7. ANÁLISIS DE SOLUCIONES
7.2 Reactor biológico de aireación prolongada
La aireación prolongada se enmarca dentro de los procesos de fangos activos convencionales en el que disminuye la cantidad de lodo residual, ya que aumenta el tiempo de residencia, así como la edad del fango. Como consecuencia al aumento del tiempo de residencia, el volumen del reactor, es mayor que el requerido en el caso del proceso de lodos activos. Los tipos más comunes para este tipo de proceso son: reactor tipo Orbal, carrusel, CCAS (sistema de aireación a contracorriente), Biolac. No obstante el más utilizado es el tipo carrusel con difusores de burbuja fina y turbinas conductoras de flujo. En la siguiente figura se puede ver un esquema de un reactor tipo carrusel, en el que se distinguen las zonas óxica y anóxica, y los puntos de aireación.
Figura M.4. Esquema reactor tipo carrusel.
En el tratamiento biológico de aguas residuales mediante el proceso de fangos activados el residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce como líquido mezcla. La degradación biológica de la materia orgánica presente en las aguas residuales tiene lugar en el reactor. Se produce de forma aerobia y gracias al empleo de aireadores mecánicos, turbinas o inyectores, o por difusión, que permiten la homogeneización del licor mezcla, evitando así la sedimentación de los flóculos. En el reactor se llevan a cabo las
Difusores Difusores Zona anóxica Zona anóxica A g ita dore s Entrada Recirculación de fangos Salida
operaciones de oxidación y síntesis y respiración endógena, que se muestran en las ecuaciones M.1 y M.2. Oxidación y síntesis: 𝐶𝑂𝐻𝑁𝑆 + 𝑂2+ 𝑛𝑢𝑡𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠→ 𝐶𝑂2+ 𝑁𝐻3 + 𝐶5𝐻7𝑁𝑂2+ 𝑜𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 (Ecuación M.1) Siendo:
COHNS: materia orgánica del agua residual
C5H7NO2: nuevas células bacterianas
Respiración endógena:
𝐶5𝐻7𝑁𝑂2+ 5 𝑂2→ 5 𝐶𝑂𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 2+ 2 𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻3+ 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 (Ecuación M.2)
Como se ve en el diagrama de la figura M.4, Tras permanecer un tiempo en el reactor, las aguas, el licor mezcla, pasan a un decantador o clarificador secundario, cuya función es separar el efluente depurado de los lodos. Parte de estos fangos recirculan de nuevo al reactor con el objetivo de mantener en él una concentración determinada de microorganismos y, el resto, denominados fangos en exceso, se someten periódicamente a un proceso de purgación.
Se distinguen por lo tanto cinco operaciones diferenciadas:
La oxidación, que se realiza en el reactor biológico por medio de los microorganismos.
La aireación, que suministra el oxígeno necesario para que se produzcan las reacciones de oxidación realizadas por los citados microorganismos.
La decantación, donde tiene lugar la separación sólido-líquido.
La recirculación de lodos, para mantener la concentración de microorganismos en el reactor.
La extracción de los lodos en exceso.
La oxidación tiene lugar en el reactor biológico, donde los microorganismos entran en contacto con el agua residual, y tienen lugar los procesos de nitrificación, desnitrificación, eliminación de DBO y eliminación de fósforo.
Nitrificación biológica.
Es el primer paso para la eliminación del nitrógeno por el proceso de nitrificación- desnitrificación. Las bacterias responsables de este proceso son los nitrosomas, encargadas de oxidar el amoníaco en nitrito, y las nitrobacter, que transforman el nitrito en nitrato. Para que esta operación se lleve a cabo es necesario un pH entre 7,5 y 8,6, y una concentración de oxigeno por encima de 1 mg/l para un óptimo crecimiento y actividad de los microorganismos.
La nitrificación en una fase se da cuando la nitrificación y el tratamiento de la materia orgánica carbonosa se realizan en un único reactor. La oxidación del amoniaco a nitrato se puede llevar a cabo con aire o con oxígeno puro, aunque no este último no es habitual.
Desnitrificación biológica.
Segunda etapa del proceso de nitrificación-desnitrificación. La eliminación del nitrógeno en forma de nitrato por conversión en nitrógeno gas se puede conseguir biológicamente bajo condiciones anóxicas (sin oxígeno). El proceso transforma el nitrógeno, en forma de nitratos, por la acción de diversos géneros de bacterias; Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibavterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomones y Spirillum. Son heterótrofas capaces de la reducción disimilatoria del nitrato, proceso de dos etapas.
El primer paso consiste en la conversión de nitrato en nitrito, y a continuación se produce óxido nítrico, óxido nitroso y nitrógeno gas.
𝑁𝑂3− → 𝑁𝑂2− → 𝑁𝑂 (𝑔) → 𝑁2𝑂 (𝑔) → 𝑁2(𝑔) (Ecuación M.3)
Los tres últimos compuestos gaseosos son liberados a la atmósfera. En los sistemas de desnitrificación el parámetro crítico es la concentración de oxígeno disuelto. El pH óptimo se encuentra entre 7 y 8.
Eliminación de fósforo.
Los microbios utilizan el fósforo para la síntesis celular y en el transporte de energía. Entre el 10% y el 30% del fósforo presente se elimina durante el tratamiento biológico secundario. No obstante es necesario eliminar más cantidad de fósforo, los microorganismos pueden consumir más fósforo en condiciones anóxicas.
Los organismos utilizan el fósforo para el mantenimiento celular, síntesis celular y transporte de energía, además lo almacenan para su uso posterior.
El fango que contiene exceso de fósforo se purga. La liberación de fósforo se produce bajo condiciones anóxicas.
Por lo tanto el licor mezcla que entra en el reactor atraviesa distintas zonas anóxicas y aeróbias (como vemos en la figura M.3) para la adecuada eliminación tanto de la materia orgánica como de los nutrientes presentes en el agua.
A continuación, podemos ver las distintas ventajas y desventajas que ofrece este tratamiento.
Ventajas:
Buenos rendimientos de eliminación de sólidos en suspensión y materia orgánica
Se emplea en comunidades de tamaño pequeño-medio
Buenas características para la decantación posterior
Genera lodos estabilizados Desventajas:
Tiempos elevados de aireación
Costes elevados de equipo de aireación dado que es necesario agitar y airear al mismo tiempo.
Elevado consumo energético.
Costes de mantenimiento elevados.
En las instalaciones que emplean aireadores de superficie se forman aerosoles que pueden vehicular agentes patógenos.
En las instalaciones que emplean difusores y compresores de aire se produce contaminación acústica.