Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 493

proceso Biodrof una corriente de aire es aspirada a través del lecho paralelamente al flujode agua residual, por medio de un sistema de aspiración forzada. Un cultivo bacteriano,sujeto por la biolita, se desarrolla a medida que ocurre el consumo de la DBO por bio­oxidación.

En el caso de un filtro percolador clásico, los grandes intersticios en el relleno permitena la masa biológica liberada periódicamente atravesar el filtro sin obstruirlo. (Véase sec­ción 7.2. etapa de desprendimiento.) En el caso del filtro Biodrofesto no sucede porque losintersticios son muy pequeños. Como resultado ocurre una obstrucción del lecho, general­mente después de unos dos días de operación. Esto puede verificarse registrando la pérdi­da de carga de la corriente de aire aspirado a través del lecho,

Cuando esto ocurre la operación ordinaria del filtro se suspende, y se cambia a unaoperación de lavado similar al caso de filtros de arena en tratamiento de agua potable. Sebombea agua de lavado en dirección ascendente a través del lecho, y la biomasa es arrastra­da, y separada posteriormente por sedimentación. Una parte del lodo sedimentado puedeser recirculada posteriormente en el lecho, para mantener un nivel suficiente de actividadbacteriana.

Evidenternente, una planta Biodrofdebe estar provista de un conjunto de filtros, de talmodo que cuando un cierto número de éstos está en fase de operación consumiendo DBO,algunos otros están en fase de lavado a contracorriente.

El proceso Biodrof fue desarrollado por la Cia. Degrémont en 1980.

8. BIODISCOS (RBC)*

8.1. Introducción

Los biodiscos (RBC) son sistemas que fueron desarrollados para obtener el tratamientobiológico aerobio de las aguas residuales. En el caso de los RBC, la biomasa se presentasimultáneamente en la forma de crecimiento asistido (como en el caso de los filtros percola­dores) y de crecimiento en suspensión (como en el caso de las unidades de lodos activos).

En la figura 6.36 se presenta un diagrama de una unidad típica de tres etapas.Cada etapa está formada por una serie de discos no muy separados, normalmente fabri­

cados de poliestireno o polietileno con diámetros comprendidos entre 3-4 m. Estos discosse mantienen paralelos entre sí y unidos a un eje horizontal que pasa a través de sus cen­tros. Los ejes tienen longitudes de 7,5 m aproximadamente, pudiendo alojar de esta formaun gran número de discos.

* RBC corresponde a las siglas de la expresión inglesa «Rotating Biological Contactors», que tra­ducido literalmente sería algo así como «Contactores biológicos rotativos». Independientemente dela fealdad de la expresión, se ha preferido utilizar «biodiscos» por ser la comúnmente aceptada enesta tecnología en castellano.

494 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

Efluentefinal

Lodo

ClarifICador t----~secundario

4I ,

~" Ejes \, \

I ,

,- Divisiones-'

Afluente

lodo

Clarificador t---.-.I~~ ...IU.:i~.l\l r"""""'r------j~

primario

Aguaresidual

a

Fia. 6.36. Esquema de una unidad RBe típica.

Estas unidades se disponen en tanques divididos por paredes tal como se presenta en lafigura 6.36. La alimentación de agua residual pasa a través de estos tanques en serie deforma tal que los ejes se mantienen ligeramente por encima de la superficie del líquido. Estosignifica que la superficie de los discos está aproximadamente el 40% sumergida en todomomento. Los ejes giran continuamente a una velocidad comprendida entre 1 y 2 rpm. Seforma gradualmente un limo biológico de 1 a 3 mm de espesor que comienza a depositarseen las superficies de los discos. En la figura 6.37 se presenta en detalle la zona húmeda delos discos.

Si Does el diámetro del disco y Dies el diámetro del área circular que nunca resulta su­mergida, esto significa que la zona húmeda, parte de la cual está sumergida en cualquiermomento, y otra parte de la misma está expuesta al aire, está formada por un anillo cuyasuperficie es igual a:

Área del anillo = i1t(D~ - D¡) (6.115)

m Área húmeda~ los discos

Fia. 6.37. Detalle de la zona húmeda de un biodisco.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 495

Ya que el crecimiento biológico se desarrolla solamente en la zona humedecida, si d es laprofundidad (o espesor) del limo formado, el volumen de limo en cada lado de un disco es:

Volumen de limo = ±1t(D~ - D¡)d (por lado de disco) (6.116)

Considerando que el limo crece a ambos lados de cada disco (el crecimiento es en direcciónperpendicular al plano de la página en la figura 6.37) el volúmen de limo por disco será eldoble del indicado en la ecuación (6.116). Suponiendo que N es el número de discos poretapa el volumen del limo formado es:

(por etapa) (6.117)

Parte del crecimiento de limo se separa de los discos además del que se pierde por arras­tre de materia sin vida, debido al mecanismo descrito para el caso de los filtros percolado­res en la sección 7.2. Debido a que la acción rotativa de los discos provoca cierta tur­bulencia en el depósito de líquido, existirá en todo momento una concentración limitada debiomasa en suspensión. En consecuencia, la disminución de la DBO en los RBC sepresenta simultáneamente mediante un mecanismo similar al del filtro percolador, por lapresencia del limo formado junto al disco, así como también mediante un mecanismoanálogo al de los lodos activos, por la presencia de la biomasa en suspensión.

Debido a que los tiempos de residencia hidráulicos son bajos, normalmente menos deuna hora y con ello la concentración de biomasa en suspensión es relativamente pequeña,la mayoría de la DBO que se separa en los RBC se debe al mecanismo correspondiente allimo formado en los discos. En efecto, al desarrollar el modelo matemático de los RBC enla sección 8.2, la contribución de la biomasa en suspensión para la separación de la DBOserá despreciable.

El efluente de la última etapa de los RBC fluye a un clarificador secundario tal como semuestra en la figura 6.36. Normalmente los sistemas de biodiscos se proyectan para unvalor total de la DBO, del efluente de la última etapa del orden de 10- 25 mg/l del cual la1/3 parte es soluble y aproximadamente las 2/3 partes resultan insolubles.

Con mucha frecuencia los discos están formados de placas alternadas planas y corru­gadas de poliestireno o polietileno. Esta disposición suministra un área superficial mayorque para el caso de discos con superficies planas únicamente. Para el caso de un juego d~discos de 3,6 m de diámetro montado sobre un eje de 7,5 m puede lograrse un áea super­ficial total superior a los 9 000 m", Ya que esta superficie es muy grande, resultan adecua­dos períodos de residencia cortos, normalmente de menos de 1 h.

Algunas de las ventajas de los sistemas RBC sobre el proceso convencional de lodos ac­tivos son las siguientes:

1. Bajo consumo de energía y mantenimiento más sencillo.2. Ya que es posible tener en cada etapa un cultivo biológico diferente se cuenta con un

grado adicional de flexibilidad en el proceso. Puede conseguirse bastante nitrificación de­sarrollando cultivos de bacterias nitrificantes selectivas en las últimas etapas.

496 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

3. La biomasa presenta en general buenas características de sedimentación con lo quese disminuye el coste de la clarificación secundaria.

4. No se necesita reciclado de la biomasa.

Debe mencionarse una desventaja cual es la presencia de una pequeña película líquidade gran superficie sobre la zona húmeda de los discos expuesta al aire ambiente, lo que llevaal peligro de congelación en el caso de operación en climas fríos. En tales casos las unida­des de tratamiento deben alojarse en un edificio cerrado lo que incrementa el coste del in­movilizado.

