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Tema C: Agua y Ciudad

Ampliación de la capacidad de los tratamientos biológicos de

fangos activos empleando soportes móviles para eliminación

de nutrientes

Gorka Zalakain Bengoa

Director técnico de AnoxKaldnes, Grupo VEOLIA WATER, miembro de Asagua.

[email protected]

1 Introducción

Debido a las exigencias en el tratamiento de aguas residuales, tanto urbanas como industriales, establecidas por

la normativa Europea y teniendo en cuenta las necesidades de reutilización dentro del territorio español, El Plan

Nacional de Calidad de las Aguas 2007-20015 prevé importantes actuaciones en los tratamientos biológicos

existentes en gran número de EDAR en España. El incremento de zonas declaradas sensibles y el aumento de

cargas recibidas en algunas plantas hacen que muchos tratamientos biológicos de fangos activos requieranaumentar su capacidad para eliminación de nutrientes.

Los procesos de biopelícula sobre soporte móvil, conocidos como tecnologías de lecho móvil, además de

presentar importantes ventajas de operación en comparación a las plantas de fangos activos permiten aumentar la

capacidad de tratamiento, bien sea como complemento al tratamiento biológico existente en distintos reactores, o

como tratamiento simultáneo en las propias balsas de fangos activos formando reactores híbridos (IFAS).

Anoxkaldnes lleva desarrollando e implantando este tipo de procesos desde principios de los años 90 y cuenta ya

con un consolidado reconocimiento a nivel mundial.

2 Tecnología de lecho móvil

2.1 Las bases del proceso

El principio básico del proceso de lecho móvil es el crecimiento de la biomasa en soportes plásticos que se

mueven en el reactor biológico mediante la agitación generada por sistemas de aireación (reactores aerobios) o

por sistemas mecánicos (en reactores anóxicos). La biopelícula que se forma en las paredes del relleno se

caracteriza por una mayor efectividad que los flóculos biológicos. A su vez, los soportes plásticos empleados

contienen una elevada superficie específica por unidad de volumen. Estas dos particularidades hacen que los

reactores de lecho móvil sean de volumen mucho menor que los de fangos activos.

Reactor aerobio Reactor anaerobio o anóxico




El crecimiento y desprendimiento de la biopelícula en el soporte se ajusta según la carga recibida. A su vez estos

sólidos desprendidos del soporte vienen a ser el exceso de fangos que hay que extraer del sistema (purga de

fangos) y por tanto no requieren una recirculación de los mismos al reactor, simplificando enormemente la

operación de la planta. Cabe destacar que el flujo de sólidos al decantador para el caso de aguas urbanas esmucho menor que en los decantadores secundarios de fangos activos siendo la concentración de sólidos a la

entrada del decantador del orden de 300-500 mg/l en lugar de 3.000-3.500 mg/l, permitiendo reducir la superficie

de decantación necesaria. Además, al no tener que recircular estos sólidos nuevamente al reactor biológico pueden emplearse otros elementos de separación que requieran menor superficie y consigan mejor calidad de

efluente como la decantación lastrada o los filtros de malla.

2.2 Ventajas del lecho móvil

Las principales ventajas que aporta la utilización de soportes móviles frente a procesos biológicos

convencionales son:

• Reducción de volumen del reactor biológico por empleo de un soporte que proporciona una superficie

específica elevada.

•

Gran flexibilidad ya que en función del porcentaje de soporte plástico empleado en el reactor se consiguemodificar la superficie y en consecuencia la eficiencia del proceso.

• En los procesos de biopelícula no se crean microorganismos filamentosos con lo que se evita uno de los

mayores problemas de los procesos de fangos activos, el denominado “bulking filamentoso”, que impide

que los sólidos decanten en el clarificador.

• Operación y control sencillos.

• Permiten la generación de una biomasa característica de cada tipo de reactor (aerobio, anóxico) dando lugar

a la obtención de un biofilm con una elevada actividad. Experimentalmente se ha constatado que las tasas de

nitrificación y desnitrificación en este tipo de procesos son superiores a las obtenidas en los procesos

convencionales.

