TEMA 13. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE

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1 TEMA 13. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE
EFLUENTES LÍQUIDOS III: TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS AEROBIOS 13.1. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS 13.2. SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIO CON BIOMASA EN SUSPENSIÓN METABOLISMO AEROBIO LODOS ACTIVOS REACTORES DISCONTINUOS SECUENCIALES LAGUNAS AIREADAS 13.3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIO CON BIOMASA FIJA LECHOS FIJOS REACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS DE CONTACTO LECHOS FLUIDIZADOS

2 OBJETIVOS DEL TEMA Comprender el concepto de tratamiento biológico de aguas residuales, principales factores a considerar en el diseño y los fundamentos del metabolismo aerobio Conocer los principales sistemas de tratamiento aerobio con biomasa en suspensión (lodos activos, reactores discontinuos secuenciales y lagunas aireadas), así como las principales características de los equipos, modo de operación y aplicabilidad Conocer los principales sistemas de tratamiento aerobio con biomasa fija (lechos fijos, biodiscos y lechos fluidizados), así como las principales características de los equipos, modo de operación y aplicabilidad Conocer los parámetros de diseño de un sistema de lodos activos y ser capaz de realizar el diseño de un sistema de tratamiento en condiciones de mezcla completa

3 13.1. TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS
Los tratamientos biológicos son aquellos en los que la degradación de los contaminantes se efectúa por la acción de microorganismos POR VÍA BIOLÓGICA SE PUEDE ELIMINAR CONTAMINANTES BIODEGRADABLES:  Materia orgánica fácilmente biodegradable  Algunos contaminantes orgánicos tóxicos (p ej. Compuestos fenólicos)  Nutrientes (N y P)  Algunos otros contaminantes inorgánicos (CN-, SCN-) Se utilizan para tratar ARU y muchas ARI VENTAJAS  Bajo coste  Destrucción del contaminante  Buena aceptación social No requiere equipos complejos INCONVENIENTES  Difícil de predecir  No siempre es posible  Lento Pueden generarse intermedios más tóxicos

4 Los contaminantes pueden ser fácilmente biodegradables, persistentes (biodegradación muy lenta), recalcitrantes (no biodegradables) o tóxicos UN EFLUENTE SE DICE QUE ES:  Biodegradable cuando DBO/DQO>0,6  Medianamente biodegradable cuando 0.2<DBO/DQO<0,6  Muy poco biodegradable (o no biodegradable) cuando DBO/DQO<0,2 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) Es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar la materia orgánica presente en el agua por vía química (toda la materia orgánica) DEMANDA BIOLÓGICA DE OXÍGENO (DBO) Es la cantidad de oxígeno necesaria para descomponer la materia orgánica presente en el agua por vía bioquímica (solo la materia orgánica biodegradable)

5 EN GENERAL LA BIODEGRADABILIDAD DE UN CONTAMINANTE ORGÁNICO ES MENOR CUANTO:
 Mayor sea el número de halógenos  Mayor sea la cantidad de ramificaciones  Menor sea la solubilidad en agua Una sustancia puede ser biodegradable a una determinada concentración y no serlo a concentraciones más elevadas o en presencia de otros contaminantes

6 LOS MICROORGANISMOS PARA MANTENER SUS FUNCIONES VITALES REQUIEREN:
Una fuente de energía (materia orgánica o luz solar) Una fuente de carbono para la síntesis de materia celular nueva (materia orgánica o CO2) Nutrientes inorgánicos: N, P, S, K, Ca, Mg LOS MICROORGANISMOS SE PUEDEN CLASIFICAR: SEGÚN SUS NECESIDADES DE OXÍGENO: Aerobios: necesitan oxígeno Anaerobios: mueren en presencia de oxígeno Facultativos: pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno SEGÚN SU FUENTE DE CARBONO: Heterótrofos: requieren una fuente de carbono orgánico Autótrofos: utilizan el CO2 como fuente de carbono

7 Lodos activos (purines)
El tratamiento biológico consiste en promover y mantener una población microbiana que metaboliza un determinado residuo Es habitual el empleo de cultivos mixtos (suelen presentar velocidades de degradación superiores a los cultivos puros) PARÁMETROS TÉCNICOS  Presencia/ausencia de O2 (tratamiento aerobio/anaerobio)  Temperatura (aumenta la actividad)  pH (normalmente entre 6 y 8)  Nutrientes: macronutrientes (C, N y P) y micronutrientes (S, K, Ca, Fe, Mg)  Diseño del reactor (homogeneización, CSTR/PFR, TRH) Lodos activos (purines) Lodos activos (EDARU Villapérez)

