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p Los reactores anaerobios son bioreactores que pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales con altas cargas orgánicas, estos pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final. Al compáralos con los reactores aerobios se pueden encontrar las siguientes ventajas y desventajas: 0p bajo consumo de energía; no se requiere aporte de O2 0p posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible (caro) 0p el lodo obtenido es un lodo ya estabilizado ÿ 0p largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses) 0p sensibilidad a variación de condiciones ambientales 0p menor efliciencia en remoción de MO (aprox.80%)
p c Los reactores UASB (del inglés ) son un tipo de biorreactor tubular que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los microorganismos se agrupan formando biogránulos. En los sistemas anaerobios de flujo ascendente, y bajo ciertas condiciones, se puede llegar a observar que las bacterias pueden llegar a agregarse de forma natural formando flóculos y gránulos. Estos densos agregados poseen unas buenas cualidades de sedimentación y no son susceptibles al lavado del sistema bajo condiciones prácticas del reactor. La retención de fango activo, ya sea en forma granular o floculenta, hace posible la realización de un buen tratamiento incluso a altas tasas de cargas orgánicas. La turbulencia natural causada por el propio caudal del influente y de la producción de biogás provoca el buen contacto entre agua residual y fango biológico en el sistema UASB. En los sistemas UASB pueden aplicarse mayores cargas orgánicas que en los procesos aerobios. Además, se requiere un menor volumen de reacción y de espacio, y al mismo tiempo, se produce una gran cantidad de biogás, y por tanto de energía. El reactor UASB podría reemplazar al sedimentador primario, al digestor anaerobio de fangos, al paso de tratamiento aerobio y al sedimentador secundario de una planta convencional de tratamiento aerobio de aguas residuales. Sin embargo, el efluente de reactores UASB normalmente necesitan un tratamiento posterior, para lograr degradar la materia orgánica remanente, nutrientes y patógenos. Este postratamiento puede referirse a sistemas convencionales aerobios como lagunas de estabilización, plantas de fangos activos y otros.
El proceso UASB se inventó a mediados de los 70 en la Universidad de Wageningen (Holanda) por un equipo dirigido por el Doctor Gazte Lettinga y se aplicó por primera vez a escala industrial en una industria azucarera alemana. Durante varios años, fue continuamente mejorado para el tratamiento de grandes caudales de aguas residuales, y cargas con importantes fluctuaciones diarias. Algunos datos y recomendaciones de operación resultado de recomendaciones resultantes de la experiencia que poco a poco fue apareciendo, ayudó a que este tipo de sistemas se use para el tratamiento en diferentes condiciones. El UASB es un sistema trifásico de alta carga que opera como un sistema de crecimiento en suspensión. La elevada concentración de biomasa en el UASB lo hace más tolerante a la presencia de tóxicos. Consiste esencialmente en una columna abierta, a través de la cual el líquido residual se pasa a una baja velocidad ascensional. El manto de fangos se compone de gránulos o partículas además del agua residual. El fenómeno de granulación que rige la formación de los gránulos constituye la parte fundamental del proceso. El tratamiento del agua se da cuando se pone en contacto el agua con los gránulos. Los gases producidos bajo condiciones anaerobias provoca la recirculación interna, lo que ayuda en la formación y mantenimiento de las partículas biológicas, sobre las cuales algunas partículas de gas se adhieren. El gas libre y el gas adherido a gránulos se retienen en el colector de gas en la parte alta del reactor. El líquido que ha pasado a través del manto contiene algunos sólidos residuales y gránulos biológicos que pasan a través del sedimentador donde los sólidos se separan del futuro efluente. Los sólidos retornan por tanto al caer a través del sistema de bafle en la parte alta del manto de fangos. Para lograr una operación correcta del sistema se requiere la formación de biomasa floculenta, y la puesta en marcha suele requerir la inoculación previa del reactor con grandes cantidades de fangos de algún otro sistema de operación. El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas residuales industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas residuales, en los UASB también son necesarias unas etapas previas de adecuación del influente antes de ingresarlas al reactor, como por ejemplo, eliminación de aceites y grasas, desarenado, corrección de pH,...Tras este tipo de pretratamientos, el UASB puede convertir el 7095% de la materia orgánica biodegradable en una corriente de biogas valorizable. De ahí que sean posibles mayores eficiencias mediante el acople de pre- y/o postratamientos adecuados que aumente el tiempo medio de residencia celular, la composición y la resistencia frente a tóxicos del fango. La tecnología de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el separador de tres fases (biogás-líquido-sólido), ha tenido un gran éxito comercial con un gran número de instalaciones en el mundo. La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnología de tratamiento anaerobio. Aunque también se ha implantado en industrias como la cervecera, destilería, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y la celulosa, industria textil, química y farmacéutica. El concepto principal del reactor UASB es retener altas cantidades de Biomasa mediante la formación de lodos granulares. Cuando se desarrolló el concepto de UASB,
