s a u g A s a l e d o c i g ó l o i B o t n e i m a t a r T
e t n e i b m A l e d s a i c n e i C n e a í r t s e a M
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
FACULTAD DE INGENIERÍA DIVISIÓN DE POSTGRADO
Temas 5. Eliminación de sustrato en procesos de cultivo fijo -
Filtros percoladores y contactores biológicos rotativos
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El tratamiento biológico en lecho fijo, sigue en términos generales el mismo esquema bioquímico de los lodos activados. La diferencia principal estriba en que en este caso los microorganismos no están suspendidos, sino adheridos a un medio de contacto. Es así, como el agua residual se expone al contacto con el medio donde crecen los microorganismos, que están adheridos formando un filme, donde ocurren zonas de descomposición aerobia, facultativa y anae robia, tal como se observa en la figura 5.1.
. Corte esquemático de medio fijo para tratamiento de biológico de aguas residuales.
En los sistemas de cultivo adherido el agua residual se pone en contacto con
películas microbianas adheridas a superficies. El área superficial para el crecimiento de la biopelícula se incrementa colocando un medio poroso en el reactor. Cuando se usa un medio sólido poroso empacado al azar, el reactor se denomina filtro percolador . El advenimiento de medios sinté ticos modulares de alta porosidad y bajo
peso ha permitido un arreglo vertical del medio, de varios metros de altura, llamado biotorre. El dispositivo más reciente se denomina discos biológicos y consiste en discos rotatorios sumergidos parcialmente en el agua residual. Aunque existen otros sistemas de cultivo adherido que pueden usarse en ciertas condiciones, tales como
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los filtros sumergidos (anaerobio) y lechos fluidizados, la discusión que se hace en este texto se limita al estudio de filtros percoladores, biotorres y discos biológicos. En los sistemas de filtros percoladores y biotorres, el medio es estacionario y el agua
residual pasa sobre la biopelícula en dosis intermitentes. En el sistema de discos biológicos el medio mueve la biopelícula alternativamente a través del agua y del aire. Ambos sistemas se clasifican como procesos aerobios debido a que mantienen
a la biopelícula superficial en condiciones aerobias. Los sistemas de cultivo adherido incluyen comúnmente sedimentación primaria y secundar ia además del reactor biológico. El sedimentador primario puede omitirse en las plantas con biotorres y discos biológicos siempre y cuando se efectúe un cribado adecuado antes de aplicar el agua residual sobre el medio, con el
propósito de evitar la obstrucción de los espacios del medio.
No obstante las marcadas diferencias entre los reactores de los sistemas de cultivo adherido y suspendido, el metabolismo de los microorganismos de las aguas residuales es notablemente similar. Los microorganismos que se adhieren a las superficies solidas del medio corresponden esencialmente a los mismos grupos que
aquéllos de los sistemas de lodos activados. La mayoría son microorganismos heterótrofos; abundan los hongos y bacterias, predom inando las facultativas, y las algas se presentan cerca de la superficie, donde está disponible la luz solar. También pueden encontrarse animales, tales como rotíferos, lombrices del lodo, larvas de insectos, caracoles, etc. Cuando el contenido de carbono del agua residual es bajo pueden existir organismos nitrificantes, aunque en cantidad insignificante.
Los microorganismos se adhieren por sí mismos al medio y crecen formando una película densa de naturaleza viscosa y gelatinosa. El agua residual moja la película en delgadas capas y las sustancias orgánicas disueltas pasan al interior de la biopelícula debido a gradientes de concentración. En la superficie pegajosa podrían quedar retenidas las partículas suspendidas y coloidales, y ahí se descomponen dando productos solubles. El oxígeno necesario para las reacciones
aerobias de la superficie de la biopelícula proviene del agua residual y del aire
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introducido en los huecos del medio. Los desechos producidos durante el proceso
metabólico se difunden hacia el exterior de los huecos y son transportados por las corrientes de agua y aire existentes.
