UASB reactor.

Universidad de Guadalajara. Centro Universitario de la Ciénega. Ingeniería Ambiental I Dra. Florentina Zurita Martínez Reactor UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket

Francisco Arvizu.

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Ingeniería Ambiental I.

Índice. 1. Introducción. 2. Generalidades. 3. Aspectos constructivos y de diseño. 4. Caracterización fisicoquímica y microbiológica de agua tratada en un reactor UASB. 5. Aplicaciones, ventajas y desventajas. 6. Digestión anaerobia de lodos primarios y secundarios. 7. Diagrama. 8. Bibliografía.

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Introducción.

El tratamiento anaerobio de efluentes domésticos fue aplicado desde finales del siglo XIX, con el desarrollo de la fosa séptica (1895) y del tanque Imhoff (1905). El denominado tanque "biolítico" fue utilizado por primera vez en 1910, siendo analizado de nuevo en los años 50, y constituyendo el modelo previo de los actuales digestores UASB. Estas primeras versiones del UASB fueron combinadas con filtros para mejorar el tratamiento global consiguiendo buenos resultados que, sin embargo, no permitieron asentar la tecnología.

Proceso anaerobio de manto de fango de flujo ascendente (UASB). En este proceso el residuo que se quiere tratar se introduce por la parte inferior del reactor. El agua residual fluye en sentido ascendente a través de un manto de fango constituido por gránulos o partículas formadas biológicamente. El tratamiento se produce al entrar en contacto el agua residual y las partículas. Los gases producidos en condiciones anaerobias (principalmente metano y dióxido de carbono) provocan una circulación interior, que colabora en la formación y mantenimiento de los gránulos. Parte del gas generado dentro del manto del fango se adhiere a las partículas biológicas. Tanto el gas libre como las partículas a las que se ha adherido gas, ascienden hacia la parte superior del reactor. Allí, se produce la liberación del gas adherido a las partículas al entrar éstas en contacto con unos deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas suelen volver a caer hasta la superficie del manto de fango. El gas libre y el gas liberado de las partículas se capturan en una bóveda de recogida de gases instalada en la parte superior del reactor. El líquido, que contiene algunos sólidos residuales y algunos de los gránulos biológicos, se conduce a una cámara de sedimentación, dónde se separan los sólidos residuales. Los sólidos residuales se reconducen a la superficie del manto del fango a

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través de un sistema de deflectores. Para mantener el manto de fango en suspensión, es necesario que la velocidad de flujo ascendente tenga un valor de entre 0.6 y 0.9 m/h. En la siguiente tabla se proporcionan los datos sobre cargas y rendimientos del proceso anaerobio de manto de fango de flujo ascendente (UASB).

Tabla 1.1 – datos típicos de rendimiento de procesos anaerobios empleados en el tratamiento de vertidos industriales.

Proceso

Proceso anaerobio

DQO de entrada mg/l

Tiempo de detención hidráulica, h

Carga orgánica, g DQO/l día

Eliminación DQO, porcentaje.

1500-5000

2-10

0.48-2.40

75-90

5000-15000

4-12

4.00-12.00

75-85

Lecho fijo

10000-20000

24-48

0.96-4.80

75-85

Lecho expandido

5000-10000

5-10

4.80-9.60

80-85

de contacto Manto de fango anaerobio de flujo ascendente

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Figura 1. Esquema del Reactor de Manto de Fango Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB).

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Generalidades.

Para que la descontaminación se vuelva una realidad, los costos de inversión y de operación de las plantas de tratamiento deben ser proporcionales al nivel de vida de la población. Por esto, no es factible proponer en países tropicales y mediterráneos sistemas de tratamiento similares al norte-europeo, y es indispensable la búsqueda de alternativas adaptadas a cada caso y al nivel de ingresos del lugar. El trópico tiene ventajas con relación a los países del norte para lograr una descontaminación a bajo costo de las aguas residuales y su aprovechamiento agrícola. Estas ventajas son: 

Temperaturas altas y estables todo el año, lo que representa una ventaja específica para el uso de los sistemas anaerobios.



Doce meses de crecimiento vegetal al año, o sea, una "demanda" relativamente constante de materia orgánica y de nutrientes, lo que evita sobrecostos de almacenamiento.



Alto

requerimiento

de

materia

orgánica para

el

suelo

pues

la

alta

temperatura y humedad aceleran su mineralización, generando un buen precio de mercado. 

Alta demanda de agua de riego, por las estaciones secas marcadas y las altas temperaturas, y uso generalizado de los sistemas de riego (tecnología común y apropiada).

