Tratamiento ultrasónico para la digestión aerobia de lodos activados excedentes
La ultrasonicación de alta potencia desintegra los lodos activados excedentes (WAS) antes de la digestión aerobia o durante esta. La cavitación acústica rompe los flóculos de los lodos, desestructura las sustancias poliméricas extracelulares y provoca la apertura de las células microbianas. Esto hace que la materia orgánica previamente protegida sea más accesible para el digestor aerobio.
En un proceso aerobio, el objetivo no es aumentar la producción de biogás. El aumento de la producción de metano es pertinente en la digestión anaerobia. En un digestor aerobio, los indicadores de rendimiento pertinentes son la destrucción de sólidos volátiles, el consumo de oxígeno, el tiempo de digestión, los sólidos secos residuales, la capacidad de deshidratación y el coste operativo total.
Los sonicadores industriales de Hielscher se integran en una línea de WAS con bombeo o en un circuito de recirculación del digestor. Los reactores ultrasónicos con celda de flujo concentran el tratamiento en un caudal de lodos definido y permiten supervisar el proceso mediante la potencia, el caudal, la concentración de sólidos, la presión y la temperatura. El resultado es una adaptación compacta que permite incorporar la desintegración ultrasónica de lodos sin sustituir el digestor aerobio existente.
Unidad industrial ultrasónica de flujo en línea de Hielscher montada sobre bancada para el tratamiento de WAS espesados
Por qué los lodos activados excedentes son difíciles de digerir
Los lodos activados excedentes son los sólidos biológicos sobrantes que se extraen de un proceso de tratamiento de aguas residuales mediante lodos activados. Contienen microorganismos, sustancias poliméricas extracelulares (EPS), materia orgánica retenida y sólidos inertes.
En el decantador secundario, los lodos activados sedimentados se dividen en dos corrientes:
- Los lodos activados de retorno (RAS) se devuelven al tanque de aireación para mantener la concentración de biomasa requerida.
- Los lodos activados excedentes (WAS) se extraen del proceso de tratamiento de la fase líquida y se envían a espesamiento, estabilización, digestión o deshidratación.
Los WAS contienen una elevada proporción de material celular microbiano. Gran parte de su contenido orgánico biodegradable está encerrado por las paredes celulares o ligado en el interior de flóculos compactos de lodos. Esta protección física ralentiza la lisis celular y la hidrólisis naturales.
Durante la digestión aerobia, se suministra oxígeno mientras hay poco alimento nuevo disponible. Los microorganismos entran en respiración endógena y consumen material almacenado, células muertas y otros componentes biodegradables de los lodos. El objetivo es estabilizar los lodos, reducir su potencial de generación de olores y disminuir la cantidad de sólidos volátiles que deben deshidratarse y eliminarse.
La velocidad de digestión suele estar limitada por el acceso al sustrato. Un digestor puede tener microorganismos activos y un tiempo de residencia suficiente, pero la materia orgánica del interior de las células intactas y los flóculos densos sigue siendo difícil de alcanzar.
Comparación de flóculos sin tratar con lodos sonicados: la sonicación reduce significativamente los flóculos.
Estudio e imágenes: ©Chu et al. 2001
Cómo la cavitación ultrasónica hace accesibles los WAS para la digestión aerobia
Los sonicadores industriales de Hielscher funcionan a 20 kHz y generan una intensa cavitación acústica en corrientes de líquidos y suspensiones. Las burbujas de cavitación se forman, crecen y colapsan dentro de los lodos. Su colapso crea potentes fuerzas locales de cizallamiento que actúan directamente sobre los flóculos, las EPS y las células microbianas.
El tratamiento ultrasónico produce tres cambios importantes en los WAS:
Desintegración de flóculos
La cavitación rompe los agregados de lodos y expone superficies que antes estaban encerradas por sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Los lodos tratados contienen partículas más pequeñas y una mayor superficie accesible.
Desestructuración de EPS y ruptura celular
La desintegración asistida por ultrasonidos aumenta la biodegradabilidad aerobia de los lodos activados excedentes municipales al romper los flóculos resistentes de los lodos y liberar la materia orgánica atrapada. La cavitación ultrasónica rompe las membranas y las paredes celulares. Las proteínas y los hidratos de carbono, así como otros compuestos intracelulares, pasan a la fase líquida.
