Sistema de Tratamiento de Carga Orgánica Usando Reactores Secuenciales por Carga
Introducción Esquema de operación de Reactores Cargados Secuencialmente Modelamiento de Sistemas de Lodos Activos Modelamiento de Sistemas SBR Diseño de Reactores SBR Requerimientos de oxígeno de reactores SBR Descarga de Lodos en Reactores SBR Descarga de efluente tratado Diseño de los tiempos de las etapas de SBR Tiempo de llenado o carga Tiempo de reacción Tiempo de sedimentación Tiempo de descarga de efluente tratado Tiempo de descarga de lodos
Introducción El tratamiento de orgánico orgánicos s , como las aguas servidas procedentes de alcantarillado domiciliario u otros casos de industrias (alimenticias, p.e.), se diseña en torno a operaciones que logren oxidar (degradar; esrabilizar; mineralizar; etc.) el contenido de materia orgánica (fecal, si se trata de aguas servidas pero de composición más regular si es industrial), si bien es claro que se deben cumplir, además, las normas respecto de otros parámetros; por ejemplo:
Sólidos suspendidos; Aceites y grasas; Coliformes fecales; Nitrógeno orgánico o Total; Fosfatos; Cloro libre residual; Organoclorados; Compuestos no biodegradables; etc.
El diseño se centra en la oxida oxidación ción biológ biológica ica de mater materia ia orgá orgánica nica porque porque las operacio operaciones nes de remoción de sólidos suspendidos, y aceites y grasas pueden ocurrir simultáneamente o ser realizadas por operaciones auxiliares de menor escala, más rápidas y de menor complejidad que la oxidación. La remoción de nitrógenos, fosfatos, etc. puede realizarse, también, mediante procesos biológicos. biológicos. La remoción de patógenos (microorganismos infecciosos que pudiesen estar presentes si las aguas contienen feses humanas), por otra parte, debe ser atendida explícitamente, explícitamente, en una operación posterior posterior de desinfección (excepto en el caso de sistemas de altísimo tiempo de residencia en que se diseña con tiempos que excederían con mucho el tiempo necesario para la oxidación de orgánicos, para disponer del tiempo tiempo necesa necesario rio para para la hidról hidrólisi isis s de las bacter bacterias ias infecc infeccios iosas; as; por por ejempl ejemplo, o, la "lagun "lagunas as de estabilización" estabilización" de unos 30 centímetros de profundidad profundidad y unos 40 días de tiempo de residencia hidráulica hidráulica teórico) La tecnología de " lodos activos" recibe tal nombre a partir de la observación de que el material sedimentado posterior a una operación de oxidación de orgánicos, con aspecto de lodo o barro, presentaba una alta actividad de digestión de nuevos materiales orgánicos.
De allí el término lodos activos que, por problemas de traducción, se suele referir también como "lodos activados". Cualquier tecnología que utilice un manejo directo del material sedimentado para acelerar la actividad celular dentro del sistema de oxidación recibe el nombre de "tecnología de lodos activos"; a diferencia, por ejemplo, de sistemas donde la presencia de altas densidades de células se logra mediante la fijación del material celular a un soporte sólidos que reciben el nombre de " filtros biológicos" (trickling filters) o "reactores adheridos" como el de discos rotatorios. Una alternativa distinta consiste en manejar las concentraciones naturales de las células y (dada su baja densidad y por ende actividad biológica por unidad de volumen) proveer, simplemente, de un gran volumen de reacción (como es el caso de las "lagunas"). Los reactores estáticos, de carga secuencial (SBR o Sequencing Batch Reactors) pertenecen a las tecnologías de "lodos activos" porque se retiene (por sedimentación) una alta densidad de células en su interior. Los SBR son, simplemente, reactores de llenado/vaciado, en contraste de los más conocidos reactores continuos en los que el fluido a tratar entra y rebalsa simultáneamente. Sin embargo, los SBR son históricamente previos a los reactores continuos En los SBR se dispone de un volumen de reactor que cumple operaciones secuenciales: Figura 1: Esquema de operación de Reactores Cargados Secuencialmente.
