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UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA – FACULTAD DE INGENIERIAASICNATURA: SISTEMA DE TRATAMINTO DE AGUAS RESIDUALES
DOCENTE: ANDRES GALINDO
3. Sistemas utilizados en el Tratamiento Anaerobio (Reactores)
3.1 Reactores en lecho de lodo
La primera propuesta que se expuso sobre los reactores en lecho de lodo fue realizada
por Winslow y Phelps en 1910 y posteriormente Stander en 1950 con el denominado
“Charigester”. Sin embargo los resultados más significativos con este tipo de proceso los
ha logrado Lettinga y sus colaboradores en la década del 70 hasta el presente (Orozco,
1986).
Reactor Anaerobio de Pantalla
Este reactor ha sido considerado por algunos autores como un conjunto de reactores de
manto de lodos en serie. En él, el agua residual pasa subiendo y bajando a través de una
serie de cámaras, formadas por pantallas. No existe estructura de separación de fase
sólido – gas, pues el reactor provee una mayor área de contacto, interfase gas – líquidos,
de tal forma que las partículas agregadas de biomasa suben y bajan dentro de la cámara
pero minimiza su flujo horizontal entre cámaras. El flujo entre cada cámara se puede
considerar completamente mezclado, de tal forma que su comportamiento hidráulico se
asemeja a un flujo pistón. El biogas es recolectado en un compartimiento superior cerrado
que abarca todas las cámaras. (Orozco, 1994).(ver Figura 3.1)
Figura 3.1.- Reactor Anaerobio de Pantalla
Afluente 1
1
Ga
Recirculación de lodo
Superficie tubular de soporte de biomasa
Efluente
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Reactor de flujo ascendente (UASB)
En este reactor el agua a tratar es introducida por el fondo del reactor a través de una
boquillas uniformemente distribuidas; este sistema está basado en la tendencia que tienen
las bacterias anaerobias a formar flóculos o gránulos de biomasa que pueden ser
retenidos dentro del reactor por un dispositivo llamado separador gas – líquido – sólido,
colocado e la parte superior del reactor. Este dispositivo tiene como objetivo separar el
gas del licor mezclado y proporcionar una zona quieta en la parte más alta. Con algunos
tipos de agua residual, la biomasa activa evoluciona para formar un lodo granular con
excelentes propiedades de sedimentación que precipita dentro del reactor formando un
lecho de lodo. (Ver Figura 3.2).
Figura 1.2.- Reactores de Manto de flujo ascendente (UASB).
E
Reactor UASB Cilíndrico Reactor UASB Rectangular
Reactor Convencional
Reactor ideal completamente mezclado, si ningún mecanismo especial para la retención
de biomasa, de tal forma que los tiempos de retención hidráulica y el de retención celular
son iguales. Por esta razón se hace necesario que estos tiempos sean altos para evitar el
lavado de la biomasa activa. Usualmente son usados para digerir residuos con una
proporción predominante de material en suspensión ver figura 3.3.
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Gas
Lodo granular
E
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Figura 3.3.- Digestor Convencional con Mezcla.
Mezcla Gas
I E
3.2. Reactores que proveen de un lecho de soporte
Reactores de lecho fijo
En este tipo de reactor existe un medio de soporte fijo inerte al cual crecen adheridos los
microorganismos. Este medio puede ser cualquiera de los medios conocidos para los
filtros percoladores aeróbicos. (Henze y Harremoes, 1982; citado por Orozco, 1986). El
agua residual puede tener un flujo vertical ascendente o descendente a través de una
cámara. En cualquiera de los casos, u porcentaje sustancial de la biomasa activa crece
libre entre los espacios vacíos que existen entre la matriz de soporte, de tal forma que
puede considerarse como un híbrido entre esta clasificación y la anterior ver figura 3.4.
Figura 3.4.- Reactor Anaeróbico de Lecho Fijo.
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I
E
E
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Reactor de lecho móviL
En este tipo de reactor, los microorganismos crecen adheridos a un medio inerte dentro
del agua residual. El ejemplo típico de reactor de esta categoría es el reactor anaerobio
rotatorio, (Ver Figura 3.5), según Bell et al, (1981) la sumergencia de los discos para que
sea anaerobio, debe ser mayor del 70 % y el reactor debe estar en una cámara cerrada.
Figura3.5.- Reactor Anaeróbico Rotatorio.