8 13.2. SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIO CON BIOMASA EN SUSPENSIÓN
En los procesos de tratamiento aerobio el sistema se airea para que la degradación tenga lugar por vía aerobia (con oxígeno) El oxígeno molecular es utilizado como agente oxidante Los productos finales son principalmente agua, dioxido de carbono y biomasa celular EN UN TRATAMIENTO BIOLÓGICO AEROBIO ENCONTRAMOS: Bacterias, principales responsables del proceso Protozoos, contribuyen en pequeña cantidad Rotíferos, crustáceos y gusanos, apenas contribuyen SE ELIMINA MATERIA ORGÁNICA BIODEGRADABLE: Ej. ARU (~DBO5 300  30 mg/L) (después del tratamiento primario), AR de industria alimentaria, aguas industriales que contengan residuos peligrosos biodegradables (ej. compuestos fenólicos, dicloroetileno, hidrocarburos aromáticos policíclicos)

9 Fig. 13.1. Stylonychia Fig. 13.2. Balantidium coli
(publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0) Fig Balantidium coli (publicada en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

10 13.2.1. TRATAMIENTO BIOLÓGICO AEROBIO
Se puede resumir: MATERIA ORGÁNICA O BACTERIAS  NUEVAS CÉLULAS CO H2O OXIDANTE : O2 molecular PRODUCTOS FINALES: AGUA CO2 BIOMASA CELULAR TRATAMIENTO AEROBIO : BACTERIAS PROTOZOOS ROTÍFEROS, CRUSTÁCEOS y GUSANOS ELIMINA : MATERIA ORGÁNICA BIODEGRADABLE

11 RESPIRACIÓN DEL SUBSTRATO:
LAS PRINCIPALES REACCIONES QUE TIENEN LUGAR EN UN PROCESO BIOLÓGICO AEROBIO EN EL QUE INTERVENGAN MICROORGANISMOS HETERÓTROFOS SON: SÍNTESIS CELULAR: Parte de la materia orgánica se utiliza para formar nueva materia celular RESPIRACIÓN DEL SUBSTRATO: Parte de la materia orgánica se oxida para dar energía RESPIRACIÓN ENDÓGENA: En ausencia de materia orgánica, parte del material celular se oxida para para dar energía para el mantenimiento celular Materia orgánica + O2 + bacterias + energía  Nuevas células bacterianas Materia orgánica + O2 + bacterias  CO2 + H2O + NH3+ energía + … O2 + bacterias  CO2 + NH3+ energía +…

12 Los microorganismos se encuentran suspendidos en el medio acuoso formando flóculos
Son los que mejor se adaptan al tratamiento de efluentes que contienen de moderadas a altas concentraciones de compuestos orgánicos (~1000 mg/L TOC) Existen distintos sistemas: FANGOS ACTIVOS REACTORES DISCONTINUOS SECUENCIALES LAGUNAS AIREADAS

13 LODOS ACTIVOS Un sistema de lodos activados es un proceso biológico (bioproceso) utilizado para la depuración natural (biorremediación) de las aguas residuales. EL TRATAMIENTO GENERAL CON LODOS ACTIVADOS CONSISTE DE DOS PARTES: ● Un tratamiento aerobio de las aguas residuales, en el cual, un cultivo aeróbico de microorganismos en suspensión oxidan la materia orgánica ● Una conjunto de procesos de biodegradación (oxidación de la materia orgánica disuelta) y biosíntesis (producción de nueva biomasa celular) cuya finalidad es la producción de un clarificado (agua sin materia orgánica en suspensión) bajo en DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), SS (Sólidos Suspendidos) y turbidez. Consiste en pasar el agua residual a través de un reactor que contiene biomasa en suspensión de microorganismos muy activos y aclimatados El agua residual se introduce en un reactor donde hay un cultivo bacteriano aerobio en suspensión; el contenido del reactor se denomina licor de mezcla El ambiente aerobio se consigue mediante difusores o aireadores mecánicos, que además sirven para que el contenido del reactor permanezca mezclado La mezcla se conduce a un tanque de sedimentación para separar el lodo del agua residual tratada; una parte de este lodo se recircula para mantener en el reactor la concentración de organismos deseada y la otra parte se purga (se puede hacer desde la línea de recirculación del fango o desde el propio reactor)

