. Метантенк може мати активні мікроорганізми та достатній час перебування, але органічна речовина всередині цілих клітин і щільних пластівців залишається важкодоступною.
Порівняння необроблених пластівців із мулом після ультразвукової обробки: ультразвукова обробка значно зменшує розмір пластівців.
Дослідження та зображення: ©Chu et al. 2001
Як ультразвукова кавітація відкриває WAS для аеробного зневоднення
Промислові ультразвукові реактори Hielscher працюють на частоті 20kHz і генерують інтенсивну акустичну кавітацію в потоках рідини та суспензії. Бульбашки кавітації утворюються, ростуть і колапсують всередині мулу. Їхній колапс створює потужні локальні зсувні сили, які діють безпосередньо на пластівці, EPS та мікробні клітини.
Ультразвукова обробка викликає три важливі зміни у WAS:
Руйнування пластівців
Кавітація руйнує агрегати мулу та відкриває поверхні, які раніше були оточені позаклітинними полімерними речовинами (EPS). Оброблений мул містить менші частинки та більшу доступну площу поверхні.
Руйнування EPS та клітин
Ультразвукова дисинтеграція підвищує аеробну біорозкладність муніципального надлишкового активного мулу, руйнуючи жорсткі пластівці мулу та вивільняючи захоплену органічну речовину. Ультразвукова кавітація руйнує клітинні мембрани та клітинні стінки. Білки та вуглеводи, а також інші внутрішньоклітинні сполуки переходять у рідку фазу.
Підвищена біодоступність
Аеробні мікроорганізми можуть легше споживати розчинні та дрібно подрібнені органічні речовини, ніж цілі мікробні клітини та компактні пластівці. Тому ультразвукова обробка виконує частину роботи з лізису та гідролізу механічно перед етапом біологічного окиснення.
Ультразвукова обробка спрямована на щільну захисну матрицю стічних шламів, щоб зробити мікробне травлення значно швидшим і ефективнішим. Це зазвичай спостерігається як збільшення розчинного хімічного споживання кисню (SCOD).
Промисловий ультразвуковий проточний реактор для покращеного травлення WAS
Переваги ультразвукової обробки на аеробних станціях травлення
Результат залежить від шламів та дози ультразвуку. Коли ультразвукова обробка підвищує аеробну біорозкладність, станція очищення стічних вод може отримати:
- Більше руйнування летких твердих речовин при існуючому часі травлення
- Порівнянну стабілізацію шламів при коротшому часі перебування
- Менше виробництво залишкових сухих речовин
- Додаткову ефективну місткість від існуючого аеробного метантенка
- Зменшення вивезення та утилізації біошламів
- Покращену стабільність процесу під час періодів високого навантаження твердими речовинами
- Кращий контроль нитчастих організмів через руйнування пластівців і клітин
Інлайн-соникатори Hielscher для легкого дооснащення
У повномасштабному режимі зазвичай ефективніше піддавати ультразвуковій обробці концентрований потік шламів, ніж весь об’єм аеробного метантенка. Проточні коміркові реактори Hielscher підтримують дві практичні конфігурації.
Попередня обробка лінії подачі WAS
Ультразвукова система встановлюється після згущення WAS і перед аеробним метантенком:
Згущений WAS -> живильний насос -> ультразвукова проточна комірка Hielscher -> аеробний метантенк
Така схема обробляє визначений масовий потік сухих речовин і забезпечує чітку основу для контролю специфічного входу ультразвукової енергії.
Схема потоку: Згущений WAS -> живильний насос -> промисловий інлайн-соникатор Hielscher UIP6000hdT -> аеробний метантенк
Рециркуляція метантенка або обробка бічного потоку
Контрольована частина шламів перекачується з метантенка або лінії шламів через соникатор і повертається у процес. Ця конфігурація корисна, коли існуючу лінію подачі важко модифікувати або коли слід обробити лише вибрану частину шламів.
Обидві схеми можуть бути встановлені як компактні скіди з насосом, ультразвуковою проточною коміркою, ізоляційними клапанами, обхідною лінією для обслуговування, вимірюванням тиску та температури, точками відбору проб і процесними контролерами. Існуючий корпус метантенка залишається незмінним.
Це робить ультразвукову обробку особливо придатною для дооснащення існуючих станцій очищення стічних вод. Скід ультразвукової системи можна встановити в напірній лінії, експлуатувати незалежно та обходити під час інспекції або обслуговування.
Покращуйте аеробну дезінтеграцію шламів за допомогою потужного ультразвуку!