Reactor de lecho expandido
Un reactor de este tipo consiste en un lecho de partículas contenidas en una columna
vertical a través de la cual el agua residual fluye a una velocidad suficiente para mantener
las partículas en suspención pero evitando un caudal tal que las arrastren con el agua. El
lecho de partículas se expande hasta un 5 – 20 % de tal forma que las partículas
permanecen en contacto unas con otras sin cambiar su posición relativa. Las partículas
más usadas son de arena, antracita, grava, plástica entre otras. (Ver Figura 3.6)
Figura 3.6.- Reactor de lecho expandido
G
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E
E
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Reactor de lecho fluidizado
Este reactor es similar al anterior, siendo la diferencia básica el grado de expansión que
se tiene de cada uno de ellos en este último la expansión del lecho esta 30 – 100 %
(Callander y Barford,1984). Debido a esta mayor expansión, las partículas no conservan
una posición definida dentro del reactor, sino que se mueven a través de toda la cámara.
La expansión del lecho es controlada con la recirculación ver figura 3.7.
Figura 3.7.- Reactor de lecho fluidizado.
3.3. Comparación Entre los Diferentes Tipos de Reactores.
Según la metodología usada por Henze y Harremoes (1982). Se realiza una comparación
cualitativa entre los diferentes tipos de reactores anaerobios que se han expuesto en el
numeral anterior. (Ver Tabla 3.7).
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4. PROCESOS DE MANTO DE LODO DE FLUJO ASCENDENTE (REACTOR UASB)
Este proceso se basa en la capacidad que tienen las bacterias anaerobias en formar
flóculos o gránulos de biomasa. En este tipo de reactor anaerobio el agua es introducida
por el fondo del reactor a través de unas boquillas uniformemente distribuidas, para a su
vez garantizar una uniformidad del flujo del reactor y minimizar la generación de caminos
preferenciales. Este es una de los principales requisitos del sistema. Durante el periodo
de “arranque” del proceso se permite que las partículas mas voluminosas sean “lavadas”
con el agua efluente generado así una presión de selección de biomasa, para lograr
mantener internamente la que presente mejores características de sedimentabilidad.
(Lettinga,1980) al ocurrir las reacciones de la digestión anaerobia se produce gas que es
el encargado de generar la mezcla para lograr el buen contacto entre el agua residual y la
biomasa, excluyéndose la presencia de mezcla mecánica.
Con la alta producción de gas las partículas agregadas de biomasa son flotadas de tal
forma que para impedir que se pierdan con el agua residual, el reactor esta equipado con
una estructura denominada separador gas – sólido que es otra de las principales
características de este sistema. Esta estructura divide el reactor en dos espacios, el
inferior con alta turbulencia debido al gas, y el superior o de sedimentación con baja
turbulencia. El separador provee una superficie de contacto entre el líquido y el gas, de tal
forma que los floc flotados, al llegar a dicha superficie puedan transferir el gas que los
flota a la atmósfera y sedimentar hacía la cámara principal. Por otra parte, algunas
partículas logran pasar a la cámara de sedimentación en donde debido a la baja
turbulencia que existe, se permite que se precipiten y retornen a la cámara principal, para
este efecto las paredes de la estructura de separación sólido – gas deben contar con la
inclinación suficiente ( 45 º - 60º). (Lettinga et al, 1982).
Las partículas agregadas de biomasa que se forman tienen aspecto de gránulos de 1.5
mm de diámetro (Orozco, 1986). Esto genera una estratificación de la biomasa dentro del
reactor en la cual las partículas mayores forman una capa muy densa en el fondo.
Seguida superiormente por una densa denominada floculante.
Según de Zeeuw (1984), existen dos tipos básicos de reactores UASB,
dependiendo del tipo de biomasa que se haya generado. Es importante destacar que no
siempre se logra una granulación de la biomasa, y los fenómenos que gobiernan dicho
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proceso no se conocen en detalle aún. (Lettinga, 1984; citado por Orozco, 1986).
El primer tipo de reactor es el denominado de lodo granular, en el cual se ha generado el
lodo granular, que por sus buenas características de sedimentación y actividad
metanogénica permite altas cargas orgánicas, y otro denominado de lodo floculado, que
soporta cargas menores.
Este tipo de proceso es atractivo por su efectiva disminución de los costos y habilidad
para manejar altas cargas orgánicas, además representa una de las mejores opciones
para los procesos de tratamiento desarrollados hasta ahora. Durante la última década se
ha realizado un gran numero de estudios de este mecanismo a fin de evaluar la
factibilidad de aplicación bajo diferentes condiciones de operación.
4.1 Estructura de la Biopelícula en Reactores UASB
Este parámetro es de fundamental importancia para el buen funcionamiento del proceso
especialmente en este que depende de una forma de biomasa arreglada en partículas.
La importancia de la estructura del manto de lodo granulado (estructura bacterial), radica
en su relación directa con los parámetros fundamentales en los que descansa el buen
rendimiento de los reactores UASB, dado que define la cantidad de biomasa que puede
ser retenida en el reactor y por ende la carga volumétrica máxima que se puede lograr. El
tamaño del grano, su forma, su densidad, y su composición afectan directamente el
régimen hidráulico al que puede ser sometido el reactor, y este a su vez afecta al grano.
