PROCESOS DE BIOFILM

NO TRADICIONALES

Juan Antonio Cortacáns Torre

1. PROPIEDADES DE LOS BIOFILMS 1.1. PROPIEDADES BIOLOGICAS DE LOS BIOFILMS • Microorganismos están inmovilizados en biofilms • Biofilms = Sistema heterogéneo con polímeros extracelulares

• Polímeros extracelulares = Alta capacidad de adsorción Mantenimiento biopelícula

• Asimilación de sustancias difícilmente biodegradables

• No hay edad del fango unitaria 1.2. PROPIEDADES FISICAS DE LOS BIOFILMS • “Biofilm Base” Capa Compacta • “Biofilm de superficie” Capa más porosa

• Posibilidad

• Biofilm de superficie = Condiciones aeróbicas • Biofilm de base = Condiciones anóxicas o anaeróbicas

2. FILTROS BIOLÓGICOS 2.1. DEFINICION Y FASES DEL PROCESO. APLICACIONES. • Biomasa sobre material granular de soporte

• Realización de procesos biológicos y filtración

• Se eliminan contaminantes solubles y particulados en un solo

tanque

• Aplicaciones

• Eliminación de materia orgánica • Nitrificación • Desnitrificación

ESQUEMA DE PROCESO. BIOFILTRO CON FLUJO DESCENDENTE

-

ENTRADA

DE AGUA TRATAMIENTO

PRIMARIO

FANGO PRIMARIO

DEPOSITO DE FANGOS

AIRE DE LAVADO

AGUA DE LAVADO

AIRE DE PROCESO SALIDA DE

AGUA TRATADA

DEPOSITO DE AGUA TRATADA PARA

LAVADO

BIOFILTRACION COMO ETAPA PRINCIPAL

Figura 3: Combinaciones de procesos de biofiltros

Figura 3: Combinaciones de procesos de biofiltros

Figura 4: Combinaciones del proceso de fangos activos con biofiltros

BIOFILTRACION COMO ETAPA COMPLEMENTARIA

2.3. MATERIAL SOPORTE DE LA BIOMASA • Funciones

• Soporte de la biomasa • Retención de sólidos • Soportar lavados sin pérdidas importantes

• Naturaleza • Minerales • Plásticos en piezas (normalmente densidad < 1,0) • Plásticos estructurados

• Materiales más utilizados

Material Peso específico Tamaño (mm) Superficie específica (m2/m

3)

Arena

Arcilla expandida

Polestireno

Polietileno

2,6

1,6

--

--

1 a 3 mm

2 a 6 mm

2 a 6 mm

Estructurado

Entorno 1000 m2/m

3

Entorno 1500 m2/m

3

Entorno 1500 m2/m

3

2.4. VELOCIDAD DE FILTRACION • Superficie del filtro

S = Q/VF Q = caudal de dimensionamiento VF = velocidad de filtración

• Como mínimo 3 líneas (por lavados y otras operaciones)

• El caudal incluye: • Recarga con agua de lavado • Recirculación en caso de predesnitrificación

• Velocidades • Muy variable según naturaleza del agua residual (sobre todo

SS), tamaño de grano, tipo de flujo, etc.. • Entornos habituales: 3 – 10 m3/m2.h • En punta de lluvia o en lavado de otras celdas

Máximo: 10-15 m3/m2.h

2.5. CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO • Basados en datos empíricos

• Basados en: • Velocidades de las transformaciones biológicas • Velocidades de flujo hidráulico • Transferencia de oxígeno

• Tener en cuenta: • Puntas de carga • Composición aguas: Materia orgánica + nitrógeno • Tratamiento agua de lavado • Duración fases de lavado

Cvh Cvd

DBO5 0,17-0,29

4-7 (*)

DQO 0,29-0,42 7-10 (*)

Nitrificación 0,004-0,063 (0,083) 0,1-1,5 (2,0) (**)

Desnitrificación

0,05-0,17 (Asc)

0,033-0,05 (Desc)

1,2-4,0 (Asc) (***)

0,8-1,2 (Desc)

(*) Según rendimientos (**) Según sea parcial o nitrificación terciaria (***) Valores más altos con metanol

