Tratamento por ultrassons para a digestão aeróbica de lamas ativadas
A ultrassonação de alta potência desintegra o lodo ativado residual (WAS) antes ou durante a digestão aeróbica. A cavitação acústica quebra os flocos de lodo, desintegra as substâncias poliméricas extracelulares e abre as células microbianas. Isto torna a matéria orgânica, anteriormente protegida, mais acessível ao digestor aeróbico.
Num processo aeróbico, o objetivo não é aumentar a produção de biogás. O aumento da produção de metano é relevante na digestão anaeróbica. Num digestor aeróbico, os indicadores de desempenho relevantes são a destruição de sólidos voláteis, o consumo de oxigénio, o tempo de digestão, os sólidos secos residuais, a capacidade de desaguamento e o custo operacional total.
Os sonicadores industriais da Hielscher integram-se numa linha de WAS com bombagem ou num circuito de recirculação do digestor. Os reatores ultrassónicos de célula de fluxo concentram o tratamento num fluxo definido de lamas e permitem que o processo seja monitorizado através da potência, do caudal, da concentração de sólidos, da pressão e da temperatura. O resultado é uma adaptação compacta que permite adicionar a desintegração ultrassónica das lamas sem substituir o digestor aeróbico existente.
Unidade industrial de ultrassons em linha da Hielscher para o tratamento de WAS espessado
Por que razão o lodo ativado proveniente de resíduos é difícil de digerir
O lodo ativado residual é o excesso de sólidos biológicos removido de um processo de tratamento de águas residuais por lodo ativado. Contém microrganismos, substâncias poliméricas extracelulares (EPS), matéria orgânica retida e sólidos inertes.
No clarificador secundário, o lodo ativado sedimentado é dividido em duas correntes:
- O lodo ativado de retorno (RAS) é devolvido ao tanque de aeração para manter a concentração de biomassa necessária.
- O lodo ativado residual (WAS) é retirado do processo de tratamento de líquidos e encaminhado para as etapas de espessamento, estabilização, digestão ou desidratação.
O WAS contém uma elevada proporção de material celular microbiano. Grande parte do seu conteúdo orgânico biodegradável está envolvido por paredes celulares ou retido no interior de flocos compactos de lamas. Esta proteção física retarda a lise celular natural e a hidrólise.
Durante a digestão aeróbica, é fornecido oxigénio, ao mesmo tempo que há pouca matéria-prima disponível. Os microrganismos entram em respiração endógena e consomem o material armazenado, as células mortas e outros componentes biodegradáveis das lamas. O objetivo é estabilizar as lamas, reduzir o potencial de odor e diminuir a quantidade de sólidos voláteis que têm de ser desidratados e eliminados.
A taxa de digestão é frequentemente limitada pelo acesso ao substrato. Um digestor pode ter microrganismos ativos e um tempo de permanência suficiente, mas a matéria orgânica presente no interior de células intactas e flocos densos continua a ser de difícil acesso.
Comparação entre flocos não tratados e lamas submetidas a sonicação: a sonicação reduz significativamente os flocos.
Estudo e imagens: ©Chu et al. 2001
Como a cavitação ultrassónica abre as portas da WAS à digestão aeróbica
Os sonicadores industriais da Hielscher funcionam a 20 kHz e geram cavitação acústica intensa em fluxos de líquidos e suspensões. As bolhas de cavitação formam-se, crescem e colapsam no seio da lama. O seu colapso cria poderosas forças de cisalhamento locais que atuam diretamente sobre os flocos, o EPS e as células microbianas.
O tratamento por ultrassons produz três alterações importantes no WAS:
Desintegração de flocos
A cavitação desagrega os agregados de lamas e expõe superfícies que anteriormente estavam envoltas por substâncias poliméricas extracelulares (EPS). As lamas tratadas contêm partículas mais pequenas e uma área de superfície acessível maior.
EPS e ruptura celular
A desintegração assistida por ultrassons aumenta a biodegradabilidade aeróbica do lodo ativado proveniente de resíduos urbanos, ao decompor flocos de lodo resistentes e libertar a matéria orgânica retida. A cavitação ultrassónica rompe as membranas e as paredes celulares. As proteínas e os hidratos de carbono, bem como outros compostos intracelulares, passam para a fase líquida.
