Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos BIOREACTORES Los bioreactores pueden definirse como un depsito en el que se producen una serie de reacciones biolgicas llevadas a cabo por los microorganismos o enzimas que se encuentran dentro del reactor. En el tratamiento de los contaminantes de aguas domsticas o industriales, los bioreactores se emplean principalmente para reducir la contaminacin de los contaminantes presentes en aguas contaminadas hasta niveles aceptables. El tratamiento biolgico es muy verstil y rentable cuando la concentracin de contaminantes en el agua es relativamente baja y los volmenes a tratarse son grandes. Otras alternativas bajo estas condiciones son costosas, como la incineracin. Los contaminantes pueden ser: Materiales flotantes inmiscibles (aceite, grasas, slidos flotantes) Slidos en suspensin orgnica Materiales orgnicas solubles Materiales inorgnicos solubles ( ejemplo:NH3, NO3- , fosfatos) Materiales voltiles. El tratamiento biolgico se emplea de forma rutinaria para reducir el DBO desde 100 250 hasta 5-15 mg/l, el DQO desde 200 -700 hasta 15-75 mg/l, el fsforo desde 6-1.0 hasta 0.2 -0.6 mg/l, el nitrgeno desde 20 30 hasta 2 5 mg/l y los lodos en suspensin desde 100 400 hasta 10 25 mg/l. Los bioreactores destinados al tratamiento de aguas residuales solo pueden disearse de forma apropiada si se tienen en cuenta los parmetros cinticos asociados a las principales reacciones biolgicas implicadas en el proceso, tales como: velocidad de eliminacin de contaminantes por unidad de biomasa, la velocidad de crecimiento de microorganismos, la produccin de biomasa por unidad de sustrato consumido y los requisitos de nutricin de los microorganismos. Adems al disear se debe disponer de la informacin cuantitativa en relacin a la velocidad de transferencia de la masa de los nutrientes; especficamente del oxgeno, a los microorganismos, con el fin de tener un diseo que satisfaga todos los balances de masa y de energa. Todos estos datos se obtienen del laboratorio en un estudio de planta piloto o de la acumulacin de la experiencia de plantas existentes. CLASIFICACIN DE LOS BIOREACTORES Antes de examinar las caractersticas de cualquier bioreactor especfico es conveniente considerar las diferentes categoras en las que se puede clasificar lo cual ayudar a comprender las ventajas y desventajas de cada tipo de reactor y as poder escoger el ms adecuado para el tratamiento de aguas contaminadas de determinadas caractersticas.

1

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos Las categoras de bioreactores A. Reactores aerbicos y anaerbicos La diferencia fundamental entre ambos tipos de reactores consiste en que los reactores anaerbicos deben cerrarse para excluir al oxgeno del sistema, ya que el oxgeno interfiere en el metabolismo de los anaerobios, otra razn que obliga a que el reactor anaerbico sea cerrado es el olor, asociado a la fermentacin anaerbica. Un reactor anaerbico doble tambin cuenta con un sistema de ventilacin o un sistema de recoleccin de los gases (CH4 y CO2) generados durante el proceso anaerbico. Por lo contrario, los reactores aerbicos que contienen biomasa en suspensin requiere el uso de un sistema de aireacin o dispersores para proporcionar el oxgeno a los microorganismos. Una de las principales diferencias del oxgeno como sustrato clave es su baja solubilidad en agua, al contrario de los restantes sustratos importantes (caliza, nitratos NH4+, etc.) que presenten concentraciones de saturaciones altas. Adems y debido a la baja saturacin del oxgeno en el agua, la fuerza motriz para transferir al agua la masa de oxgeno procedente de las burbujas de aire es bastante pequea. Por lo tanto, se debe generar una gran interfase aire - agua para suministrar suficiente oxgeno al sistema. Generalmente, se lleva a cabo mediante el uso de uno o ms agitadores que rompen las grandes burbujas de aire y las distribuyen en el lquido. La mayora de plantas de tratamiento biolgico existentes son aerbicas. Las razones para esta preferencia frente a las anaerbicas son: La mayor parte de aguas residuales que pueden ser tratadas mediante este sistema, la mayor estabilidad que presenta el proceso y la facilidad de su control y la capacidad de conseguir un mayor grado de eliminacin de DBO, nitrgeno y fsforo. Los sistemas anaerbicos requieren un mayor tiempo de residencia del residuo en el reactor, debido a que el metabolismo de los microorganismos anaerbicos es lento. Esto se traduce en la necesidad de un reactor de mayor volumen para tratar la misma cantidad de residuos. El metabolismo lento implica tambin la necesidad de un mayor periodo de tiempo para que los organismos anaerbicos se adapten en el reactor. Esto hace que el tiempo de arranque puede ser importante y se requiera ms tiempo para volver a poner el reactor en funcionamiento cuando se pierda la poblacin bacteriana por una falla en el proceso. Adems, el reactor anaerbico necesita mayor control de los parmetros de operacin, as, el pH y la temperatura. Mientras la degradacin aerbica normalmente se lleva a cabo con mltiples organismos que trabajan ms o menos en forma independiente y paralela, los organismos anaerbicos viven en consorcios o asociaciones, donde distintos tipos de organismos son responsables de la degradacin de los desechos. Esto hace que los