CARGA: el reactor recibe flujo durante un tiempo dado (hasta llenarse), con o sin mezclado y aireación del reactor (según si se desea o no regular el nitrógeno efluente)
REACCIÓN BATCH : se opera el reactor sin admitir flujo (operación batch o en lotes) durante el tiempo necesario para realizar las reacciones bioquímicas deseadas, recibiendo agitación y aireación
SEDIMENTACIÓN : luego de tratado el volumen del reactor lleno, los contenidos se dejan sedimentar con el reactor completamente quieto (no hay agitación ni aireación) durante el tiempo necesario para la clarificación del sobrenadante (que es requisito de diseño para el efluente tratado)
DESCARGA DE EFLUENTE : el líquido clareado (sobrenadante) se descarga hasta un cierto nivel del reactor (que según el diseño que se adopte varía entre un 75% hasta un 15% del volumen del reactor), dejando en su interior el material sedimentado, (que suele recibir el nombre de "lodos activos" o simplemente "los lodos" y que corresponde al material celular que realiza las reacciones bioquímicas) que debe ser retenido para tratar la siguiente alimentación del reactor
DESCARGA DE LODOS : durante los últimos momentos de descarga de efluente tratado, se descarga la cantidad de lodos que se generaron durante el último ciclo, a fin de retener la actividad microbiológica precisamente necesaria y garantizar que el efluente tratado será clarificado en sucesivas sedimentaciones.
EVENTUAL ESPERA: el reactor, ya descargado en algún grado (es decir, reteniendo lodos en la cuantía necesaria) puede tener un tiempo un tiempo de inactividad si es que no hay flujo disponible (por ejemplo, si un segundo reactor esta en carga) En términos diagramáticos, se suele representar la secuencia de operaciones mediante diagramas como el de la figura 1, si bien tal diagrama no permite diseñar los intervalos de carga, descarga, aireación, mezclado, etc. Modelamiento de Sistemas de Lodos Activos Los reactores de lodos activos (de operación continua) deben diseñarse de acuerdo a parámetros cuantitativos medibles, que representen efectivamente las características del efluente a tratar, las características del reactor y las exigencias al efluente tratado. La metodología de diseño de un reactor de lodos activos convencional se basa en los balances de materiales y la cinética del sistema de reacción. En forma simple, el sistema se puede componer de un reactor aireado y agitado, seguido de un sedimentador de sólidos (células), desde el cual se recircula una cantidad determinada de sólidos al reactor (ver f igura 2). Las variables de diseño son:
Figura 2: Diagrama de flujos de Lodos Activos clásico y notación utilizada Q = Flujo de aguas servidas al reactor (m 3/día) X o= Biomasa activa que entra al reactor, expresada como los sólidos volátiles del caudal entrante, usualmente denominado MLVSS (mixed liquor volatile suspended solids), expresado en mg/L (medido según SM método 2540 E) (mg/L) 3 V r= Volumen del reactor (tanque de aireación) (m ) -1 K M= Constante cinética de crecimiento celular, referida como "velocidad máxima", (día ). X = Biomasa activa en el reactor, MLVSS (mg/L) K S= Constante de afinidad de la expresión de cinética de crecimiento, expresada en DQO. o DBO5 (mg/L).
S 0 = Sustrato soluble entrante al reactor, como DQO o DBO 5 (mg/L) S = Sustrato soluble en el reactor, expresado como DQO o DBO 5 (mg/L). K D= Constante cinética de pérdida de actividad celular, usualmente entendida como "muerte"
o "hidrólisis" de células activas (día -1). 3 Q W= Flujo de los lodos excedentes del proceso (m /día). X e= Concentración de microorganismos en la salida del sedimentador final, e.d. en el efluente tratado, expresado como sólidos suspendidos (método SM 2540 D) (mg/L). X R= Concentración de microorganismos en el lodo descargado, expresado como sólidos suspendidos, mg/L Y = Coeficiente de conversión del sustrato a células del reactor, expresado como masa de células producidas (mg MLVSS) por masa de sustrato (mg DQO o DBO5) consumida. = Tiempo de residencia hidráulico del reactor (día) C = Tiempo medio de residencia de biomasa en el reactor (día)
En términos de estas variables, las ecuaciones de balance entrada-salida, aplicadas al sistema de lodos activos son:
Como de costumbre en diseño, se deben adoptar ciertas hipótesis simplificadoras razonables, a saber:
1.- La concentración de biomasa entrante y saliente es despreciable 2.- El reactor es completamente mezclado 3.- Todas las reacciones ocurren el reactor (no en las cañerías ni el sedimentador )
Con estas hipótesis, es posible simplificar y reescribir las ecuaciones de balance anteriores para obtener:
Ya que el lado derecho de ambas ecuaciones es el mismo, se igualan los lados izquierdos entre sí:
donde se ha mantenido el grupo Q/V R que figura en el lado izquierdo de la ecuación, a fin de destacar su sentido físico, primordial en diseño de lodos activos. El inverso de este grupo se denomina " tiempo de retención hidráulico" del reactor, típicamente simbolizado por . El inverso del término en el lado derecho tiene también importancia primordial y es
conocido como el " tiempo C . Es decir:
de residencia medio de la biomasa" , típicamente representado por la letra
La propia definición conceptual del "tiempo de residencia medio de la biomasa" , implica (ya que no hay entrada de células al reactor más que por la línea de reciclo) que:
donde
r es la razón del flujo de recirculación de lodos al flujo de alimentación del reactor, r=Q R/ Q .
