Ver 5ª PARTE
Lecho compacto anaeróbico o filtro
anaeróbico
El filtro anaeróbico es un proceso de tratamiento de aguas
residuales biológico en film fijo en el que una matriz fija (medio de soporte)
proporciona una superficie de fijación que soporta los microorganismos
anaeróbicos en forma de un biofilm. El tratamiento ocurre cuando las aguas
residuales fluyen hacia arriba a través de este lecho y los contaminantes
disueltos son absorbidos por el biofilm. Los filtros anaeróbicos fueron los
primeros sistemas anaeróbicos que eliminaron la necesidad de separación de
sólidos y reciclaje proporcionando un alto SRT: ratio HRT. Varios tipos de
material de soporte pueden ser utilizado, tales como plásticos, carbón activado
granular (GAC), arena, polímeros de espuma reticulado, granito, cuarzo y
piedra. Estos son usualmente partículas, materiales en láminas o moldeados que
han sido producidos específicamente para la tarea, a menudo teniendo áreas de
superficie excepcionalmente altas en ratios de volumen (400 m2/m3)
y bajos volúmenes de huecos. Esta simplicidad y robustez del filtro anaeróbico,
ej su resiliencia a cargas de choque y perturbaciones operacionales (ej.
inhibidores de la tasa de caudal, pH), la hacen idealmente conveniente al
tratamiento tanto de aguas residuales solubles diluidas como tratamiento de
aguas residuales solubles de alta resistencia que pueden diluirse por
reciclado.
Reactores de lecho expandido y
fluidizado anaeróbico
Las investigaciones llevadas a cabo desde hace años han
conseguido mejorar notablemente el rendimiento de las tecnologías anaeróbicas
existentes y resolver muchos de los primeros problemas operacionales, es decir,
las dificultades de la separación de la biomasa experimentada con digestores
anaeróbicos de contacto y los problemas de bloqueo de los filtros anaeróbicos.
Uno de tales desarrollos fue el reactor de lecho fluidizado. La adaptación de
este sistema a la digestión anaeróbica se hizo como un intento para desarrollar
un reactor biológico que acumularía un activo máximo fijado a la biomasa para
manejar sólidos suspendidos sin bloqueo. Si el área de superficie disponible para la fijación microbiana se
maximiza y el volumen ocupado por el medio se minimiza, se alcanza la máxima
actividad específica para un volumen de reactor dado. En la práctica, un filtro
conteniendo partículas extremadamente pequeñas (0,5 mm) proporciona un área de
superficie adecuada para alcanzar estos beneficios. Para alcanzar la fluidización
de las partículas de biomasa, las unidades deben operarse en modo de flujo
ascendente. Este diseño simplista llevó al desarrollo de una unidad similar a
un reactor de lecho fluidizado llamado reactor de lecho expandido de film
fijado anaeróbico. En realidad, es sólo la tasa de caudal de líquido y el grado
resultante de la expansión del lecho lo que determina si un sistema es de lecho
fluidizado o expandido. Los reactores de lecho expandido tienen una expansión
del lecho de un 10 – 20 % comparado con
un 30 – 90 % en lechos fluidizados.
En el reactor de lecho fluidizado, la biomasa es fijada a la
superficie de partículas pequeña de baja gravedad específica (tales como
antracita, burbujas de plástico de alta densidad, arena, etc.) que se mantienen
en suspensión por la velocidad hacia arriba del caudal del líquido. El efluente
es reciclado para diluir los residuos de entrada y proporcionar suficiente
caudal para mantener las partículas en suspensión. Las áreas de superficie
grande de partículas de soporte y el alto grado de mezcla que resultan de un
caudal vertical alto permiten desarrollar altas concentraciones de biomasa y
una cinética de admisión del sustrato eficiente. En estos sistemas tienen lugar
concentraciones de biomasa entre 15000 y 40000 mg/l.
El mayor riesgo con el lecho fluidizado y los reactores de
lecho expandido es la pérdida de partículas de biomasa del reactor siguiendo
repentinos cambios en la densidad de partículas, caudal o producción de gas.
Reactor (UASB) de capa de lodo
anaeróbico de flujo ascendente
El problema asociado con los filtros anaeróbicos de lecho
compacto y los reactores de lecho expandido y fluidizado han llevado al
desarrollo de reactores no compactos que todavía incorporan una forma
inmovilizada de biomasa de partículas. Una de las configuraciones de digestores
anaeróbicos más exitosos es el denominado reactor UASB.
