Els tractaments biològics d’aigües residuals (reactors aeròbics i anaeròbics) aprofiten la capacitat de determinats microorganismes (entre els quals destaquen les bacteris) d’assimilar la matèria orgànica i els nutrients dissolts en l’aigua residual a tractar per al seu propi creixement, duent a terme l’eliminació de components solubles en l’aigua. La matèria orgànica soluble és assimilada pels microorganismes com a font de carboni. Després d’aquesta operació es separa per decantació la biomassa generada del sobrenedant. Per al creixement dels microorganismes és necessari, a part de la matèria orgànica, la presència de nitrogen i fòsfor en l’efluent. Si la seva concentració no és suficient, s’hauran d’aportar al tractament.
L’aplicació tradicional consisteix en l’eliminació de matèria orgànica biodegradable, tant soluble com col·loïdal, així com l’eliminació de compostos que contenen nitrogen i fòsfor. És un dels tractaments més habituals, no només en el cas d’aigües residuals urbanes, sinó en bona part de les aigües industrials, per la seva senzillesa i el seu baix cost econòmic d’operació.
Els únics requisits per a l’aplicació satisfactòria d’aquestes tecnologies són que la contaminació sigui biodegradable i que no hi hagi presència de cap compost biocida en l’efluent a tractar.
Els microorganismes poden assimilar la matèria orgànica consumint oxigen, o bé en completa absència d’aquest, fet que ens porta a disposar de 2 sistemes de tractament biològic d’aigües residuals:
La selecció del tipus de procés biològic més convenient s’ha d’analitzar cas per cas en funció de les característiques de l’efluent a tractar.
SISTEMES MITJANÇANT REACTORS AERÒBICS
Els sistemes aeròbics de tractament d’aigües residuals, aprofiten la capacitat dels microorganismes d’assimilar matèria orgànica i nutrients (nitrogen i fòsfor) dissolts en l’aigua residual per al seu propi creixement, en presència d’oxigen, que actuarà com aceptor d’electrons en el procés d’oxidació de la matèria orgànica.
Aquesta particularitat comporta uns rendiments energètics elevats i una important generació de fangs, conseqüència de l’alt creixement de les bacteris en condicions aeròbiques.
ETAPES DELS TRACTAMENTS AMB REACTORS AERÒBICS
Un sistema de tractament aeròbic es compon de les següents etapes:
1. Pretractament: En aquesta etapa es procedeix a l’eliminació dels sòlids de gran mida que arriben a la planta de tractament d’aigua. Aquests materials, si no són eliminats eficaçment, poden produir greus avaries en els equips. Les pedres, sorra, llaunes, etc. produeixen desgast de les canonades i de les conduccions així com de les bombes. Els olis i greixos que puguin arribar també són eliminats en aquesta etapa amb la finalitat d’evitar que el tractament biològic es ralenteixi, el seu rendiment disminueixi així com la qualitat de l’efluent. S’empren per a això tant operacions físiques com mecàniques. Les principals operacions que es poden emprar en funció de la procedència de l’aigua residual a tractar, de la seva qualitat o dels tractaments posteriors són:
- Separació de grans sòlids: sempre que les aigües a tractar puguin contenir sòlids de gran mida s’utilitza aquest sistema que consisteix en un pou situat a l’entrada del col·lector que permet concentrar els sòlids i les sorres decantades en una zona específica on es puguin extreure d’una forma eficaç.
- Desbast: Aquesta operació evita obstruccions de parts posteriors de la instal·lació per l’arribada massiva de grans sòlids. Consisteix en l’ús de reixes amb diferents separacions entre barrots que permeten separar els sòlids segons la seva mida.
- Tamisat: Aquesta operació està indicada quan les aigües residuals contenen grans quantitats de sòlids flotants o residus. S’utilitzen tamisos de diferent gruix.
- Desarenat: permet eliminar partícules sòlides superiors a 200 micres que puguin ocasionar problemes de taponament de conduccions o bombes o abrasions en els diferents equips.
- Desasseitat-desengreixat: Permet eliminar greixos, olis, escumes i altres materials flotants més lleugers que l’aigua, que puguin distorsionar els processos de tractament posteriors. S’efectuen normalment per insuflació d’aire amb la finalitat de desemulsionar i augmentar la flotació dels greixos.
2. Tractament Primari: En aquesta etapa del tractament s’eliminen els sòlids en suspensió de les aigües a tractar emprant per a això, diferents processos fisicoquímics. Aquests sòlids poden ser: sedimentables, flotants o col·loïdals.
