Clase Star. Reactores 07

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRA – FACULTAD DE INGENIERIAASICNATURA: SISTEMA DE TRATAMINTO DE AGUAS RESIDUALES

DOCENTE: ANDRES GALINDO

3. Sistemas utilizados en el Tratamiento Anaerobio (Reactores)

3.1 Reactores en lecho de lodo

La primera propuesta que se expuso sobre los reactores en lecho de lodo fue realizada

por Winslow y Phelps en 1910 y posteriormente Stander en 1950 con el denominado

“Charigester”. Sin embargo los resultados más significativos con este tipo de proceso los

ha logrado Lettinga y sus colaboradores en la década del 70 hasta el presente (Orozco,

1986).

Reactor Anaerobio de Pantalla

Este reactor ha sido considerado por algunos autores como un conjunto de reactores de

manto de lodos en serie. En él, el agua residual pasa subiendo y bajando a través de una

serie de cámaras, formadas por pantallas. No existe estructura de separación de fase

sólido – gas, pues el reactor provee una mayor área de contacto, interfase gas – líquidos,

de tal forma que las partículas agregadas de biomasa suben y bajan dentro de la cámara

pero minimiza su flujo horizontal entre cámaras. El flujo entre cada cámara se puede

considerar completamente mezclado, de tal forma que su comportamiento hidráulico se

asemeja a un flujo pistón. El biogas es recolectado en un compartimiento superior cerrado

que abarca todas las cámaras. (Orozco, 1994).(ver Figura 3.1)

Figura 3.1.- Reactor Anaerobio de Pantalla

Afluente 1

1

Ga

Recirculación de lodo

Superficie tubular de soporte de biomasa

Efluente



Reactor de flujo ascendente (UASB)

En este reactor el agua a tratar es introducida por el fondo del reactor a través de una

boquillas uniformemente distribuidas; este sistema está basado en la tendencia que tienen

las bacterias anaerobias a formar flóculos o gránulos de biomasa que pueden ser

retenidos dentro del reactor por un dispositivo llamado separador gas – líquido – sólido,

colocado e la parte superior del reactor. Este dispositivo tiene como objetivo separar el

gas del licor mezclado y proporcionar una zona quieta en la parte más alta. Con algunos

tipos de agua residual, la biomasa activa evoluciona para formar un lodo granular con

excelentes propiedades de sedimentación que precipita dentro del reactor formando un

lecho de lodo. (Ver Figura 3.2).

Figura 1.2.- Reactores de Manto de flujo ascendente (UASB).

E

Reactor UASB Cilíndrico Reactor UASB Rectangular

Reactor Convencional

Reactor ideal completamente mezclado, si ningún mecanismo especial para la retención

de biomasa, de tal forma que los tiempos de retención hidráulica y el de retención celular

son iguales. Por esta razón se hace necesario que estos tiempos sean altos para evitar el

lavado de la biomasa activa. Usualmente son usados para digerir residuos con una

proporción predominante de material en suspensión ver figura 3.3.

2

Gas

Lodo granular

E

I



Figura 3.3.- Digestor Convencional con Mezcla.

Mezcla Gas

I E

3.2. Reactores que proveen de un lecho de soporte

Reactores de lecho fijo

En este tipo de reactor existe un medio de soporte fijo inerte al cual crecen adheridos los

microorganismos. Este medio puede ser cualquiera de los medios conocidos para los

filtros percoladores aeróbicos. (Henze y Harremoes, 1982; citado por Orozco, 1986). El

agua residual puede tener un flujo vertical ascendente o descendente a través de una

cámara. En cualquiera de los casos, u porcentaje sustancial de la biomasa activa crece

libre entre los espacios vacíos que existen entre la matriz de soporte, de tal forma que

puede considerarse como un híbrido entre esta clasificación y la anterior ver figura 3.4.

Figura 3.4.- Reactor Anaeróbico de Lecho Fijo.

3

I

E

E

I



Reactor de lecho móviL

En este tipo de reactor, los microorganismos crecen adheridos a un medio inerte dentro

del agua residual. El ejemplo típico de reactor de esta categoría es el reactor anaerobio

rotatorio, (Ver Figura 3.5), según Bell et al, (1981) la sumergencia de los discos para que

sea anaerobio, debe ser mayor del 70 % y el reactor debe estar en una cámara cerrada.

Figura3.5.- Reactor Anaeróbico Rotatorio.