8.2. Procedimiento de' diseño de los sistemas RBe [4]

El proceso de diseño se basa normalmente en curvas empíricas de carga suministradaspor los fabricantes de los biodiscos. A partir de estas curvas puede estimarse la carga super­ficial, L, m3

/ ( s)(m")para reducir una DBü dada en el afluente hasta el valor deseado de laDBÜ del efluente. El área superficial requerida para un caudal total de Q, m'/ s es por tanto:

A == Qo ==L

m3/s___ == m'

m3/(s)(m2)

(6.118)

Kornegay [9] ha desarrollado un procedimiento de diseño racional que se describe acontinuación. Considérese el biodisco presentado en la figura 6.37 y escríbase un balance demateria para el sustrato que entra y abandona el biodisco tal como sigue:

[

Velocidad neta] [velOCidad a la] [VelOCidad a l~ que]de cambio de _ que el sustrato el sustrato deja elsustrato en el - entra al reactor - reactor (en el

reactor (en el afluente) efluente)

[

Velocidad a la]_ que el sustrato

es oxidado enel reactor

(6.119)

(6.120)

En condiciones de equilibrio la concentración del sustrato en el reactor permanece cons­tante y por lo tanto el primer miembro de la ecuación (6.119) se hace igual a O, esto es:

[

Velocidad a laJ [VelOCidad a la] [velOCidad a la]O == que el sustrato _ qu~ el sustrato _ que el sustrato

entra al reactor deja el reactor se oxida en(en el afluente) (en el efluente) el reactor

Los dos primeros términos del segundo miembro de laecuación (6. 120) se refieren a ladisminución neta de sustrato debido a la acción hidráulica solamente y se definen comosigue:

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

r·Velocidad a la]

que el sustratoentra en reactor = QoSo(en el afluente)

[

Velocidad a la]que el sustratodeja el reactor = QoSe(en el efluente)

497

(6.121)

(6.122)

El miembro correspondiente a la velocidad de disminución del sustrato por oxidaciónmediante la utilización microbiana puede escribirse considerando tanto la velocidad de uti­lización de sustrato por unidad de volumen de limo formado en el disco como la de utiliza­ción de sustrato por unidad de volumen de limo en suspensión. Si estas velocidades sedenominan respectivamente:

Se obtiene:

(dS/dt )A y (dSjdt )s

[

Velocidad a la]que el ~ustrato == (dS) VA + (dS) Vsse oxida en dt A dt s

el reactor

(6.123)

(6.124)

en las que VA y Vs son el volumen de biomasa activa en el disco y el volumen de líquido en elreactor, respectivamente. Utilizando las ecuaciones (6.121 ), (6.122) Y(6.123) Ynotandoque Vs == V == volumen de líquido en el reactor, la ecuación (6.120) se transforma en:

O = QoSo - QoSe - (~~tVA -(~~)/

Las velocidades de consumo de sustrato (dS/dt) pueden relacionarse con la velocidadde crecimiento de la biomasa, (dX/dt), de la ecuación (5.81) con lo cual puede escribirse:

( dX ) = y(dS) _ kdXvdt g dt

Si se desprecia el término endógeno

(6.125)

(6.126)

La ecuación (6.126) puede escribirse específicamente para las velocidades de crecimientode la biomasa en el biodisco y en suspensión como sigue:

498 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

y:

(6.127)

(6.128)

en las que YA e Ys son los coeficientes de producción para la biomasa formada en elbiodisco yen suspensión, respectivamente. Las ecuaciones (6.127) Y(6.128) pueden agru­parse de la siguiente forma:

(6.129)

y:

(6.130)

Ahora, multiplicando los primeros miembros de las ecuaciones (6.129) Y(6.130) porXA/XAy Xs/Xs, en la que X Ay X s significan la biomasa activa por unidad de volumen delimo en el biodisco y de limo en suspensión, respectivamente, recordando la definición develocidad de crecimiento específico de la biomasa, J.L, esto es, recordando la ecuación (5.79)se obtiene:

De la ecuación (6.129):

(6.131 )

(6.132)

y de la ecuación (6.130):

[(~tjXs] X

s= ~sXs = (dS)

Ys r, dt s

en las que J.lA y J.ls son las velocidades de crecimiento específicas de la biomasa en el biodis­co y en suspensión, respectivamente.

Sustituyendo en la ecuación (6.124) los valores de (dS/dt)A y (dS/dt)s en las ecuacio­nes (6.131) Y(6.132) se obtiene:

o= Q S - Q S - IlAXA V _ IlsXs Vo o o e YA A Ys

(6.133)

'Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 499

(6.134)

El volumen de biomasa en el biodisco, Va, está dado por la ecuación (6.117). La susti­tución de este valor en la ecuación (6.133) conduce a:

J1A 1 2 D 2 ) d J1sXs V0= QoSo - QoSe - -XA2n(Do - i N ---YA Ys

La velocidad de crecimiento de la biomasa tanto adherida al biodisco como a la bio­masa en suspensión puede suponerse que sigue la ecuación de Monod, ecuación (5.216).Bajo estas condiciones:

y:

J1A = J1max,A v Sfts + e

J1s = J1max,S v Sfts + e

(6.135)

(6.136)

Utilizarido las ecuaciones (6.135") Y(6.136), la ecuación (6.134) conduce a:

O= Q S - Q S _ J1.max.A Se XA.ln(D

1 _ D 2)Nd _ J1.max.S Se XsVo o o e YA Ks + Se 2 o 1 Ys Ks + Se

(6.137)

Como ya se señalaba en la sección 8.1, la mayoria de los RBC operan a tiempos deresidencia hidráulicos bajos, normalmente de menos de una hora. En consecuencia la con­centración de biomasa en suspensión se mantiene baja y la reducción de la DBO se debe ala presencia del crecimiento adherido al disco. Bajo estas circunstancias, el último términodel segundo miembro de la ecuación (6.137) puede ser despreciado. En consecuencia, des­preciando ese término y reagrupando la ecuación (6.137) se obtiene:

lJ1 SQ (S - S ) = - _max,A X dn(D 2 _ D~)N e00 e 2Y A o I V S

A ftS + e

Si el parámetro P se define como:

(6.138)

(6.139)

puede escribirse la ecuación (6.138) en la forma:

Qo(So - Se) = tP1t(D~ - D;)N[Se/(Ks + Se)] (Etapa única) (6.140)

La ecuación (6.140) se aplica a una etapa de un sistema de biodiscos. Considérese ahoraun sistema compuesto de una serie de biodiscos tal como se indica en la figura 6.38.

500 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

Etapa1 Etapan

Fig. 6.38. Esquema de un sistema RBe de n etapas.

El segundo miembro de la ecuación (6.140) corresponde a la utilización del sustrato.Para un sistema de n etapas, la ecuación (6.140) se escribe de la siguiente forma:

Qo(So - Se) = iPn(D 2- D 2)N Y Si (n etapas) (6.141)

o I ;:-"1 Ks + Si

Los parámetros cinéticos P y K« de las ecuaciones (6.140) y (6.141) pueden evaluarsea partir de unidades piloto o semi-piloto. Con objeto de llevar a cabo esta evaluación, laecuación (6.140) y la ecuación (6.141) pueden reordenarse en forma lineal. Considérese laecuación (6.140) Ytómese su recíproco:

(6.142)

z- -N-- eO en

I •No oO ~

~ cf-IN

Al. 6.39. Determinación de los parámetros P y x;

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

Reordenando la ecuación (6.142)

t1t(D~ - D;)N = ~ + Ks

Qo(So - Se) P PSe

501

(6.143)

Las unidades de laboratorio pueden operar hasta que se alcancen las condiciones de equili­brio. La ecuación (6.143) indica que la representación de 1/21T(D~ - ¡j¡)N/Qo(So - Se) enfunción de l/Se conduce a una línea recta de la que pueden obtenerse P y K, a partir de lapendiente y de la ordenada en el origen. En la figura 6.39 se presenta una gráfica típica deesta situación.