•

Remodelaciones de instalaciones existentes sin grandes modificaciones en los reactores.

• La agrupación de los microorganismos en forma de biopelícula proporciona mayor robustez al proceso ante

inhibiciones, cambios bruscos de pH., etc.

• Las bacterias nitrificantes de mayor sensibilidad a las alteraciones operacionales y las bajas temperaturas,

permiten alcanzar tasas de nitrificación mucho mayores que las obtenidas en fangos activos.

2.3 Elementos principales de las plantas de lecho móvil

2.3.1 Los soportes plásticos

Las distintas aplicaciones de los soportes plásticos y la experiencia adquirida a lo largo de más de 20 años en el

desarrollo de le tecnología de lecho móvil, ha permitido que AnoxKaldnes desarrolle distintos tipos de soportes

plásticos. En las siguientes figuras aparecen los soportes K1, K3 y BiofilmChip M empelados principalmente en

el tratamiento de las aguas residuales municipales.

Soporte K1 Soporte K3 Soporte BiofilmChip MSuperficie protegida 500 m

2/m

3 Superficie protegida 500 m

2/m

3 Superficie protegida 1200 m

2/m

3




Como características generales se destaca la elevada superficie específica por unidad de volumen, densidad en

torno a 0,95 Kg/l y material de alta durabilidad El diseño de estos soporte plásticos se basa en al conocimiento

del comportamiento de la biopelícula que se da en este tipo de procesos.

2.3.2

Parrillas de aireación

El sistema de aireación empleado para aportar el oxígeno necesario en los reactores aerobios, consta de un

entramado de parrillas que cubren toda la superficie del fondo del reactor, permitiendo una distribución

homogénea del aire. Las parrillas están formadas por tubos de acero inoxidable perforados por donde sale el aire

proveniente de las soplantes. Las burbujas de aire se rompen y quedan retenidas en el soporte efectuando un

movimiento ascendente y descendente con el propio soporte dando lugar a una elevada eficiencia del sistema.

Se trata por tanto de un sistema de aireación robusto y eficiente que no requiere mantenimiento, lo cual resulta

de mayor interés ya que la presencia de los soporte plásticos dificulta las operaciones de vaciado ymantenimiento de los reactores.

2.3.3 Colectores de salida

Los reactores de lecho móvil cuentan con unos elementos especiales para evitar la salida del soporte plástico con

el agua. Se emplean rejillas de distintas formas y tamaños según el tipo de soporte ya el caudal tratado, pudiendo

ser circulares horizontales, de chapa plana o de chapa Johnson.

El diseño de este tipo de elemento se hace teniendo en cuenta la hidráulica en el reactor de forma que los

soportes no se vean atraídos hacia estos elementos y de forma que no supongan perdidas de carga importantes.

Disponen además de un sistema de limpieza por aire.




3 Procesos basados en lecho móvil

La tecnología de lecho móvil se puede emplear como proceso único o se puede combinar con otros tipos de

reactores dando lugar a infinidad de combinaciones. Los procesos más empleados son:

3.1

Lecho Móvil como proceso único

El proceso de lecho móvil como proceso único no requiere de biomasa en suspensión en forma de flóculo de

manera que la biopelícula adherida a los soportes móviles contiene la biomasa necesaria para la eliminación de

materia orgánica y en su caso para la nitrificación y desnitrificación. La configuración de reactores puede variar

según la aplicación pudiéndose combinar reactores anóxicos y óxicos según el tipo de agua y necesidades de la

calidad del efluente. El hecho de que la biomasa se mantenga confinada en cada uno de los reactores permite uncrecimiento específico aumentando el rendimiento global de la instalación.

Para el adecuado crecimiento de las bacterias nitrificantes, y el acceso de las mismas a los compuestos disueltos

del reactor ( oxígeno, amonio,…) de deberá previamente eliminar los compuestos orgánicos biodegradables con

lo que la configuración de reactores para eliminación de materia orgánica y nitrógeno sería la de un primerreactor anóxico D para desnitrificación, seguido de un reactor aerobio C para eliminación de materia orgánica y

un tercer reactor aerobio N de nitrificación. Al igual que en otro tipo de procesos biológico podrán emplearse

reactores anóxicos para post desnitrificación generalmente con adición de alguna fuente de carbono externa.

