Los esquemas anaerobios para el tratamiento de aguas residuales se clasifican según el medio que los organismos usan para su crecimiento: los de soporte de lecho fijo y los de crecimiento libre o suspendido. En los esquemas de crecimiento libre los organismos forman estructuras (gránulos o flóculos) que les permiten permanecer en el reactor y no ser lavados con el efluente. La eficiencia del proceso depende en buena parte de la capacidad del inóculo (lodos/residuos) para formarlas.
Entre los esquemas de lecho fijo se encuentran los filtros anaerobios (AF) y los reactores de flujo ascendente con manto de lodos (UASB).
Entre los esquemas de crecimiento libre están los reactores mono etapa, los de procesos de contacto (ACP), los reactores de lecho fluidizado (FEB) y los reactores biológicos anaerobios de membrana (AnMBR).
1.5.2.1 Reactores Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB)
Los reactores UASB se basan en los principios de un reactor USSB (Up-flow staged bed), aunque actualmente se está extrapolando la definición de UASB a reactores de fango granular fluidizado basados en la teoría de los reactores AUFB (upflow fluidized bed).
El funcionamiento clásico de este sistema de tratamiento se basa en la formación de un lecho expandido, a través del cual se hace circular en dirección ascendente el agua residual a tratar (Figura 8). Este lecho contiene la biomasa de forma granular que actúa como etapa de filtración y retención de sólidos y de etapa de degradación de la materia orgánica.
Esto es posible por el flujo ascendente y de baja velocidad con el que se introduce el agua residual a través del lecho. A medida que el proceso de
tratamiento avanza, el lecho va reteniendo los sólidos presentes en el agua residual influente. Cuando la biomasa muere o existe un exceso de sólidos en el lecho, se procede a la retirada de la cantidad excedente de fangos en el lecho.
Este es el sistema de tratamiento de lecho expandido o de fango granular que mayor aceptación y desarrollo ha obtenido, en los últimos años, en el campo del tratamiento de las aguas residuales por tratamiento anaerobio. Fue desarrollado en la década de los 70 por el profesor Lettinga y su grupo de la universidad de Wageningen en los países bajos (Van Haandel y Lettinga, 1994; Fdz-Polanco et al., 2009).
En muchos países tropicales donde la prioridad de descarga es la materia orgánica, la tecnología UASB ha sido muy aceptada debido a que ofrece una manera eficaz de reducir los contaminantes orgánicos. Además, el biogás generado puede ser utilizado como fuente de energía.
Teniendo en cuenta que los organismos se adaptan fácilmente a diversas condiciones ambientales es posible aplicar este tratamiento en países con temperaturas bajas obteniéndose buenos resultados (Lettinga et al., 1983; Sanz y Fdz-Polanco, 1990; Van Last y Lettinga, 1992; Kato et al., 1994).
Una correcta operación del reactor UASB permitiría prescindir del decantador primario, del digestor anaerobio de fangos, del reactor aerobio de fangos y del decantador secundario de una planta convencional de fangos activados para el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, el efluente de los reactores UASB normalmente necesita un tratamiento posterior para lograr degradar la materia orgánica, los nutrientes y los patógenos presentes en el efluente. Este tratamiento o postratamiento puede ser un sistema convencional aerobio como lagunas de estabilización, fangos activos, microalgas u otros.
Otro de los esquemas de tratamiento anaerobio propuesto recientemente que utiliza un proceso anaerobio mediante un reactor UASB es el proceso SANI (Sulfate reduction, Autotrophic denitrification, Nitrification Integrated). El proceso consiste en tres etapas: un reactor anaerobio UASB, un filtro anóxico y un filtro aerobio (Figura 9).
En la etapa anaerobia, el sulfato es reducido a sulfuro; en la etapa aerobia, el nitrógeno amoniacal es oxidado a nitrato; y en la etapa anóxica, el sulfuro se utiliza como donador de electrones para la desnitrificación. Esta tecnología permite la eliminación conjunta de sulfuro y nitrógeno (Wang et
al., 2009).
1.5.2.2 Reactores Biológicos Anaerobios de Membranas (AnMBR)
Los reactores anaerobios de membrana (AnMBR) combinan el proceso anaerobio de degradación de materia orgánica con un sistema físico de separación por membranas. La disposición de la membrana puede variar según la configuración del proceso y pueden clasificarse en membranas externas y membranas sumergidas.
Este tipo de sistemas permiten obtener tiempos de retención celular (TRC) elevados sin necesidad de incrementar el volumen del reactor y permiten el total desarrollo de la biomasa anaerobia. Con este esquema se evita la problemática existente que presenta la sedimentabilidad de los fangos anaerobios.
El uso de membranas permite que prácticamente todos los microorganismos queden confinados dentro del sistema, facilitando el control de su tiempo de permanencia en el reactor y con el beneficio añadido de proporcionar un efluente libre de material particulado y, en algunos casos (dependiendo del tamaño de poro), de virus y patógenos.
Este hecho aumenta las posibilidades de aplicación de esta tecnología para una gran diversidad de aguas residuales, incluso con contaminantes persistentes o difíciles de degradar. Esta tecnología presenta ventajas frente a los procesos convencionales para el tratamiento de agua residual urbana. Dentro de las principales ventajas se destacan las siguientes:
Producción de fangos baja (5-10% menos que los procesos aerobios).
Demanda energética baja.
Recuperación energética mediante la utilización del biogás.
Valorización energética de la materia orgánica.
Obtención de un efluente libre de material particulado, virus y patógenos.
Reducción del tamaño de las instalaciones actuales.
Permite una mayor diversidad microbiológica, gracias a la retención de aquellas especies que presentan un crecimiento más lento o que no forman flóculos.
Los reactores anaerobios de membranas sumergidas (SAnMBR de sus siglas en inglés Submerged Anaerobic Membrane BioReactor) están compuestos por un reactor anaerobio de tanque agitado y un sistema externo de filtración mediante membranas de fibra hueca (Figura 10).
Figura 10. Esquema general de un reactor SAnMBR.
El agua residual pasa al reactor anaerobio donde se transforma la materia orgánica en biogás. El contenido del reactor pasa por la membrana donde se obtienen dos corrientes: una corriente concentrada de fango (rechazo), la
cual regresa al reactor; y una corriente libre de sólidos (permeado o efluente). Comparado con los reactores UASB, estos sistemas permiten que los organismos presentes queden retenidos en el sistema permitiendo un control perfecto de su permanencia en el reactor y un efluente con una alta calidad.