29 febrero 2012

Guía técnica para el diseño de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales (5ª PARTE)




Ver 4ª PARTE

DISEÑO DE UN REACTOR ANAERÓBICO

El tratamiento anaeróbico de las aguas residuales ha existido como tecnología práctica en los últimos 100 años. Gradualmente se desarrolló desde un simple sistema de tanque séptico a reactores completamente controlados de alta tasa actualmente usados para tratar efluentes industriales complejos. En sistemas anaeróbicos, las poblaciones microbianas clave generalmente tienen una tasa de crecimiento reproductiva inferior a la de los reactores aeróbicos equivalentes. Esto requiere que el tiempo de retención del lodo sea mayor.

Las tasas de carga permitidas en un proceso de tratamiento de residuos anaeróbico es, por lo tanto, principalmente dictado por la concentración de biomasa activa dentro del digestor. Consecuentemente, el mantenimiento de un SRT alto ha sido, al menos hasta recientemente, el mayor punto de interés en la aplicación práctica de procesos anaeróbicos. Conforme avanzan las tecnologías anaeróbicas, es cada vez más evidente que puede conseguirse un tratamiento anaeróbico de alta tasa empleando métodos de retención de biomasa eficientes. Estos permiten que el tiempo de retención de sólidos (SRT) se mantiene bien en exceso del tiempo de retención hidráulico (HRT) resultando en densidades de biomasa más altas dentro del sistema. Consecuentemente, fueron posibles tasas de conservación mejoradas por volumen unitario del reactor donde sea posible y las densidades de biomasa altas también confirieron una mayor resistencia a ninguna sustancia inhibidora en la alimentación. Para lograr la eficiencia de un tratamiento mayor y fiabilidad asociada con un largo SRT, se han desarrollado nuevas configuraciones de reactores anaeróbicos. Durante las últimas dos décadas, una sucesión de pequeñas modificaciones al diseño del reactor exixtente ha permitido desarrollar nuevas configuraciones.

Digestor anaeróbico completamente mezclado o convencional

El concepto de de digestión anaeróbica se desarrolló en Francia mediante el diseño de un reactor llamado “Mouras automatic scavenger”, una cámara hermética usada para licuar los componentes sólidos de las aguas residuales. En 1891 se construyó el primer tanque séptico con capacidad para retener sólidos.  En 1904 se desarrolló el tanque “Travis” para separar y fermentar los lodos de aguas residuales sépticos en una cámara de reacción separada. Esto fue seguido por el desarrollo del tanque “Imhoff” en Alemania. Estas cámaras mixtas sin mezclar disponen de un medio de retención de lodos realzado dentro de la cámara del reactor. Más tarde, los digestores se mezclaron y calentaron para mejorar la tasa de digestión. En esta ocasión, sólo la fracción de sólidos suspendidos en las aguas residuales fue sometida a un tratamiento anaeróbico y no fue hasta el desarrollo del tanque de contacto anaeróbico que se usó la digestión anaeróbica para el tratamiento anaeróbico de las aguas residuales diluidas. Por lo tanto, los digestores anaeróbicos convencionales se han usado para la degradación de materia orgánica tanto en lodos de aguas residuales como aguas residuales industriales.

El digestor anaeróbico convencional es un reactor completamente mixto sin reciclado de sólidos en el que el tiempo de retención de sólidos es igual al tiempo de retención hidráulica. En estos reactores, las bacterias anaeróbicas y aguas residuales se mezclan juntas para permitir reaccionen entre sí. Cuando las bacterias anaeróbicas han reducido la carga contaminante orgánica al nivel deseado, las aguas residuales tratadas luego se retiran del reactor para su eliminación. Este sistema puede operar en modo continuo o por lote y depende del crecimiento continuo de nueva biomasa para reemplazar la pérdida de efluente. Sabemos que algunos metanógenos clave son organismo de crecimiento con doble de tiempo de 5 a 10 días; y se requieren al menos 10 días de tiempo de retención hidráulica y de sólidos. Esto necesitará un reactor con volumen muy grande. El requerimiento de tiempo puede reducirse aplicando un proceso de reciclaje de sólido / separación de fase. Es decir existen dos fases, uno para la mezcla y reacción, y el otro para sedimentación y almacenamiento.

