Proceso Ascensional de Manto de Lodos Anaerobio

El reactor o proceso de flujo ascensional y manto de lodos anaerobio conocido en inglés como UASB y en español como RAFA o PALMA, es un proceso en el cual el agua residual se introduce por el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos conformado por granos biológicos o partículas de microorganismos. El proceso fue desarrollado por Lettinga y otro en 1980, y aplicado en Holanda para el tratamiento de residuos de concentraciones media y alta de origen, tales como las aguas residuales del azúcar de remolacha.

El tratamiento se efectúa por contacto del agua residual con el lodo granulado o flocúlenlo, en el cual se deben desarrollar bacterias con buenas características de sedimentación, bien mezcladas por el gas en circulación. La concentración de SSV en el manto de lodos puede alcanzar los 100 g/L. los gases de la digestión anaerobia se adhieren a los granos o partículas biológicas o causan circulación interna para proveer la formación de más granos. El gas libre y las partículas con gas adherido se elevan hacia la parte superior del reactor. Las partículas que se elevan chocan con el fondo de las pantallas desgasificadoras caen de nuevo sobre la superficie del manto de lodo y el gas libre se captura en los domos localizados en la parte superior del reactor. La porción liquida fluye al sedimentador donde se separan los sólidos residuales del líquido. Esta recirculación interior de solidos removidos permite edades de lodos prolongados y hace innecesaria la recirculación externa de lodos (figuras 1.15 a 1.18).

El mecanismo de formación de lodo granulado aún no está claramente definido; sin embargo, se considera que aguas residuales diluidas con concentraciones de SST menores de 1000 mg/L a 2000 mg/L dan origen a un manto de lodos mejor. Los estudios de Lettinga y Hulshoff demuestran que la eficiencia del sistema UASB no se ve afectada por la formación de un lecho de lodos granular o flocúlenlo ⁽⁶⁾. Como la temperatura optima del proceso es de 20 °C a 30 °C, el sistema no fue usado en

Europa para tratamiento de aguas domesticas; sin embargo, en 1981 Haskoning, la Universidad del Valle e Incol inicio estudios con una planta piloto de 64 m³ para el tratamiento de aguas residuales domésticas y, con base en estos estudios, las empresas municipales de Cali y la CDMB, con asistencia en holandesa, iniciaron la construcción de plantas de tratamiento de aguas residuales domesticas del tipo PALMA.

Los resultados principales del estudio realizados en Cali son ⁽¹³⁾:

 La planta no requiere siembra para su arranque

 Para arranque de la planta, un tiempo de retención hidráulica inicial de 24 horas, con aguas residuales domésticas y temperatura de 24°C, puede ser apropiado.

 En la condiciones de Cali, se obtienen resultados satisfactorios de operación con tiempos de retención de cuatro a seis horas.

 Debe existir, por lo menos, una entrada de afluente por cada 4m²

 La remoción de DBO, con base en DBO total del afluente y DBO filtrada del efluente, oscilo entre 75 % y 93 %.

 La sedimetabilidad del lodo es buena y el secado sobre lechos de arena permite obtener lodos con 40 % de sólidos en siete días.

 La remoción de patógenos es de un 50 %.

Figuras 1.15 a 1.18.

84 Figura 1.15. Ejemplo y detalles de reactores UASB

Fuente: KOOIJMANS, J.L.; LETTINGA, G., y RODRIGUEZ, G. Institution of Water Engineers and Scientists

Figura 1.16. Reactor UASB

Fuente: KOOIJMANS, J.L.; LETTINGA, G., y RODRIGUEZ, G. Institution of Water Engineers and Scientists

Figura 1.17. Proceso de flujo ascensional con manto de lodos anaerobios y sedimentador independiente.

Fuente: KOOIJMANS, J.L.; LETTINGA, G., y RODRIGUEZ, G. Institution of Water Engineers and Scientists

Figura 1.18. Proceso UASB con laguna facultativa.

