TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

INGENIERA AMBIENTAL

CURSO 2014-1

GRUPOS VIII-IX SEMESTRES

CLASE NO. 23

DIGESTIN ANAEROBIA DE AGUAS

RESIDUALES

Introduccin, 253

Microbiologa, 253

Diseo del reactor, 255 Digestor de contacto, 255

Filtro anaerobio, 257

Reactor de manta de lodo de flujo ascendente, 258

Digestores de cama expandida y fluidizados, 263

Reactor anaerobio con separadores (baffled), 264

tower.jc@gmail.com

INTRODUCCIN

La digestin anaerobia de aguas residuales se en enfoca en la

degradacin de la DQO.

Los componentes de los dos tipos de residuales lquidos

degradables son similares: protenas, carbohidratos y lpidos. De

esta forma, las rutas bioqumicas son, esencialmente, las

mismas. Sin embargo, puede ser argumentado que se hace

necesaria una mejor comprensin de la ecologa microbiana

cuando se trata del tratamiento de residuales lquidos.

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MICROBIOLOGA

Existen probablemente dos aspectos que necesitan ser considerados: las tasas de crecimiento de todas las especies y la naturaleza de las especies metangenas.

Las tasas de crecimiento son importantes si es esperado un modelamiento del proceso. La tabla 23.1 muestra algunos valores tpicos de las constantes cinticas.

Las especies metangenas no son procariotas (bacterias sin ADN definido) pero pertenecen a las Arqueobacterias. De esta forma, estas tienen paredes celulares y lpidos diferentes. Estas tambin contienen coenzimas y cofactores especficos, los cuales pueden ser utilizados en su anlisis microscpico.

La existencia de tales coenzimas y cofactores significa que las especies metangenas posean una necesidad por metales pesados especficos, siendo los ms importantes el molibdeno (Mo; 0.1 mg/l), hierro (Fe; 0.12 mg/l), cobalto (Co; 0.6 mg/l) y nquel (Ni; 6.0 mg/l). Cerca de siete especies acetoclsticas han sido identificadas en lodos anaerobios, las ms comunes siendo las Metanosarcinas y Metanosaetas. Esta ltima ms conocida como Metanothrix (Patel y Sprott, 1990).

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La morfologa de estas especies es muy caracterstica. Las

Metanosarcinas son agrupaciones irregulares de clulas semi-

esfricas y las Metanosaetas son filamentosas (Figs. 23.1 y 23.2).

Otras metangenas tienen la forma de barras o cocos.

Las Metanosarcinas pueden utilizar hidrgeno, formiato, metanol

y metilamina, tambin como acetato, mientras que las

Metanosaetas solo pueden utilizar hidrgeno y acetato.

Las caractersticas de crecimiento de estas especies (Tabla 23.1)

significa que las Metanosaetas quedarn fuera de competencia

frente a las Metanosarcinas cuando el acetato exista en bajas

concentraciones.

Otras especies encontradas en la biomasa anaerobia incluyen la

Metanobrevibacter spp., la Metanospirillum spp. y

Syntrophobacter spp.

MICROBIOLOGA

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MICROBIOLOGA

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Similarmente a la competencia entre las dos especies acetoclsticas (Metanosarcinas y Metanosaetas), podr haber competencia entre las metangenas en general y las bacterias reductoras de sulfato (SRBs). Esto ocurrir cuando existan apreciables cantidades de sulfato en el agua residual.

Tanto las especies reductoras de sulfato (SRBs) como las metangenas compiten por los mismos donadores de electrones, hidrgeno y acetato y, a bajas concentraciones de acetato, las SRBs dejarn fuera de competencia a las metangenas. Esto significa que no solo habr una reduccin en la cantidad de metano producido, mas tambin habr contaminacin del biogs con sulfuro de hidrgeno (H2S). Esto puede resultar en problemas de olor y causa corrosin si el biogs es usado como combustible.

La relacin DQO:SO42- es el aspecto crtico y una relacin menor

que 1.7:2.7 favorecer a las bacterias reductoras de sulfato (SRBs) (Choi y Rim, 1991).

MICROBIOLOGA

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Anteriores intentos de uso de la digestin anaerobia para el

tratamiento de aguas residuales industriales resultaron en

tiempos de retencin hidrulica (TRH) no compatibles con las

necesidades de la industria. En efecto estos fueron demasiado

prolongados. Para enfrentar esto, los diseos de los reactores

fueron desarrollados de forma tal de separar el tiempo de

retencin hidrulico del tiempo de retencin de los slidos.