Los requerimientos de gran volumen y el lavado de microorganismos en el efluente imponen serios problemas que hacen que los digestores anaeróbicos convencionales no sean convenientes para usar con la mayoría de aguas residuales. Sin embargo, pueden usarse para tratamiento de lodo y para aguas residuales que contienen alto contenido en materia orgánica y sólido.

Proceso de contacto anaeróbico

El link entre alta concentración de biomasa, mayor eficiencia) y el más pequeño tamaño del reactor   siembra la idea del proceso del tanque de contacto. El principio del reactor de contacto anaeróbico tiene paralelismos con el proceso de lodos activados, es decir, sedimentación de lodos microbiológicos en un tanque de sedimentación y su retorno vuelve al reactor para permitir un mayor contacto entre biomasa y residuos crudos. En los reactores de contacto anaeróbicos, debido a la disposición de reciclado de sólidos, el SRT no está acoplado al HRT como digestores convencionales. Como resultado de ello, pueden alcanzarse considerables mejoras en la eficiencia del tratamiento. Una buena mezcla es esencial dentro del digestor de contacto anaeróbico de forma que ocurre una transferencia adecuada de masa entre el alimento y la biomasa activa.

El defecto fundamental de los reactores de contacto es su dependencia de unas características de asentamiento favorable del lodo anaeróbico, un requerimiento que puede no cumplirse en todo momento. Un asentamiento de lodos pobre se debe al crecimiento de bacterias anaeróbicas filamentosas y formación de gas por bacteria anaeróbica en el tanque de sedimentación. El crecimiento filamentoso puede deberse a una deficiencia de nutrientes y esto puede ser rectificado por un mantenimiento cuidadoso del ratio N/P. Los problemas de formación de gas pueden minimizarse empleando desgasificación de vacío por shock térmico anterior a la sedimentación, usando agentes de floculación en el tanque de sedimentación o incorporando láminas inclinadas en el diseño del sedimentador.

Aunque simple en concepto, las unidades de componentes individuales del proceso de contacto anaeróbico lo hacen más complejo que otros sistemas digestores anaeróbicos de alta tasa, sin embargo, la ausencia de cualquier accesorio interno ofrece algunas ventajas para el tratamiento de residuos que tengan altos contenidos de sólidos.

En la siguiente tabla podemos ver las condiciones típicas de operación de varias configuraciones de digestores anaeróbicos.

Tipo de reactor
Carga (kg COD/m3 día)
HRT (Horas)
Retirada COD (%)
Reactor anaeróbico convencional
1 – 5
240 – 360
60 –80
Reactor de contacto anaeróbico
1 – 6
24 – 120
70 – 95
Reactor por lotes de secuenciación anaeróbica
1 – 10
6 – 24
75 – 90
Filtro anaeróbico
2 – 15
10 – 85
80 – 95
Lecho fluidizado
2 – 50
1 – 4
80 – 90
UASB
2 – 30
2 – 72
80 – 95
Reactor baffled anaeróbico
3 – 35
9 – 32
75 – 95
Digestión anaeróbica de dos fases
5 – 30
20 – 150
70 – 85
Nota: COD es demanda de oxígeno químico

Reactor por lotes de secuenciación anaeróbica (ASBR)

El proceso de reactor por lotes de secuenciación anaeróbica (ASBR) es sistema de crecimiento suspendido decantado y alimentado por lotes y es operado en una secuencia cíclica de cuatro etapas: alimentación, reacción, sedimentación y decantación. Comprende un tanque simple en el que tienen lugar todos los eventos, y ya que una parte significativa del tiempo del ciclo se emplea sedimentando la biomasa del agua residual sin tratar, el requerimiento del volumen del reactor es más alto que para los procesos de caudal continuo. Sin embargo, esta desventaja es largamente compensado por su simplicidad (no requiere etapa de sedimentación de biomasa adicional o reciclado del ciclo). 

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