Maior biodisponibilidade
Os microrganismos aeróbicos conseguem consumir matéria orgânica solúvel e finamente dividida mais facilmente do que células microbianas intactas e flocos compactos. A ultrassonação realiza, portanto, parte do trabalho de lise e hidrólise de forma mecânica, antes da etapa de oxidação biológica.
A sonicação atua sobre a espessa matriz protetora dos lamas de esgoto, tornando a digestão microbiana muito mais rápida e eficiente. Este efeito é normalmente observado através de um aumento da procura química de oxigénio solúvel (SCOD).
Reator de fluxo ultrassónico industrial para uma digestão WAS melhorada
Benefícios da sonicação em instalações de digestão aeróbica
A resposta depende do lodo e da dose de ultrassons. Quando a sonicação aumenta a biodegradabilidade aeróbica, uma estação de tratamento de águas residuais pode obter:
- Maior destruição de sólidos voláteis no tempo de digestão atual
- Estabilização comparável dos lamas com um tempo de permanência mais curto
- Menor produção de sólidos secos residuais
- Capacidade efetiva adicional proveniente de um digestor aeróbico já existente
- Redução do transporte e da eliminação de biossólidos
- Maior estabilidade do processo durante períodos de elevada carga de sólidos
- Melhor controlo dos organismos filamentosos através da formação de flocos e da ruptura celular
Sonicadores Inline da Hielscher para uma adaptação fácil
Em escala real, é geralmente mais eficiente submeter a sonicação um fluxo de lamas concentradas do que todo o volume do digestor aeróbico. Os reatores ultrassónicos de célula de fluxo da Hielscher permitem duas configurações práticas.
Pré-tratamento da linha de alimentação WAS
O sistema ultrassónico é instalado a seguir ao espessamento WAS e antes do digestor aeróbico:
WAS espessado -> bomba de alimentação -> célula de fluxo ultrassónica Hielscher -> digestor aeróbico
Este sistema processa um caudal mássico definido de sólidos secos e proporciona uma base clara para o controlo da entrada específica de energia ultrassónica.
Fluxograma: WAS espessado -> bomba de alimentação -> sonicador industrial em linha Hielscher UIP6000hdT -> digestor aeróbico
Recirculação do digestor ou tratamento em fluxo paralelo
Uma fração controlada de lamas é bombeada do digestor ou da linha de lamas através do sonicador e devolvida ao processo. Esta configuração é útil quando a linha de alimentação existente é difícil de modificar ou quando apenas uma fração selecionada das lamas deve ser tratada.
Ambos os sistemas podem ser instalados sob a forma de módulos compactos, incluindo uma bomba, uma célula de fluxo ultrassónica, válvulas de isolamento, um desvio de manutenção, sistemas de medição de pressão e temperatura, pontos de amostragem e controlos de processo. O tanque de digestão existente permanece inalterado.
Isto torna o tratamento por ultrassons particularmente adequado para a modernização de estações de tratamento de águas residuais já existentes. O módulo ultrassónico pode ser instalado numa conduta de bombeamento, funcionar de forma independente e ser desligado do circuito durante a inspeção ou a manutenção.
Melhore a desintegração do lodo aeróbico com ultrassons de alta potência!
Os sonicadores industriais da Hielscher oferecem um método compacto e escalável para integrar ultrassons de alta potência numa linha de tratamento de lamas (WAS) já existente. O processamento em célula de fluxo em linha concentra a energia ultrassónica no fluxo de lamas, permite um controlo reprodutível da dose e pode ser concebido para um funcionamento fiável e intensivo 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha
Os ultrassons Hielscher são conhecidos pelos seus elevados padrões de qualidade e design. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos ultrassons nas instalações industriais. As condições difíceis e os ambientes exigentes são facilmente controlados pelos ultrassons Hielscher.
A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada pela ISO e dá especial ênfase aos ultrassons de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassons da Hielscher estão em conformidade com a CE e cumprem os requisitos da UL, CSA e RoHs.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
perguntas frequentes
O tratamento por ultrassons produz mais biogás num digestor aeróbico?
