פירוק בוצה בתהליך אולטרה-סוני

במהלך 15 השנים האחרונות נפוצה בעולם טכנולוגיית טיפול אולטרה-סוני בבוצה כתהליך מוביל לפירוק בוצה מתקדם, המביא לייעול כלכלי משמעותי של המט"שים

מט"ש שורק בירושלים  |  באדיבות: "שחם מקורות"

בהנדסת סביבה עוברת האמרה מדור לדור: "הבוצה מהווה פחות מאחוז מהשפכים הנכנסים, גורמת ל-30% מהוצאות ההקמה ואחראית ל-90% מכאב הראש בתפעול".
מאמר זה מציג את אחת הטכנולוגיות המפותחות והמיושמות במאה ה-21 לייעול טכני-כלכלי של תהליכי הטיפול בבוצה - פירוק אולטרה-סוני.
בישראל כמו במדינות מודרניות אחרות, שוק מכוני טיהור השפכים (מט"שים) העירוניים התקדם מהקמת מתקנים חדשים Greenfield לשוק של שדרוג מתקנים Retrofit. הטכנולוגיות המתקדמות לשדרוג הטיפול בבוצה עונות לשתי דרישות כלכליות בהתאם:

  1. ייעול כלכלי של התפעול - על ידי צמצום צריכת אנרגיה וכימיקלים והפחתת סילוק בוצה.
  2. צמצום השקעות בהרחבת מתקנים - על ידי שיפור התהליך בנפחי המתקן הקיימים.

הבוצה העודפת במכוני טיהור עירוניים הינה שארית ביומסה (בקטריות שאינן יעילות) וחומר אורגני שנדרש לסלק באופן קבוע מהתהליך.
הטיפול הקונבנציונאלי כולל הסמכת לרמת מוצק של כ- 4%-5%, ופירוק החומר האורגני הנדיף (VSS) באמצעות עיכול על ידי בקטריות אחרות - או במעכלים אנאירוביים/אירוביים, או באופן סימולטני בריאקטורים של בוצה משופעלת.
הקושי בתהליכים אלו נובע מכך שהבוצה העודפת קשה לפירוק בעיכול לעומת VSS אחר בתהליך.
טכנולוגיות מתקדמות לפירוק בוצה (Sludge Disintegration) נמצאות בפיתוח ויישום החל מסוף שנות ה-90 בכדי לענות לשני האפיונים הנ"ל.
בפרט התקדמו בתחום זה מדינות הדוגלות בשימור אנרגיה ובראשן גרמניה, וניתן למצוא את סיכום מצאי שוק הטכנולוגיה והמלצות היישום בפרסום ארגון מהנדסי המים הגרמני DWA מ-2015. פרסום זה ודומיו מפרטים את טווח הטכנולוגיות לפירוק הידרוליזה של בוצה (מכניות, תרמיות וכימיות) ומצביעים על פירוק מכני בקויטציה - ובפרט תהליך אולטרה-סוני - כיעיל ביותר במבחן הטכני-כלכלי.

תהליך פירוק בוצה עם טיפול אולטרה-סוני

הטיפול האולטרה-סוני הינו הפעלת הרעשה (Sonication) בתדר על קולי - כ-20-25 קילוהרץ - בחומר הבוצה המטופל.
הטיפול מתבצע בריאקטורים על ידי תנודות של יחידת הרעשה Sonotrode במיקרונים בודדים בתדרים הנ"ל, היוצרות גלי לחץ חיובי ושלילי (ואקום) לסירוגין. באופן זה מחוללים ענן בועיות קויטציה המכילות אנרגיה נקודתית גבוהה בלחץ של כ- 500 אטמ' וטמפ' של אלפי מעלות. זרם הבוצה המטופל עובר בתוך ריאקטור דרך ענן בועיות הקויטציה כך שנוצרת גזירה מכנית של הביומסה בפגישה עם הקויטציה.
לקבלת הפירוק האופטימלי הריאקטורים בנויים בשרשרת תאי תגובה בתהליך קסקדה. הטכנולוגיות השונות בתחום נבדלות בתצורת ריאקטור ויעילות הממשק קויטציה-בוצה וכתוצאה מכך ביעילות התהליך וצריכת האנרגיה.
במשך כ-30 השניות הראשונות של הטיפול בהרעשה אולטרה-סונית מתפרקים צבירי הביומסה (פלוקים) הקיימים בבוצה הביולוגית העודפת. עם המשך הפעלת ההרעשה האולטרה-סונית למשך כ-60 שניות נוספות, מתקבל גם פירוק תאי הביומסה בעצמם על ידי קריעת מעטפת התא. פירוק זה של ביומסה הופך מוצקים קשיי פירוק ביולוגי לחומר אורגני נוזלי (COD מומס) וחומר קולואידי מיקרוני שהינם קלים יותר לעיכול בהמשך, בתהליך הביולוגי. בדיקות שנערכו במתקנים פועלים רבים בטכנולוגיה זו הראו שעם השקעת אולטרה-סאונד ברמת אנרגיה של כ- 0.2-1 קווט"ש\מ"ק בבוצה לפני עיכול, פילוג החלקיקים משתנה מרוב שגדול מ-100 מיקרון, לרוב בגודל מיקרונים בודדים (1-10).
על מנת לייעל את התהליך ולבנות ריאקטורים קטנים ככל הניתן, בדרך כלל מטופלת רק הבוצה המוסמכת (TWAS) ובטכנולוגיות מסוימות מספיק טיפול בחלק מזרם זה כדי לקבל את האפקט האופטימלי בעיכול.
כאשר הבוצה המטופלת מגיעה לתהליך הפירוק הביולוגי - במעכל אנאירובי/אירובי או באגני אוורור – תהליך פירוק חומר אורגני נדיף (VSS) מתקצר באופן משמעותי היות והביומסה הפעילה מוזנת ביותר חומר מומס ומפורק קל לעיכול במקום חומר מוצק תאי ופלוקים. כמו כן משתחררים לנוזל חומרים תוך-תאיים של הבקטריות המפורקות לרבות אנזימים המאיצים את קצב פעילות העיכול.