En la ecuación (6.140) el término 1/2rr(D~ - D~N corresponde al área total húmeda deldisco. Denótese esta zona por~. En ese caso la ecuación (6.140) puede escribirse comosigue:

(etapa única) (6.144)

es:

SeQo(So - Se) = PA--

«, + Se

El área húmeda requerida para alcanzar la reducción deseada de la DBO desde Soa Se

Qo(So - Se)A.=-----

P(Ks ; sJ (etapa única) (6.145)

La ecuación (6.141) puede aplicarse a una serie de etapas de biodiscos como la repre­sentada en la fig. 6.38. Para el caso de una unidad de dos etapas, suponiendo igual área hu­medecida A por etapa puede escribirse:

Para la etapa 1:

Para la etapa 2:

SIQo(So - SI) = PA -K---S

s + 1

52Qo(SI - S2) = PA---

«; + 52

La suma de las ecuaciones (6.146) y (6.147) conduce a:

S} 52Qo(So - S2) = PA + PA ---

«, + SI «, + S2

(6.146)

(6.147)'

(6.148)

El área A, para el caso de una unidad de dos etapas, requerida para alcanzar la reduc­ción de DBO deseada de So a Se puede .calcularse por un procedimiento iterativo comosigue:

Paso 1. Se supone un valor de A (área por etapa). Para comenzar la iteración puede

502 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

(6.149)

suponerse un valor igual a la mitad del áreaA requerida para una unidad de etapa única conobjeto de alcanzar la misma reducción de DBO; véase la ecuación (6.145).

Paso 2. Al resolver la ecuación (6.147) despejando SIse obtiene:

Si = PA ( S2 ) + S2Qo x; + S2

Paso 3. Se sustituye el valor de SI en la ecuación (6.146), para la primera etapa, y secomputa su área húmeda, esto es:

(6.150)

Paso 4. Si esta área coincide con el valor supuesto en el paso 1, la suposición ha sidocorrecta. Si no es así se intenta de nuevo, comenzando por el paso 1hasta que se alcance laconvergencia.

Siguiendo este procedimiento puede encontrarse que el área total húmeda para unaunidad de dos etapas, suponiendo igual volumen húmedo por etapa, es menor que el área deuna unidad de etapa única empleada para la misma reducción de la DBO.

Este procedimiento de cálculo puede extenderse fácilmente a series de 3, 4, 5 ... , n bio­discos. Cuanto mayor sea el número de etapas menor será el área total húmeda requeridapara una reducción específica de la DBO. Para una unidad de tres etapas, SI viene dado porla ecuación (6.149) y puede probarse que S2 se calcula a partir de:

(6.151)

En general, para n etapas:

(6.152)

2 3 456Número de etapas

Fig. 6.40. Representación típica de la superficie total en función del número de etapas.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 503

En la figura 6.40 se presenta una gráfica típica de la superficie total en función del nú­mero de etapas, indicando progresivamente valores menores para la superficie total con­forme aumenta el número de etapas. Se recomienda al lector resuelva el problema XIV,que ilustra este procedimiento de cálculo para una etapa única y 2, 3 Y4 etapas.

9. TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LAS AGUAS RESIDUALES

9.1. Introducción

El tratamiento anaerobio se utiliza tanto para las aguas residuales como para la diges­tión de los lodos. En esta sección se describe el tratamiento anaerobio de las aguas residua­les. La digestión anaerobia de los lodos se estudió en el capítulo 7 (sección 2.3). Los pro­ductos finales de la degradación anaerobia son gases, principalmente metano (CH4) ,

dióxido de carbono (C02) y pequeñas cantidades de sulfuro dehidrógeno (H 2S), mercap­tano (RSH) e hidrógeno (H 2) . Elproceso comprende dos etapas: (1) fermentación ácida y(2) fermentación metánica.

En la etapa de fermentación ácida, los compuestos orgánicos complejos del aguaresidual (proteínas, grasas e hidratos de carbono) se hidrolizan en primer lugar para produ­cir unidades moleculares menores, las cuales a su vez son sometidas a biooxidación,convirtiéndose principalmente en ácidos orgánicos de cadena corta, tales como acético(CH3-COOH), propiónico (CH3CH2COOH) y butilico (CH3-CH2-CH2-COOH). Unapoblación heterogénea de bacterias facultativas y anaerobias es responsable de estas reac­ciones de hidrólisis y oxidación. En la etapa de fermentación ácida no se produce unareducción importante de la DQO, ya que principalmente lo que ocurre es la conversión delas moléculas orgánicas complejas en ácidos orgánicos de cadena corta que ejercen tam­bién una demanda de oxígeno.

En la etapa de fermentación metánica, «microorganismos metanogénicos» que sonestrictamente anaerobios, convierten los ácidos de cadenas más largas a metano, dióxidode carbono y ácidos orgánicos de cadenas más cortas. Las moléculas ácidas se rompenrepetidamente dando lugar finalmente a ácido acético que se convierte en CO2 y CH4:

Bacterias

CH 3COOH CO 2 + CH 4

metanogénicas

El grupo de bacterias facultativas y anaerobias responsable de la etapa de fermentaciónácida tiene una velocidad de crecimiento más elevada que las bacterias metanogénicasresponsables de la etapa de fermentación metánica. Como resultado, la etapa de fermenta­ción ácida es relativamente. rápida porloque la etapa__de fermentación .metanica es-Jaque-­controla la velocidad en los procesosanaerobios,

--Ya-quela fe@~~~i<)llm_eJánica.controlala velocidad delproceso.eaímportante man­tener las condiciones de una fermentación metánica eficaz. El tiempo de residencia para-

504 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

los microorganismos m~tA_ºicos deb~~.e~~1_~~ec~~90._9si n9 soneliminados del sistema: ~

Los dato.s-exp.erimentales d~!J1uest~~~ que el tiempo de resid~~~}_~_ req'!.erido varía desde 2a '20 días. El nivel2ptimo de pH va de-6,8-i7~4.---·---·---··- . ._-+-_-

Algunas ~~ las ventajas del tratamiento anaerobio sobre el aerobio sonlas.siguientes:

-.-?1. Ya que no se emplea equipo de aireación, se produce ahorro de costedeinmovili-.zado así como de consumo energético en el .trata-mieñtó anaerobio.

2. El coeficiente de producción debiornasa ypara los procesos anaerobios es muchomenor que para los sistéiiiasaerobios. E.sto significaque se produce menosbiomasa.porunidad de reducción de sustrato y en consecuencia se presentan ahorros considerables enl()Slirocesosa-é-inanejo-y_~y-a.~uacióñ d~t'~xceso de l~o(purga). Esto significa también unmenor requisito de nutrientes (nitrógeno y fósforo).