Mayor biodisponibilidad
Los microorganismos aerobios pueden consumir la materia orgánica soluble y finamente dividida con mayor facilidad que las células microbianas intactas y los flóculos compactos. Por tanto, la ultrasonicación realiza mecánicamente parte del trabajo de lisis e hidrólisis antes de la etapa de oxidación biológica.
La sonicación actúa sobre la espesa matriz protectora de los lodos de depuradora para que la digestión microbiana sea mucho más rápida y eficiente. Esto suele observarse como un aumento de la demanda química de oxígeno soluble (SCOD).
Reactor ultrasónico de flujo industrial para mejorar la digestión de WAS
Ventajas de la sonicación en plantas de digestión aerobia
La respuesta depende de los lodos y de la dosis ultrasónica. Cuando la sonicación aumenta la biodegradabilidad aerobia, una planta de tratamiento de aguas residuales puede obtener:
- Mayor destrucción de sólidos volátiles con el tiempo de digestión actual
- Una estabilización comparable de los lodos con un tiempo de residencia menor
- Menor producción de sólidos secos residuales
- Capacidad efectiva adicional en un digestor aerobio existente
- Menores necesidades de transporte y eliminación de biosólidos
- Mayor estabilidad del proceso durante periodos de alta carga de sólidos
- Mejor control de los organismos filamentosos mediante la desintegración de flóculos y la ruptura celular
Sonicadores Hielscher en línea para una fácil adaptación de instalaciones existentes
A escala real, suele ser más eficiente sonicar un caudal de lodos concentrados que todo el volumen del digestor aerobio. Los reactores ultrasónicos con celda de flujo de Hielscher permiten dos configuraciones prácticas.
Pretratamiento en la línea de alimentación de WAS
El sistema ultrasónico se instala después del espesamiento de los WAS y antes del digestor aerobio:
WAS espesados -> bomba de alimentación -> celda de flujo ultrasónica Hielscher -> digestor aerobio
Esta disposición trata un caudal másico definido de sólidos secos y proporciona una base clara para controlar el aporte específico de energía ultrasónica.
Diagrama de flujo: WAS espesados -> bomba de alimentación -> sonicador industrial Hielscher UIP6000hdT en línea -> digestor aerobio
Recirculación del digestor o tratamiento de una corriente lateral
Una fracción controlada de los lodos se bombea desde el digestor o la línea de lodos a través del sonicador y se devuelve al proceso. Esta configuración resulta útil cuando la línea de alimentación existente es difícil de modificar o cuando solo debe tratarse una fracción seleccionada de los lodos.
Ambas disposiciones pueden instalarse como unidades compactas montadas sobre bancada, con una bomba, una celda de flujo ultrasónica, válvulas de aislamiento, un bypass de servicio, medición de presión y temperatura, puntos de muestreo y controles de proceso. El recipiente del digestor existente permanece sin cambios.
Esto hace que el tratamiento ultrasónico sea especialmente adecuado para adaptar plantas de tratamiento de aguas residuales existentes. La unidad ultrasónica montada sobre bancada puede instalarse en una línea con bombeo, funcionar de forma independiente y puentearse durante las inspecciones o el mantenimiento.
¡Mejore la desintegración de lodos en la digestión aerobia con ultrasonidos de potencia!
Los sonicadores industriales de Hielscher proporcionan un método compacto y escalable para integrar ultrasonidos de alta potencia en una línea existente de tratamiento de WAS. El procesamiento en línea mediante celdas de flujo concentra la energía ultrasónica en la corriente de lodos, permite un control reproducible de la dosis y puede diseñarse para un funcionamiento fiable en condiciones de trabajo intensivo 24/7.
Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania
Los sonicadores de Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros sonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los sonicadores de Hielscher afrontan con facilidad condiciones adversas y entornos exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en sonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Preguntas frecuentes
¿El tratamiento ultrasónico produce más biogás en un digestor aerobio?
