REACTORES BIOLOGICOS ANAEROBIOS

Los reactores biológicos se dividen en dos generaciones, de acuerdo a los tipos de cambios que se lleven en su interior. En este capítulo solo se estudiaran los reactores biológicos anaerobios.

Para poder entender más la información presentada, se debe de tener conocimiento de los siguientes conceptos:

Tiempo de Retención Hidráulica (TRH): Es la relación entre el volumen y la media de la carga.

Tiempo de Retención de Sólidos (TRS): Representa la media del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor.

SSV: Sólidos Suspendidos Volátiles

SS: Sólidos en Suspensión

VD: Volumen del biodigestor

Existen diferentes maneras de clasificar los reactores anaerobios, pero la forma más general es agruparlos y clasificarlos en biodigestores de primera generación y de segunda generación tal como lo muestra la tabla:

De 1ª generaciónDe 2ª generación

Con crecimiento en soporte Con crecimiento disperso

Tanques sépticos

Lagunas anaerobias

Laguna facultativa

Lecho fijo

Lecho fluidizado o expandido

Filtro anaerobio con carbón activado

Inmovilización de microorganismos

Asociado a partículas suspendidas

Reactor de contacto

Columna de plato

Lodo activado anaerobio

UASB

EGSB

De mezcla completa (CSTR)

Con ascensión de gas

Modificado de alta velocidad

Membrana

Flujo horizontal con deflectores

Dos etapas

Percoladores en serie

Tubular inclinado

A continuación se explicarán los reactores de segunda generación que son los usados en este tipo de procesos.

REACTORES CON LA BIOMASA NO UNIDA A SOPORTE

Reactor de mezcla completa (CSTR)

Es el digestor anaerobio más simple, en general consta de un tanque dotado de un mecanismo de agitación que garantice un mezclado que haga que toda la masa reaccionante sea uniforme en sus propiedades. En este caso, el TRH es también igual al TRS.

Para un tratamiento efectivo del influente, este tipo de reactores requiere largos TRH, ya que carecen de medios específicos de retención de la biomasa activa. Con la reducción del TRH en un digestor de mezcla completa, la cantidad de microorganismos dentro del digestor también disminuye, ya que son lavados con el efluente. El tiempo de retención hidráulico crítico (TRC) se alcanza cuando las bacterias son extraídas del reactor a una velocidad mayor a la que éstas se reproducen. Dado que las bacterias formadoras de metano son de más lento crecimiento que las bacterias formadoras de ácidos, las primeras son consideradas como el componente limitante en el proceso de digestión anaerobia. Necesitan largos TRS (y, por lo tanto, largos TRH), con valores mínimos alrededor de 3 a 5 días a 35 °C. Para asegurar el funcionamiento del proceso, los TRH suelen variar entre 10 y 30 días a 35 °C.

Las características operacionales de este proceso son:

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/día): 1 - 6.

Concentración en el interior (g SSV/l): 2 - 5.

Concentración en el efluente (g SS/l): 25 - 100.

Tiempo de retención hidráulico (días): 10 - 30.

Tiempo de arranque (días): 30 - 90.

Reactor de contacto (ACP)

Este proceso comprende la alimentación continua de un reactor de mezcla completa seguido de un clarificador o separador sólido/líquido. Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso.

En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el proceso de separación, por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de desgasificación. El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta retención celular.

Los parámetros típicos de operación de este proceso son:

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 2 - 10.

Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 10.

Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20.

Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5.

Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB)

En este tipo de sistemas, las bacterias se desarrollan como una masa floculante en un flujo ascendente del influente. El lecho bacteriano es retenido por su propia masa y por pequeñas partículas presentes en el influente en la parte inferior del reactor, mientras que el gas y el efluente escapan por la parte superior del mismo. Como la disociación de la biomasa bacteriana ocurre en cierto grado, parte de los organismos se pierden por el efluente. Sin embargo, y aunque el TRH es bajo, el TRS es lo suficientemente prolongado para que se desarrolle una densa masa de microorganismos metanogénicos.

En un reactor UASB, la biomasa bacteriana está presente en forma de granos o glomérulos compactos de hasta 3 - 4 mm, que se desarrollan bajo condiciones de flujo ascendente continuo mediante mecanismos no bien conocidos.

Una de las dos claves principales para mantener un elevado tiempo de retención del fango es la obtención de un fango con buenas características de sedimentación. Auténticos gránulos de tamaño considerables se forman después de uno o dos meses de funcionamiento del sistema. Las características de sedimentación del fango aumentan si el mecanismo de agitación del fango es mínimo o nulo. La concentración de fango en la zona inferior del reactor puede ser de hasta 40 - 70 g SSV/l, y las partículas llegan a alcanzar una velocidad de sedimentación de hasta 50 m/h. Sobre este lecho de fango se desarrolla otro lecho. Este último está formado por gránulos más pequeños, flóculos y burbujas de gas y se encuentra estratificado, siendo más denso y con granos más grandes en su zona inferior y menos denso y con gránulos más pequeños en su zona superior.

La segunda clave para el óptimo funcionamiento de este tipo de sistema es la instalación de un separador sólido/gas en la parte superior del reactor. Este sedimentador/desgasificador actúa como un sedimentador interno, y evita la fuga de los flóculos de pequeño tamaño que ascienden adheridos a las burbujas de gas.

Las características operacionales de este proceso son:

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 30.

Tiempo de retención hidráulico (d): 0,2 - 2.

Concentración media en el interior (g SSV/l): 20 - 40.

Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.

Tiempo de arranque (d): 30 - 60.