2

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos reactores anaerbicos sean ms propensos a fallos. Las razones que explican este hecho son la sobrecarga orgnica, las sustancias txicas para la vida de los microorganismos. La sobrecarga orgnica se produce cuando las aguas residuales contienen una alta concentracin de compuestos orgnicos. Esto provoca la rpida produccin de cidos voltiles por parte de una parte de los microorganismos anaerbicos (bacterias acetognicas), y la inhibicin de los metangenos (producen CH4), con el consiguiente fallo del reactor. Sin embargo, los reactores anaerbicos tienen ventajas, tales como: son capaces de tolerar mayores velocidades de carga, no requieren un alto gasto energtico para la dispersin de aire (caso aerbico) y generan menos biomasa por unidad de residuo degradado y pueden trabajar con flujos contaminados con materiales peligrosos voltiles que pueden ser arrastrados por el aire. Uno de los principales inconvenientes del reactor aerbico, por ejemplo, es el proceso con lodos activados, en donde se produce gran volumen de biomasa. Una ventaja de los reactores anaerbicos es la produccin de CH4 que puede ser usado como combustible y puede reducir compuestos halogenados que posteriormente pueden tratarse en forma aerbica. La respiracin anaerbica, que utiliza un aniones inorgnicos, como o , como receptor de electrones en vez de O2, se puede utilizar para una serie de degradaciones especficas, como la desnitrificacin. B.- Reactores continuos y discontinuos La mayora de los sistemas de tratamiento de aguas contaminadas a gran escala son operadas de modo continuo, o sea, el flujo de residuos entra continuamente en la planta y el flujo aclarado sale en flujo continuo. Un concepto importante asociado a los reactores continuos es el tiempo de residencia, que es el tiempo que permanece en el reactor, y se representa:

Donde V es el volumen del reactor y Q, el caudal. Un sistema continuo debe tratar todos los residuos entrantes para los que fue diseado. Adems, la concentracin de contaminantes, biomasa o nutrientes debe ser constante en cualquier localizacin y no variar en funcin del tiempo. En otras palabras, el sistema funciona en condiciones de Estado Estacionario. En la prctica, las fluctuaciones siempre estn presentes por los cambios que se producen en las condiciones operativas (velocidad de flujo, composicin, etc) y parmetros de operacin (temperatura, pH, etc.). El problema en procesos continuos es que si se

3

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos produce una parada en el proceso que no se pueda corregir satisfactoriamente, el resultado ser una descarga de un flujo con contaminantes. Por lo contrario, en los sistemas discontinuos, el reactor se carga con los residuos y el proceso se desarrolla hasta que se completa. Estos sistemas son generalmente ms sencillos, requieren un equipo de apoyo mnimo y son adecuados para el tratamiento de pequeas cantidades de residuos, cuando el tiempo de residencia es demasiado largo y cuando se trata slidos. Esto sera el caso del compostaje, por ejemplo, en el que la descomposicin de los residuos se logra mezclando los residuos con agentes espumantes y nutrientes en pilas de residuos slidos. El tratamiento lquido/slido, procesos similares al de los lodos, activados a gran escala, funciona mejor en forma continua. Un proceso de operacin intermedio, entre el proceso continuo y discontinuo, es el proceso semi-continuo. Aqu, el material residual entra continuamente en un reactor, que es operado en forma discontinua. C.- Reactores de mezcla completa y flujo pistn Los bioreactores continuos se pueden disear y operar como reactores de mezcla completa o como reactores de flujo en pistn, o una combinacin de estos dos tipos extremos. En el reactor de mezcla completa, el contenido del reactor est completamente homogneo, mediante agitadores en otro dispositivo de mezcla (Figura 1)

Figura 1. Reactor de Agitacin Continua Cuando entra al reactor, la alimentacin se encuentra completamente homogeneizada dentro del seno del lquido. El flujo que sale del reactor tiene la misma composicin que el lquido en el interior del mismo. Al reactor de mezcla completa frecuentemente se le conoce como reactor de agitacin continua.