No. El aumento del rendimiento de metano o biogás es una ventaja de la digestión anaerobia. En la digestión aerobia, el tratamiento ultrasónico debe evaluarse mediante la destrucción de sólidos volátiles (VS), el consumo de oxígeno, el tiempo de digestión, los sólidos secos residuales, la capacidad de deshidratación y el coste total.
¿Dónde se instala el sistema ultrasónico?
El sistema suele instalarse en línea después del espesamiento de los WAS y antes del digestor aerobio. También puede funcionar en una corriente lateral controlada o en un circuito de recirculación del digestor. Un bypass de servicio permite continuar el trasiego de lodos durante el mantenimiento.
¿Por qué utilizar un sonicador industrial de 20 kHz?
Los ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia generan una intensa cavitación y cizallamiento mecánico. Esto resulta eficaz para romper los flóculos de los lodos, desestructurar las EPS y provocar la apertura de las células microbianas en corrientes de líquido y sólidos.
¿Puede funcionar continuamente un sonicador de Hielscher?
Sí. La gama de sonicadores industriales hdT de Hielscher está diseñada para un funcionamiento continuo en condiciones de trabajo intensivo y es conocida por su durabilidad. Los reactores con celda de flujo permiten un procesamiento controlado en línea o por recirculación, mientras que el registro automático de datos facilita la supervisión del proceso y la reproducibilidad.
¿Qué datos se necesitan para dimensionar un sistema ultrasónico para lodos?
Los principales datos de entrada son el caudal de WAS, las concentraciones de sólidos totales (TS) y sólidos volátiles (VS), la viscosidad de los lodos, la energía específica objetivo, el efecto de tratamiento requerido, las horas de funcionamiento y la presión disponible. Se recomienda realizar ensayos piloto para determinar la dosis útil antes del dimensionamiento a escala real.
¿La sonicación mejora la deshidratación de los lodos?
El resultado depende de las características de los lodos y de la dosis. Un tratamiento moderado puede mejorar el procesamiento de los sólidos, mientras que una desintegración excesiva puede generar partículas finas y polímeros solubles que dificulten la captura de sólidos o reduzcan el contenido de sólidos de la torta. Por tanto, los ensayos de deshidratación son una parte esencial de la optimización del proceso.
¿Qué dicen los estudios científicos sobre la digestión de WAS mediante ultrasonidos?
Los estudios de laboratorio respaldan el uso de ultrasonidos para aumentar la accesibilidad y la biodegradabilidad aerobia de los WAS.
En un estudio sobre el pretratamiento combinado alcalino y ultrasónico antes de la digestión aerobia, se comunicó una degradación de la materia orgánica, para el mismo tiempo de digestión, del 38,0% en los lodos sin tratar y del 42,5% en los lodos pretratados con ultrasonidos. El pretratamiento combinado alcalino y ultrasónico aumentó la degradación hasta el 50,7%. El resultado demuestra que los ultrasonidos por sí solos pueden mejorar la degradación aerobia, y también muestra que la mejora alcanzable depende de la estrategia de pretratamiento y de las características de los lodos. (cf. Jin et al., 2009)
Otra investigación sobre WAS municipales comunicó un aumento de la solubilización de los lodos y de la biodegradabilidad aerobia tras la desintegración bacteriana asistida por ultrasonidos. Los lodos pretratados mostraron una mayor velocidad de biodegradación o de descomposición que el control sin tratar. (cf. Kavitha et al. 2016)
¿La sonicación favorece otros procesos de tratamiento de lodos?
Sí. La sonicación favorece varios procesos de tratamiento de lodos al desintegrar los flóculos, desestructurar las EPS y romper las células microbianas:
Digestión anaerobia/Producción de biogás: acelera la hidrólisis, aumenta la demanda química de oxígeno soluble (COD soluble) y puede mejorar la destrucción de sólidos volátiles (VS) y el rendimiento de metano.
Recuperación de fósforo: libera el fósforo ligado a las células y el fósforo orgánico hacia la fase líquida, mejorando su disponibilidad para la posterior precipitación de estruvita o vivianita; los ultrasonidos también pueden intensificar la lixiviación del fósforo de las cenizas de lodos.
Bibliografía / Referencias
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.