Reactor de lecho expandido

Un reactor de este tipo consiste en un lecho de partículas contenidas en una columna

vertical a través de la cual el agua residual fluye a una velocidad suficiente para mantener

las partículas en suspención pero evitando un caudal tal que las arrastren con el agua. El

lecho de partículas se expande hasta un 5 – 20 % de tal forma que las partículas

permanecen en contacto unas con otras sin cambiar su posición relativa. Las partículas

más usadas son de arena, antracita, grava, plástica entre otras. (Ver Figura 3.6)

Figura 3.6.- Reactor de lecho expandido

G

4

I

E

E

I



Reactor de lecho fluidizado

Este reactor es similar al anterior, siendo la diferencia básica el grado de expansión que

se tiene de cada uno de ellos en este último la expansión del lecho esta 30 – 100 %

(Callander y Barford,1984). Debido a esta mayor expansión, las partículas no conservan

una posición definida dentro del reactor, sino que se mueven a través de toda la cámara.

La expansión del lecho es controlada con la recirculación ver figura 3.7.

Figura 3.7.- Reactor de lecho fluidizado.

3.3. Comparación Entre los Diferentes Tipos de Reactores.

Según la metodología usada por Henze y Harremoes (1982). Se realiza una comparación

cualitativa entre los diferentes tipos de reactores anaerobios que se han expuesto en el

numeral anterior. (Ver Tabla 3.7).

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4. PROCESOS DE MANTO DE LODO DE FLUJO ASCENDENTE (REACTOR UASB)

Este proceso se basa en la capacidad que tienen las bacterias anaerobias en formar

flóculos o gránulos de biomasa. En este tipo de reactor anaerobio el agua es introducida

por el fondo del reactor a través de unas boquillas uniformemente distribuidas, para a su

vez garantizar una uniformidad del flujo del reactor y minimizar la generación de caminos

preferenciales. Este es una de los principales requisitos del sistema. Durante el periodo

de “arranque” del proceso se permite que las partículas mas voluminosas sean “lavadas”

con el agua efluente generado así una presión de selección de biomasa, para lograr

mantener internamente la que presente mejores características de sedimentabilidad.

(Lettinga,1980) al ocurrir las reacciones de la digestión anaerobia se produce gas que es

el encargado de generar la mezcla para lograr el buen contacto entre el agua residual y la

biomasa, excluyéndose la presencia de mezcla mecánica.

Con la alta producción de gas las partículas agregadas de biomasa son flotadas de tal

forma que para impedir que se pierdan con el agua residual, el reactor esta equipado con

una estructura denominada separador gas – sólido que es otra de las principales

características de este sistema. Esta estructura divide el reactor en dos espacios, el

inferior con alta turbulencia debido al gas, y el superior o de sedimentación con baja

turbulencia. El separador provee una superficie de contacto entre el líquido y el gas, de tal

forma que los floc flotados, al llegar a dicha superficie puedan transferir el gas que los

flota a la atmósfera y sedimentar hacía la cámara principal. Por otra parte, algunas

partículas logran pasar a la cámara de sedimentación en donde debido a la baja

turbulencia que existe, se permite que se precipiten y retornen a la cámara principal, para

este efecto las paredes de la estructura de separación sólido – gas deben contar con la

inclinación suficiente ( 45 º - 60º). (Lettinga et al, 1982).

Las partículas agregadas de biomasa que se forman tienen aspecto de gránulos de 1.5

mm de diámetro (Orozco, 1986). Esto genera una estratificación de la biomasa dentro del

reactor en la cual las partículas mayores forman una capa muy densa en el fondo.

Seguida superiormente por una densa denominada floculante.

Según de Zeeuw (1984), existen dos tipos básicos de reactores UASB,

dependiendo del tipo de biomasa que se haya generado. Es importante destacar que no

siempre se logra una granulación de la biomasa, y los fenómenos que gobiernan dicho

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proceso no se conocen en detalle aún. (Lettinga, 1984; citado por Orozco, 1986).

El primer tipo de reactor es el denominado de lodo granular, en el cual se ha generado el

lodo granular, que por sus buenas características de sedimentación y actividad

metanogénica permite altas cargas orgánicas, y otro denominado de lodo floculado, que

soporta cargas menores.

Este tipo de proceso es atractivo por su efectiva disminución de los costos y habilidad

para manejar altas cargas orgánicas, además representa una de las mejores opciones

para los procesos de tratamiento desarrollados hasta ahora. Durante la última década se

ha realizado un gran numero de estudios de este mecanismo a fin de evaluar la

factibilidad de aplicación bajo diferentes condiciones de operación.

4.1 Estructura de la Biopelícula en Reactores UASB

Este parámetro es de fundamental importancia para el buen funcionamiento del proceso

especialmente en este que depende de una forma de biomasa arreglada en partículas.

La importancia de la estructura del manto de lodo granulado (estructura bacterial), radica

en su relación directa con los parámetros fundamentales en los que descansa el buen

rendimiento de los reactores UASB, dado que define la cantidad de biomasa que puede

ser retenida en el reactor y por ende la carga volumétrica máxima que se puede lograr. El

tamaño del grano, su forma, su densidad, y su composición afectan directamente el

régimen hidráulico al que puede ser sometido el reactor, y este a su vez afecta al grano.

