Різні рішення для відновлення фосфору з мулу міських стічних вод

Фосфор є критично важливим ресурсним мінералом, природні запаси якого швидко зменшуються. Отже, уряд Німеччини постановив своїм указом, що з 2029 року фосфор має значною мірою відновлюватися з осаду стічних вод. Впровадження енергетичного ультразвуку відкриває різні можливості для інтенсифікації відновлення фосфору з муніципального осаду стічних вод.

Установки для очищення осадів стічних вод та переробка фосфору

Фосфор є найважливішим елементом, широко використовується як добриво і сировина в тонкій хімічній і фармацевтичній промисловості. У зв'язку зі швидким скороченням наявних ресурсів уряд Німеччини запровадив закон, згідно з яким усі муніципальні очисні споруди повинні встановити вимірювання для відновлення фосфору з мулу муніципальних стічних вод. Впровадження високоефективного ультразвуку пропонує різні варіанти лікування, які значно підвищують ефективність відновлення фосфору.

Очисні споруди використовують ультразвук для покращення перетравлення мулу та відновлення поживних речовин, таких як фосфор.

Ультразвукове розпад осаду стічних вод для кращого відновлення форсфору

Було чітко продемонстровано, що опромінення осаду стічних вод потужними ультразвуковими хвилями покращує розпад біомаси в осаді стічних вод. Численні дослідження показали переваги ультразвукової обробки відходів активним мулом, а на муніципальних очисних спорудах Німеччини працюють різні промислові ультразвукові системи.
Ультразвукова попередня обробка субстратів в осаді стічних вод має ряд сприятливих ефектів для процесів анаеробного зброджування. Ці переваги включають зменшення розміру частинок, збільшення швидкості гідролізу та скорочення часу гідравлічного утримання.
Кавітаційні зсувні сили, що генеруються ультразвуковими хвилями високої інтенсивності / низької частоти, викликають розпад морфології шламових пластівців і мікробної структури мулу.
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)
Ефективно розпадається осад стічних вод, тобто Ультразвуковий мул, демонструє значно покращені сепараційні властивості, що дозволяє видаляти з біомаси багаті на фосфор фракції та гелеподібні фракції, а також воду. Ультразвукова кавітація руйнує клітинні структури біомаси в осаді стічних вод і сприяє подальшому фракціонуванню на три фракції (i) клітковини, багатої целюлозою, (ii) гелю, багатого поживними речовинами, і (iii) рідини, яка легко ферментується. Ці три фракції мулу можуть бути додатково оброблені, наприклад, для відновлення фосфору, видалення важких металів тощо.

Ультразвукове посилене волого-хімічне осадження фосфору

Ультразвук є добре відомою технікою, яка з давніх-давен використовується в хімії для ефективного та ефективного осадження мінералів, частинок і кристалів. Для відновлення фосфору з осаду стічних вод застосовують ультразвуковий розчин з метою сприяння і прискорення випадання струвіту в осад. Струвіт (фосфат амонію магнію) — фосфатний мінерал з формулою NH₄MgPO₄·6 год₂ O, який пропонує просте рішення для видалення фосфору у зв'язаній формі з відпрацьованого мулу.
Під час процесу кристалізації/осадження струвіту іони PO₄^3-, Пн.₄⁺, і Mg²⁺ видаляються з рідкої фази за рахунок струвітних опадів, поки реакція не досягне рівноваги.

Кристали струвіту випадали в осад зі стоків свиней.
(ілюстрація та дослідження: ©Kim et al. 2017)

Коли ультразвук застосовується у вигляді попередньої обробки осаду перед процесом осадження струвіту, ультразвуково індукована кавітація забезпечує ретельне перемішування на молекулярному рівні, забезпечуючи активну поверхневу площу для росту кристалів. Збільшення швидкості розчинення позаклітинних і внутрішньоклітинних речовин додатково сприяє струвітному осадженню за рахунок збільшення біодоступності NH₄⁺ та PO₄^3- Іонів. В результаті ультразвукового лікування відбувається полегшення перенесення маси через суспензію, що викликається ультразвуковою кавітацією.
Ультразвук також може бути застосований до гідротермального карбонізатора лугу, де фосфор переробляється у вигляді струвіту з гідротермального карбонізатора лугу шляхом ультразвукової екстракції та осадження.
Читати далі про великомасштабні струвітні опади для відновлення фосфору з осаду стічних вод!

