FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS

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DotacionesFT-BIO-002
FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL
SBR REACTORES CON FUNCIONAMIENTO SECUENCIAL
SERIE: TRATAMIENTOS SECUNDARIOS
Revisión vigente
Autores Joaquín Suárez López
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN 2.- DESCRIPCIÓN 3.- DISEÑO
3.1.- Caudal y carga contaminante 3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico 3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico 3.4.- Volumen del reactor 3.5.- Capacidad de oxigenación requerida 3.6.- Rendimiento
4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES 5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL 6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL 7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN BIBLIOGRAFÍA ANEXO 1.- COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO ANEXO 2.- ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS ANEXO 3.- DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO ANEXO 4.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR
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1.- INTRODUCCIÓN El tratamiento secundario de las aguas residuales conlleva el uso de un reactor biológico y, como norma general, su correspondiente decantador secundario. En el reactor biológico se estimula el crecimiento controlado de una biomasa o biocenosis, integrada fundamentalmente por un cultivo bacteriano, cuya finalidad es la biodegradación u oxidación de contaminantes. En el decantador secundario se procede a la separación final sólido–líquido para obtener el efluente secundario que, en su caso, será vertido al medio receptor. En los reactores la biocenosis puede desarrollarse, al menos, de dos formas: 1) como biomasa en suspensión en el seno del líquido (por ejemplo: proceso de fangos activos en sus diversas variantes), o 2) como biomasa adherida a un soporte o material de relleno del reactor, llamados también procesos biopelícula (por ejemplo: lechos bacterianos, biodiscos, lechos sumergidos, etc.). Los reactores o procesos biológicos que emplean biomasa en suspensión aerobia tradicionalmente han sido conocidos como procesos, o reactores, de fangos activos. Estos han sido categorizados, en función de la carga másica de diseño, en tres grandes grupos: fangos activos de baja carga (aireación prolongada, canales de oxidación, etc.), de media carga (o proceso convencional) y de alta carga. Una variante de configuración de los reactores de biomasa en suspensión es la denominada “reactores con funcionamiento secuencial” o “por lotes”; su denominación en inglés es “sequenting batch reactors” o “sequential batch reactors” (SBR). Es un proceso que ya se utilizaba con los primeros reactores de biomasa en suspensión (1914-1920; realizados a nivel piloto fueron llamados “reactores de llenado y vaciado”), pero se empezaron a utilizar de forma más intensa a finales de la década de los 70 en pequeñas plantas de tratamiento. En los últimos años se ha mejorado mucho las técnicas y el control de las secuencias de procesos, por lo que su uso se ha extendido también a depuradoras medianas. Debido a que esos sistemas tienen una superficie relativamente pequeña son muy útiles en áreas en donde se tienen limitaciones de terreno. En un sistema diseñado para eliminar materia orgánica los ciclos pueden ser fácilmente modificados para conseguir eliminar nutrientes si esto fuera requerido. Esto hace que los sistemas SBR sean extremadamente flexibles para adaptarse a los cambios en las normas regulatorias de parámetros del efluente. Los sistemas SBR son también muy efectivos en términos de costo de cuando se requieren tratamientos adicionales al biológico, tales como la filtración. Algunas de las ventajas y desventajas de los sistemas SBR se enumeran a continuación. Ventajas
• La homogenización de caudales, la sedimentación primaria (en la mayoría de los casos), el tratamiento biológico y la sedimentación secundaria pueden lograrse en un tanque reactor único.
• No se requiere recirculación externa de fangos para mantener la concentración de sólidos en el reactor. • No se requiere recirculación interna del licor mezcla para los procesos de nitrificación-desnitrificación. • Flexibilidad de operación y control. • Área de ocupación mínima. • Ahorro potencial de inversión de capital por la eliminación de sedimentadores y otros equipos. • Fácil reconocimiento y corrección de los problemas de decantación. • Versatilidad para trabajar con fluctuaciones de caudal y de concentración de materia orgánica. • Capacidad para la adaptación de los microorganismos a efluentes con elevado contenido en sales. • Mejor control del crecimiento de organismos filamentosos y de problemas de decantación
Desventajas
• Se requiere un nivel mayor de sofisticación (en comparación a los sistemas convencionales) de las unidades de programación temporal y controles, especialmente en sistemas de mayor tamaño.