4.2. Factores que afectan un reactor UASB

De acuerdo con Hulsholf pol (1982) entre los factores que afectan un reactor UASB se

pueden mencionar:

¤ Condiciones Ambientales:

Temperatura

pH

Tipo de agua residual

Velocidad relativa del agua

7



Turbulencia

Nutrientes

¤ Tipo de semilla usada en el arranque

¤ Condiciones aplicadas al reactor durante el arranque

Temperatura: La temperatura es un factor importante ya que las bacterias metanogénicas

son sensitivas a los cambios de temperaturas, según estudios se determinó que la

granulación es más rápida bajo condiciones termofílicas por lo que se recomienda

realizar el proceso de arranque bajo condiciones mesofílicas o termofílicas.

pH: El pH óptimo de operación es 7.0 valores de pH menores de 6 y pH mayores de 7.5

son dañinos para las bacterias metanogénicas hasta tal punto que puede suspender sus

actividades metabólicas temporalmente.

Nutrientes: La composición del agua residual juega un papel importante en la granulación

del proceso por lo que se requiere que los nutrientes tales como nitrógeno, fósforo, azufre

y así como también trazas de otros elementos deben estar en suficientes cantidades y en

forma disponible. Dado que los organismos anaerobios producen menor biomasa que los

aeróbicos requieren por lo tanto cantidades menores de nutrientes para su buena

producción.

Velocidad Relativa del Agua: El efecto de la distribución del afluente y la producción de

biogas pueden proveer una buena condición de mezclado, para un adecuado contacto

entre el sustrato y la biomasa, lo que ayuda a la granulación del lodo. La velocidad

ascendente juega un papel importante en el régimen de mezclado, la producción de gas

en los reactores domésticos es baja por lo que la velocidad ascendente demasiado alta no

puede ser usada en el reactor se recomienda un promedio de diseño menor 1 m/ hora.

Turbulencia: La turbulencia durante el arranque del reactor se ha encontrado que no es

benéfica para el proceso pues impide la agrupación de las bacterias (Zeeuw,1984;

Lettinga, 1992).

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Tipo de Semilla Utilizada en el Arranque: Lo más indicado para el arranque de un

reactor anaerobio es cuando se tiene una semilla adaptada al tipo de sustrato y con

buenas condiciones de sedimentabilidad de Zeeuw (1984). Cuando este no es el caso se

puede usar como semilla los lodos provenientes de otros procesos anaerobios como por

ejemplo, digestores municipales, digestores tradicionales para estiércol animal, lodos de

pozos sépticos lodos de lagunas anaerobias, los tanques Imhoff, estiércol de vacuno

fermentado, etc. (Rodríguez, 1984).

4.3. Diseño de Reactores UASB

Según diversos investigadores, (Henze y Harremoes,1983), (Switzem Boun, 1986), el

diseño de los procesos anaerobios se encuentra en este momento en un período de

desarrollo, pues existe una serie de fenómenos fundamentales para el comportamiento de

dichos procesos que son conocidos a cabalidad (los fenómenos de granulación y

floculación en los procesos UASB, o los mecanismos de desarrollo de las películas

biológicas, el comportamiento de las diferentes fracciones del sustrato en el reactor y su

biodegradabilidad anaerobia, las diferentes etapas que pueden controlar el proceso, etc)

de tal forma que se hace muy difícil el desarrollo de modelos matemáticos conceptuales

que definan parámetros de diseño seguros. Sin embargo, existen conceptos básicos de

ingeniería deducidos de las ciencias fundamentales que dan criterios al ingeniero para la

definición de los diseños.

Según Henze y Harremoes (1983), citado por Orozco (1986), existen dos aproximaciones

básicas al diseño de reactores UASB para el tratamiento de las aguas residuales.

La aproximación empírica en el cual se sintetizan años de experiencia en determinadas

cifras sobre la carga que aceptan los procesos y con la cual se espera que se logre un

determinado porcentaje de remoción.

La aproximación conceptual en la cual se pretende simular el proceso en cuestión de tal

manera que se pueda predecir el comportamiento del mismo y por lo tanto predecir de

igual forma el grado de purificación resultante.

9



4.3.1. Procedimiento a Seguir para el Diseño de Reactores UASB (Orozco, 1986).

El procedimiento ordenado que proponen estos autores para el diseño de reactores

anaerobios es:

Análisis del agua a tratar: examinar con detenimiento la composición básica en

cuanto a:

Sólidos: cantidad, tipo, biodegradabilidad anaerobia, etc.

Presencia del carbohidrato, proteínas, lípidos, etc.

Evaluar la existencia de nutrientes y micronutrientes

Investigar la preción se sustancias tóxicas

Evaluar la variabilidad de la composición, el pH, la alcalinidad, la fortaleza orgánica,

los caudales a tratar, etc.