Esto tuvo el efecto de una retencin de altas concentraciones de

biomasa en el reactor, la cual, a su vez, permiti una ms rpida

degradacin de la DQO en el agua residual.

DISEO DEL REACTOR ANAEROBIO

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Digestor de contacto

La inmovilizacin de la biomasa en un digestor de contacto es realizada mediante un sistema de separacin de fase-reciclaje de biomasa similar a aquel usado en el proceso de lodo activado.

Este puede ser un tanque de sedimentacin o una membrana.

Si es utilizado un tanque de sedimentacin, existir la necesidad de implementar algunos procesos para detener la produccin de gas. Esto, por otra parte, producir partculas de lodo que tendern a ser levantadas hacia la superficie, en casi la misma forma que cuando ocurre desnitrificacin en el tanque final de una planta de lodo activado.

Las tcnicas que han sido utilizadas incluyen el enfriamiento hasta alrededor de 20C o desgasificacin (Fig. 23.3). Las densidades de biomasa que deben ser alcanzadas dependen de la concentracin de las aguas a ser tratadas. Tratamientos con altas concentraciones de alimentacin (> 20 g DQO/litro) y concentraciones de slidos de 20-30 g SSV/litro han sido reportados (Barnes y Fitzgerald, 1987).

DISEO DEL REACTOR

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El digestor de contacto no presenta adecuacin interior y, de esta

manera, es muy apropiado para el manejo de aguas residuales

que contengan altas concentraciones de slidos suspendidos.

Este es tambin un sistema bien mezclado y esta es una de las

razones de las altas eficiencias que pueden ser alcanzadas

(Tabla 23.2).

Las tasas de carga orgnica tienden a ser en el rango de 1-10 kg

DQO/m3 por da con tiempos de retencin de 2-5 das y excepto

cuando el proceso de sedimentacin no pueda ser controlado, el

proceso es generalmente robusto.

DISEO DEL REACTOR

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DISEO DEL REACTOR

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DISEO DEL REACTOR

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FILTRO ANAEROBIO

El filtro anaerobio puede operar de la misma forma en dos modos: flujo ascendente o flujo descendente. Probablemente el sistema de flujo ascendente sea el ms comn. Ambos sistemas usan medio filtrante plstico, el cual es completamente sumergido y, tpicamente, el empaque de medio puede ocupar de 60-70% del volumen del reactor (Fig. 23.4).

La opcin de flujo descendente utiliza un empaque tubular orientado, mientras que el filtro de flujo ascendente puede utilizar empaques tanto orientados como aleatorios.

Debido al flujo contracorriente del gas y el lquido en el sistema de flujo descendente, la mezcla en este caso ser ms intensa que en sistema de flujo ascendente.

El tipo de biomasa y la forma en que esta es inmovilizada tambin ser diferente en los dos diseos. En el filtro de flujo ascendente este existe en parte como un biofilme sobre el medio y una parte en forma floculada atrapada en los espacios vacos en el interior del medio filtrante.

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El filtro de flujo descendente es un proceso de filme (capa,

pelcula) fino y, como en la mayora de los procesos con biofilme,

la rugosidad de la superficie del medio filtrante aumentar la

capacidad de fijacin del filme, y de esta forma la puesta en

marcha. Tambin, la relacin superficie volumen de la matriz soporte es importante en la determinacin la cantidad de

biomasa.

Esto, en cambio, afecta la tasa de carga (TCO) que puede ser

aplicada. Las Tablas 23.4 y 23.5 ofrecen algunos datos tpicos de

desempeos para filtros de flujo descendente y ascendente,

respectivamente, y muestran que estos son operados a tasas de

carga superiores que los digestores de contacto.

FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

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Reactor de manta de lodo de flujo ascendente

En este proceso, el agua residual siendo tratada es pasada de forma ascendente a travs de una cama de partculas de lodo donde ocurren las principales reacciones bioqumicas (Fig. 23.5).

Si una buena retencin de biomasa es lo deseado, el lodo tendr que tener partculas bien sedimentables y estar suficientemente agregadas como para vencer las fuerzas de cizallamiento hidrulico del lquido que fluye en forma ascendente.

Los sistemas anaerobios de manta de lodos (UASB), de esta forma, se basan en la formacin del lodo granular. Los grnulos formados en los reactores UASB pueden tener dimetros de 0.14-5 mm (Fig. 23.6) y parecen ser formados por seleccin bacteriana. Cuando examinados mediante microscopa electrnica, pueden ser observados huecos en los grnulos (Fig. 23.7). Estos son atribuidos como siendo canales para la liberacin de gas (Morgan et al., 1991).

