Anwendung der Ultraschalltechnologie in der Schlammbehandlung 

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Mit dem Bevölkerungswachstum und der zunehmenden Bedeutung des Umweltschutzes nehmen die Kläranlagen rapide zu, und auch die Menge des anfallenden Schlamms nimmt von Tag zu Tag zu. Der bei der industriellen Abwasser- und häuslichen Abwasserbehandlung anfallende Schlamm hat einen Feuchtigkeitsgehalt von nahezu 98 %, ist leicht zu verrotten, hat einen starken Geruch und enthält außerdem eine Vielzahl von Schadstoffen. Die Behandlungskosten dieser Art von Schlamm sind sehr hoch. Gemäß der vorhandenen Behandlungstechnologie macht sie im Allgemeinen 15 bis 30 % der gesamten Betriebskosten von Kläranlagen und 10 bis 25 % der Gesamtinvestition aus. Dies führt dazu, dass einige Kläranlagen den Schlamm direkt einleiten, was eine ernsthafte Gefahr für die ökologische Umwelt darstellt. Daher sind die Entwicklung neuer Vorbehandlungstechnologien, die Verbesserung der Schlammentwässerungsrate und die Förderung der anschließenden biologischen Behandlung der Schlüssel zur Lösung des Schlammproblems. Die Ultraschallvorbehandlung von überschüssigem Schlamm kann die Schlammeigenschaften verändern und die Schlammstabilität verbessern, wodurch die Entwässerungsleistung des Schlamms verbessert wird und die Aufnahme von Stickstoff und Phosphor durch den Schlamm gefördert wird, um eine Schlammverwertung zu ermöglichen. 

1. Ultraschall kann die Schlammstruktur verändern und die Schlammaktivität verbessern.

Ultraschall kann die Struktur von Schlammflocken verändern, intrazelluläre Substanzen freisetzen und die Abbaubarkeit von Schlamm erhöhen. Cao Xiuqin und andere untersuchten den Grad der Zellzersetzung mittels Ultraschall. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Eigenschaften des Schlamms nach der Ultraschallbehandlung mit einer akustischen Energiedichte von 0,5 W/ml veränderten. Schlammflocken wurden zersetzt, intrazelluläre Substanzen wurden freigesetzt und der Bedarf an gelöstem chemischem Sauerstoff (SCOD), N und P im Schlammüberstand stieg deutlich an. Gleichzeitig wurden auch intrazelluläre Freisetzungen beobachtet. Die Qualität weist eine gute biochemische Abbauleistung auf. Darüber hinaus kann die Kombination von Ultraschall und Alkali die Flockenstruktur des Schlamms weiter zerstören und dazu führen, dass die extrazellulären und extrazellulären Substanzen des Schlamms in die Wasserphase gelangen, wodurch bessere Ergebnisse erzielt werden als bei der alleinigen Verwendung von Ultraschall. Die Wirkung von Ultraschall auf die Schlammaktivität hängt von der Bestrahlungszeit des Ultraschalls ab. Bei der kurzzeitigen Ultraschallbestrahlung von Schlamm kam es durch die durch Ultraschall verursachte mechanische Scherbeanspruchung zu leichten Schädigungen der Zellen, was zu einer intrinsischen Abwehrwirkung der Zellen selbst führte. Es zeigte sich, dass die Sekretion von Enzymen zunahm und die Zellproliferation beschleunigt wurde, sodass die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen zunahm. Die Schlammaktivität erreichte nach 8 Stunden Ultraschallbestrahlung ihr Maximum und sank nach 24 Stunden allmählich auf das Kontrollniveau ab.

