5 Trade-offs limited by T depth
5.1 T layer parallelization
(454) Reactores biológicos con relleno son unidades que disponen de medio soporte, constituido por materiales, piezas o accesorios, generalmente inertes, en cuya superficie ocurren la fijación y el desarrollo de biopelícula y en cuyos intersticios proliferan microorganismos que pueden agruparse en las más
Concepto de filtros anaerobios
diferentes maneras. La Fig. 23 muestra la fotografía de un filtro anaeróbio.
Fig. 23: Fotografía de un filtro anaeróbio28
(455) Cuando el medio soporte no se mueve el reactor es denominado de lecho fijo, y cuando ese medio es constituido por material granular sometido a flujo ascendente, se emplea la denominación de reactor de lecho expandido o fluidificado dependiendo de las condiciones de equilibrio dinámico de las partículas que constituyen el lecho.
(456) En cualquiera de los tipos de reactor de film fijo mencionados es posible el desarrollo, de los procesos aeróbio, anaeróbio y anóxico, dependiendo apenas de las condiciones de control del sistema.
(457) Las denominaciones más comunes para los tipos usuales de reactores con relleno son: filtro biológico aeróbio, filtro anaeróbio, biodisco, reactor de lecho expandido y reactor de lecho fluidificado.
(458) El vocablo filtro, a pesar de muy usado en el medio técnico y científico, no representa la realidad pues tanto el filtro aeróbio como el anaeróbio, no efectúan la filtración según su significado específico.
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(459) En la realidad los filtros anaeróbios son reactores de lecho fijo, que además de poseer biopelícula adherida al material soporte, también poseen considerable cantidad de agregados y flocs con bacterias y hasta gránulos que permanecen en los intersticios a través de los cuales ocurre el escurrimiento del líquido.
(460) En ese tipo de reactor pueden ser empleados los más diferentes materiales para constitución del relleno, tales como piedras, piezas cerámicas, piezas en material sintético (anillos, etc.), piezas en madera, módulos tubulares, etc., y hasta, en casos especiales, se puede pensar en usar materiales flotantes. (461) Hasta el presente se ha empleado apenas filtros anaeróbios con lecho sumergido, sin embargo, el sentido de flujo puede ser ascendente o descendente. Así siendo, una denominación precisa para el filtro anaeróbio seria: reactor anaeróbio de lecho fijo con flujo descendente (o ascendente). (462) El filtro anaeróbio es un reactor en el cual la materia orgánica es estabilizada a través de la acción de microorganismos que quedan retenidos en los intersticios (parte más importante) o adheridos al material soporte que constituye el lecho a través del cual los deshechos líquidos escurren.
(463) Las mayores tasas de remoción de substrato ocurren en los niveles más bajos del lecho (cuando el flujo es ascendente), siendo que en esa región existen grandes concentraciones de substrato y de sólidos biológicos.
(464) Los sólidos biológicos que se forman en las capas más profundas del lecho son mantenidos en suspensión, en forma de flocs o gránulos, y pueden presentar elevada capacidad de degradación de los más diferentes substratos. Filtros biológicos en buenas condiciones de funcionamiento pueden presentar eficiencia elevada de remoción de DQO y no exigen unidad de decantación complementaria, pues en esos casos el contenido de sólidos en el efluente es bastante bajo y el residuo arrastrado por el agua presenta aspecto semejante al de pequeñas partículas de carbón suspendidas en líquido bastante clarificado, para la mayoría de los deshechos líquidos.
(465) El interés por el filtro anaeróbio se debe a datos de pesquisas realizadas a partir de 1963, en las cuales son mostrados resultados obtenidos en la operación de ese tipo de reactor alimentado con deshechos líquidos sintéticos, con remoción de DBO superior a 80% para tiempos de detención hidráulicos inferiores a 24 h.
(466) La mayor parte de los filtros anaeróbios de medio y
grande porte es constituida de unidades rectangulares o Configuración de filtros anaerobios y dispositivos de entrada y salida
cuadradas, sin embargo en muchos casos también se puede adoptar con facilidad unidades circulares.
(467) La altura total de las unidades puede variar en la faja de 3 a 13 m aunque esta última no sea aconsejable para relleno de piedras por motivos estructurales.
(468) Cuando se escoja relleno de piedras la altura del lecho puede ser adoptada en el intervalo de 0,8 a 2 m y su tamaño sea de 5 a 8 m. Tamaños menores deben ser descartados, pues pueden surgir serios problemas causados por la colmatación del lecho.
