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

Phốt pho là một khoáng chất tài nguyên quan trọng, nguồn cung tự nhiên đang giảm nhanh chóng. Do đó, chính phủ Đức đã ban hành sắc lệnh rằng từ năm 2029, phốt pho phải được thu hồi phần lớn từ bùn thải. Việc thực hiện siêu âm điện mở ra nhiều lựa chọn khác nhau để tăng cường thu hồi phốt pho từ bùn thải đô thị.

Nhà máy xử lý bùn thải và tái chế phốt pho

Phốt pho là một nguyên tố quan trọng, được sử dụng rộng rãi làm phân bón và nguyên liệu thô trong ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm tốt. Do nguồn tài nguyên sẵn có bị thu hẹp nhanh chóng, chính phủ Đức đã thực hiện luật theo đó tất cả các nhà máy xử lý nước thải đô thị phải thiết lập đo lường để thu hồi phốt pho từ bùn thải đô thị. Việc thực hiện siêu âm hiệu suất cao cung cấp các lựa chọn điều trị khác nhau, làm tăng hiệu quả thu hồi phốt pho đáng kể.

Các nhà máy nước thải sử dụng siêu âm để cải thiện tiêu hóa bùn và phục hồi các chất dinh dưỡng như phốt pho.

Siêu âm nước thải bùn tan rã để cải thiện phục hồi phorsphorus

Chiếu xạ bùn thải bằng sóng siêu âm mạnh đã được chứng minh rõ ràng để cải thiện sự phân hủy của sinh khối trong bùn thải. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra lợi ích của xử lý bùn hoạt tính chất thải siêu âm và các hệ thống siêu âm công nghiệp khác nhau đang chạy trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Đức.
Tiền xử lý siêu âm các chất nền trong bùn thải có một số tác dụng có lợi cho quá trình tiêu hóa kỵ khí. Những lợi ích này bao gồm giảm kích thước hạt, tăng tốc độ thủy phân và rút ngắn thời gian lưu giữ thủy lực.
Lực cắt hang động được tạo ra bởi sóng siêu âm cường độ cao / tần số thấp gây ra sự phá vỡ hình thái floc bùn và cấu trúc vi sinh vật của bùn.
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)
Một bùn thải phân rã hiệu quả, tức là bùn sonicated, cho thấy tính chất tách được cải thiện đáng kể cho phép loại bỏ các phân đoạn giàu phốt pho khỏi sinh khối và các phân đoạn giống như gel cũng như nước. Siêu âm cavitation phá vỡ cấu trúc tế bào của sinh khối trong bùn thải và tạo điều kiện cho sự phân đoạn tiếp theo thành ba phần của (i) sợi giàu cellulose, (ii) một loại gel giàu chất dinh dưỡng và (iii) một chất lỏng dễ lên men. Ba phần này của bùn có thể được xử lý thêm, ví dụ như thu hồi phốt pho, loại bỏ kim loại nặng, v.v.

Ultrasonically tăng cường kết tủa hóa học ướt của phốt pho

Ultrasonication là một kỹ thuật nổi tiếng được sử dụng từ thời gian dài trong hóa học cho sự kết tủa siccessful và hiệu quả của khoáng chất, hạt và tinh thể. Đối với việc thu hồi phốt pho từ bùn thải, sonication được áp dụng để thúc đẩy và đẩy nhanh quá trình kết tủa của struvite. Struvit (magiê amoni photphat) là một khoáng vật phốt phát có công thức NH₄MgPO₄· 6 giờ₂ O, cung cấp một giải pháp đơn giản để loại bỏ phốt pho ở dạng liên kết từ bùn thải.
Trong quá trình kết tinh / kết tủa struvite, các ion PO₄^3-NH₄⁺và Mg²⁺ được loại bỏ khỏi pha lỏng do kết tủa struvite, cho đến khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng.

Tinh thể struvite kết tủa từ nước thải lợn.
(ảnh và nghiên cứu: ©Kim et al. 2017)

