Biorreactor piloto de biomasa inmovilizada

Fundamento teórico

Los reactores biológicos de biomasa inmovilizada permiten el crecimiento de una capa de biomasa en la superficie de un material, normalmente plástico, formando una biopelícula alrededor del soporte.

Las principales ventajas que presentan los reactores biológicos de lecho fijo frente a los convencionales de tanque agitado son: i) la reducción del volumen del reactor gracias al empleo de un soporte que proporciona una superficie específica elevada ii) no requieren recirculación de biomasa al reactor iii) la operación y control de este tipo de reactores es sencillo iv) mejora de las tasas de nitrificación y desnitrificación y, finalmente, v) mejora en la eficiencia global del proceso por una mayor especialización de la biomasa.

Descripción del biorreactor

La etapa biológica de los ensayos de descontaminación de la mezcla de plaguicidas comerciales se ha llevado a cabo en un biorreactor aerobio de biomasa inmovilizada (IBR) instalado en la PSA. Este sistema biológico está formado por tres módulos: un tanque de neutralización cónico de 165 L; un tanque de acondicionamiento cónico de 100 L y un IBR de fondo plano de 170 L. Todos los tanques son de polipropileno y están ubicados bajo el armazón metálico que soporta los cuatro módulos de captadores CPC del fotorreactor descrito en el apartado anterior. La planta piloto integrada por el reactor fotocatalítico y el IBR fue diseñada y construida en el marco del proyecto europeo CADOX (Contrato nº: EVK1-CT-2002-00122). La figura 2.8 muestra un esquema del sistema biológico empleado.

Figura 2.8 Esquema ilustrativo del IBR

Los tanques están conectados entre sí mediante tuberías de polipropileno. El tanque de neutralización es cónico de forma que el catalizador empleado en la etapa fotocatalítica pueda separarse por decantación cuando sea necesario, y dispone de un agitador mecánico que permite el ajuste de pH y la correcta homogenización del efluente pretratado.

En el tanque de acondicionamiento se dispone de dos sondas, de pH y potencial redox (CRISON), conectadas a sus respectivos controladores CRISON pH28. La acción ejercida por el controlador sobre dos bombas dosificadoras peristálticas (ALLDOS) permite mantener el pH entre 6.5 y 7.5 mediante la adición automática de NaOH o H2SO4.

En el fondo y en la superficie del IBR se dispone de dos rejillas que mantienen el empaquetamiento del lecho. El relleno, que ocupa entre 90 y 95 L del volumen total del tanque, está compuesto por soportes de polipropileno marca Pall®Ring (diámetro nominal: 15 mm, densidad: 80 kg/m3, área específica: 350 m2/m3, fracción de espacio vacío: 0.9 m3 /m3) colonizados por fangos activos procedentes de la EDAR municipal de Almería. Este reactor está equipado con un sistema de control de oxígeno disuelto automático formado por una sonda de oxígeno CRISON (InPro 6050), y un controlador OXI 49 que actúa sobre dos soplantes SIROCCO (caudal máximo de 400 L/h), manteniendo la concentración de oxígeno disuelto en el interior del IBR entre 4 y 6 mg/L. El aire de las soplantes es introducido en el fondo del tanque a través de difusores, para asegurar un burbujeo lo más homogéneo posible.

Procedimiento

El efluente foto-tratado se bombea al tanque de neutralización donde se procede al ajuste del pH (hasta 6.5 – 7.5). Una vez hecho, el fluido es impulsado desde el tanque de neutralización al de acondicionamiento a través de una bomba centrífuga PAN WORLD CO., cuyo caudal se regula mediante un rotámetro (indicador de caudal, COMAQUINSA). Una vez en el tanque de acondicionamiento, entre éste y el IBR se establece un flujo de recirculación con un caudal de entre 300 y 500 L/h mediante una segunda bomba centrífuga PAN WORLD CO. También aquí el caudal es regulado por un rotámetro. Desde el IBR al tanque de acondicionamiento el agua retorna por gravedad. El efluente se mantiene en el reactor biológico en régimen de operación discontinuo hasta que se alcance el grado de mineralización deseado. La evaluación del proceso se realiza mediante la medida periódica del COD, la DQO y el contenido en iones del agua tratada. La figura 2.9 muestra dos imágenes del sistema empleado, en las que puede apreciarse también el reactor fotocatalítico asociado.

