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Sistemas con reactores aeróbicos para tratar aguas residuales

Los tratamientos biológicos de aguas residuales (reactores aeróbicos y anaeróbicos) aprovechan la capacidad de determinados microorganismos (entre los que destacan las bacterias) de asimilar la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual a tratar para su propio crecimiento, llevando a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. La materia orgánica soluble es asimilada por los microorganismos como fuente de carbono. Tras esta operación se separa por decantación la biomasa generada del sobrenadante. Para el crecimiento de los microorganismos es necesario, aparte de la materia orgánica, la presencia de nitrógeno y fósforo en el efluente. Si su concentración no es suficiente, se deberán aportar al tratamiento.

La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen nitrógeno y fósforo. Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales, por su sencillez y su bajo coste económico de operación.

Los únicos requisitos para la aplicación satisfactoria de estas tecnologías son que la contaminación sea biodegradable y que no haya presencia de ningún compuesto biocida en el efluente a tratar.

Los microorganismos pueden asimilar la materia orgánica consumiendo oxigeno, o bien en completa ausencia de éste, lo que nos lleva a disponer de 2 sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales:

La selección del tipo de proceso biológico más conveniente se debe analizar caso a caso en función de las características del efluente a tratar.

SISTEMAS MEDIANTE REACTORES AERÓBICOS

Los sistemas aérobicos de tratamiento de aguas residuales, aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento, en presencia de oxígeno, que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación de la materia orgánica.

Esta particularidad conlleva unos rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, consecuencia del alto crecimiento de las bacterias en condiciones aeróbicas.

etapas de los sistemas aeróbicos

ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS CON REACTORES AERÓBICOS

Un sistema de tratamiento aeróbico se compone de las siguientes etapas:

1. Pretratamiento: En esta etapa se procede a la eliminación de los sólidos de gran tamaño que llegan a la planta de tratamiento de agua. Estos materiales, si no son eliminados eficazmente, pueden producir serias averías en los equipos. Las piedras, arena, latas, etc. producen desgaste de las tuberías y de las conducciones así como de las bombas. Los aceites y grasas que puedan llegar también son eliminados en esta etapa con el fin de evitar que el tratamiento biológico se ralentice, su rendimiento disminuya así como la calidad del efluente. Se emplean para ello tanto operaciones físicas como mecánicas. Las principales operaciones que pueden emplearse en función de la procedencia del agua residual a tratar, de su calidad o de los tratamientos posteriores son:

  • Separación de grandes sólidos: siempre que las aguas a tratar puedan contener sólidos de gran tamaño se emplea este sistema que consiste en un pozo situado a la entrada del colector que permita concentrar los sólidos y las arenas decantadas en una zona especifica donde se puedan extraer de una forma eficaz.
  • Desbaste: Esta operación evita obstrucciones de partes posteriores de la instalación por la llegada masiva de grandes sólidos. Consiste en el uso de rejas con distintas separaciones entre barrotes que permiten separar los sólidos según su tamaño.
  • Tamizado: Esta operación está indicada cuando las aguas residuales contiene grandes cantidades de sólidos flotantes o residuos. Se emplean tamices de distinto grosor.
  • Desarenado: permite eliminar partículas sólidas superiores a 200 micras que puedan ocasionar problemas de taponación de conducciones o bombas o abrasiones en los distintos equipos.
  • Desaceitado-desengrasado: Permite es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales flotantes más ligeros que el agua, que puedan distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. Se efectúan normalmente por insuflación de aire con el fin de desemulsionar y aumentar la flotación de las grasa.

2. Tratamiento Primario: En esta etapa del tratamiento se eliminan los sólidos en suspensión de las aguas a tratar empleándose para ello, distintos procesos físico-químicos Estos sólidos pueden ser: sedimentables, flotantes o coloidales.

