Tratamento ultrassónico para a digestão aeróbia de lamas ativadas em excesso
A sonicação de alta potência desintegra as lamas ativadas em excesso (WAS) antes ou durante a digestão aeróbia. A cavitação acústica quebra os flocos das lamas, desagrega as substâncias poliméricas extracelulares e abre as células microbianas. Isto torna a matéria orgânica anteriormente protegida mais acessível ao digestor aeróbio.
Num processo aeróbio, o objetivo não é aumentar a produção de biogás. O aumento da produção de metano é relevante para a digestão anaeróbia. Num digestor aeróbio, os indicadores de desempenho relevantes são a destruição de sólidos voláteis, o consumo de oxigénio, o tempo de digestão, os sólidos secos residuais, a aptidão para a desidratação e o custo operacional total.
Os sonicadores industriais Hielscher integram-se numa linha de WAS com bombagem ou num circuito de recirculação do digestor. Os reatores ultrassónicos com célula de fluxo concentram o tratamento num caudal definido de lamas e permitem monitorizar o processo através da potência, do caudal, da concentração de sólidos, da pressão e da temperatura. O resultado é uma adaptação compacta que permite acrescentar a desintegração ultrassónica das lamas sem substituir o digestor aeróbio existente.
Unidade industrial ultrassónica Hielscher montada numa estrutura compacta para processamento em linha de WAS espessadas
Porque são difíceis de digerir as lamas ativadas em excesso
As lamas ativadas em excesso são os sólidos biológicos excedentários removidos de um processo de tratamento de águas residuais por lamas ativadas. Contêm microrganismos, substâncias poliméricas extracelulares (EPS), matéria orgânica retida e sólidos inertes.
No decantador secundário, as lamas ativadas sedimentadas são divididas em dois fluxos:
- As lamas ativadas de recirculação (RAS) são devolvidas ao tanque de arejamento para manter a concentração de biomassa necessária.
- As lamas ativadas em excesso (WAS) são removidas do processo de tratamento da fase líquida e encaminhadas para espessamento, estabilização, digestão ou desidratação.
As WAS contêm uma elevada proporção de material celular microbiano. Grande parte do seu conteúdo orgânico biodegradável está encerrada por paredes celulares ou ligada no interior de flocos compactos de lamas. Esta proteção física abranda a lise celular natural e a hidrólise.
Durante a digestão aeróbia, é fornecido oxigénio enquanto há pouco alimento novo disponível. Os microrganismos entram em respiração endógena e consomem material armazenado, células mortas e outros componentes biodegradáveis das lamas. O objetivo é estabilizar as lamas, reduzir o potencial de formação de odores e diminuir a quantidade de sólidos voláteis que têm de ser desidratados e eliminados.
A velocidade de digestão é frequentemente limitada pelo acesso ao substrato. Um digestor pode ter microrganismos ativos e tempo de residência suficiente, mas a matéria orgânica no interior de células intactas e flocos densos continua a ser difícil de alcançar.
Comparação de flocos não tratados com lamas sonicadas: a sonicação reduz significativamente os flocos.
Estudo e imagens: ©Chu et al. 2001
Como a cavitação ultrassónica abre as WAS para a digestão aeróbia
Os sonicadores industriais Hielscher funcionam a 20kHz e geram cavitação acústica intensa em fluxos de líquidos e suspensões. As bolhas de cavitação formam-se, crescem e colapsam no interior das lamas. O seu colapso cria forças locais de cisalhamento potentes que atuam diretamente sobre os flocos, as EPS e as células microbianas.
O tratamento ultrassónico produz três alterações importantes nas WAS:
Desintegração dos flocos
A cavitação desagrega os agregados das lamas e expõe superfícies que estavam anteriormente envolvidas por substâncias poliméricas extracelulares (EPS). As lamas tratadas contêm partículas mais pequenas e uma maior área superficial acessível.
