BIODISCOS (RBC)* 8.1. Introducción

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1 BIODISCOS (RBC)* 8.1. Introducción Los biodiscos (RBC) son sistemas que fueron desarrollados para obtener el tratamiento biológico aerobio de las aguas residuales. En el caso de los RBC, la biomasa se presenta simultáneamente 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 fabricados de poliestireno o polietileno con diámetros comprendidos entre 3-4 m. Estos discos se 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 forma un gran número de discos. * RBC corresponde a las siglas de la expresión inglesa "Rotating Biological Contactors", que traducido literalmente seria algo así como "contactores biológicos rotatívos". Independientemente de la fealdad de la expresión, se ha preferido utilizar "biodiscos" por ser la comúnmente aceptada en esta tecnología en castellano. Fig Esquema de una unidad RBC típica. Estas unidades se disponen en tanques divididos por paredes tal como se presenta en la figura La alimentación de agua residual pasa a través de estos tanques en serie de forma tal que los ejes se mantienen ligeramente por encima de la superficie del liquido. Esto significa que la superficie de los discos está aproximadamente el 40% sumergida en todo momento. Los ejes giran continuamente a una velocidad comprendida entre 1 y 2 rpm. Se forma gradualmente un limo biológico de 1 a 3 mm de espesor que comienza a depositarse en las superficies de los discos. En la figura 6.37 se presenta en detalle la zona húmeda de los discos. Si Do es el diámetro del disco y Di es el diámetro del área circular que nunca resulta sumergida, esto significa que la zona húmeda, parte de la cual está sumergida en cualquier momento, y otra parte de la misma está expuesta al aire, está formada por un anillo cuya superficie es igual a:

2 Área del anillo = (1/4) p (Do 2 - Di 2 ) (6.115) Fig Detalle de la zona húmeda de un biodisco. Ya que el crecimiento biológico se desarrolla solamente en la zona humedecida, si d es la profundidad (o espesor) del limo formado, el volumen de limo en cada lado de un disco es: Volumen de limo = (1/4) p (Do 2 - Di 2 ) d (por lado de disco) (6.116) Considerando que el limo crece a ambos lados de cada disco (el crecimiento es en dirección perpendicular al plano de la página en la figura 6.37) el volumen de limo por disco será el doble del indicado en la ecuación (6.116). Suponiendo que N es el número de discos por etapa el volumen del limo formado es: VA = 2[(1/4) p (Do 2 - Di 2 )d]n = [1/2] p (Do 2 - Di 2 )Nd (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 de biomasa en suspensión. En consecuencia, la disminución de la DBO en los RBC se presenta simultáneamente mediante un mecanismo similar al del filtro percolador, por la presencia del limo formado junto al disco, así como también mediante un mecanismo análogo 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 de una 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 al limo formado en los discos. En efecto, al desarrollar el modelo matemático de los RBC en la sección 8.2, la contribución de la biomasa en suspensión para la separación de la DBO será despreciable. El efluente de la última etapa de los RBC fluye a un clarificador secundario tal como se muestra en la figura Normalmente los sistemas de biodiscos se proyectan para un valor total de la DBO, del efluente de la última etapa del orden de mg/l del cual la 1/3 parte es soluble y aproximadamente las 2/3 partes resultan insolubles. Con mucha frecuencia los discos están formados de placas alternadas planas y

3 corrugadas de poliestireno o polietileno. Esta disposición suministra un área superficial mayor que para el caso de discos con superficies planas únicamente. Para el caso de un juego de discos de 3,6 m de diámetro montado sobre un eje de 7,5 m puede lograrse un área superficial total superior a los 9000 m 2. 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. 3. La biomasa presenta en general buenas características de sedimentación con lo que se 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 líquida de gran superficie sobre la zona húmeda de los discos expuesta al aire ambiente, lo que lleva al 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 Procedimiento de diseño de los sistemas RBC [4] El proceso de diseño se basa normalmente en curvas empíricas de carga suministradas por los fabricantes de los biodiscos. A partir de estas curvas puede estimarse la carga superficial, L, m 3 /(s)(m 2 ) para reducir una DBO dada en el afluente hasta el valor deseado de la DBO del efluente. El área superficial requerida para un caudal total de Q, m 3 /s es por tanto: A = Qo/L = (m 3 /s) / (m 3 / (s) (m 2 )) = m 2 (6.118) Kornegay [9] ha desarrollado un procedimiento de diseño racional que se describe a continuación. Considérese el biodisco presentado en la figura 6.37 y escríbase un balance de materia para el sustrato que entra y abandona el biodisco tal como sigue: [Velocidad neta de cambio de sustrato en el reactor] = = [Velocidad a la que el sustrato entra al reactor (en el afluente)] - - [Velocidad a la que el sustrato deja el reactor (en el efluente)] - - [Velocidad a la que el sustrato es oxidado en el reactor] (6.119)