תועלות ויתרונות פירוק בוצה אולטרה-סוני

התועלות שנמצאו במאות ההתקנות הקיימות בעולם לפירוק בוצה אולטרה-סוני הינן:

  1. ייעול עיכול בוצה אנאירובי ואירובי - התועלת העיקרית, הנובעת משיפור של כ-15%-40% בפירוק חומר אורגני נדיף (VSS) בעיכול הבוצה וכתוצאה מכך:
    • גידול של 40%-15% בכמויות הביוגז, ובהתאם ייצור אנרגיה מוגבר במערכת קיימת.
    • חיסכון של כ-20%-10% בעלויות טיפול ופינוי בוצה, צמצום כמות הבוצה הסופית ושיפור תכונות הסחיטה שלה, גורמים לחיסכון בסילוק והפחתת כמות הפולימר לסחיטה.
    • הפחתת נפח העיכול הדרוש ומניעת הצורך בהרחבת מעכלים, עקב הגברת קצב העיכול, ניתן במקרים מתאימים לשפר מעכל או ריאקטור קיים במקום לבנות חדשים ולחסוך מיליוני שקלים הנדרשים להקמת אגנים ומערכות חדשים.
  2. חיסול תופעות Bulking/Foaming Sludge - פתרון מוחלט לבעיה תהליכית - תפעולית מוכרת של היקשרות בקטריות פילמנטיות והיווצרות שכבות צפות וקצף במט"שים. הטכנולוגיה הוכחה במספר אתרים כפתרון יעיל ומלא לשבירת הבקטריה הפילמנטית ומניעת התפתחותה על ידי הפעלה קבועה של זרם סחרור קטן מאוד.
  3. תוספת מקור פחמן לתהליך הדה-ניטריפיקציה (בסילוק חנקן ביולוגי), החומר האורגני כ- COD מומס הנוצר בפירוק אולטרה-סוני חוזר בחלקו לתהליך הביולוגי ומעשיר בנוטריינטים את תהליך הדה-ניטריפיקציה.
    במט"שים הצורכים מקור פחמן חיצוני (כגון מתנול) ניתן לצמצם או לבטל את תוספת הכימיקל.

תפוצת הטכנולוגיה ודוגמאות ליישום

במהלך 15 השנים האחרונות נפוצה טכנולוגיית טיפול אולטרה-סוני בבוצה בעולם כתהליך מוביל לפירוק בוצה מתקדם (Sludge Disintegration) בשיעור התקנות גבוה יותר משאר הטכנולוגיות גם יחד.
קיימות מאות התקנות מסחריות כאשר הראשונות בהן משנת 2015. במקרים רבים הוחלפו תהליכי הידרוליזה אחרים לקבלת תוצאות משופרות - לדוגמה כל ההתקנות של ריאקטורים בטכנולוגיה אלקטרו-קינטית (פולסים חשמליים) בגרמניה הוחלפו לאחרונה בריאקטורים אולטרה-סונים. 

להלן תיאור שני מקרי בוחן של התקנות טכנולוגיה מחברת Ultrawaves2 מגרמניה, המובילה העולמית בתחום, שהינה מהמפתחות הראשונות של הטכנולוגיה עם כ-200 ריאקטורים מותקנים ב-15 מדינות.