Khi ultrasonication được áp dụng như bùn tiền xử lý trước khi kết tủa struvite, cavitation siêu âm gây ra cung cấp một thourough trộn trên cấp độ phân tử cung cấp diện tích bề mặt hoạt động cho sự phát triển tinh thể. Sự gia tăng tốc độ hòa tan của các chất ngoại bào và nội bào, càng có lợi cho lượng mưa struvite bằng cách tăng khả dụng sinh học của NH₄⁺ và PO₄^3- Ion. Việc xử lý sonication dẫn đến việc chuyển khối lượng được tạo điều kiện thông qua bùn, gây ra bởi sự xâm thực siêu âm.
Sonication cũng có thể được áp dụng cho rượu cacbon hóa thủy nhiệt, nơi phốt pho được tái chế dưới dạng struvite từ rượu cacbon hóa thủy nhiệt thông qua khai thác và kết tủa hỗ trợ siêu âm.
Đọc thêm về 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 et al. (2015) đã chứng minh hiệu quả của siêu âm kết hợp Fenton (còn được gọi là sono-Fenton) tiền xử lý cho sự tan rã bùn thải. Áp dụng phương pháp điều trị siêu âm-Fenton làm tăng đáng kể sự giải phóng carbon, nitơ và phốt pho. Việc xử lý sono-Fenton làm tăng tổng nitơ (N) và phốt pho (P) lần lượt là 1,7 và 2,2 lần, khi so sánh với điều trị Fenton đơn thuần. Sau khi xử lý sono-Fenton, bùn cho thấy kích thước hạt mịn hơn đáng kể và cấu trúc vi mô lỏng lẻo hơn dựa trên kính hiển vi điện tử quét. Sử dụng cộng hưởng spin electron, cường độ tín hiệu OH • cao nhất tăng từ 568,7 bằng cách xử lý Fenton lên 1106,3 sau khi xử lý sono-Fenton. Điều này đã chứng minh rằng việc xử lý sono-Fenton gây ra sự tan rã của bùn và cải thiện đáng kể việc giải phóng carbon hữu cơ, nitơ và phốt pho.

Tế bào nhiên liệu vi sinh vật tăng cường siêu âm

Tiền xử lý siêu âm bùn thải thúc đẩy sự hòa tan của các hợp chất hữu cơ khác nhau từ ma trận bùn, sau đó tăng tốc độ sinh điện hydro vi sinh vật.
More và Ghangrekar (2010) đóng góp các tác dụng có lợi của tiền xử lý sonication trên pin nhiên liệu vi sinh vật để tăng cường hoạt động enzyme và sự sẵn có của protein ngoại bào, polysacarit và enzyme, được giải phóng từ các lớp bùn bên trong flocs ra các lớp bên ngoài bằng siêu âm sonoporation và phá vỡ tế bào, dẫn đến cải thiện hiệu quả sử dụng chất nền. Để cải thiện việc thu hoạch điện từ các tế bào nhiên liệu vi sinh vật, việc cải thiện khả năng chuyển điện tử của vi khuẩn sang chất rắn ngoại bào là cần thiết. Sự chuyển electron ngoại bào này có thể xảy ra hoặc tiếp xúc trực tiếp giữa bề mặt tế bào và bề mặt rắn hoặc gián tiếp thông qua cái 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 màng ngoài của tế bào. Hiện tượng này có thể đã xảy ra do siêu âm tiền điều trị cho tiêm chủng khi năng lượng cung cấp cụ thể là đủ; do đó, ủng hộ hiệu quả Coulombic cao hơn.
Một quá trình điện phân vi khuẩn tăng cường siêu âm có thể được kết hợp với các quá trình lên men tiếp theo để xử lý bùn.

Sono-Xử lý bùn thải điện hóa

Electrocoagulation là một quá trình đơn giản, có thể dễ dàng áp dụng cho nước thải và cho phép xử lý khối lượng lớn một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Ultrasonication giúp khắc phục nhược điểm chính của quá trình đốt điện bằng cách ngăn chặn sự hình thành các lớp thụ động từ các điện cực. Màng thụ động hình thành trên bề mặt điện cực theo thời gian, làm giảm đáng kể hiệu quả của hệ thống đốt điện và siêu âm là một phương pháp dễ dàng để loại bỏ các lớp thụ động này liên tục trong quá trình hoạt động, đồng thời sonication làm tăng doanh thu của hệ thống đốt điện. Sóng siêu âm phá vỡ trầm tích hình thành ở bề mặt điện cực và tạo ra một lượng lớn các loài gốc để loại bỏ các chất ô nhiễm bằng cách tạo ra các điểm áp suất cao bên trong dung dịch trong hiện tượng xâm thực. Bằng cách kết hợp đốt điện với siêu âm, do việc tạo ra các bề mặt mới trên điện cực bằng cách xâm thực hoặc vi dòng, việc giảm độ dày của lớp phân phối trở nên trầm trọng hơn bằng cách tăng tốc độ truyền khối lượng. Sono-electrocoagulation làm tăng lượng hình thành chất đông tụ so với đốt điện, và keo tụ được tăng cường bằng cách trộn cực đoan và oxy hóa bằng cách hình thành gốc tự do; Do đó đạt được hiệu quả mong muốn là có thể trong thời gian ngắn nhất.
(Moradi và cộng sự, 2021)

Ưu điểm của Sonoelectrochemistry và Sonoelectrocoagulation

"Sonoelectrochemistry là sự kết hợp của năng lượng siêu âm trong một hệ thống điện hóa mang lại một số lợi thế, bao gồm loại bỏ bong bóng khí ở bề mặt điện cực, khử khí dung dịch, phá vỡ lớp khuếch tán Nernst, tăng cường vận chuyển khối lượng của các loài điện hoạt thông qua lớp kép, và kích hoạt và làm sạch bề mặt điện cực. Những lợi ích này trong điện hóa học dẫn đến cải thiện hiệu quả quá trình (hiệu quả điện cực và dòng điện), tăng tốc độ và năng suất điện hóa, giảm điện áp tế bào và điện thế quá mức điện cực, cải thiện vật liệu điện lắng đọng về độ cứng, chất lượng, độ xốp và độ dày, và ngăn chặn sự bám bẩn và khử khí của điện cực ở bề mặt điện cực. (Foroughi và cộng sự, 2021)
Đọc thêm về thiết bị điện hóa sono và các ứng dụng của nó!