El crecimiento de la biopelícula sólo puede ser en una dirección, es decir, hacia el lado opuesto al medio de soporte. Conforme la película se hace más gruesa se desarrollan gradientes de concentración de oxígeno y sustrato. Eventualmente en la interfase medio - biopelícula ocurrirán simultáneamente el metabolismo anaerobio
y endógeno. La adherencia se debilita y la fuerza cortante ejercida por el agua residual que fluye sobre la película termina por hacerla caer y deslavarla. Este
proceso es función de las tasas de carga hidráulica y orgánica. La biopelícula se restablece prontamente en los lugares donde se ha desprendido. En los sistemas de cultivo adherido la tasa de remoción de sustrato depende
de muchos factores, entre ellos: el gasto de agua residual, la tasa de carga orgánica, las tasas de difusividad de sustrato y oxígeno hacia el interior de la biopelícula, y la temperatura. La profundidad de penetración del oxígeno y del sustrato se incrementa a tasas grandes de carga; sin embargo, un factor que es comúnmente limitante es la difusividad del oxígeno. La zona aerobia de la biopelícula se limita comúnmente a un espesor de 0.1 a 0.2 mm; el espesor remanente corresponde a la zona anaerobia.
Las muchas variables que afectan al crecimiento de la biomasa y en
consecuencia a la tasa de utilización del sustrato, hacen muy difícil la modelación de los sistemas de crecimiento adherido. El crecimiento de la biopelícula, e l desprendimiento y su naturaleza aerobia y anaerobia, impiden la aplicación de las ecuaciones de equilibrio en forma similar a como se hace en los sistemas de cultivo
suspendido. En gran parte, las ecuaciones para diseñar los sistemas de crecimiento adher ido han sido obtenidas empíricamente .
El concepto del filtro percolador nació del uso de los filtros de contacto, que eran
estanques
impermeables
rellenos
con
piedra
machacada.
En
su
funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba con el agua residual desde la parte
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superior y se dejaba que se pusiese en contacto con el medio durante un corto
período de tiempo. El lecho se vaciaba a continuación y se le permitía que reposase antes de que se repitiese el ciclo. Un ciclo típico exigía 12 horas de las cuales había 6 horas de reposo. Las limitaciones del filtro de contacto incluyen una posibilidad
relativamente alta de obturaciones, el prolongado período de tiempo de reposos necesario, y la carga relativamente baja que podía utilizarse. En el filtro percolador el agua residual es roseada sobre la piedra y se deja
que se filtre a través del lecho, este filtro consiste en un lecho formado por un medio sumamente permeable al que los microorganismos se adhieren y a través del cual se filtra el agua residual. El tamañ o de las piedras de que consta el medio filtrante está entre 2.5 – 10cm de diámetro, la profundidad de estas varía de acuerdo al diseño particular, generalmente de 0.9 – 2.4m con un promedio de profundidad de 1.8m. Ciertos filtros percoladores usan medios filtrantes plásticos con profundidades de 9 – 12m. Actualmente el lecho del filtro es circular y el residuo líquido se distribuye por encima del lecho mediante un distribuidor giratorio, antes el lecho era rectangular y
el agua residual se distribuía mediante boquillas rociadoras fijas cada uno de los filtros posee un sistema de desagüe inferior el cual recoge el agua tratada y los
sólidos biológicos que se han separado del medio, este sistema de desagüe es importante tanto como instalación de recogida como por su estructura porosa a través de la que el aire puede circular. La materia orgánica que se halla presente en el agua residual es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida
sobre una capa viscosa (película biológica), en cuyas capas externas es degradada por los microorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el
espesor de la película aumenta y el oxígeno es consumido antes de que pueda penetrar todo el espesor de la película, por lo que se establece un medio ambiente anaerobio, cerca de la superficie del medio, conforme esto ocurre las materia
orgánica absorbida es metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtr ante.
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Como resultado de no disponer de una fuente orgánica externa de carbón celular, los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante se
hallan en la fase endógena de crecimiento, en la que pierden la capacidad de adherirse a la superficie del medio. En estas condiciones el líquido a su paso a
través del medio filtrante arrastra la película y comienza el crecimiento de una nueva, esta pérdida de la película es función de la carga hidráulica y orgánica del filtro, donde la carga hidráulica origina las velocidades de arrastre y la orgánica influye en las velocidades del metabolismo de la película biológica, en base a estas
cargas hidráulica y orgánica los filtros pueden dividirse en dos tipos: de baja y alta carga.