Las ecuaciones anteriores permiten calcular las características del efluente del sistema. Por ejemplo, una vez seleccionado el tiempo medio de residencia de las células, se puede obtener la concentración de orgánicos del reactor y, dado que no hay reacción en el sedimentador, es también la concentración en efluente tratado. Naturalmente, se deben utilizar los valores más reales posibles para los parámetros cinéticos del reactor en cuestión y estos dependen del sistema final diseñado (es decir, que aún no existe). En una etapa inicial se utilizan los parámetros de otros sistemas parecidos, luego se ratifican en pequeña escala y finalmente se ratifican en la planta. En cuanto a los sólidos del reactor, estos dependen también de su t iempo de residencia. La concentración de biomasa (los MLVSS) en el reactor se puede obtener de:
Se suele hablar, también, de la velocidad de crecimiento específica neta, que no es sino el inverso de C pero que se relaciona con la velocidad global (observable) de consumo de sustrato:
U es una tasa específica de consumo o utilización del sustrato por parte de las células, dada por U=R SU /X , con R SU = tasa de utilización de sustrato en mg/L/día. donde
Otro parámetro de diseño verificable en operación es la razón de alimento a biomasa, Microorganisms ratio):
F/M (food to
Este parámetro se maneja, en operación, mediante el descarte de una masa dada de microorganismos (es decir, se puede manipular X en la ecuación anterior), es decir, reduciendo el MLVSS del reactor,
según sea necesario. Este descarte es, precisamente, el origen de los tecnologías.
lodos generados por estas
Si el F/M es alto (mucho orgánico y poca biomasa) la eficiencia del sistema es baja porque los microorganismos (X ) estarán saturados de "alimento" (sustrato, S ) y la degradación es escasa. Una razón F/M pequeña, por otro lado, resulta en microorganismos hambrientos que serán más voraces en su digestión, implicando una mayor remoción de sustrato; si fuese demasiado pequeña, sin embargo, se impondrían condiciones de alta mortalidad de biomasa y de fases de retardo extensas. Desde un punto de vista puramente cinético, se debiera operar a muy pequeños F/M . Sin embargo se requerirían reactores de volumen muy alto (como una laguna). Además, a bajos F/M (extenso C ), las propiedades de sedimentación se empeoran. Otro parámetro empírico de cierta importancia, sobre todo para el diseño de la etapa de sedimentación, es el SVI (sludge volume index), el índice volumétrico de los sólidos del reactor. El índice volumétrico indica el volumen que ocupa un gramo de sólidos del reactor. Su obtención empírica es simple, si bien tediosa y lenta. Se deja sedimentar un litro de líquido mezclado del reactor (Mixed Liquor) durante 30 minutos y se observa el volumen que ocupan los sólidos que sedimentaron (SV ) obteniendo el volumen de lodos. El valor obtenido ( SV ) se divide por la biomasa X (en realidad, los MLSS). Se utiliza una conversión de unidades que exprese el SVI en mL/g (mililitros por gramo). La utilidad de la variable SVI radica en que su valor debe coincidir con el valor que tenga la operación del sedimentador; es decir, permite manejar la etapa de sedimentación. En el diseño, el valor seleccionado para el SVI limita la máxima MLVSS (biomasa) permisible en el reactor (porque si se excede o se decrementa el sedimentador no producirá la concentración de sólidos necesaria o los rebalsará al efluente tratado). De la discusión anterior se destaca que ciertas "variables", de carácter empírico, deben ser "elegidas" para cada diseño en particular. Tal es el caso del tiempo de residencia hidráulico ( ), del tiempo medio de residencia de las células ( C ) o alternativamente la tasa de reciclo de lodos ( r ), el índice volumétrico de los lodos ( SVI ) y la razón de carga ("food") a biomasa (microorganismos) expresada por F/M .