Los sustratos degradables solo pueden ser depositados lentamente sobre la superficie de los grnulos. Un ejemplo de esto es la acumulacin de lpidos durante el tratamiento de agua residual de produccin de helados (Morgan et al., 1990) (Fig. 23.8).

FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

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Esto causa que el rendimiento (o produccin ) especfica de gas sea significativamente reducido. La importancia de los grnulos en la operacin de los procesos anaerobios de manta de lodos han conllevado a una apreciable cantidad de trabajos siendo realizados para esclarecer tanto su estructura como la manera en que estos son formados.

Detalles de estos trabajos son dados en la revisin hecha por Schmidt y Ahring (1996). La metangena filamentosa Metanosaeta anteriormente denominada Metanotrix (Patel y Sprott, 1990), parece jugar un papel significativo, como tambin lo hace el material polimrico extracelular (Schmidt y Ahring, 1996).

Los grnulos poseen una alta velocidad de sedimentacin de 0.12 m/s y por esto tienen la capacidad de resistir un relativamente alto cizallamiento hidrulico. El lodo granular ha sido tambin reportado como teniendo mayor actividad especfica (rea superficial/peso de medio filtrante) que los lodos no granulares; 4 kg DQO removido /kg SSV comparado con 1.8 kg/kg (Hulshoff-Pol et al., 1982).

FILTRO ANAEROBIO

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El otro aspecto importante de estos reactores es el dispositivo de separacin slido/gas el cual es colocado en la parte superior del reactor.

La Tabla 23.6 muestra algunos datos tpicos de desempeo de los reactores UASB y muestra que estos son operados a tasas de carga ms elevadas que los digestores de contacto y los filtros anaerobios.

El reactor hbrido es una extensin del reactor de manta de lodo de flujo ascendente (UASB) el cual contiene un medio de empaque por encima de la manta de lodos (Fig. 23.9).

As, este combina los atributos tanto del filtro UASB como los del filtro anaerobio de flujo ascendente.

Sin embargo, no habr necesidad de que el lodo sea en forma granular. Esto tambin significa que habr una mayor cantidad de biomasa retenida dentro del reactor.

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FILTRO ANAEROBIO

La cama de lodo granular expandida (EGSB) es otra modificacin

de la tecnologa de manta de lodo de flujo ascendente (UASB)

(Fig. 23.10). En efecto, este es un reactor de cama fluidizada

(expandida) el cual usa un lodo granular en vez de un biofilme

sobre el material soporte y, como tal, puede operar a altas tasas

de carga; tpicamente, 15-30 kg DQO/m3/da.

Uno de los aspectos ms importantes del reactor de cama de

lodo granular expandida (EGSB) Biobed es que el sedimentador

trifsico situado en la parte superior del reactor tolerar ms altas

velocidades de flujo ascendente (hasta 15 m/h) que aquellas

usadas en el reactor de manta de lodo de flujo ascendente

(UASB) (1.0-1.5 m/h).

Existe tambin una diferencia en las alturas de los dos tipos de

digestores (a saber EGSB y UASB).

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FILTRO ANAEROBIO

FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

23 Reactor de cama de lodo granular expandida (EGSB) y reactor hbrido

El reactor/filtro de cama de lodo granular expandida (EGSB) es

ms alto, tpicamente de alturas de 12-18 m comparado con los

sistemas UASB. Debido a esto y a las tasas de carga usadas,

este proceso consume menos espacio que el sistema UASB

convencional.

El proceso usa la recirculacin para alcanzar las velocidades de

fluidizacin, y los tiempos de retencin hidrulicos para las

plantas a escala completa y tienden a estar en el rango de 3.5-15

h, debido a esto, tambin la tasa de carga depender de la

naturaleza del residual siendo tratado y del estndar de

tratamiento exigido (Tabla 23.7).

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FILTRO ANAEROBIO

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FILTRO ANAEROBIO

Una vez ms, debe ser recordado que si un efluente de muy alta

calidad es exigido, la etapa de digestin deber ser sucedida por

un proceso aerobio.

La necesidad de hacer esto puede ser vista a partir del examen

de la Tabla 23.8, la cual muestra el desempeo de dos plantas

reactor de cama de lodo granular expandida EGSB que tratan

aguas residuales productos del procesamiento de papas junto

con la calidad final del efluente posterior a la etapa de pulido

aerobio (Zoutberg y Eker, 1999).

