Tratarea cu ultrasunete pentru digestia aerobă a nămolului activ în exces
Sonicarea de mare putere dezintegrează nămolul activ în exces (WAS) înainte de sau în timpul digestiei aerobe. Cavitația acustică fragmentează flocoanele de nămol, descompune substanțele polimerice extracelulare și deschide celulele microbiene. Astfel, materia organică protejată anterior devine mai accesibilă în digestorul aerob.
Într-un proces aerob, obiectivul nu este creșterea producției de biogaz. Creșterea producției de metan este relevantă pentru digestia anaerobă. Într-un digestor aerob, indicatorii de performanță relevanți sunt distrugerea solidelor volatile, consumul de oxigen, durata digestiei, substanța uscată reziduală, capacitatea de deshidratare și costul total de operare.
Sonicatoarele industriale Hielscher se integrează într-o conductă de WAS pompat sau într-o buclă de recirculare a digestorului. Reactoarele ultrasonice cu celulă de flux concentrează tratamentul asupra unui flux definit de nămol și permit monitorizarea procesului prin putere, debit, concentrația de solide, presiune și temperatură. Rezultatul este o modernizare compactă, care poate adăuga dezintegrarea ultrasonică a nămolului fără înlocuirea digestorului aerob existent.
Skid industrial Hielscher cu ultrasunete pentru procesare inline în flux a WAS îngroșat
De ce nămolul activ în exces este dificil de digerat
Nămolul activ în exces reprezintă surplusul de solide biologice îndepărtat dintr-un proces de epurare a apelor uzate cu nămol activ. Acesta conține microorganisme, substanțe polimerice extracelulare (EPS), material organic captat și solide inerte.
În decantorul secundar, nămolul activ decantat este împărțit în două fluxuri:
- Nămolul activ de recirculare (RAS) este returnat în bazinul de aerare pentru a menține concentrația necesară de biomasă.
- Nămolul activ în exces (WAS) este îndepărtat din procesul de tratare a fazei lichide și trimis la îngroșare, stabilizare, digestie sau deshidratare.
WAS conține o proporție ridicată de material celular microbian. O mare parte din conținutul său organic biodegradabil este închisă de pereții celulari sau legată în interiorul unor flocoane compacte de nămol. Această protecție fizică încetinește liza celulară naturală și hidroliza.
În timpul digestiei aerobe se furnizează oxigen, în timp ce hrana nouă disponibilă este redusă. Microorganismele intră în respirație endogenă și consumă materialul stocat, celulele moarte și alte componente biodegradabile ale nămolului. Scopul este stabilizarea nămolului, reducerea potențialului de mirosuri și diminuarea cantității de solide volatile care trebuie deshidratate și eliminate.
Viteza de digestie este adesea limitată de accesul la substrat. Un digestor poate avea microorganisme active și un timp de retenție suficient, dar materia organică din interiorul celulelor intacte și al flocoanelor dense rămâne greu accesibilă.
Comparație între flocoanele netratate și nămolul sonicat: sonicarea reduce semnificativ flocoanele.
Studiu și imagini: ©Chu et al. 2001
Cum deschide cavitația ultrasonică WAS pentru digestia aerobă
Sonicatoarele industriale Hielscher funcționează la 20kHz și generează cavitație acustică intensă în fluxuri de lichide și suspensii. Bulele de cavitație se formează, cresc și implodează în nămol. Implozia lor creează forțe locale puternice de forfecare, care acționează direct asupra flocoanelor, EPS și celulelor microbiene.
Tratarea cu ultrasunete produce trei modificări importante în WAS:
Dezintegrarea flocoanelor
Cavitația fragmentează agregatele de nămol și expune suprafețe care erau anterior închise de substanțele polimerice extracelulare (EPS). Nămolul tratat conține particule mai mici și o suprafață accesibilă mai mare.
Descompunerea EPS și dezintegrarea celulelor
Dezintegrarea asistată de ultrasunete crește biodegradabilitatea aerobă a nămolului activ în exces municipal prin fragmentarea flocoanelor rezistente de nămol și eliberarea materiei organice captive. Cavitația ultrasonică distruge membranele celulare și pereții celulari. Proteinele și carbohidrații, precum și alți compuși intracelulari, trec în faza lichidă.