• Un nivel más alto de mantenimiento (comparado con los sistemas convencionales) asociado con el tipo más sofisticado de controles, interruptores automáticos y válvulas automáticas.
• Descarga potencial de lodos flotantes o sedimentados durante la fase de descarga o decantación del reactor en algunas configuraciones de SBR.
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• Taponamiento potencial de los dispositivos de aireación durante ciclos operativos específicos dependiendo del sistema de aireación utilizado por el fabricante. Necesidad potencial de homogenización de caudales dependiendo de los procesos utilizados aguas abajo
El objetivo de este documento consiste en describir la configuración y los criterios de dimensionamiento de los SBR; además se presentarán claves de control y explotación de los procesos. 2.- DESCRIPCIÓN En esencia no hay diferencias entre un proceso de fangos activos y un reactor con funcionamiento secuencial. Una de las principales características de esta configuración de tratamiento secundario es la de no necesitar decantadores secundarios, dado que los procesos de clarificación se realizan en el mismo depósito en el cual se realizan los procesos biológicos de degradación y transformación de compuestos. En definitiva todos los procesos necesarios para tratar un agua se realizan en el mismo tanque o reactor. La explotación de los SBR se caracteriza por encadenar etapas o fases, por secuenciarlas definiendo ciclos. Se pueden realizar cambios de operación modificando la duración y la secuencia de las fases. Los tiempos de los ciclos se pueden ir cambiando conforme se va adquiriendo experiencia con un determinado agua e, incluso, se pueden adaptar los ciclos a variaciones estacionales de las mismas. La ejecución de los ciclos está normalmente programada a intervalos fijos, pero podría condicionar su duración mediante el uso de sondas de control de determinados parámetros de proceso. Como claves para que esta tipología de tratamiento secundario sea viable se pueden citar los siguientes requisitos:
a) Disponer de personal cualificado. b) Tener técnicas y sondas de medición fiables. c) Una configuración de la planta que permita duraciones variables de funcionamiento de equipos.
El diseño del reactor y sus elementos complementarios quedan muy condicionados por las fuertes variaciones de nivel que se van a producir en el tanque, ya tendrá fases de llenado, con agua residual a tratar, y de vaciado de agua tratada y fangos en exceso. Fases principales:
1) Fase de llenado. 2) Fase de mezcla. 3) Fase de redisolución biológica del fósforo (posible) 4) Fase de aireación. 5) Fase de sedimentación. 6) Fase de reacción. 7) Fase de retirada de agua clarificada. 8) Fase de reposo. 9) Fase de trabajo.
El rendimiento y la estabilidad del proceso SBR es función de los siguientes parámetros (Cortacáns, 2014):
• Duración del ciclo. • Secuencia de las fases • Duración de las fases unitarias del proceso. • Relación de intercambio de volumen (relación entre el volumen introducido o retirado y el volumen del reactor). • Edad del fango (tiempo de retención celular).
Una de las claves para el buen funcionamiento de los SBR es la alimentación del agua residual. Fundamentalmente se pueden utilizar tres estrategias:
• Carga continua con agua residual: durante todo el ciclo está entrando agua al reactor, que va pasando por diferentes fases; la salida de agua se produce de forma discontinua; se produce una variación de nivel continua.
• Carga intermitente de instalaciones sin almacenamiento previo. Requiere al menos dos reactores SBR. • Carga intermitente de los reactores disponiendo de almacenamiento previo.