4

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos En un sistema de flujo pistn, el material de alimentacin se mueve a travs del reactor. La composicin del fluido vara en cada punto mientras se mueve a lo largo del reactor y se produce la reaccin (Figura 2)

Figura 2. Reactor de Flujo Pistn Ambos tipos de reactores se exponen para caracterizar el comportamiento de algunos sistemas de bioreactores utilizados en el tratamiento de aguas contaminadas, como el proceso de tratamiento de lodos activados. Los reactores con flujo pistn normalmente son ms eficaces en la mayora de aplicaciones de tratamiento de aguas servidas, ya que las reacciones biolgicas en la descomposicin de los residuos son directamente proporcionales a las concentraciones de compuestos residuales. En cambio, en un reactor de mezcla completa, en el agua las concentraciones de los contaminantes necesariamente han de ser bajas, presentan un menor rendimiento de conversin de residuos por unidad de volumen del reactor que un reactor de flujo-pistn; en el que el material efluente no se mezcla con los residuos anteriores. De cualquier manera, un sistema de flujo-pistn es difcil de conseguir en la prctica, puesto que es inevitable un grado de mezcla debido a la propia dispersin longitudinal. Por lo tanto, lo que se encuentra con frecuencia son los sistemas combinados de los dos tipos de reactores. D.- Recirculacin de fluido En muchas ocasiones es ventajoso proporcionar al reactor una recirculacin del fluido, es decir, un flujo lateral procedente del efluente del reactor que se recircula parcialmente al reactor (Figura 3)

Figura 3. Reactor de Recirculacin

5

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

En los reactores para tratamiento de aguas, el proceso de recirculacin de lodos incrementa el rendimiento del reactor y el nivel de flexibilidad del reactor. Adems, los reactores de recirculacin incrementan el tiempo de residencia del material tratado en el reactor. Adems, es an ms importante el uso de la recirculacin en reactores biolgicos porque se recircula todo el contenido del efluente y no se recircula un solo componente. En los reactores de tratamiento de aguas residuales, la biomasa de recirculacin constituye el biocatalizador responsable de las reacciones de degradacin. Por esto, con frecuencia es conveniente maximizar la concentracin de biomasa en el bioreactor con el fin de mejorar el rendimiento de descomposicin de los desechos. Esto se logra utilizando un decantador secundario despus del bioreactor. En el decantador, la biomasa se separa parcialmente del lquido y despus se recircula al bioreactor. En estos sistemas, el decantador a menudo se convierte en el componente clave de todo el sistema y la mayora de las fallas se atribuyen a la incapacidad para separar la biomasa durante el tiempo de residencia en el decantador. E.- Sistema de biomasa inmovilizada y biomasa en suspensin. Otra forma de maximizar la retencin de biomasa dentro del reactor es evitar su salida junto con el flujo efluente. Esto se puede lograr inmovilizando la biomasa sobre un soporte que no puede salir con el efluente. Por este motivo, existen varias configuraciones de reactores que se presentan en un material de relleno al que se adherirn los microorganismos formando una pelcula biolgica. Este proceso de adherencia con frecuencia se ve incrementado por la preferencia de la poblacin microbiana a crecer acoplado a un soporte, en vez de en suspensin. En otros casos, los slidos a los que se acoplan los microorganismos son pequeas partculas (como arena) que pueden mantenerse fcilmente en suspensin (lecho fluidizado) mediante el flujo residual que entra en el reactor, pero que no son lo suficientemente ligeras como para ser arrastradas por el efluente. Finalmente, los organismos tambin pueden ser inmovilizados en un soporte sobre el que se hace gotear el efluente residual, o en un soporte que se sumerge peridicamente en la disolucin de residuos (como el caso de los discos rotativos o biodiscos). En todos estos sistemas, mientras la biomasa se va espesando sobre la superficie en cantidad suficiente a los organismos que estn en el interior. Al final esto conducir a una prdida de la capa de biomasa contenida sobre una partcula dada o un rea de superficie (desprendimiento negativo). Este fenmeno ayuda a mantener un nivel constante de biomasa en el reactor que en otra forma se atascara.

