Zastosowanie technologii ultradźwiękowej w oczyszczaniu osadów 

---

Wraz ze wzrostem liczby ludności i coraz większym naciskiem na ochronę środowiska liczba oczyszczalni ścieków szybko rośnie, a ilość wytwarzanych osadów również rośnie z dnia na dzień. Szlam powstający w wyniku oczyszczania ścieków przemysłowych i bytowych ma wilgotność bliską 98%, łatwo gnije, ma silny zapach, a także zawiera różnorodne zanieczyszczenia. Koszt oczyszczania tego rodzaju osadów jest bardzo wysoki. Zgodnie z istniejącą technologią oczyszczania stanowi ona na ogół 15–30% całkowitych kosztów eksploatacji oczyszczalni ścieków i 10–25% całkowitej inwestycji. W efekcie niektóre oczyszczalnie ścieków odprowadzają osady bezpośrednio, co stwarza poważne zagrożenie dla środowiska ekologicznego. Dlatego opracowanie nowej technologii wstępnej obróbki, poprawa szybkości odwadniania osadów i promowanie późniejszego oczyszczania biologicznego stają się kluczem do rozwiązania problemu osadów. Wstępna obróbka ultradźwiękowa osadu nadmiernego może zmienić właściwości osadu i poprawić stabilność osadu, poprawiając w ten sposób wydajność odwadniania osadu i promując wchłanianie azotu i fosforu przez osad w celu realizacji recyklingu osadu. 

1. Ultradźwięki mogą zmienić strukturę osadu i poprawić jego aktywność.

Ultradźwięki mogą zmieniać strukturę kłaczków osadu, uwalniać substancje wewnątrzkomórkowe i zwiększać zdolność do degradacji osadu. Cao Xiuqin i inni badali stopień rozkładu komórek za pomocą ultradźwięków. Wyniki wykazały, że właściwości osadów zmieniły się po obróbce ultradźwiękowej przy gęstości energii akustycznej wynoszącej 0,5 W/ml. Kłaczki osadu uległy rozkładowi, uwolniły się substancje wewnątrzkomórkowe, a zapotrzebowanie na rozpuszczony chemiczny tlen (SCOD), N i P w supernatancie osadu znacznie wzrosło. W tym samym czasie zaobserwowano także uwalnianie wewnątrzkomórkowe. Jakość ma dobrą wydajność degradacji biochemicznej. Ponadto połączenie ultradźwięków i zasad może jeszcze bardziej zniszczyć strukturę kłaczków osadu i spowodować, że substancje zewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe osadu przedostaną się do fazy wodnej, osiągając w ten sposób lepsze wyniki niż przy użyciu samego ultradźwięku. Wpływ ultradźwięków na aktywność osadu jest związany z czasem naświetlania ultradźwiękami. W krótkotrwałym naświetlaniu ultradźwiękowym osadu mechaniczne naprężenia ścinające wywołane ultradźwiękami spowodowały niewielkie uszkodzenie komórek, co spowodowało wewnętrzny efekt obronny samych komórek. Wykazano, że wzrosło wydzielanie enzymów i przyspieszyła proliferacja komórek, a co za tym idzie, wzrosła aktywność metaboliczna mikroorganizmów. Aktywność osadu osiągnęła maksimum po 8 godzinach naświetlania ultradźwiękami i po 24 godzinach stopniowo spadała do poziomu kontrolnego.