3. En los procesos anaerobios es posible operar a cargasorgánicas del afluente supe­riores que para el caso de los procesos aerobios. Este hecho resulta de la limitaciónde velo­cidad de la transferencia de oxígeno de los procesos aerobios.

4. La producción de metano en los procesos anaerobios es una ventaja debido a suvalor como combustible..Una parte sustancial de la necesidad energética de los procesosanaerobios' puede obtenerse de los gases emitidos. .-..

Algunas de las desventajas del tratamiento anaerobio con respecto al aerobio son las si­guientes:

1. Se necesitan mayores tiempos de residencia. En consecuencia, los costes de inver­siónen volumen de vasijason superiores en el tratamiento anaerobio:

2. Los malos olores asociados a los procesos anaerobios, debido principalmente a laproducción de H2S Y mercaptanos, fundamentalmente en zonas urbanas.

3. Se necesitan mayores temperaturas para asegurar que los procesos anaerobios se_. producen a velocidades razonables. Normalmente, la temperatura de los procesos anaero­

bios está alrededor de los 35°C, lo que significa que puede necesitarse el precalentamientode la alimentación o el calentamiento del reactor anaerobio. Sin embargo, este requisitoenergético puede no ser una desventaja seria, si una parte sustancial puede suministrarse apartir del gas metano producido.

4. La-sedimentación de la biomasa anaerobia en ~I clarificador secundario es más Qi-ficil que-la decantación de la biomasa en el proceso de lodos activos. Esto significa que loscostes de inversión para la clarificación son superiores. Sin embargo, si el agua residual atratar en el proceso anaerobio contiene una concentración elevada de sólidos en suspen-

.sión.a.los.que pueda adherirse Iª biomasa, puedenconseguirse buenas condiciones de se­-ºiQl.eDta~i9n en el clarificadorsecundario. Este es el caso de algunas aguas residuales in­.dustrialescornolas de las industrias de conservas de carne.mataderos, cerveza y conser-

___ vas.de.pescado, a las que normalmente se aplica el tratamiento anaerobio.5._La_operaciónde las \l!lida~te.s._a..f}aer"mias.es-más.dificil que las aerobias, siendo el

proceso .II1~s.s.~!1_~ible a las cargas dechoque, . '- .

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 505

9.2 Estudio cuantitativo de la degradación anaerobia de los residuos orgánicos

Andrews [2] ha llevado a cabo un estudio cuantitativo de la degradación anaerobia delas aguas residuales orgánicas, utilizando un reactor discontinuo. Los .resultados se resu-men en la fig. 6.41. ...--------

o 10 20 500070 pH

7.0100 Leyenda: \

60 4000 ::: 4)

~ eo~-- ~

CD pH80 c:(1) coaQ)(1) 50 3000 .; E 000 remanente~ :a. Q) ~(1) ,~ 60 Q) %CH 4~

2000 g ;g~ 40 6..0 E •••• Ácidos volátilesen 40 iA~

~J: c:O 30 1000 '< 8

20 OO

___5..Q 9______-- e20 O

O 10 20T1empo de residencia. d

Fig.6.41. Degradación anaerobia de un residuo orgánico [2]. (Datos obtenidos con un reactor discontinuo.)

Pueden hacerse las siguientes observaciones:

l. pH. Al comienzo de la degradación anaerobia (fermentación ácida) el pHdesciendedebido a la fermentación de ácidos orgánicos. Ya que en la última etapa (fermentación me­tánica) estos ácidos se rompen, el pH aumenta. El incremento comienza aproximadamentea los dos días, tal como se muestra en la fig. 6.41.

2. DQO remanente. Esta curva es relativamente plana durante los dos primeros díasde la etapa de fermentación ácida, ya que durante ese período los compuestos orgánicossimplemente se convierten a su forma soluble, por ello no hay reducción de la DQO. LaDQO cae rápidamente después de su etapa inicial.

3. Producción de metano y ácidos volátiles. Se presenta un aumento rápido en laproducción de metano con un descenso correlativo en los ácidos volátiles y un aumento delpH después de los dos primeros días.

Para tiempos de residencia largos casi todos los ácidos volátiles se convierten a CH4 yCO 2• Las fracciones volumétricas son aproximadamente 2/3 y 1/3 para el CH4 y el CO2­

Debido a que no todos los sólidos volátiles son biodegradables, la curva de la DQOremanente alcanza una ordenada límite para valores elevados de los tiempos de resi­dencia.

506 Tretemiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

9.3. Proceso anaerobio de contacto

~11~!!!!fipªl.pIQ...~e.s.o.de tratamientoanaerobio de las aguas residuales.es.el.Ilamado.,proceso anaerobiode contacto, que se representaesqucmáticarnente en la fig. 6.42. Cor.~~_~_Po~~~..tipg de pro~eso detáÜ:liii~eilto en suspensión}~,oslimit~s co~ crecimienlo«a"l-_nerido» para el tratamiento anaerobio de_Jªs_-ª~~a.s_r~sJduales,conocidos comf!_fi..!!~!E- .-anaerobios (o filtros sumergidos) se des~riben ~~.!a sec~~~~J:?~_.

Efluente

Purga

Desgasificador .....--..t

avacb

Reciclado de sólidos

L •

Fig.6.42. Diagrama de flujo del proceso anaerobio de contacto.

La nomenclatura utilizada en el diagrama de flujo de la fig. 6.42 es básicamente similara la empleada para las plantas de lodos activos (capítulo 5, fig. 5.10). La única diferenciareside en la notación empleada para las concentraciones de la biomasa anaerobia. Paraestas concentraciones (mg/l) se utilizan XF , Xo , Xv y Xu en la alimentación inicial, alimen­tación combinada, y descarga del reactor y del clarificador respectivamente.

Las relaciones de reciclado r =QF/ QR se encuentran normalmente-comprendidas en elintervalo de 2 a 4. La concentración de MLVSS, Xv, en los reactores anaerobios se controlanormalmente hasta un nivel de 3000-4000 mg/l.

Se sitúa frecuentemente un desgasificador a vacío a continuación del digestor anaero­bio para eliminar las burbujas de gas que tenderían a hacer flotar los sólidos en suspensiónen el clarificador.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

9.4. Diseño del proceso anaerobio de 'contacto - Solución 1

507

Las dos soluciones descritas en el capítulo 5, cuadro 5.13, para el caso de lodos activospueden adaptarse al diseño de las plantas anaerobias de contacto. En esta sección se consi­dera la solución 1que se basa en el cálculQ del tiempo de residencia t para permitir la reduc­.ción de la concentraciÓn de sustrato soluble desde un vaJor~n la alimentación inicialhasta un va1o.réJen el efluente final. En la sección 9.5 se describe la solución 2 que se basaen el concepto de la edad del lodo.