14 EQUIPOS. ECUACIONES Y PARÁMETROS DE DISEÑO
Los lodos activos son muy utilizado en ARU Adecuado para DBO5 entre 200 y mg/L La biomasa en suspensión permite un buen contacto Suministro de oxígeno (aire) La concentración de biomasa se mide como SSV Se genera biomasa (~ 1 kg SST/kg DBO5 eliminada) Para el tratamiento de residuos peligrosos se puede añadir carbón activo (adsorción de compuestos orgánicos tóxicos) LOS REACTORES SUELEN TENER UNA ALTURA ENTRE 2 y 5 m Y PUEDEN APROXIMAR SU COMPORTAMIENTO A:  CSTR (mezcla completa): suelen disponer de agitación mecánica  PFR (flujo de pistón): difícil de conseguir (debido a la intensa mezcla suele ser necesario poner placas deflectoras o varios compartimentos); aunque tiene mayor eficiencia teórica puede ser más fácilmente desestabilizado por cambios en la alimentación

15 Fig. 13.3. Esquema del sistema de reacción
TIEMPO MEDIO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO: Tiempo promedio de contacto entre el lodo y el agua residual TIEMPO MEDIO DE RETENCIÓN CELULAR: Masa de microorganismos del reactor dividida por la masa diaria de microorganismos purgados del sistema; cuando la purga se lleva a cabo desde la línea de recirculación de fangos Q, Qw, Qe = caudal de alimentación, de purga y de agua clarificada X, Xr, Xe = Solidos Suspendidos Volátiles (microorganismos) en el reactor, en la recirculación y en el agua clarificada Vr = volumen de reactor Fig Esquema del sistema de reacción

16 TASA DE UTILIZACIÓN DE SUSTRATO ESPECÍFICA
S0, S = DBO5 a la entrada y a la salida RELACIÓN ALIMENTO/MICROORGANISMOS: CARGA VOLUMÉTRICA: CONCENTRACIÓN DE BIOMASA EN EL REACTOR: SSVLM > 1000 mg/L

17 PRODUCCIÓN DE LODOS Biomasa producida por unidad de tiempo Biomasa purgada (en exceso) por unidad de tiempo Y = rendimiento biomasa (SSV)/DBO5 kd = constante de respiración endógena NECESIDAD DE OXÍGENO: La necesidad teórica de oxígeno se puede calcular a partir de la DBO5 del sistema; si toda la DBO se convirtiese en productos finales la cantidad total de oxígeno necesaria se calcularía convirtiendo la DBO5 a DBO (factor f) y hallando la diferencia entre la entrada y la salida. En realidad, parte de la materia orgánica que se consume se convierte en material celular nueva que posteriormente se purga del sistema, por lo tanto si la DBO de las células purgadas se resta del total se obtiene la cantidad de oxígeno que debe suministrarse al sistema Es necesario que haya al menos 1,5-2 mg/L de OD en el reactor de oxigenación para asegurar condiciones aerobias

18 NUTRIENTES: En caso de que falte alguno se realiza un aporte externo DBO5:N:P → 100:5:1 SUPERFICIE DEL SEDIMENTADOR SECUNDARIO: Carga superficial m3/m2 dia; profundidad 3-5 m

19 13.2.3. REACTORES DISCONTINUOS SECUENCIALES
Se dejaron de utilizar a principios del s. XX, sustituidos por los lodos activos, pero en la actualidad constituyen una alternativa viable y útil para determinadas aplicaciones En estos reactores se combina la homogeneización, el tratamiento biológico y la sedimentación en un solo tanque CUATRO ETAPAS: LLENADO TRATAMIENTO BIOLÓGICO SEDIMENTACIÓN DESCARGA Permite ajustar los tiempos  mayor flexibilidad para residuos peligrosos Adecuados para tratamientos a pequeña escala Si se desea trabajar en continuo son necesarios por lo menos dos RDS para que uno se esté llenando mientras en los otros se dan los siguientes pasos Ejemplos: efluentes de industria alimentaria, lixiviados de vertedero

20 LLENADO: Durante esta primera etapa el líquido residual se introduce gradualmente hasta alcanzar un nivel adecuado en el estanque a fin de acumular una gran cantidad de sustrato orgánico. MEZCLA: Se accionan los mezcladores y comienza el proceso de desnitrificación, gracias a las bacterias facultativas que para su desarrollo necesitan condiciones anóxicas. AIREACIÓN-MEZCLA: La activación del sistema de aereación provee el oxígeno necesario para las reacciones biológicas aeróbicas con eliminación de dbo y transformación del nitrógeno amoniacal en nitratos. SEDIMENTACIÓN: Parada de los dispositivos de aereación y de mezcla. Este proceso se lleva a cabo en reposo absoluto, aprovechando toda la superficie del estanque sbr como estanque de sedimentación. VACIADO Y FASE INACTIVA: En esta fase se recoge gradualmente el efluente depurado y clarificado una vez realizada la sedimentación; el posible período de quietud coincide con el alejamiento del fango en exceso hacia la cuba de decantación.