Definir objetivos del tratamiento

Decidir con caso de usar la aproximación empírica la carga volumétrica a usar

Corregir la carga volumétrica a las condiciones de temperatura reales

Aplicar normas de diseño

Efectuar al arranque

Hacer seguimiento de las operaciones del sistema.

4.3.2 Criterios para el Diseño de Reactores UASB

Como fue expresado anteriormente se requiere seguir una secuencia lógica para lograr el

diseño de un reactor UASB, de tal manera que cumpla con los objetivos propuestos. El

diseño de los reactores anaerobios UASB se basa e la carga orgánica volumétrica,

(COV) dado como kg DQO/ m3 día. Preferencialmente debería basarse en la carga

orgánica, (Lo), dada en kg DQO / kg SSV día pero la dificultad de asumir los SSV

representativos ha limitado su uso. (Orozco, 1986).

En general, en el diseño de un proceso de tratamiento que involucre un reactor UASB se

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debe tener muy presente los siguientes elementos físicos.

Dimensiones del reactor

Sistema de alimentación

Separador de alimentación

Prevención SGS

Prevención a la corrosión

4.3.3. Determinación de las Dimensiones en el Reactor

Para aguas residuales diluidas con DQO menor que 1000 mg/ l y la temperatura de

operación mayor de los 18 ºC el volumen del reactor (Vr) se determina con el TRH, más

que por la aplicación de la carga orgánica (Malina, 1994).

Vr = TRH x Q (2.21)

Donde:

Vr = Volumen líquido del reactor, m3

Q = Caudal de alimentación m3/ h

TRH = tiempo de retención hidráulico.

Para aguas residuales con mayores concentraciones de DQO › 1000 mg/l, el volumen del

reactor depende de la concentración del agua residual (S) y de la aplicación de la carga

orgánica volumétrica (COV) de diseño.

Vr = ( S Q ) / COV (2.22)

Donde:

S = Concentración de la materia orgánica expresada

COV = Carga orgánica volumétrica

Q = caudal de alimentación.

4.3.4 Altura del Reactor UASB

Los criterios de diseño para un cierto tipo de desecho dependen de su concentración

orgánica. Para desechos concentrados el parámetro limitante es la carga orgánica

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aplicada y en esa circunstancia es importante que el reactor tenga la mayor altura posible

por unidad de volumen a fin de reducir el área requerida.

H = ( Q TRH ) / A (2.23)

Donde:

A: Area superficial del reactor

H: Altura del reactor

TRH: Tiempo de retención hidráulico

Q: tasa de flujo

Para agua diluidas se recomienda altura de 3 a 5 metros.

Para aguas con DQO de 1000 a 5000 mg/litro se recomienda una altura de 5 a 6 metros.

El reactor de “De Krin” (Netherlondos) de 5500 m3 tratando desechos de papa con una

altura de 10 metros. Está experiencias y otras de diferntes plantas reportan un buen

resultado para alturas de 8 metros pero se muestra que 6 metros puede ser más

adecuado ( Lettinga, 1986).

Se considera una altura óptima de 4 a 6 metros ( Empresas Municipales de Cali ,1994).

Un reactor anaerobio muy profundo puede comprometer la eficiencia dado que la

solubilidad del CO2 es función de la profundidad bajo la superficie del agua. (Empresas

Municipales de Cali,1994).

4.3.5 Formas del Reactor UASB

Otra diferencia entre desechos diluidos y concentrados es la forma del reactor a ser

diseñado. Para desechos concentrados el área necesaria para el separador es pequeña,

el reactor puede ser circular o rectangular.

En el caso de desechos diluidos es necesaria una mayor área del separador lo cual puede

ser propicio para adoptar una sección uniforme en la parte baja (Rincón, 1996). Ver Figura

4.1

12



Aspectos que Contribuyen a la Escogencia de la Forma:

Estabilidad de la estructura

Construcción de la fase de separación GSL

Numero de reactores a construir

Volumen de los reactores

Menor perímetro para la misma área superficial (rectangular, cuadrada,

circular).

Figura 4.1 Configuraciones para reactores UASB (Empresas Municipa de Cali 1994)

13

Afluente



Figura. 4.1. Configuraciones básicas para reactores UASB (continuación).

Para reactores cilíndricos con terminación cónica. El volumen del cono se calcula

teniendo en cuenta que debe facilitar la sedimentación del lodo y que forme con la

horizontal un ángulo entre 45º y 60º se recomienda una altura del cono de 1.2 metros.

14



(Vieira y García, 1992); (Souza,1986).

4.4 Distribución de Efluente

Como fue comentado anteriormente el sistema de alimentación constituye una parte

esencial en el reactor. El afluente debe ser distribuido uniformemente sobre la base del

reactor mediante una estructura que distribuya el afluente en varios puntos del fondo del

reactor.