RENDIMIENTOS VOLUMÉTRICOS EN BIOFILTROS

Valores para tanteos de anteproyecto

• Referidos al volumen útil del lecho filtrante

• Con el esquema habitual Dec.1ª - preDN – N – postDN

• Temperatura AR no menos de 10-12ºC

Cv (DBO5) Cv (N-NO3) Cv (N-NH4)

DN (*) N (**) Post-DN (***)

4-5 kg/m3.d 0,5-0,6 kg N-NO3/m3.d 1,0-1,5 kg N-NO3 /m3.d

0,5-0,7 kg N-NH4/m3.d

(*) Estos dos valores deben estar proporcionados (**) Puede subir con concentraciones muy bajas de materia orgánica (***) Con fuente de carbono externo fácilmente biodegradable

Comparación de valores de cv en biofiltros y FA convencional (Elaboración propia)

• Esquemas:

– Biofiltros: Decantación primaria-Predesnitrificación-Nitrificación

– FA: Decantación primaria-Flujo pistón con predesnitrificación

• Temperatura 12ºC, 120.000 h-e, Salida NT < 10 mg/l

• Predesnitrificación: Cargas, en proporción en ambos casos

• Nitrificación: Gran diferencia, si entra poca materia orgánica al biofiltro de nitrificación. Motivos:

– Cantidad de biomasa

– Proporción de nitrificantes

Biofiltros (Referidas al volumen útil del

lecho filtrante)

Fangos activos (Ej.)

Predesnitrificación Nitrificación

Cv (DBO5) = 4-5 kg/m3.d Cv (N-NO3) = 0,5-0,6 kg/m3.d Cv (N-NH4) = 0,5-0,7 kg/m3.d

Cv (DBO5) = 1,5 kg/m3.d Cv (N-NO3) = 0,19 kg/m3.d Cv (N-NH4) = 0,104 kg/m3.d

2.7. AERACION • Demanda de oxígeno por actividad bacteriana

• Similar a otros procesos biológicos aerobios (fangos activos)

• Metabolización materia orgánica • Respiración endógena • Nitrificación

• Transferencia de oxígeno

• Mayor que en fangos activos por la configuración del sistema

• Valores de la literatura muy variables – Desde 2 a 8% / m de profundidad

• Concentración de oxígeno necesaria • Mayor que en fangos activos, sobre todo en nitrificación (>

4 mg/l)

• Flujo de aire • Mínimo: 3 – 5 Nm3/m2.h para evitar atascos • Máximo soportable: 25-30 Nm3/m2.h

2.9. LAVADOS • Intervalos de lavado: 12 – 72 horas (Normal 24 horas)

• Pérdidas de carga al final de un ciclo de filtrado

• Arcilla expandida (2 a 5 mm): 0,04 a 0,05 bar/m prof. • Materiales más finos (1 a 2 mm): 0,07 a 0,08 bar/m prof.

• Duración de lavado: 20 – 40 min

• Valores habituales por fases • Aire Sólo aire: qmax = 60-100 Nm3/m2.h Aire + agua: qaire = 40-100 Nm3/m2.h • Agua Aire + agua: qagua = 10-20 Nm3/m2.h Sólo agua: qagua = 15-90 Nm3/m2.h

• Consumo de agua • Desde 5-15% del agua tradada (hasta 40%) • 5-10 m3 agua/m2 superficie de filtrado y lavado

ESQUEMA DEL SISTEMA BIOFOR

2.10. SISTEMAS DE FILTROS BIOLÓGICOS SUMERGIDOS MAS UTILIZADOS

Canal de entrada

Proceso / Aire Retrolavado

Agua bruta

Agua filtrada

Falso

techo

(boquillas)

Agua tratada

MODO DE RETROLAVADO

Canal de entrada

Proceso / Aire Retrolavado

Agua bruta

Agua filtrada

Falso

techo

(boquillas)

Canal efluente

MODO DE FILTRACION

Opcional (Más usual DN simultánea)

ESQUEMA DEL SISTEMA BIOSTYR

2.11. COMPARACION CON FANGOS ACTIVOS

Fangos activos Biofiltros

• Microorganismos mezclados

• Los flóculos se mantienen en suspensión por

aeración o agitación

• Concepto fundamental: Edad del fango

• Tendencia a separación de las biocenosis

• Algunos microorganmismos se adhieren

especialmente al material soporte

• No se aplica el concepto de edad del fango

• Tendencia a mezcla total por alto tiempo de

retención

• Gran capacidad de homogeneización

• Tendencia a flujo pistón

• Pequeña capacidad de homogeneización

• La influencia de la decantación primaria no es

importante en el proceso

• Gran influencia de la decantación primaria. Si se

omite, los lavados son continuos.

