Різноманітні рішення для рекуперації фосфору з муніципального осаджувального шламму

Фосфор є критично важливою мінеральною сировиною, природні запаси якої швидко виснажуються. У зв’язку з цим уряд Німеччини видав указ, згідно з яким з 2029 року фосфор має бути переважно рекуперований з осаджувального шламму. Застосування потужного ультразвуку відкриває різноманітні можливості для інтенсифікації рекуперації фосфору з муніципального осаджувального шламму.

Очистні споруди для обробки осаджувального шламму та рекуперація фосфору

Фосфор є критично важливим елементом, широко використовуваним як добриво та сировина у тонкій хімічній та фармацевтичній промисловості. Через швидко скорочувані доступні ресурси уряд Німеччини впровадив закон, згідно з яким усі муніципальні очисні споруди повинні вжити заходів для рекуперації фосфору з муніципального осаджувального шламму. Застосування високоефективного ультразвуку пропонує різноманітні варіанти обробки, які значно підвищують ефективність рекуперації фосфору.

Очисні споруди використовують ультразвук для покращеного зброджування шламму та рекуперації поживних речовин, таких як фосфор.

Ультразвукова дезінтеграція осаджувального шламму для покращеної рекуперації фосфору

Опромінення стічних шламів потужними ультразвуковими хвилями, як було чітко продемонстровано, покращує дезінтеграцію біомаси в стічних шламах. Численні дослідницькі роботи показали переваги ультразвукової обробки зневодженого активного шламів, і різні промислові ультразвукові системи працюють на муніципальних очисних спорудах у Німеччині.
Ультразвукова передобробка субстратів у стічних шламах має кілька корисних ефектів для процесів анаеробного зброджування. Ці переваги включають зменшення розміру частинок, підвищення швидкості гідролізу та скорочення часу гідравлічного утримання.
Зсувні сили кавітації, що генеруються високочастотними / низькочастотними ультразвуковими хвилями високої інтенсивності, спричиняють руйнування морфології шламівих пластівців та мікробної структури шламів.
Дослідницька група Нгуєна продемонструвала у своїх дослідженнях, “що застосування ультразвуку є дуже ефективним для зменшення розміру частинок біомаси, досягаючи зменшення до середнього розміру частинок >78,78% пропорційно до тривалості та інтенсивності опромінення ультразвуком. Це вказувало на те, що частинки шламів дезінтегрувалися, а розмір частинок шламів зменшувався, виходячи з оберненої залежності між часом ультразвукової обробки та розміром пластівців. Застосування було високоефективним, незважаючи на те, що спостереження за пластівцями шламів до обробки виявили, що пластівці шламів були щільними та дуже компактними, складалися з багатьох субкомпартментів з компактними ядрами, скупченнями клітин, бактеріальними колоніями, найпростішими та нитчастими бактеріями, серед інших факторів. Аналіз ефлюенту показує, що ультразвуковий процес значно дезінтегрував структурну цілісність пластівців шламів усіх розмірів. Шматочки пластівців зменшилися до ≤6,5 μm за оптимальних умов обробки та розчинилися в суспензії шламів після 5–10 хв ультразвукової обробки з низькою ультразвуковою частотою 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Ефективно дезінтегровані стічні шлами, тобто шлами, оброблені ультразвуком, демонструють значно покращені властивості розділення, що дозволяє видаляти багаті на фосфор фракції з біомаси та гелеподібні фракції, а також воду. Ультразвукова кавітація руйнує клітинні структури біомаси в стічних шламах та сприяє подальшому фракціонуванню на три фракції: (i) багаті на целюлозу волокна, (ii) багатий на поживні речовини гель та (iii) рідина, яка легко піддається бродінню. Ці три фракції шламів можуть бути подальше перероблені, наприклад, для рекуперації фосфору, видалення важких металів тощо.

Ультразвуково інтенсифіковане хімічне осадження фосфору

Ультразвукова обробка є добре відомою технікою, яка вже давно використовується в хімії для успішного та ефективного осадження мінералів, частинок та кристалів. Для рекуперації фосфору зі стічних шламів ультразвукова обробка застосовується для сприяння та прискорення осадження струвіту. Струвіт (магнієво-амоній-фосфат) є фосфатним мінералом з формулою NH₄MgPO₄·6H₂ O, який пропонує просте рішення для видалення фосфору у зв’язаній формі з відходів шламів.
Під час процесу кристалізації / осадження струвіту іони PO₄^3-, NH₄⁺, та Mg²⁺ видаляються з рідкої фази внаслідок осадження струвіту, доки реакція не досягне рівноваги.

