Reactores con funcionamiento secuencial (SBR)

FT-BIO-002
FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS
DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS
DE LA INDUSTRIA TEXTIL
SBR
REACTORES CON FUNCIONAMIENTO
SECUENCIAL
SERIE: TRATAMIENTOS SECUNDARIOS
TÍTULO
REACTORES CON FUNCIONAMIENTO
SECUENCIAL (FT-BIO-002)
Fecha de elaboración
Febrero de 2015
Revisión vigente
REACTORES SECUENCIALES
FT-BIO-002
REACTORES CON FUNCIOAMIENTO SECUENCIAL (FT-BIO-002)
Fecha
Febrero 2015
Autores
Joaquín Suárez López
Alfredo Jácome Burgos
Pablo Ures Rodríguez
Revisado
Modificaciones
Fecha
Modificado por:
Objeto da modificación
REACTORES SECUENCIALES
FT-BIO-002
ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN
2.- DESCRIPCIÓN
3.- DISEÑO
3.1.- Caudal y carga contaminante
3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico
3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico
3.4.- Volumen del reactor
3.5.- Capacidad de oxigenación requerida
3.6.- Rendimiento
4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES
5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL
6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL
7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN
BIBLIOGRAFÍA
ANEXO 1.- COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO
ANEXO 2.- ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS
ANEXO 3.- DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO
ANEXO 4.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR
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1.- INTRODUCCIÓN
El tratamiento secundario de las aguas residuales conlleva el uso de un reactor biológico y, como norma general, su
correspondiente decantador secundario. En el reactor biológico se estimula el crecimiento controlado de una biomasa o
biocenosis, integrada fundamentalmente por un cultivo bacteriano, cuya finalidad es la biodegradación u oxidación de
contaminantes. En el decantador secundario se procede a la separación final sólido–líquido para obtener el efluente
secundario que, en su caso, será vertido al medio receptor.
En los reactores la biocenosis puede desarrollarse, al menos, de dos formas: 1) como biomasa en suspensión en el seno del
líquido (por ejemplo: proceso de fangos activos en sus diversas variantes), o 2) como biomasa adherida a un soporte o
material de relleno del reactor, llamados también procesos biopelícula (por ejemplo: lechos bacterianos, biodiscos, lechos
sumergidos, etc.).
Los reactores o procesos biológicos que emplean biomasa en suspensión aerobia tradicionalmente han sido conocidos
como procesos, o reactores, de fangos activos. Estos han sido categorizados, en función de la carga másica de diseño, en
tres grandes grupos: fangos activos de baja carga (aireación prolongada, canales de oxidación, etc.), de media carga (o
proceso convencional) y de alta carga.
Una variante de configuración de los reactores de biomasa en suspensión es la denominada “reactores con funcionamiento
secuencial” o “por lotes”; su denominación en inglés es “sequenting batch reactors” o “sequential batch reactors” (SBR).
Es un proceso que ya se utilizaba con los primeros reactores de biomasa en suspensión (1914-1920; realizados a nivel piloto
fueron llamados “reactores de llenado y vaciado”), pero se empezaron a utilizar de forma más intensa a finales de la década
de los 70 en pequeñas plantas de tratamiento. En los últimos años se ha mejorado mucho las técnicas y el control de las
secuencias de procesos, por lo que su uso se ha extendido también a depuradoras medianas.
Debido a que esos sistemas tienen una superficie relativamente pequeña son muy útiles en áreas en donde se tienen
limitaciones de terreno.
En un sistema diseñado para eliminar materia orgánica los ciclos pueden ser fácilmente modificados para conseguir
eliminar nutrientes si esto fuera requerido. Esto hace que los sistemas SBR sean extremadamente flexibles para adaptarse
a los cambios en las normas regulatorias de parámetros del efluente.
Los sistemas SBR son también muy efectivos en términos de costo de cuando se requieren tratamientos adicionales al
biológico, tales como la filtración.
Algunas de las ventajas y desventajas de los sistemas SBR se enumeran a continuación.
Ventajas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
La homogenización de caudales, la sedimentación primaria (en la mayoría de los casos), el tratamiento
biológico y la sedimentación secundaria pueden lograrse en un tanque reactor único.
No se requiere recirculación externa de fangos para mantener la concentración de sólidos en el reactor.
No se requiere recirculación interna del licor mezcla para los procesos de nitrificación-desnitrificación.
Flexibilidad de operación y control.
Área de ocupación mínima.
Ahorro potencial de inversión de capital por la eliminación de sedimentadores y otros equipos.
Fácil reconocimiento y corrección de los problemas de decantación.
Versatilidad para trabajar con fluctuaciones de caudal y de concentración de materia orgánica.
Capacidad para la adaptación de los microorganismos a efluentes con elevado contenido en sales.
Mejor control del crecimiento de organismos filamentosos y de problemas de decantación
Desventajas
•
•
•
Se requiere un nivel mayor de sofisticación (en comparación a los sistemas convencionales) de las
unidades de programación temporal y controles, especialmente en sistemas de mayor tamaño.