6

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos CONFIGURACIONES BSICAS DE LOS BIOREACTORES Actualmente, en el sector industrial, se utiliza un gran nmero de bioreactores distintos. Se diferencian no solo en su configuracin fsica, sino tambin en los diferentes requisitos que se imponen en el proceso y a la actividad metablica microbiana. Por ejemplo, los mecanismos para el suministro y distribucin de aire en lso reactores aerbicos (parte ausente en los reactores anaerbicos), los mecanismos para la inmovilizacin microbiana, la operacin continua o discontinua, etc., dan lugar a las caractersticas de un reactor especfico. En general, los bioreactores para el tratamiento de aguas contaminadas caen dentro de las dos amplias categoras: 1.- Bioreactores con biomasa en suspensin.- La biomasa en estos reactores es la responsable de la accin de descomposicin de la materia orgnica y se encuentra en suspensin; por tanto, se deber recuperar y recircular parcialmente al reactor para que el proceso sea autosostenible. El proceso de lodos activados se basa en el uso de este tipo de reactores. Algunos procesos continuos anaerbicos tambin utilizan este mtodo. Los reactores agitados mecnicamente y los reactores con aireacin son ejemplos de estas categoras. 2.- Bioreactores con biomasa inmovilizada.- En estos reactores, la biomasa se inmoviliza sobre algn tipo de soporte y no se pierde en el efluente. Este tipo de reactores se utiliza en algunas aplicaciones de tratamiento aerbico en reactores con relleno, de lecho bacteriano, de biodiscos y de lecho fluidizado. Adems, este es el mtodo utilizado en el diseo de la mayora de los procesos continuos de tratamiento anaerbico. A. Bioreactores con agitacin mecnica. Este tipo de reactores agitados son recipientes metlicos o de hormign con algn sistema mecnico de agitacin que mueve uno o ms agitadores. Si los reactores son pequeos y cerrados, generalmente, pueden ser cilndricos y metlicos, con un eje central equipado con rodetes (aspas) y movido con motor. Estos reactores deben tener deflectores verticales montados cerca de la pared del reactor que elimina los remolinos (parte sin mezclar) del lquido. Las grandes instalaciones abiertas, que se encuentran en plantas de tratamiento aerbico, normalmente son depsitos rectangulares con varios puntos de agitacin distribuidos por igual en la superficie del depsito (Figura 4.)

7

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

Figura 4. Reactor Agitado y Aireado La agitacin cumple dos finalidades: obtener una mezcla homognea y para ello se dispersan por todo el reactor los nutrientes disueltos y la biomasa. Para cada rodete, el consumo de energa es: Donde: P es la energa, M es la velocidad de agitacin (en rpm),D es el dimetro del rodete y MP es una constante (Constante de Newton) que est en funcin del tipo de rodete. Ejemplo para turbinas de discos con 6 aspas, MP = 5. El MP se encuentra en la literatura. La segunda finalidad, si el reactor es aerobio, es la dispersin del aire rompiendo las burbujas de aire para aumentar el rea de interfase gas-lquido y aumentar la transferencia de O2. Los agitadores de discos son muy eficaces pero consumen mucha energa. Los difusores de aire que estn aceptados deben proporcionar burbujas de aire del menor dimetro posible. Se usa un compresor de aire para la administracin de aire. La velocidad de transferencia del O2 por unidad de volumen del lquido est dada por: ( )

Donde: es la velocidad de transferencia del O2 / volumen de lquido, y son las concentraciones de O2 en saturacin y en agua respectivamente y el es el coeficiente de transferencia de masa , por el rea ( ) de interfase / volumen del lquido, que a su vez est dado por: ( )

8

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos Donde, V es la velocidad superficial del gas, que es una constante y est entre 1,2 y 2,3 si todas las variables estn en unidades SI. El valor de es el consumo de energa del agitador bajo condiciones de aireacin, que es una fraccin del valor P, y est dado por la relacin: ( )

Donde ( ) depende de la velocidad de agitacin y la tasa de aireacin . Los niveles tpicos de transferencia de oxgeno se sitan en el rango de 1 1.8 Kg de O2 transferido/ KW-h de energa consumida. B.- Bioreactores con aireador de superficie Los aireadores de superficie generalmente se encuentran en grandes reactores. Este tipo de agitador gira muy cerca de la superficie del lquido y atrapa el aire de la interfase gas lquido. La mezcla aire lquido se dispersa a travs del depsido mediante la accin giratoria del rodete. Se puede utilizar varios dispositivos de rodetes. La ventaja de este mtodo de dispersin del aire es que no se utiliza ningn compresor de aire externo. El consumo de energa es menor que el agitador sumergido. Las transferencias tpicas de O2 estn entre 1.5 y 2.5 Kg O2 / KW h. Para asegurar que el agitador realice una suspensin completa de la biomasa, la profundidad de los tanques de aireacin ser menor a 4 metros (fig. 5)

