Trattamento a ultrasuoni per la digestione aerobica dei fanghi attivi di supero
La sonicazione ad alta potenza disgrega i fanghi attivi di supero (WAS) prima o durante la digestione aerobica. La cavitazione acustica rompe i fiocchi di fango, disgrega le sostanze polimeriche extracellulari e apre le cellule microbiche. Ciò rende la materia organica precedentemente protetta più accessibile al digestore aerobico.
Per un processo aerobico, l’obiettivo non è aumentare la produzione di biogas. L’aumento della produzione di metano riguarda la digestione anaerobica. In un digestore aerobico, gli indicatori di prestazione rilevanti sono la distruzione dei solidi volatili, il consumo di ossigeno, il tempo di digestione, i solidi secchi residui, la disidratabilità e il costo operativo totale.
I sonicatori industriali Hielscher si integrano in una linea di pompaggio dei WAS o in un circuito di ricircolo del digestore. I reattori a ultrasuoni con cella di flusso concentrano il trattamento su un flusso definito di fango e consentono di monitorare il processo mediante potenza, portata, concentrazione dei solidi, pressione e temperatura. Il risultato è un adeguamento compatto che permette di aggiungere la disgregazione dei fanghi a ultrasuoni senza sostituire il digestore aerobico esistente.
Sistema industriale Hielscher a ultrasuoni in linea montato su skid per il trattamento dei WAS ispessiti
Perché i fanghi attivi di supero sono difficili da digerire
I fanghi attivi di supero sono i solidi biologici in eccesso rimossi da un processo di trattamento delle acque reflue a fanghi attivi. Contengono microrganismi, sostanze polimeriche extracellulari (EPS), materiale organico trattenuto e solidi inerti.
Nel sedimentatore secondario, i fanghi attivi sedimentati vengono suddivisi in due flussi:
- I fanghi attivi di ricircolo (RAS) vengono reimmessi nella vasca di aerazione per mantenere la concentrazione di biomassa richiesta.
- I fanghi attivi di supero (WAS) vengono rimossi dal processo di trattamento della fase liquida e inviati all’ispessimento, alla stabilizzazione, alla digestione o alla disidratazione.
I WAS contengono un’elevata percentuale di materiale cellulare microbico. Gran parte del loro contenuto organico biodegradabile è racchiusa dalle pareti cellulari o legata all’interno di fiocchi di fango compatti. Questa protezione fisica rallenta la lisi cellulare naturale e l’idrolisi.
Durante la digestione aerobica viene fornito ossigeno, mentre la disponibilità di nuovo nutrimento è scarsa. I microrganismi entrano nella fase di respirazione endogena e consumano il materiale accumulato, le cellule morte e altri componenti biodegradabili dei fanghi. Lo scopo è stabilizzare i fanghi, ridurre il potenziale di formazione di odori e diminuire la quantità di solidi volatili da disidratare e smaltire.
La velocità di digestione è spesso limitata dall’accessibilità del substrato. Un digestore può contenere microrganismi attivi e avere un tempo di permanenza sufficiente, ma la materia organica all’interno delle cellule integre e dei fiocchi densi rimane difficile da raggiungere.
Confronto tra fiocchi non trattati e fanghi sonicati: la sonicazione riduce significativamente le dimensioni dei fiocchi.
Studio e immagini: ©Chu et al. 2001
Come la cavitazione ultrasonica rende i WAS accessibili alla digestione aerobica
I sonicatori industriali Hielscher operano a 20kHz e generano un’intensa cavitazione acustica nei flussi di liquidi e sospensioni. Le bolle di cavitazione si formano, crescono e collassano all’interno dei fanghi. Il loro collasso genera potenti forze di taglio locali che agiscono direttamente sui fiocchi, sulle EPS e sulle cellule microbiche.
Il trattamento a ultrasuoni produce tre importanti cambiamenti nei WAS:
Disgregazione dei fiocchi
La cavitazione rompe gli aggregati di fango ed espone superfici precedentemente racchiuse dalle sostanze polimeriche extracellulari (EPS). I fanghi trattati contengono particelle più piccole e presentano una maggiore superficie accessibile.