Desagregação das EPS e rutura celular
A desintegração assistida por ultrassons aumenta a biodegradabilidade aeróbia das lamas ativadas em excesso de origem municipal ao desagregar flocos resistentes e libertar matéria orgânica retida. A cavitação ultrassónica provoca a rutura das membranas celulares e das paredes celulares. As proteínas e os hidratos de carbono, bem como outros compostos intracelulares, passam para a fase líquida.
Maior biodisponibilidade
Os microrganismos aeróbios conseguem consumir matéria orgânica solúvel e finamente dividida mais facilmente do que células microbianas intactas e flocos compactos. A sonicação realiza, assim, mecanicamente parte do trabalho de lise e hidrólise antes da etapa de oxidação biológica.
A sonicação atua sobre a matriz protetora espessa das lamas de águas residuais para tornar a digestão microbiana muito mais rápida e eficiente. Isto é habitualmente observado como um aumento da carência química de oxigénio solúvel (SCOD).
Reator ultrassónico industrial de fluxo para melhorar a digestão de WAS
Benefícios da sonicação em instalações de digestão aeróbia
A resposta depende das lamas e da dose ultrassónica. Quando a sonicação aumenta a biodegradabilidade aeróbia, uma estação de tratamento de águas residuais pode obter:
- Maior destruição de sólidos voláteis com o tempo de digestão existente
- Estabilização comparável das lamas com um tempo de residência mais curto
- Menor produção de sólidos secos residuais
- Capacidade efetiva adicional de um digestor aeróbio existente
- Redução do transporte e da eliminação de biossólidos
- Maior estabilidade do processo durante períodos de elevada carga de sólidos
- Melhor controlo de organismos filamentosos através da desintegração dos flocos e da rutura celular
Sonicadores Hielscher em linha para uma adaptação fácil
À escala real, é geralmente mais eficiente sonicar um caudal de lamas concentradas do que todo o volume do digestor aeróbio. Os reatores ultrassónicos Hielscher com célula de fluxo permitem duas configurações práticas.
Pré-tratamento na linha de alimentação de WAS
O sistema ultrassónico é instalado após o espessamento das WAS e antes do digestor aeróbio:
WAS espessadas -> bomba de alimentação -> célula de fluxo ultrassónica Hielscher -> digestor aeróbio
Esta disposição trata um caudal mássico definido de sólidos secos e proporciona uma base clara para controlar a energia ultrassónica específica aplicada.
Diagrama de fluxo: WAS espessadas -> bomba de alimentação -> sonicador industrial Hielscher UIP6000hdT em linha -> digestor aeróbio
Recirculação do digestor ou tratamento de um fluxo lateral
Uma fração controlada das lamas é bombeada do digestor ou da linha de lamas através do sonicador e devolvida ao processo. Esta configuração é útil quando é difícil modificar a linha de alimentação existente ou quando apenas uma fração selecionada das lamas deve ser tratada.
Ambas as disposições podem ser instaladas como unidades montadas em estruturas compactas, com uma bomba, uma célula de fluxo ultrassónica, válvulas de isolamento, um circuito de derivação para manutenção, medição de pressão e temperatura, pontos de amostragem e controlos do processo. O reservatório do digestor existente permanece inalterado.
Isto torna o tratamento ultrassónico particularmente adequado para adaptar estações de tratamento de águas residuais existentes. A unidade ultrassónica montada numa estrutura compacta pode ser instalada numa linha com bombagem, funcionar de forma independente e ser contornada através de uma derivação durante a inspeção ou manutenção.
Melhore a desintegração das lamas em processos aeróbios com ultrassons de potência!
Os sonicadores industriais Hielscher proporcionam um método compacto e escalável para integrar ultrassons de alta potência numa linha existente de tratamento de WAS. O processamento em linha com célula de fluxo concentra a energia ultrassónica no fluxo de lamas, permite um controlo reprodutível da dose e pode ser concebido para um funcionamento fiável e intensivo, 24/7.
Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha
Os sonicadores Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.
A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho que apresentam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Perguntas frequentes
O tratamento ultrassónico produz mais biogás num digestor aeróbio?