Промислові соникатори Hielscher забезпечують компактний і масштабований метод інтеграції високопотужного ультразвуку в існуючу лінію обробки WAS. Інлайн-обробка в проточній комірці концентрує ультразвукову енергію на потоці шламів, підтримує відтворюваний контроль дози та може бути спроектована для надійної цілодобової (24/7) важкої експлуатації.
Дизайн, виробництво та консалтинг – Якість, вироблена в Німеччині
Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові гомогенізатори в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими гомогенізаторами Hielscher.
Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручність використання. Звичайно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE та UL, CSA і RoHs.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для застосувань змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторному, пілотному та промисловому масштабах.
Часто задавані питання
Чи виробляє ультразвукова обробка більше біогазу в аеробному метантенку?
Ні. Збільшення виходу метану або біогазу є перевагою анаеробного зброджування. Для аеробного зброджування ефективність ультразвукової обробки слід оцінювати за руйнуванням LV, споживанням кисню, тривалістю зброджування, залишковими сухими речовинами, зневоднюваністю та загальними витратами.
Де встановлюється ультразвукова система?
Система зазвичай встановлюється в лінії після згущення WAS і перед аеробним метантенком. Вона також може працювати в контрольованому бічному потоці або контурі рециркуляції метантенка. Сервісний байпас дозволяє продовжувати перекачування шламів під час обслуговування.
Чому використовують промисловий соникатор 20kHz?
Низькочастотний високоефективний ультразвук генерує інтенсивну кавітацію та механічний зсув. Це ефективно для руйнування пластівців шламів, порушення EPS і відкривання мікробних клітин у рідко-твердих потоках.
Чи може соникатор Hielscher працювати безперервно?
Так. Промислові лінії соникаторів Hielscher hdT розроблені для безперервної роботи в важких умовах і відомі своєю довговічністю. Реактори з проточною коміркою забезпечують контрольовану обробку в лінії або при рециркуляції, тоді як автоматичне реєстрування даних підтримує моніторинг процесу та відтворюваність.
Які дані потрібні для розрахунку розміру ультразвукової системи для шламів?
Основними вхідними даними є витрата WAS, концентрації TS і VS, в’язкість шламів, цільова специфічна енергія, необхідний ефект обробки, години роботи та наявний тиск. Для визначення корисної дози перед повномасштабним розрахунком розміру рекомендується пілотне тестування.
Чи покращує ультразвукова обробка зневоднення шламів?
Результат залежить від характеристик шламів і дози. Помірна обробка може покращити процес обробки твердих речовин, тоді як надмірне руйнування може генерувати дрібні частинки та розчинні полімери, які погіршують захоплення або вміст твердих речовин у кекі. Тому випробування на зневоднення є невід’ємною частиною оптимізації процесу.
Що кажуть наукові дослідження про ультразвукове зброджування WAS?
Лабораторні дослідження підтверджують використання ультразвуку для підвищення доступності та аеробної біорозкладності WAS.
У дослідженні комбінованої лужної та ультразвукової попередньої обробки перед аеробним зброджуванням деградація органічної речовини за однаковий час зброджування становила 38,0% для необробленого шламів і 42,5% для шламів, попередньо оброблених ультразвуком. Комбінована лужна та ультразвукова попередня обробка збільшила деградацію до 50,7%. Результат демонструє, що ультразвук сам по собі може покращити аеробну деградацію, а також показує, що досяжне покращення залежить від стратегії попередньої обробки та характеристик шламів. (див. Jin et al., 2009)
Інше дослідження муніципального WAS повідомило про підвищену розчинність шламів та аеробну біорозкладність після ультразвукової бактеріальної дезінтеграції. Попередньо оброблений шлам показав вищу швидкість біорозкладання або розпаду, ніж необроблений контрольний зразок. (див. Kavitha et al. 2016)
Чи підтримує ультразвукова обробка інші процеси зневоднення шламів?
Так. Ультразвукова обробка підтримує кілька процесів обробки шламів, руйнуючи пластівці, EPS і мікробні клітини:
Анаеробне зброджування/Виробництво біогазу: прискорює гідроліз, збільшує розчинний ХСК і може покращити руйнування LV та вихід метану.
Відновлення фосфору: вивільняє клітинно-зв’язаний та органічний фосфор у рідку фазу, покращуючи доступність для подальшого осадження струвіту або вівіаніту; ультразвук також може інтенсифікувати вилуговування фосфору з золи шламів.
Література / Посилання
- 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 від лабораторного до промислового розміру.