Desde el pasado siglo el tratamiento de efluentes es de vital importancia para evitar la contaminación ambiental, por lo que surge la necesidad de desarrollar procesos que

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combinen una alta eficiencia de tratamiento con bajos costos de construcción y mantenimiento, por lo cual fueron creados los reactores UASB. El concepto UASB (Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente y Manto de Lodos) aparece entonces como una opción viable para el tratamiento de efluentes orgánicos líquidos. El mismo fue desarrollado en los años 70 por Lettinga y colaboradores y es ahora aplicado mundialmente para el tratamiento de efluentes cloacales en países de clima tropical. En climas templados subtropicales no ha sido utilizado, principalmente por limitaciones de temperatura, la cual afecta la velocidad de hidrólisis de la materia orgánica y reduce la eficiencia del tratamiento. La principal característica de un reactor UASB, además del flujo ascendente, es la formación de un manto de lodo floculento o granular con buena capacidad de sedimentación, en donde se realiza la actividad biológica. La granulación es un proceso que ha sido citado en pocas oportunidades durante el tratamiento de líquidos cloacales. La aplicabilidad del proceso de tratamiento anaerobio depende muy fuertemente del tipo de residual y sus características y, usualmente, a través de cuidadosos estudios de laboratorio y piloto es posible definir el tipo de tratamiento a dar y el tipo de reactor a utilizar. Los reactores de flujo ascendente de manto de lodo para las aguas domésticas operan con cargas orgánicas entre 1 y 2 kg DQO/m 3 . día, con eficiencias de remoción de hasta 85 %, a temperatura ambiente. Igualmente se citan, en la bibliografía, cargas tan altas como 50 kg DQO/m3 día y esto hace que el proceso resulte también interesante para el tratamiento de aguas residuales industriales orgánicas (con un alto contenido de DQO por unidad de volumen). Digestor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodo (UASB). Aspectos generales.

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Concepto: El proceso anaeróbico de flujo ascendente consiste básicamente de un tanque Imhoff, "al revés", presentando las cámaras de

decantación

y

digestión

anaeróbica

superpuestas. En este digestor existen 3 zonas bien definidas. Las zonas son: 

Zona de lecho de lodos, en la cual se concentran los microrganismos que van a biodegradar el material orgánico presente en el agua residual a tratar.



Zona donde se encuentran dispersos los microrganismos a lo largo del UASB.



Zona de separación gas - líquido - sólido.

Funcionamiento. En este proceso, el residuo que se quiere tratar se introduce por la parte inferior del reactor. El agua residual fluye en sentido ascendente a través de un manto de lodos constituido por gránulos o partículas forma das biológicamente. El tratamiento se produce al entrar en contacto el agua residual y el lodo microbiológico. Los gases producidos en condiciones anaeróbicas (principalmente metano y dióxido de carbono) provocan una circulación interior, que colabora en la formación y mantenimiento de los gránulos. Parte del gas generado dentro del manto de lodos se adhiere a las partículas biológicas. Tanto el gas libre como las partículas a las que se ha adherido gas, ascienden hacia la parte superior del reactor. Allí se produce la liberación del gas adherido a las partículas, al entrar éstas en contacto con unos deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas suelen volver a caer hasta la superficie del manto de lodo. El gas libre y el gas liberado de las partículas se capturan en una bóveda de recogida de gases, instalada en la parte superior del reactor. El líquido, que contiene algunos sólidos residuales y algunos de los gránulos biológicos, se conducen a una cámara de sedimentación, donde se separan los sólidos residuales. Los sólidos separados se conducen a la superficie del manto de lodo a través del sistema de deflectores. Para

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mantener el manto de lodo en suspensión, es necesario que la velocidad de flujo ascendente tenga un valor entre 0,6 y 0,9 m/h. La idea básica de este proceso es que el lodo anaerobio tenga buenas características de sedimentación, si les son favorables las condiciones físicas y químicas del proceso de floculación. Si se logran estas condiciones, la retención del lodo, o sea, los microrganismos, dependerán principalmente de una separación efectiva del gas producido en el proceso (especialmente de las burbujas de gas atrapadas en el lodo). Después de la separación del gas la sedimentación del lodo procede favorablemente. En el UASB estos objetivos se cumplen equipando el reactor en la parte superior con un separador sólido - gas y manteniendo un mezclado mecánico y/o la recirculación del lodo a niveles mínimos. Existen diversos aspectos a conocer que son de sumo interés para poder lograr una buena operación del reactor UASB, a continuación se comentarán algunos de éstos. 

La formación de un lodo granulado es fundamental para obtener buena eficiencia en el reactor UASB, lo cual depende, fundamentalmente de los factores siguientes: a) Disponibilidad de nutrientes. b) Temperatura. c) Tipo de residual. d) pH. e) Sedimentación por gravedad.



La concentración de biomasa en el reactor debe ser tan grande como sea posible. El valor máximo a ser alcanzado se ve limitado por las condiciones de operación propias del sedimentador, la cual incluye la recirculación por gravedad del lodo sedimentado.



La actividad biológica del lodo también debe ser elevada, esta actividad depende fundamentalmente de la cantidad de microrganismos presentes en el

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lodo los cuales son responsables de la degradación de la materia orgánica presente en el residual tratado. 

