11-Reactores anaerobios

REACTORES ANAEROBIOS

TRATAMIENTO DE EFLUENTES

Curso 2012

Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratarefluentes domésticos o industriales con altas cargas orgánicas.

Pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento paraproducir un efluente final adecuado para su disposición final.

Ventajas: bajo consumo de energía (no requiere aporte O2, posibilidad de recuperar CH4, lodo obtenido ya estabilizado)

Desventajas: largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses), sensibilidad a variación de condiciones ambientales, menor eficiencia en remoción de MO que sistemas aerobios.


GENERALIDADES:


TRATABILIDAD DE LOS EFLUENTES:

Los compuestos presentes en el afluente pueden ser clasificados como de degradación fácil, difícil o no degradables.

DQO total

DQO bd

DQO rec

DQO cel

DQO AGV

DQO rec

DQO cel

DQO AGV

DQO CH4

DQO rec

DQO rem

DQO no rem

DQO total afluente: puede dividirse en la porción biodegradable DQObd (degradable biológ. en condiciones anaerobias) y la que no puede ser degradada por las bacterias (DQO recalcitrante)

La MO biodegradable será consumida por los microorg. fermentativos, siendo convertida en células y ác.grasos volátiles.

La mayor parte de los ác.volátiles serán transformados en CH4


MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos) Hidrólisis

Acidogénesis

acetato + H2 + CO2

CH4 + CO2

Acetogénesis

Metanogénesis

compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos, etc)

ácidos orgánicos(acetato, propianato, butirato, etc)

H2S + CO2

DIGESTION ANAEROBIA:

Se debe garantizar un adecuado equilibrio entre las comunidades de bacterias que intervienen (Obs: sensibilidad de las metanog.)


Inhibición de las bacterias metanogénicas:

pH - rango para el desarrollo 6-8

Ac.volátiles – si pH sale de rango las metanog.se inhiben pero las acidogénicas continúan su actividad (se generan >> ác.volátiles) y el reactor se acidifica

Alcalinidad – importante ya que controla las variaciones de pH;si no fuera suficiente se dosifica alcalinizante

Tóxicos – las sales (Na, K, etc), el amonio y los sulfuros, en altas concentraciones, así como los metales pesados pueden inhibir el proceso. Debe haber ausencia de OD.

Otros requisitos ambientales:

- Nutrientes: macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe, Zn, etc) en proporciones adecuada

- Temperatura: rango mesófilo (30-35°C) o termófilo (50-55ºC)


Crecimiento bacteriano:

La velocidad de crecimiento de los microorganismos esproporcional a la vel.utilización de sustrato: dX/dt = Y . dS/dt

La velocidad de crecimiento de los microorganismos esproporcional a la conc.de microorg. y depende del sustrato:

- Cuando el crecimiento se da sin limitaciones: dX/dt = µ . X- Cuando existen limitaciones del sustrato presente:

µ = µmáx . S/(Ks+S) dX/dt = µmáx . S/(Ks+S) . X

Siendo: X = microorganismos (mg SSV/l)S = concentración de sustrato (mgDQO/l)Y = prod.biomasa por unidad sustrato (mgSSV/mgDQO)µ = vel.crecimiento celular (d-1)µmáx = vel.crecimiento máxima (d-1)Ks = cte.saturación de sustrato (S para µ = 0.5µmáx)

CINETICA DE LA DEGRADACION ANAEROBIA:


Decaimiento bacteriano:

dX/dt = -Kd . X con Kd = coef.de respiración endógena (d-1)

Crecimiento resultante:

dX/dt = µmáx . S/(Ks+S) . X - Kd . X

Siendo:X = microorganismos (mg SSV / l)µ = tasa crecimiento (d-1)µmáx = tasa crecimiento máxima (d-1)S = concentración de sustrato limitante (mg/l)Ks = oncentración de sustrato para la cual µ = 0.5µmáx

Coeficientes cinéticos:

Se debe tener cuidado al aplicar los valores de la tabla ya que los mismos no se ajustarán al funcionamiento del real del reactor (características del tipo de sustrato, la población bacteriana y las condiciones ambientales)


población µm(d-1)

Y (gSSV/gDQO)

acidogénicas 2.0 0.15

metanogénicas 0.4 0.03

bacteriana

pobl.mixta 0.4 0.18

Ks (mgDQO/l)

200

50

---

tasa metaboliz. (gDQO/gSSV.d)

13

13

2


EVALUACION DE LA ACTIVIDAD MICROBIANA:

El desempeño del proceso de tratamiento anaerobio dependedel mantenimiento, dentro de los reactores, de una biomasaadaptada, con elevada actividad microbiológica.

