(342) Los reactores de lecho fluidificado se constituyen en una de las más recientes y promisorias alternativas para el tratamiento de aguas residuales. Emplean un lecho de material granular como arena, carbón y carbón activado,
cuyos granos, envueltos por una película biológica o "biopelícula", son fluidificados por el líquido que fluye en sentido ascensional a través de ese lecho. Estos sistemas están en uso o bajo investigación para muchos tipos de tratamientos biológicos que incluyen la remoción aeróbica y anaeróbica de materia orgánica, nitrificación y desnitrificación. Una de las principales ventajas con relación a otros sistemas de cultivo fijo es proveniente del hecho de que no se colmatan, y los gases y líquidos pasan a través del lecho con gran facilidad. Consecuentemente, pueden ser utilizadas partículas soporte mucho menores que en otros tipos de reactor de biopelícula fija, suministrando mayor área de biopelícula por unidad de volumen de reactor, resultando así en tasas de cargamento orgánico más elevadas. La Fig. 16 muestra la fotografía de un reactor anaeróbio de lecho fluidificado en escala piloto.
Fig. 16: Fotografía de un reactor de lecho fluidificado a escala piloto17
17
Fuente: Propiedad del autor
Í Los reactores de lecho fluidificado son una de las más recientes y promisorias alternativas para el tratamiento de aguas residuales.
(343) Como ocurre en todos los procesos de tratamiento que utilizan biomasa fija, los reactores de lecho fluidificado presentan como aspecto positivo la posibilidad de disponer de gran cantidad de biomasa activa, adherida a las partículas inertes que sirven de soporte.
(344) En los reactores de lecho fluidificado, el medio soporte está suspendido en el fluido ascendente y consiste generalmente de partículas aproximadamente esféricas, de pequeño tamaño, que favorecen la fluidificación y permiten una gran superficie específica para la fijación de los microorganismos.
(345) Los reactores de lecho fluidificado presentan una serie de aspectos positivos que abren amplias perspectivas para su uso futuro en gran escala, después de mayor evolución del conocimiento acerca de criterios de proyecto y operacionales. (346) Entre los puntos positivos serán destacados aquellos considerados por Atkinson y colaboradores (citados por Cuba 1990), o sea:
a) Aparentemente no hay limitación física en relación al rendimiento del proceso biológico. Los problemas relacionados con la pérdida de biomasa por arrastre, por ejemplo, parecen ser minimizados;
b) El sistema permite la retención de elevada concentración de biomasa sin la utilización de unidades especiales para sedimentación;
c) La eficiencia global del proceso puede ser controlada a través de análisis físico-químicos y conocimiento de las características de difusión de la biopelícula.
(347) Este tipo de reactor es empleado hace mucho tiempo en procesos biológicos industriales y en ciertos tipos de cámaras de combustión, aunque el tratamiento de aguas residuales aún constituye alternativa reciente y promisoria que probablemente, tenga recibido estímulo a partir del trabajo de JERIS (citado por Cuba 1990). La Fig. 17 muestra la elevación de un reactor anaeróbio de lecho fluidificado en escala real.
Fig. 17: Elevación de un reactor anaeróbio de lecho fluidificado18
(348) Muchas operaciones incluyen la interacción entre sólidos y fluidos, y la eficacia del contacto entre las fases es comúnmente preponderante en el resultado final del proceso. Entre estas operaciones se destaca la fluidificación como una de las mejores y más modernas técnicas a disposición de los diseñadores, en áreas que abarcan desde el tratamiento de residuos líquidos hasta la ingeniería química.
(349) El contacto entre sólidos y fluidos puede ser realizado por tres tipos de operaciones o técnicas denominadas:
a) lecho fijo; b) lecho móvil; y c) lecho fluidificado.
(350) El lecho fluidificado es una propuesta moderna que representa una de las mayores conquistas de la ingeniería química en el campo de las operaciones unitarias. La técnica de lecho fluidificado incluye la suspensión del sólido finamente dividido en una corriente ascendente de fluido a una velocidad suficientemente elevada para causar la flotación y movimiento vigoroso de las partículas. El sistema fluidificado es una suspensión que posee la mayoría de las características normalmente presentadas por los fluidos verdaderos, pudiendo pasar a través de tuberías y válvulas, y hasta de un recipiente
18
Fuente: Cuba, T. F. J. Tesis de Doctorado. Universidade de Sao Paulo, 1995.
para otro por diferencia de presión hidrostática. Las características de transferencia de calor y de masa son mucho mejores en este tipo de operación, lo que permite muchas veces eliminar la multiplicidad de etapas para conseguir un resultado dado, reduciendo así el costo de la inversión.
