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FT-BIO-002 FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL

SBR REACTORES CON FUNCIONAMIENTO SECUENCIAL SERIE: TRATAMIENTOS SECUNDARIOS

REACTORES SECUENCIALES

FT-BIO-002

REACTORES CON FUNCIOAMIENTO SECUENCIAL (FT-BIO-002) Fecha

Febrero 2015

Autores

Joaquín Suárez López Alfredo Jácome Burgos Pablo Ures Rodríguez

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ÍNDICE 1.- INTRODUCCIÓN 2.- DESCRIPCIÓN 3.- DISEÑO 3.1.- Caudal y carga contaminante 3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico 3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico 3.4.- Volumen del reactor 3.5.- Capacidad de oxigenación requerida 3.6.- Rendimiento

4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES 5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXT IL 6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL 7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN BIBLIOGRAFÍA ANEXO 1.- COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO ANEXO 2.- ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS ANEXO 3.- DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO ANEXO 4.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR

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1.- INTRODUCCIÓN El tratamiento secundario de las aguas residuales conlleva el uso de un reactor biológico y, como norma general, su correspondiente decantador secundario. En el reactor biológico se estimula el crecimiento controlado de una biomasa o biocenosis, integrada fundamentalmente por un cultivo bacteriano, cuya finalidad es la biodegradación u oxidación de contaminantes. En el decantador secundario se procede a la separación final sólido–líquido para obtener el efluente secundario que, en su caso, será ver tido al medio receptor. En los reactores la biocenosis puede desarrollarse, al menos, de dos formas: 1) como biomasa en suspensión en el seno del líquido (por ejemplo: proceso de fangos activos en sus diversas variantes), o 2) como biomasa adherida a un soporte o material de relleno del reactor, llamados también procesos biopelícula (por ejemplo: lechos bacterianos, biodiscos, lechos sumergidos, etc.). Los reactores o procesos biológicos que emplean biomasa en suspensión aerobia tradicionalmente han sido conocidos como procesos, o reactores, de fangos activos. Estos han sido categorizados, en función de la carga másica de diseño, en tres grandes grupos: fangos activos de baja carga (aireación prolongada, canales de oxidación, etc.), de media carga (o proceso convencional) y de alta carga. Una variante de configuración de los reactores de biomasa en suspensión es la denominada “reactores con funcionamiento secuencial” o “por lotes”; su denominación en inglés es “sequenting batch reactors” o “sequential batch reactors” (SBR). Es un proceso que ya se utilizaba con los primeros reactores de biomasa en suspensión (1914-1920; realizados a nivel pil oto fueron llamados “reactores de llenado y vaciado”), pero se empezaron a utilizar de forma más intensa a finales de la década de los 70 en pequeñas plantas de tratamiento. En los últimos años se ha mejorado mucho las técnicas y el control de las secuencias de procesos, por lo que su uso s e ha extendido también a depuradoras medianas. Debido a que esos sistemas tienen una superficie relativamente pequeña son muy útiles en áreas en donde se tienen limitaciones de terreno.


•

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Taponamiento potencial de los dispositivos de aireación durante ciclos operativos específicos dependiendo del sistema de aireación utilizado por el fabricante. Necesidad potencial de homogenización de caudales dependiendo de los procesos utilizados aguas abajo

El objetivo de este documento consiste en describir la configuración y los criterios de dimensionamiento de los SBR; además se presentarán claves de control y explotación de los procesos.

2.- DESCRIPCIÓN En esencia no hay diferencias entre un proceso de fangos activos y un reactor con funcionamiento secuencial. Una de las principales características de esta configuración de tratamiento secundario es la de no necesitar decantadores secundarios, dado que los procesos de clarificación se realizan en el mismo depósito en el cual se realizan los procesos biológicos de degradación y transformación de compuestos. En definitiva todos los procesos necesarios para tratar un agua se realizan en el mismo tanque o reactor. La explotación de los SBR se caracteriza por encadenar etapas o fases, por secuenciarlas definiendo ciclos. Se pueden realizar cambios de operación modificando la duración y la secuencia de las fases. Los tiempos de los ciclos se pueden ir cambiando conforme se va adquiriendo experiencia con un determinado agua e, incluso, se pueden adaptar los ciclos a variaciones estacionales de las mismas. La ejecución de los ciclos está normalmente programada a intervalos fijos, pero podría condicionar su duración mediante el uso de sondas de control de determinados parámetros de proceso. Como claves para que esta tipología de tr atamiento secundario sea viable se pueden citar los siguientes requisitos: a) Disponer de personal cualificado. b) Tener técnicas y sondas de medición fiables. c) Una configuración de la planta que permita duraciones variables de funcionamiento de equipos.