Figura 5. Reactor con aireador de superficie de biodiscos

9

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos C.- Bioreactores RBC (Contactores biolgicos o biodiscos) Estos reactores son usados exclusivamente en procesos de tratamiento aerbico. Estn formados por un nmero variable de discos montados sobre un eje horizontal parcialmente sumergido en el lquido que gira lentamente (Figura 6). La biomasa se acopla a ambas superficies de los discos. La accin giratoria la expone, en forma alternada, al lquido (que proporciona los nutrientes disueltos) y al aire (que proporciona el oxgeno.

Figura 6. Contactor biolgico rotativo

D.- Bioreactores de lechos fijos Los reactores de lecho fijo representan uno de los dispositivos de separacin y uno de los tipos de reactores ms comunes en la industria Qumica. En este tipo de reactor se utilizan los microorganismos inmovilizados en su interior para degradar los contaminantes de aguas residuales. Los lechos fijos estn formados por un recipiente (que puede estar abierto o cerrado) que contiene internamente un material de relleno. El relleno se disea para que posea una gran rea superficial, donde la fase lquida, la fase gaseosa (si existe) y los microorganismos inmovilizados pueden estar relacionados. Por lo general, el relleno se elabora con material suelto como grava, piedra de lava, piedra pmez o material plstico. Los lechos fijos se pueden emplear para procesar aerbicos y anaerbicos. Los lechos anaerbicos son recipientes cerrados en los que solo circula el lquido a tratarse en sentido ascendente dentro del lecho. (Fig. 7)

10

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

Figura 7. Reactor de lecho fijo de flujo ascendente E.- Bioreactores de lecho fluidizado Otra forma de retener a los microorganismos dentro del reactor consiste en inmovilizarlos sobre las partculas de un material ms pesado que el lquido, y despus, mantenerlos en suspensin utilizando el propio lquido. Este mtodo es empleado por los reactores de lecho fluidizado (Fig. 8) Como partculas de inmovilizacin se puede usar arena, carbono activado, resina, etc. La suspensin se consigue cuando el arrastre friccional ejercido por el fluido es equivalente a la fuerza gravitacional. Experimentalmente, se ha comprobado que, para partculas pequeas de 1 mm. , la velocidad del fluido en la que se consigue la fluidizacin est dado por:

Donde: es la velocidad de fluidizacin, es la velocidad de las partculas en cada libre dentro del lquido, E es la porosidad del lecho, n es un exponente en funcin del rgimen de flujo, d es el dimetro de la partcula y D es el dimetro del reactor.

Figura 8. Reactor de lecho fluidizado

11

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos F.- Bioreactores de flujo de aire ascendente En algunos bioreactores aerobios, la energa suministrada al gas en forma de presin se emplea tambin para homogenizar al lquido, e incluso para hacer circular. En los tanques de aireacin dentro del proceso tradicional con lodos activados, el aire se suministra de una forma alternada mediante difusores. Existe dos mtodos: el primero consiste en introducir aire a travs del material poroso, obteniendo burbujas finas, y el segundo consiste en forzar el aire a travs de una serie de orificios, con lo que se obtiene burbujas ms grandes. Tambin se puede emplear boquillas a chorro. Los difusores se montan sobre una red de tuberas de aire localizadas en el fondo del recipiente con el fin de proporcionar una oxigenacin uniforme del lquido. Las burbujas producidas por los difusores generan tambin un flujo inducido que mezcla el lquido verticalmente y sirve para suspender la biomasa y los slidos que se encuentran en suspensin (Fig. 9)