En el filtro percolador el agua residual es roseada sobre la piedra y se deja
que se filtre a través del lecho, este filtro consiste en un lecho for mado por un medio sumamente permeable al que los microorganismos se adhieren y a través del cual se filtra el agua residual. El tamaño de las piedras de que consta el medio filtrante está entre 2.5 – 10cm de diámetro, la profundidad de estas varía de acuer do al diseño particular, generalmente de 0.9 – 2.4m con un promedio de profundidad de 1.8m. Ciertos filtros percoladores usan medios filtrantes plásticos con profundidades de 9 – 12m.
Actualmente el lecho del filtro es circular y el residuo líquido se distribuye por encima del lecho mediante un distribuidor giratorio, antes el lecho era rectangular y
el agua residual se distribuía mediante boquillas rociadoras fijas cada uno de los filtros posee un sistema de desagüe inferior el cual recoge el agua tratada y los sólidos biológicos que se han separado del medio, este sistema de desagüe es
importante tanto como instalación de recogida como por su estructura porosa a través de la qu e el aire puede circular. La materia orgánica que se halla presente en el agua residual es degradada por la población de microorganismos adherida al medio, esta materia es absorbida sobre
una capa viscosa (película biológica), en cuyas capas externas es degradada por los microorganismos aerobios, a medida que los microorganismos crecen el espesor de
la película aumenta y el oxígeno es consumido antes de que pueda penetrar todo el espesor de la películ a, por lo que se establece un medio ambiente anaerobio, cerca
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de la superficie del medio, conforme esto ocurre las materia orgánica absorbida es metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de l a superficie del medio filtrante. Como resultado de no disponer de una fuente orgánica
externa de carbón celular, los microorganismos situados cerca de la superficie del medio f iltrante se hallan en la fase endógena de crecimiento, en la que pierden la capacidad de adherirse a la superficie del medio.
En estas condiciones el líquido a su paso a través del medio filtrante arrastra la película y comienza el crecimiento de una nueva, esta pérdida de la película es función de la carga hidráulica y orgánica del filtro, donde la carga hidráulica origina las velocidades de arrastre y la orgánica influye en las velocid ades del metabolismo de la película biológica, en base a estas cargas hidráulica y orgánica los filtros pueden dividirse en dos tipos: de baja y alta carga
Los factores más importantes que afectan la operación de los filtros percoladores son:
Carga hidráulica
Carga orgánica
Temperaturas del agua y del aire ambiente
La tasa a la cual se aplica el agua residual a la superficie del filtro percolador se denomina carga hidr áulica, e incluye al gasto recirculado Q R (Figura 5.2); el gasto
total a través del filtro percolador es Q+Q R. La carga hidráulica puede expresarse en metros cúbicos por día por metro cuadrado de área superficial m3/m2*d; un valor típico para un filtro per colador convencional es 20 m3/m2*d. Si se aumenta la tasa de carga hidráulica se incrementa el deslave y esto ayuda a mantener abierto el lecho de roca. La cantidad de recirculación se representa por la relación R = Q R/Q y varía generalmente en el intervalo de 0.0 a 3.0. La expresión de la carga hidráulica es la siguiente,
CH
m3
Q
A
m 2 * d
(5.1)
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La tasa a la cual se aplica el material orgánico es llamada carga orgánica o carga de DBO. No incluye a la DBO añadida por recirculación. La carga orgá nica se expresa en términos de kilogramos de DBO por metro cúbico de lecho por día, o kg/m3. Un valor típico de carga orgánica en un filtro percolador es 0.5 kg/m3. Un
valor grande de la carga orgánica implica un crecimiento rápido de la biomasa. El crecimiento excesivo puede ocasionar la obstrucción de los vacíos del medio de
soporte y se tendría como resultado su inundación. La expresión de la carga orgánica es la siguiente,
CO
So * Q V
kg DBO
kg
m
3
* d
m
3
* d
(5.2)
Figura 5.2. Diagrama que muestra el gasto de recirculación en un filtro percolador.
Los filtros percoladores se clasifican, según su carga hidráulica y su carga orgánica en dos tipos:
Filtro de alta carga.