  • Sedimentación: Separación por gravedad que permite que las partículas más densas que el agua se depositen en el fondo del sedimentador. Será más eficaz cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentación, siendo el principal parámetro de diseño para estos equipos. A esta operación de sedimentación se le suele denominar también decantación. La decantación primaria permite eliminar los sólidos en suspensión (60%, aprox) y la materia orgánica (30%, aprox) y protege los procesos posteriores de oxidación biológica de la intrusión de fangos inertes de densidad elevada. Pueden emplearse sedimentadores rectangulares, circulares y lamelares.
  • Flotación: Se fundamenta en la diferencia de densidades y permite separa la materia sólida o líquida de menor densidad que la del fluido que asciende a la superficie. Se utiliza aire como agente de flotación, y en función de cómo se introduzca en el líquido, se tienen dos sistemas de flotación: Flotación por aire disuelto (DAF) en el que el aire se introduce en el agua residual bajo una presión de varias atmósferas y Flotación por aire inducido donde la generación de burbujas se realiza a través de difusores.
  • Coagulación – Floculación: si hay presencia de partículas de tamaño muy reducido se forman suspensiones coloidales, de gran estabilidad debido a las interacciones eléctricas entre las mismas, con una lenta velocidad de sedimentación. Así, para mejorar su eliminación, se añaden reactivos químicos que desestabilizan la suspensión coloidal (coagulación) y favorecen la floculación de las mismas para obtener partículas fácilmente sedimentables. Los coagulantes suelen ser productos químicos que en solución aportan carga eléctrica contraria a la del coloide.
  • Filtración: La filtración es una operación en la que se hace pasar el agua a través de un medio poroso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensión. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable.

3. Tratamiento secundario: Los tratamientos secundarios se fundamentan en procesos biológicos en los que se emplean microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto coloidal como disuelta, así como la eliminación de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). En la mayor parte de los casos, la materia orgánica es oxidada por los microorganismos que la usan como fuente de energía para su crecimiento.  Los procesos aerobios se basan en la eliminación de los contaminantes orgánicos por su transformación en biomasa bacteriana con la ayuda de oxígeno (que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación), CO2 y H2O.

  • Digestión: En los sistemas aeróbicos el agua residual pasa a un reactor-digestor aeróbico, donde se encuentran los microorganismos responsables de oxidar la materia orgánica disuelta, empleando para ello un flujo de oxígeno.
  • Decantación: la separación de los lodos formados se produce por gravedad en los sedimentadores secundarios.

4. Tratamiento Terciario: en función de la calidad del efluente obtenido, del destino final del mismo y de la legislación vinculada en cada caso, se aplica un tratamiento terciario al mismo, con el fin de eliminar la carga orgánica residual y aquellas otras sustancias contaminantes no eliminadas en los tratamientos secundarios, como por ejemplo, los nutrientes, fósforo y nitrógeno. Puede usarse cualquier combinación de proceso, desde tratamientos físicos, químicos o biológicos. Generalmente serán:

  • Procesos de filtración: microfiltración, ultrafiltración
  • Intercambio iónico
  • Ósmosis inversa
  • Adsorción
  • Membrana
  • Desinfección: La desinfección consiste en eliminar o inactivar los microorganismos patógenos o cualquier otro microorganismo vivo con el fin de asegurar la reutilización del agua tratada. Los principales procesos de desinfección son:
    • Cloración
    • Ozonización
    • Electrodesinfección

CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES AERÓBICOS

En función del sistema empleado para el crecimiento de la biomasa, los sistemas de tratamiento aeróbico se clasifican en:

1. Biomasa en Suspensión (lodos activados): la biomasa crece libre o en suspensión en el interior del biorreactor, produciendo la formación de flóculos.