- Sedimentació: Separació per gravetat que permet que les partícules més denses que l’aigua es dipositin al fons del sedimentador. Serà més eficaç com més gran sigui la mida i la densitat de les partícules a separar de l’aigua, és a dir, com més gran sigui la seva velocitat de sedimentació, sent el principal paràmetre de disseny per a aquests equips. A aquesta operació de sedimentació se sol denominar també decantació. La decantació primària permet eliminar els sòlids en suspensió (60%, aprox.) i la matèria orgànica (30%, aprox.) i protegeix els processos posteriors d’oxidació biològica de la intrusió de fangs inerts de densitat elevada. Es poden emprar sedimentadors rectangulars, circulars i lamel·lars.
- Flotació: Es fonamenta en la diferència de densitats i permet separar la matèria sòlida o líquida de menor densitat que la del fluid que ascendeix a la superfície. S’utilitza aire com a agent de flotació, i en funció de com s’introdueixi en el líquid, hi ha dos sistemes de flotació: Flotació per aire dissolt (DAF) en què l’aire s’introdueix en l’aigua residual sota una pressió de diverses atmosferes i Flotació per aire induït on la generació de bombolles es realitza a través de difusors.
- Coagulació – Floculació: si hi ha presència de partícules de mida molt reduïda es formen suspensions col·loïdals, de gran estabilitat a causa de les interaccions elèctriques entre elles, amb una lenta velocitat de sedimentació. Així, per millorar la seva eliminació, s’afegeixen reactius químics que desestabilitzen la suspensió col·loïdal (coagulació) i afavoreixen la floculació d’aquestes per obtenir partícules fàcilment sedimentables. Els coagulants solen ser productes químics que en solució aporten càrrega elèctrica contrària a la del col·loide.
- Filtració: La filtració és una operació en la qual es fa passar l’aigua a través d’un medi porós, amb l’objectiu de retenir la major quantitat possible de matèria en suspensió. El medi porós tradicionalment utilitzat és un llit de sorra, d’alçada variable.
3. Tractament secundari: Els tractaments secundaris es fonamenten en processos biològics en els quals s’empren microorganismes (entre els quals destaquen les bacteris) per dur a terme l’eliminació de matèria orgànica biodegradable, tant col·loïdal com dissolta, així com l’eliminació de compostos que contenen elements nutrients (N i P). En la major part dels casos, la matèria orgànica és oxidada pels microorganismes que l’utilitzen com a font d’energia per al seu creixement. Els processos aerobis es basen en l’eliminació dels contaminants orgànics per la seva transformació en biomassa bacteriana amb l’ajuda d’oxigen (que actuarà com aceptor d’electrons en el procés d’oxidació), CO2 i H2O.
- Digestió: En els sistemes aeròbics l’aigua residual passa a un reactor-digestor aeròbic, on es troben els microorganismes responsables d’oxidar la matèria orgànica dissolta, emprant per a això un flux d’oxigen.
- Decantació: la separació dels fangs formats es produeix per gravetat en els sedimentadors secundaris.
4. Tractament Terciari: en funció de la qualitat de l’efluent obtingut, de la destinació final d’aquest i de la legislació vinculada en cada cas, s’aplica un tractament terciari al mateix, amb la finalitat d’eliminar la càrrega orgànica residual i aquelles altres substàncies contaminants no eliminades en els tractaments secundaris, com per exemple, els nutrients, fòsfor i nitrogen. Pot usar-se qualsevol combinació de procés, des de tractaments físics, químics o biològics. Generalment seran:
- Processos de filtració: microfiltració, ultrafiltració
- Intercanvi iònic
- Òsmosi inversa
- Adsorció
- Membrana
- Desinfecció: La desinfecció consisteix a eliminar o inactivar els microorganismes patògens o qualsevol altre microorganisme viu amb la finalitat d’assegurar la reutilització de l’aigua tractada. Els principals processos de desinfecció són:
- Cloració
- Ozonització
- Electrodesinfecció
CLASSIFICACIÓ DELS REACTORS AERÒBICS
En funció del sistema emprat per al creixement de la biomassa, els sistemes de tractament aeròbic es classifiquen en:
1. Biomassa en Suspensió (fangs activats): la biomassa creix lliure o en suspensió a l’interior del biorreactor, produint la formació de flòculs.
- Procés convencional.
- Reactors seqüencials (SBR): Aquest tipus de reactor opera en discontinu i es donen tots els processos en el mateix dipòsit de forma seqüencial en el temps. És una bona alternativa per a aquelles indústries que produeixen petits efluents però amb una elevada variabilitat quant a les seves característiques.
- Reactors de Biomembrana (MBR): Aquest reactor és similar al de fangs actius amb la singularitat que disposa d’un mòdul de membranes d’ultrafiltració a l’interior. Aquest mòdul permet la separació del fang i el líquid mitjançant membranes, obtenint importants avantatges en relació als tradicionals decantadors secundaris. És una alternativa per a aquells casos en què es disposa de poc espai.