Disgregazione delle EPS e disgregazione cellulare
La disgregazione assistita da ultrasuoni aumenta la biodegradabilità aerobica dei fanghi attivi di supero urbani, rompendo i fiocchi di fango resistenti e rilasciando la materia organica intrappolata. La cavitazione ultrasonica disgrega le membrane e le pareti cellulari. Le proteine e i carboidrati, così come altri composti intracellulari, passano nella fase liquida.
Maggiore biodisponibilità
I microrganismi aerobici possono consumare il materiale organico solubile e finemente suddiviso più facilmente delle cellule microbiche integre e dei fiocchi compatti. La sonicazione svolge quindi meccanicamente parte del lavoro di lisi e idrolisi prima della fase di ossidazione biologica.
La sonicazione agisce sulla spessa matrice protettiva dei fanghi di depurazione per rendere la digestione microbica molto più rapida ed efficiente. Ciò si osserva comunemente come un aumento della domanda chimica di ossigeno solubile (SCOD).
Reattore industriale a ultrasuoni a flusso continuo per migliorare la digestione dei WAS
Vantaggi della sonicazione negli impianti di digestione aerobica
La risposta dipende dai fanghi e dalla dose di ultrasuoni. Quando la sonicazione aumenta la biodegradabilità aerobica, un impianto di trattamento delle acque reflue può ottenere:
- Maggiore distruzione dei solidi volatili con il tempo di digestione attuale
- Stabilizzazione dei fanghi comparabile con un tempo di permanenza più breve
- Minore produzione di solidi secchi residui
- Capacità effettiva aggiuntiva da un digestore aerobico esistente
- Riduzione del trasporto e dello smaltimento dei biosolidi
- Maggiore stabilità del processo nei periodi di elevato carico di solidi
- Migliore controllo degli organismi filamentosi mediante la disgregazione dei fiocchi e la disgregazione cellulare
Sonicatori Hielscher in linea per un facile adeguamento degli impianti
Su scala reale, è generalmente più efficiente sonicare un flusso di fango concentrato che l’intero volume del digestore aerobico. I reattori Hielscher a ultrasuoni con cella di flusso consentono due configurazioni pratiche.
Pretrattamento nella linea di alimentazione dei WAS
Il sistema a ultrasuoni viene installato dopo l’ispessimento dei WAS e prima del digestore aerobico:
WAS ispessiti -> pompa di alimentazione -> cella di flusso a ultrasuoni Hielscher -> digestore aerobico
Questa disposizione tratta una portata massica definita di solidi secchi e fornisce una base chiara per il controllo dell’apporto specifico di energia ultrasonica.
Diagramma di flusso: WAS ispessiti -> pompa di alimentazione -> sonicatore industriale Hielscher in linea UIP6000hdT -> digestore aerobico
Ricircolo del digestore o trattamento di un flusso laterale
Una frazione controllata dei fanghi viene pompata dal digestore o dalla linea dei fanghi attraverso il sonicatore e reimmessa nel processo. Questa configurazione è utile quando la linea di alimentazione esistente è difficile da modificare o quando si desidera trattare solo una frazione selezionata dei fanghi.
Entrambe le configurazioni possono essere installate come skid compatti con pompa, cella di flusso a ultrasuoni, valvole di intercettazione, bypass di servizio, misurazione della pressione e della temperatura, punti di campionamento e controlli di processo. Il serbatoio del digestore esistente rimane invariato.
Ciò rende il trattamento a ultrasuoni particolarmente adatto all’adeguamento degli impianti di trattamento delle acque reflue esistenti. Lo skid a ultrasuoni può essere installato in una linea di pompaggio, funzionare in modo indipendente ed essere bypassato durante le ispezioni o la manutenzione.
Migliorate la disgregazione dei fanghi per la digestione aerobica con gli ultrasuoni di potenza!
I sonicatori industriali Hielscher offrono un metodo compatto e scalabile per integrare gli ultrasuoni ad alta potenza in una linea di trattamento dei WAS esistente. Il trattamento in linea con cella di flusso concentra l’energia ultrasonica sul flusso di fango, consente un controllo riproducibile della dose e può essere progettato per un funzionamento gravoso affidabile 24/7.
Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany
I sonicatori Hielscher sono noti per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la facilità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.
Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni caratterizzati da tecnologie all’avanguardia e facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi alle norme CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Domande frequenti
Il trattamento a ultrasuoni produce più biogas in un digestore aerobico?