Hệ thống siêu âm công nghiệp để xử lý bùn thải

Hielscher Ultrasonics hệ thống hiệu suất cao là một con ngựa làm việc đáng tin cậy trong nước thải và nước thải nhà máy xử lý bùn. Hệ thống siêu âm Hielscher cung cấp siêu âm công suất cao ở 20kHz, tạo ra cavitation âm thanh dữ dội. Ảnh hưởng của điều trị siêu âm công suất cao của chúng tôi bao gồm sự gián đoạn và tan rã tế bào, chuyển khối lượng cao, khử trùng, phân hủy polyme, giải phóng enzyme và đồng nhất bùn. Sonication cường độ cao cải thiện hiệu quả điều trị thông qua việc tạo ra các gốc oxy hóa và bằng cách tăng các vị trí tạo mầm, đảm bảo đông máu và keo tụ tốt hơn. Thế hệ đáng tin cậy và liên tục của các lực lượng xâm thực siêu âm cường độ cao và hiệu ứng của nó cho phép tích hợp bộ vi xử lý siêu âm mạnh mẽ của chúng tôi cho các ứng dụng khác nhau để cải thiện thu hoạch năng lượng và chất dinh dưỡng từ bùn thải.

• Siêu âm tan rã bùn thải
• Tiêu hóa kỵ khí tăng cường siêu âm
• Phục hồi các chất dinh dưỡng có giá trị (phốt pho, nitơ, magiê, canxi, kali, v.v.)
• Loại bỏ các chất gây ô nhiễm như kim loại nặng

Cung cấp bộ vi xử lý siêu âm với các lò phản ứng dòng chảy ở các kích cỡ khác nhau, Hielscher Ultrasonics có hệ thống xử lý chất thải và bùn thải siêu âm lý tưởng cho cơ sở bùn thải của bạn.
Thiết kế mô-đun cho phép lắp đặt đơn giản một số đơn vị siêu âm song song, giúp điều trị đáng tin cậy và hiệu quả bất kỳ khối lượng nào có thể.
Hệ thống siêu âm công suất cao / thông lượng cao Hielscher tăng hiệu quả và năng suất trong việc xử lý sinh khối trong bùn thải.
Tất cả các ultrasonicators của chúng tôi tính năng làm sạch tại chỗ (CIP).
Thích hợp cho các phương pháp xử lý đòi hỏi khắt khe: Bùn thải thường chứa các vật liệu sợi có hàm lượng cellulose cao, khó phân hủy. Hielscher Siêu âm’ Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Biên độ cao như vậy là một cách hiệu quả để phá vỡ cấu trúc tế bào của celluloses, lignin và thành tế bào mạnh mẽ của các vật liệu khác. Thiết kế tối ưu hóa của các lò phản ứng tế bào dòng chảy của chúng tôi đảm bảo các mẫu dòng chảy lý tưởng và xử lý siêu âm đồng đều, hiệu quả của bùn được cho ăn.

Chúng tôi làm việc với các nhà tích hợp hệ thống và kỹ sư của các nhà máy bùn thải

Là nhà sản xuất và xây dựng hệ thống của các đơn vị mô-đun siêu âm hiệu suất cao, Hielscher Ultrasonics làm việc cùng với các nhà tích hợp hệ thống. Hầu hết các nhà khai thác nước thải và nhà máy xử lý bùn thải làm việc với các nhà tích hợp hệ thống, có nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế và tự động hóa các nhà máy lọc 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 khối lượng bùn mục tiêu, cung cấp thông tin hệ thống chi tiết, bản vẽ CAD cũng như dịch vụ lắp đặt và đào tạo vận hành. Điều này cho phép thực hiện mang tính xây dựng và định hướng mục tiêu về việc tích hợp siêu âm hiệu suất cao trong các nhà máy xử lý nước thải. Vui lòng liên hệ với chúng tôi nếu bạn quan tâm đến việc tích hợp bộ vi xử lý siêu âm của chúng tôi để cải thiện xử lý bùn!

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ để biết thêm chi tiết về hệ thống xử lý bùn thải siêu âm Hielscher, các tùy chọn lắp đặt và thông tin kỹ thuật!