Соно-фентон для виділення фосфору з осаду стічних вод

Дослідження Gong et al. (2015) продемонструвало ефективність комбінованої попередньої обробки ультразвуком – Фентоном (також відомою як соно-фентон) для розпаду осаду стічних вод. Застосування ультразвукового лікування – Фентоном значно збільшує виділення вуглецю, азоту і фосфору. Обробка соно-фентоном збільшила загальний азот (N) і фосфор (P) в 1,7 і 2,2 раза відповідно, якщо порівнювати тільки з лікуванням фентоном. Після обробки Соно-Фентон мул показав значно дрібніший розмір частинок і більш пухку мікроструктуру на основі скануючої електронної мікроскопії. Використовуючи електронний спіновий резонанс, найвища інтенсивність сигналу OH• зросла з 568,7 при обробці Фентона до 1106,3 після лікування соно-фентоном. Це продемонструвало, що обробка соно-фентоном викликає розпад мулу та значно покращує вивільнення органічного вуглецю, азоту та фосфору.

Ультразвуково інтенсифіковані мікробні паливні елементи

Ультразвукова попередня обробка осадів стічних вод сприяє розчиненню різних органічних сполук з матриці мулу, що згодом прискорює мікробний електрогідрогенез.
More та Ghangrekar (2010) сприяють сприятливому впливу попередньої ультразвукової обробки на мікробні паливні клітини для посилення ферментативної активності та доступності позаклітинних білків, полісахаридів та ферментів, які вивільняються з внутрішніх шарів осадових пластів у зовнішні шари шляхом ультразвукового сонопорації та руйнування клітин, що призводить до підвищення ефективності використання субстрату. Для поліпшення збору електроенергії з мікробних паливних елементів необхідне поліпшення здатності бактерій до позаклітинної твердої речовини електронів. Це позаклітинне перенесення електронів може відбуватися або в безпосередньому контакті між поверхнею клітини і твердою поверхнею, або опосередковано через так звані екзогенні та ендогенні медіатори. Для прямого перенесення електронів між бактеріями і поверхнею електрода електрон повинен досягати зовнішньої мембрани клітини. Це явище могло виникнути внаслідок попередньої ультразвукової обробки, проведеної інокуляту, коли питома енергія, що подається, була достатньою; отже, сприяючи більш високій кулонівській ефективності.
Інтенсифікований ультразвуком процес мікробного електролізу може бути поєднаний з подальшими процесами ферментації для обробки мулу.

Соноелектрохімічна обробка осаду стічних вод

Електрокоагуляція – це простий процес, який легко застосовується до стічних вод і дозволяє ефективно та економічно обробляти великі обсяги. Ультразвук допомагає подолати основний недолік процесів електрокоагуляції за рахунок запобігання утворенню пасивуючих шарів з електродів. Пасивні плівки, що утворюються на поверхні електрода з часом, різко знижують ефективність систем електрокоагуляції, а ультразвук є легким методом безперервного видалення цих пасивуючих шарів під час роботи, в той же час ультразвук збільшує оборот систем електрокоагуляції. Ультразвукові хвилі, розщеплюючи відкладення, що утворилися на поверхні електрода, генерують велику кількість радикальних видів для видалення забруднюючих речовин шляхом створення точок високого тиску всередині розчину під час явища кавітації. Поєднуючи електрокоагуляцію з ультразвуковою, за рахунок створення нових поверхонь на електроді шляхом кавітації або мікропотокового випромінювання зменшення товщини розподільного шару посилюється за рахунок збільшення швидкостей масообміну. Соноелектрокоагуляція збільшує кількість утворення коагулянту в порівнянні з електрокоагуляцією, а флокуляція посилюється при екстремальному перемішуванні і окисленні шляхом утворення вільних радикалів; Тому досягти бажаної ефективності можна в найкоротші терміни.
(Мораді та ін., 2021)