Não. O aumento do rendimento de metano ou biogás é um benefício da digestão anaeróbia. Para a digestão aeróbia, o tratamento ultrassónico deve ser avaliado pela destruição de VS, pelo consumo de oxigénio, pelo tempo de digestão, pelos sólidos secos residuais, pela aptidão para a desidratação e pelo custo total.
Onde é instalado o sistema ultrassónico?
O sistema é geralmente instalado em linha após o espessamento das WAS e antes do digestor aeróbio. Também pode funcionar num fluxo lateral controlado ou num circuito de recirculação do digestor. Um circuito de derivação para manutenção permite que a transferência de lamas continue durante a manutenção.
Porquê utilizar um sonicador industrial de 20kHz?
Os ultrassons de baixa frequência e alta potência geram cavitação intensa e cisalhamento mecânico. Isto é eficaz para quebrar os flocos das lamas, desagregar as EPS e abrir as células microbianas em fluxos de líquidos e sólidos.
Um sonicador Hielscher pode funcionar continuamente?
Sim. A gama de sonicadores industriais hdT da Hielscher foi concebida para funcionamento contínuo e intensivo e é conhecida pela sua durabilidade. Os reatores com célula de fluxo permitem o processamento controlado em linha ou por recirculação, enquanto o registo automático de dados facilita a monitorização e a reprodutibilidade do processo.
Que dados são necessários para dimensionar um sistema ultrassónico para lamas?
Os principais dados de entrada são o caudal de WAS, a concentração de TS e VS, a viscosidade das lamas, a energia específica pretendida, o efeito de tratamento necessário, as horas de funcionamento e a pressão disponível. Recomenda-se a realização de ensaios piloto para determinar a dose útil antes do dimensionamento à escala real.
A sonicação melhora a desidratação das lamas?
O resultado depende das características das lamas e da dose. Um tratamento moderado pode melhorar o processamento dos sólidos, enquanto uma desintegração excessiva pode gerar partículas finas e polímeros solúveis que prejudicam a retenção de sólidos ou reduzem o teor de sólidos do bolo. Os ensaios de desidratação são, por isso, uma parte essencial da otimização do processo.
O que dizem os estudos científicos sobre a digestão de WAS com ultrassons?
Os estudos laboratoriais apoiam a utilização de ultrassons para aumentar a acessibilidade e a biodegradabilidade aeróbia das WAS.
Num estudo sobre o pré-tratamento combinado alcalino e ultrassónico antes da digestão aeróbia, a degradação da matéria orgânica com o mesmo tempo de digestão foi reportada como sendo de 38,0% para as lamas não tratadas e de 42,5% para as lamas pré-tratadas com ultrassons. O pré-tratamento combinado alcalino e ultrassónico aumentou a degradação para 50,7%. O resultado demonstra que os ultrassons, por si só, podem melhorar a degradação aeróbia, mostrando também que a melhoria alcançável depende da estratégia de pré-tratamento e das características das lamas. (cf. Jin et al., 2009)
Outra investigação sobre WAS de origem municipal reportou um aumento da solubilização das lamas e da biodegradabilidade aeróbia após desintegração bacteriana assistida por ultrassons. As lamas pré-tratadas apresentaram uma taxa de biodegradação ou de decaimento superior à do controlo não tratado. (cf. Kavitha et al. 2016)
A sonicação auxilia outros processos de tratamento de lamas?
Sim. A sonicação auxilia vários processos de tratamento de lamas ao desagregar os flocos e as EPS e provocar a rutura das células microbianas:
Digestão anaeróbia/Produção de biogás: acelera a hidrólise, aumenta a COD solúvel e pode melhorar a destruição de VS e o rendimento de metano.
Recuperação de fósforo: liberta fósforo ligado às células e fósforo orgânico para a fase líquida, melhorando a disponibilidade para a subsequente precipitação de estruvite ou vivianite; os ultrassons também podem intensificar a lixiviação de fósforo das cinzas das lamas.
Bibliografia / 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 ultrassónicos de elevado desempenho desde a escala laboratorial até à escala industrial.