Figura 9. Reactor de flujo ascendente de aire

12

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos SISTEMA DE REACTORES AEROBICOS 1. LAGUNAS DE ESTABILIZACIN AROBICOS Las lagunas aerbicas representan uno de los mtodos ms antiguos de purificacin de aguas residuales. Generalmente se trata de embalses de agua, con un tamao que puede variar entre 100m2 y varios Km2, rodeado por barreras materiales o artificiales de contencin a donde fluyen las aguas residuales, y en donde diversos mecanismos llevan a cabo su actividad metablica. Mientras que la mayora de procesos biolgicos de tratamiento son organismos heterotrficos que realizan la actividad de descomposicin, en las lagunas aerbicas son los organismos autotrficos, como por ejemplo las algas, que juegan un papel importante. La fotosntesis de estos organismos produce el 02 que los microorganismos emplean para atacar y degradar los microorganismos. A cambio, la poblacin microbiana responsable de la degradacin del contaminante genera CO2 y otros productos residuales que pueden ser utilizados por las algas. Las algas necesitan luz y por tanto, las lagunas aerbicas normalmente son pocos profundas (0.15 1 m), lo que permite que la luz penetre y llegue hasta el fondo de la laguna, manteniendo bajo condiciones aerbicas. Adems, la poca profundidad incrementa el rea de interfase aire-agua por unidad de volumen en la laguna, creciendo la tasa de transferencia del O2. Debido a la elevada relacin rea/volumen, las lagunas aerbicas pueden sufrir importantes variaciones de temperatura que tienen un efecto importante sobre la poblacin microbiana y sobre el rendimiento de la laguna. Las lagunas de estabilizacin, se pueden operar como estanques de almacenamiento, donde no existe efluente lquido, solo vaporizacin, mineralizacin de compuestos voltiles (a CO2) y sedimentacin del material no degradable. Las cargas tpicas, se encuentran alrededor de 0.01 Kg DBO/m3da y puede ser de hasta unos cientos de miligramos por litro. El tiempo de retencin en las lagunas aerbicas vara entre unos pocos das hasta 100 das aproximadamente, con una tasa de eliminacin de la DBO entre el 80 y 90%. REACTORES DE LODOS ACTIVADOS AERBICOS El proceso de lodos activados es una de las ms antiguas para tratar aguas residuales. Mediante este proceso, se programa el crecimiento de los microorganismos aerobios que se alimentan del contaminante y se evita el crecimiento de microorganismos anaerbicos y la generacin de olores. La recirculacin de parte de la biomasa logra un crecimiento de las concentraciones de biomasa dentro del reactor, acelerando la velocidad de degradacin por la eliminacin del proceso de adaptacin.

13

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos Todos los procesos de lodos activados sigue un esquema general. Primero se introducen las aguas residuales en el tanque de aireacin, en el cual, se dispone aire y se promuve el crecimiento aerobio que se expone en la figura de la pgina 39. Bajo una serie de condiciones ptimas, los microorganismos presentes en el reactor generan un gel polisacrido que ser el responsable de provocar la aglomeracin de los microorganismos en flculos microbianos llamados lodos o fangos activados, la formacin de estos aglomerados da lugar a la separacin de los slidos suspendidos en las aguas residuales, y a la incorporacin de stos en el flculo. Posteriormente, los microorganismos proceden a atacar a todo este material y lo transforman fundamentalmente en biomasa y CO2, con la consiguiente descomposicin de aguas residuales y por tanto se incrementa la oxidacin de los contaminantes.

Figura 10. Proceso de lodos activados

Si el proceso es de crecimiento suspendido, los microorganismos estn suspendidos en el tanque de aireacin por mezclado mecnico y/o aire difundido y su concentracin en el tanque es mantenido por la continua retroalimentacin del flculo biolgico de la sedimentacin del tanque decantador secundario

14

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos (sedimentador secundario). El sobrenadante se puede llevar a un proceso de tratamiento final (si es necesario) o se vierte. Cuando se dan condiciones no favorables como cargas txicas, fluctuaciones de temperatura o cambios de pH, los organismos filamentosos dominan a la poblacin microbiana en el tanque de aireacin. Entonces, el proceso se espesa y los flculos micorbianos tienden a quedarse suspendidos en lugar de sedimentarse. Como consecuencia de esto, el decantador no es capaz separar y recircular la biomasa y el proceso entero falla. El espesamiento puede estar afectado por el diseo del reactor. Los tasa de flujo estn entre 30 50 m3/m2da y la carga de slidos en el tanque de aireacin de 6 9 Kg/m2h. Un flculo biolgico que sedimenta en el tanque final (llamado tambin clarificador o sedimentador secundario) alrededor del 25 al 40% se retorna al tanque de aireacin, el resto llamado lodo activado de desecho puede recibir un tratamiento posterior. Actualmente existen muchos diseos de reactores de lodos activados, pero todos ellos se encuentran entre los reactores agitados y los reactores tipo pistn, como se expone en la figura siguiente y que se conocen como reactores de mezcla completa.