Переваги соноелектрохімії та соноелектрокоагуляції

«Соноелектрохімія — це комбінація ультразвукової енергії в електрохімічній системі, яка пропонує кілька переваг, включаючи видалення бульбашок газу на поверхні електрода, дегазацію розчину, руйнування дифузійного шару Нернста, посилення масового транспорту електроактивних видів через подвійний шар, а також активацію та очищення поверхні електрода. Ці переваги в електрохімії призводять до підвищення ефективності процесу (ефективність електродів і струмів), збільшення електрохімічних швидкостей і виходів, зниження напруги елементів і перепотенціалів електродів, поліпшення електроосаджених матеріалів з точки зору твердості, якості, пористості та товщини, а також придушення забруднення електродами та дегазації на поверхні електрода». (Фороуї та ін., 2021)
Дізнайтеся більше про соноелектрохімічне обладнання та його застосування!

Промислові ультразвукові системи для обробки осадів стічних вод

Високопродуктивні системи Hielscher Ultrasonics є надійною робочою конячкою на станціях очищення стічних вод і осаду стічних вод. Ультразвукові системи Hielscher видають ультразвук високої потужності на частоті 20 кГц, що створює інтенсивну акустичну кавітацію. Ефекти нашої високопотужної ультразвукової обробки включають руйнування та розпад клітин, високу масу, дезінфекцію, розкладання полімерів, вивільнення ферментів та гомогенізацію мулу. Високоінтенсивна ультразвукова діагностика підвищує ефективність лікування за рахунок генерації окислювальних радикалів та збільшення ділянок зародження, забезпечуючи кращу коагуляцію та флокуляцію. Надійна та безперервна генерація цих інтенсивних сил ультразвукової кавітації та її ефекти дозволяють інтегрувати наші потужні ультразвукові процесори для різних застосувань з метою покращення збору енергії та поживних речовин з осаду стічних вод.

• Ультразвуковий розпад осаду стічних вод
• Ультразвукове інтенсифіковане анаеробне травлення
• Відновлення цінних поживних речовин (фосфору, азоту, магнію, кальцію, калію та ін.)
• Видалення забруднюючих речовин, таких як важкі метали

Пропонуючи ультразвукові процесори з проточними реакторами різних розмірів, компанія Hielscher Ultrasonics має ідеальні ультразвукові системи переробки відходів та шламу для вашої установки осаду стічних вод.
Модульна конструкція дозволяє легко встановлювати кілька ультразвукових установок паралельно, що робить можливим надійне та ефективне лікування будь-якого обсягу.
Ультразвукові системи високої потужності / високої пропускної здатності Hielscher підвищують ефективність і продуктивність при обробці біомаси в осаді стічних вод.
Всі наші ультразвукові апарати оснащені системою очищення на місці (CIP).
Підходить для вимогливих обробок: осад стічних вод часто містить волокнисті матеріали з високим вмістом целюлози, які важко розщеплюються. Ультразвук Hielscher’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Такі високі амплітуди є ефективним способом порушення клітинної структури целюлози, лігніну та міцних клітинних стінок інших матеріалів. Оптимізована конструкція наших реакторів з проточними комірками забезпечує ідеальні схеми потоку та рівномірну, ефективну ультразвукову обробку шламу, що подається.

Працюємо з системними інтеграторами та інженерами каналізаційних шламових заводів

Як виробник і розробник систем високопродуктивних ультразвукових модульних блоків, компанія Hielscher Ultrasonics співпрацює з системними інтеграторами. Більшість операторів станцій очищення стічних вод і осадів стічних вод працюють з системними інтеграторами, які мають великий досвід проектування та автоматизації таких очисних споруд. Наша команда інженерів-проектувальників та технічних інженерів рекомендує оптимальну ультразвукову конфігурацію для цільового обсягу мулу, надає детальну інформацію про систему, креслення CAD, а також послуги з монтажу та експлуатаційне навчання. Це дозволяє конструктивно та цілеспрямовано реалізувати інтеграцію високоефективного ультразвуку в очисні споруди. Будь ласка, зв'яжіться з нами, якщо ви зацікавлені в інтеграції наших ультразвукових процесорів для покращеної обробки осаду!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

Зв'яжіться з нами зараз, щоб отримати більш детальну інформацію про ультразвукові системи очищення осаду стічних вод Hielscher, варіанти встановлення та технічну інформацію!