Velocidad vertical ascendente (m/h): 0,6 - 0,9.

La elevadas cargas orgánicas que admite este tipo de reactores hace que se hayan empleado de manera efectiva en el tratamiento de aguas residuales procedentes de la industria alimentaria.

Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR)

Tanto la alimentación como la decantación tienen lugar por lotes en series discontinuas en un único reactor. La secuencia cíclica incluye cuatro etapas: alimentación, reacción, sedimentación y vaciado.

Reactor anaerobio con deflectores (ABR)

Un Reactor Anaeróbico con Deflectores (ABR) es una fosa séptica mejorada debido a la serie de deflectores por debajo de los cuales se fuerza el flujo de las aguas residuales. El mayor tiempo de contacto con la biomasa activa (lodos) resulta en un tratamiento mejorado.

La mayoría de los sólidos de sedimentación son eliminados en la cámara de sedimentación en el inicio del ABR, que normalmente representa el 50% del volumen total. Las cámaras de flujo ascendente proporcionan eliminación adicional y digestión de la materia orgánica: la DBO puede reducirse hasta un 90%, lo cual es muy superior a la fosa séptica convencional. Al irse acumulando los lodos, se requiere el desazolve cada 2 o 3 años. Los parámetros críticos de diseño incluyen un tiempo de retención hidráulica (TRH) entre 48 y 72 horas, velocidad de flujo ascendente de las aguas residuales de menos de 0.6 m/h y el número de cámaras de flujo ascendente (2 a 3).

REACTORES CON LA BIOMASA UNIDA A UN SOPORTE

En ellos la biomasa se encuentra inmovilizada en, o alrededor de, partículas o superficies inertes formando biopelículas.

Filtros anaerobios (AF)

En un sistema de filtro anaerobio (también llamado sistema de película fija o de lecho fijo) la biomasa bacteriana se encuentra, en parte, inmovilizada en un material de soporte fijo en el reactor biológico, y en parte en suspensión entre los espacios vacíos que restan (la mayor proporción).

El flujo del influente es normalmente vertical, bien ascendente bien descendente, y el propio material de relleno actúa como separador de gas, que se recoge en la parte superior, proporcionando zonas de reposo para la sedimentación de los sólidos que se encuentran en suspensión.

La rugosidad del material de soporte, su grado de porosidad, así como el tamaño del poro, afecta a la tasa de colonización de la población microbiana. Los materiales utilizados pueden ser ladrillos, granito, vinilos, poliésteres, poliuretanos, materiales cerámicos, de vidrio, etc.

En los reactores de flujo ascendente la mayor parte de la biomasa bacteriana se acumula como flóculos, mientras que en los de flujo descendente, la biomasa está casi totalmente retenida en las paredes del reactor y el material de soporte.

El filtro anaerobio es aconsejable para mezclas con carga orgánica moderada soluble o que se degrade fácilmente en compuestos solubles y, también, para mezclas con elevada carga orgánica soluble que pueda ser diluida con recirculación de efluente. Los filtros con flujo descendente no pueden usarse, por ejemplo, para tratar aguas con fracciones apreciables de sólidos en suspensión, ya que pueden provocar problemas de atascos.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 0,15 - 30.

Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 20.

Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 10.

Tiempo de retención hidráulico: 0,5 - 2.

Tiempo de arranque (d): 20 - 70.

Biodiscos (ARBC)¿Aerobio?

En los ARBC los microorganismos están unidos a un soporte ligero formando una película. El soporte, constituido por una serie de discos paralelos, se encuentra casi totalmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal dentro del tanque cerrado por el que fluye el medio a tratar.

El proceso de tratamiento mediante Biodiscos es también conocido como reactor biológico rotativo de contacto, y consiste una serie de discos circulares de poliestireno, o cloruro de

polivinilo, situados sobre un eje, a corta distancia de uno de otros. Los discos están parcialmente sumergidos y giran lentamente.

En el funcionamiento de un sistema de este tipo, los crecimientos biológicos se adhieren a la superficie de los discos, hasta formar una película biológica sobre la superficie mojada de los mismos. La rotación de los discos pone a la biomasa en contacto, de forma alternativa, con la materia orgánica y con la atmosfera, para la absorción del oxigeno, en este proceso se lleva a cabo un tratamiento facultativo, la zona próxima a la atmosfera realiza una proceso aerobio pero la mayor parte realiza un proceso anaerobio. La rotación del disco induce la transferencia de oxigeno y mantiene la biomasa en condiciones aerobias. La rotación también es el mecanismo de eliminación de exceso de sólidos en los discos por medio de los esfuerzos cortantes que origina y sirve para mantener en suspensión los sólidos arrastrados, de modo que puedan ser transportados desde el reactor hasta el clarificador.

Reactores de contacto con soporte (CASBER)

Estos reactores son, en esencia, idénticos a los sistemas de contacto pero con la incorporación de un medio inerte en el reactor. En este caso, la adición de material de soporte es extremadamente limitada en comparación con la cantidad usada comúnmente en, por ejemplo, los reactores de lecho fluidizado.

Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25 mm, tienen una baja velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con un bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportado en estas partículas, que pueden ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje sustancial de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión.

Como en el caso del sistema de contacto interno, la fase principal del proceso es la separación sólido/líquido.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 4 - 25.

Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 15.

Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 10.

Tiempo de retención hidráulico (d): 0,25 - 2.

Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB)

Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un 10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que permite la acumulación de

elevadas concentraciones de biomasa que forman películas alrededor de dichas partículas. La expansión del lecho tiene lugar gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculación. La velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la fuerza gravitacional de descenso es igual a la de fricción por arrastre.