2. Ultraschall kann die Schlammstabilität verbessern

Der unbehandelte Schlamm ist sehr instabil und während des Lagerungsprozesses kommt es zu physikalischen und chemischen Veränderungen. Bakterien und Algen vermehren sich schnell, Schlamm schwimmt und wird schwarz. Hochintensiver Ultraschall kann Bakterien im Schlamm abtöten, Viren eliminieren, geruchserzeugende Substanzen zersetzen und so die Geruchsquelle beseitigen, Algen abtöten, Schwebstoffe beseitigen und die Löslichkeit von CSB verbessern. Im Vergleich zur chemischen Desinfektion kann dadurch nicht nur der chemische Ansammlungseffekt vermieden, sondern auch die Stabilität des Schlamms für lange Zeit verbessert und die Ausbreitung von Krankheitserregern wirksam verhindert werden. Jean (2000) aus Taiwan, China, glaubt, dass es einen Schwellenwert zwischen 0,11 W/ml und 0,33 W/ml gibt, ab dem Ultraschall Bakterien zersetzen und einen beträchtlichen Teil des festen CSB in gelösten Zustand umwandeln kann. Jean fand heraus, dass bei einer akustischen Energiedichte von 0,33 W/ml nach 40-minütiger Ultraschallbehandlung heterotrophe Bakterien und Escherichia coli um 82 % bzw. 99 % zurückgingen und der lösliche CSB nach einer Stunde um das Zwölffache anstieg, während bei einer akustischen Energiedichte von 0,11 W/ml die Einwirkungszeit kürzer war und die Veränderungen bei heterotrophen Bakterien und Escherichia coli nicht signifikant waren, sondern nur innerhalb einer Stunde. Der lösliche CSB blieb unabhängig von der Wirkdauer nahezu unverändert. Chu (2001) in Taiwan, China, stellte fest, dass nach einer Stunde Ultraschallenergiedichte von 0,11 W/ml heterotrophe Bakterien und Escherichia coli um 30 %, 59 %, 40 % bzw. 64 % zurückgingen und nach 20 Minuten heterotrophe Bakterien und Escherichia coli um 56 % bzw. 97 % zurückgingen, wenn die Schallenergiedichte 0,33 W/ml betrug. Gleichzeitig untersuchten sie auch die durch bakterielle Zersetzung freigesetzte organische Substanz. BSB/CSB = 0,66 im ursprünglichen Schlamm und SCOD/TCOD betrug weniger als 1 %. Wenn die akustische Energiedichte 0,11 W/ml betrug, stieg der SCOD nach 2 Stunden Ultraschallbehandlung um das 40-fache, und der BSB/CSB lag zwischen 0,66 und 0,8, was darauf hindeutet, dass der größte Teil des durch bakterielle Zersetzung freigesetzten CSB biologisch abbaubar war.

3. Ultraschall kann die Rheologie des Schlamms verändern und die Entwässerungsleistung des Schlamms verbessern

Ultraschall kann die Rheologie von Schlamm verändern und sein Einflussgrad hängt vom Ultraschallzustand ab. Eine niedrige Schallenergiedichte und eine kurzzeitige Ultraschallbehandlung können den spezifischen Widerstand des Schlamms verringern und die Rheologie und Entwässerungsleistung des Schlamms verbessern. Eine hohe Schallenergiedichte und eine Langzeitbehandlung können jedoch den spezifischen Widerstand des Schlamms erhöhen und die rheologischen Eigenschaften verschlechtern. Die rheologischen Eigenschaften von Schlamm spiegeln die Entwässerungsleistung von Schlamm wider. Die Änderung der rheologischen Eigenschaft bietet eine praktische Möglichkeit, die Entwässerungsrate von Schlamm zu erhöhen. Die Partikelgröße des mit hoher Kraft und kurzer Zeit behandelten Schlamms beträgt etwa 80 Mikrometer. Die Entwässerungsleistung des Schlamms wird verbessert und die Niederschlagsmenge ist gut.

Eine kürzere Zeit der Ultraschallbehandlung mit geringerer Schallintensität (weniger als 600 W/m2) ist vorteilhaft für die Reduzierung des gebundenen Wassergehalts des Schlamms und die Förderung der Schlammentwässerung, aber die Wirkung einer Erhöhung der Schallintensität und einer Verlängerung der Behandlungszeit wird schlechter; Die Ultraschallfrequenz beträgt 20 kHz, die durchschnittliche Schallintensität beträgt etwa 400 W/m2 und die Ultraschallbehandlung für 2–4 Minuten kann dazu führen, dass der gebundene Wassergehalt des Schlamms eingedämmt wird. Der Wassergehalt sank von 16,7 g/g Trockenbasis auf weniger als 2,0 g/g Trockenbasis. Eine Ultraschallbehandlung wie Yin Huan reduziert den gebundenen Wassergehalt des Schlamms erheblich, verbessert die Entwässerungskapazität des Schlamms, erhöht den Schlammgehalt um 5 bis 10 % und verringert schließlich das Schlammvolumen.