Biodisponibilitate crescută
Microorganismele aerobe pot consuma materialul organic solubil și fin divizat mai ușor decât celulele microbiene intacte și flocoanele compacte. Prin urmare, sonicarea realizează mecanic o parte din procesul de liză și hidroliză înaintea etapei de oxidare biologică.
Sonicarea vizează matricea protectoare groasă a nămolului de epurare pentru a face digestia microbiană mult mai rapidă și mai eficientă. Acest efect se observă de obicei ca o creștere a consumului chimic de oxigen solubil (SCOD).
Reactor industrial cu ultrasunete în flux pentru o digestie îmbunătățită a WAS
Beneficiile sonicării în stațiile de digestie aerobă
Răspunsul depinde de nămol și de doza de ultrasunete. Atunci când sonicarea crește biodegradabilitatea aerobă, o stație de epurare a apelor uzate poate obține:
- O distrugere mai mare a solidelor volatile la durata de digestie existentă
- O stabilizare comparabilă a nămolului la un timp de retenție mai scurt
- O producție mai redusă de substanță uscată reziduală
- Capacitate efectivă suplimentară a unui digestor aerob existent
- Reducerea transportului și eliminării biosolidelor
- Stabilitate îmbunătățită a procesului în perioadele cu încărcare ridicată de solide
- Un control mai bun al organismelor filamentoase prin dezintegrarea flocoanelor și a celulelor
Sonicatoare inline Hielscher pentru o modernizare facilă
La scară reală, este în general mai eficient să se sonice un flux concentrat de nămol decât întregul volum al digestorului aerob. Reactoarele ultrasonice Hielscher cu celulă de flux permit două configurații practice.
Pretratarea pe conducta de alimentare cu WAS
Sistemul cu ultrasunete se instalează după îngroșarea WAS și înaintea digestorului aerob:
WAS îngroșat -> pompă de alimentare -> celulă de flux cu ultrasunete Hielscher -> digestor aerob
Această configurație tratează un debit masic definit de substanță uscată și oferă o bază clară pentru controlul aportului specific de energie ultrasonică.
Schemă de flux: WAS îngroșat -> pompă de alimentare -> sonicator industrial inline Hielscher UIP6000hdT -> digestor aerob
Recircularea digestorului sau tratarea în flux lateral
O fracțiune controlată de nămol este pompată din digestor sau din conducta de nămol prin sonicator și returnată în proces. Această configurație este utilă atunci când conducta de alimentare existentă este dificil de modificat sau când trebuie tratată doar o fracțiune selectată a nămolului.
Ambele configurații pot fi instalate sub formă de skiduri compacte, cu pompă, celulă de flux cu ultrasunete, robinete de izolare, bypass de service, măsurarea presiunii și temperaturii, puncte de prelevare a probelor și sisteme de control al procesului. Rezervorul existent al digestorului rămâne neschimbat.
Acest lucru face ca tratarea cu ultrasunete să fie deosebit de potrivită pentru modernizarea stațiilor de epurare a apelor uzate existente. Skidul cu ultrasunete poate fi instalat pe o conductă pompată, poate funcționa independent și poate fi ocolit prin bypass în timpul inspecției sau al întreținerii.
Îmbunătățiți dezintegrarea aerobă a nămolului cu ultrasunete de putere!
Sonicatoarele industriale Hielscher oferă o metodă compactă și scalabilă de integrare a ultrasunetelor de mare putere într-o linie existentă de tratare a WAS. Procesarea inline în celulă de flux concentrează energia ultrasonică asupra fluxului de nămol, sprijină un control reproductibil al dozei și poate fi proiectată pentru o funcționare fiabilă 24/7 în regim greu.
Proiectare, producție și consultanță – calitate Made in Germany
Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dificile și mediile solicitante sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.
Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, care îmbină tehnologia de ultimă generație cu ușurința în utilizare. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție la scară de laborator, pilot și industrială.
Întrebări frecvente
Produce tratarea cu ultrasunete mai mult biogaz într-un digestor aerob?
