Los tratamientos biológicos de aguas residuales (reactores aeróbicos y anaeróbicos) aprovechan la capacidad de determinados microorganismos (entre los que destacan las bacterias) de asimilar la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual a tratar para su propio crecimiento, llevando a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. La materia orgánica soluble es asimilada por los microorganismos como fuente de carbono. Tras esta operación se separa por decantación la biomasa generada del sobrenadante. Para el crecimiento de los microorganismos es necesario, aparte de la materia orgánica, la presencia de nitrógeno y fósforo en el efluente. Si su concentración no es suficiente, se deberán aportar al tratamiento.

La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen nitrógeno y fósforo. Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales, por su sencillez y su bajo coste económico de operación.

Los √ļnicos requisitos para la aplicaci√≥n satisfactoria de estas tecnolog√≠as son que la contaminaci√≥n sea biodegradable y que no haya presencia de ning√ļn compuesto biocida en el efluente a tratar.

Los microorganismos pueden asimilar la materia orgánica consumiendo oxigeno, o bien en completa ausencia de éste, lo que nos lleva a disponer de 2 sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales:

La selección del tipo de proceso biológico más conveniente se debe analizar caso a caso en función de las características del efluente a tratar.

SISTEMAS MEDIANTE REACTORES AER√ďBICOS

Los sistemas aérobicos de tratamiento de aguas residuales, aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento, en presencia de oxígeno, que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación de la materia orgánica.

Esta particularidad conlleva unos rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, consecuencia del alto crecimiento de las bacterias en condiciones aeróbicas.

etapas de los sistemas aeróbicos

ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS CON REACTORES AER√ďBICOS

Un sistema de tratamiento aeróbico se compone de las siguientes etapas:

1. Pretratamiento: En esta etapa se procede a la eliminaci√≥n de los s√≥lidos de gran tama√Īo que llegan a la planta de tratamiento de agua. Estos materiales, si no son eliminados eficazmente, pueden producir serias aver√≠as en los equipos. Las piedras, arena, latas, etc. producen desgaste de las tuber√≠as y de las conducciones as√≠ como de las bombas. Los aceites y grasas que puedan llegar tambi√©n son eliminados en esta etapa con el fin de evitar que el tratamiento biol√≥gico se ralentice, su rendimiento disminuya as√≠ como la calidad del efluente.¬†Se emplean para ello tanto operaciones f√≠sicas como mec√°nicas.¬†Las principales operaciones que pueden emplearse en funci√≥n de la procedencia del agua residual a tratar, de su calidad o de los tratamientos posteriores son:

  • Separaci√≥n de grandes s√≥lidos: siempre que las aguas a tratar puedan contener s√≥lidos de gran tama√Īo se emplea este sistema que consiste en un pozo situado a la entrada del colector que permita concentrar los s√≥lidos y las arenas decantadas en una zona especifica donde se puedan extraer de una forma eficaz.
  • Desbaste: Esta operaci√≥n evita obstrucciones de partes posteriores de la instalaci√≥n por la llegada masiva de grandes s√≥lidos. Consiste en el uso de rejas con distintas separaciones entre barrotes que permiten separar los s√≥lidos seg√ļn su tama√Īo.
  • Tamizado: Esta operaci√≥n est√° indicada cuando las aguas residuales contiene grandes cantidades de s√≥lidos flotantes o residuos. Se emplean tamices de distinto grosor.
  • Desarenado: permite eliminar part√≠culas s√≥lidas superiores a 200 micras que puedan ocasionar problemas de taponaci√≥n de conducciones o bombas o abrasiones en los distintos equipos.
  • Desaceitado-desengrasado: Permite es eliminar grasas, aceites, espumas y dem√°s materiales flotantes m√°s ligeros que el agua, que puedan distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. Se efect√ļan normalmente por insuflaci√≥n de aire con el fin de desemulsionar y aumentar la flotaci√≥n de las grasa.

2. Tratamiento Primario: En esta etapa del tratamiento se eliminan los sólidos en suspensión de las aguas a tratar empleándose para ello, distintos procesos físico-químicos Estos sólidos pueden ser: sedimentables, flotantes o coloidales.

