Các giải pháp khác nhau để thu hồi phốt pho từ bùn thải đô thị

Phốt pho là một tài nguyên khoáng sản thiết yếu có nguồn cung tự nhiên đang suy giảm nhanh chóng. Do đó, chính phủ Đức đã ban hành nghị định quy định rằng từ năm 2029, phần lớn phốt pho phải được thu hồi từ bùn thải. Việc ứng dụng siêu âm công suất cao mở ra nhiều phương án để tăng cường thu hồi phốt pho từ bùn thải đô thị.

Các nhà máy xử lý bùn thải và tái chế phốt pho

Phốt pho là một nguyên tố thiết yếu, được sử dụng rộng rãi làm phân bón và nguyên liệu trong ngành công nghiệp hóa chất tinh khiết và dược phẩm. Do nguồn tài nguyên phốt pho sẵn có đang thu hẹp nhanh chóng, chính phủ Đức đã ban hành luật yêu cầu tất cả các nhà máy xử lý nước thải đô thị phải thiết lập các biện pháp thu hồi phốt pho từ bùn thải đô thị. Việc ứng dụng siêu âm hiệu năng cao mang lại nhiều phương án xử lý giúp tăng đáng kể hiệu suất thu hồi phốt pho.

Các nhà máy xử lý nước thải sử dụng siêu âm để cải thiện quá trình phân hủy bùn và thu hồi các chất dinh dưỡng như phốt pho.

Phân rã bùn thải bằng siêu âm để cải thiện khả năng thu hồi phốt pho

Việc chiếu các sóng siêu âm mạnh vào bùn thải đã được chứng minh rõ ràng là cải thiện khả năng phân rã sinh khối trong bùn thải. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy lợi ích của việc xử lý bùn hoạt tính dư bằng siêu âm, và nhiều hệ thống siêu âm công nghiệp đang vận hành tại các nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Đức.
Tiền xử lý các cơ chất trong bùn thải bằng siêu âm mang lại một số tác động có lợi cho quá trình phân hủy kỵ khí. Những lợi ích này bao gồm giảm kích thước hạt, tăng tốc độ thủy phân và rút ngắn thời gian lưu thủy lực.
Các lực cắt do xâm thực được tạo ra bởi sóng siêu âm cường độ cao / tần số thấp phá vỡ hình thái bông bùn và cấu trúc vi sinh vật của bùn.
Nhóm nghiên cứu của Nguyen đã chứng minh trong các nghiên cứu của họ “rằng việc ứng dụng siêu âm rất hiệu quả trong việc giảm kích thước hạt sinh khối, đạt mức giảm xuống kích thước hạt trung bình >78,78% tỷ lệ thuận với thời gian và cường độ chiếu siêu âm. Điều này cho thấy các hạt bùn đã phân rã và kích thước hạt bùn giảm, dựa trên mối quan hệ tỷ lệ nghịch giữa thời gian xử lý siêu âm và kích thước hạt bông bùn. Phương pháp này đạt hiệu quả rất cao, mặc dù các quan sát bông bùn trước khi xử lý cho thấy bông bùn dày đặc và rất chặt, bao gồm nhiều ngăn nhỏ với lõi đặc, các cụm tế bào, khuẩn lạc, động vật nguyên sinh và vi khuẩn dạng sợi, cùng các thành phần khác. Phân tích dòng thải đầu ra cho thấy quá trình siêu âm đã phá vỡ đáng kể tính toàn vẹn cấu trúc của bông bùn ở mọi kích thước. Các mảnh bông bùn được giảm xuống kích thước nhỏ tới ≤6,5 μm trong điều kiện xử lý tối ưu và được hòa tan trong huyền phù bùn sau 5–10 min xử lý siêu âm ở tần số siêu âm thấp là 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Bùn thải được phân rã hiệu quả, tức là bùn đã được xử lý siêu âm, có các đặc tính phân tách được cải thiện đáng kể, cho phép tách các phân đoạn giàu phốt pho khỏi sinh khối, các phân đoạn dạng gel cũng như nước. Hiện tượng xâm thực siêu âm phá vỡ cấu trúc tế bào của sinh khối trong bùn thải và tạo thuận lợi cho quá trình phân tách tiếp theo thành ba phân đoạn: (i) sợi giàu cellulose, (ii) gel giàu chất dinh dưỡng và (iii) chất lỏng dễ lên men. Ba phân đoạn bùn này có thể được xử lý tiếp, ví dụ để thu hồi phốt pho, loại bỏ kim loại nặng, v.v.