Filtro de baja carga
- Filtros de Baja Carga
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Es un dispositivo relativamente sencillo y de funcionamiento sumamente seguro, que produce una cantidad estable de efluente, sin perjuicio de que el efluente sea de naturaleza cambiante. Predomina en él una gran población de
bacterias nitrificantes, por lo que el efluente es pobre en amoníaco y rico en nitritos y nitratos, La pérdida de carga a través del filtro p uede ser 1.5 – 3m, lo que puede ser un impedimento si el terreno es demasiado plano para permitir la circulación por gravedad. Con una pendiente favorable, la posibilidad de utilizar la circulación por gravedad es una ventaja. Sin embargo, los filtros de este tipo también tienen algunos inconvenientes. Los olores son un problema frecuente, especialmente si el agua
residual es poco reciente o séptica o si el tiempo es cálido. Los filtros no deberán colocarse en donde los olores puedan causar problemas.
-
Filtros de Alta Carga
La recirculación del efluente final o efluente del filtro permite la aplicación de mayores cargas orgánicas. La recirculación del efluente desde el clarificador del filtro percolador permite que este tipo de filtro alcance la misma eficiencia de eliminación
que los filtros normales o de baja carga. La recirculación del e fluente alrededor del filtro da como resultado el retorno de organismos viables. Se ha observado que éste método de operación mejora, con frecuencia, la eficiencia del tratamiento.
Al diseñar filtros percoladores, se debe considerar tanto las cargas orgánicas como las hidráulicas, así como el grado requerido de purificación. La fórmula de Velz relaciona la eficiencia de tratamiento con la profundidad del medio de:
(5.3) Donde:
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L = DBOL, aplicada que es eliminable, no por encima de 0.90L O, siendo LO la DBO aplicada. LD = fracción del a DBOL que permanece a la profundidad D
K = tasa de eliminación (0.715 para filtros de baja carga, 0.15 para filtros de alta carga) D = profundidad, en m
Cuando se use recirculación, la DBO a aplicada se calcula mediante la ecuación que sigue:
(5.4) Donde: Lα = DBOL aplicada a tras dilución por recirculación. LO = DBOL de agua residual sin tratar Le = DBOL del efluente
R = relación de recirculación Q r / Q Las ecuaciones del NRC para el rendimiento de filtros percoladores son
expresiones empíricas desarrolladas en base a un estudio exhaustivo de los registros de funcionamientos de plantas con dichos filtros. Las fórmulas son
aplicables a sistemas de fase única y de múltiples fases, con distintos factores de recirculación, la ecuación para un filtr o de una sola fase o para la primera fase de una serie será: (5.5) Donde: E1 = eficiencia de la eliminación DBO para el proceso, incluyendo recirculació n y
sedimentación W = carga de DBO al filtro, en Kg/día D = volumen del medio filtrante en m3
F = factor de recirculación El factor de recirculación se calcula utilizando la ecuación siguiente:
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(5.6)
El factor de recirculación representa el promedio de pasadas de la materia orgánica afluente a través del filtro. El término R/10 tiene en cuenta la observación experimental de que la facilidad de eliminación de la materia orgánica parece decrecer cuando aumenta el número de pasadas. Para un filtro de segunda fase la ecuación será:
(5.7) Donde: E2 = eficiencia de la eliminación de DBO para un proceso de filtración de segunda fase, incluyendo recirculación y sedimentación.
W’ =carga de DBO al filtro de segunda fase, Kg/día.
Los factores a considerar en el diseño de filtros percoladores son:
Tipo y caracter ísticas de alimentación del sistema de distribución.
Tipo de medio filtrante a utilizar.
Configuración del sistema de drenaje inferior.
Provisión de la ventilación adecuada, bien por corriente de aire natural de aire o forzada.
Diseño de los depósitos de sedimentación requeridos.
