EL REACTOR ANAEROBICO TIPO EASA:NUEVO REACTOR HIBRIDO DE FLUJO ASCENDENTE

Manuel Enrique López M.EASA CONSULTORES S.A. - Tel: (00506) 234 1395

Aptdo Postal 1322-2050, San José - Costa Rica

RESUMEN

En el campo del desarrollo de tecnología apropiada para nuestro medio, referente al tratamiento biológico deaguas residuales, han venido popularizándose los procesos de tratamiento anaeróbico de aguas residuales,sobre todo a partir de las investigacionesefectuadas por Gatze Lettinga en Holanda cerca de 1980, con los denominados Reactores Anaeróbicos deFlujo Ascendente - RAFA.

Dentro de esta línea tecnológica, ha correspondido al autor deesta ponencia llevar a cabo múltiples consultorías en materiahidráulico-sanitaria, relativas a la evaluación, optimización, diseño y puesta en marcha de estacionesdepuradoras de aguas residuales de procedencia municipal, comercial e industrial, en Costa Rica,Centroamérica y México.

Destaca dentro de esta experiencia, el desarrollo de un modelode reactor anaeróbico de flujo ascendente, del tipo híbrido, que se denominará en la ponencia "Reactor tipoEASA", el cual presenta interesantes características operativas, comparativamente con los modelosgeneralizados a raíz de las investigaciones citadas de Lettinga.

En la ponencia se presentarán las características operativas y aplicabilidad práctica de los RAFA, y a partir deellas, se comparará con las características operacionales del Reactor tipo EASA, diseñado por el consultorutilizando como base tres tipos de modelos hidráulico sanitarios: el Reactor Anaeróbico de Manto de Lodos, elFiltro Anaeróbico de Flujo Ascendente y el sedimentador circular tipo Dortmund.

TECNOLOGIA ANAEROBICA APROPIADA

Se puede efectuar una comparación técnica general entre el tratamiento anaeróbico con respecto a lamodalidad aeróbica, de la siguiente forma:

. Como la estabilización anaeróbica proporciona a las células poca energía, sucrecimiento es relativamente bajo. De esta forma la producción de lodos es mucho menorque en el caso aeróbico, con mayor sencillez en su operación y mantenimiento.

. Los requerimientos de nutrientes en el proceso anaeróbico son mucho menores que en el aeróbico, permitiéndose una mayor cobertura de aplicabilidad práctica deestos sistemas sobre el segundo.

. Como no es necesaria la aeración, los costos operativos son mucho menores así como losde mantenimiento.

. El gas metano producido en condiciones de equilibrio del proceso puede ser reutilizadocomo fuente energética. Es aquí donde surge el concepto de "biodigestores paraaprovechamiento energético".

. Una desventaja del sistema anaeróbico, derivado de la sensibilidad del equilibrioacidogénico - metanogénico, estriba en la producción potencial de malos olores,especialmente en épocas de cambios bruscos de clima. Esta desventaja puede controlarse,con diseño adecuado de sistemas de cerramiento de tanques, control operacional del pH, yubicación adecuada de la estación depuradora con respecto a núcleos poblacionales.

. Otra desventaja comparativa con relación al proceso aeróbico consiste en su menoreficiencia sanitaria (en términos de remoción de DBO, DQO, por ejemplo), situación queobliga a veces a combinar el tratamiento con procesos aeróbicos en serie, para alcanzar loslímites de vertido establecidos por las normas de calidad. En estos casos específicos, elproceso anaeróbico permite reducir sensiblemente los costos de inversión, operación ymantenimiento del proceso aeróbico, gracias a la remoción previa de contaminantesorgánicos con bajos costos operativvos.

Se concluye entonces, que el tratamiento anaeróbico es idóneo en nuestro medio, ya sea aplicado en formatotal (única) o combinada con el tratamiento aeróbico en serie.

LOS REACTORES ANAEROBICOS DE FLUJO ASCENDENTE

Generalidades

Los Reactores Anaeróbicos de Flujo Ascendente, en adelante denominados RAFA, consisten en estacionescompactas de tratamiento anaeróbico, de reciente aparición en América Latina, luego de investigacionesrealizadas en Holanda, y posteriormente en Colombia, por Gatze Lettinga cerca del año 1980.