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ENTRADA

M

M LLENADO

MEZCLA

REPOSO (OPCIONAL) SALIDA AGUA TRATADA

M

JSL

AIREACIÓN

EXTRACCIÓN DE FANGO

DECANTACIÓN

Figura 1.- Secuencia de fases durante un ciclo.

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del ciclo siguiente el sistema queda en reposo con los fangos decantados al fondo del reactor. La purga de los fangos decantados se realiza al final de la fase de extracción de agua t ratada. Para el tratamiento de las aguas residuales urbanas es usual optar de 2 a 6 ciclos diarios. Los ciclos estandard tienen una duración de 4 o seis horas, es decir de 6 a 4 ciclos por reactor al día. Para casos excepcionales, como pueden ser sistemas exclusivos de nitrificación –desnitrificación o para altas concentraciones de contaminantes, la duración de los ciclos se puede dilatar hasta 12 o incluso 24 horas. SALIDA AGUA TRATADA INTERMITENTE

ENTRADA AGUA BRUTA CONTINUA

M

M

JSL

EXTRACCIÓN DE FANGO INTERMITENTE

DIAGRAMA DE TIEMPOS

LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA

Figura 2.- Planta con carga continua (adaptada de Cortacáns, 2014).


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ENTRADA DE AGUA BRUTA INTERMITENTE ALTERNATIVA

PREALMACENAMIENTO SALIDA AGUA TRATADA INTERMITENTE

SALIDA AGUA TRATADA INTERMITENTE

M

M

M

M

JSL

JSL



DIAGRAMA DE TIEMPOS REACTOR 1

LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA REACTOR 2

LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA Figura 4.- Planta con carga intermitente con pre-alimentación. (adaptada de Cortacáns, 2014).

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Los sistemas de pre-almacenamiento deben disponer de algún sistema de mezcla para evitar sedimentaciones. Este depósito funciona con calado variable (se suele colocar instrumentación de medida de nivel para controlar las cargas del reactor y para evitar desbordamientos). Debe poder vaciarse para procesos de limpieza. La aportación desde el depósito de pre-almacenamiento/regulador se puede realizar por bombeo o por gravedad. En el reactor es necesario colocar también instrumentación de medida de nivel, y sondas de oxígeno para el control de la aireación. También es de interés medir pH, el potencial Redox, e incluso disponer de medición en continuo de nitratos y amonio para el ajuste del proceso. También es posible instalar sondas de medida de nivel de fangos. El exceso de biomasa se purga en cualquier punto del este ciclo. La purga frecuente hace que de un ciclo al siguiente se mantenga una relación de masas casi constante entre el sustrato afluente y la biomasa. A continuación del reactor SBR, la tanda de agua residual tratada puede fluir a un tanque de homogenización de caudales en donde el flujo de agua residual a otras unidades de proceso puede ser controlado a una tasa determinada. En algunos casos el agua residual es filtrada para remoción adicional de sólidos y luego desinfectada.


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3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico

El diseño de un reactor SBR se realiza con las mismas bases que cualquier proceso de biomasa en suspensión pero se debe de tener en cuenta otros parámetros complementarios. Los parámetros más importantes para el dimensionamiento del reactor de fangos activos SBR son:

Relación de “intercambio de volumen”, f a (en la bibliografía anglosajona “Volumetric Exchange Rate”): Relación entre el volumen retirado de agua en un ciclo y el volumen del reactor con llenado total (V R). El parámetro f a y la duración del ciclo, t c, son parámetros relacionados. En el caso de un reactor con aportación continua:

 =

∆ 

=

∆ ∆ + 

, =

=

 ∙ 

 ∙   , Vmax

Vmax

VR

Vmin




 =

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 ∙  ∙    ∙  ∙   ∙ ∙ =    

Siendo: t R = tiempo de reacción durante el ciclo tc = tiempo total del ciclo completo.

Carga másica operativa (kg/kg.día): , =

,

∙



 ∙  ∙  

Para aplicaciones de aguas residuales industriales normalmente se requieren estudios de tratabilidad para determinar la secuencia óptima de operación. Para la mayoría de las plantas de tratamiento de agua residual doméstica no se requieren dichos estudios para determinar la secuencia de operación porque el flujo de agua residual doméstica y sus variaciones características son generalmente predecibles; además, la mayoría de los diseñadores de ese tipo de plantas utilizan diseños de tipo conservador.