4.2. Factores que afectan un reactor UASB
De acuerdo con Hulsholf pol (1982) entre los factores que afectan un reactor UASB se
pueden mencionar:
¤ Condiciones Ambientales:
Temperatura
pH
Tipo de agua residual
Velocidad relativa del agua
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Turbulencia
Nutrientes
¤ Tipo de semilla usada en el arranque
¤ Condiciones aplicadas al reactor durante el arranque
Temperatura: La temperatura es un factor importante ya que las bacterias metanogénicas
son sensitivas a los cambios de temperaturas, según estudios se determinó que la
granulación es más rápida bajo condiciones termofílicas por lo que se recomienda
realizar el proceso de arranque bajo condiciones mesofílicas o termofílicas.
pH: El pH óptimo de operación es 7.0 valores de pH menores de 6 y pH mayores de 7.5
son dañinos para las bacterias metanogénicas hasta tal punto que puede suspender sus
actividades metabólicas temporalmente.
Nutrientes: La composición del agua residual juega un papel importante en la granulación
del proceso por lo que se requiere que los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, azufre
y así como también trazas de otros elementos deben estar en suficientes cantidades y en
forma disponible. Dado que los organismos anaerobios producen menor biomasa que los
aeróbicos requieren por lo tanto cantidades menores de nutrientes para su buena
producción.
Velocidad Relativa del Agua: El efecto de la distribución del afluente y la producción de
biogas pueden proveer una buena condición de mezclado, para un adecuado contacto
entre el sustrato y la biomasa, lo que ayuda a la granulación del lodo. La velocidad
ascendente juega un papel importante en el régimen de mezclado, la producción de gas
en los reactores domésticos es baja por lo que la velocidad ascendente demasiado alta no
puede ser usada en el reactor se recomienda un promedio de diseño menor 1 m/ hora.
Turbulencia: La turbulencia durante el arranque del reactor se ha encontrado que no es
benéfica para el proceso pues impide la agrupación de las bacterias (Zeeuw,1984;
Lettinga, 1992).
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Tipo de Semilla Utilizada en el Arranque: Lo más indicado para el arranque de un
reactor anaerobio es cuando se tiene una semilla adaptada al tipo de sustrato y con
buenas condiciones de sedimentabilidad de Zeeuw (1984). Cuando este no es el caso se
puede usar como semilla los lodos provenientes de otros procesos anaerobios como por
ejemplo, digestores municipales, digestores tradicionales para estiércol animal, lodos de
pozos sépticos lodos de lagunas anaerobias, los tanques Imhoff, estiércol de vacuno
fermentado, etc. (Rodríguez, 1984).
4.3. Diseño de Reactores UASB
Según diversos investigadores, (Henze y Harremoes,1983), (Switzem Boun, 1986), el
diseño de los procesos anaerobios se encuentra en este momento en un período de
desarrollo, pues existe una serie de fenómenos fundamentales para el comportamiento de
dichos procesos que son conocidos a cabalidad (los fenómenos de granulación y
floculación en los procesos UASB, o los mecanismos de desarrollo de las películas
biológicas, el comportamiento de las diferentes fracciones del sustrato en el reactor y su
biodegradabilidad anaerobia, las diferentes etapas que pueden controlar el proceso, etc)
de tal forma que se hace muy difícil el desarrollo de modelos matemáticos conceptuales
que definan parámetros de diseño seguros. Sin embargo, existen conceptos básicos de
ingeniería deducidos de las ciencias fundamentales que dan criterios al ingeniero para la
definición de los diseños.
Según Henze y Harremoes (1983), citado por Orozco (1986), existen dos aproximaciones
básicas al diseño de reactores UASB para el tratamiento de las aguas residuales.
La aproximación empírica en el cual se sintetizan años de experiencia en determinadas
cifras sobre la carga que aceptan los procesos y con la cual se espera que se logre un
determinado porcentaje de remoción.
La aproximación conceptual en la cual se pretende simular el proceso en cuestión de tal
manera que se pueda predecir el comportamiento del mismo y por lo tanto predecir de
igual forma el grado de purificación resultante.
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4.3.1. Procedimiento a Seguir para el Diseño de Reactores UASB (Orozco, 1986).
El procedimiento ordenado que proponen estos autores para el diseño de reactores
anaerobios es:
Análisis del agua a tratar: examinar con detenimiento la composición básica en
cuanto a:
Sólidos: cantidad, tipo, biodegradabilidad anaerobia, etc.
Presencia del carbohidrato, proteínas, lípidos, etc.
Evaluar la existencia de nutrientes y micronutrientes
Investigar la preción se sustancias tóxicas
Evaluar la variabilidad de la composición, el pH, la alcalinidad, la fortaleza orgánica,
los caudales a tratar, etc.