En términos generales, los RAFA consisten en tanques cuyo caudal afluente ingresa por su sección inferior, recolectándose el agua tratada en su sección superior. El período de retención hidráulica (normalmente deunas 18 horas o mayor dependiendo de la temperatura de operación, tipo de desecho y otras variables),permite que el material contaminantesea estabilizado parcialmente por bacterias anaeróbicas, con laconsecuente producción de biogás. Es por ello que se denominan"reactores", ya que en ellos se lleva a cabo la reacciónbioquímica o biodegradación.

Se han propuesto distintas versiones de RAFA, destacando entreellas las siguientes: manto de lodos, lecho expandido, lechofluidizado, y filtro anaeróbico de flujo ascendente.

Considerando que los resultados experimentales en nuestro medio se han orientado hacia el desarrollo einvestigación de dos de estas variantes, y que el Reactor tipo EASA se basa en ellas, se comentaránúnicamente: el proceso de manto de lodos (UASB) yel filtro anaeróbico de flujo ascendente (FAFA).

El proceso de manto de lodos

Conocido también como proceso UASB en honor a las siglasoriginalmente difundidas en inglés (Upflow Anaerobic SludgeBlanket), consiste en un tanque de sección normalmenterectangular, el cual se alimenta a través de un sistema de

tuberías de distribución del agua residual a partir de susección inferior.

El líquido a depurar asciende con una pequeña velocidad,poniéndose en contacto con una altísima concentración de lodosanaeróbicos (semilla biológica), lecho que es conocido como "manto de lodos" por su capacidad deexpandirse debido al flujo ascendente, sin ser evacuado del reactor. En los procesos de alta tasa, tal es elcaso de las modalidades de lecho fluidizado y expandido, en las que se requiere de un sedimentador final conrecirculación de lodos, similar a los sistemas aeróbicos de lodos activados (excepto la modalidad de aeraciónextendida).

El manto de lodos es el corazón biológico del proceso, pues en él se lleva a cabo la transformaciónbioquímica de la materia orgánica contaminante. Para ello se debe alimentar el reactor con importantescantidades de lodos anaeróbicos maduros, antes de la puesta en operación del proceso (procedentes porejemplo de tanques sépticos, boñigas frescas, etc). De esta forma, se propicia la maduración de estos lodosa través de varios meses de especiales cuidados (arranque del reactor), hasta lograr su transformación en pequeños gránulos anaeróbicos compactos, de alto poder estabilizador.

El caudal afluente ocasiona la expansión del manto de lodos, de tal forma que se presentan simultáneamente procesos de filtración biológica, absorción y adsorción, al mismo tiempo que decantación.Para evitar el arrastre de biomasa, se incorporan separadores de fases (gas, líquido, sólido) en la partesuperior del tanque, a partir de las cuales es factible reutilizar el biogás, incrementando el tiempo de retencióncelular.

Posiblemente el mayor problema operacional de este tipo de reactor descansa en su "arranque" o puesta enmarcha, para lo cual se debe alimentar inicialmente con un caudal controlado menor que el de diseño, conestricto control del pH, de la presencia de Acidos Grasos Volátiles (AGV), del crecimiento neto celular medidoen términos de Sólidos Suspendidos Volátiles, de la relación entre la biomasa activa y la capacidad dedigestión biológica de la materia orgánica, medida en términos de la Actividad Metanogénica Específica(AME), de las características de sedimentabilidad del manto medido a través del Indice Volumétrico de Lodos(IVL), etc.

El filtro anaeróbico

El Filtro Anaeróbico de Flujo Ascendente (FAFA) es un reactor deoperación similar al proceso UASB, con la diferencia básica queel tanque es totalmente empacado, de tal forma que el lecho decontacto biológico es fijo (inmóvil). El material de empaque debe tener idealmente alta porosidad, de tal forma que se aumente la superficie específica de contacto entre el material orgánico a estabilizar y el material filtrante.

En el proceso FAFA se debe incorporar un tratamiento primario que elimine material suspendido del agua, conmiras a evitar tempranas obstrucciones del filtro, situación que no se presenta en el proceso de manto delodos. Además en el FAFA no es necesaria la incorporación de separadores de fases, ya que los sólidossuspendidos arrastrados por el biogás hacia la superficie son inmediatamente retenidos por el materialfiltrante, situación que no ocurre en el proceso UASB.