Otras variables básicas que afectan al funcionamiento del reactor biológico: Demanda total de oxígeno: se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales, Demanda puntual puede ser mayor porque el ejerce la demanda de oxígeno en un periodo menor. Producción de fangos: La misma que en un proceso convencional. En cada ciclo se extrae fango. No hay diferencias esenciales entre SBR y fangos activos en cuanto a costes y calidades. Importancia del control de los llenados: El llenado estático no tiene mezcla ni aireación, lo cual significa que se tendrá una alta concentración de sustrato


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sean 0. Para determinar el punto final de la desnitrificación hay que detectar cuando se produce un cambio fuerte en el incremento de potencial (cambio de p endiente) (EPA, 1999).

3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico

En la siguiente tabla se establecen los valores de los parámetros de dise ño del reactor biológico:

Tabla 1.- Valores de diseño para el reactor de fangos activos.

Parámetro

SBR Metcalf

SBR (aireación prolongada y sedimentación) 12 - 25

SBR (reactor de flujo intermitente en secuencia) 10 – 30

0.050 – 0.30

0.04 - 0.08

0.04 – 0.10

0.08 – 0.24

0.08 – 0.24

0.08 – 0.24

1500 - 5000

2000 - 8000

2000 – 8000

12 - 50

20 - 40

12 - 50

θc

(días)

Sperling (2007) 4 – 6 sin eliminación de nutrientes 8 – 10, con eliminación de nutrientes 20 -25 aireación prolongada, con eliminación de nutrientes

CM

(kg DBO5/kg SSLM/d) Carga volumétrica

(kg.m .día) 3

X

(mg/L) TRH

(horas)

1500 - 3500


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3.6.- Rendimiento

Ver documento FT-BIO-001. Para los SBR la eficiencia de remoción de DBO generalmente es del 85 al 95 por ciento. Los fabricantes de sistemas SBR normalmente proveen una garantía de proceso par a la producción de efluentes con máximo de: • • • •

10 mg/L de DBO 10 mg/L de SST 5 - 8 mg/L de nitrógeno total 1 - 2 mg/L de fósforo total

4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES Los depósitos de los reactores no tienen una forma especial. Profundidades de entre 4 y 7 metros. La velocidad horizontal de entrada de agua bruta a través de las pantallas o bafles no debe ser superior a 0.3 m/s. El depósito debe tener un resguardo de, al menos, 60 cm. Las tasas de transferencia de oxígeno que se producen entre el nivel de agua más bajo y el nivel máximo se deben de tener en cuenta para proporcionar siempre valores de OD superiores a 2 mg/L. La aireación se puede realizar con difusores o con aireadores superficiales flotantes, dado que los niveles de agua son variables. Si se van a tener fases de nitrificación y desnitrificación es necesario que siga habiendo energía de mezcla en reactor y la aireación se pare.


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Para optimizar el crecimiento biológico puede ser necesario la adición de nutrientes (N, P) mediante el uso de sistemas convencionales de dosificación de productos químicos.

6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL Dado que los elementos críticos de un sistema de SBR son los controles, las válvulas automáticas y los interruptores automáticos, estos sistemas pueden necesitar un mayor mantenimiento que en los sistemas convencionales de fangos activos. Un incremento en el nivel de sofisticación también significa que existen más elementos que pueden fallar o requerir mantenimiento. El nivel de sofisticación puede ser muy alto en las plantas de tratamiento de SBR de mayor tamaño, requiriéndose un alto esfuerzo de mantenimiento de las válvulas e interruptores automáticos.

7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN En el ANEXO 4, titulado “PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR”, se presenta una tabla que revisa los problemas de explotación de un SBR y plantea acciones correctivas (Fuente: University of Florida TREEO Center’s “Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual”.


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BIBLIOGRAFÍA ATV-A 126E. (1993). “Principles for wastewater treatment in sewage treatment plants according to the activated sludge process with joint sludge stabilization with connection values between 500 and 5.000 total numbers of inhabitants and population equivalents”. © GFA, Hennef. ATV-DVWK-A 131E. (2000). “Dimensioning of single-stage activated sludge plants”. © GFA, Hennef. CORTACÁNS, J.A. (2014). “Otros procesos de fangos activos. Aireación prolongada, doble etapa y procesos secuenciales”; “Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras”, Curso 2014, CEDEX, Noviembre de 2014, Madrid CRITES, R. y G. TCHOBANOGLOUS. (2000). “Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones”. McGraw-Hill, Interamericana, S.A., Santafé de Bogotá, Colombia. ISBN 958-1-0042-4. DAVIS, M. L. (2010). “Water and wastewater engineering. Design principles and practice”. McGraw-Hill Companies, Inc. (USA). ECKENFELDER W. W., and GRAU, P. (1992). “Activated sludge process design and control. Theory and practice”. Technomic Publishing Co., Inc.: Lancaster, PA (USA). ECKENFELDER W. W. (1980). “Principles of water quality management”. CBI Pub. Co.: Boston (USA). EPA (1999). “Folletos Informativos de Tecnología de Aguas Residuales de la EPA : Reactores secuenciales por tandas. Parte 1”; EPA 832-F-99-073; Septiembre de 1999; Office of Water Washington, D.C.; United States Environmental Protection Agency