Kết tủa phốt pho bằng phương pháp hóa học ướt được tăng cường bằng siêu âm

Xử lý siêu âm là một kỹ thuật nổi tiếng đã được sử dụng từ lâu trong hóa học để kết tủa thành công và hiệu quả các khoáng chất, hạt và tinh thể. Để thu hồi phốt pho từ bùn thải, siêu âm được áp dụng nhằm thúc đẩy và đẩy nhanh quá trình kết tủa struvite. Struvite (magiê amoni photphat) là một khoáng vật photphat có công thức NH₄MgPO₄·6H₂ O, mang lại một giải pháp đơn giản để loại bỏ phốt pho ở dạng liên kết khỏi bùn thải.
Trong quá trình kết tinh / kết tủa struvite, các ion PO₄^3-, NH₄⁺, và Mg²⁺ được loại khỏi pha lỏng nhờ sự kết tủa struvite, cho đến khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng.

Các tinh thể struvite được kết tủa từ nước thải chăn nuôi lợn.
(hình ảnh và nghiên cứu: ©Kim et al. 2017)

Khi siêu âm được áp dụng để tiền xử lý bùn trước quá trình kết tủa struvite, hiện tượng xâm thực do siêu âm gây ra tạo sự trộn kỹ ở cấp độ phân tử, cung cấp diện tích bề mặt hoạt động cho sự phát triển tinh thể. Việc tăng tốc độ hòa tan các chất ngoại bào và nội bào còn hỗ trợ quá trình kết tủa struvite bằng cách tăng khả dụng sinh học của NH₄⁺ và PO₄^3- ion. Quá trình xử lý bằng siêu âm giúp tăng cường truyền khối trong huyền phù nhờ hiện tượng xâm thực siêu âm.
Siêu âm cũng có thể được áp dụng cho dịch cacbon hóa thủy nhiệt, trong đó phốt pho được thu hồi dưới dạng struvite từ dịch cacbon hóa thủy nhiệt thông qua quá trình chiết xuất và kết tủa có hỗ trợ siêu âm.
Đọc thêm về quá trình kết tủa struvite quy mô lớn để thu hồi phốt pho từ bùn thải!

Sono-Fenton để giải phóng phốt pho từ bùn thải

Nghiên cứu của Gong và cộng sự (2015) đã chứng minh hiệu quả của quá trình tiền xử lý kết hợp siêu âm–Fenton (còn gọi là sono-Fenton) trong việc phân rã bùn thải. Việc áp dụng xử lý siêu âm–Fenton làm tăng đáng kể lượng cacbon, nitơ và phốt pho được giải phóng. Xử lý sono-Fenton làm tăng tổng lượng nitơ (N) và phốt pho (P) lần lượt lên 1,7 và 2,2 lần so với chỉ xử lý Fenton. Sau khi xử lý sono-Fenton, bùn có kích thước hạt nhỏ hơn đáng kể và cấu trúc vi mô lỏng lẻo hơn, theo quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét. Khi sử dụng phương pháp cộng hưởng spin điện tử, cường độ tín hiệu OH• cao nhất tăng từ 568,7 khi xử lý Fenton lên 1106,3 sau khi xử lý sono-Fenton. Điều này chứng minh rằng xử lý sono-Fenton gây phân rã bùn và cải thiện đáng kể sự giải phóng cacbon hữu cơ, nitơ và phốt pho.