Debido a que las bacterias anaerobias tienen baja velocidad de crecimiento, solamente es posible obtener lodos con elevada actividad biológica después de un largo tiempo de adaptación (entre 0,5 y 1 año).



El tiempo de retención de sólidos debe ser elevado para que pueda desarrollarse una mezcla apropiada de microrganismos, esto puede obtenerse mediante una operación efectiva de las tres funciones del separador.



El tiempo de retención hidráulico en el reactor debe ser tan pequeño como sea posible. En estas condiciones, el contacto entre el efluente y la biomasa debe ser muy bueno. Para cumplir con este objetivo debe tenerse en cuenta dos aspectos muy importantes: a) El sistema de distribución del afluente debe ser diseñado de forma tal que todo el lodo en la parte inferior del reactor se mantenga en íntimo contacto con el afluente. b) El líquido en el lecho y en la zona de dispersión debe estar debidamente mezclado. Para evitar el uso del mezclado mecánico debe garantizarse que la

turbulencia

que produce el biogás, resultante de la anaerobiosis,

provoque un mezclado adecuado. 

La producción de gas debe ser tal que la distribución del lodo sobre el lecho, y en la zona dispersa, sea óptima. La concentración del lodo en la zona dispersa aumenta con el incremento de la producción de biogás y mientras mayor sea la cantidad de lodos en la zona de dispersión, mayor será la capacidad de biodegradación, por lo tanto, la producción de biogás será máxima. Con este máximo, la concentración de lodo en la zona de dispersión debe ser tal que garantice una operación adecuada de las funciones del separador. A muy altas

concentraciones de lodo en la zona de dispersión, el sistema

recirculación de éste puede bloquearse y sobrecargarse el sedimentador.

de

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Las propiedades de sedimentación del lodo determinan la eficiencia del sedimentador e influye en la concentración del lodo en la zona dispersa; por lo tanto estas propiedades deben ser óptimas.

Eliminando el lodo con propiedades de sedimentación inferiores a las requeridas, mejorará el comportamiento promedio de sedimentación del mismo, lo cual se logra cuando la velocidad ascensional del fluido en el reactor aumenta mucho. Para un uso óptimo de las propiedades de sedimentación del lodo es necesario que el régimen de flujo en el sedimentador sea laminar y uniforme. Esto solamente se logra si no se produce gas en el sedimentador y si la turbulencia del líquido en el reactor no continúa en el sedimentador; por lo tanto, la separación del gas en el reactor debe ser eficiente, la turbulencia del líquido en el reactor debe disminuir antes que la suspensión líquido-lodo entre en el sedimentador y llegue a valores críticos y debe ser tan pequeña como sea posible. El lodo granular tiene un índice volumétrico de lodo (IVL) de 10 a 20 ml/g. Esto ocurre en la parte inferior del lecho de lodos. El IVL se define como el volumen que ocupa 1g de licor mezclado o líquido en un reactor. Para hallar su valor se toma una muestra de licor mezclado del reactor y se le determinan los sólidos suspendidos totales (SS) en mg/l y se toma un litro del licor mezclado dejándose sedimentar en una probeta durante 30 minutos. La relación volumen de lodo sedimentado/g SS es igual al IVL. Uno de los aspectos más importantes de los reactores, arriba destacados, es, con toda seguridad, su capacidad de producir el gránulo típico del lodo anaeróbico. Este lodo presenta una alta actividad específica (p.e. 1.0 g DQO/g SSV día). Además de estos aspectos, se debe citar el bajo valor del IVL, cerca de 50 ml/g o menos, y la velocidad de sedimentación que varía de 2 a 90 m/h en sistemas no "cargados". De todas formas, el lodo granulado, con una velocidad de sedimentación de 40 m/h, puede flotar en cargas muy altas. Se pueden desarrollar diferentes tipos (formas) de lodo granular, tales como bastón, filamentosos y "con puntas" y esto depende de varios aspectos como son la composición del sustrato y la naturaleza de la puesta en marcha.

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La concentración de sólidos totales en el UASB puede alcanzar hasta 150 g/l. En la parte superior del lecho de lodo éste es floculento con menor sedimentabilidad (30ml/g como IVL). A temperaturas moderadas, la presencia de sólidos en suspensión constituye un inconveniente para el tratamiento anaeróbico. Para superar este inconveniente, se han propuesto sistemas anaeróbicos en dos etapas. En la primera etapa, se retienen e hidrolizan parcialmente los sólidos y en la segunda, se degradan los compuestos solubles presentes en el líquido, y aquellos generados durante la primera etapa. El Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) es uno de los parámetros más importantes en todo sistema de tratamiento de aguas residuales. En el caso de los líquidos cloacales, donde la presencia de sólidos en suspensión es considerable, existe un tiempo de retención óptimo que permite una máxima remoción de sólidos y materia orgánica expresada como Demanda Química de Oxígeno (DQO). El concepto UASB se aplica, en general, a cualquier residual líquido biodegradable lográndose buenas eficiencias, estos reactores pueden procesar cargas de 15 a 20 kg SV / m3 día. Depuración biológica anaeróbica. La depuración anaeróbica transforma parcialmente las sustancias contaminantes en amoniaco, dióxido de carbono, agua y sulfuro de hidrógeno. Dado que la degradación es insuficiente para algunos tipos de aguas residuales habrá que aplicar, a menudo, una depuración aeróbica para cumplir con las normativas de emulsiones. Ventajas. 1. Bajo consumo eléctrico. 2. Puede producir calor y electricidad. 3. Baja producción de fango. 4. Apropiado para aguas extremadamente contaminadas.