15

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

Figura 11. Tipos de procesos con lodos activados con mezcla completa. Si el volumen del tanque es grande, se emplea mltiples agitadores o recirculadores internos y chorros. Estos son normalmente de hormign. Los reactores de mezcla completa para lodos activados tienen la ventaja que minimizan la reduccin de nutrientes (incluyendo al O2) en cualquier parte del tanque de aireacin. Adems, toleran bien las sobrecargas puntuales y que cualquier variacin del afluente en composicin se amortigua en la disolucin que se genera cuando el efluente se mezcla con el contenido del reactor. El diseo de estos reactores (sistemas continuos de mezcla completa) se realiza calculando el balance de masa en estado estacionario para la biomasa y el sustrato (carga orgnica) una vez, impuestas las restricciones del sistema, como la velocidad

16

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos de flujo y el % de eliminacin de materia orgnica y establecido las constantes cinticas del proceso. El balance de masa para el sustrato se puede expresar como:

(

)

Por otra parte

, viene dado por: ( )

(

)

Adems, a partir del balance de masa para el substrato se obtiene la siguiente expresin: ( )

Finalmente, el volumen del reactor de aireacin se calcula: ( ) . )

Este clculo se realiza una vez establecido la relacin de circulacin ( Algunos valores tpicos para los parmetros cinticos a 20C son:

La edad del fango normalmente es de 6-15 das.

17

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos Con relacin al reactor de flujo pistn para lodos activados (ver figura anterior), se utiliza para tratar aguas residuales. En estos sistemas el agua residual fluye por tanques alargados y estrechos con lo cual se minimiza cualquier efecto de mezcla. En la prctica es difcil obtener un pistn ideal, es ms, la presencia de burbujas de aire tienden a incrementar la turbulencia del sistema. El flujo pistn generalmente provoca el crecimiento de u lodo de buena calidad con excelentes caractersticas de sedimentacin, lo que produce una rpida cada de las concentraciones del contaminante en la primera parte del reactor y disminuye la posibilidad de que la concentracin en el resto del reactor disminuya. Un inconveniente importante de los reactores de flujo pistn es su sensibilidad respecto a una sobrecarga puntual, ya que cualquier incremento de la concentracin del contaminante de las aguas residuales no se destruye por igual en el reactor. Con el fin de eliminar la sensibilidad a una sobrecarga puntual de los reactores de flujo pistn con lodos activados se puede dividir el reactor en una serie de reactores ms pequeos de mezcla completa que se alimentarn en serie (Reactores en serie con lodos activados) (Esquema C de la anterior figura). Tambin se puede un sistema de distribucin que enva el afluente a varios puntos a lo largo del reactor flujo-pistn (Esquema de la figura anterior) Existen otros diseos como los reactores de canales de oxidacin en los que se tiene varios puntos de oxidacin (entrada de aire). Son reactores de 30 200 metros de largo, de hormign introducidos en el suelo, en forma de pista de atletismo, en donde las aguas residuales mueven circularmente. El punto de entrada para el efluente se encuentra justo antes de las rectas del depsito. Las aguas residuales se bombean horizontal y longitudinalmente mediante agitadores axiales horizontales sumergidos. La velocidad del agua (0.3 0.5 ml/s) es suficiente para permitir que la mayora de slidos se mantengan en suspensin y no se produzca condiciones anaerbicas en el fondo del tanque. El aire se dispersa en varios lugares a lo largo del reactor. Aqu, en los puntos donde se tiene oxgeno abundante, se tiene la oxidacin del NH3 a nitratos (nitrificacin), adems de la oxidacin aerbica de la DBO. Por lo contrario donde existe menos oxgeno se favorece las reacciones biolgicas anxicas (por ejemplo la conversin de producidos durante la nitrificacin en N2, desnitrificacin) con lo cual se completa la eliminacin de la carga de nitrgeno orgnico inicial. El efluente sale en forma continua en un punto del circuito antes de la

18

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos entrada.Fig

Figura 12. Estanque de oxidacin Los lodos pueden ser tambin activados con oxgeno puro en vez de aire, usando tanques cubiertos. Estos reactores tienen la ventaja que pueden operar con cargas contaminantes altas, reduciendo el tamao del reactor y recibiendo desechos ms resistentes, pero es costoso por la obtencin de oxgeno y las seguridades para operar la instalacin. Se puede tambin mezclar O2 con aire. Estos sistemas ricos en oxgeno han sido de gran utilidad en el tratamiento de las aguas residuales procedentes de las industrias petroleras y qumicas. Adems, este mtodo se emplea en el tratamiento de aguas residuales que presentan problemas de olores (por ejemplo aguas que proceden de plantas de procesamiento de pescado). Existe otro tipo de reactor batch secuencial, en el cual la aireacin y la clarificacin son realizados secuencialmente en el mismo tanque. El ciclo de operacin se realiza en 5 etapas: llenado, reaccin (mezcla y aireacin), sedimentacin, decantacin y tiempo fuera de servicio. La instalacin de estos reactores implica la instalacin de 2 reactores idnticos que alternativamente el influente para dar un tratamiento continuo.