Para evaluar la actividad microbiana se utiliza eltest de AME (Actividad Metanogénica Específica),con el cual se determina la capacidad de labiomasa para convertir sustratos en CH4 y CO2.Test de AME:Ensayo de laboratorio donde se mide elmetano liberado, por desplazamiento devolumen (es una medida indirecta).Se intenta repetir el proceso de degradaciónanaerobia del lodo, en un recipiente de ensayo,para evaluar la producción de metano. Elensayo se realiza en condiciones estandar.

biogas

sol. de NaOH

lodo nutr. sustr.

biogas

frasco de reacción

probeta graduada


Descripción del test:- medir sólidos volátiles del lodo a evaluar- colocar lodo + nutrientes en frasco reacción- purgar el O2 (con N2 gas) y agregar el sustrato- agitar y registrar vol.gas a lo largo del tiempoCO2 : se disuelve en la solución de NaOHCH4 : burbujea (desplaza NaOH a la probeta)

Insumos necesarios para el test:- lodo anaerobio a evaluar- sustrato orgánico (acetato de sodio)- solución de nutrientes- disp.controlador de temp.(estufa, baño maría)- dispositivo de mezcla (agitador)- dispositivo de medición de producción de gases

biogas

sol. de NaOH

lodo nutr. sustr.

biogas

frasco de reacción

probeta graduada


CONFIGURACION DE REACTORES:

La selección de la configuración del reactor depende de: TDH,θc, carga orgánica e hidráulica, factores ambientales,disponibilidad de área, etc.

En todos los casos es importante favorecer el contacto dellíquido afluente con la biomasa activa en el reactor (parapromover una degradación más eficiente).

Los diseños con sistema de retención de biomasa permitenaumentar θc, reduciendo el TDH.

Sistemas convencionales: Cargas volumétricas bajas, altos TRH,no cuentan con mecanismos de retención de sólidos.

Sistemas de alta tasa: Cuentan con mecanismos de retenciónde biomasa (crecim.disperso o crecim.adherido), lo que permiteoperar con bajos TDH y altos θc.


Inmobilización de biomasa:

Crecimiento disperso:Los microorganismos se adhieren y agregan unos a otrosformando flocs o gránulos que se mantienen suspendidos en elreactor debido a las condiciones hidráulicas.

Crecimiento adherido:Las bacterias se adhieren a un medio soporte formado pormaterial inerte como arena, piedra, plástico.

Al favorecer el desarrollo y retención de gran cantidad demicroorganismos en el reactor, se logran altas velocidad detratamiento, lo que permite aplicar altas cargas orgánicas entanques de volumen reducido.

Carga orgánica aplicada: CO = Q.SCarga orgánica máxima admisible: COmáx = V.X.AME(AME = activ. metanog. máx. por unidad de biomasa kgDQOCH4/kgSSV.d)


SISTEMAS CONVENCIONALES:

Lagunas anaerobias:Funcionan como reactor y sedimentador conjunto.

Fosas sépticas:Predominan los mecanismos de sedimentación, depositándose el lodo en el fondo donde se da la mayor parte de la remoción de materia orgánica.

Digestores anaerobios:Son tanques circulares cubiertos, con pendiente de fondo parafavorecer el retiro de los sólidos sedimentados. La cubierta delreactor puede ser fija o flotante.Se emplean para aguas residuales con alta concentración desólidos suspendidos, lodos (1arios y 2arios).La etapa de hidrólisis puede volverse la etapa limitante(temp.óptima para la hidrólisis: 25-35ºC).


- No hay dispositivos demezcla.