  • Proceso convencional.
  • Reactores secuenciales (SBR): Este tipo de reactor opera en discontinuo y se dan todos los procesos en el mismo tanque de forma secuencial en el tiempo. Es una buena alternativa para aquellas industrias que producen pequeños efluentes pero con una elevada variabilidad en cuanto a sus características.reactores anaeróbicos secuenciales SBR
  • Reactores de Biomembrana (MBR): Este reactor es similar al de fangos activos con la singularidad de que dispone de un módulo de membranas de ultrafiltración en su interior. Este módulo permite la separación del fango y el líquido mediante membranas, obteniendo importantes ventajas en relación a los tradicionales decantadores secundarios. Es una alternativa para aquellos casos en los que se dispone de poco espacio.Reactores de biomembrana MBR
  • BIOCARB®: Es un modelo exclusivo patentado por Condorchem Envitech y se basa en el desarrollo de un reactor aeróbico de lecho fijo cuyo material de relleno es carbón lignítico granulado. El carbón filtra, adsorbe y hace de soporte para la biopelícula, además de alimentar a los microorganismos de minerales y elementos traza. Por otro lado, el proceso de adsorción realiza una doble contribución al proceso al laminar los picos de carga de contaminantes y al hacer que el tiempo de residencia de los contaminantes en el interior del reactor aumente con lo que es posible la degradación de compuestos orgánicos persistentes. El reactor BioCarb® se ha demostrado especialmente efectivo en el tratamiento de contaminantes difíciles de biodegradar y con color. Además, la inmovilización de la biomasa en la superficie del carbón lignítico permite realizar en una sola etapa un tratamiento biológico y fisicoquímico de las aguas residuales.

Depuradoras biológicas biocarb

2. Biomasa Fija: la biomasa crece adherida a un soporte que puede ser natural o artificial, formando una lama o película.

  • Biodiscos: conjunto de discos de un material determinado (madera, polietileno corrugado, poliestireno corrugado, pvc) que giran en torno a un eje horizontal, situados dentro en el reactor. Sobre este soporte se desarrolla gradualmente una película de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia orgánica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al disco toma el oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual.Biodiscos
  • Biofiltros: El aire es aspirado cerca del foco de emanación y habitualmente guiado a una cámara de acondicionamiento. Aquí es saturado de humedad y luego guiado a un lecho de biomasa fijada. Las sustancias contaminantes se absorben a la biopelícula de biomasa formada sobre el relleno y aquí posteriormente son digeridos por microorganismos. En el proceso de digestión y metabolización son transformados en compuestos que ya no huelen.
  • Filtros percoladores: Se “deja caer” o rocía agua de desecho decantada sobre el filtro. Al migrar el agua por los poros del filtro, la materia orgánica se degrada por la biomasa que cubre el material del filtro.Filtros percoladores
  • Filtros de lecho móvil (MBBR)El cultivo bacteriano encargado de la depuración se encuentra en forma de biopelícula adherido a soportes de alta superficie específica (relleno filtrante). Estos soportes se encuentran sumergidos y en movimiento en el reactor biológico.

Filtros de lecho móvil

La selección de un proceso biológico de biomasa fija o biomasa en suspensión de más conveniente sólo se puede hacer después de analizar las características del efluente, el tipo de proceso industrial que lo genera, el grado de depuración requerido y las necesidades globales del usuario:

biomasa fija vs biomasa en suspensión

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SISTEMAS AERÓBICOS FRENTE A ANAERÓBICOS: CRITERIOS BÁSICOS PARA SU SELECCIÓN

Los criterios que ayudan a seleccionar si es más conveniente un proceso aerobio, o bien si un proceso anaerobio será mayor provechoso, son la concentración de materia orgánica a eliminar, si es necesaria la eliminación de nitrógeno, la disponibilidad de espacio físico y la relación entre el OPEX y el CAPEX del proyecto. En la siguiente tabla se puede observar cómo en función de estos criterios, qué tipo de proceso (aerobio o anaerobio) es más conveniente:

sistemas aeróbicos vs sistemas anaeróbicos

Ventajas:

  • Permite tratar una gran variedad de aguas residuales: los dos requisitos que deben cumplir es que sean biodegradables.
  • La digestión aerobia nos proporciona un mayor rendimiento. Y = 0,4 lo que quiere decir que de 1 gramo de materia orgánica se sacan 0,4 gramos de biomasa.
  • Facilidad de operación.
  • CAPEX bajos.
  • Minimiza la producción de olores.
  • Reduce los coliformes y organismos patógenos, así como las grasas.
  • Produce sobrenadante clarificado.
  • Pueden emplearse una mayor número de tipos de bacterias para la digestión.
  • Reduce la tasa de respiración de los lodos.