Definir objetivos del tratamiento
Decidir con caso de usar la aproximación empírica la carga volumétrica a usar
Corregir la carga volumétrica a las condiciones de temperatura reales
Aplicar normas de diseño
Efectuar al arranque
Hacer seguimiento de las operaciones del sistema.
4.3.2 Criterios para el Diseño de Reactores UASB
Como fue expresado anteriormente se requiere seguir una secuencia lógica para lograr el
diseño de un reactor UASB, de tal manera que cumpla con los objetivos propuestos. El
diseño de los reactores anaerobios UASB se basa e la carga orgánica volumétrica,
(COV) dado como kg DQO/ m3 día. Preferencialmente debería basarse en la carga
orgánica, (Lo), dada en kg DQO / kg SSV día pero la dificultad de asumir los SSV
representativos ha limitado su uso. (Orozco, 1986).
En general, en el diseño de un proceso de tratamiento que involucre un reactor UASB se
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debe tener muy presente los siguientes elementos físicos.
Dimensiones del reactor
Sistema de alimentación
Separador de alimentación
Prevención SGS
Prevención a la corrosión
4.3.3. Determinación de las Dimensiones en el Reactor
Para aguas residuales diluidas con DQO menor que 1000 mg/ l y la temperatura de
operación mayor de los 18 ºC el volumen del reactor (Vr) se determina con el TRH, más
que por la aplicación de la carga orgánica (Malina, 1994).
Vr = TRH x Q (2.21)
Donde:
Vr = Volumen líquido del reactor, m3
Q = Caudal de alimentación m3/ h
TRH = tiempo de retención hidráulico.
Para aguas residuales con mayores concentraciones de DQO › 1000 mg/l, el volumen del
reactor depende de la concentración del agua residual (S) y de la aplicación de la carga
orgánica volumétrica (COV) de diseño.
Vr = ( S Q ) / COV (2.22)
Donde:
S = Concentración de la materia orgánica expresada
COV = Carga orgánica volumétrica
Q = caudal de alimentación.
4.3.4 Altura del Reactor UASB
Los criterios de diseño para un cierto tipo de desecho dependen de su concentración
orgánica. Para desechos concentrados el parámetro limitante es la carga orgánica
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aplicada y en esa circunstancia es importante que el reactor tenga la mayor altura posible
por unidad de volumen a fin de reducir el área requerida.
H = ( Q TRH ) / A (2.23)
Donde:
A: Area superficial del reactor
H: Altura del reactor
TRH: Tiempo de retención hidráulico
Q: tasa de flujo
Para agua diluidas se recomienda altura de 3 a 5 metros.
Para aguas con DQO de 1000 a 5000 mg/litro se recomienda una altura de 5 a 6 metros.
El reactor de “De Krin” (Netherlondos) de 5500 m3 tratando desechos de papa con una
altura de 10 metros. Está experiencias y otras de diferntes plantas reportan un buen
resultado para alturas de 8 metros pero se muestra que 6 metros puede ser más
adecuado ( Lettinga, 1986).
Se considera una altura óptima de 4 a 6 metros ( Empresas Municipales de Cali ,1994).
Un reactor anaerobio muy profundo puede comprometer la eficiencia dado que la
solubilidad del CO2 es función de la profundidad bajo la superficie del agua. (Empresas
Municipales de Cali,1994).
4.3.5 Formas del Reactor UASB
Otra diferencia entre desechos diluidos y concentrados es la forma del reactor a ser
diseñado. Para desechos concentrados el área necesaria para el separador es pequeña,
el reactor puede ser circular o rectangular.
En el caso de desechos diluidos es necesaria una mayor área del separador lo cual puede
ser propicio para adoptar una sección uniforme en la parte baja (Rincón, 1996). Ver Figura
4.1
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Aspectos que Contribuyen a la Escogencia de la Forma:
Estabilidad de la estructura
Construcción de la fase de separación GSL
Numero de reactores a construir
Volumen de los reactores
Menor perímetro para la misma área superficial (rectangular, cuadrada,
circular).
Figura 4.1 Configuraciones para reactores UASB (Empresas Municipa de Cali 1994)
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Afluente
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Figura. 4.1. Configuraciones básicas para reactores UASB (continuación).
Para reactores cilíndricos con terminación cónica. El volumen del cono se calcula
teniendo en cuenta que debe facilitar la sedimentación del lodo y que forme con la
horizontal un ángulo entre 45º y 60º se recomienda una altura del cono de 1.2 metros.
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(Vieira y García, 1992); (Souza,1986).
4.4 Distribución de Efluente
Como fue comentado anteriormente el sistema de alimentación constituye una parte
esencial en el reactor. El afluente debe ser distribuido uniformemente sobre la base del
reactor mediante una estructura que distribuya el afluente en varios puntos del fondo del
reactor.