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Figura 1.- Secuencia de fases durante un ciclo. Descripción de las fases:
• LLENADO: Durante la fase de llenado el afluente que entra en el tanque se va mezclando con la biomasa presente en el reactor hasta llegar al volumen máximo de licor mezcla. La estrategia de llenado influye decisivamente en la decantabilidad de los fangos y el crecimiento de organismos filamentosos, siendo más estable y produciendo unos fangos más compactos que un reactor convencional. El reactor recibe flujo durante un tiempo dado (hasta llenarse), con o sin mezclado y aireación del reactor (según si se desea o no controlar el nitrógeno afluente).
• REACCIÓN: En la fase de reacción se completan los procesos bioquímicos iniciados en la fase de
llenado, como son la eliminación de la materia orgánica (la mayor parte de la eleiminación de la DBO se produce en esta etapa), la nitrificación y la desnitrificación. El licor mezcla se mantiene en agitación y puede estar o no aireado, habiendo subfases aireadas y subfases anóxicas, que se han de establecer según los objetivos de tratamiento buscados.
• DECANTACIÓN: Al final de la fase de reacción la agitación y la aireación del licor mezcla se detienen,
quedando en reposo en la fase de decantación. Los fangos decantan por gravedad al fondo del reactor, dejando el agua clarificada en la parte superior del tanque. En un sistema SBR la decantación es más eficiente que en un reactor convencional al estar el licor mezcla completamente en reposo. El principal problema que se puede tener en la decantación es la aparición de organismos filamentosos, que dan lugar en un fango muy esponjoso que decanta con dificultad. Los SBR permiten controlar estos microorganismos de manera sencilla, mediante la introducción de fases anóxicas.
• VACIADO O EXTRACCIÓN: El agua clarificada que queda en la parte superior del reactor se evacua en
la fase de vaciado o extracción, mediante un mecanismo extractor que va siguiendo la lámina de agua, localizado en una estructura flotante denominada, en algunas ocasiones, “decanter”. El líquido clarificado (sobrenadante) se descarga hasta un cierto nivel del reactor, que según el diseño que se adopte varía entre un 75% y un 15% del volumen del reactor). Finalmente entre el vaciado y el llenado
SALIDA AGUA TRATADA
EXTRACCIÓN DE FANGO
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del ciclo siguiente el sistema queda en reposo con los fangos decantados al fondo del reactor. La purga de los fangos decantados se realiza al final de la fase de extracción de agua tratada.
Para el tratamiento de las aguas residuales urbanas es usual optar de 2 a 6 ciclos diarios. Los ciclos estandard tienen una duración de 4 o seis horas, es decir de 6 a 4 ciclos por reactor al día. Para casos excepcionales, como pueden ser sistemas exclusivos de nitrificación –desnitrificación o para altas concentraciones de contaminantes, la duración de los ciclos se puede dilatar hasta 12 o incluso 24 horas.
Figura 2.- Planta con carga continua (adaptada de Cortacáns, 2014). EPA lo cita como “Intermitent Cycle Extended Aeration System”, ICEAS (EPA, 1999).
Figura 3.- Planta con carga intermitente sin pre-alimentación.
ENTRADA AGUA BRUTA CONTINUA
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA
LLENADO SIN MEZCLA
DIAGRAMA DE TIEMPOS REACTOR 1
REACTOR 2
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Figura 4.- Planta con carga intermitente con pre-alimentación. (adaptada de Cortacáns, 2014). La forma de operar un SBR es consecuencia de la combinación de las estrategias de control de ciclo y de las variantes de alimentación del proceso: Control de ciclos:
- Duración de ciclo constante. - Volumen de llenado constante.
Carga continua.
Carga alternativa de varios tanques.
Carga intermitente, de una vez, a partir de un pre- almacenamiento.
Carga en varias veces a partir de un pre-almacenamiento
Figura 5.- Variantes de alimentación del proceso con caudal de alimentación Qmax. (adaptada de Cortacáns, 2014).
LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA
LLENADO MEZCLA AIREACIÓN SEDIMENTACIÓN SALIDA DE AGUA TRATADA
DIAGRAMA DE TIEMPOS REACTOR 1
REACTOR 2
M M
PREALMACENAMIENTO
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Los sistemas de pre-almacenamiento deben disponer de algún sistema de mezcla para evitar sedimentaciones. Este depósito funciona con calado variable (se suele colocar instrumentación de medida de nivel para controlar las cargas del reactor y para evitar desbordamientos). Debe poder vaciarse para procesos de limpieza. La aportación desde el depósito de pre-almacenamiento/regulador se puede realizar por bombeo o por gravedad. En el reactor es necesario colocar también instrumentación de medida de nivel, y sondas de oxígeno para el control de la aireación. También es de interés medir pH, el potencial Redox, e incluso disponer de medición en continuo de nitratos y amonio para el ajuste del proceso. También es posible instalar sondas de medida de nivel de fangos. El exceso de biomasa se purga en cualquier punto del este ciclo. La purga frecuente hace que de un ciclo al siguiente se mantenga una relación de masas casi constante entre el sustrato afluente y la biomasa. A continuación del reactor SBR, la tanda de agua residual tratada puede fluir a un tanque de homogenización de caudales en donde el flujo de agua residual a otras unidades de proceso puede ser controlado a una tasa determinada. En algunos casos el agua residual es filtrada para remoción adicional de sólidos y luego desinfectada.
Figura 6.- Diagrama de flujo típico de proceso SBR (EPA, 1999).
El sistema digestión de fangos puede consistir de un espesador y un digestor aeróbico. Al utilizar SBR no se necesitan bombas para la recirculación de lodos activados ni para los lodos primarios, como se requiere en sistemas convencionales de lodos activados. Con el sistema SBR típicamente sólo se maneja un tipo de lodo. La necesidad de uso de espesadores por gravedad antes de la digestión debe determinarse caso por caso, dependiendo de las características de los fangos. Sin embargo, el uso de sedimentadores primarios puede ser recomendado por el fabricante del sistema SBR si el total de sólidos suspendidos totales (SST) o la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) son mayores a valores entre 400 y 500 mg/L. 3.- DISEÑO 3.1.- Caudal y carga contaminante Los caudales de interés para diseño serán el caudal diario medio total de aguas residuales, Qmedio y, en su caso, el caudal máximo horario, QHp. Como se verá en el apartado correspondiente, la ratio SS/DBO5 afluente se considera un criterio de diseño. Adicionalmente, de cara al diseño de la aireación del reactor biológico se tendrá en cuenta la punta de concentración de DBO5. Dicha punta será de 1,5. De existir en la EDAR un tanque de homogenización no será necesario tener en cuenta el caudal ni la concentración máxima para el diseño del reactor biológico.
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3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico El diseño de un reactor SBR se realiza con las mismas bases que cualquier proceso de biomasa en suspensión pero se debe de tener en cuenta otros parámetros complementarios. Los parámetros más importantes para el dimensionamiento del reactor de fangos activos SBR son: Relación de “intercambio de volumen”, fa (en la bibliografía anglosajona “Volumetric Exchange Rate”): Relación entre el volumen retirado de agua en un ciclo y el volumen del reactor con llenado total (VR). El parámetro fa y la duración del ciclo, tc, son parámetros relacionados. En el caso de un reactor con aportación continua:
=
, = ,
Figura 7.- Croquis de configuración de volúmenes del reactor. Con agua residual urbana no se aconsejan valores de fa superiores a 0.5.
Relación de recirculación:

Tiempo de retención celular medio (θx): El tiempo medio de permanencia de los fangos se obtiene a partir de la relación de la masas de fangos en n tanques, con un volumen unitario Vmin y una concentración SSTR,min o del VR con una concentración SSTR, y la masa de fangos en exceso extraída por día.