(351) Además de la actividad biológica, los aspectos relacionados con la fluidificación también tienen importancia muy grande en lo que concierne al tipo de reactor, pues el consumo de energía para su operación está directamente relacionado con su altura, tipo de material soporte, y la velocidad de flujo para provocar la fluidificación.
(352) La fluidificación de medios granulares es realizada en reactores de lecho fluidificado utilizando agua en sentido ascensional para promover la fluidificación y promover suspensión adecuada del medio granular. En función de la velocidad del líquido que fluye en sentido ascensional, los granos del medio granular pueden permanecer en una de la tres condiciones mostradas en la Fig. 18. En el caso a, la velocidad ascensional es baja y la porosidad permanece inalterada. En el caso b, con el aumento de la velocidad, los granos tienden a orientarse, aunque la fuerza resultante del flujo de líquido es aún inferior al peso de los granos y no ocurre fluidificación. En el caso
c, aumentando más la velocidad ascensional, las fuerzas debidas al rozamiento entre el agua y los granos superan al peso de estos, que quedan suspendidos en el medio granular fluidificado. (353) La pérdida de carga a través de un lecho fijo es función lineal de la velocidad ascensional, cuando el flujo es laminar. Para partículas mayores esa linealidad puede no ocurrir, tornándose en una función exponencial para tasas más elevadas, cuando se entra en el régimen de transición, Re>6.
Fig. 18: Variación de la posición de los granos en función de la velocidad ascensional del líquido19
19
Fuente: Di Bernardo, L. Métodos e Técnicas de Tratamento de Agua, 1993.
Pérdida de Carga en Medios Granulares
Fluidización de Medios Granulares
(354) Cuando la velocidad ascensional del líquido aumenta, la fuerza resultante de las tensiones de esfuerzo cortante aumenta, hasta que se torna igual a la fuerza gravitacional, a partir de entonces las partículas tenderán a mantenerse suspendidas en el medio fluido. Cualquier elevación de la velocidad ascensional provocará aumento de la expansión del lecho, manteniendo efectivamente la pérdida de carga, que es igual al peso flotante del medio, equivalente al peso menos el empuje. La pérdida de presión en lechos fluidificados puede entonces ser calculada por la siguiente ecuación (Mc Harnes, citado por Cuba, 1990):
(
ρ −ρ) (
−ε)
= ρ ∆ = ∆p h. L.g .l s L.g.1 donde:∆p: pérdida de presión axial, FL-2;
∆h: pérdida de carga, L;
ρL: masa específica del líquido, ML-3;
g: aceleración de la gravedad, LT-2;
l: espesor del lecho de arena, L;
ρs: masa específica de la partícula, ML-3; y
ε: relación entre el volumen de la fase líquida y el volumen total del lecho fluidificado, adimensional.
(355) Conforme se presenta en la Fig. 19, existe una velocidad mínima de fluidificación, Vmf asociada al punto B de la Fig. en la cual la fluidificación es incipiente. Se puede notar la variación teórica de la pérdida de carga en función de la velocidad ascensional, en la cual la pendiente de la curva correspondiente a la fase inicial (en que no hay expansión) depende del grado de compactación del medio granular. Las líneas llenas representan casos reales, mientras que la segmentada, representa una situación ideal. En la región del punto B, hay curvas de los medios granulares reales que, debido a la compactación están situadas abajo de este punto, aunque puede ocurrir la situación en que tal punto de la curva se sitúe arriba, debido a la no uniformidad de los granos, esfericidad o formación de caminos preferenciales en el flujo ascensional. A partir del punto C, la pérdida de carga permanece prácticamente constante, independientemente del aumento de la velocidad ascensional, ya que el medio granular se encuentra completamente fluidificado .20
20
Fig. 19: Representación de la pérdida de carga en medio granular en función de la velocidad ascencional21
(356) La correlación empírica que usualmente describe la expansión de medios particulados fue desarrollada por Richardson y Zaki, para partículas esféricas, siendo aplicable a los varios tipos de flujo (laminar, transición y turbulento). Esos investigadores observaron que el logaritmo de la velocidad ascensional es una función lineal del logaritmo de ε en sistemas fluidificados de partículas uniformes, o sea (HAMADA, 1992):
n
Vi Vo ε=
donde:
Vo: velocidad ascensional del líquido, LT-1;
Vi: velocidad de sedimentación de la partícula en líquido estacionario, LT-1;
n: factor relacionado con el número de Reynolds y forma de la partícula, descrito de la siguiente forma:
500 o Re 200 o Re 45 , 4 n 200 o Re 1 o Re ) Dc dn 18 45 , 4 ( n 1 , 0 1 , 0 < < = < < − = − − donde:
dn: diámetro de la partícula constituyente del lecho, L; Dc: diámetro de la columna donde el ensayo es realizado; Reo: número de Reynolds basado en Vo y diámetro de la
partícula; u Vs dv o Re = ρ donde: 21
Fuente: Charley citado por BARROS (1989).