La distribución recomendada por Empresas Municipales de Cali:
Para desechos de baja carga orgánica:
1 punto / 2 – 4 m2 de área en el fondo a T ‹ 20 ºC
1 punto / 1 – 2 m2 de área en el fondo a T › 20 ºC
Desechos de alta carga orgánica:
1 punto / 7 – 10 m2 de área en el fondo según Vieira citado por Empresas
Municipales de Cali, (1994)
Los cuidados que se requiere tener para ubicar los tubos de alimentación son:
Tubos flexibles
Facilidad de limpieza
La diferencia de nivel entre la base del vertedero y el nivel en el reactor se recomienda
mayor de 30 cm.
El diámetro del tubo en el fondo del reactor se recomiendan menor, para aumentar la
velocidad del líquido y así prevenir la acumulación de sólido cerca al punto de
descarga del efluente y reduce obstrucciones.
En la Tabla 4.1, se observa algunos parámetros propuestos por Lettinga (1984), para el sistema de alimentación.
Tipo de lodo m2 por boquilla
Estructura de distribución
del flujo
1.- Lodo floculate denso
(aprox. 40 kg SS/ m3)
2.- Lodo floculante liviano
‹ 1 con cargas ‹ 1 – 2 kg DQO/ m3/ día
5 con cargas › 3 kg DQO/ m3/ día
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3.- Lodo granular ‹ 1 con cargas 1 – 2 kg DQO / m3 / día
4.5. Sistema de Separación Gas – Sólido – Líquido
La separación de fases GSL es la característica mas importante de un reactor UASB las
funciones del separador gas – sólido – líquido son:
Recolectar el biogas que escapa de la fase líquida.
Permitir sedimentación de los sólidos suspendidos en la parte superior del reactor
Ayuda a mantener baja la concentración de SST del efluente
Crea un espacio sobre el separador para que el lecho de lodo se “acomode” ante la
expansión por altas cargas hidráulicas temporales.
Previene el lavado del lodo granular flotante.
Para la construcción del separador se debe tener en cuenta lo siguiente. (Molina, 1992).
Las mamparas deben tener un ángulo de 45 a 60 º con respecto a la horizontal.
El área de paso entre los colectores debe ser del 15 al 20 % del área del reactor.
La altura del dispositivo es de 1.5 a 2 m para reactores con 5 – 7 metros de alturas.
Debe crearse dentro del reactor una interfase líquido – gas para facilitar la evacuación
del gas y poder tomar medidas contra la formación de natas
El traslape entre colectores superiores e inferiores debe ser menos de 20 cm
Se recomienda instalar mamparas frente a la canaleta del agua tratada
El diámetro de las tuberías de evacuación de gas debe ser suficientemente grande
para facilitar la operación.
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Si hay formación de natas, se debe prever la instalación de boquillas de aspersoras
dentro de los colectores.
El material de construcción puede ser acero o plástico.
Elementos Principales del Separador GSL ( Empresas Municipales de Cali , 1994)
Relación de área para el flujo a nivel de las aperturas y las descargas del efluente:
Esta área afecta indirectamente la velocidad de sedimentación del floc que
traspasa la zona de sedimentación o del floc que puede ser retenido
Posición del separador en relación con el nivel superficial del líquido: Esta fija la
proporción del volumen del reactor disponible para la digestión volumen del
sedimentador ‹ 15 – 20 % del volumen total. Altura en el separador = 1.5 mts.
Inclinación de la estructura de separación de fases. Determina el área superficial
donde los sólidos se pueden sedimentar en la medida en que se deslicen, a la
sección de digestión.
Esta determina la altura de los elementos de separación y la cantidad de material
para su construcción. El ángulo recomendado con la horizontal es de 45 – 60 º
La alta producción de biogas implica formación de espumas en la interfase
particularmente en aguas residuales con alto contenido de proteínas lo cual
constituye un problema para la salida del gas. Para desechos industriales la tasa
de producción de biogas a nivel de la interfase podría estar en el rango 1 – 3 m3/
m2h (Souza, 1986).
Vg = 1 m/ h desechos de baja carga orgánica
Vg = 3 a 5 m / h desechos de alta carga orgánica.
4.6. Velocidades en el reactor.
La velocidad ascencional del líquido es directamente proporcional a la profundidad del
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reactor, esta controla la retención de suficiente cantidad de lodo en el reactor y control la
turbulencia en la zona de salida del efluente: se incrementa el contacto entre el lodo y el
A.R. (Ver Figura 4.2)
Figura 4.2.-Representación de las diferentes velocidades en el reactor
.
Donde:
V = Velocidad ascendente en el reactor
VS = Velocidad superficial del líquido en el sedimentador
Vo = Velocidad en la apertura del sedimentador
VG = Velocidad superficial del gas.