Fuente: KOOIJMANS, J.L.; LETTINGA, G., y RODRIGUEZ, G. Institution of Water Engineers and Scientists

86 La literatura sobre el proceso incluye información muy variada sobre los diferentes factores de incidencia en su rendimiento y en su diseño, lo cual hace pensar que aún falta mayor evaluación de los prototipos para establecer criterios de diseño, especialmente cuando el proceso se use para aguas residuales de baja concentración a temperaturas bajas. Entre las ventajas señaladas del proceso se incluyen construcción sencilla, requerimientos de área bajos, operación simple, no necesita energía, el gas puede utilizarse, produce poco lodo y la eficiencia en remoción de DBO y SS es aceptable, con tiempos de retención mayores de seis horas. Además supera a los demás sistemas convencionales anaerobios porque permite usar cargas orgánicas volumétricas mayores, es el único proceso anaerobio que remueve nitrógeno, no necesita mezcla artificial ni tanques independientes de sedimentación.

El éxito del proceso UASB radica en la generación de un lodo o bioconglomerado que permita su retención en el reactor. Las bacterias tienen la capacidad de formar gránulos en ambientes naturales o artificiales. En sistemas de tratamiento biológico, la inmovilización de biomasa en el reactor permite obtener edades de lodos mucho mayores que el tiempo de retención hidráulica. Esto se logra en el proceso UASB gracias a la agregación bacterial en gránulos. Se cree que la formación y retención de gránulos se debe a la selección ambiental natural de que el material no granular se extrae del reactor.

La formación de estos agregados permite, en el UASB, obtener concentraciones de biomasa altas de 25 g a 50 g SSV/L. generalmente se identifican tres tipos de bioconglomerados:

 Flocs: conglomerados con estructura suelta

 Píldoras: conglomerados con estructura definida

 Gránulos: píldoras con apariencia granular

La estructura de los gránulos depende de la naturaleza del sustrato; entre los microorganismos importantes para formar un buen granulo se considera importante la bacteria acetoclastica methanotbrix. El UASB es un reactor económico cuando se forma un lodo de buen asentamiento, lo cual es factible con aguas residuales ricas en carbohidratos como las de las industrias de almidón, azúcar, papa, cervecerías y papel.

En forma similar a la flotación de lodos activados, el fenómeno de flotación de lodo granular, causado por las fuerzas de empuje del biogás entrapado en los vacíos de los gránulos, causa perdida de biomasa activa del reactor y de eficiencia del proceso.

En el tratamiento de aguas residuales de baja concentración (DQO ˂ 2.000 mg/L), se debe a buscar el diseño del reactor un tiempo de retención de biomasa alta y un contacto eficiente de la biomasa con el agua residual, los cuales dependen de la velocidad ascensional de flujo. Una velocidad alta promueve mayor turbulencia y mejor contacto de la biomasa con el agua residual, pero puede poner en peligro la retención del lodo y producir lavado del reactor.

Diseños recientes incluyen el uso de medios plásticos en la parte superior del reactor para entrapar sólidos y promover el crecimiento de biopeliculas adheridas, dando como resultado un reactor hibrido de película fija y manto de lodos. El proceso ascensional de manto de lodos anaerobios es considerado sensible a la composición del agua residual, de arranque difícil, de atención cuidadosa para desarrollar el manto de lodos, inapropiado para residuos con contenido alto de NH₄⁺ o con bajo contenido de cationes divalentes ⁽¹⁶⁹⁾. Para aguas residuales domesticas crudas, es decir, aguas residuales de baja concentración de DQO, el factor de control de diseño es el tiempo de retención hidráulica, en vez de l carga orgánica volumétrica. En este caso el tiempo de retención hidráulica (θ) depende principalmente de la temperatura. Los siguientes son los valores recomendados

(182)

:

 Para temperaturas de 16 °C a 19°C; θ = 10 horas – 14 horas

 Para temperaturas de 22 °C a 26 °C; θ = 7 horas – 9 horas

 Para temperaturas mayores de 26°C; θ > 6 horas

Preferiblemente, para el tratamiento de aguas residuales mediante el proceso PALMA, la temperatura debe ser mayor de 22°C ⁽¹⁴⁾.