No. L’aumento della resa di metano o biogas è un vantaggio della digestione anaerobica. Per la digestione aerobica, il trattamento a ultrasuoni deve essere valutato in base alla distruzione dei VS, al consumo di ossigeno, al tempo di digestione, ai solidi secchi residui, alla disidratabilità e al costo totale.
Dove viene installato il sistema a ultrasuoni?
Il sistema viene generalmente installato in linea dopo l’ispessimento dei WAS e prima del digestore aerobico. Può anche funzionare in un flusso laterale controllato o in un circuito di ricircolo del digestore. Un bypass di servizio consente di proseguire il trasferimento dei fanghi durante la manutenzione.
Perché utilizzare un sonicatore industriale a 20kHz?
Gli ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta potenza generano un’intensa cavitazione e forze di taglio meccaniche. Questa azione è efficace per rompere i fiocchi di fango, disgregare le EPS e aprire le cellule microbiche nei flussi liquido-solido.
Un sonicatore Hielscher può funzionare in continuo?
Sì. I sonicatori industriali Hielscher della linea hdT sono progettati per il funzionamento gravoso continuo e sono noti per la loro durata. I reattori con cella di flusso consentono un trattamento controllato in linea o in ricircolo, mentre la registrazione automatica dei dati supporta il monitoraggio e la riproducibilità del processo.
Quali dati sono necessari per dimensionare un sistema a ultrasuoni per i fanghi?
I principali dati di ingresso sono la portata dei WAS, la concentrazione di TS e VS, la viscosità dei fanghi, l’energia specifica obiettivo, l’effetto di trattamento richiesto, le ore di funzionamento e la pressione disponibile. Si raccomandano prove pilota per determinare la dose utile prima del dimensionamento su scala reale.
La sonicazione migliora la disidratazione dei fanghi?
Il risultato dipende dalle caratteristiche dei fanghi e dalla dose. Un trattamento moderato può migliorare il processo di trattamento dei solidi, mentre una disgregazione eccessiva può generare particelle fini e polimeri solubili che compromettono la cattura dei solidi o il tenore di solidi del panello. Le prove di disidratazione sono quindi una parte essenziale dell’ottimizzazione del processo.
Che cosa dicono gli studi scientifici sulla digestione dei WAS assistita da ultrasuoni?
Gli studi di laboratorio supportano l’uso degli ultrasuoni per aumentare l’accessibilità e la biodegradabilità aerobica dei WAS.
In uno studio sul pretrattamento combinato alcalino e a ultrasuoni prima della digestione aerobica, la degradazione della materia organica a parità di tempo di digestione è risultata pari al 38,0% per i fanghi non trattati e al 42,5% per i fanghi pretrattati a ultrasuoni. Il pretrattamento combinato alcalino e a ultrasuoni ha aumentato la degradazione al 50,7%. Il risultato dimostra che gli ultrasuoni da soli possono migliorare la degradazione aerobica, mostrando al contempo che il miglioramento ottenibile dipende dalla strategia di pretrattamento e dalle caratteristiche dei fanghi. (cfr. Jin et al., 2009)
Un’altra indagine sui WAS urbani ha riportato un aumento della solubilizzazione dei fanghi e della biodegradabilità aerobica dopo la disgregazione batterica assistita da ultrasuoni. I fanghi pretrattati hanno mostrato una velocità di biodegradazione o decadimento superiore a quella del controllo non trattato. (cfr. Kavitha et al. 2016)
La sonicazione favorisce altri processi di trattamento dei fanghi?
Sì. La sonicazione favorisce diversi processi di trattamento dei fanghi disgregando fiocchi, EPS e cellule microbiche:
Digestione anaerobica/Produzione di biogas: accelera l’idrolisi, aumenta il COD solubile e può migliorare la distruzione dei VS e la resa di metano.
Recupero del fosforo: rilascia nella fase liquida il fosforo legato alle cellule e quello organico, migliorandone la disponibilità per la successiva precipitazione di struvite o vivianite; gli ultrasuoni possono anche intensificare la lisciviazione del fosforo dalle ceneri dei fanghi.
Bibliografia / Riferimenti
- 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 produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dalle dimensioni di laboratorio a quelle industriali.