Aplikace ultrazvukové technologie při zpracování kalů 

---

S nárůstem počtu obyvatel a rostoucím důrazem na ochranu životního prostředí rychle přibývají čistírny odpadních vod a každým dnem se zvyšuje i množství produkovaných kalů. Kal produkovaný průmyslovými odpadními vodami a čištěním domovních odpadních vod má obsah vlhkosti blízký 98 %, snadno hnije, silně zapáchá a také obsahuje různé znečišťující látky. Náklady na zpracování tohoto druhu kalu jsou velmi vysoké. Podle stávající technologie čištění obecně představuje 15%~30% celkových provozních nákladů čistíren odpadních vod a 10%~25% celkových investic. V důsledku toho některé čistírny odpadních vod vypouštějí kaly přímo, což vážně ohrožuje ekologické prostředí. Klíčem k řešení problému s kalem se proto stává vývoj nové technologie předúpravy, zlepšení rychlosti odvodňování kalu a podpora následného biologického čištění. Ultrazvuková předúprava přebytečného kalu může změnit vlastnosti kalu a zlepšit stabilitu kalu, a tím zlepšit odvodňovací výkon kalu a podporovat kal absorbovat dusík a fosfor za účelem realizace recyklace kalu. 

1. Ultrazvuk může změnit strukturu kalu a zlepšit aktivitu kalu.

Ultrazvuk může změnit strukturu vloček kalu, uvolnit intracelulární látky a zvýšit rozložitelnost kalu. Cao Xiuqin a další studovali stupeň buněčného rozkladu pomocí ultrazvuku. Výsledky ukázaly, že vlastnosti kalu se změnily po úpravě ultrazvukem s hustotou akustické energie 0,5 W/mL. Vločky kalu se rozložily, uvolnily se intracelulární látky a významně se zvýšila spotřeba rozpuštěného chemického kyslíku (SCOD), N a P v supernatantu kalu. Současně bylo také pozorováno intracelulární uvolňování. Kvalita má dobrý biochemický degradační výkon. Navíc kombinace ultrazvuku a alkálie může dále zničit vločkovou strukturu kalu a způsobit, že extracelulární a extracelulární látky kalu vstoupí do vodní fáze, čímž se dosáhne lepších výsledků než při použití samotného ultrazvuku. Vliv ultrazvuku na aktivitu kalu souvisí s dobou ozařování ultrazvukem. Při krátkodobém ozařování kalu ultrazvukem způsobilo mechanické smykové napětí způsobené ultrazvukem lehké poškození buněk, což mělo za následek vlastní obranný účinek buněk samotných. Ukázalo se, že se zvýšila sekrece enzymů a zrychlila se proliferace buněk, takže se zvýšila metabolická aktivita mikroorganismů. Aktivita kalu dosáhla maxima po 8 hodinách ozařování ultrazvukem a po 24 hodinách postupně klesala na kontrolní úroveň.

2. Ultrazvuk může zlepšit stabilitu kalu

Neupravený kal je velmi nestabilní a během procesu skladování dojde ke změnám fyzikálních a chemických aspektů. Bakterie a řasy se rychle množí a kal plave a zčerná. Ultrazvuk s vysokou intenzitou dokáže zabíjet bakterie v kalech, likvidovat viry, rozkládat látky produkující zápach, čímž eliminuje zdroj zápachu, zabíjí řasy, eliminuje suspendované pevné látky a zlepšuje rozpustnost CHSK. Ve srovnání s chemickou dezinfekcí může nejen zabránit chemickému akumulačnímu efektu, ale také zlepšit stabilitu kalu po dlouhou dobu a může účinně zabránit šíření patogenů. Jean (2000) z Tchaj-wanu v Číně se domnívá, že existuje práh mezi 0,11 W/ml a 0,33 W/ml, za kterým může ultrazvuk rozkládat bakterie a přeměnit značnou část pevné CHSK do rozpuštěného stavu. Jean zjistil, že pod 0,33 W/ml hustoty akustické energie, po 40 minutách ultrazvukového ošetření, se počet heterotrofních bakterií a Escherichia coli snížil o 82 % a 99 %, a rozpustná CHSK se zvýšila 12krát po 1 hodině, zatímco pod 0,11 W/ml hustota akustické energie, doba působení u Escherichia coli nebyla signifikantní a změny byly pouze u escherichia coli v rámci coli 1 hodina. Rozpustná CHSK zůstala téměř nezměněna bez ohledu na dobu trvání účinku. Chu (2001) na Tchaj-wanu v Číně zjistil, že po 1 hodině hustoty ultrazvukové energie 0,11 W/ml se počet heterotrofních bakterií a Escherichia coli snížil o 30 %, 59 %, 40 % a 64 % a po 20 minutách se heterotrofní bakterie a Escherichia coli snížily o 57 %, 036 %, resp. W/ml. Zároveň také zkoumali organickou hmotu uvolňovanou bakteriálním rozkladem. BSK/CHSK = 0,66 v původním kalu a SCOD/TCOD byl menší než 1 %. Když byla hustota akustické energie 0,11 W/ml, SCOD se po 2 hodinách působení ultrazvukem zvýšil 40krát a BSK/CHSK byl mezi 0,66 a 0,8, což naznačuje, že většina CHSK uvolněná bakteriálním rozkladem byla biologicky odbouratelná.