  • Sedimentaci√≥n: Separaci√≥n por gravedad que permite que las part√≠culas m√°s densas que el agua se depositen en el fondo del sedimentador. Ser√° m√°s eficaz cuanto mayor sea el tama√Īo y la densidad de las part√≠culas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentaci√≥n, siendo el principal par√°metro de dise√Īo para estos equipos. A esta operaci√≥n de sedimentaci√≥n se le suele denominar tambi√©n decantaci√≥n. La decantaci√≥n primaria permite eliminar los s√≥lidos en suspensi√≥n (60%, aprox) y la materia org√°nica (30%, aprox) y protege los procesos posteriores de oxidaci√≥n biol√≥gica de la intrusi√≥n de fangos inertes de densidad elevada. Pueden emplearse sedimentadores rectangulares, circulares y lamelares.
  • Flotaci√≥n: Se fundamenta en la diferencia de densidades y permite separa la materia s√≥lida o l√≠quida de menor densidad que la del fluido que asciende a la superficie. Se utiliza aire como agente de flotaci√≥n, y en funci√≥n de c√≥mo se introduzca en el l√≠quido, se tienen dos sistemas de flotaci√≥n: Flotaci√≥n por aire disuelto (DAF) en el que el aire se introduce en el agua residual bajo una presi√≥n de varias atm√≥sferas y Flotaci√≥n por aire inducido donde la generaci√≥n de burbujas se realiza a trav√©s de difusores.
  • Coagulaci√≥n ‚Äď Floculaci√≥n: si hay presencia de part√≠culas de tama√Īo muy reducido se forman suspensiones coloidales, de gran estabilidad debido a las interacciones el√©ctricas entre las mismas, con una lenta velocidad de sedimentaci√≥n. As√≠, para mejorar su eliminaci√≥n, se a√Īaden reactivos qu√≠micos que desestabilizan la suspensi√≥n coloidal (coagulaci√≥n) y favorecen la floculaci√≥n de las mismas para obtener part√≠culas f√°cilmente sedimentables. Los coagulantes suelen ser productos qu√≠micos que en soluci√≥n aportan carga el√©ctrica contraria a la del coloide.
  • Filtraci√≥n: La filtraci√≥n es una operaci√≥n en la que se hace pasar el agua a trav√©s de un medio poroso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensi√≥n. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable.

3. Tratamiento secundario: Los tratamientos secundarios se fundamentan en procesos biológicos en los que se emplean microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto coloidal como disuelta, así como la eliminación de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). En la mayor parte de los casos, la materia orgánica es oxidada por los microorganismos que la usan como fuente de energía para su crecimiento.  Los procesos aerobios se basan en la eliminación de los contaminantes orgánicos por su transformación en biomasa bacteriana con la ayuda de oxígeno (que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación), CO2 y H2O.

  • Digesti√≥n: En los sistemas aer√≥bicos el agua residual pasa a un reactor-digestor aer√≥bico, donde se encuentran los microorganismos responsables de oxidar la materia org√°nica disuelta, empleando para ello un flujo de ox√≠geno.
  • Decantaci√≥n: la separaci√≥n de los lodos formados se produce por gravedad en los sedimentadores secundarios.

4. Tratamiento Terciario: en función de la calidad del efluente obtenido, del destino final del mismo y de la legislación vinculada en cada caso, se aplica un tratamiento terciario al mismo, con el fin de eliminar la carga orgánica residual y aquellas otras sustancias contaminantes no eliminadas en los tratamientos secundarios, como por ejemplo, los nutrientes, fósforo y nitrógeno. Puede usarse cualquier combinación de proceso, desde tratamientos físicos, químicos o biológicos. Generalmente serán:

  • Procesos de filtraci√≥n: microfiltraci√≥n, ultrafiltraci√≥n
  • Intercambio i√≥nico
  • √ďsmosis inversa
  • Adsorci√≥n
  • Membrana
  • Desinfecci√≥n: La desinfecci√≥n consiste en eliminar o inactivar los microorganismos pat√≥genos o cualquier otro microorganismo vivo con el fin de asegurar la reutilizaci√≥n del agua tratada. Los principales procesos de desinfecci√≥n son:
    • Cloraci√≥n
    • Ozonizaci√≥n
    • Electrodesinfecci√≥n

CLASIFICACI√ďN DE LOS REACTORES AER√ďBICOS

En función del sistema empleado para el crecimiento de la biomasa, los sistemas de tratamiento aeróbico se clasifican en:

1. Biomasa en Suspensión (lodos activados): la biomasa crece libre o en suspensión en el interior del biorreactor, produciendo la formación de flóculos.

  • Proceso convencional.
  • Reactores secuenciales (SBR): Este tipo de reactor opera en discontinuo y se dan todos los procesos en el mismo tanque de forma secuencial en el tiempo. Es una buena alternativa para aquellas industrias que producen peque√Īos efluentes pero con una elevada variabilidad en cuanto a sus caracter√≠sticas.reactores anaer√≥bicos secuenciales SBR
  • Reactores de Biomembrana (MBR): Este reactor es similar al de fangos activos con la singularidad de que dispone de un m√≥dulo de membranas de ultrafiltraci√≥n en su interior. Este m√≥dulo permite la separaci√≥n del fango y el l√≠quido mediante membranas, obteniendo importantes ventajas en relaci√≥n a los tradicionales decantadores secundarios. Es una alternativa para aquellos casos en los que se dispone de poco espacio.Reactores de biomembrana MBR
  • BIOCARB¬ģ: Es un modelo exclusivo patentado por Condorchem Envitech y se basa en el desarrollo de un reactor aer√≥bico de lecho fijo cuyo material de relleno es carb√≥n lign√≠tico granulado. El carb√≥n filtra, adsorbe y hace de soporte para la biopel√≠cula, adem√°s de alimentar a los microorganismos de minerales y elementos traza. Por otro lado, el proceso de adsorci√≥n realiza una doble contribuci√≥n al proceso al laminar los picos de carga de contaminantes y al hacer que el tiempo de residencia de los contaminantes en el interior del reactor aumente con lo que es posible la degradaci√≥n de compuestos org√°nicos persistentes. El reactor BioCarb¬ģ se ha demostrado especialmente efectivo en el tratamiento de contaminantes dif√≠ciles de biodegradar y con color. Adem√°s, la inmovilizaci√≥n de la biomasa en la superficie del carb√≥n lign√≠tico permite realizar en una sola etapa un tratamiento biol√≥gico y fisicoqu√≠mico de las aguas residuales.