Tabla 1.20

Características de diseño del proceso PALMA (UASB)

Parámetro Valor

DQO del afluente, mg/L

Relación de SSV/DQO, para aguas residuales fuertes

SS del afluente, mg/L pH del afluente

Relación SS/DQO, del afluente Relación DQO/SO₄, del afluente

5.000 – 15.000 500 – 20.000

˂1

˂1.000 6.5 – 7.5

˂0,5

>7

≤350/5/1

88 Relación DBO/N/P, del afluente

Temperatura del afluente, °C Entrada del afluente, °C Tiempo de retención, h

Carga orgánica, kg DQO/m³d

Carga de NH₄⁺ - N, kg/m³d Profundidad del digestor, m Profundidad del sedimentador, m Profundidad del reactor, m Volumen del reactor, m³

Velocidad ascensional de flujo, m/h Carga extractor de gas, m³ gas/m²d Eficiencia de remoción de DQO, % Aguas residuales domesticas

Aguas residuales fuertes

Producción de gas L de CH₄/g DQOR @ PTN Aguas residuales domesticas

Aguas residuales fuertes Remoción de patógenos Remoción de N y P

Carga superficial del sedimentador, m/d Pendiente paredes del sedimentador, m/d Disposición de lodos

Disposición de biogás

>15

>1 4 – 12

≤24 0,5 – 40 4 – 12 8 – 40

˂20 2,4 – 3,4

≤4,5

≤1,5

≤6,0

˂1500 1 – 2

˂120 75 – 85 60 – 70 80 – 90

0,15 0,30 Baja Nula

≤36 50

Sobre el suelo, relativamente estables

Sobre la atmosfera o quemado

Modificado de: LETTINGA, G. y HULSHOFF POL, L.W. UASB- “Process design for various types of wastewater”

CAPITULO II

DISEÑO EXPERIMENTAL

2.1. MATERIALES, EQUIPOS, REACTIVOS E INSTRUMENTOS 2.1.1. EQUIPOS UTILIZADOS

La investigación se realizó utilizando los siguientes equipos de laboratorio.

- Reactor UASB: Volumen de 6L con un diámetro de 0,12 m, una altura total de 0,60538 m, el área de abertura del separador gas-liquido-solido (GLS) es de 0,03 m², el área de la sección transversal de la campana del separador (GLS) es 0,90 m² y su altura es de 0,075385 m con un ángulo de 60°. El ancho de los deflectores es de 0,0207 m y su longitud es 0,0414 m con un ángulo de 45°. El reactor fue constituido en acrílico de 3 mm de espesor.

-Tanque de almacenamiento con motor de agitación: Balde de 18 L, acoplado al sistema de alimentación del reactor con agitación constante.

-Espectrofotómetro: Lovibond, Optica: Diodo Luminoso y foto sensor con amplificador se encuentra en un compartimiento de medición debidamente protegijo. Campo de medicon de longitud de onda.

Λ1=530 nm IF ∆ λ=5 nm Λ2=560 nm IF ∆ λ=5 nm Λ3=610 nm IF ∆ λ=6 nm Λ4=430 nm IF ∆ λ=5 nm Λ5=580 nm IF ∆ λ=5 nm Λ6=660 nm IF ∆ λ=5 nm IF= interferenzfilter

Exactitud fotométrica: 0.100 Abs. ± 0.008 Abs., 1.000 Abs. ±0.020 Abs.

-Termoreactor: Parte del espectrofotómetro.

Rango de temperatura: 20 °C – 200 °C

90 -Balanza Analítica Digital: Para el trabajo experimental se utilizó la

balanza que se encuentra ubicada en el laboratorio de química orgánica, cuyas características son:

Marca : Himadzu Serie : Nº 1113311540

Capacidad : máx. 220 g, min. 10 g, resol.

0,1 mg

Se adiciono un pHmetro al reactor UASB.

Con las características:

 Hanna Instruments HI 8424, Portable microprocessor-based pH / mV / temperature meter.

 pH Electrodo: HI 1131B: Cuerpo de plástico, doble unión, gel, sonda de pH, para uso general.

 Temperatura electrodo: HI 7662:

ESPECIFICACIONES

Rango -2.00 pH a 16.00 pH

±699,9 mV / ±1999 mV

-20 °C a 120.0 °C / -4.0 °F a 248.0 °F Resolución 0.01 pH / 0.1mV / 1mV /0.1 °C / 0.1 °F

Precisión (@20 °C / 68 °F)

±0.01pH / ±0.2mV / ±1mV / ±0.4°C / ±0.8°F pH calibración Automático, 1 o 2 puntos

Con 3 valores de buffer (pH 4.01, 7.01 y 10.01) Offset: ±1 pH; pendiente: de 75 % a 100 %

Tipo de batería 1x9 V

Vida de la batería Aproximadamente 150 horas a un uso continuo Auto apagado Después de 20 minutos de no uso o inhabilitado

2.1.2. INSTRUMENTOS UTILIZADOS