La distribución recomendada por Empresas Municipales de Cali:

Para desechos de baja carga orgánica:

1 punto / 2 – 4 m2 de área en el fondo a T ‹ 20 ºC

1 punto / 1 – 2 m2 de área en el fondo a T › 20 ºC

Desechos de alta carga orgánica:

1 punto / 7 – 10 m2 de área en el fondo según Vieira citado por Empresas

Municipales de Cali, (1994)

Los cuidados que se requiere tener para ubicar los tubos de alimentación son:

Tubos flexibles

Facilidad de limpieza

La diferencia de nivel entre la base del vertedero y el nivel en el reactor se recomienda

mayor de 30 cm.

El diámetro del tubo en el fondo del reactor se recomiendan menor, para aumentar la

velocidad del líquido y así prevenir la acumulación de sólido cerca al punto de

descarga del efluente y reduce obstrucciones.

En la Tabla 4.1, se observa algunos parámetros propuestos por Lettinga (1984), para el sistema de alimentación.

Tipo de lodo m2 por boquilla

Estructura de distribución

del flujo

1.- Lodo floculate denso

(aprox. 40 kg SS/ m3)

2.- Lodo floculante liviano

‹ 1 con cargas ‹ 1 – 2 kg DQO/ m3/ día

5 con cargas › 3 kg DQO/ m3/ día

15



3.- Lodo granular ‹ 1 con cargas 1 – 2 kg DQO / m3 / día

4.5. Sistema de Separación Gas – Sólido – Líquido

La separación de fases GSL es la característica mas importante de un reactor UASB las

funciones del separador gas – sólido – líquido son:

Recolectar el biogas que escapa de la fase líquida.

Permitir sedimentación de los sólidos suspendidos en la parte superior del reactor

Ayuda a mantener baja la concentración de SST del efluente

Crea un espacio sobre el separador para que el lecho de lodo se “acomode” ante la

expansión por altas cargas hidráulicas temporales.

Previene el lavado del lodo granular flotante.

Para la construcción del separador se debe tener en cuenta lo siguiente. (Molina, 1992).

Las mamparas deben tener un ángulo de 45 a 60 º con respecto a la horizontal.

El área de paso entre los colectores debe ser del 15 al 20 % del área del reactor.

La altura del dispositivo es de 1.5 a 2 m para reactores con 5 – 7 metros de alturas.

Debe crearse dentro del reactor una interfase líquido – gas para facilitar la evacuación

del gas y poder tomar medidas contra la formación de natas

El traslape entre colectores superiores e inferiores debe ser menos de 20 cm

Se recomienda instalar mamparas frente a la canaleta del agua tratada

El diámetro de las tuberías de evacuación de gas debe ser suficientemente grande

para facilitar la operación.

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Si hay formación de natas, se debe prever la instalación de boquillas de aspersoras

dentro de los colectores.

El material de construcción puede ser acero o plástico.

Elementos Principales del Separador GSL ( Empresas Municipales de Cali , 1994)

Relación de área para el flujo a nivel de las aperturas y las descargas del efluente:

Esta área afecta indirectamente la velocidad de sedimentación del floc que

traspasa la zona de sedimentación o del floc que puede ser retenido

Posición del separador en relación con el nivel superficial del líquido: Esta fija la

proporción del volumen del reactor disponible para la digestión volumen del

sedimentador ‹ 15 – 20 % del volumen total. Altura en el separador = 1.5 mts.

Inclinación de la estructura de separación de fases. Determina el área superficial

donde los sólidos se pueden sedimentar en la medida en que se deslicen, a la

sección de digestión.

Esta determina la altura de los elementos de separación y la cantidad de material

para su construcción. El ángulo recomendado con la horizontal es de 45 – 60 º

La alta producción de biogas implica formación de espumas en la interfase

particularmente en aguas residuales con alto contenido de proteínas lo cual

constituye un problema para la salida del gas. Para desechos industriales la tasa

de producción de biogas a nivel de la interfase podría estar en el rango 1 – 3 m3/

m2h (Souza, 1986).

Vg = 1 m/ h desechos de baja carga orgánica

Vg = 3 a 5 m / h desechos de alta carga orgánica.

4.6. Velocidades en el reactor.

La velocidad ascencional del líquido es directamente proporcional a la profundidad del

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reactor, esta controla la retención de suficiente cantidad de lodo en el reactor y control la

turbulencia en la zona de salida del efluente: se incrementa el contacto entre el lodo y el

A.R. (Ver Figura 4.2)

Figura 4.2.-Representación de las diferentes velocidades en el reactor

.

Donde:

V = Velocidad ascendente en el reactor

VS = Velocidad superficial del líquido en el sedimentador

Vo = Velocidad en la apertura del sedimentador

VG = Velocidad superficial del gas.

