Tratarea cu ultrasunete pentru digestia aerobă a nămolului activ din deșeuri
Tratamentul cu ultrasunete de mare putere dezintegrează nămolul activ rezidual (WAS) înainte sau în timpul digestiei aerobe. Cavitația acustică sparge flocoanele de nămol, distruge substanțele polimerice extracelulare și deschide celulele microbiene. Astfel, materia organică, care anterior era protejată, devine mai accesibilă pentru digestorul aerob.
În cazul unui 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 substanțelor solide volatile, consumul de oxigen, durata digestiei, conținutul de substanțe solide uscate reziduale, capacitatea de deshidratare și costul total de exploatare.
Sonicatoarele industriale Hielscher se integrează într-o linie WAS cu pompă sau într-o buclă de recirculare a digestorului. Reactoarele cu celulă de curgere cu ultrasunete concentrează tratarea asupra unui debit definit de nămol și permit monitorizarea procesului în funcție de putere, debit, concentrația de solide, presiune și temperatură. Rezultatul este o modernizare compactă care poate adăuga dezintegrarea nămolului prin ultrasunete fără a înlocui digestorul aerob existent.
Sistem industrial cu ultrasunete Hielscher, de tip „inline”, montat pe șină, pentru prelucrarea WAS-ului îngroșat
De ce nămolul activ provenit din deșeuri este greu de digerat
Nămolul activ rezidual reprezintă surplusul de solide biologice eliminate dintr-un proces de epurare a apelor uzate cu nămol activ. Acesta conține microorganisme, substanțe polimerice extracelulare (EPS), materie organică captată și solide inerte.
În decantorul secundar, nămolul activ decantat este împărțit în două fluxuri:
- Nămolul activ de retur (RAS) este redirecționat către bazinul de aerare pentru a menține concentrația necesară de biomasă.
- Nămolul activ rezidual (WAS) este eliminat din procesul de tratare a lichidelor și trimis către etapele de îngroșare, stabilizare, digestie sau deshidratare.
WAS conține o proporție ridicată de material celular microbian. O mare parte din conținutul său organic biodegradabil este înconjurat de pereți celulari sau legat în interiorul flocoanelor compacte de nămol. Această protecție fizică încetinește liza celulară naturală și hidroliza.
În timpul digestiei aerobe, se asigură aportul de oxigen, în condițiile în care cantitatea de substanță nutritivă nouă disponibilă este redusă. Microorganismele trec la respirația endogenă și consumă materialul stocat, celulele moarte și alte componente biodegradabile ale nămolului. Scopul este stabilizarea nămolului, reducerea potențialului de miros și diminuarea cantității de solide volatile care trebuie deshidratate și eliminate.
Rata de digestie este adesea limitată de accesul la substrat. Un digestor poate conține microorganisme active și poate avea un timp de staționare suficient, însă materia organică din interiorul celulelor intacte și al flocoanelor dense rămâne greu accesibilă.
Comparație între flocoanele netratate și nămolul tratat prin sonicare: Sonicarea reduce semnificativ dimensiunea flocoanelor.
Studiu și imagini: ©Chu et al. 2001
Cum cavitația ultrasonică deschide calea către digestia aerobă
Sonicatoarele industriale Hielscher funcționează la 20 kHz și generează cavitație acustică intensă în fluxurile de lichide și suspensii. Bulele de cavitație se formează, cresc și se prăbușesc în interiorul nămolului. Prăbușirea acestora creează forțe de forfecare locale puternice care acționează direct asupra flocoanelor, EPS-ului și celulelor microbiene.
Tratamentul cu ultrasunete produce trei modificări importante în WAS:
Dezintegrarea flocurilor
Cavitația descompune agregatele de nămol și expune suprafețele care erau anterior acoperite de substanțe polimerice extracelulare (EPS). Nămolul tratat conține particule mai mici și prezintă o suprafață accesibilă mai mare.