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Una de las desventajas principales de los procesos anaerobios es su larga etapa de adaptación, aspecto que se agudiza más en los procesos termófilos por la sensibilidad de los mismos a las variaciones de temperatura, interrupciones de la alimentación, entre otros.

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Aspectos constructivos y de diseño.

El diseño de un sistema de tratamiento se relaciona estrechamente con el lugar en el que se pretende instalar. Las principales consideraciones son las características del sitio, así como las correspondientes a los residuales a tratar. Éstos a su vez determinan los tratamientos preliminares y primarios a aplicar. El éxito en la selección o diseño de un sistema (o

planta) de tratamiento de residuales radica fundamentalmente en la

simplicidad y economía del diseño, la posibilidad de empleo de materiales locales como insumos, la durabilidad de la obra y que el sistema de tratamiento sea apropiado para el residual a tratar, así como para el cumplimiento de las normas medioambientales y los objetivos de la planta. De ahí la importancia de contar con sistemas de tratamiento de residuales bien diseñados y de fácil manejo y construcción. Los reactores más usados y difundidos para el tratamiento de residuales líquidos por vía anaerobia son los reactores anaerobios de flujo ascendentes del tipo UASB (por sus siglas en inglés). El tamaño de estos digestores está determinado por el contenido de sólidos y el tiempo de retención del residuo para un tipo de carga dado. El tratamiento de los materiales insolubles, tales como papel, paja y otros materiales lignocelulósicos, puede requerir días (o aún años en ciertos rellenos sanitarios), mientras que puede lograrse hasta una reducción del 95% con una carga diaria de 20 kg/m3 de digestor cuando el residuo es soluble. A pesar de que los reactores UASB son fáciles de trabajar, existen diferentes parámetros a tener en cuenta a la hora de su puesta en marcha para que funcionen adecuadamente y se obtenga de ellos el mejor rendimiento.

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Los parámetros a tener en cuenta para el diseño de un reactor UASB son: 1. Remoción de DQO (en tiempo seco) = (%) (DBOt). 2. Tiempo de retención (horas). 3. Carga máxima (kg DQO/m3 día). 4. Velocidad ascensional (m/h). 5. Producción de biogás (m3). 6. Altura del manto de lodo (m). 7. Orificios (difusores). 8. Separador gas-sólido-líquido. Métodos de diseño. Se emplean esencialmente, dos enfoques para el diseño de reactores anaerobios: Los que se basan en métodos empíricos, y los que utilizan criterios cinéticos.

Métodos empíricos. Los métodos empíricos se utilizan fundamentalmente cuando se necesita digerir lodos producidos en alguna etapa anterior del tratamiento. La tabla 6 muestra la composición, en sólidos volátiles y fijos, de lodos crudos y digeridos. Tabla 6. Composición de los lodos. Lodo

Sólidos volátiles %

Sólidos fijos

Crudos

70-75

30-25

Digeridos

50

50

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Método de las cargas. El método de las cargas, es el método de cálculo tradicional para el diseño de digestores de lodo. Este brinda buenos resultados, en la medida que los criterios que se utilicen se basen en la experiencia previa. Con él se determina el volumen del reactor requerido, en función de una carga asumida. El factor de carga más utilizado es el que se basa en la cantidad (kg) de sólidos volátiles añadidos por cada m3 de reactor en un día. La carga recomendada para los reactores normales está entre 0,03 y 0,10 kg de sólidos volátiles (SV) por m3 por día, con tiempos de retención de 30 a 90 días. En el caso de reactores de alta carga es posible elevar éstas hasta 1,6- 6,4 kg de SV por cada m3 por día, para tiempos de retención de 10 a 20 días. Método de la reducción de volumen. A medida que la digestión tiene lugar, el lodo experimenta una reducción de volumen. Teniendo en cuenta esta característica, el volumen del reactor puede calcularse: [

(

)]