4 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 0, esto es: 0 = [Velocidad a la que el sustrato entra al raector (en el afluente)] - - [Velocidad a la que el sustrato deja el reactor (en el efluente)] - - [Velocidad a la que el sustrato se oxida en el reactor] (6.120) Los dos primeros términos del segundo miembro de la ecuación (6.120) se refieren a la disminución neta de sustrato debido a la acción hidráulica solamente y se definen como sigue: [Velocidad a la que el sustrato entra en reactor (en el afluente)] = QoSo (6.121) [Velocidad a la que el sustrato deja el reactor (en el efluente)] = QoSe (6.122) El miembro correspondiente a la velocidad de disminución del sustrato por oxidación mediante 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 se denominan respectivamente: (ds/dt)a y (ds/dt)s Se obtiene: [Velocidad a la que el sustrato se oxida en el reactor] = (ds/dt)a VA + (ds/dt)s VS (6.123) en las que VA y VS son el volumen de biomasa activa en el disco y el volumen de líquido en el reactor, respectivamente. Utilizando las ecuaciones (6.121), (6.122) y (6.123) y notando que VS = V = volumen de liquido en el reactor, la ecuación (6.120) se transforma en: 0 = QoSo - QoSe - (ds/dt)a VA - (ds/dt)s V (6,124) Las velocidades de consumo de sustrato (ds/dt) pueden relacionarse con la velocidad de crecimiento de la biomasa, (dx/dt), de la ecuación (5.81) con lo cual puede escribirse: (dx/dt)g = Y (ds/dt) - kdxv (6,125) Sí se desprecia el término endógeno (dx/dt)g = Y (ds/dt) (6.126) La ecuación (6.126) puede escribirse específicamente para las velocidades de crecimiento de la biomasa en el biodisco y en suspensión como sigue: (dx/dt)g,a = YA (ds/dt)a (6.127)

5 y: (dx/dt)g,s = YS (ds/dt)s (6.128) en las que YA e YS los coeficientes de producción para la biomasa formada en el biodisco y en suspensión, respectivamente. Las ecuaciones (6.127) y (6.128) pueden agruparse de la siguiente forma: (dx/dt)g,a / YA = (ds/dt)a (6.129) y: (dx/dt)g,s / YS = (ds/dt)s (6.130) Ahora, multiplicando los primeros miembros de las ecuaciones (6.129) y (6.130) por XA/XA y XS/Xs, en la que XA y XS significan la biomasa activa por unidad de volumen de limo en el biodisco y de limo en suspensión, respectivamente, recordando la definición de velocidad de crecimiento especifico de la biomasa, µ, esto es, recordando la ecuación (5.79) se obtiene: De la ecuación (6.129): [(dx/dt)g,a / XA]XA / YA = µaxa/ya = (ds/dt)a (6.131) y de la ecuación (6.130): [(dx/dt)g,s / XS]XS / YS = µsxs/ys = (ds/dt)s (6.132) en las que µa y µs son las velocidades decrecimiento especificas 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: 0 = QoSo - QoSe - [µaxa/ya]va - [µsxs/ys]v (6.133) 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: 0 = QoSo - QoSe - (µa/ya)xa(1/2)p(do 2 -Di 2 )Nd-[µSXS/YS]V (6.134) 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: µa = µmax,a (Se/(KS+Se)) (6.135) y:

6 µs = µmax,s (Se/(KS+Se)) (6.136) Utilizando las ecuaciones (6.135) y (6.136), la ecuación (6.134) conduce a: 0 = QoSo-QoSe-(µmax,A/YA)(Se/(Ks + Se)) XA(1/2)p(Do 2 -Di 2 )Nd-(µmax,S/Ys)(Se/(Ks + Se))XsV (6.137) Como ya se señalaba en la sección 8.1, la mayoría de los RBC operan a tiempos de residencia 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 a la presencia del crecimiento adherido al disco. Bajo estas circunstancias, el último término del segundo miembro de la ecuación (6.137) puede ser despreciado. En consecuencia, despreciando ese término y reagrupando la ecuación (6.137) se obtiene: Qo(So-Se) = (1/2) (µmax,a/ya) XA dp (Do 2 -Di 2 )N (Se/(Ks + Se)) (6.138) Si el parámetro P se define como: P = (µmax,a/ya) XA d (6.139) puede escribirse la ecuación (6.138) en la forma: Qo(So-Se) = (1/2) P p (Do 2 -Di 2 ) N [Se/(Ks + Se)] (Etapa única) (6.140) La ecuación (6.140) se aplica a una etapa de un sistema de biodiscos. Considérese ahora un sistema compuesto de una serie de biodiscos tal como se indica en la figura Fig Esquema de un sistema RBC 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) = (1/2) P p (Do 2 -Di 2 ) N S(i=1,...,n) (Si/(Ks + Si)) (n etapas) (6.141) Los parámetros cinéticos P y Ks de las ecuaciones (6.140) y (6.141) pueden evaluarse a partir de unidades piloto o semi-piloto. Con objeto de llevar a cabo esta evaluación, la ecuación (6.140) y la ecuación (6.141) pueden reordenarse en forma lineal. Considérese la ecuación (6.140) y tómese su reciproco: 1/Qo(So-Se) = (Ks + Se)/((1/2) P p (Do 2 -Di 2 ) NSe) (6.142)

7 Reordenando la ecuación (6.142) Fig Determinación de los parámetros P y Ks. ((1/2) p (Do 2 -Di 2 ) N)/Qo(So-Se) = (1/P) + (Ks / PSe) (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 ((1/2) p (Do 2 -Di 2 ) N)/Qo(So-Se) en función de 1/Se conduce a una línea recta de la que pueden obtenerse P y Ks a partir de la pendiente y de la ordenada en el origen. En la figura 6.39 se presenta una gráfica típica de esta situación. En la ecuación (6.140) el término (1/2) p (Do 2 -Di 2 ) N corresponde al área total húmeda del disco. Denótese esta zona por Z. En ese caso la ecuación (6.140) puede escribirse como sigue: Qo(So-Se) = PA (Se/(Ks + Se)) (etapa única) (6.144) El área húmeda requerida para alcanzar la reducción deseada de DBO desde So a Se es: A = Qo(So-Se) / P (Se/(Ks + Se)) (etapa única) (6.145) La ecuación (6.141) puede aplicarse a una serie de etapas de biodiscos como la representada en la fig Para el caso de una unidad de dos etapas, suponiendo igual área humedecida A por etapa puede escribirse: Para la etapa 1: Qo(So-S1) = PA (S1/(Ks + S1)) (6.146) Para la etapa 2: Qo(S1-S2) = PA (S2/(Ks + S2)) (6.147) La suma de las ecuaciones (6.146) y (6.147) conduce a:

8 Qo(So-S2) = PA (S1/(Ks + S1)) + PA (S2/(Ks + S2)) (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 como sigue: Paso 1. Se supone un valor de A (área por etapa). Para comenzar la iteración puede suponerse un valor igual a la mitad del área A requerida para una unidad de etapa única con objeto de alcanzar la misma reducción de DBO; véase la ecuación (6.145). Paso 2. Al resolver la ecuación (6.147) despejando S1 se obtiene: S1 = (PA/Qo) (S2/(Ks + S2)) + S2 (6.149) Paso 3. Se sustituye el valor de S1 en la ecuación (6.146), para la primera etapa, y se computa su área húmeda, esto es: A = Qo(So - S1)/(PS1/(Ks + S1)) (6.150) Paso 4. Si esta área coincide con el valor supuesto en el paso 1, la suposición ha sido correcta. Si no es así se intenta de nuevo, comenzando por el paso 1 hasta que se alcance la convergencia. Siguiendo este procedimiento puede encontrarse que el área total húmeda para una unidad de dos etapas, suponiendo igual volumen húmedo por etapa, es menor que el área de una 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 requerida para una reducción específica de la DBO. Para una unidad de tres etapas, S1 viene dado por la ecuación (6.149) y puede probarse que S2 se calcula a partir de: S2 = (PA/Qo) (S3/(Ks + S3)) + S3 (6.151) En general, para n etapas: Sn-1 = (PA/Qo) (Sn/(Ks + Sn)) + Sn(6.152) Fig Representación típica de la superficie total en función del número de etapas. 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 y 4 etapas.