21 LAGUNAS AIREADAS Es un proceso de fangos activos con la diferencia de que se usa como reactor un depósito excarvado en el suelo El oxígeno se suministra mediante difusores o aireadores superficiales que consiguen a la vez que la biomasa se encuentre en suspensión (para que sea efectivo la profundidad no debe de superar los 3,7 m) Los sólidos se encuentran suspendidos El tiempo de residencia celular suele ser más alto que en fangos activos (10-20 días) Van seguidos de grandes sedimentadores y pueden operar sin recirculación de lodos (θ = θc) o con ella La temperatura resulta determinante en la eficacia del proceso y en climas fríos la formación de hielo puede constituir un problema Fig Esquema de una depuradora por lagunaje (publicada en Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)

22 13.3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIO CON BIOMASA FIJA
Se basa en la capacidad que tienen ciertos microorganismos para adherirse a la superficie de un medio inerte formando una fina biopelícula De esta manera se pueden llegar a alcanzar altas concentraciones de biomasa, lo que facilita la operación cuando hay poco crecimiento (residuos con baja concentración de materia orgánica). También se pueden utilizar para altas cargas EXISTEN DISTINTOS SISTEMAS:  SISTEMAS DE LECHO FIJO  BIODISCOS  LECHOS FLUIDIZADOS Fig Biorreactor (publicado en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

23 LECHOS FIJOS Lecho formado por un medio filtrante al que se adhieren los microorganismos y a través del cual percola el AR Cuando la relación altura/superficie es baja se denomina filtro percolador y la entrada de aire se produce de manera natural Medio filtrante: piedras (diámetro 2,5 – 10 cm) o rellenos sintéticos con alta relación S/V Los filtros de piedra suelen ser circulares y la profundidad del lecho suele estar entre 1 y 2,5 m El efluente a tratar es dispersado por la parte superior normalmente mediante un distribuidos rotatorio Aunque el flujo es de pistón son equipos bastante resistentes a cambios en las características del efluente Proceso predominantemente aerobio, pero se pueden dar procesos anaerobios en el interior de la biopelícula Se puede utilizar uno o más filtros en serie y suelen ir seguidos de un sedimentador que separa la biomasa, también se pueden utilizar recirculaciones que aumentan la eficacia

24 Se suelen denominar torres de lecho fijo o biotorres
Los filtros con relleno de material plástico pueden tener presentar diversas geometrías (circulares, cuadradas), con profundidades entre 4 y 12 m Permiten mayores cargas hidráulicas y orgánicas (más adecuado para aguas industriales) Se suelen denominar torres de lecho fijo o biotorres En este caso el aire se suele inyectar en el agua a tratar El funcionamiento es similar al de los filtros percoladores Fig Filtro oxidante en una planta rural (publicado en Wikipedia con licencia CC BY-SA 3.0)

25 ECUACIONES NCR (NACIONAL RESEARCH COUNCIL) PARA FILTROS DE PIEDRA
Los filtros con relleno de material plástico pueden tener presentar diversas geometrías (circulares, cuadradas), con profundidades entre 4 y 12 m Permiten mayores cargas hidráulicas y orgánicas (más adecuado para aguas industriales) Se suelen denominar torres de lecho fijo o biotorres En este caso el aire se suele inyectar en el agua a tratar El funcionamiento es similar al de los filtros percoladores E1, E2 = eficacia de eliminación de la DBO a 20ºC en el primer y segundo filtro (%) w1, w2 = carga másica de cada filtro, expresada en kg DBO5/día V = volumen del medio filtrante de cada filtro, expresado en m3 F = factor de recirculación

26 13.3.2. REACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS DE CONTACTO
Los biodiscos consisten en una serie de discos verticales de material plástico (poliestireno o PVC) situados en un eje a corta distancia unos de otros Los discos se colocan parcialmente sumergidos en el efluente a tratar y giran lentamente (< 5 rpm) Los microorganismos forman una biopelícula sobre la superficie de los discos La rotación de los discos pone la biomasa en contacto, de forma alternativa, con la materia orgánica presente en el agua residual y con la atmósfera, lo que mantiene la biomasa en condiciones aerobias Sistemas estables Modificación: biocilindros (jaula cilíndrica perforada con relleno plástico)

27 LECHOS FLUIDIZADOS Microorganismos inmovilizados sobre partículas de arena, basalto Agua a tratar y aire se introducen por abajo y mantienen el sólido en suspensión En muchos casos permite conseguir velocidades de degradación superiores que con los sistemas anteriores Admite altas cargas