19

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos Los costos de operacin y construccin son 20% menos que los reactores convencionales puesto que en la sedimentacin secundaria si el bombeo de la retroalimentacin del lodo activado es recirculado. Decantadores secundarios y espesadores, aunque no son bioreactores constituyen una parte esencial del proceso de lodos activados. Cualquiera de los procesos de lodos activados mencionados con anterioridad depende de la separacin de la biomasa de las aguas residuales tratadas para (1) generar un efluente clarificado, (2) recircular la parte de la biomasa con el fin de hacer variable el proceso. Estos dos pasos fundamentales se consiguen mediante un decantador o espesador despus del tanque de aireacin. De hecho, cuando un proceso de lodos activados no cumple sus especificaciones de efluente, normalmente se debe a que el decantador no ronde segn lo esperado en el diseo. La diferencia entre decantador y espesador es bastante marginal, son casi idnticos, exceptuando que los decantadores generalmente presentan una concentracin ms ligera y se utilizan par un menor volumen de lodos. En la mayora de las aplicaciones de tratamiento de aguas residuales se emplea un decantador. La produccin de lodos de buena calidad capaz de sedimentarse rpidamente es esencial para el buen rendimiento del decantador. Los flculos de biomasa se sedimentan y se observa una clara interfase entre la biomasa que sedimenta y el sobrenadante que se decanta. Durante el proceso de sedimentacin es posible identificar tres zonas: una zona superior con lquido claro, una zona en el fondo con la biomasa sedimentada que comprime con el paso del tiempo y una zona intermedia donde la biomasa disminuye su velocidad de sedimentacin segn se acerca a la capa de sedimentacin del fondo. Los decantadores secundarios pueden ser clasificados como los primarios (circulares, rectangulares, etc.). Un esquema del decantador se expone en la figura siguiente:

20

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

Figura 13. Decantador Cintica del proceso de crecimiento suspendido Los parmetros aplicables para el sistema de crecimiento suspendido son: la tasa de remocin del sustrato, q, la tasa de crecimiento especfico, ; el tiempo de residencia y la relacin de carga orgnica F/M (Alimento / microorganismo) ( ) Sabemos que la tasa o velocidad de reaccin de la conversin de substrato o remocin de materia orgnica biodegradable estn en funcin de la concentracin del sustrato A. As: [ ] ( ( ( ( ) ) ( ) ) ( ( ) ) [ ] [ ] )

En procesos biolgicos, la tasa q del sustrato (materia orgnica biodegradable) que se convierte esta tambin en funcin de [x], concentracin de slidos biolgicos presentes, concentracin del sustrato orgnico y est dado por:

21

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

[ ] [ ][ ] ( ( ( ) ( ) ) ) ( [( ( ) )) ]

[ ] (

)

Para explicar la integracin de la ecuacin cintica del crecimiento suspendido, el coeficiente Kr de remocin del sustrato se necesita multiplicar por la concentracin de slidos biolgicos [x]. [ ] [ ] [ ] [ ] La tasa de remocin del sustrato q puede ser calculada basndose sobre la definicin expuesta anteriormente

De lo que puede deducir: [ ] [ ]

Como V/Q es el tiempo de residencia (t) en el tanque de aireacin, se tiene: [ ] Tasa de crecimiento especfico () la tasa dx/dt al que los slidos biolgicos son producidos en proporcional a la tasa dS/dt al que el sustrato es utilizado se tiene:

[ ][ ]

22

Ing. Trajano Ramrez. Tratamiento de Efluentes Lquidos

De estudios de cultivo puro, el crecimiento especfico () para microorganismos ha sido encontrado para seguir una reaccin tipo saturacin de la forma:

Cuando S no limita el crecimiento ( )

Esta relacin se demuestra en el grfico siguiente, aplicable mientras el sustrato es una concentracin limitante o no, as: Cuando S >> Ks, =m (reaccin de orden 0) Cuando S