Modelamiento de Sistemas SBR En términos asociados a la cinética de reacción, todas las investigaciones y la historia de operación de reactores de lodos activados ha sido exitosamente modelada por ecuaciones de tipo Monod. En particular, el modelo ya clásico del IAWPRC; de amplia utilización en reactores de lodos activos (tanto rápidos como de aireación extendida, discos rotatorios, carrouseles, etc). Este modelo no ha resultado del todo adecuado para reactores SBR, debido a la secreción de metabolitos intermediarios, que aportan demanda de oxígeno (medida indistintamente como DBO 5 o como DQO). Las anomalías respecto del modelo se deben (probablemente) a las reacciones bioquímicas asociadas a la digestión de productos intracelulares mantenidos como reserva, durante los períodos anóxicos; en este sentido, el trabajo de Ibrahim y Abasaeed las discusiones asociadas al comportamiento de la demanda de oxígeno en reactores SBR y propone un modelo matemático, bastante exitoso, para modelar la dinámica y obtener predicciones de DQO y sólidos en el efluente tratado de un reactor SBR. Este modelo no incorpora la etapa de sedimentación ni las de descarga de lodos y efluente tratado (es decir, modela carga y reacción a reactor lleno). El modelo dinámico de Ibrahim utiliza una docena de valores iniciales y una decena de parámetros, de modo que aparece como con un excesivo número de grados de libertad que podría ajustarse a cualquier resultado experimental pero poco útil para diseño. Es, naturalmente, posible utilizar modelos dinámicos más convencionales y con menos grados de libertad. De hecho, las etapas en reacción pueden ser modeladas mediante cinéticas del tipo Monod,
igual a las utilizadas para lodos activos. Las etapas de decantación estática y sedimentación con descarga, por otra parte, pueden ser resueltas por ecuaciones de balance y ecuaciones lineales. En todo caso, el diseño de reactores SBR, al igual que para otros reactores de lodos activos, no se realiza en condiciones dinámicas sino que en estado de operación, en ciclos definidos y mediante variables empíricas globales que permitan, posteriormente, operar el sistema en el punto seleccionado. Notará el estudiante que en los casos típicos de diseño de "lagunas" se llegan a utilizar, a menudo, expresiones cinéticas de primer orden en lugar de la más compleja (y de mayor orden) expresión de Monod. El estudiante debe, entonces, razonar la incidencia que puede tener el volumen de reacción (o el TRHD) respecto a las variaciones de carga de entrada.
Diseño de Reactores SBR Se adoptará, por hipótesis, que no existen regulaciones sobre el nitrógeno (N) ni el fósforo (P) descargado por una planta de tratamiento de aguas servidas domésticas, típicas de las empresas sanitarias. La hipótesis se basa en que las normas actualmente vigentes no regulan tales elementos ni sus compuestos, de modo que considerar su abatimiento incrementaría costos sin ningún beneficio explícito (tarifario, en particular). Se debe destacar, en todo caso, que la remoción de nitrógeno en un reactor SBR es muy simple y factible (pero agrega volumen de reacción). El reactor SBR se diseñará en términos de los mismos parámetros que las aplicaciones de lodos activados, más un número de parámetros operacionales válidos solamente para SBR. El objetivos del diseño es obtener las especificaciones del reactor (dimensiones, equipos, etc.) y los tiempos de duración de cada etapa de operación. Se deberá definir, en primer lugar, las variables que especifiquen correctamente la aplicación. En el caso de AS domésticas: - Q 0 el flujo promedio, el flujo máximo, e, idealmente, la curva de variación del flujo (m3/día). - S 0 la concentración de orgánicos (DQO) de entrada media, máxima y sus variaciones horarias (mg/L) - X 0 la concentración de sólidos suspendidos de entrada (SS, mg/L) - los requisitos de salida para el sustrato ( S F) y los sólidos suspendidos ( X F) Estas definiciones permiten obtener la carga (masa diaria) de sustrato a abatir y los requisitos de sedimentación para clarificación del efluente final. La carga se cuantifica como flujo másico de entrada al reactor, es decir:
K=Q 0* (S 0- S E) y refleja la masa diaria de orgánicos que debe se tratada en el sistema; dado que el sustrato está expresado como demanda de oxígeno, refleja además, el oxígeno que debe disponer el material celular del reactor para su respiración. Este oxígeno debe ser entregado al reactor durante las etapas que incluyen aireación. Al igual que en lodos activos, las dos decisiones clave para la operación del SBR son la razón de alimento a biomasa ( F/M ) y la densidad celular activa de operación ( X A medido como MLVSS).