El distribuidor rotativo en filtro percolador se ha convertido en un elemento
estándar del proceso por su fiabilidad y facilidad en el mantenimiento. Este consiste en dos o más brazos montados sobre un pivote en el centro del filtro que giran en el
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plano horizontal, los brazos son huecos y tiene boquillas por las que se descarga residual sobre el lecho del filtro, el distribuidor puede ser impulsado por un motor
eléctrico o por la reacción dinámica del agua residual que descarga por las boquillas. La velocidad de giro variará con el caudal en la unidad accionada por reacción, pero
deberá ser del orden de una vuelta cada 10min, o menor en un distribuidor de dos brazos, la distancia entre el fondo del brazo del distribuidor y la parte superior del
lecho deberá ser de 15 – 22cm, esto permitirá que le agua residual salga de las boquillas, se extienda y cubra de forma uniforme todo el lecho, evitando así que en época de heladas el hielo acum ulado interfiera con el movimiento del distribuidor. Los brazos del distribuidor de sección transversal constante en las unidades pequeñas o de sección decreciente para una velocidad mínima de transporte, las boquillas deberán ser espaciadas de forma irregular, para así conseguir más flujo por unidad de longitud cerca de la periferia que en el centro, el flujo por unidad de
longitud deberá ser proporcional a la distancia del centro del filtro para obtener una distribución uniforme sobre toda la superficie del filtro. La pérdida de carga a través del distribuidor es del orden de 0.6 – 1.5m. Los distribuidores se fabrican para lechos
con diámetros de hasta 60m. Las características más importantes que se debe tener en cuenta al elegir un distribuidor son:
Robustez de construcción.
Facilidad de limpieza.
Capacidad de manejar grandes variaciones de caudal manteniendo la adecuada velocidad de giro.
Resistencia a la corrosión.
Se puede usar tanques de alimentación de operación intermitente o recirculación para así asegurar que el caudal mínimo será suficiente para hacer girar el distribuidor y descargar el agua residual por las boquillas, puede instalarse distribuidores de 4 brazos con sistemas de vertedero que limita el caudal a dos
brazos durante dos caudales mínimos.
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Un material de elevada área superficial por unidad de volumen, que sea económico y duradero y que no se obstruya fácilmente es el medio filtrante ideal. El material más aconsejable suele ser graba o piedra triturada clasificada por tamaño uniforme, generalmente 2.5 – 7.5 cm, al roca volcánica es también conveniente,
también se usa materiales tales como escoria, cenizas o antracita, piedras de diámetro inferior a 2.5 cm no son aconsejadas, pues el espacio de poros entre las piedras que permiten la libre fluencia del agua residual y los sólidos arrastrados
serán insuficientes y darán, como resultado la obstrucción del medio y el estancamiento de agua dentro del filtro o en la superficie, si las piedras tiene un
diámetro grande se evita el problema de la obstrucción pero al tener un área superficial relativamente pequeña por unidad de volumen, no pueden soportar una población biológica grande; por esas causas la uniformidad del tamaño es un modo de asegurar el espacio adecuado de los poros.
Las especificaciones dentro de una gama de tamaño de 2.5 – 7.5cm son por
lo general, más restrictivas, como por ejemplo las de 2.5 – 5cm, o 3.15 – 7cm. Una de las características más importantes de un medio filtrante es su resistencia y durabilidad, esta última puede determinarse mediante un ensayo de sulfato de sodio el que se usa para probar la consistencia de los agregados de hormigón.
Medios sintéticos para el tratamiento de residuos industriales fuertes se han utilizado con éxito recientemente, estos consisten en láminas de plástico entrelazadas dispuestos como un panal de miel para producir unos medios
sumamente porosos y antiobstrucción, este tipo de medio filtrante puede ajustarse a cualquier configuración de filtro, se pueden construir filtros de hasta 6m de
profundidad. La elevada capacidad hidráulica y resistencia a obstrucciones de estos medios sintéticos se aprovechan mejor en un filtro de alta carga.
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El sistema de recogida recibe el agua residual filtrada y los sólidos descargado del medio filtrante y los lleva a un conducto que se prolonga hasta el
tanque de sedimentación final, el sistema está compuesto de la solera del filtro del canal de recogida y de los drenes inferiores. Los drenes inferiores están compuestos de bloques de arcilla vitrificada, con las partes superiores granuladas que admiten agua residual y soportan el medio filtrante, el cuerpo del bloque consta de dos o tres canales con las partes inferiores curvadas, las que forman los canales de drenaje inferior cuando se extienden de lado a lado y cubren toda la solera del filtro.