Lettinga vio la necesidad de promover la acumulación de lodo granular y evitar la acumulación de lodos dispersos. El régimen de flujo ascendente mantenido provee las condiciones necesarias para desarrollar los gránulos. Además, la adecuada separación de sólido-líquido-gas previene que los gránulos se desintegren o sean arrastrados por alguna corriente. La corriente cruda se distribuye en el tanque a través de entradas distribuidas apropiadamente. Luego circula en flujo ascendente a través de un lecho de lodos donde los microorganismos se ponen en contacto con los sustratos a degradar de la corriente. El lecho de lodos se compone de microorganismos que naturalmente tienden a formar gránulos o pellets de 0.5 a 2 milímetros de diámetro. Estos gránulos tienen una alta velocidad de sedimentación y gracias a esto resisten el pasaje de la corriente del sistema, aún aunque la carga hidráulica sea alta. Los gránulos de lodo no deben ser expuestos a agitación mecánica pesada, para poder colonizar en el sistema. Los gránulos de lodos tienen la siguiente ventaja sobre los lodos floculentos convencionales: 0p 0p 0p 0p 0p 0p
Bio-film denso y compacto. Alta adherencia. Alta resistencia mecánica Comunidad microbiana balanceada Alta actividad metanogénica. cesistencia a shocks tóxicos.
El movimiento ascendente de las burbujas del Biogás producidas causa turbulencia hidráulica, proveyendo agitación al reactor, sin ser necesaria la agitación mecánica. En el tope del reactor la fase líquida es separada de los sólidos y el gas con un separador de tres fases. Este separador generalmente consiste en un embudo por donde asciende el gas, con baffles deflectores de flujo previos a la entrada. Esta separación es también importante porque previene que el efluente tratado vuelva a contaminarse. En el gráfico se pueden ver en detalle las distintas partes mencionadas.
Las cuatro aplicaciones principales de reactores anaeróbicos para efluentes industriales se hallan en las industrias de bebidas, alimentos, destilerías y papeleras. Sin embargo, en los países desarrollados rápidamente se está expandiendo esta tecnología al tratamiento de efluentes de Petroquímicas, industrias textiles y del azufre. En climas tropicales, también está comenzando a usarse para los efluentes domésticos. 0p Las ventajas principales del reactor son: 0p Alta efectividad de la operación del reactor, ya que permite trabajar con altas cargas orgánicas y alto ratio de remoción a temperaturas de 20º C. 0p Operación confiable. 0p Alta concentración de biomasa. 0p Las reacciones se pueden separar en distintas capas y etapas, reduciendo la inhibición que provocan la grasa láctea y los lípidos. 0p Se pueden obtener altos Tiempos de cetención de Sólidos (ScT), independientemente del Tiempo de cesidencia Hidráulico (HcT).
ÿ ÿ ÿ c Existen dos caminos para diseñar un UASB, y se eligen de acuerdo a la cantidad de DQO presente en el efluente a tratar. Si carga de DQO es mayor a 5.000 mg/l, el diseño debe basarse en el catio de carga orgánica (OLc). En cambio, si la DQO en la corriente es menor a este valor, deben basarse los cálculos en la velocidad. Los parámetros de diseño son: DQO del efluente OLc: 4 - 12 kg COD/m3.d
a
tratar:
5,000
-
15,000
mg/l
Tiempo de cesidencia Hidráulico (TcH): 4 - 12 h V: Velocidad de flujo entre 0.6 y 0.9 m/h Q: caudal de efluente a tratar. C: concentración de DQO en la corriente cruda del efluente. Eficiencia del tratamiento de DQO: E = (DQOentrada ² DQOsalida)/DQOentrada Como cálculo estimativo, el porcentaje de remoción de DQO debe estar entre un 75 y un 85 %. !"# $c OLc = Q (DQOentrada ² DQOsalida) * 103 Volumen del tanque: W = C * Q / OLc = (kg DQO/m3 * m3/h) / (kg DQO/m3.h) La altura del tanque H (m) puede ser calculada como: H = HS + HSe , donde Hs es la altura de la zona de lodos y Hse es la áltura del área de sedimentación. Hs= V * TcH En general, la altura de la zona de lodos se selecciona en la siguiente tabla, de acuerdo a los valores de DQO en la corriente de efluente que ingresa. DQO entrada
Altura de zona de lodos
< 3000 mg/l
3²5m
Õ 3000 mg/l
5²7m
El área de sedimentación debe ser tal que HSe 1.2 m El área superficial de un tanque UASB (m2) se calcula según A = HcT * Q / H !"# Cuando la DQO en la corriente a tratar es menor a 5,000 mg/l, no sirve usar el método basado en OcL porque el lodo granular será difícil de conformar. Por lo tanto, el criterio de diseño debe ser: V = 0,5 m/h. HcT = 4 h Hs = 3 ² 5 m HSe = 1.2 m El reactor se dimensiona como: Volumen: W = Q x HcT Area: A = V / Q Para seleccionar el material de construcción deben tenerse en cuenta los dos posibles casos de corrosión que pueden aparecer: Ôp Algunas cantidades de H2 S gaseoso pueden pasar a través del separador y acumularse por encima del nivel de líquido del reactor. El H2 S puede oxidarse a Ácido Sulfúrico y provocar corrosión del acero y el concreto. Ôp El óxido de Calcio (CaO), por debajo del nivel de líquido en una superficie de concreto puede disolverse con Dióxido de Carbono (CO2), en condiciones de pH muy alcalinas, produciendo corrosión. Los materiales de construcción deben ser resistentes a estos tipos de corrosión, como Acero Inoxidable o plásticos, o bien deben recubrirse las superficies con pinturas anticorrosivas.