En el tamiento anaerobio las concentraciones de sustrato se ex resan nonnalmentepor 1 DQO Estos valores son considerablemente más altos que los que resultan típicos enlos procesos anaerobios. En los reactores RFCTA operando a estado estacionario, el mar­gen normal de los val~res usuales de Se está más allá del que puede utilizarse adecuada­m~~jderando-un-mode-totinétioo-<1~rimerorden. Esto significa que una represen-

--¡ación de (So - Se)/Xvth en función de Se, obtenida de un reactor a escala semi-piloto daríafugar a una hipérbola como la representada en fafigura-5~31, en lugar de la Ii~~-~~'t~ i~~-­

dicafívadefá-cii1éúca de primer ()rae-rLL~~5!.<?~:Ra[áiñtiros~~axYK~'reqQenaosparades:cribir la hipérbola rectangularpüeden determinarse de una representación Lineweaver----

,-!Jurk (fig. 5.32).La ecuación (5.209) para la hipérbola rectangular, escrita con la notación utilizada en

la figura-o-:-4-2--para el reacto~on recicládü·se convierte en: ----

SF - Se Seq== -q

XvI - max K; + Se(6.153)

En consecuencia, el tiempo de residencia t requerido para una disminución de la DQOsoluble desde un valor SFen la alimentación inicial hasta un valor Seen el efluente final seobtiene resolviendo la ecuación (6.153) para t:

t = (SF - Se;/(Xvqmax Se ) (6.154)s; + Se

El volumen requerido para el reactor anaerobio es:

(6.155)

Debe anotarse que ya que la producción de biomasa anaerobia, AXv, es mucho menor quepara el caso de un reactor aerobio los valores en la figura 6.42 son en esencia iguales." Deesta forma, si se escribe un balance de materia para la biomasa anaerobia, equivalente al dela ecuación (6.59) del reactor aerobio para el reactor anaerobio de la figura 6.42 (cir-

• Para una comparación similar deXv.o y Xv.•en el caso de un reactor aerobio, véase la fig. 5.26.

50S

CUADRO 6.10

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

Resumen de las ecuaciones de diseño y valores de los parámetros biocinéticos del proceso anaerobio decontacto

1. Ecuaciones de diseño (solución 1)

Tiempo de SF - Se(6.154)

Capítulo 6residencia; t

f= Sección 9.4SeXvqmaxKSs + e

Volumen del SF - Se Capítulo 6reactor; V V = QFf = QF

Se(6.155) Sección 9.4

Xvqmax Ks + Se

Edad de los XvV Capítulo 5lodos; 8c

(} =- (6.159) Ecuación (5.165)e AXv

2. Ecuaciones de diseño (solución 2)

Tiempo de 1 SF Capítulo 5agotamiento; fJ': om = Yqmax~ - kd (6.164) Tabla 5.16, eolumna (5)

e + FModelo n.O 1

Edad de los Oc = (Factor de seguridad) X 8~ Capítulo 5lodos; 8c l Se Tabla 5.16, columna (4)

J1=(¡= YqmaxJ(S - kd (6.160) Modelo n,« 1e s+ e

DQO soluble Ks(1 + kdOc)(6.161)

Capítulo 5del efluente; Se = . Tabla 5.16, columna (6)

Se0c( Yqmax - kd) - l

Modelo n.« 1

Concentración l Oc Y(SF - Se) Capítulo 5de MLVSS; Xv =-

1+ kdOc(6.162); t = V/QF Ecuación (5.177),f

Xv Tabla 5.16

Volumen del Oc Y(SF - Se) Capítulo 6reactor; V V = QFf = QF (6.171) Sección 9.5Xv(l + kdOc)

Relación de~=~[I+r-rXuJ (6.163); Capítulo 5

reciclado en para XF~O Ecuación (5.188), Tabla 5.16función de 8e

Oc f Xvf= V/QF

3. Ecuaciones generales

Producción deA

AXv= Y(SF-Se)QF-kdXvV Capítulo 5biomasa; dXv = Yn(SF-Se)QF

(6.165) Ecuaciones (5.118)y(5.119)

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

CUADRO 6.10 (continuación)

509

Coeficiente neto deproducción; Yn

Necesidadesde nutrientes

yYn = - - -

1 + kiJc

Nitrógeno: 0,12 AXy

Fósforo: 0,02 AXy

(6.166)

(6.167)(6.168)

Capítulo 5Ecuación (5.173)

Capítulo 5Sección 7.8

4. Parámetros biocinéticos

(i) Para aguas residuales de alto contenido en lípidos [4]:

qmax.T = 6,67(10rO,OI5/35 - 1l: d- 1 (6.169); T en "C

K; = 2224(10)°,046(35 - 1l; mg DQO/l (6.170); T en "C

y = 0,04 kg MLVSS/kg DQO} Se supone Que Y es independiente

kd

= 0,015: día- 1 de la temperatura

(ii) Para aguas residuales de bajo contenido en lípidos [4]:

qmax y K; Valores tabulados en la referencia (4]

y = 0,044 kg MLVSS/kg DQO} Se supone que Yes independiente

k d = 0,019 d- 1 de la temperatura

cuito - - -), el segundo término del segundo miembro, esto es, ( 1/ Y)( 1-X o/ Xv), es esencial­mente cero. En consecuencia, en este caso:

Más aún, ya que normalmente existe biomasa anaerobia en la alimentación inicial,esto es XF ,:::::; Oen el caso de la ecuación de la relación de reciclado r, equivalente a la ecua­ción (5.132), el segundo y el tercer término del numerador pueden despreciarse. Por ello larelación de reciclado puede estimarse a partir de:

(6.156)

que es equivalente a la ecuación (5.152) para el caso del proceso de lodos activos. De laecuación (6.156):

Xu == [(r + 1)/r]Xv (6.157)

Ya que para el proceso anaerobio de contacto, los valores de r se encuentran compren­didos en el intervalo de 2 a 4, la ecuación (6.157) indica que:

ixv > Xu > ¡Xv

510<,

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

en la que los valores de X, están normalmente controlados hasta un nivel de 3000 a4000 mg/l.

La ecuación (5.112) para el proceso anaerobio de contacto de la fig. 6.42, tomandoXF = O se convierte en:

X o == [r/(r + 1)]Xu (6.158)t

De las ecuaciones (6.157) y (6.158) resulta que X, ~ X; tal como se estableció al comien­zo de esta discusión.

Las ecuaciones de diseño correspondientes a la solución 1 se resumen en el cuadro6.10, apartado 1 En el apartado 3 se presenta un resumen de los valores típicos de los pa­rámetros biocin~l.Los prametros:q:ax 'yKs pueden estimars~-~onl-orüñCiº'ñ(I~Ia--.

-'temperatura a partir de la~-~eCüiCiOíies (6.169) Y(6.1 7O)para el caso de ~uas residuales decontenidóélevadoen lípidos, cual es la situación de las aguas negras _m:~~icipales.-'_~_ªrael -­caso deaguas resíduales con bajo contenid~-lipiOO&;--en-la-r~.encia{4-J-se_presenlan

valores típicos de estos parámetros. Los valores normales de los parárn~tros de producciónde biomasa Y y kd para aguas 'residuales de alto y bajo contenido e~--IÍpidos se presentantambién-en el cuadro 6.10.- ---- -

Los pasos que deben.darse en.l.el diseño de la solución 1 son los.. sigui~~.tes:_, __

Paso 1._Se~~t~~~ion-ªQ losparámetros biocinéticosq::x, K~',Yy k«gel cuadro 6.10 o seutilizan valores determinado~--~;--unidadessemiPITO~~ --'-'---~

.--·---Puso 2~u~~!eIecclona el valor de lal')2.QO soluble del eflue~~e_desee...alcanz:aL­

.~_~s Se' Y el.valor operativo de la concentración de biomasa!8 L<>~_Y&Q!~S de~.--fº-r:!espondennormalmente a reducciones de la DQO soluble del 80 al 90%, y los valores

operativos de Xvestáh ene1imervaío-comprendiOo entre 3000 y 4000 mg/l. ----"-Paso 3 . Secalculá el ffempo<.Ié·re'sld·en-c"ía're'qüe'¡.rdo ¡a-pa-iilide-raecuáción(6.154) Yel

correspondiente volumen del reactor utilizando la ecuación (6.155).Paso 4. Se estima la producción anaerobia de biomasa~v con la ecuación (6.165) uti­

lizando los parámetros Y y k.; (Véase el apartado 3 del cuadro 6.10).Paso 5. Las necesidades de nutrientes se estiman con las ecuaciones (6.167) Y(6.168).