Los drenes se colocan directamente sobre la solera del filtro, que tiene una pendiente de 1 a 2% hacia el canal colector con el fin de facilitar la inspección, y evitar las obstrucciones, los drenes pueden estar abiertos en ambos extremos, los
drenes se limpian con una descarga de agua. Otra función de las drenes inferiores es ventilar el filtro, proporcionando así a ire para los microorganismo que viven en la película biológica de este y deberán estar abiertos al menos a un canal periférico para la ventilación de la pared así como al canal colector central.
La ventilación normal tiene lugar por gravedad dentro del filtro, al existir generalmente una diferencia de temperatura entre el agua residual y el medio ambiente habrá un proceso de intercambio de calor dentro del lecho del filtro, el cambio de temperatura del aire dentro del filtro provoca un cambio de densidad y así
se establece una corriente de convección, la dirección del flujo depende de las temperaturas relativas del aire y del agua residual, si la temperatura del aire es
mayor que la del agua residual el flujo de aire a través del filtro será descendente, si el aire está más frío que le agua, el flujo de aire será ascendente. La ventilación natural ha resultado ser eficaz para los filtros percoladores, siempre que se tomen las siguientes precauciones:
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Los drenes inferiores y canales de recogida deben diseñarse para que fluyan llenos solamente hasta la mitad de su altura, proporcionando así paso al aires.
En ambos extremos del canal central de re cogida se instalarán cámaras de registro para la ventilación, provistas de tapas de rejilla abierta.
Los filtros de gran diámetro deberán tener canales colectores secundarios con orificios o chimeneas de ventilación situados cerca de la periferia del filtro.
La zona abierta de las ranuras, en la parte superior de los bloques de los
drenes inferiores, no será inferior al 15% del área del filtro.
Por cada 25m2 del área del filtro deberá proporcionarse un área total de 0.1m 2
de rejilla abierta en las cámaras y chimeneas de ventilación. En el caso de filtros extremadamente profundos o sumamente cargados es
recomendable la ventilación forzada si se proyecta, instala y hace funcionar adecuadamente. Con el fin de evitar la congelación, en épocas de temperatura muy
baja conviene limitar el flujo de aire a través del filtro, la cantidad de aire requerida por un filtro es de 0.03m3/min*m2 de área del filtro.
5.4. Reactores Biológicos
de Contacto (RBC)
Los reactores de biodiscos son una adaptación única en el género del sistema de cultivo adherido. Los medios de soporte son discos grandes, planos, montados
en una flecha común y que rotan en tanques que tienen un contorno curvo y en los que el agua residual fluye de manera continua. Un esquema del sistema se muestra en la Figura 5.3.
El contactor rotatorio para el tratamiento de las aguas residuales fue concebido en Alemania por Weigand en 1900. Su patente para el contactor describe un cilindro de tablillas de madera. Sin embargo, no se construyeron unidades hasta
los años de 1930, cuando Bach e Imhoff probaron el contactor como sustituto del filtro Emscher. Estas unidades experimentaron severos problemas de atascamiento de las tablillas y no se continuó la investigación. En E.E.U.U. Allen reportó la
invención de la “rueda biológica” por Maltby en 1929. Consistía en una serie de
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ruedas formadas con paletas. En el mismo año, Doman informó sobre sus pruebas con discos rotatorios metálicos; era la prime ra vez que se investigaba a los discos como medio de contacto, pero los resultados no fueron alentadores y no se siguió investigando al respecto en E.E.U.U.