Para desechos domésticos V < 1 m/h. Según Malina (1992) la velocidad ascencional para
lodos floculentos es de 1 – 1.5 m/h
Para lodos granular 3,5 m/h
la velocidad superficial del líquido en el sedimentador se puede tratar como la tasa de
desbordamiento superficial para la cual se considera que debe estar entre 0.6 y 1 m3/
m2hora. Vieira (1989) recomienda VS promedio = 0,7 m3 /m2h
VS (Valores picos) ‹ 1.2 – 1,5 m3 / m2 hora
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VG
VS
V
VO
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Velocidad en la apertura del sedimentador
Vo ‹ 5 m/h para bajas concentraciones
Vo ‹ 3 m/h para altas concentraciones. (Empresas Municipales de Cali,1994).
Velocidades del gas
VG = 1 m/h desechos bajas cargas orgánicas
VG = 3 a 5 m/h desechos alta carga orgánica (Empresas Municipales de Cali,1994)
4.7.- Recolección de Efluente
Se recolecta en la superficie del reactor tan uniformemente como sea posible. La
estructura mas usada: canaleta horizontal con vertederos en V a distancias regulares.
Se recomienda instalar un bafle retenedor de espuma y flotantes. La altura sobre el
vertedero debe ser menor de 25 mm (Empresas Municipales de Cali).
4.8. Purga de Lodo:
Cuando el mato de lodo en el reactor alcanza cierto nivel se requiere que el reactor tenga
un dispositivo que permita la evacuación del lodo que se encuentra en exceso, se
aconseja ubicar el punto de descarga a un tercio o a la mitad de la altura de la zona de
lodos del reactor, aunque también se requiere instalar una purga cerca del fondo. El lodo
purgado debe ser el de menor actividad metanogénica (Parte superior con alto contenido
inorgánico)
4.9. Recolección y Transporte del Biogas
La estructura debe permitir continuo flujo del biogas acumulado en la campana
manteniendo nivel constante en la interfase gas – líquido. El gas debe tratarse, quemarse
o usarse. El diámetro del tubo debe ser suficiente para evitar obstrucción (sólidos,
grasas).
Es importante instalar un escape de gas en caso de obstrucción evitando daños en el
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sistema de separación.
4.10. Materiales de Construcción
En la digestión anaerobia el ambiente es corrosivo por lo que se debe evitar los metales
en lo posible. Se recomienda que las paredes del reactor sea de:
Concreto reforzado protegido o de ladrillo.
La tubería del afluente y efluente debe ser en PVC.
El separador GSL debe ser en madera muy resistente, fibra de vidrio, asbesto –
cemento
Las canaletas deben ser de fibra de vidrio o acero inoxidable
4.11. Tratamiento de Olores
Para evitar los olores se les debe colocar al reactor una estructura adecuada. El biogas
para la remoción de sulfuro debe tratarse con:
Filtros de viruta de hierro
Filtros de compost
Filtro en tierra con arena volcánica.
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CRITERIOS TECNICOS PARA EL MANEJO DE LAS AGUAS RESIDUALES SEGUA EL
RAS 2000
Reactores UASB
Existen dos tipos de reactores UASB, según el tipo de biomasa. El primer tipo de reactor se denomina de lodo granular. Como su nombre lo indica, se genera el lodo granular, que por sus buenas características de sedimentación y actividad metanogénica permite altas cargas orgánicas específicas; el segundo se denomina de lodo floculento, que soporta cargas menores tanto orgánicas como hidráulicas.
TABLA E. 4.24Cargas aplicables en lodo granular y lodo floculento en reactores UASB en relación
con la concentración del agua residual y la fracción insoluble de DQO en el agua residual
Cargas aplicables a 30c(kgDQO/m3·d)
Concentración del
agua residual
Fracción insoluble de DQO
Lodo floculento en
UASB
Lodo granular en UASB
(mg DQO/L)
(%) Remoción de sst pobre
Remoción de SST significativa
> 2000 10 - 30%30 - 60%
60 - 100%
2 - 42 - 4
*
8 - 12 8 - 14
*
2 - 42 - 4
*2000 – 6000
10 - 30%30 - 60%
60 - 100%
3 - 54 - 64 - 8
12 - 1812 - 24
*
3 - 52 - 62 - 6
6000 – 9000
10 - 30%30 - 60%
60 - 100%
4 - 65 - 76 - 8
15 - 2015 - 24
*
4 - 63 - 73 - 8
9000 – 18000
10 - 30%30 - 60%
60 - 100%
5 - 8dudoso a
SST>6 - 8g/L*
15 - 24dudoso a
SST>6 - 8g/L*
4 - 63 - 73 - 7
* Aplicación para reactores UASB no comprendida en estas condiciones
En la siguiente tabla se presenta un resumen de las cargas orgánicas aplicables en relación con la temperatura operacional para aguas residuales con VFA soluble y no-VFA soluble. Estos valores corresponden a agua residual con un 30% de SS sedimentables en reactores UASB de lodo granular cuya concentración en el lodo es 25 kgssv/m3.