(Véase el apartado 3 del cuadro 6.10.) Este procedimiento de diseño se muestra en el ejem­plo 6.8.

Paso 6. Se calcula la edad del lodo, ecuación (6.159).

Ejemplo 6.8. Diséñese un proceso anaerobio de contacto para tratar un agua residualindustrial de contenido elevado en lípidos a un caudal de 0,04 m3/ s. El agua residual entraen el proceso a 2SoC con una DQO soluble de SOOO mg/l.

Se desea reducir la DQO soluble del efluente hasta 430 mg/l. El reactor anaerobio se'

* Las ecuaciones (6.159) a (6.171) pueden hallarse en el cuadro 6.10, de las páginas 508 y 509.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 511

~una temperatura de 30°C y con una concentración de MLVSS anaerobios de

~Calcúlese el volumen del reactor, la producción de lodos en kg/d y las necesidades de

nutrientes en kg/ d. Estímese el calor requerido para aumentar la temperatura del aguaresidual afluente hasta la requerida en el proceso.

Solución

Paso 1. Selección de los parámetros biocinéticos

Qmax,35 == 6,67 d- 1 Ecuación (6.169); T = ~5°C

K, == 2224 mg DQO/l Ecuación (6.170); T = 35°C

Y == 0,04 kg MLVSS/kg DQO

kd==0,015 d- 1

Paso 2. Se selecciona:

Se == 430 rng/l

Esto corresponde a un consumo de la DQO soluble de:

[(5000 - 430)/5000J x 100 == 91,4%

X y == 4000 rng/l

Paso 3. t:

SF - Se 5000 - 430t == . == == 1,06 d

Xyqmax[Se/(Ks + Se)] 4000 X 6,67 X [430/(2224 + 430)J

y:

v = QFt = 0,04 m3/s X 3600 s/h X 24 h/d X 1~06 d = 3663 m'

Paso 4. L1Xv :

L1Xy == Y(SF - Se)Q-F - kdX y V

== 10-3 [0,04(5000 - 430) X 3456 - 0,015 X 4000 X 3663]

= 412 kg/d

Paso 5. Demanda de nutrientes, ecuaciones (6.167) y (6.168):

Nitrógeno:

Fósforo:

0,12 ~v = (0,12)(412) = 49,4 kg/d

0,02 ~v = (0,02)(412) = 8,2 kg/d

512 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios/

Paso 6. Edad del lodo, ecuación (6.159):

o = XvV = (4000)(3663 X 10-3

) = 35 6e L1Xv 412 '

d

Paso 7. Calor requerido para elevar la temperatura del agua residual afluente de 25 a35°C.

kcal/d = 3456 m3/d X 1000 kg/m' X 1,0 k~c~~ (35 - 25) = 34,6 X 106 kcal/d

Parte de estas necesidades caloríficas pueden satisfacerse por el gas metano producidoen el proceso. Este asunto se discute en la sección 9.7.

9.5. Procedimiento alternativo de diseño del proceso anaerobio de contacto ­Solución 2 [4]

En esta sección se describe un procedimiento alternativo de diseño basado en la edad delos lodos. En esta solución se supone también que los datos cinéticos del tratamientoanaerobio de las aguas residuales sigue el modelo hiperbólico rectangular. Las ecuacionesbásicas listadas en el apartado 2 del cuadro 6.10 se adaptaron de las presentadas en loscuadros 5.15 y 5.16 para los procesos aerobios.

Los pasos en este procedimiento de diseño son los siguientes:

Paso 1. Se seleccionan los parámetros cinéticos apropiados qmax' K¿ y Ykd •

Paso 2. Se estima el tiempo de agotamiento, O~, de la ecuación (6.164). Los valores de(J~en los procesos anaerobios son mucho mayores que los de los procesos aerobios debido aque la producción de lodos, Xv, es mucho menor. Recuérdese que Oc = XvV/~v, ecua­ción (6.159).

Paso 3. Se selecciona un valor para la edad de los lodos, Oc, normalmente 2 a 10 vecesel valor de (J~estimado en el paso 2. Se selecciona también el tiempo de residencia, t, en elreactor. Entonces, el volumen del reactor es: V = QFt.

Paso 4. Se estima Se a partir de la ecuación (6.161).Paso 5. Se calcula la concentración de MLVSS, esto es, Xv, ecuación (6.162).Paso 6. Se estima la producción de biomasa, ~v, de la ecuación (6.165), en la que Yn

se obtiene de la ecuación (6.166).Paso 7. Las necesidades de nutrientes se calculan haciendo uso de las ecuaciones

(6~167) Y (6.168).

Este procedimiento de diseño se desarrolla en el ejemplo 6.9.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 513

Ejemplo 6.9. Repítase el ejemplo 6.8 utilizando la solución de diseño basada en el con­cepto de la edad de los lodos. Utilícese un factor. de seguridad de 6 al calcular el valor dediseño para la edad de los lodos, Oe = 60~.

Calcúlese la edad de los lodos, la DQO soluble del efluente, o sea Se' el volumen delreactor, la producción de lodos en kg/d y las necesidades de nutrientes en kg/d,

Solución

Paso 1. Como en el ejemplo 6.8.Paso 2. O~, ecuación (6.164):

1 SF 5000

Om == Yqmax - kd == (0,04)(6,67) - 0,015 == 0,170e «, + SF 2224 + 5000

.". O~ == 5,9 días

Paso 3. Oc = (6)(5,9) = 35,4 d (~ 35,6 días)

Seleccione t == 1,06 d. Entonces:

v== QFt == 0,04 rn3/sX 3600 s/h X 24 h/d X 1,06 d == 3 663 m'

Paso 4. Se, ecuación (6.161):

Ks( 1 + kdOc)S ==-------

e Oc( Yqmax - k d) - l

2224(1 + 0,015 X 35,4)---------- == 430 rng/l

35,4(0,04 X 6,67 - 0,015) - 1

Paso 5. Xv, ecuación (6.162):

1 Oc Y(SF - Se) 1 (35,4)(0,04)(5000 - 430)X == - == - == 4 000 rng/l

v t (l+kdOc) 1,06 1 +(0,015 X 35,4)Paso 6. AXv

Y", ecuación (6.166):

yy ==---

n 1 + kdOc

004, == O0261

1 + (0,015)(35,4) ,

kg MLVSS

kgDQO

LU'v, ecuación (6.165):

LU'v == Yn (SF - Se) QF = (0,0261)(5 000 - 430) X (3 456) X 10-3=

== 412 kg/d

Paso 7. Necesidades de nutrientes. Igual al paso 5, ejemplo 6.8.

514 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

9.6. Reactores anaerobios a escala de laboratorio

Las figuras 6.43 y 6.44 representan dos modelos de reactores anaerobios de labora­torio. El reactor de la figura 6.43 es discontinuo y el de la figura 6.44 es continuo. La opera-

Válvula de rroestreo de gasy tubo de alimentaciÓn

Tubo de descarga

Agitador

Digestor

oepósito de- recogida de gas

Tubo de goma ~

Frascoaspirador

Fig. 6.43. Digestor discontinuo de laboratorio.

ción que se sigue para obtener los datos básicos de diseño es la que se describe a continua­ción:

l. Para obtener una siembra de microorganismos, se obtiene una muestra de lodo de­cantado de una planta depuradora de aguas residuales municipales que se coloca en el reac­tor del laboratorio. Se añade el agua residual a tratar y se mantiene una temperatura de35°C durante todo el período del ensayo.