3. Ultrazvuk může změnit reologii kalu a zlepšit odvodňování kalu

Ultrazvuk může změnit reologii kalu a stupeň jeho vlivu souvisí s ultrazvukovými podmínkami. Nízká hustota akustické energie a krátkodobá úprava ultrazvukem může snížit specifickou odolnost kalu a zlepšit reologii a odvodňovací výkon kalu. Vysoká hustota akustické energie a dlouhodobé zpracování však může zvýšit měrnou odolnost kalu a zhoršit reologické vlastnosti. Reologické vlastnosti kalu odráží odvodňovací výkon kalu. Změna reologických vlastností poskytuje pohodlný způsob, jak zvýšit rychlost odvodňování kalu. Velikost částic kalu ošetřeného vysokou pevností a krátkou dobou je asi 80 mikronů. Odvodňovací výkon kalu je zlepšen a srážení je dobré.

Kratší doba úpravy ultrazvukem s nižší intenzitou zvuku (méně než 600 W/m2) je prospěšná pro snížení obsahu vázané vody v kalu a podporu odvodnění kalu, ale zhorší se efekt zvýšení intenzity zvuku a prodloužení doby úpravy; ultrazvuková frekvence je 20 kHz, průměrná intenzita zvuku je asi 400 W/m2 a působením ultrazvuku po dobu 2-4 minut může být obsah vázané vody v kalu obsažen. Obsah vody se snížil z 16,7 g/g suché báze na méně než 2,0 g/g suché báze. Ultrazvuková úprava, jako je Yin Huan, výrazně snižuje obsah vázané vody v kalu, zlepšuje odvodňovací kapacitu kalu, zvyšuje obsah kalu o 5% ~ 10% a nakonec snižuje objem kalu.

Experiment tlakové filtrace kalové desky a rámu byl proveden za použití ultrazvuku v kombinaci s flokulantem pro úpravu kalu. Výsledky ukazují, že ultrazvuk dokáže snížit obsah vody v kalu z téměř 98 % na 81 %, objem kalu na první 1/10, intenzita ultrazvuku je 410 W/m2, podmínky ošetření ultrazvukem po dobu 2,5 minuty jsou lepší a použití flokulantu je od 0,7 % suché báze. Snižte na 0,6 % suché báze. Yang Jinmei a kol. ukázaly, že obsah vody ve filtračním koláči poklesl o 2,9 % po 7 sekundách ošetření ultrazvukem, viskozita a měrný odpor se snížily o 29,4 % a 24,2 % po 10 sekundách ošetření ultrazvukem a rychlost sedimentace kalu po 15 sekundách byla 3,7krát vyšší než u původního kalu. Kombinace ultrazvuku a flokulantu by mohla zlepšit odvodnění kalu a sedimentaci a snížit flokulant. Více než polovina.

4. Ultrazvuk může podporovat zvýšení dusíku a fosforu v kalu, což přispívá k recyklaci kalu.

Cao Xiuqin a Chen Wangjun z Pekingského institutu architektonického inženýrství prokázali, že s prodloužením doby ultrazvukového ošetření se obsah organického dusíku v kalové čiré kapalině rychle zvyšuje. Důvodem je to, že smyková síla vytvářená ultrazvukovou kavitací rozbíjí buňky a uvolňuje proteiny a aminokyseliny v buňkách. Obsah amoniakálního dusíku a dusičnanového dusíku se zvyšuje s prodlužováním ultrazvukového času, což je způsobeno přeměnou části organického dusíku na amonný dusík a dusičnanový dusík ultrazvukovou kavitací. Bylo také zjištěno, že obsah sloučenin fosforu a dusíku v kalu se působením ultrazvuku měnil podobně. Zvyšování obsahu dusíku a fosforu je prospěšné pro recyklaci kalu. Ve srovnání s přirozeně vytvořenými půdami mají městské půdy nižší obsah organické hmoty a nižší obsah dostupných živin. Kal upravený ultrazvukem lze použít ke zvýšení úrodnosti zemědělské půdy, lesnictví a pastvin. Podle literatury se rok po aplikaci kalu na povrch půdy výrazně zvýšily obsahy celkového dusíku, dostupného dusíku a celkového fosforu na 20 cm povrchu půdy a do určité míry se zlepšila i objemová hmotnost, schopnost zadržovat vodu a pórovitost půdy. Pokud lze čistírenský kal upravený ultrazvukovou vlnou použít ke zlepšení suchých, polosuchých, slano-alkalických půd, důlních pustin nebo pouštních oblastí, bude to opatření na ochranu ekologie a přínos pro současnou dobu.

5. Závěr

Použití ultrazvukové technologie k úpravě kalu přispívá ke snížení kalu, neškodnosti a využití zdrojů a má velký společenský, ekologický a ekonomický význam. Nízkofrekvenční a nízkodávkové ultrazvukové čištění kalu může zvýšit aktivitu kalu, změnit strukturu vloček kalu, uvolnit vázanou vodu z mikrobiálních micel kalu a zlepšit odvodňovací výkon kalu; vysoce intenzivní ultrazvuk dokáže zabíjet bakterie v kalu, eliminovat viry a zlepšit rozpustnost CHSK. V současné době domácí i zahraniční výzkum ultrazvukové redukce kalu spočívá především ve vlivu ultrazvukových podmínek na podporu anaerobní a aerobní redukce kalů a vlivu ultrazvuku na fyzikální, chemické a biologické vlastnosti kalů.