Se debe destacar que la biomasa está permanentemente cambiando en un reactor SBR (no así en un reactor continuo) de modo que se debe definir en que parte del ciclo de operación se definirá el requisito de biomasa. Se adoptará aquí definir la densidad de biomasa de diseño y operación en el momento posterior a la descarga de efluente tratado y lodos, o equivalentemente, en el momento previo al inicio de la carga del reactor. Esta definición es la más útil ya que permite fijar la cuantía del descarte de lodos del reactor (es decir, descargar lodos hasta llegar a la X AR de diseño). Ambos parámetros presentan, en la práctica publicada, variaciones dentro de amplios rangos. Así, se encuentra que F/M varía entre 0,032 y 0,18 (DBO5/MLSS, e.d. día-1), mientras que la densidad de sólidos (X ) en operación varía entre 1000 y 4500 mg/L. En todo caso, es posible recomendar valores a partir del análisis de SBR utilizados con aguas servidas:
Razón Alimento a Masa celular 0,1 día-1 Sólidos en el reactor MLSS 4000 mg/L El volumen del reactor en baja (previo a ser alimentado) queda completamente determinado por la carga de diseño (K ) y la selección de valores de F/M y X AR . En particular, la carga ( K ) refleja la masa diaria de orgánicos que deben ser tratados; pero, el tratamiento se realizará con una cantidad definida de sólidos biológicos ( X AR ) que deben establecer una relación predefinida entre ellos ( F/M ). Así:
(NOTA: Las unidades deben ser vigiladas adecuadamente, ya que la masa y el volumen puede estar referidos a distintas escalas, por ejemplo, flujo en m3/Hr y F/M en día-1) Conocido el volumen del reactor en bajo (descargado y reteniendo el volumen líquido necesario para disponer de biomasa para el siguiente ciclo) se debe determinar el volumen del reactor . El volumen de reactor está dado por el volumen en baja más el volumen que se admitirá en cada ciclo y, por ello, está directamente ligado al número de ciclos diarios que se desea operar. Debiera ser claro que si se opera en ciclos de 24 horas, se deberá disponer de un volumen de llenado igual al caudal diario del caudal volumétrico a tratar ( Q ); (por ejemplo, en el extremo, de operar un número infinito de ciclos, el SBR se transforma en un reactor continuo de lodos activados de volumen V R0 porque no se requiere más volumen y se requeriría de una sedimentación posterior). El tiempo de sedimentación juega un rol crítico en la definición del número diario de ciclos de operación. El número diario de ciclos reportado en la literatura varía entre 1 y 7,38 ciclos al día. Parece, entonces, razonable adoptar un criterio empírico inicial de 5 ciclos diarios. A fin de admitir el efluente a tratar durante el tiempo que un reactor está:
lleno; o sedimentando; o descargando;
se dispondrá de dos o más reactores gemelos y se operará de modo que los tiempos de llenado sean coordinados con los tiempos de las etapas sin admisión de flujo. Como empírica general, adoptaremos aquí el caso de 2 reactores (uno en llenado mientras otro en etapas sin admisión de caudal)
El numero de ciclos diarios permite calcular el volumen que se admite en cada reactor, porque
el volumen admitido a cada reactor es el mismo que el descargado y habrá tantas descargas diarias de cada reactor como ciclos diarios se operen. En particular, si N C es el número diario de ciclos y N R el número de reactores, entonces el número de descargas diarias N D= N C* N R. El volumen diario a tratar ( Q 0) deberá ser fragmentado en N D partes y este es el volumen agregado a cada ciclo (por sobre V R0 que ya se había definido):
Con los datos asociados al volumen máximo ( V RF ) y mínimo (V R0 ) de los reactores es posible avanzar hacia la geometría del sistema. Los volúmenes máximo y mínimo se producirán de acuerdo a una misma área de sección (excepto casos especiales), arrojando, entonces, una altura máxima ( H F) y una altura mínima (H 0) . La altura mínima debe considerar que los sólidos al final de la etapa de decantación y descarga ocuparán una altura determinada que, de ser disminuida, produciría la descarga de sólidos en el efluente tratado; una altura mínima del orden de un metro será adoptada como otra heurística de diseño. De estas consideraciones se obtiene el área de reactor:
Esta área debe ser cotejada con la altura máxima. La altura máxima debe considerar el eficiente uso del oxígeno incorporado al sistema, proveyendo suficiente profundidad como para que el tiempo de contacto de una burbuja con el líquido permita transferir una cantidad adecuada de gas al líquido. Conocida el área, es aún necesario definir la forma del reactor. Los reactores suelen ser redondos o cuadrados. Sin embargo, cuando se desea prevenir que un flujo excesivo desmejore las características del efluente tratado se han llegado a usar formas rectangulares de razón 1 a 4; la idea es cargar en un extremo de modo que si hay sobre flujo, las características de pistón del rectángulo impidan un efecto inmediato sobre el rebalse (producido por la sobre carga); incluso, se han utilizado baffles de aquietamiento.