- El líquido crudo ingresa enla zona de digestión.

- En la superficie se formauna capa de espumafavorecida por el gas queasciende arrastrando lodoy flotantes.

- Se purgan periódicamentesobrenadante y lododigerido.

- Volumen útil reactor =aprox 50% del vol.total deldigestor

Digestores anaerobios de baja carga:

LODO DIGERIDO

LODO EN DIGESTION

SOBRENADANTE

ESPUMA

efluentecrudo

líquido sobren.

lodo digerido

gas


θc = TDH 30-60 días

Cargasólidos

0.6-1.6 kgSSV/m3.d

Vol.reactor

57-85 l/hablodo 1ario

113-170 l/hablodo 1ario+ lodo act.

LODO DIGERIDO

LODO EN DIGESTION

SOBRENADANTE

ESPUMA

efluentecrudo

líquido sobren.

lodo digerido

gas


Digestores anaerobios de alta carga:

- Cuentan con mecanismosde mezcla y calentamiento.

- Admiten cargas mayores ylos volúmenes requeridosson menores.

- El proceso es más estable

θc = TDH 15-20 días

Cargasólidos

1.6-3.2 kgSSV/m3.d

Vol.reactor

37-57 l/hablodo 1ario

74-113 l/hablodo 1ario+ lodo act.

LODO DIGERIDO

LODO EN DIGESTION

efluentecrudo

lodo digerido

gas

control temp

- En general son indicadospara el tratamiento deaguas residuales con bajocontenido de SS, o parasistemas de tratamientoque cuenten con unidadesde retención de sólidosaguas arriba (ej:fosaséptica).

- El flujo puede serascendente o descendente

- TDH ≅ horas− θc ≅ 20 días


SISTEMAS DE ALTA TASA:

Biomasa adherida:

Reactores de lecho fijo (filtros anaerobios):

MANTO

afluentecrudo

líquido sobren.

lodo descaratado

gas


- Existe un manto dematerial inerte que sirvecomo soporte para losmicroorganismos, que vanformando una capa debiomasa adherida.

- Parte de los microorg.quedan retenidos en losintersticios del manto.

- El flujo de líquido por losintersticios del mantogenera la mezcla y elcontacto afluente-biomasa

MANTO

afluentecrudo

líquido sobren.

lodo descaratado

gas


Reactores de lecho rotativo (biodiscos anaerobios):

- Serie de discos instalados en forma paralelas, centradas enun eje giratorio accionado por un motor externo. Labiomasa se adhiere a los discos de material poroso.

- Los discos se mantienen sumergidos y el reactor es cerrado- Velocidad de rotación: debe permitir la adherencia de

biomasa en los discos y el desprendimiento del exceso debiomasa retenida en los mismos.

afluente

efluente


- La mezcla ocurre por el propio flujo hidráulico demovimiento de los discos. El líquido ingresa por un extremoinferior y sale por el extremo opuesto superior.

- A continuación del reactor se debe instalar un sedimentadorsecundario para la decantación de los lodos que salieroncon el efluente.

afluente

efluente


- El reactor contiene un mantode material inerte que semantiene expandido por lavelocidad ascencional dellíquido, al que se adhieren losmicroorganismos.

- La diferencia entre ambosreactores está en el grado deexpansión del manto de lodo(fluidificación: movimiento delas partíc. del lecho se vuelvelibre en relación a las demás)

Lecho expandido: 10-20%Lecho fluidificado: > 30%

Reactores de lecho expandido o fluidificado (RALF):

efluente

LECHO EXPANDIDOO FLUIDIF.

afluente

gas


- La expansión del lechomejora el contacto afluente-biomasa y evita problemasde obstruciones (como enfiltros anaerobios).

- Manto:- arena, antracita, PVC, etc

con φ = 0.3-3 mm- cerca del 10% del

volumen del reactor- En la parte superior de la

unidad se ubica unsedimentador que evita lasalida de partículas de lodocon el efluente.

efluente

LECHO EXPANDIDOO FLUIDIF.

afluente

gas


Biomasa suspendida

Reactores de manto de lodos (UASB-RAFA-DAFA):

- No posee material inerte comosoporte para la biomasa.