Não. O aumento do rendimento de metano ou biogás constitui uma vantagem da digestão anaeróbica. No caso da digestão aeróbica, o tratamento por ultrassons deve ser avaliado com base na destruição da matéria orgânica volátil (VS), no consumo de oxigénio, no tempo de digestão, nos sólidos secos residuais, na capacidade de desidratação e no custo total.
Onde está instalado o sistema ultrassónico?
O sistema é geralmente instalado em linha, após o espessamento WAS e antes do digestor aeróbico. Também pode funcionar num fluxo lateral controlado ou num circuito de recirculação do digestor. Um desvio de manutenção permite que a transferência de lamas continue durante a manutenção.
Por que utilizar um sonicador industrial de 20 kHz?
O ultrassom de baixa frequência e alta potência gera cavitação intensa e cisalhamento mecânico. Este processo é eficaz para quebrar flocos de lamas, desintegrar EPS e abrir células microbianas em fluxos líquido-sólido.
Um sonicador Hielscher pode funcionar de forma contínua?
Sim. A linha de sonicadores hdT industriais da Hielscher foi concebida para um funcionamento contínuo em condições exigentes e é conhecida pela sua durabilidade. Os reatores de câmara de fluxo permitem um processamento controlado em linha ou por recirculação, enquanto o registo automático de dados facilita a monitorização do processo e a sua reprodutibilidade.
Que dados são necessários para dimensionar um sistema ultrassónico de tratamento de lamas?
Os principais parâmetros são o caudal de WAS, as concentrações de TS e VS, a viscosidade das lamas, a energia específica pretendida, o efeito de tratamento exigido, as horas de funcionamento e a pressão disponível. Recomenda-se a realização de ensaios-piloto para determinar a dose adequada antes do dimensionamento em escala real.
A sonicação melhora a desidratação das lamas?
O resultado depende das características dos lamas e da dose. Um tratamento moderado pode melhorar o processo de tratamento de sólidos, enquanto uma desintegração excessiva pode gerar partículas finas e polímeros solúveis que prejudicam a captura ou os sólidos do bolo. Os ensaios de desaguamento são, por isso, uma parte essencial da otimização do processo.
O que dizem os estudos científicos sobre a digestão por ultrassons (WAS)?
Estudos laboratoriais apoiam a utilização de ultrassons para aumentar a acessibilidade e a biodegradabilidade aeróbica dos resíduos de lodo de depuração (WAS).
Num estudo sobre o pré-tratamento combinado alcalino e ultrassónico antes da digestão aeróbica, a degradação da matéria orgânica, para o mesmo tempo de digestão, foi de 38,0% para o lodo não tratado e de 42,5% para o lodo submetido a pré-tratamento ultrassónico. O pré-tratamento combinado alcalino e ultrassónico aumentou a degradação para 50,7%. O resultado demonstra que o ultrassom, por si só, pode melhorar a degradação aeróbica, ao mesmo tempo que mostra que a melhoria alcançável depende da estratégia de pré-tratamento e das características dos lamas. (cf. Jin et al., 2009)
Outra investigação sobre lamas de tratamento de águas residuais municipais (WAS) revelou um aumento da solubilização das lamas e da biodegradabilidade aeróbica após a desintegração bacteriana assistida por ultrassons. As lamas pré-tratadas apresentaram uma taxa de biodegradação ou decomposição superior à do grupo de controlo não tratado. (cf. Kavitha et al. 2016)
A sonicação contribui para outros processos de tratamento de lamas?
Sim. A sonicação contribui para vários processos de tratamento de lamas, ao desintegrar flocos, EPS e células microbianas:
Digestão anaeróbica/Produção de biogás: acelera a hidrólise, aumenta a CQO solúvel e pode melhorar a destruição da matéria orgânica volumétrica e o rendimento de metano.
Recuperação de fósforo: libera fósforo ligado às células e fósforo orgânico para a fase líquida, melhorando a sua disponibilidade para a precipitação subsequente de estruvita ou vivianita; os ultrassons também podem intensificar a lixiviação do fósforo das cinzas do lodo.
Literatura / Referências
- 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.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.