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TABLA E.4.25Cargas orgánicas aplicables en relación con la temperatura operacional
TemperaturaC
Carga orgánica volumétrica (kg/m3·dia)
VFA NO -VFA 30% SS-DQO Comentarios15 2 – 4 1.5 - 3 1.5 - 2 Remoción de SS
satisfactoria20 4 - 6 2 - 4 2 - 3 Remoción de SS
satisfactoria25 6 – 12 4 - 8 3 - 6 Remoción de SS
razonable30 10 – 18 8 - 12 6 - 9 Remoción de SS
moderada35 15 – 24 12 - 18 9 - 14 Remoción de SS
casi pobre
40 20 – 32 15 - 24 14 - 18 Remoción de SS pobre
Tiempo de retención hidráulica
Para el tratamiento de aguas residuales municipales deben utilizarse tiempos mínimos de retención de seis horas, que pueden llevar a una remoción hasta del 80% en la DBO5.El tiempo de retención aplicable a las aguas residuales municipales depende de la temperatura. En la tabla E.4.26 se presentan algunos valores aplicables para un reactor UASB de 4 m de altura.
TABLA E.4.26Tiempos de retención hidráulicos aplicados a diferentes rangos de temperatura
Rango de temperatura
C
Valores de trh (h)
Promedio diario
Máximo durante 4 - 6
horas
Pico aceptable durante 2-6
horas16 - 19 > 10 - 14 > 7 - 9 > 3 - 522 - 26 > 7 - 9 > 5 - 7 > +
- 3> 26 > 6 > 4 > 2.5
Altura del reactor
El reactor puede considerarse dividido en dos espacios, uno inferior en donde ocurren las reacciones de descomposición y uno superior en donde ocurre la sedimentación de los lodos. El espacio inferior debe tener una altura entre 4.0 y 5.0 m y superior entre 1.5 y 2.0 m. Adicionalmente debe proveerse un borde libre de 40 cm.
Separador gas-sólido-líquido
Esta estructura divide el reactor en dos espacios : el inferior, que presenta alta turbulencia debido al gas, y el superior o de sedimentación, con baja turbulencia. El separador provee de una superficie de contacto entre el líquido y el gas, de modo que los flocs que llegan a dicha superficie puedan transferir el gas que los ayuda a flotar a la atmósfera y edimentar hacia la cámara principal.
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Las campanas de separación se deben usar para: Separar y descargar el biogás del reactor.
Impedir el lavado de la materia bacterial.
Permitir que el lodo resbale dentro del compartimento del digestor.
Servir como una especie de barrera para la expansión rápida del manto de lodos dentro del sedimentador.
Impedir el lavado del lodo granular flotante.
Se debe igualmente cumplir las siguientes consideraciones:
1. Inclinación de las paredes
Las paredes de la estructura de separación sólido-gas deben contar con una inclinación de 50 a 60 C.
2. Tasa de carga superficial
La carga orgánica superficial debe estar alrededor de 0.7 m/h, en condiciones de caudal máximo horario.
3. Velocidad del agua en la garganta
La velocidad del agua en la garganta de retorno de lodos sedimentados no debe exceder los 5 m/h, para condiciones de caudal máximo horario.
4. Área superficial
El área superficial de las aberturas entre el colector de gas debe estar entre 15 y 20% del área superficial del reactor.
5. Altura
La altura mínima del colector de gas debe estar entre 1.5 y 2 m.
6. Traslapo de pantallas
El traslapo en la instalación de las pantallas de la campana debe ser de 10 a 20 cm.
7. Diámetro de las tuberías
El diámetro de las tuberías de expulsión de gas debe ser suficiente para soportar la remoción fácil del biogás desde la tapa del colector de gas, particularmente en el caso de formación de espuma.
8. La superficie del reactor debe ser cubierta para minimizar el desprendimiento de malos olores. El gas secundario debe recogerse y tratar adecuadamente. Se debe prever la remoción de natas y material flotante en la zona de sedimentación. Se deben dejar instalaciones para la inspección y limpieza dela parte interna de las campanas y la zona de sedimentación.
9. Para disminuir obstrucciones en las canaletas de recolección de efluentes y arrastre de sustancias flotantes debe proveerse una pantalla de 20 cm de profundidad para la retención de dichas sustancias.