Expansión de Medios Granulares”
u: viscosidad cinemática del fluido, ML-3T-1
dv: diámetro de una esfera con el mismo volumen de la partícula, L
Vs: velocidad terminal de sedimentación de la partícula, LT-1
ρ: masa específica del fluido, ML-3
(357) La velocidad mínima de fluidificación, correspondiente a la fluidificación incipiente de medios granulares uniformes como aquellos preparados entre dos tamices consecutivos de la serie granulométrica, también puede ser expresada por la ecuación propuesta por Wen y Yu, citado por HAMADA (1992). Los investigadores desarrollaron una ecuación que permite una buena aproximación para la velocidad mínima de fluidificación para medios filtrantes, eliminando la necesidad de caracterización del lecho con relación a su porosidad y a la esfericidad de las partículas constituyentes del mismo. La evaluación de la velocidad mínima de fluidificación es efectuada considerando un flujo ascensional unidimensional y fluido incompresible. Siendo así, la siguiente ecuación puede ser utilizada: 7 , 33 ] Ga 0408 , 0 ) 7 , 33 [( Rmf = 2+ 0,5− donde:
Rmf: número de Reynolds relativo a la velocidad mínima de fluidificación, adimensional;
Ga: número de Galileo, adimensional.
(358) El número de Galileo puede ser obtenido por la ecuación: g u ) m ( dv Ga 2 3 ρ ρ −ρ = donde:
Ga: número de Galileo, adimensional;
dv: diámetro de una esfera que posee el mismo volumen de la partícula, L;
µ: viscosidad absoluta del fluido, ML-1T-1;
ρ: masa específica del fluido, ML-3;
ρm: masa específica del material constituyente del medio soporte, ML-3;
g: aceleración debida a la gravedad, LT-2
(359) Empleando la definición del número de Reynolds se puede obtener la velocidad mínima de fluidificación de la siguiente manera:
µ ρ = dv Vmf Rmf
donde:
Rmf: número de Reynolds relativo a la velocidad mínima de fluidificación, adimensional
dv: diámetro de una esfera que posee el mismo volumen de la partícula, L;
ρ: masa específica del fluido, ML-3;
µ: viscosidad cinemática del fluido, ML-3T-1; Vmf: velocidad mínima de fluidificación, LT-1.
(360) Cuando se tienen medios granulares no uniformes, Vaid y Gupta citados por DI BERNARDO (1993) observaron que la velocidad mínima de fluidificación depende del diámetro equivalente de los granos (Deq). Si todos los granos tuviesen el mismo tamaño de los menores, el medio granular fluidificaría con la velocidad mínima de esos granos. Aunque, en el caso de medios granulares no uniformes, la velocidad mínima fluidificación pasa a ser mayor que la correspondiente a la de los granos menores. El comportamiento de un medio granular no uniforme es caracterizado por la existencia de varias velocidades, para las cuales, parte del medio granular permanece fija y la restante fluidificada. Los autores definieron la velocidad Vbf como la velocidad mínima de fluidificación del medio granular no uniforme, que es mayor que Vmf de los granos menores y menor que Vmf de los granos mayores, y propusieron las siguientes ecuaciones para calcular de la velocidad mínima de fluidificación y de la velocidad de fluidificación total de medios granulares no uniformes:
(361) La velocidad mínima de fluidificación se determina:
(
(18,1) 0,0192Ga 18,1)
Deq a Vbf 2+ − ρ µ = donde:Vbf: velocidad mínima de fluidificación del medio granular no uniforme, LT-1;
u: viscosidad absoluta del agua MT-1L-1;
ρa: masa específica del agua, ML-3; Deq: diámetro equivalente, L;
Ga: número de Galileo, adim.