מט"ש Dabrowa Gornicza פולין ל- 200,000 נפש3.

מצב ראשוני:

  • מט"ש מתוכנן לקיבולת שפכים של 150,000 נפש, מועמס בחריגה כ-33%.
  • היקף כמות בוצה סחוטה לעיכול (ללא שיקוע ראשוני) 100 מ"ק/יום.
  • מעכלים קיימים - 2 אגנים בזמן שהיה 18 יום עם פירוק VSS ממוצע 40%.

הצורך: שיפור פירוק VSS ל-45% לפחות.

  • חלופה א - בניית מעכל נוסף בנפח 1,700 מ"ק עם המערכות הנדרשות.
  • חלופה ב - שימוש בטיפול אולטרה-סוני להגברת קצב פירוק VSS במעכלים קיימים.

התקנת טכנולוגיית פירוק אולטרה-סוני ותוצאותיה:

  • הותקנו שני ריאקטורים של Ultrawaves לטיפול ב-30 מ"ק בסחרור בוצה על המעכלים.
  • מנת האנרגיה 3 קווט"ש/מ"ק מטופל (כ- 90 קווט"ש/יום).
  • בתוך 2 חודשים הושג שיפור של 30% בעיכול VSS (מרמת 40% ל-52%).
  • בהתאם נוצר 30% יותר גז לייצור אנרגיה.
  • נמנע פרויקט הקמת מעכל ומערכות בשווי כ-5 מיליון שקלים.
  • הפחתת מסת הבוצה לסילוק בכ-7%.
  • תקופת החזר השקעה - שנתיים.

מט"ש Bamberg גרמניה ל- 330,000 נפש4

מצב ראשוני:

  • מט"ש מתוכנן לפי קיבולת שפכים 230,000 נפש, מועמס יתר 44%.
  • מעכלים קיימים - 3 אגנים בזמן שהיה 18 יום, נפח כללי 5,000 מ"ק.
  • קצב פירוק VSS בממוצע 34%.

הצורך: הגברת פירוק VSS במעכלים קיימים וייצור ביוגז להפקת אנרגיה.

התקנת טכנולוגיית פירוק אולטרה-סוני ותוצאותיה:

  • הותקנו 2 ריאקטורים של Ultrawaves לטיפול ב-80% מהבוצה הביולוגית המוסמכת TWAS.
  • מנת האנרגיה 4 קווט"ש\מ"ק מטופל.
  • הושג שיפור של 30% בעיכול VSS.
  • בהתאם נוצר 30% יותר גז לייצור אנרגיה המאפשר אספקת אנרגיה עצמית מלאה – המט"ש האירופאי הראשון Self Sufficient הצורך אנרגיה רק מבוצה.
  • נמנע פרויקט הקמת מעכל ומערכות בשווי כ-8 מיליון שקלים.
  • הפחתת מסת הבוצה לסילוק בכ-20%.
  • תקופת החזר השקעה - פחות משנתיים.

 

סיכום

פירוק בוצה אולטרה-סוני הינה הטכנולוגיה המובילה מבין טכנולוגיות פירוק בוצה מתקדמות Sludge Disintegration שנועדו לייעל תהליכי טיפול בבוצה במט"שים קיימים. הטכנולוגיה פותחה כמענה כלכלי להאצת העיכול במט"שים והתהליך שופר בעקבות הניסיון שנצבר במאות התקנות.

התוצאות:

  • הגברת ייצור הגז ב-40%-15%.
  • צמצום עלויות טיפול בבוצה בכ- 20%-10%.
  • הקטנת נפח העיכול הדרוש - המאפשרת ביטול או דחיית השקעות בהרחבת מעכלים.

שימוש נוסף במט"שים עם סילוק חנקן ביולוגי BNR הוא פירוק חומר אורגני קשה-עיכול לחומר הזנה לתהליך הדה-ניטריפקציה.
כמו כן, הטכנולוגיה משמשת לטיפול סופי בבעיית Bulking Sludge על ידי פירוק אופטימלי של הבקטריה הפילמנטית.

יואב ינון, MSc הנדסת סביבה, BSc הנדסה מכנית, חברת יואב ינון ניהול הנדסה וטכנולוגיה | www.yyinon.com
ד"ר קלאוס ניקל PHD, ממפתחי הטכנולוגיה באוניב' TUHH בהמבורג, חברת Ultrawaves גרמניה | www.ultrawaves.de
הדפסה הורדה

לשאלות ופרטים נוספים

נא מלאו את פרטיכם ונציגינו ייצרו עמכם קשר בהקדם