Desventajas:

  • OPEX elevados debido al gasto energético continuado asociado a la aireación.
  • Muchos parámetros a controlar para que los resultados sean óptimos: pH, Temperatura, % Materia Orgánica, Caudal de entrada, % tóxicos (biocidas).
  • En una parada por mantenimiento o avería los costes aumentan frente a la necesidad de mantener los niveles de Materia Orgánica necesaria para la supervivencia de los microorganismos.

LODOS GENERADOS: EL RETO DE LOS SISTEMAS AERÓBICOS

Uno de los mayores retos de los sistemas aeróbicos, es la gestión de los lodos generados. En el siguiente esquema se puede ver de forma general la gestión de los mismos, en función del contenido de los mismos. Cabe destacar que actualmente en muchos casos y siempre que sea posible, tras el tratamiento aeróbico se aplica un tratamiento anaeróbico para la gestión de los lodos.

tratamientos de lodos de reactores aeróbicos

Tratamiento de las aguas residuales en la industria cárnica

industria cárnicaLa industria cárnica agrupa tanto a los mataderos y salas de despiece como a las fábricas de productos elaborados (frescos, curados o cocidos). Habitualmente, se encuentra por un lado el conjunto matadero-sala de despiece y por otro lado la industria de productos elaborados. Mientras los primeros producen canales, medias canales y piezas de carne para su consumo, la industria de elaborados abastece de productos cárnicos transformados (embutidos, jamón, salchichas, etc.).

Desde la vertiente ambiental, la producción de aguas residuales es muy diferente en función del tipo de instalación. Mientras que la generación de aguas residuales en los mataderos-sala de despiece es considerable, y con una elevada carga orgánica, en la producción de elaborados es más contenida y constante en el tiempo.

Tal y como se describe a continuación, en la mayoría de los diferentes procesos que se llevan a cabo secuencialmente en el matadero se generan aguas residuales:

  • Recepción de los animales vivos/estabulación: los animales llegan a la instalación y se estabulan. Las aguas residuales producidas en la limpieza de estas zonas arrastran orina, heces, pelos, desinfectante, etc.
  • Sacrificio: los animales son lavados externamente mediante chorros de agua a presión y después son sacrificados. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Desangrado: los animales son desangrados. La sangre se recoge para su venta aunque se producen pérdidas que en la limpieza de las instalaciones pasan a las aguas residuales.

A partir de este punto, los siguientes procesos difieren de si el ganado es porcino o vacuno. Para el caso del porcino, los procesos que continúan son:

  • Escaldado: se eliminan las impurezas de la piel al introducir las piezas en recipientes de agua hirviendo. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Chamuscado: mediante unos quemadores se eliminan restos de pelos que han quedado tras el escaldado.
  • Lavado: las piezas se lavan mediante agua a presión para eliminar el residuo que ha quedado después del chamuscado. También se generan aguas residuales en este proceso.

En el caso de tratarse de vacuno, tras el proceso de desangrado, se da lugar el:

  • Desollado: se retira del animal sacrificado la piel, patas y cuernos.

A continuación, las piezas, tanto de porcino como de vacuno, continúan una serie de procesos comunes:

  • Acondicionamiento: se eliminan restos como vísceras de los cuales se obtienen subproductos para la alimentación animal. En este proceso también se generan aguas residuales.
  • Oreo, despiece y venta: las piezas se enfrían a temperatura ambiente, se despiezan y pasan a las cámaras de producto final apto para su venta.

En caso de que se trate de aves, los procesos son similares con las únicas diferencias de que en la estabulación la generación de aguas residuales es mucho más importante y de que entre los procesos de escaldado y de chamuscado exista en proceso intermedio, el desplumado.

