Trattamento a ultrasuoni per la digestione aerobica dei fanghi attivi
L’ultrasonicazione ad alta potenza disintegra i fanghi attivi di scarto (WAS) prima o durante la digestione aerobica. La cavitazione acustica rompe i fiocchi di fango, distrugge le sostanze polimeriche extracellulari e apre le cellule microbiche. Ciò rende la materia organica, precedentemente protetta, più accessibile al digestore aerobico.
Nel caso di un processo aerobico, l’obiettivo non è l’aumento della produzione di biogas. L’aumento della produzione di metano è rilevante nella 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 WAS con pompa o in un circuito di ricircolo del digestore. I reattori a cella di flusso a ultrasuoni concentrano il trattamento su un flusso definito di fanghi e consentono di monitorare il processo in base alla potenza, alla portata, alla concentrazione di solidi, alla pressione e alla temperatura. Il risultato è un retrofit compatto in grado di aggiungere la disintegrazione ultrasonica dei fanghi senza sostituire il digestore aerobico esistente.
Sistema industriale a ultrasuoni Hielscher con flusso in linea per il trattamento dei sedimenti di limo (WAS) addensati
Perché i fanghi attivi di depurazione sono difficili da digerire
I fanghi attivi di scarto sono i solidi biologici in eccesso rimossi da un processo di trattamento delle acque reflue con fanghi attivi. Contengono microrganismi, sostanze polimeriche extracellulari (EPS), materiale organico trattenuto e solidi inerti.
Nel chiarificatore secondario, i fanghi attivi decantati vengono suddivisi in due flussi:
- I fanghi attivi di ritorno (RAS) vengono reimmessi nel bacino di aerazione per mantenere la concentrazione di biomassa richiesta.
- I fanghi attivi di scarto (WAS) vengono rimossi dal processo di trattamento dei liquidi e inviati alle fasi di addensamento, stabilizzazione, digestione o disidratazione.
Il WAS contiene un’elevata percentuale di materiale cellulare microbico. Gran parte del suo contenuto organico biodegradabile è racchiuso all’interno di pareti cellulari o legato all’interno di flocchi di fango compatti. Questa protezione fisica rallenta la lisi cellulare naturale e l’idrolisi.
Durante la digestione aerobica, viene immesso ossigeno mentre la disponibilità di nuovo materiale alimentare è limitata. I microrganismi entrano in fase di respirazione endogena e consumano il materiale immagazzinato, le cellule morte e altri componenti biodegradabili dei fanghi. Lo scopo è quello di stabilizzare i fanghi, ridurre il potenziale di odore e diminuire la quantità di solidi volatili che devono essere disidratati e smaltiti.
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 contenuta all'interno delle cellule intatte e dei flocchi densi rimane di difficile accesso.
Confronto tra i flocchi non trattati e i fanghi sottoposti a sonicazione: la sonicazione riduce significativamente le dimensioni dei flocchi.
Studio e immagini: ©Chu et al. 2001
In che modo la cavitazione ultrasonica apre la strada alla WAS per la digestione aerobica
I sonicatori industriali Hielscher operano a 20 kHz 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 flocchi, sull'EPS e sulle cellule microbiche.
Il trattamento a ultrasuoni produce tre importanti cambiamenti nel WAS:
Disintegrazione dei fiocchi
La cavitazione frammenta gli aggregati di fango ed espone le superfici che in precedenza erano racchiuse da sostanze polimeriche extracellulari (EPS). Il fango trattato contiene particelle più piccole e presenta una superficie accessibile maggiore.
EPS e disgregazione cellulare
La disgregazione assistita da ultrasuoni aumenta la biodegradabilità aerobica dei fanghi attivi provenienti dai rifiuti urbani, grazie alla frammentazione dei fiocchi di fango più resistenti e al rilascio della materia organica intrappolata. La cavitazione ultrasonica rompe le membrane e le pareti cellulari. Le proteine, i carboidrati e altri composti intracellulari passano così nella fase liquida.
Maggiore biodisponibilità
I microrganismi aerobici sono in grado di consumare il materiale organico solubile e finemente suddiviso più facilmente rispetto alle cellule microbiche intatte e ai flocchi compatti. L’ultrasonicazione svolge quindi meccanicamente parte del lavoro di lisi e idrolisi prima della fase di ossidazione biologica.
La sonicazione agisce sulla densa matrice protettiva dei fanghi di depurazione per rendere la digestione microbica molto più rapida ed efficiente. Ciò si manifesta comunemente con un aumento della domanda chimica di ossigeno solubile (SCOD).
Reattore a flusso ultrasonico industriale per una migliore digestione WAS
Vantaggi della sonicazione negli impianti di digestione aerobica
La risposta dipende dal fango 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
- Riduzione della produzione di solidi secchi residui
- Capacità effettiva aggiuntiva proveniente da un digestore aerobico esistente
- Riduzione del trasporto e dello smaltimento dei biosolidi
- Maggiore stabilità del processo durante i periodi di elevato carico di solidi
- Migliore controllo degli organismi filamentosi attraverso la formazione di flocculi e la disgregazione cellulare
Inline Hielscher Sonicators for a Facile Retrofit
Su scala industriale, è generalmente più efficiente sottoporre a sonicazione un flusso di fango concentrato piuttosto che l’intero volume del digestore aerobico. I reattori a cella di flusso ad ultrasuoni Hielscher supportano due configurazioni pratiche.
Pretrattamento WAS della linea di alimentazione
Il sistema a ultrasuoni viene installato dopo l'ispessimento delle acque di lavaggio (WAS) e prima del digestore aerobico:
WAS addensato -> pompa di alimentazione -> cella di flusso a ultrasuoni Hielscher -> digestore aerobico
Questo sistema gestisce 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 addensato -> pompa di alimentazione -> sonicatore industriale in linea Hielscher UIP6000hdT -> digestore aerobico
Ricircolo nel digestore o trattamento in flusso secondario
Una frazione controllata di fanghi viene pompata dal digestore o dalla linea di trasporto 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 è necessario trattare solo una frazione selezionata dei fanghi.