Para desechos domésticos V < 1 m/h. Según Malina (1992) la velocidad ascencional para

lodos floculentos es de 1 – 1.5 m/h

Para lodos granular 3,5 m/h

la velocidad superficial del líquido en el sedimentador se puede tratar como la tasa de

desbordamiento superficial para la cual se considera que debe estar entre 0.6 y 1 m3/

m2hora. Vieira (1989) recomienda VS promedio = 0,7 m3 /m2h

VS (Valores picos) ‹ 1.2 – 1,5 m3 / m2 hora

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VG

VS

V

VO



Velocidad en la apertura del sedimentador

Vo ‹ 5 m/h para bajas concentraciones

Vo ‹ 3 m/h para altas concentraciones. (Empresas Municipales de Cali,1994).

Velocidades del gas

VG = 1 m/h desechos bajas cargas orgánicas

VG = 3 a 5 m/h desechos alta carga orgánica (Empresas Municipales de Cali,1994)

4.7.- Recolección de Efluente

Se recolecta en la superficie del reactor tan uniformemente como sea posible. La

estructura mas usada: canaleta horizontal con vertederos en V a distancias regulares.

Se recomienda instalar un bafle retenedor de espuma y flotantes. La altura sobre el

vertedero debe ser menor de 25 mm (Empresas Municipales de Cali).

4.8. Purga de Lodo:

Cuando el mato de lodo en el reactor alcanza cierto nivel se requiere que el reactor tenga

un dispositivo que permita la evacuación del lodo que se encuentra en exceso, se

aconseja ubicar el punto de descarga a un tercio o a la mitad de la altura de la zona de

lodos del reactor, aunque también se requiere instalar una purga cerca del fondo. El lodo

purgado debe ser el de menor actividad metanogénica (Parte superior con alto contenido

inorgánico)

4.9. Recolección y Transporte del Biogas

La estructura debe permitir continuo flujo del biogas acumulado en la campana

manteniendo nivel constante en la interfase gas – líquido. El gas debe tratarse, quemarse

o usarse. El diámetro del tubo debe ser suficiente para evitar obstrucción (sólidos,

grasas).

Es importante instalar un escape de gas en caso de obstrucción evitando daños en el

19



sistema de separación.

4.10. Materiales de Construcción

En la digestión anaerobia el ambiente es corrosivo por lo que se debe evitar los metales

en lo posible. Se recomienda que las paredes del reactor sea de:

Concreto reforzado protegido o de ladrillo.

La tubería del afluente y efluente debe ser en PVC.

El separador GSL debe ser en madera muy resistente, fibra de vidrio, asbesto –

cemento

Las canaletas deben ser de fibra de vidrio o acero inoxidable

4.11. Tratamiento de Olores

Para evitar los olores se les debe colocar al reactor una estructura adecuada. El biogas

para la remoción de sulfuro debe tratarse con:

Filtros de viruta de hierro

Filtros de compost

Filtro en tierra con arena volcánica.

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CRITERIOS TECNICOS PARA EL MANEJO DE LAS AGUAS RESIDUALES SEGUA EL

RAS 2000

Reactores UASB

Existen dos tipos de reactores UASB, según el tipo de biomasa. El primer tipo de reactor se denomina de lodo granular. Como su nombre lo indica, se genera el lodo granular, que por sus buenas características de sedimentación y actividad metanogénica permite altas cargas orgánicas específicas; el segundo se denomina de lodo floculento, que soporta cargas menores tanto orgánicas como hidráulicas.

TABLA E. 4.24Cargas aplicables en lodo granular y lodo floculento en reactores UASB en relación

con la concentración del agua residual y la fracción insoluble de DQO en el agua residual

Cargas aplicables a 30c(kgDQO/m3·d)

Concentración del

agua residual

Fracción insoluble de DQO

Lodo floculento en

UASB

Lodo granular en UASB

(mg DQO/L)

(%) Remoción de sst pobre

Remoción de SST significativa

> 2000 10 - 30%30 - 60%

60 - 100%

2 - 42 - 4

*

8 - 12 8 - 14

*

2 - 42 - 4

*2000 – 6000

10 - 30%30 - 60%

60 - 100%

3 - 54 - 64 - 8

12 - 1812 - 24

*

3 - 52 - 62 - 6

6000 – 9000

10 - 30%30 - 60%

60 - 100%

4 - 65 - 76 - 8

15 - 2015 - 24

*

4 - 63 - 73 - 8

9000 – 18000

10 - 30%30 - 60%

60 - 100%

5 - 8dudoso a

SST>6 - 8g/L*

15 - 24dudoso a

SST>6 - 8g/L*

4 - 63 - 73 - 7

* Aplicación para reactores UASB no comprendida en estas condiciones

En la siguiente tabla se presenta un resumen de las cargas orgánicas aplicables en relación con la temperatura operacional para aguas residuales con VFA soluble y no-VFA soluble. Estos valores corresponden a agua residual con un 30% de SS sedimentables en reactores UASB de lodo granular cuya concentración en el lodo es 25 kgssv/m3.