El reactor UASB se basa en la premisa que el lodo anaeróbico
muestra unas buenas propiedades inherentes a la sedimentación, probado que el lodo no se expone a una
agitación mecánica pesada. La mezcla adecuada entre el lodo y las aguas
residuales se proporcionan una distribución de caudal uniforme combinada con
una velocidad de flujo ascendente suficientemente alta, y por la agitación que
resulta de la producción del gas. La biomasa en este tipo de reactor es
retenida como una matriz granular o capa, y se mantiene en suspensión por el
control de la velocidad del flujo ascendente. El caudal de aguas residuales
hacia arriba a través de un lecho expandido de lodo activo localizado en la
parte inferior del reactor, mientras que la parte superior contiene un sistema
de separación (sólido, líquido, gas) de tres fases. Esto último facilita la
captación de biogás y también proporciona reciclado interno del lodo al desenganchar
las burbujas de biogás las partículas de lodo y elevándolas. La principal característica de
los dispositivos UASB es la separación en tres fases, que se localiza en la
parte superior del reactor, crea tres zonas internas separadas: la zona de digestión,
la zona de sedimentación y la zona de separación de líquido y gas.
Aunque los reactores UASB se construyen desde 1971, no fue
hasta 1976 que se implementó una variante particularmente deseable, el lodo
granular. Las características de sedimentación superior de estos gránulos de
lodo permiten que unas concentraciones más altas de lodos se retengan y
consecuentemente se permite que el sistema alcance unas tasas de carga orgánica
mucho más altas.
El fenómeno de la granulación es un proceso en el que una
biomasa floculante no discreta comienza para formar pellets discretos bien
definidos, o gránulos. Estos varían en dimensión y apariencia dependiendo de
las condiciones del reactor y aguas residuales, pero generalmente tienen una
geometría esférica aplanada con un diámetro de 1 – 3 mm.
Reactoranaeróbico con deflectores (ABR)
El diseño consiste en una serie de deflectores verticales
escalonados en los que las aguas residuales pasan por debajo y fluyen hacia el
exterior. Las ventajas y desventajas de estos reactores son las siguientes:
- Combina las ventajas del filtro anaeróbico, que tiene una alta estabilidad y fiabilidad debido a la fijación de sólidos biológicos en y entre los medios filtrantes, y el proceso de lodo anaeróbico, en el que la masa microbiana funciona como medio de soporte para la fijación de microorganismos, llevando a un volumen de vacío alto.
- El diseño con deflectores permite que el sistema reduzca el lavado de la biomasa, y de aquí se retiene un alto contenido de sólidos biológicos.
- El reactor puede recuperarse rápidamente de las cargas de choque orgánicas e hidráulicas.
- Tiene un diseño simple y no requiere gas especial o equipo de separación de lodos.
- Debido a su configuración compartimentalizada, puede funcionar como un sistema de tratamiento anaeróbico en dos fases con alguna separación espacial de biomasa acidogénica y metanogénica.
- La fracción de espacios muertos en ABR es baja comparada con otros diseños de digestores anaeróbicos.
- El ABR puede usarse para casi todas las aguas residuales orgánicas solubles de resistencia baja a alta.
- Considerando su estructura simple y operación, puede considerarse un sistema de reactor potencial para tratar aguas residuales municipales domésticas y municipales en áreas tropicales y subtropicales en países en desarrollo.
Digestión anaeróbica en dos fases
La digestión anaeróbica en dos fases implica una
configuración de proceso empleando reactores separados para acidificación y
metanogénesis. Estos están conectados en serie, permitiendo que cada fase del
proceso de digestión sea optimizada independientemente.
La idea de este proceso es realzar la biodegradación
anaeróbica a través de una separación controlada de las reacciones principales,
con las reacciones de hidrólisis, fermentación y acidificación con la primera
fase y las reacciones acetogénicas y meganogénicas predominando en la segunda
fase. Debido al hecho de que las bacterias asociadas con las anteriores
reacciones tienen las tasas de crecimiento y actividad más altas, el reactor
acidogénico siempre será más pequeño que el reactor de fase metanogénico.
Se han sugerido diferentes métodos para alcanzar la
separación en dos fases. Estos incluyen inhibición selectiva de ciertos grupos
de microorganismo, control cinético, control de pH y separación de membrana.
Ventajas:
- Mejora en el control del proceso.
- Eliminación del lodo acidogénico de crecimiento rápido.
- Degradación y atenuación de materiales tóxicos en la primera fase.
- Control del pH preciso en cada reactor.
- Contenido más alto de metano en el biogás de fase metanogénica.
- Tasa de carga incrementada para la etapa metanogénica.
- Depósitos equilibrados en plantas de tratamiento existentes pueden ser fácilmente convertidos a depósitos de acidificación por operación en dos fases.
Desventajas:
- Rúptura posible de relaciones sintrópicas.
- Alta acumulación de lodos en la primera fase.
- Falta de experiencia de proceso y mayor dificultad de operación.
- Dificultad para mantener una segregación equilibrada de fases.
Bibliografía:
The Handbook of Water and Wastewater Microbiology. Duncan Mara and Nigel Horan.
School of Civil Engineering, University of Leeds, Uk
Palabras clave:
Fixed film processes, trickling filter (TF), rotating biological contactors
(RBC), activated sludge (AS) process, sulphate-reducing bacteria (SRB), sludge
retention time (STR), anaerobic reactor
configuration, anaerobic contact digestion, fluidized bed reactor, trickling
filter
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