Este tipo de proceso es de gran utilidad en plantas pequeñas o de tamaño medio en las que se requiera un proceso

robusto y fácil de operar.

3.2

Proceso BASTM ( Biofilm Activated Sludge)

Se trata de un reactor en cabeza de lecho móvil seguido de un tratamiento por fangos activos. El reactor de lecho

móvil elimina los compuestos más fácilmente biodegradables reduciendo el volumen global de la instalación y

mejorando las propiedades de decantación del fango activo. Este primer reactor proporciona a su vez granestabilidad ante variaciones de carga en el influente.

Esta combinación de procesos es muy empleada en plantas urbanas de fangos activos con fuertes variaciones decarga y en aguas que requieran elevado tiempos de residencia para la degradación de ciertos compuestos.

3.3 Proceso HYBASTM ( Hybrid Biofilm Activated Sludge)




El proceso HYBAS se caracteriza por combinar en una o varias partes del reactor biológico dos tipos de

biomasa; biomasa en forma de biopelícula adherida al soporte y biomasa en suspensión en forma de flóculo. A

su vez la biomasa en suspensión se ve afectada por el desprendimiento de biopelícula del soporte con lo que

existe una interacción entre los dos tipos de biomasa. El correcto diseño de este tipo de proceso permite laconstrucción de instalaciones biológicas donde se aprovechen las ventajas de los dos tipos de biomasa.

Principalmente se emplea en ampliaciones de plantas de fangos activos con eliminación de nutrientes.

4 Ampliación de plantas

La entrada en vigor de la nueva declaración de zonas sensibles implica la remodelación - ampliación de una

elevada cantidad de EDAR. Algunas de estas EDAR cuentan con tratamientos biológicos de fangos activos que

sólo biodegradan materia orgánica, y operan con tiempos de retención hidráulico (HRT) en torno a 4 horas. Suampliación a eliminación de nitrógeno por medio de un aumento del tamaño del reactor biológico de fangos

activos conllevaría un incremento del volumen de los reactores de en torno a 3 veces (HRT ≈ 10-12 horas), y

para eliminación de fósforo biológica ascendería a 14 – 16 horas, lo que en muchos casos por falta de espacio se

convierte en un problema de gran entidad. El otros casos, la EDAR ya dispone del tratamiento biológico por

fangos activos adecuado para la eliminación de nitrógeno y se trata de ampliarla a eliminación de fósforo

biológica, con el fin de evitar los costes asociados a una precipitación físico – química. Además, lascaracterísticas de sedimentación de los procesos de fangos activos con eliminación de nutrientes no son buenas y

tienen tendencia al bulking filamentoso que provoca importantes problemas para una operación eficiente de la

EDAR.

4.1 Proceso HYBASTM para ampliación de tratamientos biológicos de fangos activos

Una de las alternativas tecnológicas más sencillas es la de añadir soportes de plástico para generar biopelícula y

así transformar el proceso de fangos activos en un proceso híbrido con biomasa nitrificante en biopelícula y

biomasa heterótrofa en suspensión. Cabe destacar la capacidad de generar biopelícula con altas cantidades de

biomasa nitrificante y por ello, la adición de soportes solamente en reactores aerobios existentes permite reducir

notablemente el volumen necesario para nitrificación. Por otro lado, con la recirculación de fangos existente se

mantienen altas concentraciones de biomasa en suspensión en los reactores restantes donde se puede llevar a

cabo la desnitrificación y en su caso la eliminación de fósforo.

La nitrificación en biopelícula permite disminuir el tiempo de retención celular (TRC) aerobio de la biomasa en

suspensión permitiendo reducir el volumen aerobio de la planta, dando como resultado fracciones volumétricas

similares para la nitrificación (fracción aerobia) y para la desnitrificación (fracción anóxica). La biomasa que se

desprende del soporte plástico y queda en suspensión, contiene bacterias nitrificantes que a su vez otorgan a la

biomasa en suspensión una capacidad de nitrificación que no tendría en un fango activo convencional a esos bajos TRC.

