Tratamiento ultrasónico para la digestión aeróbica de lodos activados
La ultrasonificación de alta potencia desintegra los lodos activados residuales (WAS) antes o durante la digestión aeróbica. La cavitación acústica rompe los flóculos de lodo, descompone las sustancias poliméricas extracelulares y abre las células microbianas. De este modo, la materia orgánica que antes estaba protegida queda más accesible para el digestor aeróbico.
En un proceso aeróbico, el objetivo no es aumentar la producción de biogás. El aumento de la producción de metano es relevante en la digestión anaeróbica. En un digestor aeróbico, los indicadores de rendimiento relevantes 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 total de explotación.
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 de célula 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 los lodos sin necesidad de sustituir el digestor aeróbico existente.
Sistema industrial ultrasónico en línea de Hielscher para el tratamiento de lodos de sedimentación espesados (WAS)
Por qué es difícil digerir los lodos activados de los residuos
Los lodos activados residuales son el exceso de sólidos biológicos que se retira 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 clarificador 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 necesaria.
- Los lodos activados residuales (WAS) se retiran del proceso de tratamiento de líquidos y se envían a las etapas de espesamiento, estabilización, digestión o deshidratación.
El WAS contiene una elevada proporción de material celular microbiano. Gran parte de su contenido orgánico biodegradable está encerrado en paredes celulares o retenido en flóculos compactos de lodos. Esta protección física ralentiza la lisis celular natural y la hidrólisis.
Durante la digestión aeróbica, se suministra oxígeno mientras hay poca materia prima disponible. Los microorganismos pasan a la respiración endógena y consumen el material almacenado, las células muertas y otros componentes biodegradables de los lodos. El objetivo es estabilizar los lodos, reducir el potencial de olores y disminuir la cantidad de sólidos volátiles que deben desaguarse y eliminarse.
La velocidad de digestión suele verse limitada por el acceso al sustrato. Un digestor puede contar con microorganismos activos y un tiempo de residencia suficiente, pero la materia orgánica contenida en el interior de las células intactas y los flóculos densos sigue siendo difícil de alcanzar.
Comparación entre flóculos sin tratar y lodos sometidos a sonicación: la sonicación reduce considerablemente el tamaño de los flóculos.
Estudio e imágenes: ©Chu et al. 2001
Cómo la cavitación ultrasónica abre el camino a la WAS para la digestión aeróbica
Los sonicadores industriales de Hielscher funcionan a 20 kHz y generan una intensa cavitación acústica en corrientes de líquidos y lodos. Las burbujas de cavitación se forman, crecen y colapsan dentro del lodo. Su colapso genera potentes fuerzas de cizallamiento locales que actúan directamente sobre los flóculos, el EPS y las células microbianas.
El tratamiento ultrasónico produce tres cambios importantes en el WAS:
Desintegración de los flóculos
La cavitación desintegra los agregados de lodos y deja al descubierto superficies que antes estaban recubiertas por sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Los lodos tratados contienen partículas más pequeñas y presentan una mayor superficie accesible.
EPS y disrupción celular
La desintegración asistida por ultrasonidos aumenta la biodegradabilidad aeróbica de los lodos activados procedentes de residuos municipales, al descomponer los flóculos de lodo resistentes 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 aeróbicos pueden consumir la materia orgánica soluble y finamente dividida con mayor facilidad que las células microbianas intactas y los flóculos compactos. Por lo tanto, el tratamiento con ultrasonidos realiza mecánicamente parte del proceso de lisis e hidrólisis antes de la etapa de oxidación biológica.
La sonicación actúa sobre la densa matriz protectora de los lodos de depuración para acelerar y hacer más eficiente la digestión microbiana. Esto se observa habitualmente como un aumento de la demanda química de oxígeno soluble (SCOD).
Reactor de flujo ultrasónico industrial para una mejor digestión de WAS
Ventajas de la sonicación en las plantas de digestión aeróbica
La respuesta depende del lodo y de la dosis ultrasónica. Cuando la sonicación aumenta la biodegradabilidad aeróbica, una planta de tratamiento de aguas residuales puede obtener:
- Mayor destrucción de sólidos volátiles con el tiempo de digestión actual
- Estabilización comparable de los lodos con un tiempo de permanencia más corto
- Menor producción de sólidos secos residuales
- Capacidad efectiva adicional procedente de un digestor aeróbico ya existente
- Reducción del transporte y la eliminación de biosólidos
- Mayor estabilidad del proceso durante los periodos de alta concentración de sólidos
- Mejor control de los organismos filamentosos mediante la formación de flóculos y la ruptura celular
Sonicadores en línea de Hielscher para una adaptación sencilla
A escala real, suele ser más eficiente aplicar ultrasonidos a un flujo de lodos concentrados que a todo el volumen del digestor aeróbico. Los reactores ultrasónicos de célula de flujo de Hielscher admiten dos configuraciones prácticas.
Pretratamiento de la línea de alimentación WAS
El sistema ultrasónico se instala después del espesador WAS y antes del digestor aeróbico:
WAS espesado → bomba de alimentación → célula de flujo ultrasónica Hielscher → digestor aeróbico
Este sistema gestiona un caudal másico definido de sólidos secos y proporciona una base clara para controlar la aportación específica de energía ultrasónica.
Diagrama de flujo: Lodos de sedimentación espesados (WAS) → bomba de alimentación → sonicador industrial en línea UIP6000hdT de Hielscher → digestor aeróbico
Recirculación del digestor o tratamiento en flujo paralelo
Se bombea una fracción controlada de lodos desde el digestor o la línea de lodos a través del sonicador y se devuelve al proceso. Esta configuración resulta útil cuando resulta difícil modificar la línea de alimentación existente o cuando solo debe tratarse una fracción seleccionada de los lodos.
