ULTRASONIDOS Y DEPURACIÓN Carlos Toscano1 ([email protected])

Luis Vergara1 ([email protected])

Francisco Javier López2 ([email protected]) 1

Toscano Línea Electrónica, S. L. 2 Acciona Agua

RESUMEN La gestión de la línea de fangos tiene un impacto muy significativo en las condiciones económicas y operativas de cualquier planta de tratamiento de aguas residuales. Las plantas con digestión anaeróbica tienen su factor limitante en la etapa correspondiente a la hidrólisis. Es preciso, por ello, sobredimensionarlas con enormes digestores y elevados tiempos de residencia, o, alternativamente, incorporar ayuda tecnológica. Como tratamiento previo a la digestión, los ultrasonidos desintegran las paredes celulares y hacen posible realizar la hidrólisis «fuera» del digestor. Así, se reduce a segundos el periodo mínimo de retención de 8 días necesario. De esta forma, se incrementa el contenido de biosólidos fácilmente biodegradables, que favorecen los procesos posteriores de digestión. El resultado final es un aumento en la eliminación de materia volátil y, en el biogás producido, una reducción en el fango final, y una mejora en la deshidratación. Las aplicaciones en eliminación de espumas y filamentosas, el pretratamiento a los procesos de desinfección, y los tratamientos terciarios, acaban por diferenciar a una tecnología cuya ventaja principal es que no necesita adición química alguna ni ambientes extremos de presión o temperatura. El fango es desintegrado mediante un proceso conocido como cavitación ultrasónica. Su simplicidad, reducido coste y, sobre todo, su concordancia absoluta con el desarrollo sostenible y la legislación medioambiental, hacen de los ultrasonidos una tecnología de futuro.

1. INTRODUCCIÓN Los ultrasonidos, como ondas mecánicas que son, se propagan por un medio (en este caso, el agua) mediante una sucesión de compresiones y expansiones periódicas. Manipulando la onda de la forma adecuada a altas intensidades, es posible fracturar el medio de propagación. El agua cambia rápidamente a estado de vapor mediante una transición de fase, lo que origina la formación de unas microburbujas. En la fase siguiente se aplica una sobrepresión a las burbujas que las hace implosionar, fenómeno que se conoce como cavitación ultrasónica. En esta fase se registran presiones en torno a los 500 bar, temperaturas de hasta 5.000 °K y unas fuerzas de cizalla que destruyen las paredes celulares de los biosólidos presentes en el lodo.

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Presión acústica

Radio de burbuja (µm)

Ondas de compresión

Crecimiento Implosión

“Hot Spot”

Formación

Tiempo (µs) Figura 1. Fenomenología de la propagación ultrasónica.

A rangos de frecuencias bajas (20-100 kHz) se generan burbujas de cavitación que dan lugar a fuerzas de corte muy potentes. En estas condiciones tienen lugar la máxima desintegración celular, la desinfección, la ruptura de polímeros y la liberación de enzimas al medio.

2. LA TECNOLOGÍA DUMO ULTRALYZER La empresa alemana Ultrawaves GmbH, como spin-off de la Universidad Técnica de HamburgoHarburgo (TUHH), ha desarrollado la ingeniería a partir de los ultrasonidos hasta diseñar el desintegrador ultrasónico de materia orgánica DUMO Ultralyzer. El objetivo de la instalación de un sistema DUMO es el de aumentar la eficiencia y la generación de un alto rendimiento en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El volumen del reactor ha sido calculado para lograr una cavitación homogénea en todo el caudal de lodo tratado. El resultado es un equipo patentado, excepcionalmente compacto, con un volumen de 28 litros (en comparación con los volúmenes de los equipos empleados en el tratamiento convencional de aguas, se trata de un auténtico microequipo). El módulo estándar está compuesto por cinco unidades oscilatorias que pueden alimentarse con hasta 2 kW, y que convierten la energía eléctrica, que el generador ha transformado previamente de 50 kHz a 20 kHz, en energía mecánico-acústica. Dicha conversión se garantiza mediante el empleo de elementos transductores piezocerámicos y se aplica al medio mediante un cabezal o sonotrode de titanio.