=
=

En donde: n = Número de tanques. SSTmin = Concentración de SS en licor mezcla con volumen mínimo. SSTR = Concentración de SS en licor mezcla con volumen máximo. FEd = Producción diaria de fangos en exceso. Tiempo de retención celular del fango activo (θx) (días): Determinada por las reacciones biológicas. Se determina con los mismos criterios que en el proceso de fangos activos convencional.
=
=

=

Siendo: tR = tiempo de reacción durante el ciclo tc = tiempo total del ciclo completo. Carga másica operativa (kg/kg.día):
, = ,

Para aplicaciones de aguas residuales industriales normalmente se requieren estudios de tratabilidad para determinar la secuencia óptima de operación. Para la mayoría de las plantas de tratamiento de agua residual doméstica no se requieren dichos estudios para determinar la secuencia de operación porque el flujo de agua residual doméstica y sus variaciones características son generalmente predecibles; además, la mayoría de los diseñadores de ese tipo de plantas utilizan diseños de tipo conservador. Otras variables básicas que afectan al funcionamiento del reactor biológico:
Demanda total de oxígeno: se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales, Demanda puntual puede ser mayor porque el ejerce la demanda de oxígeno en un periodo menor. Producción de fangos: La misma que en un proceso convencional. En cada ciclo se extrae fango. No hay diferencias esenciales entre SBR y fangos activos en cuanto a costes y calidades.
Importancia del control de los llenados:
El llenado estático no tiene mezcla ni aireación, lo cual significa que se tendrá una alta concentración de sustrato (alimento) una vez se inicie la mezcla. Una alta relación alimento a microorganismos (F/M) crea un medio propicio para que los organismos crezcan en flóculos en vez de filamentos; esto da al lodo buenas características de sedimentación. Además, las condiciones de llenado estático favorecen a los organismos que hacen almacenamiento interno de productos durante condiciones de alta concentración de sustrato, lo cual es un requisito para la remoción biológica del fósforo. El llenado estático puede ser comparado con el uso de compartimientos "selectores" para el control de la relación F/M en un sistema convencional de lodos activados. El llenado con mezcla es llevado a cabo mezclando los compuestos orgánicos del afluente con la biomasa, para iniciar así las reacciones biológicas. Durante el llenado con mezcla las bacterias degradan biológicamente los compuestos orgánicos y utilizan el oxígeno residual u otro compuesto receptor de electrones alterno como los nitratos. En este medio la desnitrificación puede ocurrir en condiciones anóxicas. La desnitrificación es la conversión biológica de nitratos a gas nitrógeno. Un medio anóxico se define como la condición en la cual no se presenta oxígeno libre y el nitrato es utilizado por los microorganismos como receptor de electrones. El llenado con mezcla es comparable a la zona anóxica que se utiliza para la desnitrificación. También se pueden obtener condiciones anaeróbicas durante la fase de llenado con mezcla. Una vez que los organismos han utilizado los nitratos, el sulfato se convierte en el compuesto receptor de electrones. Las condiciones anaerobias se caracterizan por la falta de oxígeno y el uso del sulfato como compuesto receptor de electrones. El llenado con aireación tiene lugar cuando se suministra aire al contenido del reactor para iniciar reacciones aeróbicas que se completan en el paso de Reacción. El llenado con aireación reduce el tiempo requerido para el paso de Reacción. Para la entrada de agua afluente sin tratar se recomienda la colocación de una pantalla (baffle) o un muro; el agua es recomendable que acceda al decantador por debajo de manto de fango.
Optimización de la fase de eliminación de nutrientes: La desnitrificación se produce en ausencia de oxígeno. En esta fase anóxica se paran las soplantes y el cultivo se mantiene en suspensión mediante el funcionamiento de los agitadores. Durante esta etapa de desnitrificación el potencial Redox va disminuyendo de forma constante hasta un punto de inflexión que indica que todo el Nitrógeno-Nitrato ha pasado a Nitrógeno gas. El control del proceso pasa por la detección del punto final de las dos etapas. Una forma fácil de hacerlo…