- La inmobilización de los microorg.ocurre por auto adensamiento(formación de flóculos o gránulosdensos suspendidos, que sedisponen en capas de lodo apartir del fondo del reactor)

- El flujo es ascendente y pasa através del lecho de lodo denso.

- La estabilización de la MO ocurreen todas las zonas del reactor.

CAPA DE LODO

efluente

MANTO DE LODO

afluente

gas


- En la parte superior se ubica unsedimentador para evitar la salidade partículas de lodo con elefluente.

- Debajo del sedimentador existeun dispositivo de separación delos gases.

CAPA DE LODO

efluente

MANTO DE LODO

afluente

gas


SISTEMAS COMBINADOS:Pueden emplearse sistemas integrados de reactores anaerobioscomo primera etapa, con otros reactores biológicos para postratamiento, de modo de asegurar un efluente de alta calidad.

Reactor anaerobio + Reactor anaerobio:Fosa séptica + Filtro anaerobio

en la fosa séptica se retiene y degrada la fracciónparticulada de la MO por sedimentación, mientras que lafracción soluble es tratada en el filtro anaerobio

UASB + Filtro anaerobioel efluente del UASB puede contener SS de pequeñotamaño que pueden ser retenidos en un filtro anaerobio

Reactor anaerobio + Reactor aerobio:UASB + Barros activados, Filtro biológico o Laguna aireada

con el tratam.aerobio posterior se logra remover MO remanente y otros elem, obteniendo efluente de alta calidad.


Desinfección de efluentes anaerobios:Lagunas de maduración

para reducir el contenido de microorganismospatógenos

Disposición en el suelose puede lograr la remoción de los patógenos antes dealcanzar los cuerpos de agua

Desinfeccióncon cloro (generación de subproductos indeseables),con ozono (costo elevado)

REACTORES UASB

DISEÑO DE REACTORES UASB:

efluente

afluente

gas

Capa de lodo

Manto de lodo

Deflector de gases

Separador

En la zona inferior sedesarrolla una capa de lodoconcentrado (4-10%) conbuenas características desedimentación.

Sobre esa capa sedesarrolla una zona decrecimiento bacteriano másdisperso (manto de lodos)en el que los sólidospresentan velocidades desedimentación más bajas.La concentración de lodoen esa zona es 1.5-3%

REACTORES UASB

efluente

afluente

gas

Capa de lodo

Manto de lodo

Deflector de gases

Separador

El sistema es auto mezcladopor el mov. ascendente de lasburbujas de gas y del flujo delíquido a través del reactor.

En la zona superior hay unseparador de gases-sólido-líquido, que ayuda a retenerel lodo dentro del reactor.Sobre el separador se ubicael sedimentador donde ellodo sedimenta y vuelve alcompartimiento de digestión.

En general θc > 30 días, porlo que el lodo excedentedescartado ya se encontraráestabilizado.

REACTORES UASB

- Se deben garantizar bajas velocidades en loscompartimientos de digestión y sedimentación para retenerla biomasa en el sistema (Asup. para asegurar esas vel.)

- Para favorecer la sedimentación del lodo en la cámara desedimentación puede ser necesario aumentar el Asup. (parareducir la velocidad del flujo).

- Se deben asegurar las velocidades admisibles para todo elrango de caudales afluentes.

- Forma de los reactores: circulares o rectangularescon Asup. uniforme o variable

Consideraciones generales:

REACTORES UASB

Carga orgánica volumétrica:COV = Q.S/VCOV < 15 kgDQO/m3.d

Con: COV = carga orgánica volumétrica (kgDQO/m3.d)Q = caudal afluente (m3/d)S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m3)V = volumen del reactor (m3)

Cuando se tratan líquidos domésticos la carga orgánica no es elfactor limitante, ya que en general < 2.5-3 kgDQO/m3.d.