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FILTRO ANAEROBIO

DIGESTORES DE LECHO

EXPANDIDO Y FLUIDIZADO

Digestores de cama expandida y fluidizada

Tanto los lechos expandidos como fluidizados utilizan un medio soporte el cual es usualmente arena (0.3-1 mm), pero la diferenciacin entre los dos sistemas no est bien definida.

El trmino cama expandida pudiera probablemente ser aplicada cuando el reactor es operado a una expansin del lecho de 10-20%, mientras que a expansiones de lecho mayores que 30% pudiera ser pensado como siendo un lecho fluidizado. Estas expansiones son alcanzadas mediante la combinacin del flujo ascendente de la alimentacin y los licores recirculados (Fig. 23.11).

La biomasa activa en los lechos expandidos es el biofilme que coloniza el medio soporte arena -(Fig. 23.12).

Una considerable cantidad de trabajos ha sido publicada en estudios a escala de laboratorio y con reactores a escala piloto (Tabla 23.9), pero informacin sobre instalaciones de gran escala es todava hoy menos accesible.

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DIGESTORES DE LECHO

EXPANDIDO Y FLUIDIZADO

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DIGESTORES DE LECHO

EXPANDIDO Y FLUIDIZADO

Los digestores de lecho expandido son sistemas de alta

ingeniera, pero, a pesar de esto, algunas plantas a gran escala

han sido construidas. Por ejemplo, un digestor de 80 m3 en

Australia ha sido construido para tratar el agua residual producida

por una planta de procesamiento de cereal con una tasa de carga

de 7.5 kg DBO/m3/da (Barnes y Fitzgerald, 1987). Switzenbaum

(1985) ha publicado tambin que un digestor de lecho expandido

que trata un efluente de 380 m3/da procedente de una planta de

produccin de bebidas sin alcohol alcanz una remocin de DQO

de 77% a una tasa de carga de 9.5 kg DQO/m3/da.

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DIGESTORES DE LECHO

EXPANDIDO Y FLUIDIZADO

REACTOR ANAEROBIO CON

SEPARADORES

A pesar de las diferentes formas en que un reactor anaerobio con separadores (deflectado) es construido, el concepto bsico es que debe existir un flujo serpentina guiado por los separadores o deflectores , como mostrado en la Fig. 23.13.

Esencialmente, las modificaciones se basan en cmo la alimentacin es introducida y donde el gas es atrapado (Barber and Stuckey, 1999). Los diseos hbridos han sido tambin sugeridos, con algunos o todos los compartimientos conteniendo medios estructurados o aleatorios.

Estas diferentes modificaciones han sido en su mayora diseadas o propuestas para aumentar la retencin de slidos. Las ventajas afirmadas para este tipo de diseo incluyen su mayor resistencia a cargas de choque, tanto hidrulicas (TCH) como orgnicas (TCO), ms bajas producciones de lodo y la capacidad para separar las diferentes fases en todo el proceso anaerobio (Barber and Stuckey, 1999).

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Sin embargo, una planta de este tipo fue descrita en el trabajo de revisin de Barber y Stuckey (1999). Esta trat el efluente de una poblacin equivalente a 2500 habitantes y fue operada a una velocidad de flujo ascendente de lquido de 3 m/h. Esta alcanz una remocin de DQO de alrededor del 70% a tasas de carga variando entre 0.4 y 2.0 kg/m3/da.

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REACTOR ANAEROBIO DESVIADO

Comparacin con el proceso aerobio

Una de las grandes ventajas de la digestin anaerobia es la baja

produccin de lodos comparada con la opcin aerobia (Fig.

23.14). Esto obviamente afecta los costos de operacin del

manejo y la disposicin de los lodos. Adems, el proceso

anaerobio no necesita ser aireado y genera un subproducto rico

en energa, el biogs. Como tal, estos pueden ser considerados

ricos en energa.

Los digestores anaerobios pueden tambin tolerar perodos de

parada, algo que pudiera causar problemas con los reactores

aerobios, y estos pueden reanudar relativamente rpido. Esto es

un beneficio distintivo cuando las aguas residuales estn siendo

generadas por el procesamiento de frutas y vegetales

estacionales. Otras ventajas aparecen listadas en la Tabla 23.10.

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COMPARACIN CON LOS PROCESOS AEROBIOS

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COMPARACIN CON LOS PROCESOS AEROBIOS

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COMPARACIN CON LOS PROCESOS AEROBIOS

BIBLIOGRAFA

Wastewater treatment and technology. C F Forster Published

by Thomas Telford Publishing, Thomas Telford Ltd, 1 Heron

Quay, London E14 4JD. URL: http://www.thomastelford.com

ISBN: 0 7277 3229 3 # Thomas Telford Limited 2003.

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