Ampliación de la capacidad de los tratamientos biológicos de fangos activos empleando soportes móviles para eliminación de nutrientes

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1 Ampliación de la capacidad de los tratamientos biológicos de fangos activos empleando soportes móviles para eliminación de nutrientes 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 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 requieran aumentar 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 Gorka Zalakain Bengoa. Director Técnico AnoxKaldnes. GRUPO VEOLIA WATER SOLUTIONS & TECHNOLOGIES (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 20 Enero - Febrero 2010

2 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. 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 es mucho menor que en los decantadores secundarios de fangos activos siendo la concentración de sólidos a la entrada del decantador del orden de mg/l en lugar de 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. Figura 1. Esquemas del reactor aerobio y reactor anaerobio o anóxico de lecho móvil. 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 consigue modificar 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 su- Soporte K1 Superficie protegida 500 m 2 /m 3 Soporte K3 Superficie protegida 500 m 2 /m 3 Soporte BiofilmChip M Superficie protegida 1200 m 2 /m 3 Figura 2. Imágenes de los soportes plásticos K1, K3 y BiofilmChip M empleados en reactores de lecho móvil en el tratamiento de aguas residuales municipales. Enero - Febrero

3 periores 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 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 empleados principalmente en el tratamiento de las aguas residuales municipales. 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 soportes plásticos se basa en el conocimiento del comportamiento de la biopelícula que se da en este tipo de procesos Parrillas de aireación El sistema de aireación empleado para aportar el oxígeno necesario en los reactores aerobios, consta de un entramado de Figura 4. Imagen que representa un colector circular horizontal con sistema de limpieza de aire en la parte inferior del mismo. 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 del soporte plástico dificulta las operaciones de vaciado y mantenimiento de los reactores Colectores de salida Figura 3. Aspecto de un reactor aerobio de lecho móvil vacío y detalles del sistema de distribución de aire. 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 y 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 elemen- 22 Enero - Febrero 2010

4 tos 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 Figura 5. Diagrama que representa un sistema de lecho móvil como proceso único. 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 un crecimiento específico de organismos 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, ) se deberá previamente eliminar los compuestos orgánicos biodegradables. De esta forma, la configuración de reactores para eliminación de materia orgánica y nitrógeno sería la de un primer reactor 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 biológicos podrán emplearse reactores anóxicos para Enero - Febrero

5 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 procesos permite la construcción 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 Figura 6. Diagrama de un sistema de lecho móvil tipo BAS TM (Biofilm Activated Sludge). 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 BAS TM (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 gran estabilidad ante variaciones de carga en el influente. Esta combinación de procesos es muy empleada en plantas urbanas de fangos activos con fuertes variaciones de carga y en aguas que requieran elevado tiempos de residencia para la degradación de ciertos compuestos. 3.3 PROCESO HYBAS TM (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 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. Su ampliación 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 horas), y para eliminación de fósforo biológica ascendería a horas, lo que en muchos casos por falta de espacio se convierte en un problema de Figura 7. Diagrama de un sistema híbrido HYBAS TM (Hybrid Biofilm Activated Sludge). 24 Enero - Febrero 2010

6 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, las características 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 HYBAS TM 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 Figura 8. Distribución de biomasas autótrofa nitrificante (X_A), heterótrofa (X_H), inerte (X_I), sustrato particulado (X_S) y la concentración total de particulados (X_tot) en un reactor híbrido de nitrificación. 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 una planta convencional de fangos activos los requerimientos de oxígeno por respiración endógena son menores y, por lo 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. AnoxKald- Tabla 1. Principales características de la corriente influente empleada para el estudio comparativo Caudal medio de diseño (m 3 /d) Agua de entrada al biológico DBO 5 (mg/l) DQO (mg/l) SST (mg/l) NTK (mg/l) T a de diseño Requerimientos de salida DBO 5 (mg/l) < 25 < 25 DQO (mg/l) < 125 < 125 SST (mg/l) < 35 < 35 NTK (mg/l) < 10 < 10 Enero - Febrero

7 Tabla 2. Comparación de los principales parámetros de diseño de una planta HYBAS TM y un sistema de fangos activos convencional nes 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. El modelado 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 HYBAS TM Fango Activo MLSS (mg/l) Rec. Interna (%) Rec. Externa (%) Volumen anóxico Volumen aerobio Soporte plástico K3 (m 3 ) Volumen total HRT (horas) 5,6 9,5 Producción fangos (KgTS/día) SRT aerobio (días) 3 11 AOR12 o C (KgO 2 /hora) 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 más exterior de la misma. En la Tabla 2 se pueden comparar los dimensionamientos de una planta HYBAS TM y de una planta de fangos activos convencional, para eliminación de materia orgánica y nitrógeno, diseñados para tratar un corriente influente descrita en la Tabla 1. 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 HYBAS TM 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 HYBAS TM 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, 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 nitrogen removal in a new configuration of the moving-bed biofilm reactor process. Wat. Sci. and Tech., Vol. 55, No. 8-9, pp Enero - Febrero 2010

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