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TABLA E.4.25Cargas orgánicas aplicables en relación con la temperatura operacional

TemperaturaC

Carga orgánica volumétrica (kg/m3·dia)

VFA NO -VFA 30% SS-DQO Comentarios15 2 – 4 1.5 - 3 1.5 - 2 Remoción de SS

satisfactoria20 4 - 6 2 - 4 2 - 3 Remoción de SS

satisfactoria25 6 – 12 4 - 8 3 - 6 Remoción de SS

razonable30 10 – 18 8 - 12 6 - 9 Remoción de SS

moderada35 15 – 24 12 - 18 9 - 14 Remoción de SS

casi pobre

40 20 – 32 15 - 24 14 - 18 Remoción de SS pobre

Tiempo de retención hidráulica

Para el tratamiento de aguas residuales municipales deben utilizarse tiempos mínimos de retención de seis horas, que pueden llevar a una remoción hasta del 80% en la DBO5.El tiempo de retención aplicable a las aguas residuales municipales depende de la temperatura. En la tabla E.4.26 se presentan algunos valores aplicables para un reactor UASB de 4 m de altura.

TABLA E.4.26Tiempos de retención hidráulicos aplicados a diferentes rangos de temperatura

Rango de temperatura

C

Valores de trh (h)

Promedio diario

Máximo durante 4 - 6

horas

Pico aceptable durante 2-6

horas16 - 19 > 10 - 14 > 7 - 9 > 3 - 522 - 26 > 7 - 9 > 5 - 7 > +

- 3> 26 > 6 > 4 > 2.5

Altura del reactor

El reactor puede considerarse dividido en dos espacios, uno inferior en donde ocurren las reacciones de descomposición y uno superior en donde ocurre la sedimentación de los lodos. El espacio inferior debe tener una altura entre 4.0 y 5.0 m y superior entre 1.5 y 2.0 m. Adicionalmente debe proveerse un borde libre de 40 cm.

Separador gas-sólido-líquido

Esta estructura divide el reactor en dos espacios : el inferior, que presenta alta turbulencia debido al gas, y el superior o de sedimentación, con baja turbulencia. El separador provee de una superficie de contacto entre el líquido y el gas, de modo que los flocs que llegan a dicha superficie puedan transferir el gas que los ayuda a flotar a la atmósfera y edimentar hacia la cámara principal.

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Las campanas de separación se deben usar para: Separar y descargar el biogás del reactor.

Impedir el lavado de la materia bacterial.

Permitir que el lodo resbale dentro del compartimento del digestor.

Servir como una especie de barrera para la expansión rápida del manto de lodos dentro del sedimentador.

Impedir el lavado del lodo granular flotante.

Se debe igualmente cumplir las siguientes consideraciones:

1. Inclinación de las paredes

Las paredes de la estructura de separación sólido-gas deben contar con una inclinación de 50 a 60 C.

2. Tasa de carga superficial

La carga orgánica superficial debe estar alrededor de 0.7 m/h, en condiciones de caudal máximo horario.

3. Velocidad del agua en la garganta

La velocidad del agua en la garganta de retorno de lodos sedimentados no debe exceder los 5 m/h, para condiciones de caudal máximo horario.

4. Área superficial

El área superficial de las aberturas entre el colector de gas debe estar entre 15 y 20% del área superficial del reactor.

5. Altura

La altura mínima del colector de gas debe estar entre 1.5 y 2 m.

6. Traslapo de pantallas

El traslapo en la instalación de las pantallas de la campana debe ser de 10 a 20 cm.

7. Diámetro de las tuberías

El diámetro de las tuberías de expulsión de gas debe ser suficiente para soportar la remoción fácil del biogás desde la tapa del colector de gas, particularmente en el caso de formación de espuma.

8. La superficie del reactor debe ser cubierta para minimizar el desprendimiento de malos olores. El gas secundario debe recogerse y tratar adecuadamente. Se debe prever la remoción de natas y material flotante en la zona de sedimentación. Se deben dejar instalaciones para la inspección y limpieza dela parte interna de las campanas y la zona de sedimentación.

9. Para disminuir obstrucciones en las canaletas de recolección de efluentes y arrastre de sustancias flotantes debe proveerse una pantalla de 20 cm de profundidad para la retención de dichas sustancias.