(469) Los reactores pueden ser ocupados totalmente por el relleno (en ese caso se debe tomar cuidado redoblado con la distribución de caudal) o pueden poseer una región inferior libre, en la cual se prevé la formación de flocs, gránulos o aglomerados que permanecen en suspensión.
(470) Además de eso, pueden ser efectuadas construcciones de unidades en serie, cuando la DQO del afluente es relativamente elevada. Cuando se usan unidades en serie su operación adquiere mayor flexibilidad pues el sentido del flujo puede ser invertido, de modo que ambas unidades funcionan alternadamente, con flujo ascendente o descendente. La Fig. 24 muestra el corte típico de un filtro anaeróbio.
Fig. 24: Corte de filtro anaeróbio mostrando la configuración de salida por medio de tubos perforados29
(471) La distribución de caudal en los filtros anaeróbios es una de las partes más delicadas de su proyecto. Es evidente que
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Fuente: Campos, J. R. Diseño y operación de filtros anaeróbios para el tratamiento de efluentes líquidos industriales. In Tratamiento Anaeróbio de aguas residuales en América latina, 1990.
Sistema de distribución de caudal
cuanto mejor la distribución de la caudal a través del lecho, menor será el volumen perdido debido a espacios muertos. (472) La alimentación de ese tipo de reactor puede ser efectuada por bombeo o por gravedad.
(473) Cuando se opta por el primer caso, el diseño hidráulico de las tuberías generalmente puede ser hecho con mayor facilidad, adoptando criterios usuales para diseño de sistemas de tipo manifold y laterales. En esa situación se recomienda que la suma de las áreas de las aberturas de cada tubería sea menor que la mitad del área de la sección de la tubería en cuestión. La adopción de ese criterio práctico atenúa los errores y discrepancias que ocurren entre los caudales que pasan por todos los orificios de un mismo conducto.
(474) Por otro lado, es muy difícil, o casi imposible atender simultáneamente los requisitos hidráulicos y los consecuentes de la propia naturaleza de las aguas residuales que siempre poseen impurezas que pueden provocar incrustaciones o deposiciones en el interior de los ductos, alterando completamente las hipótesis de los cálculos hidráulicos.
(475) Los orificios deben ser suficientemente grandes para reducir posibilidades de taponamiento y suficientemente pequeños para imponer pérdida de carga razonable para tener el buen funcionamiento del sistema de distribución. Se sugiere, como punto de partida para diseño, velocidades superiores a 1 m/s y diámetros de orificio menores a 2,0 cm.
(476) La construcción debe ser efectuada de modo que permita todas las facilidades para operaciones de limpieza de las tuberías. Se sugiere el uso de tuberías en PVC de pared espesa y no de pared delgada, conforme se usa para redes de ALC. (477) La distribución de caudales también puede ser efectuada por gravedad. En ese caso, al imponer velocidades elevadas, para reducir problemas de incrustaciones y taponamientos y también para posibilitar pérdidas de carga apropiadas en los orificios de distribución, se tiene el inconveniente de tener que construir cajas de distribución en cotas relativamente elevadas con relación al nivel de agua en el reactor. Aún en este caso se podría utilizar el mismo esquema propuesto para distribución por bombeo.
(478) Evidentemente, la distribución ideal se basaría en la construcción de una caja elevada con tantos vertedores de salida cuantas fuesen las tuberías para alimentar todos los puntos estratégicamente definidos en el fondo de la unidad. Esa solución es factible para unidades pequeñas pero se torna inadecuada para unidades de medio y gran porte.
(479) En la realidad se puede llegar a soluciones interesantes combinándose cajas provistas con algunos vertedores que distribuyan uniformemente el caudal afluente a diversos tubos que se constituyen en “manifolds" que, por su vez, alimentan tuberías secundarias provistas de orificios adecuadamente espaciados.
(480) Se resalta la afirmación de que cualquier solución adoptada debe disponer de recursos fáciles para limpieza y descarga de las tuberías de distribución, pues siempre están sujetos a eventualidades que pueden causar taponamientos parciales, a lo largo del tiempo, que distorsionen violentamente la distribución deseada en el proyecto.