2. Si se encuentra que el reactor ha tomado partes importantes de aire se purga el sis­tema con gas inerte.

3. Se mezcla continuamente, bien mecánicamente (fig. 6.43) bien por recirculación delgas producido mediante una bomba de gas (fig. 6.44). No se comienza la alimentación deagua residual o la descarga de licor mixto hasta que se haya asegurado la producción de gas.

4. Una vez que se nota la producción de gas, se alimentan porciones de agua residualdescargando proporciones iguales del licor mixto. '-

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 515

Gas de purga

t

TrafT1)él decondensado

Bomba de gas

~~--- DigestorTubo de descarga

Bomba de aimentacián

Rebosadero .J

Alimentación -­(Flujop:>r gravedad)

Fil. 6.44. Digestor de alimentación continua.

5. Durante el período completo de puesta en marcha se observa cuidadosamente el pHy si desciende de 6,6 se añade álcali para mantenerlo en el intervalo recomendado de6,6 a 7,6.

6. Se continúa alimentando y descargando diariamente hasta que se estabiliza la DQOdel efluente. Se analizan y se registran los datos: en el agua residual de entrada, pH yDQO; en el efluente, pH, DQO y sólidos volátiles en suspensión.

9.7. Producción de metano en el tratamiento anaerobio

El gas producido en el tratamiento de las aguas residuales contiene aproximadamentelos 2/3 de metano, correspondiendo el resto a CO2 y pequeñas cantidades de H 2S, H 2 ymercaptanos. Lawrence y MacCarthy [10] han propuesto que la producción de metanopuede estimarse a partir del equivalente de oxígeno del metano calculado a partir del equi­librio químico siguiente:

(6.172)

De la ecuación (6.172):

1 gmol CH 4 --+ 2 gmol O 2 --+ 64 g O 2 --+ 64 g de DQO consumida

De esta forma, si todo el sustrato consumido se convirtiera en CH4 se produciría 1/64 gmolde CH4 por g de DQO consumida. El volumen de CH4 en litros, medido en condicionesnormales (P = 760 mm Hg, t = O°C) correspondiente a 1/64 gmol de CH4 es:

614 x 22,4 = 0,35 litros

516 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

Por lo tanto se formarían 0,35 1de CH 4 por gramo de DQO consumida.

Este cálculo seria correcto si todo el sustrato consumido se convirtiera en productos dedegradación, fundamentalmente CH 4 • Sin embargo, tal como se discutió en el capítulo 5,sección 4.1, para el caso de los procesos aerobios, parte del sustrato se convierte en bio­masa. Si la fórmula molecular media de la biomasa se supone que es CSH7N02 , el equiva­lente de oxígeno de la biomasa se calcula a partir del equilibrio químico siguiente:

(6.173)

113 5 x 32 = 160

o sea:

160- == 1,42 kg Oz/kg de biomasa producida113

Si~v es la cantidad de biomasá producida diariamente, tal como se calcula con la ecua­ción (6.165), el volumen de metano en condiciones normales podría estimarse restando delconsumo total de DQO la parte que se convierte en biomasa, esto es 1,42 ~v. Por ello,Lawrence y McCarthy propusieron la siguiente ecuación para estimar la producción demetano: *

G = 350 l/kg [QFm3/s X 103 1/m 3 (SF - Se) rng/l X 10-6 kg/mg X 3600 s/h X 24 h/d-- 1,42 Xv kg/d] = 30240 QF (SF - Se) - 497 Xv, lid de CH4 (6.174)

en la que:

G == l de CH4/ d para P == 760 mm Hg, t == O°C

30240 QF (SF - Se) == DQO total consumida, kg/d (QF en m3/s y SF, Se en mg/I)

1,42 LlXv == kg/d de DQO consumida que se convierte en biomasa, en la

que dXv == kg de biomasa producida/d

Ya que el gas producido en el proceso anaerobio contiene solamente 2/3 aproximada­mente de metano en volumen, se tiene:

L'd total = G/0,67 en condiciones normales (6.175)

* La fórmula original de Lawrence y McCarthy está en unidades inglesas. Aquí se transcribe en unida­des métricas.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 517

El volumen de gas calculado en las condiciones normales puede convertirse a tempera­turas (K) distintas de O°C (273 K) Ya presiones P (mm Hg) distintas de 760 mm Hg utili­zando la ley de los gases perfectos. Así:

G 760 TVolumen total de gas = -- x - x - lId a T, P

0,67 P 273(6.176)

El poder calorífico del gas producido en el proceso anaerobio puede estimarse a partirde un PCN (poder calorífico neto)* para el CH4 igual a 8,5 kcal/l en condiciones normales.Esto corresponde a un valor de (0,67)(8,5) = 5,72 kcal/l del gas total en condiciones nor­males.

". Ejemplo 6.10. Para el proceso anaerobio de contacto diseñado en los ejemplos 6.8 y 6.9estímese:

l. La producción de gas metano en lid. Tómese una presión de funcionamiento P ==== 760 mm Hg.

2. La producción total de gas en lid.3. El poder calorífico neto del gas, en kcal/d. ¿Es suficiente este poder calorífico para

elevar la temperatura del água residual afluente de 25°e a la temperatura de proceso de35°C?

Solución

1. Producción de gas metano. Ecuación (6.174):

G = 30240 X 0,04 (5000 - 430) - 497 X 412 = 5 323 lOS lid(condiciones normales)

A la temperatura de operación de 35°C el volumen corregido de CH4 es, ecuación (6.176):

~ 760 X (35 + 273,2) = 6 005 060 lid de CH4

Jt--,!rr. 760 273,2V~~

* El poder calorífico neto, PCN, corresponde al cambio entálpico de la ecuación química que re­presenta la combustión del CH 4 a 25°C y 1 atm de presión, produciéndose vapor de agua, esto es:

CH 4 (g) + 202 (g) -. CO 2 (g) + 2H 20 (g)

El poder calorífico puede también expresarse en forma de poder calorífico superior (PCS) que corres­pondería a la ecuación química siguiente, obteniéndose agua en forma líquida:

CH 4 (g) + 202 (g) -. CO 2 (g) + 2H20 (1)

Evidentemente este valor es superior al calculado en la reacción química en que el agua se produceen forma de vapor, en una diferencia igual al calor de vaporización del agua a 25°C.

518 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

2. Producción total de gas, ecuación (6.175):

6005 060/0,67 = 8 962 777 lid (P = 760 mm Hg; t = 35°C)

3. PCN:

(5 323 108)(8,5) = 45,2 X 106 kcal/d

El calor requerido para elevar la temperatura del agua residual afluente desde 25 a 35°Cfue calculado anteriormente y resultaba 34,56 X 106 kcal/d (ejemplo 6.8, paso 7). Por lotanto, el PCN del metano es más que suficiente para cubrir esta demanda de calor.