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Figura 2. Desintegrador ultrasónico de materia orgánica DUMO Ultralyzer.

Con el sistema DUMO, es posible tratar flujos de lodo de hasta 30 m3/día, siendo necesario someter a ultrasonidos sólo entre el 30-50% (según la naturaleza del fango) del caudal de fango biológico. Por lo tanto, se precisa de un reactor DUMO por cada 100 m3/día de fango secundario espesado para optimizar el proceso de digestión anaeróbica.1

3. APLICACIONES El sistema DUMO Ultralyzer presenta una serie de aplicaciones en diferentes áreas. No obstante, Ultrawaves y la TUHH continúan desarrollando nuevas aplicaciones, invirtiendo una enorme cantidad de recursos en I+D+i.

1

Con el sistema DUMO es posible solucionar otros problemas de las plantas de tratamiento de aguas residuales, y se tratarán otros caudales.

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Figura 3. Diferentes aplicaciones de la tecnología DUMO Ultralyzer.

3.1. Estabilización anaeróbica/aeróbica de la biomasa • Intensificación de la descomposición. • Reducción de los tiempos de tratamiento. • Reducción del volumen de digestión. • Reducción de la masa de residuos sólidos, • Aumento del rendimiento de biogás. • Mejora de la deshidratación del fango.

3.2. Eliminación de espumas y filamentosas • Destrucción de las estructuras filamentosas del lodo (bulking). • Mejora en la sedimentación del lodo. • Prevención de la formación de espumas en tanques (foaming) y en la digestión.

3.3. Eliminación biológica del nitrógeno (denitrificación) • Producción de fuentes de carbón internas. • Eliminación de la necesidad de adquirir sustratos externos.

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3.4. Mejora en la sequedad de los fangos previos a la deshidratación2 • Optimización de la maquinaria de deshidratación. • Necesidad de adición de menor cantidad de polielectrolito.

4. INSTALACIONES Y PROYECTOS EN EJECUCIÓN 4.1. En el mundo Las instalaciones a escala mundial superan las 55. En estas instalaciones se ha implantado el sistema DUMO en diferentes aplicaciones.

Figura 4. El sistema DUMO en el mundo.

4.2. En España En España y Portugal, Toscano es la empresa que distribuye el sistema DUMO Ultralyzer. Actualmente, hay tres instalaciones en curso, y próximamente se desarrollarán una serie de proyectos.

4.2.1. Optimización de la digestión de la EDAR de San Jerónimo (Sevilla) A la espera de la implantación final, Toscano ha acordado con la Empresa Municipal de Saneamiento y Abastecimiento de Aguas de Sevilla (EMASESA) la instalación en pruebas de una planta portátil, a fin de optimizar la línea de fangos y la producción de biogás de la EDAR de San Jerónimo. 2

En fase final de investigación.

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Así, se llevó a la planta una caseta contenedora autoportante, que se conectó a la salida del flotador de fangos. El lodo sonicado se devuelve al depósito de mezcla. Dos desintegradores DUMO tratan en torno al 40% del caudal de fango flotado de la planta. Actualmente, junto con su colaborador Acciona Agua, Toscano está optimizando la integración en la planta.

Figura 5. Primera instalación del sistema DUMO en España.

4.2.2. Optimización de la línea de fangos de la ERAR de La Gavia (Madrid)

Aumento en la degradación de volátiles DDCOD(%)

En el mes de noviembre de 2007, se llevará a cabo la instalación definitiva de dos desintegradores DUMO en la ERAR de La Gavia. Para ello, se ha procedido a incluir los ultrasonidos en la oferta que Acciona Agua presentó al concurso. En dicha oferta se introdujo una prueba a escala en la que el fango de La Gavia fue sometido a ultrasonidos en Ultrawaves (Alemania). El fango secundario respondió bien a la desintegración ultrasónica, tal y como se muestra en las siguientes gráficas:

TWAS La Gavia y= 0,9x

Resultados mesurados de otras muestras de TWAS Lineal (resultados mesurados de otras muestras de TWAS) Lineal (TWAS La Gavia) y= 0,5x

Consumo de energía (Wh/l)

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Figura 6. Grado de desintegración celular (medido a través de la demanda química de oxígeno, DQO; COD en inglés) en función de la dosis de ultrasonidos. Nótese cómo está muy por encima de la pendiente de la recta y = 0,5x, que marca el umbral para ser rentable.