Figura 2.9 Fotografías del IBR instalado en la PSA

Puestaen marcha y acondicionamiento del reactor biológico a escala piloto

El acondicionamiento del IBR se realizó de acuerdo con una serie de etapas encaminadas a garantizar la óptima actividad de la biomasa fijada sobre los soportes de polipropileno:

i) En primer lugar, se lleva a cabo la inoculación del IBR con al menos el 70% del volumen total de fangos activos procedentes de una EDAR. Este volumen se diluye con agua destilada hasta alcanzar el volumen mínimo que permita una recirculación continua entre el tanque de acondicionamiento y el IBR. A esta mezcla inicial se le añaden las soluciones de

medio mineral ‘A’, ‘B’, ‘C’, ‘D’, ‘E’ y ‘F’, detalladas en la tabla 2.6, en función de la concentración de carbono presente en el sistema y de acuerdo con la relación que debe de existir ente el contenido en carbono, nitrógeno, hierro, fósforo y calcio. De esta forma es posible asegurar unas condiciones y un medio óptimos para el crecimiento y fijado de la biomasa sobre los soportes (Pall®Ring).

La recirculación de la mezcla entre el tanque de acondicionamiento y el IBR se mantiene durante al menos unos 7 u 8 días a un caudal mínimo de 500 L/h. Durante esta etapa no se añade al sistema ninguna fuente adicional de carbono ni tampoco más medio mineral. Únicamente se asegura un pH entre 6.5 y 7.5 en todo momento, así como una correcta aireación que mantenga la concentración de oxígeno disuelto siempre por encima de 4 mg/L. En este período de tiempo, el COD procedente del agua de depuradora sobre la que la biomasa se encuentra suspendida (80-100 mg/ L) se verá reducido hasta un valor mínimo procedente de la propia actividad metabólica de los microorganismos (20-30 mg/L).

Durante esta etapa, se puede observar cómo se alcanza la completa fijación de la biomasa sobre los soportes de polipropileno mediante la medida periódica de los sólidos totales en suspensión (STS).

ii) Después de la inoculación del reactor se recomienda alimentarlo con un efluente de biodegradabilidad variable. En este estudio y con vistas a facilitar el mantenimiento del sistema biológico, se optó por ir añadiendo cantidades variables de un influente de EDAR simulado, cuya composición adaptada de las pautas de la OCDE (1999), se muestra en la

tabla 2.7.

Tabla 2.7 Composición del influente de EDAR simulado

Compuesto Concentración (mg/L) Peptona 160 Extracto de carne 110 Urea 30 K2HPO4 28 Mg2SO4 7H2O 2 CaCl2 2H2O 4

Tabla 2.6 Componentes del medio mineral empleado en la puesta en marcha y

acondicionamiento de los reactores biológicos

Solución Sales Concentración

(g/L) Cantidad adicionada A KH2PO4 43.8 Cumplir relación: C:P/100:5 B CaCl2 27.5 1 mL/L efluente C MgSO4.7H2O 22.5 1 mL/L efluente D FeSO4.7H2O 50 (+ 0.5 mL/L H2SO4 concentrado

para evitar precipitación Fe)

Cumplir relación: C:Fe/100∼2

E NaHCO3 48 2 mL/L efluente

F NH4Cl 38.5 Cumplir relación:

Se realizaron varias adiciones sucesivas con valores crecientes de COD (entre 100 y 500 mg/L) y el sistema se mantuvo en recirculación durante algunos días hasta que el COD descendía hasta los valores mínimos de entre 20 y 30 mg/L. Este procedimiento resulta especialmente importante, puesto que con ello se consigue un correcto crecimiento de la biomasa adherida a los soportes y un espesor de biopelícula capaz de afrontar la degradación biológica aerobia de las aguas residuales industriales en óptimas condiciones. Esta etapa debe repetirse siempre que se detecte un descenso en la actividad de la biomasa fijada o en su concentración adherida a los soportes (aumento de STS), con objeto de regenerar el sistema recuperando las condiciones óptimas iniciales.

iii) Por último se recomienda adaptar a la biomasa a la nueva agua industrial que va a recibir, de forma que se pueda evitar la pérdida de una cantidad importante de biomasa activa debido a un posible ‘shock’ provocado por un cambio brusco de efluente. Para ello, basta con llevar a cabo algunas adiciones del agua pre-oxidada mediante foto-Fenton sobre el tanque de acondicionamiento. En este estudio se realizaron tres adiciones de una mezcla de influente de EDAR simulado (COD de 200 mg/L) y agua fototratada (COD de 300 mg/L) cada 5-7 días.

2.6 Sistema combinado foto-Fenton solar / tratamiento biológico en la