• El proceso de aeración prolongada permite la

omisión de la estabilización de fangos

• Requiere siempre estabilización de fangos

• La producción de fangos en exceso es similar en

función de la materia orgánica consumida y del

N-NH4 oxidado

• Se extraen por purga

• La producción de fangos en exceso es similar en

función de la materia orgánica consumida y del N-

NH4 oxidado

• Se extraen por lavado

• Concentración de oxígeno para nitrificación:

1-2 mg/l

• Concentración de oxígeno para nitrificación:

4-5 mg/l

• Menor necesidad de espacio

• Mayor consumo energético

CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DE LOS BIOFILTROS

• Se consiguen calidades similares en ambos procesos

• Los biofiltros necesitan postdesnitrificación en muchas ocasiones

• Los biofiltros no permiten la eliminación biológica de fósforo

• Pérdida de nivel piezométrico más alta que en fangos activos

• No compensa una recirculación alta para desntitrificar

• Operación más compleja: Personal más cualificado y más control.

• No hay criterios de diseño de aplicación general como en FA • Posibilidades uso de biofiltros son:

• Aguas diluidas, con decantación 1ª o FQ previo • Lugares muy sensibles a emisiones • Exigencias ambientales: olores, ruido, paisaje. • Superficies disponibles muy reducidas • Terrenos problemáticos • Completar instalaciones existentes • Pequeñas variaciones características de entrada.

30

3. PROCESOS MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor)

• Proceso aerobio con aplicación a eliminación de materia orgánica, nitrificación y desnitrificación.

• Configuración flujo pistón con zonas consecutivas en serie y separación para evitar fuga de “carriers”

• No hay recirculación

• Biomasa fija sobre “carriers” de densidad inferior a 1 g/cm3

• Agitación

– Zonas aerobias: Introducción de aire

– Zonas anóxicas: Agitadores y pulsaciones de aire

• Proceso continuo – No es discontinuo como los biofiltros.

• Decantador secundario menos sobrecargado que en fangos activos

• Rendimiento / Ud. Volumen mayor que en fangos activos

Por especialización de la biomasa

ESQUEMA DE LOS TIPOS DE REACTORES

31

Figura 10:Esquema de los tipos de reactores

• Carriers convencionales Diámetro: 9 a 25 mm

Superficie específica: 500 – 600 m2/m3

• Chips Diámetro: Aprox. 50 mm

Espesor: 2 mm

Superficie específica: 900 – 1200 m2/m3

ESQUEMA DE PROCESOS

32

Figura 11:Esquemas de procesos

Esquema B

Tanque 1

Tanque 2

Tanque 3

Tanque 4

Tanque 5

Tanque 6

Tanque 7

Anóxico

Anóxico

Aerobio

Aerobio

Aerobio

Anóxico

Aerobio

Esquema A

Tanque 1

Tanque 2

Tanque 3

Tanque 4

Tanque 5

Tanque 6

Tanque 7

Anóxico

Aerobio

Aerobio

Aerobio

Anóxico

Anóxico

Aerobio

APLICACIONES

• Etapa previa de alta carga delante de una planta sobrecargada de fangos activos

• Plantas completas con eliminación de materia orgánica, nitriificación y desnitrificación

VENTAJAS

• Funcionamiento estable

• Esquema muy sencillo sin recirculación de fangos

• Menor volumen que en fangos activos, especialmente con tenmperaturas bajas y en la zona de nitrificación

• Permite remodelación de plantas sobrecargadas de fangos activos en flujo pistón

• Funcionamiento continuo. No discontinuo como en biofiltros

• Decantación secundaria: Menos masa de fangos que en fangos activos

• Menos sensibilidad a bajas temperaturas

OTRAS CONSIDERACIONES

• Separación de fósforo por precipitación

• Producción de fangos en exceso similar a fangos activos

34

REACTOR AEROBIO REACTOR ANOXICO

4. PROCESOS HIBRIDOS (IFAS) - Combinan biomasa fija y fangos activos (Integrated Fixed – film Activated Sludge System) - Existen hace 20 años con bastantes problemas - Inicialmente el soporte de la biomasa era fijo - Reaparecieron fundamentalmente con rellenos móviles - Los sistemas con soporte fijo (telas de plástico o textiles) han superado problemas y están de nuevo en el mercado - Se consigue incrementar biomasa nitrificante en un volumen que sin la presencia de “carriers” sería insuficiente