Donde: V: volumen del digestor. Vf: volumen diario de lodo crudo. Vd: volumen diario de lodo digerido. t: tiempo de retención. Método cinético. Para este método se utilizan ecuaciones de diseño basadas en criterios cinéticos. El uso principal que han recibido los modelos basados en criterios cinéticos, llamados en ocasiones modelos conceptuales, es en el control y simulación de los procesos. Tiempo de retención y volumen del digestor. Para un digestor anaerobio que opere a flujo continuo y mezcla completa, el tiempo de retención viene dado por:

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Donde: ΔS = S0 - S, mg/l. S: DBO ó DQO en el efluente. S0: DBO ó DQO en el afluente al reactor. X: concentración de sólidos suspendidos volátiles en el reactor. k: constante específica de remoción de sustrato, d-1. El volumen efectivo del digestor se obtiene por:

Q: flujo de entrada al digestor, m3 d-1. Edad del lodo y producción de sólidos. Aunque la producción de biomasa durante la digestión anaerobia es mucho menor que en los procesos aerobios, siempre debe tomarse en consideración, pues ella va a garantizar en cierta medida que el reactor no se lave con la consecuente inhibición del proceso.

Donde: ΔX: producción de sólidos, kg m-3 d-1. Y: rendimiento. ΔBV: razón de carga volumétrica, kg m-3 d-1.

Valores típicos de Y y kb: Y: 0,1 - 0,2 kb: 0,015 - 0,025 Cuando la producción de biomasa es ΔX, y se desea una concentración de SSV en el reactor igual a X, la edad del lodo requerida es:

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El valor de la edad del lodo siempre debe ser superior al valor crítico definido por la ecuación siguiente. Actualmente se conoce que los digestores pueden operar con tiempos de retención de hasta un día o menos, en la medida en que la edad del lodo sea mayor que un cierto valor crítico (qx,cr). Esta edad del lodo crítica es el tiempo por debajo del cual la digestión se inhibe como resultado del lavado de las bacterias, cuyo crecimiento es lento.

Donde: qx,cr: edad del lodo crítica. Y: rendimiento. k: velocidad específica de remoción de sustrato, d-1. kb: constante de autooxidación, d-1. Cuando la edad del lodo se encuentra por debajo de 10 días, la producción de CH4 comienza a disminuir y puede detenerse completamente para valores de tres o cuatro días. Volumen de gas producido. La producción de gases en los procesos de digestión es muy variable y depende, en alguna medida, de la composición del agua residual. En términos generales, y tomando como base la DQO, puede estimarse la producción total de gas a TPN como: (

)

[

]

)

[

]

Donde:

Si lo que se desea es el volumen de CH4: (

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Nutrientes. El N y P que se requiere en los procesos anaerobios es menor que los que exigen los aerobios:

Método experimental para determinar los parámetros cinéticos. Para las pruebas en laboratorio se emplea un reactor con un volumen efectivo de 1 a 5 litros.

Figura 2. Digestor anaerobio a escala de laboratorio. Pasos a seguir: 1) Tomar un volumen de lodo digerido activo, de una instalación en operación. Filtrar el lodo a través de una malla gruesa para eliminar partículas como semillas, paja, etc. Si fuera necesario, diluir con agua corriente. 2) Introducir el lodo en el digestor. Mantener la temperatura constante a 35 °C y la agitación del contenido del reactor durante todo el tiempo que dure la experiencia.

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3) No alimentar agua residual ni extraer licor mezclado del reactor hasta que se aprecie producción de gas. Asegurar que el dispositivo esté hermético para evitar fugas. 4) Una vez que se aprecie producción de gas, introducir residual, aplicando una carga a 4 kg DBO m-3 d-1 , por un período no menor al tiempo de retención. Es aconsejable, durante este período inicial de aclimatación, alimentar el reactor 2 ó 3 veces en el día, de manera tal que la carga total no sobrepase los 4 kg DBO m-3 d-1. 5) El pH es un parámetro que siempre debe ser vigilado, pero más cuidadosamente durante la aclimatación. En caso de que llegue a valores por debajo de 6, añadir alcalinidad para mantenerlo entre 6,5 y 7,5. El licor mezclado debe tender a crear su propio sistema tampón. 6) Proceder a la alimentación del residual con un flujo continuo, con una extracción diaria de un volumen igual al alimentado. 7) Registrar la siguiente información tal cual se muestra en la tabla 7. 8) Registrar el volumen de gas producido diariamente y su composición (CH4, CO2). 9) Tabular los datos obtenidos, en una tabla (tabla 8). Tabla 7. Lista de análisis químico a realizar para determinar la eficiencia de un sistema de tratamiento anaerobio. Residual crudo (afluente).