Aumento en la degradación de volátiles (%)

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y= 1,9x + 10,4 R= 0,94

Grado de desintegración DDCOD (%) Figura 7. Aumento en la degradación de volátiles en función del grado de desintegración celular.

La sonicación del fango de La Gavia ofrece un grado de desintegración algo superior al 4%, lo que según la figura 7, supone un 20% de aumento en la degradación de volátiles y, por lo tanto, en el aumento de biogás. Es posible calcular todos los costes y beneficios que se optimizarán con los ultrasonidos (evacuación, deshidratación, consumo energético, cogeneración, etc.), pero escapan al objetivo del presente artículo.

4.2.3. Unidad móvil en la EDAR de Lorquí (Murcia) Toscano y Acciona Agua han llegado a un acuerdo con la Entidad de Saneamiento de Aguas de Murcia (ESAMUR) para la implantación de una unidad móvil, que permitirá tratar localmente las aplicaciones que se han detallado anteriormente. Dicha unidad portátil consta de un cuerpo reactor DUMO con una única unidad osciladora y su cuadro de control.

Figura 8. Unidad portátil DUMO Ultralyzer.

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Caso 1. Tratamiento del hinchamiento (bulking) Es preciso conocer científicamente la especie dominante, así como los organismos filamentosos presentes. Es necesario entre 1 a 2 kWh/m3 de energía ultrasónica para destruir a la especie Microthrix parvicella, pero será necesaria una energía ultrasónica mayor para romper los filamentos tipo 021N. En cualquier caso, es preciso notar que la ruptura de filamentos requiere bastante menos dosis de ultrasonidos que la desintegración celular previa a la digestión. Por término medio, se ha de someter a tratamiento ultrasónico aproximadamente el 1% (puede llegarse al 2%) del caudal de fango de recirculación. Un caudal en torno a 0,5 m3/h (dentro de un rango de 0,4 m3/h a 0,6 m3/h, que se corresponde con 1,7 kWh/m3 a 2,5 kWh/m3 de energía ultrasónica aplicada) puede tratarse con esta unidad móvil. Dado que este fango es muy pobre en biosólidos, en torno al 1%, es posible que en algunos casos haya que espesarlo hasta una concentración aproximada del 3% antes de ser introducido en el reactor. A continuación se muestran algunas fotografías obtenidas en la planta de Seevetal (Alemania), en la que se ha aplicado con éxito esta tecnología para la eliminación del hinchamiento.

Figura 9. Tratamiento del hinchamiento con la tecnología DUMO Ultralyzer.

Caso 2. Optimización de la deshidratación La TUHH y Ultrawaves han obtenido evidencias experimentales alentadoras sobre el sometimiento del fango biológico a los ultrasonidos y la subsiguiente capacidad de floculación, sedimentación y deshidratación. La idea subyacente es que, por un lado, la deshidratación depende crucialmente del tamaño de las partículas en suspensión, y por otro, que con los ultrasonidos es posible alterar la cinética de redistribución de las partículas una vez se mezclan con las partículas presentes en el fango primario y se añade el polielectrolito. Dado que la maquinaria de deshidratación, centrífuga en la mayoría de los casos estudiados, optimiza su funcionamiento si tiene presente una diversidad de tamaños de partículas, y que, además, los nuevos agregados presentan unas cualidades más apropiadas para la floculación, es positivo someter el fango a tratamiento ultrasónico previamente a la adición de polielectrolitos. 204

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Pudiera parecer lógico sonicar todo el caudal de fango biológico, dado que así los ultrasonidos romperían las paredes celulares y el agua intracelular sería liberada al medio. Sin embargo, se han efectuado pruebas que revelan un resultado óptimo si se trata entre el 20% y el 50% del lodo secundario.

Figura 10. Sequedad del fango final en función de las mezclas de fangos tratadas.