Entrambe le configurazioni possono essere installate sotto forma di skid compatti dotati di pompa, cella di flusso a ultrasuoni, valvole di isolamento, bypass di servizio, sistemi di 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 depurazione esistenti. L'unità a ultrasuoni può essere installata in una linea di pompaggio, funzionare in modo autonomo ed essere bypassata durante le operazioni di ispezione o manutenzione.
Migliora la disintegrazione aerobica dei fanghi con gli ultrasuoni ad alta potenza!
I sonicatori industriali Hielscher offrono una soluzione compatta e scalabile per integrare gli ultrasuoni ad alta potenza in una linea di trattamento WAS esistente. Il trattamento in linea con cella a flusso concentra l’energia ultrasonica sul flusso di fanghi, consente un controllo riproducibile della dose e può essere progettato per un funzionamento affidabile 24 ore su 24, 7 giorni su 7, anche in condizioni di carico elevato.
Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany
Gli ultrasuoni Hielscher sono noti per i loro elevati standard di qualità e design. La robustezza e la facilità d'uso consentono un'agevole integrazione dei nostri ultrasuoni negli impianti industriali. Gli ultrasuonatori Hielscher sono in grado di gestire facilmente condizioni difficili e ambienti impegnativi.
Hielscher Ultrasonics è un'azienda certificata ISO e pone particolare enfasi sugli ultrasuonatori ad alte prestazioni, caratterizzati da tecnologia all'avanguardia e facilità d'uso. Naturalmente, gli ultrasuoni Hielscher sono conformi alla normativa CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoH.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Domande frequenti
Il trattamento a ultrasuoni produce una maggiore quantità di 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 dovrebbe essere valutato in base alla distruzione della materia organica volatile (VS), al consumo di ossigeno, al tempo di digestione, ai solidi secchi residui, alla disidratabilità e al costo totale.
Dove è installato il sistema a ultrasuoni?
Il sistema viene generalmente installato in linea dopo l'addensamento WAS e prima del digestore aerobico. Può inoltre funzionare in un circuito laterale controllato o in un circuito di ricircolo del digestore. Una derivazione di servizio consente di proseguire il trasferimento dei fanghi durante gli interventi di manutenzione.
Perché utilizzare un sonicatore industriale da 20 kHz?
Gli ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta potenza generano un’intensa cavitazione e una forte forza di taglio meccanica. Ciò risulta efficace per rompere i fiocchi di fango, disgregare gli EPS e aprire le cellule microbiche nei flussi liquido-solido.
Uno sonicatore Hielscher può funzionare in modo continuo?
Sì. La linea di sonicatori industriali hdT di Hielscher è progettata per un funzionamento continuo in condizioni di carico elevato ed è nota per la sua durata. I reattori a cella di flusso consentono una lavorazione controllata in linea o a ricircolo, mentre la registrazione automatica dei dati favorisce il monitoraggio del processo e la riproducibilità.
Quali dati sono necessari per dimensionare un impianto di trattamento dei fanghi a ultrasuoni?
I parametri principali sono la portata del WAS, le concentrazioni di TS e VS, la viscosità dei fanghi, l’energia specifica desiderata, l’effetto di trattamento richiesto, le ore di funzionamento e la pressione disponibile. Si raccomanda di effettuare prove pilota per determinare la dose utile prima di procedere al dimensionamento su scala reale.
La sonicazione migliora la disidratazione dei fanghi?
Il risultato dipende dalle caratteristiche dei fanghi e dalla dose impiegata. Un trattamento moderato può migliorare il processo di separazione dei solidi, mentre una disgregazione eccessiva può generare particelle fini e polimeri solubili che compromettono la cattura o la formazione del panello. Le prove di disidratazione rappresentano quindi una parte essenziale dell’ottimizzazione del processo.
Cosa dicono gli studi scientifici sulla digestione WAS ad ultrasuoni?
Studi di laboratorio confermano l’efficacia dell’uso degli ultrasuoni per migliorare l’accessibilità e la biodegradabilità aerobica dei residui di depurazione (WAS).
In uno studio sul pretrattamento combinato alcalino e ultrasonico 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 con ultrasuoni. Il pretrattamento combinato alcalino e ultrasonico ha aumentato la degradazione al 50,7%. Il risultato dimostra che gli ultrasuoni da soli possono migliorare la degradazione aerobica, evidenziando al contempo che il miglioramento ottenibile dipende dalla strategia di pretrattamento e dalle caratteristiche dei fanghi. (cfr. Jin et al., 2009)
Un altro studio condotto sui fanghi di depurazione comunali (WAS) ha riportato un aumento della solubilizzazione dei fanghi e della biodegradabilità aerobica a seguito della disintegrazione batterica assistita da ultrasuoni. I fanghi pretrattati hanno mostrato un tasso di biodegradazione o di decomposizione più elevato rispetto al campione di 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, poiché rompe i flocchi, gli EPS e le cellule microbiche:
Digestione anaerobica/Produzione di biogas: accelera l'idrolisi, aumenta il COD solubile e può migliorare la distruzione della materia organica volatile e la produzione di metano.
Recupero del fosforo: rilascia il fosforo legato alle cellule e quello organico nella fase liquida, migliorandone la disponibilità per la successiva precipitazione di struvite o vivianite; gli ultrasuoni possono inoltre intensificare la lisciviazione del fosforo dalle ceneri dei fanghi.
Letteratura / 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 da laboratorio a dimensioni industriali.