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ANEXO 1 COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Tabla 1.- Comparación de criterios de diseño de fangos activos de baja carga. Parámetro Carga Másica, CM (kg DBO5/kg SSLM/d) SSLM, X (mg/L) Lodos en la recirculación, X R (mg/L)

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ANEXO 2 ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS SUPERFICIE NECESARIA PARA REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS DE BAJA CARGA En la siguiente tabla se presenta la demanda de superficie para un reactor biológico de fangos activos de baja carga para diferentes tamaños de la industria textil expresado en términos del caudal medio de tratamiento. Se considera que habrá un tanque de homogenización de caudales y concentraciones. Las hipótesis generales de partida son: • •

Concentración DBO5 homogenizada = 300 mg/L Concentración SSLM = 3.000 mg/L

El criterio principal de diseño es la carga másica que no será superior a 0.070 kg DBO5/kg SSLM/d. La superficie necesaria depende del calado que se adopte para el licor mezcla del reactor. Ya que el método o sistema de aireación condiciona el calado óptimo, vamos a adoptar para este ejercicio los siguientes calados: • •

Aireación de turbinas = 3 m Aireación mediante difusores de fondo = 5 m

Así, se obtiene los siguientes resultados:

Tabla 1.- Estimación de superficie necesaria para reactor de fangos activos de baja carga en función del caudal a


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ANEXO 3 DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO

Figura 1.- Vertedero de recogida con altura variable.

http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html

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Figura 3.- Vertedero de recogida con altura variable.

http://jinhaosanyang.en.alibaba.com/product/506790263213235317/SBR_CASS_pool_Revolving_water_decanter.ht l


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Figura 7.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR. EDAR Alcarrás (España) (GIL-JORDANO, D., 2010)


Figura 8.- “Decanter”por bombeo (GIL-JORDANO, D., 2010).

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ANEXO 4 PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR Source:

University of Florida TREEO Center’s Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual (2000).

SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART PROBLEM OR OBSERVATION I. Loss of solids from

reactor due to a high blanket

PROCESS CONTROL CONDITION

ANALYSIS

Poor sludge settling velocity and compaction

SSVX, SSV5, SVI, diluted

POSSIBLE CAUSES •

SSVX, microscopic

•

NH3 - N, COD,

•

examination,

Glutting (old sludge) Classic bulking (young sludge) Filamentous bulking

CONTROL ACTION •

Decrease MCRT.

•

Increase MCRT.

•

D.O., SOUR •

•

•

II.

Rapidly settling

blanket leaving particulate. Difficulty in maintaining waste concentration

Rapid sludge settling velocity and compaction

SSVX, SSV 5, SVI, F/M, SOUR

Slime bulking FoamTrapping Highly nitrified or oxidized

•

•

•

Identify conditions contributing to filamentous growth and correct. See comments in narrati ve below. Add nutrients. Optimize pretreatment removal of oil and grease. Increase anoxic cycle, reduce aerobic cycle.

•

Toxicity

•

•

High organic loading

•

Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate, increase aerati on cycle, increase MCRT. Short-term, increase aerobic cycl e; long-term, increase MCRT.

•

Low F/M ratio

•

Increase F/M ratio by decreasing MLVSS.


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SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART PROBLEM OR OBSERVATION

CONDITION

ANALYSIS

III. Turbid or cloudy

A.High effluent

MLSS, MLVSS, D.O., pH,

PROCESS CONTROL

BOD or TS

effluent, disinfection problems

temperature,

Influent COD or TOC, Influent NH3 –N, D.O., SOUR

B. High effluent NH 3

– N (Incomplete nitrification)

Influent and process NH3 – N, influent and process alkalinity, pH, temperature, SOUR, D.O.