% & '(&" )*. Lettinga y sus compañeros descubrieron que el reactor UASB podía procesar altas cargas una vez que el lodo granular estuviera formado. Sin embargo, también encontraron que los gránulos no se formaban con cualquier tipo de efluentes, a una velocidad apreciable. Los efluentes cloacales y de slaughterhouse son un ejemplo de esto. Uno de los mayores inconvenientes que presentan los reactores es la lentitud de la puesta en marcha. Para cultivar una cantidad suficiente de lodo anaeróbico que sea viable para fijarse en el reactor y realizar la degradación pertinente, es necesario un período de tiempo considerable. Esto se debe a que los microorganismos anaeróbicos pueden no estar alimentados durante largo tiempo y sobrevivir. Un dato útil es que los lodos anaeróbicos existentes en una instalación a gran escala pueden ser utilizados para poner en marcha instalaciones nuevas, aún en el caso de que las corrientes a tratar difieran significativamente en composición y volumen. En general, una puesta en marcha en condiciones de temperatura de 20 º C puede llevar entre 2 y 3 semanas. En el peor de los casos, la duración puede extenderse entre 3 y 4 meses. La carga hidráulica de la puesta en marcha es siempre un 50 % de la carga
hidráulica de diseño, y recién cuando se alcanza el valor de carga de diseño se puede considerar que ha finalizado la operación de puesta en marcha. El Tiempo de cesidencia Hidráulico (TcH) debe ser el adecuado para que las bacterias filamentosas y no colonizadoras sean arrastradas fuera del reactor, especialmente durante la puesta en marcha. La alimentación generalmente requiere un pH mayor a 5.5 y una alcalinidad suficiente para mantener un pH estable a lo largo de toda la operación. La temperatura del efluente debe ser mayor a 5 º C para no impedir la etapa 1 de las bacterias Metanogénicas, que es la Hidrólisis. En invierno puede ser necesario utilizar algo del Metano producido para calentar la corriente a tratar en el reactor. Para que los microorganismos sobrevivan, debe mantenerse una proporción de DQO : Nitrógeno : Fósforo de 350:5:1. Para mantener estos valores, se agregan compuestos químicos como NH4 H2PO4, KH2PO4, (NH4)2CO3, entre otros. Los sólidos suspendidos (SS) pueden afectar el proceso anaeróbico de muchas maneras: Ôp Formación de espuma por la presencia de agentes con propiedades espumantes, como grasa y lípidos Ôp Obstrucción y retardado de la formación de barros granulares. Ôp Entrampado de lodo granular en una capa de materia insoluble y consecuente desintegración de los gránulos Ôp Arrastre de los lodos fuera del reactor. Ôp Caída de la actividad metanogénica debido a la acumulación de SS. Por lo tanto, la concentración de SS en la alimentación al reactor no debería exceder los 500 mg/l. En las etapas 2 y 3, de acidogénesis y acetogénesis el pH se reduce, y la capacidad de buffer del efluente debe ser ajustada para una alcalinidad equivalente a 1000 ² 5000 mg/l de CaCO3. Para efluentes solubles, la agitación que genera el Biogás producido es suficiente para asegurar un adecuado contacto entre los lodos y el sustrato a tratar. Tensiones hidráulicas en el reactor pueden causar pérdidas y arrastre de los gránulos: es importante el parámetro de la velocidad superficial del líquido en flujo ascendente. Este parámetro debe ser de alrededor de 1 m/hora. Velocidades muy altas causan arrastre de los gránulos, pero velocidades muy bajas hacen que se forme un goterón de gas entre los gránulos que eventualmente puede encapsularlos y luego arrastrarlos. La experiencia da valores para los parámetros de diseño que garantizan un funcionamiento exitoso del reactor