Efluente (licor mezclado)

pH

pH

DBO o DQO

DBO o DQO Alcalinidad Acidez SSV Ácidos volátiles

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Tabla 8. Reporte de datos a medir en la experimentación para determinar los parámetros cinéticos en un tratamiento anaerobio a escala de laboratorio. (d)

S0 (mg/l)

S (mg/l)

X (mg/l)

ΘX (d)

G (m3/d)

0.25

15000

13500

1200

2

14

0.50

15000

12000

1500

3

15

2.0

15400

9000

1164

4

17

3.0

14800

7250

1260

6.25

24

4.5

15150

4500

3156

20

27

5.0

14750

3750

4400

28

25

10) Calcular las constantes k,Y y kb. Considerando que se cumple:

Se prepara una gráfica como se muestra a continuación:

Se grafica DBx contra S/S0 según la figura 3. La pendiente de la recta rinde el valor de k.

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Figura 3. Para el cálculo de Y y kb, se grafica 1/qx contra DBx, de acuerdo con la tabla y la figura que a continuación se muestra:

Figura 4.

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Consideraciones de diseño para reactores UASB. Carga orgánica volumétrica. Para desechos industriales se usan cargas orgánicas volumétricas límites de diseño de 15 a 20 kg DQO/m3 día.

De esta expresión se puede deducir que con una carga orgánica volumétrica como la máxima recomendada (20 kg DQO/m3 día) y con un tiempo de residencia prolongado es posible obtener una alta remoción de sustrato. Carga hidráulica volumétrica. Experimentalmente, se ha determinado que la carga hidráulica volumétrica no debe sobrepasar los 5 m3 / dm3.

Carga hidráulica volumétrica. Experimentalmente, se ha determinado que la carga hidráulica volumétrica no debe sobrepasar los 5 m3 /dm3. Carga superficial. Con el fin de prevenir el lavado, es necesaria una tasa de flujo ascendente más baja que la velocidad de sedimentación del lodo. Se recomienda para el lodo granular, que el valor medio deba estar entre 1 y 3 m/h, y en la parte baja del reactor, menor o igual que 1 m/h. ⁄

Sin embargo, también se debe tener en cuenta que la carga hidráulica no debe ser muy alta para que el reactor pueda soportar mayores cargas orgánicas y se obtenga una buena remoción. Sistema de alimentación. Para utilizar la capacidad de retención del lodo adecuadamente, es importante garantizar un contacto óptimo entre el lodo y el agua residual, con el fin de

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prevenir la canalización del agua residual a través del manto de lodos y evitar la formación de zonas muertas. La densidad de puntos de alimentación depende tanto del tipo de lodo, como de la temperatura. Una buena distribución del afluente puede afectar favorablemente el lecho del lodo, homogeneizando la concentración de ST a medida que aumenta la altura, es decir, podría hacer que la concentración de lodo en cada sonda fuera constante contrarrestando así las zonas muertas que se crean principalmente en el primer nivel, por el apelmazamiento del lodo. Una mala distribución del flujo a la entrada, además de provocar variaciones de caudal, hace que el fluido circule en mayor cantidad por algunas zonas y en otras se retrase e incluso se estanque. El diseño de los reactores de manto de lodo de flujo ascendente (UASB), en general se basa en elementos hidráulicos para DQO menores de 1000 mg/l y tiempos de retención inferiores a 8 h. La velocidad ascensional en la zona de paso del dispositivo separador superior debe mantenerse por debajo de 3 m3 m-2 h-1 para lodos floculentos (no granulares). Esta velocidad puede llegar hasta 6 m3 m-2 h-1 para los lodos granulares típicos. En todos los casos se recomienda que en la zona de sedimentación la velocidad sea menor que 1mh-1. Cuando el criterio de diseño es hidráulico el volumen efectivo del reactor se calcula:

Para aguas residuales con elevada DQO, el criterio de diseño es fundamental en la carga orgánica volumétrica (Bv). Por lo tanto, el cálculo del volumen será:

Para el tratamiento de aguas residuales diluidas, similares a las domésticas, la altura recomendada para los reactores es de 3 a 5 m. Para DQO entre 1000 y 5000 mg/l, los mejores resultados se obtienen con alturas de reactor de 5 a 6 m.

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Caracterización fisicoquímica y microbiológica de agua tratada en un reactor UASB.

La actividad metanogénica predominante del consorcio microbiano del reactor es acetoclástica y probablemente una fracción de la misma sea hidrogenotrófica, ambas permiten obtener una productividad considerable de metano. La caracterización fisicoquímica respecto a materia orgánica y sólidos suspendidos mostró que el reactor tiene eficiencia de remoción bajas, pero similares a las comúnmente encontradas para este tipo de reactores cuando son empleados para el tratamiento de aguas municipales que contienen baja concentración. Así mismo el reactor removió parte del sulfato presente en el agua produciendo sulfuro, que genera mal olor y daña la infraestructura de los sistemas de tratamiento disminuyendo su vida media. En el caso del incremento en fósforo y amonio producido durante el tratamiento del agua, es un aspecto positivo ya que serán nutrientes utilizados en el postratamiento que se diseñe para este sistema. La caracterización microbiológica demostró que el proceso anaerobio incrementa la calidad del agua, ya que se obtuvo una importante retención de huevos de helmintos y aparentemente los protozoarios encontrados en la microflora del reactor y la formación de sulfuro de hidrógeno, favorecieron la reducción de bacterias coliformes totales y fecales en niveles superiores al 90%.