Tanto en el proceso UASB como en el FAFA la remoción de materiaorgánica en términos de Demanda Bioquímica de Oxígeno, oscila entre el 60 y 80%, valores típicos paraaguas negras, que pueden elevarse en el caso de algunas aguas residuales industriales.

Una modalidad de reciente aparición de reactor anaeróbico, desarrollado en Colombia y Brasil, se denominareactor "híbrido", consistente en una mezcla de las modalidades UASB + FAFA, de forma rectangular y fondoplano, con relaciones volumétricas que oscilan entre el 30 y 60% para el UASB, y por lo tanto, entre el 70 y40% para el FAFA.

EL REACTOR TIPO EASA

El Reactor tipo EASA consiste en un tanque de sección cuadradaen su parte superior, y pirámide truncada con pendientes de 45°en su sección inferior, parecido a un sedimentador tipo Dortmund. La alimentación del tanque se efectúa porun tanque deflectorcentral de sección cuadrada concéntrica, el cual desciende hastael fondo del reactor obligando al líquido residual a ponerse encontacto con los lodos concentrados en el fondo.

La operación hidráulica es similar a la de un tanque Dortmund: alimentación central a través de undeflector, el cual obliga al agua a ingresar al tanque por su sección inferior en forma radial uniformementedistribuida, con recolección del agua decantada mediante un vertedor perimetral, o alternativamente,mediante una serie de tuberías perforadas horizontales, similares a las utilizadas en la salida de unsedimentador laminar.

En la parte superior del Reactor tipo EASA se ha diseñado unfondo falso en viguetas prefabricadas, que permite la instalación de una capa de material poroso (escoriavolcánica) que actúe bajo el concepto de un Filtro Anaeróbico de Flujo Ascendente (FAFA), con ladiferencia que su tamaño es menor que el que habría correspondido a un diseño de FAFA convencional. Larelación volumétrica se basa en un 60% para el proceso UASB y un 40% para el FAFA, respecto del volumentotal del tanque sin contar el tanque de carga.

El primer Reactor tipo EASA se implementó en 1991 en un complejo turístico denominado Jacó Beach - JacóPrincess, el cual fue evaluado con apoyo de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica, endonde el consultor ha fungido como profesor durante los últimos 12 años. Posteriormente se evaluó en 1995la operación sanitaria de otra unidad similar, con aguas residuales de naturaleza industrial. En ambasinvestigaciones se obtuvieron excelentes resultados en la depuración, con eficiencias en remoción de DBOsuperiores al 60% durante los primeros meses de operación (no incluye la eficiencia del tratamiento primario,únicamente eficiencia del reactor).

Los detalles constructivos y operacionales, hidráulicos y sanitarios, así como los resultados de lasevaluaciones técnicas efectuadas, serán expuestos en la presentación oral de la ponencia, apoyado conmúltiples diapositivas ilustrativas basadas en cinco proyectos reales, que se encuentran operando actualmenteen Costa Rica, con aguas residuales de diferente naturaleza.

Con base en las evaluaciones técnicas y experiencia profesional del consultor, es posible asegurar una seriede ventajas comparativas del Reactor tipo EASA con respecto a los reactores convencionales, como se verá acontinuación.

VENTAJAS DEL REACTOR TIPO EASA

a) Sistema de distribución de caudal afluente: el Reactor tipo EASA cuenta con tabiques a 45° en elfondo del tanque, utilizados como concentradores de lodos que permiten un mejor contacto entre elagua residual y el manto de lodos, además de facilitar un efecto decantador del material suspendido

afluente. Este es uno de los problemas típicos de diseño del proceso convencional: la distribuciónuniforme del agua durante su trayectoria ascendente dentro del reactor, problema que es superadoen el Reactor tipo EASA en razón de su diseño geométrico con dos ejes de simetría, eliminándose los volúmenes muertos.