(362) La Velocidad de fluidificación total del medio granular se determina con: Velocidad mínima de fluidificación del medio granular Velocidad de fluidificación total del medio granular
(
(24) 0,0546Ga 24)
Deq a Vtf 2+ − ρ µ = donde:Vtf: velocidad de fluidificación total del medio granular.
(363) Estudios experimentales realizados por DHARMARAJAH y CLEASBY (citado por Di Bernardo 1993) con materiales granulares con diferentes valores del coeficiente de esfericidad y de la masa específica, obtuvieron la siguiente ecuación que relaciona el número de Reynolds con el de Galileo para diferentes grados de expansión:
+ − + = − − u ε) (1 6 Deq Ce Va ρa log 1,09348 0,56543 u ε) (1 6 Deq Ce g ρa) (ρρ ρa ε log 3 2 3 3 3 3
( )
3 4 2 u ε) (1 6 Deq Ce Va ρa log 0,00392 ] Ce [log 1,5 u ε) (1 6 Deq Ce Va ρa log 0,17979 − − − − donde:Ce: coeficiente de esfericidad, adim.; ε: porosidad, adim;
u: viscosidad absoluta, MT-1L-1
(364) La expansión promovida en un medio granular es dada por22: ) e 1 ( ) o 1 ( Lfo Lfe ε − ε − = donde:
Lfe: altura del medio granular expandido, L;
εo: porosidad inicial del medio granular estático, adim.; εe: porosidad del medio granular expandido, adim.
(365) Utilizando el método de DHARMARAJAH y CLEASBY (citados por Arboleda 2000) y la ecuación propuesta por DI BERNARDO (1993), se puede estimar el porcentaje de expansión de un medio granular de granulometría no uniforme, para evitar pérdida de material por velocidades ascensionales muy elevadas.
(366) Tratándose de reactores de lecho fluidificado, el desarrollo de la biopelícula que envuelve a las partículas del lecho altera los parámetros hidráulicos interfiriendo en la dimensión, densidad, constitución y forma de estas partículas.
22
(367) La biopartícula formada poseerá dimensiones mayores a las de la partícula original pero su densidad generalmente disminuirá (si la densidad de la partícula es mayor que 1,0) debido a la contribución de la densidad de la biopelícula, considerablemente menor a la del material soporte (MULCAHY y SHIEH, 1987). Así, se puede estimar la densidad de la partícula cubierta con biopelícula a través de la siguiente relación:
(
)
− − ρ + ρ = ρ Pu 1 ) dp / dm 1 ( b dp dm m p 3 3 donde:ρp: masa específica de la biopartícula, ML-3 ;
ρm: masa específica del material constituyente del medio soporte, ML-3;
dm: diámetro de la partícula constituyente del lecho, L; dp: diámetro de la biopartícula, L;
ρb: masa específica de la biopelícula seca, ML-3; y
Pu: grado de humedad de la biopelícula, adimensional.
(368) Después de haber determinado los parámetros requeridos en la Ecuación anterior, puede utilizarse la masa específica de la biopartícula obtenida, para ser aplicada en la ecuación de DHARMARAJAH y CLEASBY (citados por Arboleda 2000) y de esta forma obtener resultados específicos para estimar la fluidificación de un medio granular compuesto por partículas de arena cubiertas por película biológica.
(369) ANDREWS y colaboradores (citados por Cuba 1990) desarrollaron modelos con el objetivo de optimizar el diseño de reactores de lecho fluidificado, y presentaron diversos resultados numéricos. En la Tabla 2, son transcritas algunas consideraciones prácticas, propuestas por los autores, para orientar proyectos de este tipo de reactor.
(370) Los autores concluyen que es necesario tener un número de Reynolds (Re) superior a 1,0 y que, con relación a la mezcla de sólidos, es aconsejable el uso de partículas del mismo tamaño y con densidad poco superior a la del agua (1,05 a 1,00). En esa situación las partículas tienden a estratificar el lecho con las biopelículas más gruesas localizadas junto al fondo.
