01 marzo 2012

Guía técnica para el diseño de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales (6ª PARTE)



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.

Las limitaciones del filtro anaeróbico son mayoritariamente físicas y relacionadas con el deterioro de la estructura del lecho a través de una acumulación gradual de sólidos no biodegradables. Esto lleva eventualmente a cortocircuitar el caudal, y los filtros anaeróbicos son por lo tanto no convenientes para aguas residuales con alto contenido de sólidos.

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. El reactor puede recuperarse rápidamente de las cargas de choque orgánicas e hidráulicas.
  4. Tiene un diseño simple y no requiere gas especial o equipo de separación de lodos.
  5. 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.
  6. La fracción de espacios muertos en ABR es baja comparada con otros diseños de digestores anaeróbicos.   
  7. El ABR puede usarse para casi todas las aguas residuales orgánicas solubles de resistencia baja a alta.
  8. 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:
  1. Mejora en el control del proceso.
  2. Eliminación del lodo acidogénico de crecimiento rápido.
  3. Degradación y atenuación de materiales tóxicos en la primera fase.
  4. Control del pH preciso en cada reactor.
  5. Contenido más alto de metano en el biogás de fase metanogénica.
  6. Tasa de carga incrementada para la etapa metanogénica.
  7. Depósitos equilibrados en plantas de tratamiento existentes pueden ser fácilmente convertidos a depósitos de acidificación por operación en dos fases.

Desventajas:
  1. Rúptura posible de relaciones sintrópicas.
  2. Alta acumulación de lodos en la primera fase.
  3. Falta de experiencia de proceso y mayor dificultad de operación.
  4. 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
Publicar un comentario en la entrada