Nu. Randamentul crescut de metan sau biogaz este un beneficiu al digestiei anaerobe. În cazul digestiei aerobe, tratarea cu ultrasunete trebuie evaluată în funcție de distrugerea VS, consumul de oxigen, durata digestiei, substanța uscată reziduală, capacitatea de deshidratare și costul total.
Unde se instalează sistemul cu ultrasunete?
Sistemul este în general instalat inline, după îngroșarea WAS și înaintea digestorului aerob. De asemenea, poate funcționa într-un flux lateral controlat sau într-o buclă de recirculare a digestorului. Un bypass de service permite continuarea transferului de nămol în timpul întreținerii.
De ce să utilizați un sonicator industrial de 20kHz?
Ultrasunetele de joasă frecvență și mare putere generează cavitație intensă și forfecare mecanică. Acest lucru este eficient pentru fragmentarea flocoanelor de nămol, descompunerea EPS și deschiderea celulelor microbiene în fluxuri lichid-solid.
Poate un sonicator Hielscher să funcționeze continuu?
Da. Sonicatoarele industriale Hielscher din linia hdT sunt proiectate pentru funcționare continuă în regim greu și sunt cunoscute pentru durabilitatea lor. Reactoarele cu celulă de flux permit procesarea controlată inline sau în recirculare, iar înregistrarea automată a datelor sprijină monitorizarea și reproductibilitatea procesului.
Ce date sunt necesare pentru dimensionarea unui sistem cu ultrasunete pentru nămol?
Principalele date de intrare sunt debitul de WAS, concentrația TS și VS, vâscozitatea nămolului, energia specifică țintă, efectul de tratare necesar, orele de funcționare și presiunea disponibilă. Se recomandă teste pilot pentru a determina doza utilă înainte de dimensionarea la scară reală.
Îmbunătățește sonicarea deshidratarea nămolului?
Rezultatul depinde de caracteristicile nămolului și de doză. Un tratament moderat poate îmbunătăți procesarea solidelor, în timp ce o dezintegrare excesivă poate genera particule fine și polimeri solubili care afectează captarea solidelor sau conținutul de solide al turtei. Prin urmare, testele de deshidratare sunt o parte esențială a optimizării procesului.
Ce spun studiile științifice despre digestia WAS cu ultrasunete?
Studiile de laborator susțin utilizarea ultrasunetelor pentru creșterea accesibilității și a biodegradabilității aerobe a WAS.
Într-un studiu privind pretratarea combinată alcalină și ultrasonică înaintea digestiei aerobe, degradarea materiei organice la aceeași durată de digestie a fost raportată la 38,0% pentru nămolul netratat și la 42,5% pentru nămolul pretratat cu ultrasunete. Pretratarea combinată alcalină și ultrasonică a crescut degradarea la 50,7%. Rezultatul demonstrează că ultrasunetele singure pot îmbunătăți degradarea aerobă, arătând totodată că îmbunătățirea realizabilă depinde de strategia de pretratare și de caracteristicile nămolului. (cf. Jin et al., 2009)
O altă investigație privind WAS municipal a raportat o solubilizare crescută a nămolului și o biodegradabilitate aerobă crescută după dezintegrarea bacteriană asistată de ultrasunete. Nămolul pretratat a prezentat o rată de biodegradare sau de descompunere mai mare decât proba martor netratată. (cf. Kavitha et al. 2016)
Sprijină sonicarea și alte procese de tratare a nămolului?
Da. Sonicarea sprijină mai multe procese de tratare a nămolului prin dezintegrarea flocoanelor, a EPS și a celulelor microbiene:
Digestie anaerobă/producție de biogaz: accelerează hidroliza, crește COD solubil și poate îmbunătăți distrugerea VS și randamentul de metan.
Recuperarea fosforului: eliberează fosforul legat celular și fosforul organic în faza lichidă, îmbunătățind disponibilitatea acestuia pentru precipitarea ulterioară a struvitului sau vivianitului; ultrasunetele pot, de asemenea, intensifica levigarea fosforului din cenușa de nămol.
Literatură / Referințe
- 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 omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la scară de laborator până la scară industrială.