(481) Una forma relativamente segura de efectuar la distribución del afluente puede ser conseguida, implantándose las tuberías de distribución apoyadas y fijas sobre el lecho. De esas tuberías pueden partir tuberías verticales de diámetros menores, cuya extremidad inferior se abre junto al fondo del reactor. Para mejorar aún más la facilidad de limpieza, en el local de acople de la tubería vertical con la horizontal (sobre el lecho) se puede colocar una cruceta con tapón removible, el que viabiliza la inspección y limpieza de esta tubería secundaria. (482) Así como se debe tener mucho cuidado al proyectarse el sistema de distribución. También el sistema de recolección de efluentes de los filtros anaeróbios demanda criterios para que no sean creadas condiciones para formar zonas muertas en la unidad, que pueden reducir la capacidad útil del reactor.
(483) El uso de tubos ahogados (en PVC, de pared gruesa, por ejemplo) es muy interesante, pues, este sistema permite que sean superados pequeños errores de nivelación de los colectores. El nivel del agua, en ese caso, es definido por una compuerta del tipo stop log, instalada en el canal principal al cual convergen los colectores secundarios provistos de orificios distribuidos homogéneamente en el área superficial del reactor. (484) Es interesante que en esos orificios ocurra cierta pérdida de carga localizada, para mejorar la homogenización de la recolección.
(485) Los efluentes de esa unidad también pueden ser recolectados empleando canaletas superficiales, construidas de materiales resistentes a la corrosión (o revestidos adecuadamente). En este caso se recomienda el uso de accesorios que permitan la nivelación de estas canaletas, pues es muy difícil la construcción de ese dispositivo perfectamente nivelado.
(486) En ciertos casos puede ocurrir flotación de materiales que son arrastrados en las canaletas o tubos de recolección. En esa situación pueden ser usados anteparos paralelamente a las
Sistema de recolección de efluentes
canaletas y tubos, de modo de impedir ese arrastre indeseable, a ejemplo de los usados junto a canaletas de decantadores. (487) Según los resultados disponibles y con base en el conocimiento actual sobre los filtros anaeróbios, se verifica que uno de los parámetros más importantes para proyecto de esos reactores es el tiempo de detención hidráulico.
(488) Para el diseño de los mismos, Lettinga (1994) propone una ecuación del tipo:
(
)
m TDH Sk 1 E= − − en que:E: eficiencia de remoción de DQO
Sk y m: coeficientes relacionados con la configuración y del tipo de relleno Sk = 0,87; m=0,5
TDH: tiempo de detención hidráulico (día)
En la ecuación anterior, el parámetro TDH puede ser substituido por el valor TDH = So/TCO, en que:
So: concentración del afluente (kg DQO/m3)
TCO: tasa de cargamento orgánico (kg DQO/m3.día)
(489) Se destaca el hecho de que esas relaciones deben ser utilizadas con cautela, pues entre otras limitaciones, se puede notar que no se incluye en la ecuación la influencia del tiempo de detención celular. Aún así, esa ecuación puede auxiliar mucho en estudios preliminares y en estudios comparativos. (490) Consideraciones generales sobre el proyecto
a) Cuando haya gran variación de caudal o de concentración del afluente, se sugiere el uso de tanque de homogenización. b) Además del sistema de distribución y de recolección de
efluentes deben ser previstas descargas de fondo para drenaje regular de lodo. Esas descargas deben ser bien distribuidas y la velocidad en las tuberías debe ser superior a 1 m/s.
c) Cuando se utilice relleno modular o sintético, se recomienda que nunca se emplee tiempo de detención inferior a las 12 horas y para relleno con piedras superior a 18 h. El tiempo de detención hidráulico correcto debe ser determinado a través de la operación de una instalación piloto. Un análisis de los datos disponibles en la literatura muestra que tiempos de detención hidráulicos superiores a 24 h, de manera general, permiten alcanzar mayores eficiencias.
d) A medida que el tiempo de detención se aproxima del límite inferior compatible con una determinada instalación, se observa que ocurre mayor inestabilidad del proceso, o sea, los valores de la eficiencia del reactor sufren dispersión cada vez más acentuada.
Orientaciones para diseño
e) Se debe tratar de mantener tiempo de detención celular superior a 100 días, pues así se tendrá mejores resultados de eficiencia.
f) Se debe prever la recirculación en filtros anaeróbios en los siguientes casos: a) hay variaciones sensibles en la calidad del efluente bruto; b) el efluente bruto presenta deficiencia acentuada de nutrientes y/o de alcalinidad; c) la concentración del efluente bruto es muy elevada (superior la 8.000 mg/l). Efluentes poco concentrados, en términos de DQO, pueden ser tratados en filtros anaerobios desde que se empleen tasas de cargamento relativamente pequeñas y adecuadas al reactor y al proceso.