Así pues, en la mayoría de los procesos que se llevan a cabo, además de las limpiezas de todas las instalaciones, se generan aguas residuales. El volumen final producido es elevado y se estima del orden de 5 litros de agua por kilogramo de peso de animal vivo. En el caso de aves, el consumo es superior y se sitúa entre 5 y 10 litros de agua por kilogramo de animal vivo. Por lo general, el agua arrastra moderadas cantidades de purines, restos de carne, sangre, pelos, trozos de vísceras y grasa superficial entre otros residuos, que en su conjunto hacen que el agua tenga un elevado contenido de materia orgánica, materias en suspensión, aceites y grasas, nitrógeno (amoniacal y orgánico), fosfatos y detergentes y desinfectantes de las limpiezas. Además, la carga de las aguas residuales varía en gran medida en función del día e incluso hora a hora.

En la siguiente tabla se resumen los valores típicos de los parámetros relacionados con el contenido de materia orgánica y nutrientes del efluente generado en un matadero con sala de despiece.

aguas residuales industria cárnica

Para tratar adecuadamente estas aguas residuales, la opción más recomendable y ventajosa es un diseño que incluya un pretratamiento del agua, que elimine los sólidos gruesos y finos, elimine también los aceites y grasas y amortigüe las fluctuaciones de caudal y/o carga; y a continuación, un tratamiento biológico, el cual será el responsable de eliminar la materia orgánica y el nitrógeno. A continuación se describen con mayor detalle estas etapas:

  • Pretratamiento: el primer proceso necesario consiste en un desbaste de gruesos y finos, mediante tamices de 10 mm y 4 mm de tamaño de paso respectivamente. A continuación, también es conveniente separar los aceites y grasas del agua antes del tratamiento biológico, puesto que éstos tienen una demanda de oxígeno elevada. Una forma efectiva de separarlos es mediante flotación. Finalmente, debido a las fluctuaciones de caudal y carga contaminante a lo largo del ciclo productivo, es conveniente incluir una etapa de homogenización y laminación del caudal, que amortigüe los picos que se producen a lo largo del tiempo.
  • Tratamiento biológico: éste puede estar basado en tecnologías muy diferentes, de las cuales la más favorables son:
    • Lodos activos de baja carga: mediante un proceso de biomasa en suspensión de baja carga, en la que la parrilla de difusores del sistema de aireación no ocupe la totalidad del biorreactor, es posible tanto eliminar la materia orgánica disuelta como conseguir la desnitrificación. En función de la disposición de los difusores de aire, se establecen zonas aerobias y zonas anoxias en el reactor, y su alternancia permite la eliminación del nitrógeno.
    • SBR: mediante en un proceso discontinuo secuencial se pueden eliminar tanto la materia orgánica como los nutrientes. En el caso de un reactor SBR todos los procesos se dan lugar en el mismo reactor, pero de forma secuencial en el tiempo. Para trabajar de forma discontinua, es indispensable disponer de un depósito que acumule previamente el agua residual que va llegando al sistema de tratamiento.
    • Proceso anaerobio: mediante un tratamiento anaerobio de las aguas residuales se puede eliminar tanto la materia orgánica como el nitrógeno, sin consumo de oxígeno. Como producto de la secuencia de transformaciones que se producen en el interior del proceso, parte del carbono del agua residual acaba en forma de biogás, una mezcla revalorizable de dióxido de carbono y metano.

Las tres alternativas de tratamiento biológico son eficientes, robustas y cada una con sus ventajas y restricciones. No obstante, se debe destacar que la opción del tratamiento biológico anaerobio es la que conlleva unos costes de operación inferiores por el menor consumo energético a la vez de la generación de biogás.

Así pues, los mataderos/salas de despiece generan grandes cantidades de efluentes con una elevada carga orgánica, tanto disuelta como en suspensión, además de nitrógeno, fósforo, aceites y grasas y patógenos. El sistema de tratamiento más recomendable se basa en el diseño de un sistema completo formado por un pretratamiento del agua, en el que se eliminen sólidos gruesos y finos, además de aceites y grasas, y un tratamiento biológico que elimine la carga orgánica y los nutrientes del agua. Si el tratamiento biológico es anaerobio, el biogás generado puede ser aprovechado para la producción de energía eléctrica, la cual reducirá le consumo global de la instalación.