EPS și distrugerea celulelor
Dezintegrarea asistată de ultrasunete sporește biodegradabilitatea aerobă a nămolului activ provenit din deșeurile municipale, prin descompunerea flocoanelor de nămol rezistente 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 materia organică solubilă și fin divizată mai ușor decât celulele microbiene intacte și flocoanele compacte. Prin urmare, tratamentul cu ultrasunete realizează mecanic o parte din procesul de liză și hidroliză înainte de etapa de oxidare biologică.
Sonicația acționează asupra matricei protectoare dense a nămolului de epurare pentru a accelera și a eficientiza semnificativ digestia microbiană. Acest fenomen se manifestă, de obicei, printr-o creștere a cererii chimice de oxigen solubil (SCOD).
Reactor industrial cu flux ultrasonic pentru o digestie îmbunătățită a WAS
Avantajele sonicației în instalațiile de digestie aerobă
Răspunsul depinde de tipul nămolului și de doza de ultrasunete. Atunci când sonicația sporește biodegradabilitatea aerobă, o stație de epurare a apelor uzate poate obține:
- O distrugere mai eficientă a substanțelor solide volatile în timpul procesului de digestie existent
- Stabilizarea nămolului la un timp de staționare mai scurt
- Reducerea producției de substanțe solide uscate reziduale
- Capacitate efectivă suplimentară provenită de la un digestor aerob existent
- Reducerea transportului și a eliminării biosolidelor
- Stabilitate îmbunătățită a procesului în perioadele cu încărcare ridicată de solide
- Un control mai eficient al organismelor filamentoase prin formarea de flocuri și distrugerea celulelor
Sonicatoare Hielscher de tip inline pentru o modernizare ușoară
La scară reală, este, în general, mai eficient să se supună la sonicare un flux de nămol concentrat decât întregul volum al digestorului aerob. Reactoarele cu celulă de curgere cu ultrasunete Hielscher permit două configurații practice.
Pretratarea liniei de alimentare WAS
Sistemul cu ultrasunete este instalat după procesul de îngroșare WAS și înaintea digestorului aerob:
WAS îngroșat -> pompă de alimentare -> celulă de curgere cu ultrasunete Hielscher -> digestor aerob
Acest sistem gestionează un debit masic definit de substanțe solide uscate și oferă o bază clară pentru controlul aportului specific de energie ultrasonică.
Diagrama de flux: WAS îngroșat -> pompă de alimentare -> sonicator industrial în linie Hielscher UIP6000hdT -> digestor aerob
Recircularea din digestor sau tratarea fluxului secundar
O fracțiune controlată de nămol este pompată din digestor sau din conducta de nămol prin sonicator și reintrodusă în proces. Această configurație este utilă atunci când conducta de alimentare existentă este dificil de modificat sau când trebuie tratată doar o fracțiune selectată din nămol.
Ambele configurații pot fi instalate sub formă de module compacte, echipate cu o pompă, o celulă de debit cu ultrasunete, supape de izolare, o derivație de service, sisteme de măsurare a presiunii și a temperaturii, puncte de prelevare de probă și sisteme de control al procesului. Rezervorul de digestie existent rămâne neschimbat.
Acest lucru face ca tratamentul cu ultrasunete să fie deosebit de potrivit pentru modernizarea stațiilor existente de epurare a apelor uzate. Unitatea cu ultrasunete poate fi instalată într-o conductă de pompare, poate funcționa independent și poate fi ocolită în timpul inspecțiilor sau lucrărilor de întreținere.
Îmbunătățiți dezintegrarea aerobă a nămolului cu ajutorul ultrasunetelor de putere!
Sonicatoarele industriale Hielscher oferă o metodă compactă și scalabilă de integrare a ultrasunetelor de mare putere într-o linie existentă de tratare WAS. Prelucrarea în linie, în celule de curgere, concentrează energia ultrasonică asupra fluxului de nămol, permite un control reproductibil al dozei și poate fi proiectată pentru o funcționare fiabilă, intensă, 24 de ore pe zi, 7 zile pe săptămână.
Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany
Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.
Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators 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 pe laborator, pilot și scară industrială.
Întrebări frecvente
Tratamentul cu ultrasunete generează mai mult biogaz într-un digestor aerob?