Dado que los TRC son menores que en un aplanta convencional de fangos activos los requerimientos de oxígeno

por respiración endógena son menores y por tanto menores los requerimientos teóricos de oxígeno (AOR). Por el

mismo motivo el fango en suspensión contiene una mayor fracción volátil activa y por tanto un mayor potencial

para la producción de biogás en los digestores anaerobios. El proceso HYABS resulta por lo tanto

energéticamente eficiente desde el punto de vista global de la EDAR.

El diseño de este tipo de procesos es complejo. AnoxKaldnes emplea modelos matemáticos específicos que

además de reproducir el comportamiento de la biopelícula y de la biomasa en suspensión, predicen los resultados

de la interacción entre ambas biomasas. La modelización de este tipo de procesos permite a su vez conocer más

en profundidad las distribuciones de microorganismos en las distintas capas de la biopelícula y los efectos de

difusión de los compuestos disueltos en la misma. En la siguiente figura se recogen las concentraciones de las

distintas fracciones particuladas que componen la biopelícula desde las partes más internas hasta la capa mas

exterior de la misma.




Figura 1 Distribución de biomasas autótrofa nitrificante (X_A), heterótrofa (X_H), inerte (X_I) y sustrato particulado

(X_S) en un reactor híbrido de nitrificación.

En las siguientes tablas se pueden comparar los dimensionamientos de una planta HYBASTM

y de una planta de

fangos activos convencional, para eliminación de materia orgánica y nitrógeno.

Tabla 1 Comparación de los principales parámetros de diseño de una planta HYBASTM y un fango activo convencional

Caudal medio de diseño (m3/d) 60.150 60.150

Agua d entrada al biológico

DBO5 (mg/l) 190 190

DQO (mg/l) 323 323

…………..SST (mg/l) 102 102

NTK (mg/l) 34 34

Tª de diseño 12 12

Requerimientos de salida

DBO5 (mg/l) < 25 < 25

DQO (mg/l) < 125 < 125

…………..SST (mg/l) < 35 < 35

NTK (mg/l) < 10 < 10

HYBASTM FANGO ACTIVO

MLSS (mg/l) 3.500 3.500

Rec. Interna (%) 175 175Rec. Externa (%) 100 100

Volumen anóxico 5.850 5.950

Volumen aerobio 8.150 17.850

Soporte plástico K3 (m3) 3.170

Volumen total 14.000 23.800

HRT (horas) 5,6 9,5

Producción fangos (KgTS/día) 8.607 7.510

SRT aerobio (días) 3 11

AOR12ºC (KgO2/hora) 523 582




5 Conclusiones

• La tecnología de lecho móvil se presenta como una interesante alternativa para la ampliación de plantas

con eliminación de nutrientes.

• Se trata de una tecnología robusta, sencilla de operar y fácil de implantar en instalaciones existentes.

• Se puede emplear como proceso único o en combinación con procesos de biomasa en suspensión.

• El proceso HYBASTM

de AnoxKaldnes permite aumentar la capacidad de plantas existentes de fangos

activos de eliminación de DQO, y eliminación de DQO y N, sin necesidad de ampliar el volumen

biológico.

• El proceso HYBASTM

permite una mayor producción de biogás en los digestores anaerobios y un mejor

rendimiento energético de la EDAR.

6 Referencias

Christensson, M. and Welander, T. (2004). Treatment of Municipal wastewater in a hybrid process using a new

suspended carrier with large surface area. Wat. Sci. Tech. 49, 11-12, 207-211

Henze, M., Gujer, W., Mino, T., Matsuo, T. and Van Loosdrecht, M (2000). Activated sludge models. ASM1,

ASM2, ASM2d and ASM3. Scientific and Technical report No.9.

Larrea, L., Albizuri, J., Abad, A., Larrea, A. and Zalakain, G. (2007). Optimizing and modelling nitrogenremoval in a new configuration of the moving-bed biofilm reactor process. Wat. Sci. and Tech., Vol. 55, No. 8-9,

pp. 317-327.

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