2. Ultradźwięki mogą poprawić stabilność osadu

Nieoczyszczony osad jest bardzo niestabilny, a podczas procesu składowania zachodzą zmiany w jego aspektach fizycznych i chemicznych. Bakterie i glony rozmnażają się szybko, a osad unosi się na wodzie i staje się czarny. Ultradźwięki o wysokiej intensywności mogą zabijać bakterie w szlamie, eliminować wirusy, rozkładać substancje wytwarzające nieprzyjemny zapach, eliminując w ten sposób źródło zapachu, zabijając glony, eliminując zawieszone ciała stałe i poprawiając rozpuszczalność ChZT. W porównaniu z dezynfekcją chemiczną może nie tylko uniknąć efektu akumulacji chemicznej, ale także poprawić stabilność osadu na długi czas i może skutecznie zapobiegać rozprzestrzenianiu się patogenów. Jean (2000) z Tajwanu w Chinach uważa, że ​​istnieje próg pomiędzy 0,11 W/ml a 0,33 W/ml, powyżej którego ultradźwięki mogą rozkładać bakterie i przekształcać znaczną część stałego ChZT w stan rozpuszczony. Jean stwierdził, że poniżej 0,33 W/ml gęstości energii akustycznej po 40 minutach obróbki ultradźwiękowej, bakterie heterotroficzne i Escherichia coli zmniejszyły się odpowiednio o 82% i 99%, a rozpuszczalny ChZT wzrósł 12-krotnie po 1 godzinie, natomiast poniżej 0,11 W/ml gęstości energii akustycznej czas działania był krótszy, a zmiany bakterii heterotroficznych i Escherichia coli nie były znaczące, jedynie w ciągu 1 godzina. Rozpuszczalny ChZT pozostawał prawie niezmieniony niezależnie od czasu działania. Chu (2001) na Tajwanie w Chinach odkrył, że po 1 godzinie stosowania gęstości energii ultradźwiękowej wynoszącej 0,11 W/ml, bakterie heterotroficzne i Escherichia coli zmniejszyły się odpowiednio o 30%, 59%, 40% i 64%, a po 20 minutach bakterie heterotroficzne i Escherichia coli zmniejszyły się odpowiednio o 56% i 97%, gdy gęstość energii akustycznej wynosiła 0,33 W/ml. Jednocześnie zbadali także materię organiczną uwalnianą w wyniku rozkładu bakterii. BZT/ChZT = 0,66 w osadzie pierwotnym, a SCOD/TCOD było mniejsze niż 1%. Gdy gęstość energii akustycznej wynosiła 0,11 W/ml, SCOD wzrósł 40-krotnie po 2 godzinach obróbki ultradźwiękowej, a BZT/ChZT wynosił od 0,66 do 0,8, co wskazywało, że większość ChZT uwalnianego w wyniku rozkładu bakteryjnego ulegała biodegradacji.

3. Ultradźwięki mogą zmienić reologię osadu i poprawić wydajność odwadniania osadu

Ultradźwięki mogą zmieniać reologię osadu, a stopień jego wpływu jest powiązany ze stanem ultradźwiękowym. Niska gęstość energii akustycznej i krótkotrwała obróbka ultradźwiękowa mogą zmniejszyć opór właściwy osadu i poprawić reologię i skuteczność odwadniania osadu. Jednakże wysoka gęstość energii akustycznej i długotrwałe oczyszczanie mogą zwiększyć opór właściwy osadu i pogorszyć jego właściwości reologiczne. Właściwości reologiczne osadu odzwierciedlają skuteczność odwadniania osadu. Zmiana właściwości reologicznych zapewnia wygodny sposób zwiększenia szybkości odwadniania osadów. Wielkość cząstek osadu poddanego obróbce z dużą wytrzymałością i krótkim czasem wynosi około 80 mikronów. Poprawia się skuteczność odwadniania osadów, a opady są dobre.

Krótszy czas obróbki ultradźwiękowej przy niższym natężeniu dźwięku (poniżej 600 W/m2) korzystnie wpływa na zmniejszenie zawartości wody związanej w osadach i sprzyja odwadnianiu osadów, ale efekt zwiększenia natężenia dźwięku i wydłużenia czasu oczyszczania staje się gorszy; częstotliwość ultradźwiękowa wynosi 20 kHz, średnie natężenie dźwięku wynosi około 400 W/m2, a obróbka ultradźwiękowa przez 2-4 minuty może spowodować zawartość wody związanej w osadzie. Zawartość wody spadła z 16,7 g/g suchej bazy do mniej niż 2,0 g/g suchej bazy. Oczyszczanie ultradźwiękowe, takie jak Yin Huan, znacznie zmniejsza zawartość wody związanej w osadzie, poprawia zdolność odwadniania osadu, zwiększa zawartość osadu o 5% ~ 10% i ostatecznie zmniejsza objętość osadu.