Nu. Creșterea producției de metan sau de biogaz reprezintă un avantaj al digestiei anaerobe. În cazul digestiei aerobe, tratamentul cu ultrasunete ar trebui evaluat din perspectiva distrugerii substanței vegetale (VS), a consumului de oxigen, a duratei de digestie, a conținutului de solide uscate reziduale, a capacității de deshidratare și a costului total.
Unde este instalat sistemul cu ultrasunete?
Sistemul este instalat, de regulă, în linie, după etapa de îngroșare WAS și înainte de digestorul aerob. De asemenea, acesta poate funcționa într-un circuit lateral controlat sau într-o buclă de recirculare a digestorului. O derivă de service permite continuarea transferului de nămol în timpul lucrărilor de întreținere.
De ce să folosiți un sonicator industrial de 20 kHz?
Ultrasunetele de joasă frecvență și putere mare generează cavitație intensă și forțe de forfecare mecanică. Acest proces este eficient pentru ruperea flocoanelor de nămol, distrugerea EPS și deschiderea celulelor microbiene în fluxurile lichid-solid.
Un sonicator Hielscher poate funcționa în mod continuu?
Da. Gama de sonicatoare industriale hdT de la Hielscher este concepută pentru funcționare continuă în condiții de solicitare intensă și este recunoscută pentru durabilitatea sa. Reactoarele cu celulă de curgere permit procesarea controlată în linie sau prin recirculare, iar înregistrarea automată a datelor facilitează monitorizarea procesului și asigură reproductibilitatea acestuia.
Ce date sunt necesare pentru dimensionarea unui sistem ultrasonic de tratare a nămolului?
Principalele parametri de intrare sunt debitul WAS, concentrațiile de TS și VS, vâscozitatea nămolului, energia specifică țintă, efectul de tratare necesar, orele de funcționare și presiunea disponibilă. Se recomandă efectuarea unor teste pilot pentru a determina doza utilă înainte de dimensionarea la scară reală.
Sonicarea îmbunătățește deshidratarea nămolului?
Rezultatul depinde de caracteristicile nămolului și de doza utilizată. Un tratament moderat poate îmbunătăți procesul de separare a solidelor, în timp ce o dezintegrare excesivă poate genera particule fine și polimeri solubili care afectează captarea sau conținutul de solide din tortul de filtrare. Prin urmare, testele de deshidratare reprezintă o parte esențială a optimizării procesului.
Ce arată studiile științifice despre digestia ultrasonică WAS?
Studiile de laborator susțin utilizarea ultrasunetelor pentru a spori accesibilitatea și biodegradabilitatea aerobă a WAS.
Într-un studiu privind pretratarea combinată alcalină și cu ultrasunete înaintea digestiei aerobe, gradul de degradare a materiei organice la același timp de digestie a fost de 38,0% pentru nămolul netratat și de 42,5% pentru nămolul pretratat cu ultrasunete. Pretratarea combinată alcalină și cu ultrasunete a crescut gradul de degradare la 50,7%. Rezultatul demonstrează că ultrasunetele pot îmbunătăți singure degradarea aerobă, arătând totodată că îmbunătățirea care poate fi obținută depinde de strategia de pretratare și de caracteristicile nămolului. (cf. Jin et al., 2009)
Un alt studiu privind apele uzate municipale a evidențiat o creștere a solubilizării nămolului și a biodegradabilității aerobe în urma dezintegrării bacteriene asistate de ultrasunete. Nămolul pretratat a prezentat o rată de biodegradare sau de descompunere mai mare decât proba martor netratată. (cf. Kavitha et al. 2016)
Sonicarea contribuie la eficiența altor procese de tratare a nămolului?
Da. Sonicația susține mai multe procese de tratare a nămolului prin dezintegrarea flocoanelor, a EPS-ului și a celulelor microbiene:
Digestia anaerobă/Producția de biogaz: accelerează hidroliza, crește COD-ul solubil și poate îmbunătăți distrugerea substanței volatile (VS) și randamentul de metan.
Recuperarea fosforului: eliberă fosforul legat de celule și cel organic în faza lichidă, îmbunătățind disponibilitatea acestuia pentru precipitarea ulterioară sub formă de struvit sau vivianit; 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 Laborator spre dimensiunea industrială.