10. Debe buscarse siempre, condiciones simétricas, en las estructuras de manejo de caudales.

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11. Se debe proveer de un sistema de muestreo del manto de lodos en el reactor para poder definir la altura del mismo y las características del lodo a diferentes alturas. Se recomienda un sistema de válvulas telescópicas

Distribución de caudales

Con el fin de garantizar la uniformidad de alimentación en todo el volumen del reactor, debe distribuirse el influente en el fondo del reactor.. Las tuberías deben estar a unos 20 cm del fondo del reactor.En la tabla E.4.27 se presentan rangos para el número de puntos de entrada requeridos en los reactores UASB, según el tipo de lodo formado.

TABLA E.4.27Rangos de valores para el número de puntos de entrada requeridos en un reactor UASB

Tipo de lodo presente Área por punto de entrada (m2)Lodo denso floculento

(> 40 kg SST/m3)0.5 - 1 a cargas < 1 kg DQO/m3 · dia

1 - 2 a cargas 1-2 kg DQO/m3·dia2 - 3 a cargas > 2 kg DQO/m3·dia

Lodo floculento espesado(20 - 40 kgSST/m3)

1 - 2 a cargas < 1 - 2 kg DQO/m3·dia2 - 5 a cargas > 3 kg DQO/m3·dia

Lodo granular 0.5 - 1 a cargas por encima de 2 kg DQO/m3·dia

0.5 - 2 a cargas 2 - 4 kg DQO/m3·dia> 2 a cargas > 4 kg DQO/m3·dia

Modularidad

El reactor UASB puede ser construido modularmente. El módulo máximo debe tener 500 m3.

Metodología de cálculo

Para aguas residuales diluidas (<1500 mg/L DQO) los UASB deben diseñarse con el concepto de tiempo de retención hidráulico Las aguas residuales industriales no están contempladas en el presente documento.

Las altas infiltraciones no favorecen el buen comportamiento del proceso. En ninguna circunstancia deben permitirse caudales que arrastren el manto de lodos con el efluente. En consecuencia, los diseños hidráulicos deben basarse en el caudal máximo horario. Los caudales infiltrados al alcantarillado durante la época de lluvias no pueden pasar por la planta.

Tiempo de retención hidráulico

A H

Qs (E.4.7)

Velocidad superficial admisible

H

v (E.4.8)

Velocidad del gas

VgQg

Acoleccion (E.4.9)

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La máxima velocidad del gas permisible es de 1 m³/ m² / h

Volumen del reactor

Para concentraciones bajas el volumen del reactor se calcula:

V Qr (E.4.10)

Control de olores

Adicionalmente a lo definido en el literal E.4.7.5 debe taparse el reactor, recoger y tratar los gases que se generan en las zonas de sedimentación y en las estructuras de salida y conducción del efluente tratado.

Trampas de grasa

Deben colocarse trampas de grasa aguas arriba de los reactores UASB para los niveles bajo y medio de complejidad del servicio.

Arranque

El control del proceso, especialmente durante la fase de arranque del reactor debe ser de gran importancia para garantizar altas eficiencias en la remoción de la materia orgánica. La operación es muy simple pero conceptualmente es bastante compleja. El proceso de arranque debe realizarse por personal especializado. Las intrincadas relaciones bioquímicas entre los diferentes organismos que llevan a cabo el tratamiento anaerobio se establecen lentamente con el paso del tiempo. Igualmente, los bajos tiempos de replicación de las bacterias acetogénicas y metanogénicas demoran considerablemente la aclimatación del reactor.

Durante el período de arranque del proceso debe permitirse que las partículas más voluminosas sean lavadas con el agua efluente con el fin de generar una presión de selección de biomasa, que mantenga internamente solo la que presente las mejores características de sedimentabilidad.

El reactor debe arrancarse a plena capacidad por un mes, posteriormente se suspende la alimentación por una semana para permitir la digestión del material acumulado, y luego continuar el arranque con un caudal al 60% de la capacidad total. Posteriormente se hacen incrementos mensuales del 20% hasta llegar a plena capacidad.No es necesario contar con semilla pues las aguas residuales municipales contienen los microorganismos necesarios. Sin embargo, en caso de contarse con semilla de un reactor que trate aguas residuales municipales esta puede usarse y acortará el periodo de arranque.

Sedimentador Secundario

En caso que se necesite aumentar la eficiencia del reactor UASB se recomienda la colocación de un sedimentador secundario aguas abajo de este.

Operación y mantenimiento

Deben llevarse un manual de operación que contemple los siguientes aspectos :

Control de caudal para evitar sobrecarga hidráulica.

Control de la limpieza de las rejillas gruesas y finas.

Control del vaciado de los canales del desarenador.

Control de la limpieza de pozos y vertederos de repartición.

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Control del correcto funcionamiento de los equipos de recolección y manejo de gases.

Revisión del correcto funcionamiento de las canaletas de recolección del efluente.

Control de la producción de gas.

Control de olores.

Control de lodos.

En el Anexo E se recomienda una metodología para una adecuada operación y mantenimiento.

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Clase Star. Reactores 07

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