En 1950, primero Hans Hartman y luego Franz Popel, de la Universidad de Stuttgart condujeron pruebas extensivas usando discos de plástico de 1.0 m de
diámetro. Por aquel tiempo el poliestireno expandido empezó a usarse como material de construcción y no era costoso. El trabajo de desarrollo del proceso de Hartman y Popel, junto con este nuevo material de construcción, produjo un nuevo
proceso comercial de tratamiento de aguas residuales. La compañía J. Conrad Stengelin, en Tuttlingen, Alemania, inició en 1957 la fabricación de discos de 2 y 3 m de diámetro de poliestireno expandido para usarse en plant as de tratamiento de aguas residuales. La primera instalación comercial comenzó a operar en 1960. La compañía estadounidense Autotrol Corporation ha logrado importantes avances técnicos y económicos en este campo. La aplicación del sistema en sus orígenes estaba limitada a gastos pequeños debido a que los costos de equipo y construcción eran mayores que los de un sistema de lodos activados. Autotrol se dedicó a investigar y mejorar las características de los biodiscos con el propósito de obtener mayor área superficial específica y disminuir el consumo de electricidad. En 1971 anunció el desarrollo de un nuevo disco fabricado con una hoja corrugada de polietileno, que superaba al de poliestireno al tener doble superficie de contacto. Actualmente los biodiscos se fabrican de polietileno de alta densidad, movidos
mecánicamente o con aire. El medio de soporte consiste en hojas plásticas que pueden ser de 2 a 4 m de diámetro y de hasta 10 mm de espesor. Se pueden usar materiales más delgados formando un sandwich con una hoja corrugada entre dos discos planos y
soldándolos térmicamente para formar una unidad con estructura de panal de abeja. El espacio entre discos planos es de entre 30 y 40 mm; su diseño incluye huecos radiales a intervalos de 15º que se extienden desde la región central hasta el perímetro del medio a través de los cuales pasan libremente hacia adentro y fuera del medio el agua residual, el aire y la biomasa desprendida (Figura 5.4). Los discos
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son atravesados en su centro por una flecha de acero con un largo de hasta 8 m. El
conjunto integrado por la flecha, sus discos, y el tanque constituyen un módulo reactor. Se pueden hacer arreglos de varios módulos colocados en serie y/o en paralelo de acuerdo con los requerimientos de gasto y grado de tratamiento.
Figura 5.3. Sección transversal y sistemas de tratamiento con RBC Los microorganismos que se desarrollan en la superficie del medio de soporte
remueven el sustrato del agua residual y utilizan el oxígeno del aire para sostener sus procesos metabólicos. El desarrollo y desprendimiento de la biopelícula ocurren de manera continua; su espesor es de 2 a 4 mm dependiendo del agua residual y de
la velocidad de rotación de los discos. En virtud de que la biopelícula se oxigena fuera del agua residual, podrían desarrollarse condiciones anaerobias en el líquido.
Debido a esto, cuando se usan módulos múltiples en serie comúnmente se inyecta aire cerca del fondo del tanque, como se ilustra en la Figura 5.5.
Figura 5.4. a) Intercambio de aire y agua en biodisco y b) sección transversal
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Figura 5.4. Adición de aire comprimido al sistema En condiciones de operación normales el sustrato carbonáceo se remueve en las etapas iniciales de los discos biológicos. La conversión del carbono puede completarse en la primera etapa de los módulos en serie y la nitrificación después de
la quinta etapa. Como sucede en los procesos de biotorre, la nitrificación se presenta una vez que se ha reducido significativamente la concentración de carbono. La mayor parte de sistemas de biodiscos incluyen un mínimo de cuatro o cinco módulos
en serie para conseguir la nitrificación del agua residual. Se considera que el sistema de discos biológicos es un proceso de tratamiento relativamente nuevo y la experiencia en aplicaciones a gran escala es
aún limitada. No obstante, el proceso parece estar bien indicado en el tratamiento de aguas residuales municipales. Un módulo de 3.7 m de diámetro y 7.6 m de longitud contiene aproximadamente 10000 m2 de área superficial para el desarrollo de
biopelícula. Esta gran cantidad de biomasa permite tiempos de contacto cortos, mantiene al sistema estable bajo condiciones variables y produce un efluente que
cumple con los límites establecidos en las normas oficiales mexicanas. No es necesario recircular el efluente a través del reactor. La biomasa desprendida es
relativamente densa y se sedimenta bien en el sedimentador secundario; además, el requerimiento de energía no es grande y el proceso operativo es simple. Un motor de 40 kW es suficiente para hacer girar la unidad ya descrita -de 3.7 m de diámetro y 7.6 m de longitud-. El movimiento del sistema utilizando aire comprimido es incluso
más económico y tiene el beneficio adicional de que se airea el agua residual. El sistema tiene las siguientes desventajas: no se dispone de experiencias de
operación documentadas, el costo de inversión es grande y es muy sensible a los
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cambios de temperatura. Se requiere instalar cubiertas para proteger los medios de
soporte de los daños de la intemperie y de un exces ivo crecimiento de algas. Instalar casetas sobre los discos también ayuda a reducir los problemas de temperatura en climas fríos.