En resumen, a partir de los datos de caracterización del efluente a tratar (las aguas servidas, por ejemplo) y de los requisitos del efluente tratado, es posible diseñar físicamente el sistema de reactores SBR. Los factores de forma requieren de un detalle de la localidad, los materiales a utilizar y de los riesgos de sobreflujo (por ejemplo, por lluvias). Se requiere conocer: Del efluente a Tratar:
o
Q 0 Flujo de alimentación al reactor (m 3/día), incluido el máximo caudal esperado. S 0 Concentración de sustrato soluble en la alimentación al reactor (en el efluente a tratar) X A0 Biomasa activa entrante al reactor, proveniente de las aguas a tratar (mg/L)
o
Otras condiciones locales y de materiales, además de la compactación de los lodos.
o o
y seleccionar (hipótesis de diseño): o o o
o
o
N C El número de ciclos de carga diarios N R El número de reactores a utilizar (al menos 2) X AR Biomasa activa en el reactor al final de la descarga de efluente y lodos (MLVSS, mg/L) S F Concentración de sustrato soluble en el reactor y, por lo tanto, en el efluente al final de la sedimentación (DQO o DBO 5, mg/L) H 0 La altura de agua del reactor en baja
a fin de diseñar: o o o
V R0 El volumen del reactor en baja (previo a la carga) V RF El volumen del reactor lleno A El área del reactor y su forma
En el ámbito del tratamiento de RILes (y también de aguas servidas) se suele hablar de " tiempos de residencia" (razones entre flujo y volumen de la instalación) como una forma rápida de comparar el tamaño (y por ende costos) de alternativas tecnológicas para una aplicación determinada. En el caso de los SBR es posible distinguir dos tiempos de residencia, según si se considera el reactor lleno ( TRH F) o en mínimo (TRH 0) :
El oxígeno requerido para el tratamiento está reflejado en la carga ( K ) al sistema y es la misma demanda de oxígeno que requeriría aportarse por cualquier otra tecnología. El requerimiento de oxígeno (R O2 ) está dado por la carga a tratar ( K ) y el conocimiento de la cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar una masa dada de DBO 5, que conforma un parámetro de conversión (Y O2 ):
El coeficiente de conversión, Y O2 se relaciona con la cantidad de oxígeno que requiere la oxidación de material biológico. Suponiendo que se deba oxidar paredes celulares, C5H7NO2 a CO2 (bióxido de carbono), NH3 (amonio) y H2O (agua), se obtiene un yield de 1,42 gr O 2 por gr DBO 5. Al oxígeno requerido para la oxidación de orgánicos se debe agregar el oxígeno que se consumirá por la presencia de nitrógeno orgánico (que en este diseño se ha ignorado). De esta manera, el factor yield a utilizar debiera tener un valor algo mayor. En términos de la nomenclatura habitual, el requerimiento de oxígeno, R O2 , corresponde al requerimiento "real" de transferencia de oxígeno, RTO . El RTO debe ser provisto con equipos y mecanismos que, con una tecnología determinada, permitan el cálculo de potencia requerido para el aporte de oxígeno. Tal estimación de potencia requiere que la estimación microbiológica del requerimiento de oxígeno, sea compensada con las propiedades de transporte de oxígeno desde un gas hasta el interior de las células.
Requerimientos de oxígeno de reactores SBR Según se describió antes (ver sección lagunas), utilizando las tres correcciones típicas (razón de saturación en agua potable versus agua a tratar, razón del coeficiente de transferencia y base de la corrección térmica), se puede construir la ecuación clásica para la estimación de la tasa de transferencia de oxígeno requerida en un sistema real, a partir de valores o estimaciones de diseño:
En esta expresión, RTO es la transferencia de oxígeno que realmente se entrega al sistema, a temperatura T , con aguas servidas reales (que definen y ) y con un equipamiento que, en condiciones estándar (20ºC, agua pura) provee una capacidad de transferencia de oxígeno igual a STO . En sistemas SBR, el oxígeno se aporta al sistema sólo durante alguna fracción de ciertas etapas del ciclo. Por ejemplo, no hay aporte de gas durante la sedimentación ni la descarga. En cambio, durante la carga y la correcto manejo del sistema.
reacción, se seleccionan intervalos de introducción de gas para el
Si no es necesario cumplir normas relativas al nitrógeno, es posible concebir el sistema con aporte de gas durante toda la etapa de carga (admisión de caudal) y durante toda la etapa de reacción. Se dispone así de la fracción del tiempo de ciclo durante el cual se dispone también de la fracción de tiempo anóxico, f an=1-f ox .