b) Inclusión de un FAFA: la inclusión de un pequeño FAFA dentro del mismo reactor, permite laaplicación de un proceso biológico anaeróbico en serie, hecho que aumenta la eficiencia del sistemaen remoción de materia orgánica, y permite eliminar los requerimientos de estructuras de separaciónde fases, dado que el filtro actúa en tal sentido, con excelente clarificación del agua tratada. El FAFApermite además mejorar la eficiencia bacteriológica del reactor, dada la actividad biológicaocasionada en la zooglea adherida al material granular. Esta condición mejora la eficiencia enremoción de patógenos, la cual es mínima en el caso del proceso convencional de manto de lodos.

c) Sistema de recolección de agua tratada: la existencia de un vertedor perimetral de recolección de agua tratada, con una tasa de derrame lineal mínima debido a la gran longitud desarrollada en elvertedor, colabora al establecimiento del flujo pistón ascendente, de tal forma que se eliminan zonasmuertas, efectos de corto circuito y arrastre de sólidos. Opcionalmente se puede implementar unsistema de tuberías perforadas o vertedores superficiales de recolección, colocados en formahorizontal, como se mostrará en diapositivas.

d) Efecto sedimentador: debido a la forma geométrica del tanque, cuya operación hidráulica semeja unsedimentador del tipo Dortmund, facilita la decantación de sólidos suspendidos, que sonposteriormente digeridos en el manto de lodos, en la zona de mayor concentración de biomasa.

e) Maduración de lodos: el inmediato adensamiento de lodos anaeróbicos producidos en el Reactor tipo EASA es evidente, en razón de su forma cónica, misma utilizada para la medición del materialsedimentable en el laboratorio (cono Imhoff). Esta situación promueve la maduración de los lodos anaeróbicos granulares en un tiempo más pequeño que el requerido en los procesos convencionales.

f) Velocidad ascencional: la presencia de un FAFA en la parte superior del reactor permite operar contasas de derrame mayores que las normalmente utilizadas para el proceso convencional, sin que estoocasione pérdida de biomasa por arrastre. Los criterios utilizados por el consultor para el diseño de lavelocidad de ingreso en el deflector central, y la velocidad ascencional en la sección prismática delproceso UASB, corresponden a tasas de derrame un 50% menores que las normalmente aplicablesal diseño de sedimentadores Dortmund. Obsérvese que el gradiente de velocidad ascencional esdescendente, similar a un proceso Langelier, debido a la amplificación gradual de la seccióntransversal al flujo, propia del Reactor tipo EASA.

g) Tamaño del reactor: el Reactor tipo EASA ocupa una menor área constructiva que los procesosconvencionales debido a su forma geométrica, presentando una relación Area/Volumen pequeña. Asípor ejemplo, una unidad de 500 m3 de volumen, ocuparía no más de 100 m2 de área superficial (10m x 10 m).

h) Purga de lodos: las purgas de lodos biológicos requeridos para mantener en equilibrio la eficiencia delreactor son altamente eficientes en el Reactor tipo EASA, dabido a la existencia de un concentradorde lodos en el fondo, similar al tanque Dortmund. Debido a ello se garantiza una purga altamenteconcentrada, con volúmen mínimo a evacuar, sin posibilidad de sedimentos remanentes. Estasituación no se logra en los sistemas convencionales, dada su fondo plano.

i) Costo del reactor: los costos constructivos del Reactor tipo EASA compiten con los costos típicos deunidades convencionales UASB ó FAFA, y pueden ser aún menores, dependiendo de las técnicas

constructivas empleadas. A manera de ejemplo, una unidad de 500 m3 de volumen puedeconstruirse con US$ 48.000.00 , guardando en el diseño una correcta calidad estructural.

j) Control de olores: debido a su forma geométrica y altura, se acostumbra construir el Reactor tipoEASA parcialmente enterrado, con la sección prismática a la vista. Esta situación, aparte de tornaragradable el diseño arquitectónico y optimizar el diseño estructural, ocasiona un efecto de "chimenea"que facilita la dilución del biogás en el aire (en caso de no desearse cerramiento superficial). En casode cerrarse la superficie del reactor, el costo del cerramiento es mínimo, debido a su menor áreasuperficial comparativa con reactores convencionales. Ante esta posibilidad, resulta atractivo elaprovechamiento de biogás.

k) El Reactor tipo EASA presenta todas las demás ventajas que pudieran derivarse de la aplicación dela tecnología de reactores anaeróbicos de flujo ascendente convencionales.

REFERENCIAS DE APOYO

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Arch. EASA AIDIS