Se precisa un nivel de ruptura celular similar al de la digestión anaeróbica, lo que supone tratar un caudal de 1,25 m3/h (equivalente a una dosis de energía ultrasónica de 4 kWh/m3). Se puede obtener, así, una mejora en torno al 2% en la sequedad de la torta final de lodo. Para desarrollar la prueba, en este caso, se aislará una máquina centrífuga y se actuará sobre ella con la unidad portátil.

Caso 3. Ultrasonidos y desinfección Se ha demostrado la eficacia de la tecnología DUMO Ultralyzer en la degradación de contaminantes. La estructura química de los contaminantes orgánicos persistentes, que hasta ahora únicamente pueden tratarse mediante procesos químicos costosos, puede convertirse en biodegradable. De esta forma, utilizando los ultrasonidos como pretratamiento, las aguas contaminadas difíciles de tratar pueden ser procesadas por métodos biológicos de uso universal y ecológicamente favorables. Caso 3.1. Ultrasonidos y rayos ultravioletas • El tamaño de las partículas en el efluente influye en la dispersión de la luz UV. • Los ultrasonidos de baja frecuencia (20 kHz) y baja intensidad (0,2 kWh/m3) modifican el tamaño de las partículas (> 50 µm). • Dicho cambio de tamaño supone un aumento en la superficie que deben tratar los rayos UV, ya que éstos son más efectivos. • Se pasa de un contenido de partículas de gran tamaño del 65% al 5%. • Con dosis de 5 s de US, se pasa de necesitar 30 s de UV a sólo 5.

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Volumen acumulativo (%)

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Referencia 30 W/L, 20s (= 0,17 Wh/L) 80 W/L, 20s (= 0,44 Wh/L) 220 W/L, 20s (= 1,28 Wh/L) 310 W/L, 20s (= 1,72 Wh/L)

Tamaño de las partículas (µm) Figura 11. Variación del tamaño de partícula en función de la dosis de ultrasonidos.

Caso 3.2. Ultrasonidos y cloración • La presencia de materia orgánica afecta a la capacidad desinfectante del cloro. • Los ultrasonidos disminuyen los sólidos en suspensión (TSS). • Reducir los TSS mejora la efectividad en la cloración (TSS = 5 mg/l  Cl = 2 mg/l; TSS = 20 mg/l  Cl = 10 mg/l). • Con 350 W/l de dosis durante 10 min para 48 mg/l de TSS, se obtiene una mejora de la cloración (mg/l) de un factor log (2,5).

Figura 12. Mejora en la desinfección en función de la dosis de ultrasonidos. 206

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5. CONCLUSIONES La tecnología DUMO Ultralyzer, al servicio no sólo de la gestión de aguas residuales, sino también del medio ambiente, ofrece innumerables ventajas técnicas y económicas. Se está produciendo una gran expectación en España en torno a esta tecnología, dados los numerosos éxitos en las aplicaciones realizadas en el resto del mundo. Todo hace pensar que en los próximos años asistiremos a una intensa implantación de esta tecnología, favorecida además por la cada vez más exigente legislación en el sector ambiental.

BIBLIOGRAFÍA NICKEL, K. y NEIS, U. (2005) Desintegration von Biomasse in der biolosgischen Abwasserreinigung – Potenziale und Risiken. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering, 52, ISBN 3-930400-75-8: 122-136. NEIS, U. (Ed.) (2005) Ultraschall in der Umwelttechnik III. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering, 50, ISBN 3-930400-69-3. VERA, M.; NICKEL, K.; NEIS, U. y RITCHIE, J. (2005) Disintegration of sewage sludge for improved anaerobic biodegradation. IWA Specialised Conference on Sewage. South Africa. TIEHM, A. y NEIS, U. (2004) Ultrasonic dehalogenation and toxicity reduction of trichlorophenol. In press: Ultrasonic Sonochemistry, Elsevier. WÜNSCH, B.; HEINE, W. y NEIS, U. (2002) Combating bulking sludge with ultrasound. In: Neis, U. (ed.) Ultrasound in environmental engineering II. TU Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering, 35: 201-212.

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