Кристали струвіту, осаджені зі свинарських стічних вод.
(зображення та дослідження: ©Kim et al. 2017)

Коли ультразвукова обробка застосовується як передобробка шламів перед процесом осадження струвіту, кавітація, індукована ультразвуком, забезпечує ретельне змішування на молекулярному рівні, надаючи активну площу поверхні для росту кристалів. Збільшення швидкості розчинення екстрацелюлярних та інтрацелюлярних речовин додатково сприяє осадженню струвіту, підвищуючи біодоступність NH₄⁺ та PO₄^3- іонів. Обробка ультразвуком сприяє полегшенню масопереносу в суспензії, що зумовлено ультразвуковою кавітацією.
Ультразвукову обробку також можна застосовувати до рідини після гідротермальної карбонізації, де фосфор рекуперується у вигляді струвіту з цієї рідини за допомогою ультразвуково-асистованої екстракції та осадження.
Дізнайтеся більше про промислову кристалізацію струвіту для рекуперації фосфору з мулу стічних вод!

Соно-Фентон для вивільнення фосфору з мулу стічних вод

Дослідження Gong et al. (2015) продемонстрували ефективність комбінованого ультразвукового–Фентон (також відомого як соно-Фентон) попереднього оброблення для дезінтеграції мулу стічних вод. Застосування обробки ультразвуком–Фентон значно підвищило вивільнення вуглецю, азоту та фосфору. Обробка соно-Фентон збільшила загальний вміст азоту (N) та фосфору (P) у 1,7 та 2,2 раза відповідно порівняно з обробкою лише за методом Фентона. Після обробки соно-Фентон мул демонстрував значно менший розмір частинок і більш рихлу мікроструктуру згідно зі скануючою електронною мікроскопією. З використанням електронного спін-резонансу інтенсивність сигналу OH• зросла з 568,7 при обробці за методом Фентона до 1106,3 після обробки соно-Фентон. Це свідчить про те, що обробка соно-Фентон викликає дезінтеграцію мулу та значно покращує вивільнення органічного вуглецю, азоту та фосфору.

Ультразвуково інтенсифіковані мікробні паливні комірки

Попередня ультразвукова обробка мулу стічних вод сприяє розчиненню різних органічних сполук із матриці мулу, що згодом прискорює мікробну електрогідрогенез.
More і Ghangrekar (2010) пов’язують позитивні ефекти попередньої ультразвукової обробки на мікробні паливні комірки з посиленими ферментативними активностями та доступністю позаклітинних білків, полісахаридів і ферментів, які вивільняються з внутрішніх шарів пластівців мулу до зовнішніх шарів завдяки ультразвуковому сонопорації та руйнуванню клітин, що призводить до підвищення ефективності використання субстрату. Для покращення збору електроенергії з мікробних паливних комірок необхідне покращення здатності бактерій до перенесення електронів на позаклітинну тверду речовину. Такий позаклітинний перенос електронів може відбуватися або через прямий контакт між поверхнею клітини та поверхнею твердої речовини, або опосередковано через так звані екзогенні та ендогенні медіатори. Для прямого переносу електронів між бактеріями та поверхнею електрода електрон повинен досягти зовнішньої мембрани клітини. Це явище, ймовірно, відбулося завдяки попередній ультразвуковій обробці інокуляту, коли специфічна подана енергія була достатньою; отже, сприяючи вищій кулонівській ефективності.
Процес ультразвуково інтенсифікованої мікробної електролізу можна поєднати з подальшими процесами ферментації для обробки мулу.

Соно-електрохімічна обробка мулу стічних вод

Електрокоагуляція – це простий процес, який можна легко застосовувати до стічних вод і який дозволяє ефективно та економічно обробляти великі обсяги. Ультразвукова обробка допомагає подолати основний недолік процесів електрокоагуляції, запобігаючи утворенню пасивуючих шарів на електродах. Пасивні плівки, що утворюються на поверхні електрода з часом, різко знижують ефективність систем електрокоагуляції, а ультразвук є простим методом для безперервного видалення цих пасивуючих шарів під час роботи, водночас ультразвукова обробка збільшує оборотність систем електрокоагуляції. Ультразвукові хвилі руйнують осади, що утворилися на поверхні електрода, і генерують велику кількість радикальних частинок для видалення забруднювачів, створюючи точки високого тиску всередині розчину під час явища кавітації. Поєднуючи електрокоагуляцію з ультразвуком, завдяки створенню нових поверхонь на електроді через кавітацію або мікрострумені, зменшення товщини шару розподілу посилюється за рахунок збільшення швидкостей масопереносу. Соноелектрокоагуляція збільшує кількість утвореного коагулянту порівняно з електрокоагуляцією, а флокуляція покращується завдяки інтенсивному змішуванню та окисненню через утворення вільних радикалів; тому бажану ефективність можна досягти за найкоротший час.
(Moradi et al., 2021)