Ambos sistemas pueden instalarse en forma de módulos compactos que incluyen una bomba, una célula de caudal ultrasónica, válvulas de aislamiento, un derivado de servicio, medidores de presión y temperatura, puntos de muestreo y controles de proceso. El digestor existente no sufre ninguna modificación.
Esto hace que el tratamiento por ultrasonidos resulte especialmente adecuado para la modernización de plantas de tratamiento de aguas residuales ya existentes. El módulo de ultrasonidos puede instalarse en una línea de bombeo, funcionar de forma independiente y desconectarse temporalmente durante las inspecciones o el mantenimiento.
¡Mejora la desintegración aeróbica de los lodos con ultrasonidos de alta potencia!
Los sonicadores industriales de Hielscher ofrecen un método compacto y escalable para integrar el ultrasonido de alta potencia en una línea de tratamiento de lodos de depuración (WAS) ya existente. El procesamiento en línea mediante una célula de flujo concentra la energía ultrasónica en el flujo de lodos, permite un control reproducible de la dosis y puede diseñarse para un funcionamiento fiable e intensivo las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany
Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos 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 por ultrasonidos genera más biogás en un digestor aeróbico?
No. El aumento del rendimiento de metano o biogás es una ventaja de la digestión anaeróbica. En el caso de la digestión aeróbica, el tratamiento ultrasónico debe evaluarse en función de la destrucción de la materia orgánica volátil (VO), el consumo de oxígeno, el tiempo de digestión, los sólidos secos residuales, la capacidad de deshidratación y el coste total.
¿Dónde está instalado el sistema ultrasónico?
Por lo general, el sistema se instala en línea tras el espesamiento WAS y antes del digestor aeróbico. También puede funcionar en un circuito lateral controlado o en un circuito de recirculación del digestor. Un derivación de servicio permite que la transferencia de lodos continúe durante las tareas de mantenimiento.
¿Por qué utilizar un sonicador industrial de 20 kHz?
Los ultrasonidos de baja frecuencia y alta potencia generan una cavitación intensa y un cizallamiento mecánico. Esto resulta eficaz para romper los flóculos de lodos, desintegrar las EPS y abrir las células microbianas en corrientes de fase líquida y sólida.
¿Puede un sonicador Hielscher funcionar de forma continua?
Sí. La gama de sonicadores industriales hdT de Hielscher está diseñada para un funcionamiento continuo en condiciones exigentes y destaca por su durabilidad. Los reactores de célula de flujo permiten un procesamiento controlado en línea o por recirculación, mientras que el registro automático de datos facilita la supervisión del proceso y garantiza su reproducibilidad.
¿Qué datos se necesitan para dimensionar un sistema ultrasónico de tratamiento de lodos?
Los parámetros principales son el caudal de WAS, las concentraciones de TS y 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 pruebas piloto para determinar la dosis adecuada antes de proceder al dimensionamiento a escala real.
¿Mejora la sonicación la deshidratación de los lodos?
El resultado depende de las características de los lodos y de la dosis. Un tratamiento moderado puede mejorar el proceso de separación de sólidos, mientras que una desintegración excesiva puede generar partículas finas y polímeros solubles que dificultan la captura o la formación de la torta de sólidos. Por lo tanto, las pruebas de deshidratación son una parte esencial de la optimización del proceso.
¿Qué dicen los estudios científicos sobre la digestión por ultrasonidos con WAS?
Los estudios de laboratorio respaldan el uso de ultrasonidos para aumentar la accesibilidad y la biodegradabilidad aeróbica de los lodos de depuración.
En un estudio sobre el pretratamiento combinado alcalino y ultrasónico previo a la digestión aeróbica, se observó que la degradación de la materia orgánica, en el mismo tiempo de digestión, fue del 38,0 % para los lodos sin tratar y del 42,5 % para los lodos pretratados con ultrasonidos. El pretratamiento combinado alcalino y ultrasónico aumentó la degradación hasta el 50,7 %. El resultado demuestra que el ultrasonido por sí solo puede mejorar la degradación aeróbica, al tiempo que pone de manifiesto que la mejora que se puede alcanzar depende de la estrategia de pretratamiento y de las características de los lodos. (véase Jin et al., 2009)
Otro estudio sobre aguas residuales municipales (WAS) reveló un aumento de la solubilización de los lodos y de su biodegradabilidad aeróbica tras una desintegración bacteriana asistida por ultrasonidos. Los lodos pretratados mostraron una mayor tasa de biodegradación o descomposición que el grupo de control sin tratar. (véase Kavitha et al., 2016)
¿La sonicación contribuye a otros procesos relacionados con los lodos?
Sí. La sonicación contribuye a varios procesos de tratamiento de lodos al desintegrar los flóculos, las EPS y las células microbianas:
Digestión anaeróbica/Producción de biogás: acelera la hidrólisis, aumenta la DQO soluble y puede mejorar la destrucción de la materia orgánica volátil y el rendimiento de metano.
Recuperación de fósforo: libera el fósforo ligado a las células y el fósforo orgánico a la fase líquida, lo que mejora su disponibilidad para la posterior precipitación de estruvita o vivianita; los ultrasonidos también pueden intensificar la lixiviación del fósforo de las cenizas de lodos.
Literatura / 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 de laboratorio a tamaño industrial.