Eksperyment z filtracją ciśnieniową osadu metodą płytowo-ramową przeprowadzono przy użyciu ultradźwięków w połączeniu z flokulantem do oczyszczania osadu. Wyniki pokazują, że ultradźwięki mogą zmniejszyć zawartość wody w osadzie z prawie 98% do 81%, objętość osadu do pierwszej 1/10, intensywność ultradźwięków wynosi 410 W/m2, warunki obróbki ultradźwiękowej przez 2,5 minuty są lepsze, a użycie flokulanta wynosi od 0,7% suchej bazy. Zmniejszyć do 0,6% suchej bazy. Yang Jinmei i in. wykazały, że zawartość wody w placku filtracyjnym spadła o 2,9% po 7 sekundach obróbki ultradźwiękowej, lepkość i opór właściwy spadły odpowiednio o 29,4% i 24,2% po 10 sekundach obróbki ultradźwiękowej, a szybkość sedymentacji osadu po 15 sekundach była 3,7 razy większa niż w przypadku osadu pierwotnego. Połączenie ultradźwięków i flokulanta może poprawić wydajność odwadniania i sedymentacji osadu oraz zmniejszyć flokulant. Więcej niż połowa.

4. Ultradźwięki mogą sprzyjać wzrostowi azotu i fosforu w osadach, co sprzyja recyklingowi osadów.

Cao Xiuqin i Chen Wangjun z Pekińskiego Instytutu Inżynierii Architektonicznej wykazali, że wraz z wydłużeniem czasu obróbki ultradźwiękowej zawartość azotu organicznego w klarownej cieczy osadu gwałtownie wzrasta. Powodem jest to, że siła ścinająca wytwarzana przez kawitację ultradźwiękową rozbija komórki i uwalnia w komórkach białka i aminokwasy. Zawartość azotu amonowego i azotanowego wzrasta wraz z wydłużaniem czasu działania ultradźwięków, co wynika z przemiany części azotu organicznego w azot amonowy i azot azotanowy w procesie kawitacji ultradźwiękowej. Stwierdzono również, że zawartość związków fosforu i azotu w osadach zmienia się podobnie pod wpływem działania ultradźwięków. Zwiększenie zawartości azotu i fosforu jest korzystne dla recyklingu osadów. W porównaniu z glebami uformowanymi naturalnie, gleby miejskie mają niższą zawartość materii organicznej i niższą zawartość dostępnych składników odżywczych. Osad poddany obróbce ultradźwiękowej można wykorzystać do zwiększenia żyzności pól uprawnych, leśnictwa i pastwisk. Jak podaje literatura, po roku od naniesienia osadu na powierzchnię gleby zawartość azotu ogólnego, przyswajalnego i fosforu ogólnego w 20 cm powierzchni gleby znacznie wzrosła, a także w pewnym stopniu poprawiła się gęstość nasypowa, wodochłonność i porowatość gleby. Jeśli osady ściekowe poddane obróbce falą ultradźwiękową uda się wykorzystać do uszlachetniania terenów jałowych, półsuchych, słono-alkalicznych, nieużytków kopalnianych czy terenów pustynnych, będzie to działanie chroniące ekologię i z pożytkiem dla współczesności.

5. Wniosek

Stosowanie technologii ultradźwiękowej do oczyszczania osadów sprzyja redukcji osadów, nieszkodliwości i wykorzystaniu zasobów, a także ma ogromne znaczenie społeczne, środowiskowe i gospodarcze. Obróbka ultradźwiękowa osadów o niskiej częstotliwości i małych dawkach może zwiększyć aktywność osadu, zmienić strukturę kłaczków osadu, uwolnić związaną wodę z miceli drobnoustrojów osadu i poprawić skuteczność odwadniania osadu; Ultradźwięki o wysokiej intensywności mogą zabijać bakterie w osadach, eliminować wirusy i poprawiać rozpuszczalność ChZT. Obecnie krajowe i zagraniczne badania nad ultradźwiękową redukcją osadów polegają głównie na wpływie warunków ultradźwiękowych na promowanie beztlenowej i tlenowej redukcji osadów oraz wpływie ultradźwięków na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne osadów.