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Tabla 2 – Conteo de microrganismos encontrados en dos muestreos de influente y efluente del reactor UASB, bacterias coliformes totales (BCT), bacterias coliformes fecales (BCF), huevos de helmintos y protozoarios. BCT

BCF

Huevos de

Número de

uft/100ml

uft/100ml

helmintos/l

protozoarios/ml Género probable

Muestra 10/02 Frontonia Influente

9 x 104

1 x 104

73.0

26

Spirostomum Paramecium

Efluente

6.3 x 102

Ausencia

1.0

20

Petalomonas Spirostomum

Muestra 10/03 Frontonia Influente

2.9 x 104

2.9 × 105

67.0

40

Glaucoma Spathidium Spirostomum

Efluente

2 × 102

1 × 103

7.0

0

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Aplicaciones, ventajas y desventajas.

Beneficios y desventajas del proceso UASB. Ventajas: 

La producción de lodos estabilizados en exceso es mínima y fácilmente drenable hasta de 30 a 40 % y, por tanto, los costos de tratamiento del lodo y su transportación posterior son relativamente bajos.



Se pueden aplicar altas cargas hidráulicas y orgánicas con eficiencias aceptables.



El reactor necesita poco espacio.



Los lodos anaerobios adaptados pueden mantenerse sin alimentación por largos períodos de tiempo, por lo que el proceso resulta muy adecuado para las industrias que trabajan de forma cíclica.



Su construcción no es compleja y los costos de operación y mantenimiento son relativamente bajos.

Desventajas: 

El comienzo del proceso es lento y requiere de un período de 8 a 12 semanas.



El proceso es sensible a la presencia de compuestos tóxicos.



La reducción de bacterias patógenas es relativamente baja.

En los últimos años, muchos investigadores han realizado diversos trabajos que tratan la optimización del proceso UASB, entre ellos, la operación del mismo en el rango termofílico dada sus ventajas cinéticas. Las ventajas cinéticas del sistema termofílico comienzan a ser más claras cuando pudieron ser manejadas velocidades de cargas extremadamente altas, entre 50-120 kg de DQO/ m3 /d, con buenas eficiencias de

Francisco Arvizu.


tratamiento. En general, la operación termofílica ofrece algunas ventajas en comparación con la mesofílica, dada las altas velocidades de reacción y mejor reacción de patógenos, entre otras, por ejemplo, las velocidades de carga aplicables a 54 °C son 2,4 veces más altas que a 38 °C.

Aplicabilidad. La digestión anaerobia aplicada al tratamiento de aguas residuales urbanas. La puesta en marcha de una planta UASB a temperatura superior a 20 ºC puede llevarse a cabo a un TRH de 5 h dentro de un periodo de 6 a 12 semanas, sin necesidad de inóculo. Si

el

efluente

doméstico

es muy fresco (poco séptico, contendrá muy pocos

microrganismos anaerobios), la puesta en marcha es más lenta, resultando conveniente interrumpir la alimentación durante algunos días, lo que favorece el desarrollo del lodo metanogénico. La eficacia del tratamiento a un TRH medio de 5-6 horas, como porcentaje de eliminación, es la siguiente: DQOt = 55-75%, DQOs = 50- 60 %, DBO5 = 65-80 %, SS = 67-81, eliminación de patógenos alrededor del 70 % y eliminación de huevos de helmínticos superior al 90 %. La eficacia resulta ligeramente mejor cuando se opera a un TRH bajo (2-3 h) durante el día y a TRH más elevados (10-12 h) durante la noche, situación que coincide con la oscilación normal del caudal residual de tipo urbano.

Francisco Arvizu.


Digestión anaerobia de lodos primarios y secundarios.

Durante la depuración de aguas residuales municipales se produce lodo de desecho en aproximadamente 0.5 a 1.2 kg SSV/kg DBO removida, cuya composición y producción depende del grado de tratamiento (primario, secundario o terciario); composición de la carga orgánica, rendimiento de biomasa (Kg SSV/Kg DBO Removida), tiempo de residencia de sólidos, la temperatura y la naturaleza de las descargas industriales; así como de la concentración de agentes contaminantes orgánicos e inorgánicos; y de la presencia de microrganismos patógenos. En México, en la mayoría de los casos, los lodos de desecho producidos en plantas de tratamiento de aguas residuales, son dispuestos sin tratamiento previo en tiraderos a cielo abierto, rellenos sanitarios y sistemas de alcantarillado, lo que provoca un impacto ambiental adverso y su aplicación directa a campos agrícolas, representa un riesgo potencial para la salud por la presencia de metales pesados (As, Cd, Hg, Pb, Se y Zn), a los cultivos (Cu, Ni y Zn) y ecosistemas del suelo y agua (N, P) . Por otro lado, la materia orgánica y otros compuestos aportados al suelo por los lodos, pueden modificar la distribución y movilidad de metales pesados, lo que podría afectar principalmente la asimilabilidad de Cu y Zn, además de un incremento en la biomasa microbiana del suelo, al incorporar una nueva carga microbiana al sistema o al estimular el crecimiento de la microbiota autóctona por la incorporación de nuevas fuentes de carbono ). Sin embargo, al estabilizarlo y reducir significativamente el contenido de microrganismos