POSSIBLE CAUSES •

Low MLSS or MLVSS

•

•

Low D.O., temperature or pH

•

•

High organic loading High nitrogenous loading

•

Toxicity

•

•

Influent NH3-N overload Low D.O. Low temperature Inadequate aerobic retention Low pH or alkalinity Low MLVSS (nitrifiers)

•

Toxicity

• •

•

•

•

IV.

High-effluent TSS

Individual particle washout

Effluent and recycle TSS or turbidity, F/M, microscopic exam, SOUR

NO3 – N, pH, TOC or COD

•

•

•

•

•

•

•

•

Add carbon (methanol or acetic acid).

•

Add alkalinity, increas e MCRT.

•

Pin floc – solids recycle

•

•

Straggler floc – high F/M

•

•

•

•

Add alkalinity. Increase MLVSS. Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate, increase aerati on cycle, increase MCRT.

•

•

N

If long-ter m, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle. If long-ter m, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle. Isolate or split flow, identify source of toxic i nfluent and eliminate, increase aeration c cle increase MCRT. Increase aerobic cycle. Increase aerobic cycle. Increase aerobic cycle. Increase aerobic cycle.

•

•

Pin floc – denitrification

Straggler floc – filamentous Straggler floc – hydraulic Individual bacterial cells in effluent Lack of or inadequate anoxic conditions Lack of or inadequate carbon source Low pH, temperature or

Increase MLSS/MLVSS. Increase aeration cycle in fill react, increase MLSS, add alkalinity.

Increase waste cycle, decrease MLSS. Increase waste cycle, decease MLSS, increase anoxic cycle. Optimize solids handling. Decrease waste cycle, increase MLSS, increase aeration cycle. Identify filamentous organism (see filamentous control above). See mechanical troubleshooting section. Decrease waste cycle, raise MLSS, increase aeration cycle, if toxicit remove source of toxic influent Increase anoxic cycle (may require decreasing oxic cycle).

Pin floc – low F/M,

•

High effluent NO 3 –

•

•

•

High-effluent NO 3 - N

•

•

•

V.

CONTROL ACTION

•

•

•


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SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART PROBLEM OR OBSERVATION VI.

Difficulty in

maintaining chlorine residual

PROCESS CONTROL CONDITION

Chlorine (Cl2)residual fluctuation, no chlorine residual

ANALYSIS

Cl2 residual, supernatant NH3-N., NO2-N, turbidity or TSS

POSSIBLE CAUSES •

Incomplete

CONTROL ACTION •

nitrification/denitrificatio n resulting in high NO 2-

High NO2-N in s upernatant will result in increased demand. Optimize nitrification and denitrification processes.

N in supernatant. •

High TSS in supernatant

•

High TSS in supernatant will result in increased demand. See Problems I, III, IV.

•

Reducing agents in supernatant

•

Reducing agents such as H2S, Fe, Mn in supernatant. Investigate source and eliminate. Increase chlorine feed rate to overcome demand.

VII. High fecal coliform values

VIII.

Foam

Sufficient chlorine (Cl2)residual, but high fecal coliform values

Excessive foam or scum on surface of SBR, flow EQ tank or chlorine contact chamber

Supernatant TSS, free and total Cl2 residual, supernatant NH3-N, theoretical and actual CCC detention time

Microbiological

examination, NO3-N, C-N-P ratio, SRT, oils and grease, D.O.

•

Excessive TSS in supernatant

•

Short circuiting of chlorine contact Chloro-organic compounds

•

Excessive filamentous

•

•

•

•

•

bacteria. •

Denitrification

•

•

Nutrient deficiency

•

•

SRT

•

•

Fats, oil or grease

•

•

Overaeration

•

High TSS in supernatant can result in “blinding” of disinfection process. See Problems I, III, IV. Calculate the theoretical CCC detention time. Conduct dye testing to determine actual deten tion time. If there is no NH3-N in effluent but organic nitrogen is present, then false residual (DPD)may be present due to formation of chloro-org anic compounds. Use free chlorine to establish residual not total chlorine. Reduce aeration cycle to de-optimize nitrification rate. The presence of hydrophobic filamentous bacteria may lead to excessive scum and foam. See section I.5. Denitrification can result in sludge and foam on surface of SBR. Foam may also indicate a possible nutrient deficiency. This type of foam may be due to bacteria producing a natural polymer when subjected to nutrient deficient conditions for an excessive period of time. Both too low and too high an SRT can cause foam problems.

Fats, oils grease and other non-degraded surface active organics can cause foam problems. Excessiv e (D.O. > 4.0 mg/L) may cause foaming .

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