- BIOCARB®: És un model exclusiu patentat per Condorchem Envitech i es basa en el desenvolupament d’un reactor aeròbic de llit fix el material de farciment del qual és carbó lignític granul·lat. El carbó filtra, adsorbeix i fa de suport per a la biopel·lícula, a més d’alimentar els microorganismes de minerals i elements traça. D’altra banda, el procés d’adsorció realitza una doble contribució al procés en laminar els pics de càrrega de contaminants i en fer que el temps de residència dels contaminants a l’interior del reactor augmenti, amb la qual cosa és possible la degradació de compostos orgànics persistents. El reactor BioCarb® s’ha demostrat especialment efectiu en el tractament de contaminants difícils de biodegradar i amb color. A més, la immobilització de la biomassa a la superfície del carbó lignític permet realitzar en una sola etapa un tractament biològic i fisicoquímic de les aigües residuals.
2. Biomassa Fixa: la biomassa creix adherida a un suport que pot ser natural o artificial, formant una capa o pel·lícula.
- Biodiscs: conjunt de discs d’un material determinat (fusta, polietilè corrugat, poliestirè corrugat, pvc) que giren al voltant d’un eix horitzontal, situats dins del reactor. Sobre aquest suport es desenvolupa gradualment una pel·lícula de biomassa bacteriana, que utilitza com a substrat per al seu metabolisme la matèria orgànica soluble present en l’aigua residual. Quan la superfície del disc es troba en contacte amb l’aire, la biomassa adherida al disc pren l’oxigen necessari perquè durant el període d’immersió es produeixi la degradació de la matèria orgànica present en l’aigua residual.
- Biofiltres: L’aire és aspirat a prop del focus d’emissió i habitualment guiat a una cambra d’acondicionament. Aquí és saturat d’humitat i després guiat a un llit de biomassa fixada. Les substàncies contaminants s’absorbeixen a la biopel·lícula de biomassa formada sobre el farciment i aquí posteriorment són digerides per microorganismes. En el procés de digestió i metabolització són transformades en compostos que ja no fan olor.
- Filtres percoladors: Es “deixa caure” o ruixa aigua de rebuig decantada sobre el filtre. En migrar l’aigua pels porus del filtre, la matèria orgànica es degrada per la biomassa que cobreix el material del filtre.
- Filtres de llit mòbil (MBBR): El cultiu bacterià encarregat de la depuració es troba en forma de biopel·lícula adherit a suports d’alta superfície específica (farciment filtrant). Aquests suports es troben submergits i en moviment en el reactor biològic.
La selecció d’un procés biològic de biomassa fixa o biomassa en suspensió més convenient només es pot fer després d’analitzar les característiques de l’efluent, el tipus de procés industrial que el genera, el grau de depuració requerit i les necessitats globals de l’usuari:
AVANTATGES I DESAVANTATGES DELS SISTEMES AERÒBICS DAVANT ELS ANAERÒBICS: CRITERIS BÀSICS PER A LA SELECCIÓ
Els criteris que ajuden a seleccionar si és més convenient un procés aerobi, o bé si un procés anaerobi serà més profitós, són la concentració de matèria orgànica a eliminar, si és necessària l’eliminació de nitrogen, la disponibilitat d’espai físic i la relació entre l’OPEX i el CAPEX del projecte. A la taula següent es pot observar com en funció d’aquests criteris, quin tipus de procés (aerobi o anaerobi) és més convenient:
Avantatges:
- Permet tractar una gran varietat d’aigües residuals: els dos requisits que han de complir és que siguin biodegradables.
- La digestió aeròbia ens proporciona un major rendiment. Y = 0,4, cosa que vol dir que d’1 gram de matèria orgànica se n’obtenen 0,4 grams de biomassa.
- Facilitat d’operació.
- CAPEX baixos.
- Minimitza la producció d’olors.
- Redueix els coliformes i organismes patògens, així com els greixos.
- Produeix sobrenedant clarificat.
- Es poden emprar un major nombre de tipus de bacteris per a la digestió.
- Redueix la taxa de respiració dels fangs.
Desavantatges:
- OPEX elevats a causa de la despesa energètica continuada associada a l’aireació.
- Molts paràmetres a controlar perquè els resultats siguin òptims: pH, Temperatura, % Matèria Orgànica, Cabal d’entrada, % tòxics (biocides).
- En una parada per manteniment o avaria els costos augmenten davant la necessitat de mantenir els nivells de Matèria Orgànica necessària per a la supervivència dels microorganismes.
FANGS GENERATS: EL REPTE DELS SISTEMES AERÒBICS
Un dels majors reptes dels sistemes aeròbics és la gestió dels fangs generats. En l’esquema següent es pot veure de forma general la gestió d’aquests, en funció del seu contingut. Cal destacar que actualment en molts casos i sempre que sigui possible, després del tractament aeròbic s’aplica un tractament anaeròbic per a la gestió dels fangs.