aporta gas, f ox . Naturalmente, se
El caudal de gas (por ejemplo, aire) debe asegurar, además, que el caudal de oxígeno sea capaz de aportar el STO de modo que se debe corregir por la fracción del gas (aire) que es oxígeno (un 20%, su presión parcial, x ox =0,2 ). Con estos términos, el caudal que debe aportar el sistema de impulsión de gas será:
La presión del gas, por otra parte, debe vencer la profundidad a que se encuentra el punto de descarga, más las pérdidas de carga asociadas a las cañerías y las singularidades (válvulas, eyectores, codos, estrangulaciones, etc.). Esta presión tiene una componente hidrostática (profundidad H F) y otra asociada a cada diseño en particular (e.d., sopladores, compresores o eyectores presentan todas sus propias características y eficiencias). En resumen, el oxígeno que debe ser incorporado al sistema (tanto en masa como en flujo puntual durante las etapas que requieren oxígeno), puede ser diseñado en forma precisa a partir de las exigencias de tratamiento (DBO 5 a abatir) pero se requiere conocer :
la solubilidad (saturación) de oxígeno en las aguas servidas de terreno;
la presión en el punto de entrega de gas;
el coeficiente de transferencia del sistema de reacción a las aguas en tratamiento;
el cambio del coeficiente de transferencia de oxígeno del sistema a diversas temperaturas;
el mecanismo particular de impulsión del gas;
las cañerías y singularidades asociadas al transporte de gas.
todos estos parámetros están bien documentados y se puede estimar un diseño con valores de la literatura para finalmente ratificar su valor explícito en escala laboratorio o piloto. Descarga de Lodos en Reactores SBR El reactor producirá, diariamente, una masa de lodos ( M L) que es función de la carga diaria de DBO 5 (K ) y de un factor de producción ( Y X/S ) que especifique la conversión de DBO 5 a X A (expresado como MLSS). El flujo volumétrico diario de lodos ( Q L) estará dado por el flujo másico diario y la densidad ( L) según:
Los parámetros asociados reportados en la literatura suelen estar en rangos más bien estrechos; Y X/S cae en el rango desde 0,5 a 0,85 (con un valor medio de 0,74) mg de MLSS/mg DBO5; L depende de las propiedades del lodo particular y su rango está entre 0,5% y 2% (con un valor más probable de 1%). Esta descarga diaria se produce a intervalos, una vez en cada ciclo en cada reactor. Así, el caudal de lodos en el momento de cada descarga, será de L=Q L(N D) (volumen de lodos descartados en cada etapa de descarga). El flujo particular, en términos de volumen por unidad de tiempo, depende de la duración de la etapa de descarga de lodos, que suele caer en rangos desde 10 minutos hasta media hora. Descarga de efluente tratado El flujo total tratado en un día, como se ha visto, se distribuye en "lotes" (o batches) a lo largo del día. Según se ha definido, habrá N D lotes diarios. Así, el flujo total diario de diseño de la planta se segrega en N D partes, de volúmenes aproximadamente iguales (durante las horas de máxima el volumen admitido en un reactor será mayor que el admitido con caudales menores). El volumen descargado en cada etapa será entonces igual a V RF -V R0 , es decir, Q 0/ N D. El caudal que tenga la descarga de efluente tratado depende de los tiempos asignados a los ciclos y, dentro de los ciclos, a la etapa de descarga en particular. El tiempo de descarga se relaciona, también, con la calidad del efluente tratado, pues una descarga muy rápida podría resuspender los sólidos sedimentados. Se recomienda utilizar los sistemas de decantación por vertedero flotante, más que las alternativas a profundidad fija que presentan problemas operativos. Se puede encontrar una exhaustiva presentación de los sistemas de descarga convencionales en los manuales de la WEF. En todo caso, el caudal puntual de descarga de efluente tratado (máximo) se obtiene de:
donde t DE es el tiempo de duración de la etapa de descarga, Q 0,MAX es el flujo "peak" de tratamiento y Q EF es el caudal (m3/Hr) puntual de descarga (máxima para diseño). En resumen, los caudales de efluente tratado y de lodos descartados se pueden calcular fácilmente, pero requieren la definición de:
• • •
K , la carga al sistema (Kg DBO5 por día) Y X/S , el factor de conversión de mg MLSS a mg DBO5 (0,7 ); L, la densidad de los lodos descartados ( 1%);
• • • •
tiempo de duración del descarte de lodos (10 minutos); el volumen máximo y mínimo del reactor; Q o,MAX , el caudal máximo de diseño de la planta; t DE , el tiempo de duración de la etapa de descarga de efluente tratado (a definir a continuación).