Переваги соноелектрохімії та соноелектрокоагуляції

«Соноелектрохімія – це поєднання ультразвукової енергії в електрохімічній системі, яке пропонує кілька переваг, включаючи видалення газових бульбашок з поверхні електрода, дегазацію розчину, руйнування дифузійного шару Нернста, посилення масопереносу електроактивних частинок через подвійний шар, а також активацію та очищення поверхні електрода. Ці переваги в електрохімії призводять до покращення ефективності процесів (ефективності електродів та струму), збільшення електрохімічних швидкостей та виходів продукту, зниження напруги комірки та перенапруги електродів, покращення електроосаджених матеріалів з точки зору твердості, якості, пористості та товщини, а також пригнічення забруднення електродів та дегазації на поверхні електрода». (Foroughi et al., 2021)
Дізнайтеся більше про соноелектрохімічне обладнання та його застосування!

Промислові ультразвукові системи для обробки мулу стічних вод

Високопродуктивні системи Hielscher Ultrasonics є надійною «робочою конячкою» на заводах з очищення стічних вод та обробки мулу. Ультразвукові системи Hielscher подають ультразвук високої потужності на частоті 20kHz, що створює інтенсивну акустичну кавітацію. Ефекти нашої високотужної ультразвукової обробки включають руйнування клітин та дезінтеграцію, високий масоперенос, дезінфекцію, розкладання полімерів, вивільнення ферментів та гомогенізацію мулу. Інтенсивна ультразвукова обробка покращує ефективність очищення завдяки генерації окиснювальних радикалів та збільшенню кількості центрів нуклеації, забезпечуючи кращу коагуляцію та флокуляцію. Надійна та безперервна генерація цих інтенсивних сил ультразвукової кавітації та їх ефектів дозволяє інтегрувати наші потужні ультразвукові процесори для різних застосувань з метою покращення вилучення енергії та поживних речовин з мулу стічних вод.

• Ультразвукова дезінтеграція мулу стічних вод
• Ультразвуково інтенсифіковане анаеробне зброджування
• Вилучення цінних поживних речовин (фосфору, азоту, магнію, кальцію, калію тощо)
• Видалення забруднювачів, таких як важкі метали

Пропонуючи ультразвукові процесори з проточними реакторами різних розмірів, Hielscher Ultrasonics має ідеальні ультразвукові системи для обробки стічних вод та мулу для вашого підприємства з переробки мулу стічних вод.
Модульна конструкція дозволяє просто встановлювати кілька ультразвукових установок паралельно, що робить можливою надійну та ефективну обробку будь-якого обсягу.
Ультразвукові системи Hielscher високої потужності / високої пропускної здатності підвищують ефективність та вихід при обробці біомаси в мулі стічних вод.
Усі наші ультразвукові реактори мають функцію очищення на місці (CIP).
Підходить для складних обробок: мул стічних вод часто містить волокнисті матеріали з високим вмістом целюлози, які важко розщепити. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Такі високі амплітуди є ефективним способом руйнування клітинної структури целюлоз, лігніну та міцних клітинних стінок інших матеріалів. Оптимізована конструкція наших проточних реакторів забезпечує ідеальні потокові моделі та однорідну, ефективну ультразвукову обробку подаваного мулу.

Ми співпрацюємо з системними інтеграторами та інженерами заводів з переробки мулу стічних вод

Як виробник і системний інтегратор високопродуктивних модульних ультразвукових установок, Hielscher Ultrasonics співпрацює з системними інтеграторами. Більшість операторів заводів з очищення стічних вод та переробки мулу стічних вод працюють із системними інтеграторами, які мають великий досвід у проєктуванні та автоматизації таких очисних споруд. Наша команда інженерів-конструкторів та технічних інженерів рекомендує оптимальну ультразвукову конфігурацію для цільового об’єму мулу, надає детальну системну інформацію, креслення CAD, а також послуги з монтажу та навчання з експлуатації. Це забезпечує конструктивну та цілеспрямовану реалізацію інтеграції високопродуктивного ультразвуку на заводах з очищення стічних вод. Зверніться до нас, якщо вас цікавить інтеграція наших ультразвукових процесорів для покращення обробки мулу!

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових реакторів:

Зверніться до нас зараз, щоб отримати більше деталей про ультразвукові системи обробки мулу стічних вод Hielscher, варіанти встановлення та технічну інформацію!