4.1. IFAS con biomasa fija sobre soporte móvil Posibilidades: - Reactor anaerobio: Fangos activos (Permite eliminación biológica de P) - Reactor anóxico: Fangos activos (+ biomasa fija?) - Reactor aerobio: Fangos activos + biomasa fija

Figura 10: IFAS con biomasa fija sobre soporte móvil

SOPORTE MOVIL DECANTADOR

REJILLA DE

SEPARACION

RECIRCULACION FANGO EN

EXCESO

REACTOR BIOLOGICO

40

POSIBLE COAGULANTE

RECIRCULACION EXTERNA

RECIRCULACION INTERNA

FANGO PRIMARIO FANGO EN EXCESO

ANAEROBIO ANOXICO

AEROBIOS

ESQUEMA PLANTA CON N-DN Y ELIMINACION BIOLOGICA Y QUIMICA DE P

Procesos

• Eliminación de fósforo

– Vía biológica – Reactor anaerobio previo

– Completar vía química delante del decantador secundario

• Desnitrificación – Sólo con biomasa suspendida

– No compensa en este caso poner “carriers” porque su colaboración apenas se nota

– Se calcula igual que en fangos activos (si no hay carriers”)

• Nitrificación – Se incrementa por la presencia del biofilm

– Las bacterias nitrificantes soportan más las bajas temperaturas en el biofilm que suspendidas

– Además la biomasa suspendida se enriquece a base de nitrificantes desprendidas del biofilm

41

- Aplicaciones: - Remodelaciones plantas existentes - Solución a incremento de cargas contaminantes - Eliminación nutrientes - Falta de espacio para ampliaciones - Reparto de biomasa entre fangos activos y biomasa fija - Función de la carga y variaciones de la misma - Mejor IVF en la fracción de fangos activos. - No hay criterios claros de dimensionamiento - Cálculo de nitrificación es complejo: Biomasa nitrificante puede pasar de “carriers” a suspensión según carga, edad del fango y temperatura. Puede conservarse la nitrificación en la biomasa fija con temperaturas frías. - Hay modelos matemáticos incipientes - Planta piloto previa

Aspectos técnico-económicos (Elaboración propia).

Comparación IFAS con FA convencional

IFAS Fangos activos

Volumen reactores Menor Mayor

Pérdida de carga Mayor Menor

Relleno Es la característica del proceso. Se debe usar en zonas aerobias y, en general, no en zonas anóxicas.

No existe

Introducción aire Burbuja gruesa con tuberías inoxidables agujereadas

Burbuja fina

Concentración O2 en tanques de nitrificación

≈ 4 mg/l O2 2 mg/l O2

Sistema de paso entre tanques contiguos con relleno

Tuberías o placas agujereadas con sistema de limpieza

No existe ninguna instalación especial

1ª planta 2ª planta

Temperatura 15ºC 12ºC

Volumen total útil FA = 140% IFAS FA = 160% IFAS

Nitrificación en biopelícula 64% en IFAS 77% en IFAS Nitrificación en suspensión 36% en IFAS 23% en IFAS Al bajar la temperatura, mayor diferencia en volumen y menor nitrificación en suspensión.

Comparación diseño de 2 plantas IFAS con FA convencional

4.2. IFAS con biomasa fija sobre soporte fijo - Soporte fijo sumergido en reactor con biomasa suspendida

Figura 11: IFAS con biomasa fija sobre soporte fijo

SOPORTE TEXTIL FIJO DECANTADOR

RECIRCULACION FANGO EN

EXCESO

REACTOR BIOLOGICO

- Posibles ventajas de este sistema: - No hay riesgo importante de fuga del soporte de la biomasa - No hacen falta sistemas de retención de “carriers” - Posibilidad de extraer los bloques de telas para sustitución o reparaciones - Biofilm en ambas caras de la tela - Menos espesor capa biológica Menos consumo O2 - Posibles inconvenientes - Dificultad de controlar espesor de la capa biológica - Aparición de gusanos u otros predadores