Das Experiment zur Druckfiltration von Schlammplatten und -rahmen wurde unter Verwendung von Ultraschall in Kombination mit Flockungsmittel zur Schlammbehandlung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass Ultraschall den Wassergehalt von Schlamm von fast 98 % auf 81 % reduzieren kann, das Schlammvolumen auf das erste 1/10, die Intensität des Ultraschalls beträgt 410 W/m2, die Behandlungsbedingungen von Ultraschall für 2,5 Minuten sind besser und der Einsatz von Flockungsmittel beginnt bei 0,7 % Trockenbasis. Auf 0,6 % Trockenbasis reduzieren. Yang Jinmei et al. zeigten, dass der Wassergehalt des Filterkuchens nach 7 Sekunden Ultraschallbehandlung um 2,9 % abnahm, die Viskosität und der spezifische Widerstand nach 10 Sekunden Ultraschallbehandlung um 29,4 % bzw. 24,2 % sanken und die Schlammsedimentationsrate nach 15 Sekunden das 3,7-fache der ursprünglichen Schlammsedimentation betrug. Die Kombination von Ultraschall und Flockungsmittel könnte die Schlammentwässerungs- und Sedimentationsleistung verbessern und Flockungsmittel reduzieren. Mehr als die Hälfte.

4. Ultraschall kann den Anstieg von Stickstoff und Phosphor im Schlamm fördern, was dem Schlammrecycling förderlich ist.

Cao Xiuqin und Chen Wangjun vom Beijing Institute of Architectural Engineering haben gezeigt, dass mit der Verlängerung der Ultraschallbehandlungszeit der Gehalt an organischem Stickstoff in der klaren Schlammflüssigkeit schnell ansteigt. Der Grund dafür ist, dass die durch Ultraschallkavitation erzeugte Scherkraft Zellen aufbricht und Proteine ​​und Aminosäuren in den Zellen freisetzt. Der Gehalt an Ammoniakstickstoff und Nitratstickstoff steigt mit der Verlängerung der Ultraschallzeit, was auf die Umwandlung eines Teils des organischen Stickstoffs in Ammoniakstickstoff und Nitratstickstoff durch Ultraschallkavitation zurückzuführen ist. Es wurde auch festgestellt, dass sich der Gehalt an Phosphorverbindungen und Stickstoff im Schlamm unter der Einwirkung von Ultraschall in ähnlicher Weise veränderte. Eine Erhöhung des Stickstoff- und Phosphorgehalts wirkt sich positiv auf die Schlammverwertung aus. Im Vergleich zu natürlich entstandenen Böden weisen städtische Böden einen geringeren Gehalt an organischer Substanz und einen geringeren Gehalt an verfügbaren Nährstoffen auf. Der mit Ultraschall behandelte Schlamm kann zur Steigerung der Fruchtbarkeit von Ackerland, Forstwirtschaft und Weideland eingesetzt werden. Laut Literatur stiegen ein Jahr nach dem Aufbringen des Schlamms auf die Bodenoberfläche die Gehalte an Gesamtstickstoff, verfügbarem Stickstoff und Gesamtphosphor in 20 cm der Bodenoberfläche deutlich an, und auch die Schüttdichte, das Wasserhaltevermögen und die Porosität des Bodens verbesserten sich in gewissem Maße. Wenn der mit Ultraschallwellen behandelte Klärschlamm zur Verbesserung von trockenem, halbtrockenem, salzhaltigem und alkalischem Land, Minenbrachland oder Wüstengebiet verwendet werden kann, ist dies eine Maßnahme zum Schutz der Ökologie und zum Nutzen der heutigen Zeit.

5. Fazit

Der Einsatz von Ultraschalltechnologie zur Schlammbehandlung trägt zur Schlammreduzierung, Unbedenklichkeit und Ressourcennutzung bei und ist von großer sozialer, ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Eine niederfrequente und niedrig dosierte Ultraschallbehandlung von Schlamm kann die Aktivität des Schlamms steigern, die Struktur der Schlammflocken verändern, gebundenes Wasser aus den mikrobiellen Mizellen des Schlamms freisetzen und die Entwässerungsleistung des Schlamms verbessern; Hochintensiver Ultraschall kann Bakterien im Schlamm abtöten, Viren beseitigen und die Löslichkeit von CSB verbessern. Derzeit konzentriert sich die in- und ausländische Forschung zur Ultraschall-Schlammreduktion hauptsächlich auf den Einfluss von Ultraschallbedingungen auf die Förderung der anaeroben und aeroben Schlammreduktion sowie auf den Einfluss von Ultraschall auf die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Schlamm.