Depuradoras biológicas biocarb

2. Biomasa Fija: la biomasa crece adherida a un soporte que puede ser natural o artificial, formando una lama o película.

  • Biodiscos: conjunto de discos de un material determinado (madera, polietileno corrugado, poliestireno corrugado, pvc) que giran en torno a un eje horizontal, situados dentro en el reactor. Sobre este soporte se desarrolla gradualmente una pel√≠cula de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia org√°nica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al disco toma el ox√≠geno necesario para que durante el per√≠odo de inmersi√≥n se produzca la degradaci√≥n de la materia org√°nica presente en el agua residual.Biodiscos
  • Biofiltros: El aire es aspirado cerca del foco de emanaci√≥n y habitualmente guiado a una c√°mara de acondicionamiento. Aqu√≠ es saturado de humedad y luego guiado a un lecho de biomasa fijada. Las sustancias contaminantes se absorben a la biopel√≠cula de biomasa formada sobre el relleno y aqu√≠ posteriormente son digeridos por microorganismos. En el proceso de digesti√≥n y metabolizaci√≥n son transformados en compuestos que ya no huelen.
  • Filtros percoladores: Se ‚Äúdeja caer‚ÄĚ o roc√≠a agua de desecho decantada sobre el filtro. Al migrar el agua por los poros del filtro, la materia org√°nica se degrada por la biomasa que cubre el material del filtro.Filtros percoladores
  • Filtros de lecho m√≥vil (MBBR)El cultivo bacteriano encargado de la depuraci√≥n se encuentra en forma de biopel√≠cula adherido a soportes de alta superficie espec√≠fica (relleno filtrante). Estos soportes se encuentran sumergidos y en movimiento en el reactor biol√≥gico.

Filtros de lecho móvil

La selección de un proceso biológico de biomasa fija o biomasa en suspensión de más conveniente sólo se puede hacer después de analizar las características del efluente, el tipo de proceso industrial que lo genera, el grado de depuración requerido y las necesidades globales del usuario:

biomasa fija vs biomasa en suspensión

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SISTEMAS AER√ďBICOS FRENTE A ANAER√ďBICOS: CRITERIOS B√ĀSICOS PARA SU SELECCI√ďN

Los criterios que ayudan a seleccionar si es más conveniente un proceso aerobio, o bien si un proceso anaerobio será mayor provechoso, son la concentración de materia orgánica a eliminar, si es necesaria la eliminación de nitrógeno, la disponibilidad de espacio físico y la relación entre el OPEX y el CAPEX del proyecto. En la siguiente tabla se puede observar cómo en función de estos criterios, qué tipo de proceso (aerobio o anaerobio) es más conveniente:

sistemas aeróbicos vs sistemas anaeróbicos

Ventajas:

  • Permite tratar una gran variedad de aguas residuales: los dos requisitos que deben cumplir es que sean biodegradables.
  • La digesti√≥n aerobia nos proporciona un mayor rendimiento. Y = 0,4 lo que quiere decir que de 1 gramo de materia org√°nica se sacan 0,4 gramos de biomasa.
  • Facilidad de operaci√≥n.
  • CAPEX bajos.
  • Minimiza la producci√≥n de olores.
  • Reduce los coliformes y organismos pat√≥genos, as√≠ como las grasas.
  • Produce sobrenadante clarificado.
  • Pueden emplearse una mayor n√ļmero de tipos de bacterias para la digesti√≥n.
  • Reduce la tasa de respiraci√≥n de los lodos.

Desventajas:

  • OPEX elevados debido al gasto energ√©tico continuado asociado a la aireaci√≥n.
  • Muchos par√°metros a controlar para que los resultados sean √≥ptimos: pH, Temperatura, % Materia Org√°nica, Caudal de entrada, % t√≥xicos (biocidas).
  • En una parada por mantenimiento o aver√≠a los costes aumentan frente a la necesidad de mantener los niveles de Materia Org√°nica necesaria para la supervivencia de los microorganismos.

LODOS GENERADOS: EL RETO DE LOS SISTEMAS AER√ďBICOS

Uno de los mayores retos de los sistemas aeróbicos, es la gestión de los lodos generados. En el siguiente esquema se puede ver de forma general la gestión de los mismos, en función del contenido de los mismos. Cabe destacar que actualmente en muchos casos y siempre que sea posible, tras el tratamiento aeróbico se aplica un tratamiento anaeróbico para la gestión de los lodos.

tratamientos de lodos de reactores aeróbicos