Pin nhiên liệu vi sinh được tăng cường bằng siêu âm

Tiền xử lý bùn thải bằng siêu âm thúc đẩy sự hòa tan của nhiều hợp chất hữu cơ từ nền bùn, từ đó đẩy nhanh quá trình điện sinh hydro bằng vi sinh vật.
More và Ghangrekar (2010) cho rằng những tác động có lợi của quá trình tiền xử lý bằng siêu âm đối với pin nhiên liệu vi sinh là nhờ hoạt tính enzym được tăng cường và sự sẵn có của các protein, polysaccharide và enzym ngoại bào, vốn được giải phóng từ các lớp bên trong của bông bùn ra các lớp bên ngoài thông qua quá trình tạo lỗ trên màng tế bào và phá vỡ tế bào bằng siêu âm, từ đó cải thiện hiệu suất sử dụng cơ chất. Để cải thiện việc thu điện từ pin nhiên liệu vi sinh, cần nâng cao khả năng truyền electron của vi khuẩn đến một chất rắn ngoại bào. Quá trình truyền electron ngoại bào này có thể diễn ra thông qua tiếp xúc trực tiếp giữa bề mặt tế bào và bề mặt chất rắn hoặc gián tiếp thông qua các chất được gọi là chất trung gian ngoại sinh và nội sinh. Để truyền electron trực tiếp giữa vi khuẩn và bề mặt điện cực, electron phải đến được màng ngoài của tế bào. Hiện tượng này có thể đã xảy ra nhờ tiền xử lý chế phẩm giống vi sinh bằng siêu âm khi năng lượng riêng được cung cấp là đủ; do đó tạo điều kiện đạt hiệu suất Coulomb cao hơn.
Quá trình điện phân vi sinh được tăng cường bằng siêu âm có thể được kết hợp với các quá trình lên men tiếp theo để xử lý bùn.

Xử lý bùn thải bằng điện hóa kết hợp siêu âm

Keo tụ điện hóa là một quá trình đơn giản, có thể dễ dàng áp dụng cho nước thải và cho phép xử lý thể tích lớn một cách hiệu quả với chi phí hợp lý. Xử lý bằng siêu âm giúp khắc phục nhược điểm chính của các quá trình keo tụ điện hóa bằng cách ngăn chặn sự hình thành các lớp thụ động hóa trên điện cực. Các màng thụ động hình thành trên bề mặt điện cực theo thời gian làm giảm mạnh hiệu quả của hệ thống keo tụ điện hóa, và siêu âm là một phương pháp đơn giản để liên tục loại bỏ các lớp thụ động hóa này trong quá trình vận hành, đồng thời làm tăng năng suất xử lý của hệ thống keo tụ điện hóa. Sóng siêu âm phá vỡ các chất lắng đọng hình thành trên bề mặt điện cực và tạo ra lượng lớn các gốc tự do để loại bỏ chất ô nhiễm bằng cách tạo ra các điểm áp suất cao bên trong dung dịch trong quá trình xâm thực. Khi kết hợp keo tụ điện hóa với siêu âm, sự hình thành các bề mặt mới trên điện cực do xâm thực hoặc dòng chảy vi mô làm tăng tốc độ truyền khối, qua đó làm giảm hơn nữa độ dày của lớp phân bố. Keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm làm tăng lượng chất keo tụ được hình thành so với keo tụ điện hóa, đồng thời quá trình tạo bông được tăng cường nhờ sự trộn cực mạnh và quá trình oxy hóa do sự hình thành các gốc tự do; do đó có thể đạt được hiệu quả mong muốn trong thời gian ngắn nhất.
(Moradi et al., 2021)

Ưu điểm của điện hóa kết hợp siêu âm và keo tụ điện hóa kết hợp siêu âm

“Điện hóa kết hợp siêu âm là sự kết hợp năng lượng siêu âm vào một hệ thống điện hóa, mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm loại bỏ bọt khí trên bề mặt điện cực, khử khí trong dung dịch, phá vỡ lớp khuếch tán Nernst, tăng cường sự vận chuyển các tiểu phân hoạt tính điện hóa qua lớp kép, đồng thời hoạt hóa và làm sạch bề mặt điện cực. Những lợi ích này trong điện hóa giúp cải thiện hiệu suất quá trình (hiệu suất điện cực và hiệu suất dòng điện), tăng tốc độ và hiệu suất thu sản phẩm của quá trình điện hóa, giảm điện áp ngăn điện hóa và quá thế điện cực, cải thiện vật liệu được kết tủa điện hóa về độ cứng, chất lượng, độ xốp và độ dày, đồng thời hạn chế sự bám bẩn điện cực và sự thoát khí tại bề mặt điện cực.” (Foroughi et al., 2021)
Đọc thêm về thiết bị điện hóa kết hợp siêu âm và các ứng dụng của thiết bị!