Carga hidráulica volumétrica: CHV = Q/V = 1/TDHCHV < 5 m3/m3.d (TDH>4.8 hs)

Con: CHV = carga hidráulica volumétrica (m3 /m3.d)Q = caudal afluente (m3/d)V = volumen del reactor (m3)TDH = tiempo de retención hidráulico (d)

Criterios de proyecto:

REACTORES UASB

Observaciones:

- Si se diseña con TDH menores puede producirse la pérdidaexcesiva de biomasa del sistema, con la reducción de θc.

- La temperatura influye en la velocidad del proceso dedigestión, por lo que se limita TDH según la temperatura:

Temp.del líquido (°C)

TDH med. (Qm)

TDH mín (Qmáx)

16-1920-26>26

> 10-14 hs> 6-9 hs> 6 hs

> 7-9 hs> 4-6 hs> 4 hs

Qmáx es el quese da durante untiempo máx.4-6hs por día

- Según la concentración de sustrato delafluente, el criterio de diseño limitanteserá por: CHV S < 2500 mgDQO/l

COV S > 2500 mgDQO/l

V(m3)

S(mgDQO/l)2500

Q/CHVQ.S/COV

REACTORES UASB

Carga biológica (carga de lodo): CB = Q.S/M

Con: CB = carga biológica (kgDQO/kgSSV.d)Q = caudal afluente (m3/d)S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m3)M = masa de microorg. en el reactor (kgSSV)

Es la MO aplicada diariamente al reactor por unidad de biomasapresente. La carga biológica máxima depende de la actividadmetanogénica del lodo.

En la partida de reactores anaerobios CB será baja, del ordende 0.05-0.15 kgDQO/kgSSV.d, y se irá aumentandogradualmente. Durante la operación en régimen se puedenalcanzar valores de CB = 2 kgDQO/kgSSV.d

REACTORES UASB

Q v (m/h)medio

máximopico

0.5-0.70.9-1.1< 1.5

Los picos tendrán unaduración máxima de 2-4hs por día

Para mayores cargas orgánicas (5-6 kgDQO/m3.d):- Si el reactor opera con un lodo tipo floculento v ≅ 0.5-0.7

m/h y para picos v ≅ 1.5-2 m/h- Si opera con lodo tipo granular se admitirá v < 10m/h

Velocidad superficial del flujo: v = Q/A = H/TDH

Con: v = velocidad ascencional (m/h)A = área superficial (m2)H = altura del reactor (m)

Corresponde a la zona de digestión y el valor máximo dependede las características del lodo presente y de las cargasaplicadas. Para líquidos domésticos:

REACTORES UASB

Distribución del afluente:

Se debe distribuir el sustrato afluente en forma uniforme en laparte inferior del reactor, evitando cortocircuitos a través de lacapa inferior de lodo.

Esto es fundamental cuando se tratan líquidos domésticos o latemperatura de operación es baja ya que la producción de gasno es suficiete como para lograr la mezcla adecuada.

El sistema se diseña a partir de un canal de distribuciónubicado en la parte superior, que distribuye el afluente a travésde tubos que descargan el líquido en la zona inferior delreactor.

A continuación se verán los parámetros de diseño para cadauno de los componentes del sistema (canaletas y tubos dedistribución).

REACTORES UASB

Esquemas para tanque circular o rectangular:

REACTORES UASB

Canaleta de distribución:

La canaleta de distribución se ubica en la zona superior delreactor y alimenta los tubos de distribución. Conviene que lacanaleta se divida en compartimientos, en cada uno de loscuales se ubique un tubo de distribución (mejor respuesta frentea obstrucciones)

REACTORES UASB

Tubos de distribución:

- φ ≅ 75-100mm por obstrucciones- velocidad < 0.2 m/s para evitar ingreso

de aire al reactor- en la zona inferior se busca tener una

velocidad mayor para favorecer la mezcla y evitar sedimentaciones en la zona cercana: φ ≅ 40-50mm

- número de tubos: se determina enfunción del A del reactor y del área deinfluencia de cada distribuidor (Ad).Nd = A / Adpara líquidos domésticos se puedeasumir Ad = 1.5-3 m2

REACTORES UASB

Separador de gases, sólidos y líquidos:

Separación de sólidos:

- Sedimentador:- profundidad de la cámara de sedimentación 1.5-2 m- tasade aplicación superficial y tiempo de retención según:

- paredes del sedimentador serán inclinadas (>45°)

- Se instalarán deflectores debajo de las aberturas de ingreso alsedimentador (sobresaliendo 10-15 cm) para evitar ingreso degases. La velocidad en las aberturas será menor a: 2-2.3 m/h(Qm), 4-4.2 m/h (Qmáx), 5.5-6 m/h (Qpico)

Q Vs (m/h)medio

máximopico (2-4hs)

0.6 - 0.8

< 1.2< 1.6

TDH (h)1.5 - 2

> 1> 0.6

REACTORES UASB


Recolección del efluente:Estructura de salida mediante vertederos o tubos perforadossumergidos, con tabique para evitar salida de espumas.

Alturas parciales del reactor:

H cámara digestión = 2.5-3.5 mH cámara sedimentación = 1.5-2 m

Eficiencia:

Puede esperarse rendimientos de entre 50-70% para remociónde DQO. En base a datos experimentales se estimaron:EDQO = 100 (1 - 0.68 x TDH-0.35)EDBO = 100 (1 - 0.7 x TDH-0.50)ESS = 250/TDH + 10

REACTORES UASB


Separación de gases:

Las dimensiones deben ser tales que permitan la formación deun área de interfase líquido-gas suficiente para permitir laliberación del gas generado. El gas, al liberarse, deberá vencer lacapa de espumas pero sin arrastrar partículas de lodo hacia lastuberías de salida de gas.

Tgas = Qgas / Ai

Con: Tgas = tasa de liberación de gas (m3/m2.h)Qgas = producción esperada de gas (m3/h)Ai = área de la interfase líquido-gas (m2)

Se recomiendan valores de Tgas ≅ 1-3 m3/m2.h, por lo quedeterminando Qgas se puede obtener el área de interfase.

REACTORES UASB


El gas puede ser utilizado para:- Calentamiento del reactor- Calefacción de las salas de operación- Producción de energía eléctrica

Precauciones:La mezcla de gas y aire en proporciones entre 5,5-13,5% es explosiva y puede causar asfixia por agotamiento de oxígeno.

El sistema de gases comprende:- Campana de captación de gas- Medidor de gas (caudalímetro)- Almacenamiento de gas y quemador del gas sobrante- Accesorios (válvulas de seguridad, manómetros, reguladores

de presión, etc)


La remoción de DQO se da en la etapa final metanogénica,donde se forma CH4 (muy poco soluble). La MO inicial terminasiendo liberada a la atmósfera en forma de CH4, reduciendo asíel contenido orgánico del efluente.

Estimación de la producción de CH4:

Remoción de DQO y producción de CH4 en el proceso:

En el proceso de degradación de la MO se libera CH4, el cualserá luego oxidado a CO2 y H2O para completar el ciclo delcarbono. CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

(16gr) (64gr) (44gr) (36gr)

De la ecuación surge que 1 mol de CH4 requiere 2 moles de O2para su completa oxidación. Es decir que por cada 16 gr de CH4producido y liberado se consumen 64 gr de O2 (se remueven 64gr de DQO).


Entonces puede determinarse la producción de metano a partirde la remoción de DQO en el proceso:

VCH4 = DQOCH4 / k(T) K(T) = K.P / R(273+T)

Con: VCH4 = volumen de CH4 liberado (l)DQOCH4 = DQO convertida en metano (grDQO removido)K = gr DQO por 1 mol de CH4 (64 grDQO / molCH4)R = cte. de los gases (0.08206 atm.l/mol.°K)P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC)

Finalmente, considerando que el gas producido se compone de:75-80% CH4 y 20-25% CO2, puede estimarse la produccióntotal de gas en el proceso.

REACTORES UASB

Sistema de descarte de lodo:

En forma periódicase realiza la purgadel lodo en excesopresente en elreactor, y delmaterial inertesedimentado en elfondo de la unidad.Se colocan dospuntos de purga(tuberías de φ >100mm):- junto al fondo

del reactor- 1-1.5 m encima

del fondo

FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS

REACTORES UASB:

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