9.8. Filtros anaerobios

Se señaló en la sección 9.1 que para el proceso anaerobio de contacto la sedimentaciónde labiomasaen.suspensióner; el clarificador-secundacio-resulta.una.oper.ación-dificultosa..­~a~._~!.-q~.~._el~gua residl!..al c2nt~-!!ga U.!l.CL.c.~.nc.entt:ació ..Il.eleY.ada.dtiólidos en s..Y§.Qensión.En este_~_ª.s!) (PQr_~j~.mplo1as-aguaS-f~duales_deJas_plantas,envasadoras.de.carnes.de.laindustria conseryera.de.pescadccetc.), Iosmicroorganismos,..~~ aQl1L~r~llJllos~sólid~~_ ..._~

'--se'páran-ricU;'ente en el ~!arUj~ª90r ~~~~ºº,ªri~. "-Cuando las ~g\l~s r.~~~~~é:l!~~~Q.n.ti~nen asLtQdaJaDBO.en.suformasoluble.etpro.c.eS9.. __anaerobi<>. de contacto no resulta adecuadoyaque se pierde una conc.entrª~!ºnjQl~!1ªº!~_._

-'de-'bioinasae;''fadéscar-''a-de(cTánficado~secundario. En este caso, en lugar de utilizar un

SIste]!!a eª-~!!sJ).eD.Sió~_QID-º_e!l~lpro~~so-ªnª.erº.-!º.J?.9..!_~Qntª~lQ...P.Uede...resulta.Lade.cua.­

do emplear unjratamiento anaerobio con crecimiento asistiQo<,~~-JU~º~anaerobios.quese conocen también com.QJ11tr9.S .~.~~~.rgf4~~;·~~º-º .si§.!~irrªs~ºi.~eii.asjQs,"para llevar. a.cabo.el.;

._~ratamientoanaerobio empleando un crecimiento de biomasaporadherencia, En la figura6.45 -'se presenta eldiagrama "de fl~jo-def¡tl!~2._~~~~!o1?i.o.

Afluente

Gases

Efluente

Fig. 6.45. Diagrama de filtro anaerobio.

Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios 519

El filtro anaerobio es similar a un filtro 'ercolador aero i ~vo.QJle la alimentacióade.,aguares1 ua penetra por e ondo de la unidad y la abandona por la part~~.!1-p_~Ijor. Ea-coa­~~~~~:J~~~~~ ~~~~are~~~yporerrono ha aire en entro del sistema, por lo ue se uede decir ~-e-Se'iñañileñenas condiciones anaerQ.Qiª_~_.r~.q.lll:rid.as. Puede emplearse grava o relleno sintético.

--J-rfiItrOan-~b-i~constituye un sistema eficaz para el tratamiento anaerobio de lasag~~.!~§J~tua!~s.~~ubles. No se requiere reciclado ya que la biomasa n.ermanec~adherida

----ar relleno del filtro .Y..m"r lo tanto no se pierde con el efluente.ifis.posíble operar lostratamientos anaerobios a temperaturas menores Que las requeridas en el proceso decontacto, debido a la concentrac~ón ele..Y.ada-de~iomasa..p[esente en eLfiltro.

--·-----mfiitro anaerobio no reswlta indiéado para el tratamiento de aguas residuales con-teniendo concentrac.iE)~~~_.~~~~y~~asde sólidos e!l",,~...§1l.~n§lºll.d~..bkkt,.ª-p!QPJel1!as de 068=

'.,.~ •• _'> . • r'_'_""'~"_''''>-'~''--''''~'.'.''''_' ..... .,¡;a.~_ ......., " _..... ~...... • •_~_••_~,..,~;~y.- '......... 4 - •• ""'._~'""",""• .4'~,,",.-.......:_..~~"........, - _.__

trucciones.El diseño de los filtros anaerobios estáJ)asado fundamentalmente en consideraciones

empíricas (4].-~~~-

9.9. Reactor anaerobio con flujo ascendente y manta de lodo (UASB)

Otro tipo de reactor anaerobio, hoy muy utilizado en tratamiento de aguas residuales,es el UASB (abreviación del téonioolnglés: «upflaw anaerobic sJudge-blancket reactor»l=:­

_Un diagrama típico de un UASB aparece en la figura 6.46.

Biogás

(' Zona2 : . t-("_ Mantade lodo __ -J

... ---~

--c- ---:.._---:-c , Zona1 :

-,--- Lecho de lodo~--

__~:::o ..---_:----_.---- - .

Afluente

File 6.46. Reactor UASB.

520 Tratamiento secundario: otros procesos aerobios y anaerobios

El agua residual entra por.debajo del reactor, y el efluente tratado sale por la partesuperior. El reactor no contiene ningún relleno para soportar el crecimiento biológico.--míOdo formado en el reactor puede considerarse dividido en dos zonas. La zona 1, se

llalñá «lecho de lodo» y la zona 2 es la «manta de lodo» ..La diferencia entre las dos zonases que el lodo en la primera es mucho más compacto que en la segunda.

......... .....La pIeza 4 del diagrama sirve de sedImentaaoraeTOdOyaecoreaór de gas. La panta­lla crea una zona de bajo nivel de turbulencia (zona ~Lc!?ndeun 99% del lodo en suspen­sión se sedimenta y es retornado al reactor. La pieza 4 sirve también para recuperar el gas

~ anaerobIo que sale p¿r el centro. En biomasa en el UASB está formadade~áñuíoSde3a4~q~en~l!..altªsvelocidades de ~diIl)~O.tª~clQn.s-p'o~,oll~igYie»J~§Q.Iliasi tO~.!!!t~Ete.

~ retenidos ~!L~~lreactor.Habrá acumulación de biomasa en el reactor si la producción neta'-"~supei;I;;~pérdidas -;ma-~··~~Wcl~~t;~-·~~;a·laUra.---'--·-· ---~----.....

as ventajas de los reactores UASB con respecto a otros sistemas anaerobios son:---- -- -~--,---

1. El coste de inversi.Qa~Q. Cargas de diseño delO kg DQO/m3• d o más altas son

utilizádas; 'por lo tanto el volumen d~íreactores pequeño.. / .~

2. Las fermentaciones ácida y metánica, así como la sedimentación tienen lugar en elmismo tanque. Por lo tanto las plantas son muy compactas, con considerable economía deespacio.

3. Como no hay relleno, se elimina la posibilidad de corto circuitos y obstrucciones.4. El consumo de potencia es bajo puesto que el sistema no requiere ninguna agitación

mecánica.5 ~ La retención de biomasa es muy buena y por esto no es necesario reciclar el lodo.6. La concentración de biomasa es alta (p. ej., 8% de sólidos). Por consiguiente el sis­

tema es resistente a la presencia de substancias tóxicas y fluctuaciones de carga.

El UASB fue desarrollado en Holanda por Lettinga y asociados [Lettinga, G. et al.,Biotechnology and Bio-engineering, 22,4, 1980] Y se ha utilizado en industrias de produc­tos alimentarios, plantas azucareras, cervecerías, fábricas de conservas alimenticias, in­dustrias de celulosa y papel, etc.

PROBLEMAS

1. Desarróllense las ecuaciones de Oc, r, SI y S2(cuadro 6.2) para una unidad de airea­ción escalonada de tres etapas. Recalcúlese el ejemplo 6.2 para el caso de una unidad detres etapas, esto es, S3 = 10mg/l. Compárese el volumen total de las tres etapas con el co­rrespondiente a dos etapas.

11. Una laguna aireada es utilizada en el tratamiento de agua residual de una refineríade petróleo. Las dimensiones de -la laguna son:

Longitud: 152'mAnchura: 76 m

Profundidad: 3 m