Hệ thống siêu âm công nghiệp để xử lý bùn thải

Các hệ thống hiệu suất cao của Hielscher Ultrasonics là thiết bị chủ lực đáng tin cậy trong các nhà máy xử lý nước thải và bùn thải. Các hệ thống siêu âm Hielscher cung cấp siêu âm công suất cao ở tần số 20kHz, tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh mẽ. Các tác động của quá trình xử lý bằng siêu âm công suất cao của chúng tôi bao gồm phá vỡ và phân rã tế bào, truyền khối mạnh, khử trùng, phân hủy polyme, giải phóng enzyme và đồng nhất hóa bùn. Xử lý bằng siêu âm cường độ cao cải thiện hiệu quả xử lý thông qua việc tạo ra các gốc oxy hóa và tăng số vị trí tạo mầm, bảo đảm quá trình keo tụ và tạo bông tốt hơn. Việc tạo ra các lực xâm thực siêu âm mạnh mẽ này cùng các tác động của chúng một cách liên tục và đáng tin cậy cho phép tích hợp các thiết bị xử lý siêu âm mạnh mẽ của chúng tôi vào nhiều ứng dụng nhằm cải thiện việc thu hồi năng lượng và chất dinh dưỡng từ bùn thải.

• Phân rã bùn thải bằng siêu âm
• Phân hủy kỵ khí được tăng cường bằng siêu âm
• Thu hồi các chất dinh dưỡng có giá trị (phốt pho, nitơ, magiê, canxi, kali, v.v.)
• Loại bỏ các chất ô nhiễm như kim loại nặng

Với các thiết bị xử lý siêu âm được trang bị buồng phản ứng dòng chảy có nhiều kích cỡ, Hielscher Ultrasonics có các hệ thống xử lý nước thải và bùn bằng siêu âm lý tưởng cho cơ sở xử lý bùn thải của bạn.
Thiết kế mô-đun cho phép dễ dàng lắp đặt song song nhiều thiết bị siêu âm, giúp xử lý mọi thể tích một cách đáng tin cậy và hiệu quả.
Các hệ thống siêu âm công suất cao / năng suất xử lý cao của Hielscher nâng cao hiệu quả và hiệu suất thu sản phẩm khi xử lý sinh khối trong bùn thải.
Tất cả các thiết bị siêu âm của chúng tôi đều có tính năng vệ sinh tại chỗ (CIP).
Phù hợp với các quy trình xử lý đòi hỏi khắt khe: Bùn thải thường chứa các vật liệu dạng sợi có hàm lượng cellulose cao, khó phân rã. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Biên độ cao như vậy là một phương thức hiệu quả để phá vỡ cấu trúc tế bào của cellulose, lignin và thành tế bào bền chắc của các vật liệu khác. Thiết kế tối ưu của các buồng phản ứng dòng chảy của chúng tôi đảm bảo các kiểu dòng chảy lý tưởng và xử lý siêu âm đồng đều, hiệu quả đối với bùn được cấp vào.

Chúng tôi hợp tác với các đơn vị tích hợp hệ thống và kỹ sư của các nhà máy xử lý bùn thải

Là nhà sản xuất và đơn vị xây dựng hệ thống thiết bị siêu âm dạng mô-đun hiệu suất cao, Hielscher Ultrasonics hợp tác với các đơn vị tích hợp hệ thống. Hầu hết các đơn vị vận hành nhà máy xử lý nước thải và bùn thải đều hợp tác với các đơn vị tích hợp hệ thống có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và tự động hóa các nhà máy xử lý như vậy. Đội ngũ kỹ sư thiết kế và kỹ sư kỹ thuật của chúng tôi đề xuất cấu hình siêu âm tối ưu cho thể tích bùn cần xử lý, cung cấp thông tin chi tiết về hệ thống, bản vẽ CAD cũng như dịch vụ lắp đặt và đào tạo vận hành. Điều này giúp triển khai việc tích hợp siêu âm hiệu suất cao vào các nhà máy xử lý nước thải một cách thiết thực và hướng đến mục tiêu. Vui lòng liên hệ với chúng tôi nếu bạn quan tâm đến việc tích hợp các thiết bị xử lý siêu âm của chúng tôi để cải thiện quá trình xử lý bùn!

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Liên hệ với chúng tôi ngay để biết thêm chi tiết về các hệ thống xử lý bùn thải bằng siêu âm của Hielscher, các phương án lắp đặt và thông tin kỹ thuật!