10. Debe buscarse siempre, condiciones simétricas, en las estructuras de manejo de caudales.
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11. Se debe proveer de un sistema de muestreo del manto de lodos en el reactor para poder definir la altura del mismo y las características del lodo a diferentes alturas. Se recomienda un sistema de válvulas telescópicas
Distribución de caudales
Con el fin de garantizar la uniformidad de alimentación en todo el volumen del reactor, debe distribuirse el influente en el fondo del reactor.. Las tuberías deben estar a unos 20 cm del fondo del reactor.En la tabla E.4.27 se presentan rangos para el número de puntos de entrada requeridos en los reactores UASB, según el tipo de lodo formado.
TABLA E.4.27Rangos de valores para el número de puntos de entrada requeridos en un reactor UASB
Tipo de lodo presente Área por punto de entrada (m2)Lodo denso floculento
(> 40 kg SST/m3)0.5 - 1 a cargas < 1 kg DQO/m3 · dia
1 - 2 a cargas 1-2 kg DQO/m3·dia2 - 3 a cargas > 2 kg DQO/m3·dia
Lodo floculento espesado(20 - 40 kgSST/m3)
1 - 2 a cargas < 1 - 2 kg DQO/m3·dia2 - 5 a cargas > 3 kg DQO/m3·dia
Lodo granular 0.5 - 1 a cargas por encima de 2 kg DQO/m3·dia
0.5 - 2 a cargas 2 - 4 kg DQO/m3·dia> 2 a cargas > 4 kg DQO/m3·dia
Modularidad
El reactor UASB puede ser construido modularmente. El módulo máximo debe tener 500 m3.
Metodología de cálculo
Para aguas residuales diluidas (<1500 mg/L DQO) los UASB deben diseñarse con el concepto de tiempo de retención hidráulico Las aguas residuales industriales no están contempladas en el presente documento.
Las altas infiltraciones no favorecen el buen comportamiento del proceso. En ninguna circunstancia deben permitirse caudales que arrastren el manto de lodos con el efluente. En consecuencia, los diseños hidráulicos deben basarse en el caudal máximo horario. Los caudales infiltrados al alcantarillado durante la época de lluvias no pueden pasar por la planta.
Tiempo de retención hidráulico
A H
Qs (E.4.7)
Velocidad superficial admisible
H
v (E.4.8)
Velocidad del gas
VgQg
Acoleccion (E.4.9)
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La máxima velocidad del gas permisible es de 1 m³/ m² / h
Volumen del reactor
Para concentraciones bajas el volumen del reactor se calcula:
V Qr (E.4.10)
Control de olores
Adicionalmente a lo definido en el literal E.4.7.5 debe taparse el reactor, recoger y tratar los gases que se generan en las zonas de sedimentación y en las estructuras de salida y conducción del efluente tratado.
Trampas de grasa
Deben colocarse trampas de grasa aguas arriba de los reactores UASB para los niveles bajo y medio de complejidad del servicio.
Arranque
El control del proceso, especialmente durante la fase de arranque del reactor debe ser de gran importancia para garantizar altas eficiencias en la remoción de la materia orgánica. La operación es muy simple pero conceptualmente es bastante compleja. El proceso de arranque debe realizarse por personal especializado. Las intrincadas relaciones bioquímicas entre los diferentes organismos que llevan a cabo el tratamiento anaerobio se establecen lentamente con el paso del tiempo. Igualmente, los bajos tiempos de replicación de las bacterias acetogénicas y metanogénicas demoran considerablemente la aclimatación del reactor.
Durante el período de arranque del proceso debe permitirse que las partículas más voluminosas sean lavadas con el agua efluente con el fin de generar una presión de selección de biomasa, que mantenga internamente solo la que presente las mejores características de sedimentabilidad.
El reactor debe arrancarse a plena capacidad por un mes, posteriormente se suspende la alimentación por una semana para permitir la digestión del material acumulado, y luego continuar el arranque con un caudal al 60% de la capacidad total. Posteriormente se hacen incrementos mensuales del 20% hasta llegar a plena capacidad.No es necesario contar con semilla pues las aguas residuales municipales contienen los microorganismos necesarios. Sin embargo, en caso de contarse con semilla de un reactor que trate aguas residuales municipales esta puede usarse y acortará el periodo de arranque.
Sedimentador Secundario
En caso que se necesite aumentar la eficiencia del reactor UASB se recomienda la colocación de un sedimentador secundario aguas abajo de este.
Operación y mantenimiento
Deben llevarse un manual de operación que contemple los siguientes aspectos :
Control de caudal para evitar sobrecarga hidráulica.
Control de la limpieza de las rejillas gruesas y finas.
Control del vaciado de los canales del desarenador.
Control de la limpieza de pozos y vertederos de repartición.
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Control del correcto funcionamiento de los equipos de recolección y manejo de gases.
Revisión del correcto funcionamiento de las canaletas de recolección del efluente.
Control de la producción de gas.
Control de olores.
Control de lodos.
En el Anexo E se recomienda una metodología para una adecuada operación y mantenimiento.
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