Diseño de los tiempos de las etapas de SBR cada ciclo de operación de un reactor SBR tiene una duración dada por el (N D):
número diario de ciclos
Tiempo de llenado o carga. Para un sistema SBR operando con dos reactores, el tiempo de carga ( t C) queda determinado como el 50 % del tiempo del ciclo. En general, la carga durará 1/N R (número de reactores) de la duración de cada ciclo. El ciclo tiene una duración de 24(Hrs/día) dividido por el número de ciclos ( N C) . Así:
Tiempo de reacción. Es el tiempo necesario para producir el tratamiento (consumo) de la carga orgánica a través de la digestión aeróbica, mediada por los microorganismos que forman parte del lodo activado sin admitir alimentación. Estrictamente, durante el período de carga también se puede proveer oxígeno produciéndose degradación de la carga orgánica, de tal forma que el tiempo de reacción sería la suma de ambos tiempos. Sin embargo, para propósitos de diseño de la duración de las etapas, se considera que la aireación ocurre sólo sin admitir alimentación, y se debe proveer el oxígeno necesario para disminuir la carga orgánica a los niveles deseados para el máximo volumen de reacción. A objeto de optimizar el diseño del sistema de aireación desde el punto de vista de las inversiones y de los costos de operación (lo que se consigue proveyendo una sola fuente generadora de oxígeno para los dos reactores), se considera suministro de oxígeno durante la mitad del ciclo. Esto quiere decir para un ciclo de t CICLO horas; con una etapa de carga de duración t C, el suministro de oxígeno en admisión será de t C/ 2 horas. De esta manera, el tiempo de reacción será también de t C/ 2 .
Tiempo de sedimentación. El tiempo de sedimentación en que el contenido del reactor se mantiene completamente estático, debe ser tal que la parte superior desde donde se procederá a retirar el efluente tratado debe estar completamente clarificado. Debido a que el sistema usado para el retiro del efluente tratado podría ser un sistema de decantación por vertedero flotante circular (o similar) , la altura del vertedero debe estar de acuerdo con la velocidad de retiro del sobrenadante.
Para el caso de lodos activados se considera el valor empírico de la velocidad de sedimentación de partículas que floculan a medida que sedimentan igual a 1,1 cm/min (valor de la tasa hidráulica de sedimentación de 16 m3/día*m2). Es razonable conservar una altura de vertedero de 12 cm (para evitar la evacuación de grasas y aceites), se deduce un tiempo de sedimentación de 12 minutos (0,2 horas) para iniciar el retiro del sobrenadante. Este valor no debería cambiar con el tiempo de ciclo, dependiendo solamente de las propiedades de sedimentación del lodo activado producido. Por lo tanto:
Tiempo de descarga de efluente tratado. Este tiempo corresponde al necesario para evacuar el máximo nivel del reactor hasta el nivel mínimo manteniendo la parte superior del líquido clarificado a lo menos a 12 cm de la superficie. Esto quiere decir que se mantiene la evacuación a la misma velocidad de sedimentación, de tal manera de no evacuar lodos desde el reactor por la parte superior de salida del efluente tratado. Ya que el tiempo total de las fases reacción, sedimentación y descarga debe ser igual al tiempo de carga, t C del reactor gemelo, el tiempo de descarga se obtiene de
El mínimo nivel de agua se encuentra a partir de la velocidad de sedimentación por este tiempo. Tiempo de descarga de lodos. Usualmente la descarga de lodos se hace simultáneamente con la parte final de la descarga del reactor. Esto permite para la fase clarificada mantener la sedimentación dentro de el tipo de sedimentación con floculación, impidiendo que se transforme en sedimentación tipo impedida que prevalece en la zona inferior del reactor donde se produce el espesamiento de lodos, siendo este último proceso mas lento. Un valor razonable es de un tercio del tiempo de descarga del efluente. Esto es un tiempo de descarga de lodos de
0,33 horas o 20 minutos. Así:
Se puede observar que la suma de los tiempos de las etapas cuadra, necesariamente, con el tiempo de ciclo, teniendo presente que la descarga de lodos ocurre simultáneamente con la descarga de efluente tratado. Será de gran utilidad para los estudaintes ratificar que con la información anterior se logra diseñar (si bien en términos básicos solamente) un reactor SBR para una localidad similar a la desarrollada para el caso de la lagunas de aireación en mezcla completa o mezcla parcial. Luego, las diferencias pueden ser comparadas cuantitativa y cualitativamente.