patógenos,

puede utilizarse como fertilizante. O

bien,

para

la

regeneración de suelos contaminados, ya que bacterias anaerobias juegan un papel importante en el ciclo del carbono, el nitrógeno y el azufre; además, sus diversos grupos poseen la habilidad de usar tipos diferentes de aceptores de electrones como

Francisco Arvizu.


el nitrato, el sulfato y carbonato durante la degradación de contaminantes orgánicos presentes en ecosistemas contaminados con hidrocarburos y en la biotransformación de metales pesados. Los métodos comúnmente empleados para su estabilización, contempla a los procesos físicos (incineración), químicos (adición de cal), térmicos (calor) y biológicos (aerobio o anaerobio). La oxidación aerobia, además de requerir de un elevado consumo energético (500 a 2000 kWh/1000kg DBO removida); de TRH mayores a 30 días; soporta bajas cargas orgánicas de SSV. En tanto que, la digestión anaerobia, a pesar de requerir de una elevada inversión inicial, comparable a la de la propia planta de tratamiento de aguas residuales, es una buena opción, ya que además de permitir la recuperación de energía en forma de metano con un rendimiento de 0.35m3 de CH4/kg de DQO metabolizada, que equivale a la generación de 3517 kWh/1000kg DQO removida, sus costos de operación y mantenimiento, son relativamente bajos. Y si se somete a un proceso de licuefacción, puede ser comercializado. En México, los pocos digestores anaerobios de lodos construidos operan a temperaturas mesofílicas (35°C), con el empleo de una variante termofílica a 55°C, se ofrecen ciertas ventajas como son: la separación de la fase sólida de la líquida, incremento en el grado de destrucción de sólidos orgánicos, eliminación de microrganismos patógenos y reducción de hasta un 56% en los SSV, lo que permite obtener un biosólido clase A de acuerdo a la clasificación de la USEPA (1996). Sin embargo, se ha observado que la limitada tasa de hidrólisis de la materia orgánica y mínima biodisponibilidad de materiales orgánicos solubles, durante su estabilización vía anaerobia, en digestores mesofílicos o termofílicos requiere de tiempos de retención de sólidos mayores a 20 días. Para favorecerla, se han empleado métodos físicos (térmico, mecánico, ultrasonido, hidrotérmico), químicos como ácidos minerales fuertes o álcalis, óxido de calcio (CaO), hidróxido de calcio (Ca(OH)2), pre-tratamientos termo-alcalinos y oxidativos con ozono que además de ser costosos, no logran una solubilización mayor al 50%.

Francisco Arvizu.


Tabla 3. Características generales de los lodos primario y secundario.

Tabla 4. Características del lodo hidrolizado en el reactor acidogénico mesofílico.

Tabla 5. Características del lodo estabilizado en el reactor metanogénico termofílico.

Francisco Arvizu.


En conclusión podemos afirmar que el proceso en dos etapas mejoró la formación de compuestos solubles, aunque no se alcanzaron altas eficiencias en la reducción de patógenos. Los mejores resultados en el reactor acidogénico fueron a 2 días de TRH, proporción de LP:LS de 50:50, una Bv de 3.6 Kg DQO/m3 día y con un 68.6% de eficiencia en la destrucción de SSV (etapa V). Las eficiencias alcanzadas en la destrucción de SSV en este reactor fueron similares a las reportadas por algunos autores, tomando en cuenta la falta de mezclado en los reactores UASB. Las mejores velocidades de hidrólisis se obtuvieron a TRH y TRS menores a los reportados en la literatura lo que indica que separar la digestión anaerobia en dos etapas favoreció la solubilización de la materia orgánica y la destrucción de los SSV. Los mejores resultados en el reactor metanogénico termofílico fueron los obtenidos en la etapa VI, logrando una mayor eliminación de coliformes fecales y Salmonella spp. La falta de mezclado en el reactor no permitió alcanzar las eficiencias esperadas para producir un biosólido clase A o B, según la NOM004-ECOL-SEMARNAT-2002. Sin embargo, con la eficiencia de eliminación de huevos de helminto de 85%, el biosólido obtenido cumple con los parámetros establecidos para biosólidos clase B.

Francisco Arvizu.


Diagramas.

Figura 3.

Francisco Arvizu.


Figura 4.

Francisco Arvizu.


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UASB reactor.

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