Tabla 2: Problemas consecuentes de la elección incorrecta de material soporte23
Tamaño
a) Velocidades de sedimentación grandes exigen lechos gruesos para permitir tiempo de contacto adecuado, resultando en el aumento de las fuerzas de esfuerzo cortante.
b) La reducción del valor de la relación área de biopelícula/volumen de reactor resulta en valores pequeños de carga orgánica volumétrica aplicada.
a) Resistencia en la transferencia de masa del líquido con Re < 1.
b) Manipulación difícil.
Densidad
a) Idem anterior.
b) Estratificación reversa. Como la velocidad de sedimentación decrece con la relación volumen de biopelícula/volumen de la partícula soporte, las biopelículas más gruesas se desplazan a la parte superior del lecho, donde existe menor carga orgánica volumétrica.
La estratificación basada en el tamaño de las partículas causa:
a) Idem anterior.
Coeficiente de Desuniformidad
a) Aumento significativo de la porosidad en la parte superior del lecho.
b) Corto-circuitos, si durante la operación hubiera extracción de partículas del lecho para remoción de la biopelícula.
a) Hay estímulo para existir mezcla de sólidos, que por su vez tiende a distribuir uniformemente la grosura de la biopelícula igualmente en todo el volumen del reactor.
(371) Los reactores de lecho fluidificado han sido utilizados en investigaciones sobre los procesos anaeróbico, anóxico y aeróbico y, de manera general, los resultados pueden ser considerados como bastante satisfactorios.
(372) En lo que concierne al proceso anaeróbico se hará una breve exposición sobre conclusiones de algunas investigaciones al respecto de la aplicabilidad del reactor de lecho fluidificado en el tratamiento aguas provenientes de alcantarillados sanitarios.
(373) Los reactores anaeróbicos de lecho fluidificado han demostrado su eficiencia en el tratamiento de substratos orgánicos aún con una DQO menor que 600 mg/L, operados a bajas temperaturas (de 10 a 20oC), con cargas orgánicas elevadas y TDH cortos.
(374) El tratamiento de aguas provenientes de alcantarillados sanitarios mediante reactores anaeróbicos de lecho fluidificado ya tiene algunos antecedentes de investigadores norte americanos. Así, JEWELL, SWITZEMBAUN y MORRIS (citados por Cuba 1990), emplearon un reactor biológico anaeróbico de lecho fluidificado en el tratamiento del substrato en cuestión. El reactor construido en escala de laboratorio, con volumen de 9 l, fue sometido a diversas condiciones de cargas de choque, temperatura, carga hidráulica y concentración de substrato.
23
Fuente: ANDREWS y TRAPASO (citados por Cuba 1990)
Resultados de Investigaciones
Fueron obtenidas concentraciones de DQO y de sólidos suspendidos en el efluente menores de 40 y 5 mg/l, respectivamente, para tiempo de detención hidráulica en torno de 30 minutos. La máxima eficiencia de remoción ocurrió a una
carga orgánica de 4 kg DQO/m3 día. Los valores de
concentración de biomasa alcanzaron valores en el intervalo de 20 a 30 kg de sólidos volátiles por m3. Después de la conclusión del estudio se pudo comprobar la aplicabilidad del sistema para residuos poco concentrados, a temperaturas bajas y espacio corto de tiempo.
(375) Entre los investigadores que estudiaron reactores de lecho fluidificado y expandido en varias aplicaciones, ciertamente se destaca JEWELL como uno de los que más han contribuido para la divulgación de la tecnología pertinente. En otra de sus publicaciones (JEWELL & SWITSEMBAUM, citados por Cuba 1990), estos investigadores describieron el tratamiento anaeróbico de desechos sanitarios y la respuesta a cargas de choque de un reactor de lecho fluidificado con volumen de 1 L. Diferentes valores de TDH fueron ensayados por los autores, variando desde 24 h a 5 min. La respuesta del reactor fue medida en términos de remoción de DQO, pudiendo notar una elevada eficiencia de remoción respecto a este parámetro. Después de 110 días de operación, el TDH fue reducido de 24 a 8 h y el reactor presentó 93 % de remoción de DQO. Posteriormente el TDH continuó siendo reducido con la finalidad de definir los parámetros que irían a ocasionar el colapso del sistema y, aún con TDH de 10 min, el sistema presentó remoción de DQO de 40 %, ya con TDH de 5 min la remoción de DQO fue mínima. Aunque este hecho