Un nivel más alto de mantenimiento (comparado con los sistemas convencionales) asociado con el tipo
más sofisticado de controles, interruptores automáticos y válvulas automáticas.
Descarga potencial de lodos flotantes o sedimentados durante la fase de descarga o decantación del
reactor en algunas configuraciones de SBR.
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•
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Taponamiento potencial de los dispositivos de aireación durante ciclos operativos específicos
dependiendo del sistema de aireación utilizado por el fabricante. Necesidad potencial de
homogenización de caudales dependiendo de los procesos utilizados aguas abajo
El objetivo de este documento consiste en describir la configuración y los criterios de dimensionamiento de los SBR;
además se presentarán claves de control y explotación de los procesos.
2.- DESCRIPCIÓN
En esencia no hay diferencias entre un proceso de fangos activos y un reactor con funcionamiento secuencial. Una de las
principales características de esta configuración de tratamiento secundario es la de no necesitar decantadores secundarios,
dado que los procesos de clarificación se realizan en el mismo depósito en el cual se realizan los procesos biológicos de
degradación y transformación de compuestos. En definitiva todos los procesos necesarios para tratar un agua se realizan
en el mismo tanque o reactor.
La explotación de los SBR se caracteriza por encadenar etapas o fases, por secuenciarlas definiendo ciclos. Se pueden
realizar cambios de operación modificando la duración y la secuencia de las fases. Los tiempos de los ciclos se pueden ir
cambiando conforme se va adquiriendo experiencia con un determinado agua e, incluso, se pueden adaptar los ciclos a
variaciones estacionales de las mismas.
La ejecución de los ciclos está normalmente programada a intervalos fijos, pero podría condicionar su duración mediante
el uso de sondas de control de determinados parámetros de proceso.
Como claves para que esta tipología de tratamiento secundario sea viable se pueden citar los siguientes requisitos:
a) Disponer de personal cualificado.
b) Tener técnicas y sondas de medición fiables.
c) Una configuración de la planta que permita duraciones variables de funcionamiento de equipos.
El diseño del reactor y sus elementos complementarios quedan muy condicionados por las fuertes variaciones de nivel que
se van a producir en el tanque, ya tendrá fases de llenado, con agua residual a tratar, y de vaciado de agua tratada y fangos
en exceso.
Fases principales:
1) Fase de llenado.
2) Fase de mezcla.
3) Fase de redisolución biológica del fósforo (posible)
4) Fase de aireación.
5) Fase de sedimentación.
6) Fase de reacción.
7) Fase de retirada de agua clarificada.
8) Fase de reposo.
9) Fase de trabajo.
El rendimiento y la estabilidad del proceso SBR es función de los siguientes parámetros (Cortacáns, 2014):
•
Duración del ciclo.
•
Secuencia de las fases
•
Duración de las fases unitarias del proceso.
•
Relación de intercambio de volumen (relación entre el volumen introducido o retirado y el volumen del reactor).
•
Edad del fango (tiempo de retención celular).
Una de las claves para el buen funcionamiento de los SBR es la alimentación del agua residual. Fundamentalmente se
pueden utilizar tres estrategias:
•
Carga continua con agua residual: durante todo el ciclo está entrando agua al reactor, que va pasando por
diferentes fases; la salida de agua se produce de forma discontinua; se produce una variación de nivel continua.
•
Carga intermitente de instalaciones sin almacenamiento previo. Requiere al menos dos reactores SBR.
•
Carga intermitente de los reactores disponiendo de almacenamiento previo.
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ENTRADA
M
M
LLENADO
MEZCLA
REPOSO (OPCIONAL)
SALIDA AGUA TRATADA
M
JSL
AIREACIÓN
EXTRACCIÓN DE FANGO
DECANTACIÓN
Figura 1.- Secuencia de fases durante un ciclo.
Descripción de las fases:
•
LLENADO: Durante la fase de llenado el afluente que entra en el tanque se va mezclando con la
biomasa presente en el reactor hasta llegar al volumen máximo de licor mezcla. La estrategia de
llenado influye decisivamente en la decantabilidad de los fangos y el crecimiento de organismos
filamentosos, siendo más estable y produciendo unos fangos más compactos que un reactor
convencional. El reactor recibe flujo durante un tiempo dado (hasta llenarse), con o sin mezclado y
aireación del reactor (según si se desea o no controlar el nitrógeno afluente).
•
REACCIÓN: En la fase de reacción se completan los procesos bioquímicos iniciados en la fase de
llenado, como son la eliminación de la materia orgánica (la mayor parte de la eleiminación de la DBO
se produce en esta etapa), la nitrificación y la desnitrificación. El licor mezcla se mantiene en agitación
y puede estar o no aireado, habiendo subfases aireadas y subfases anóxicas, que se han de establecer
según los objetivos de tratamiento buscados.
•
DECANTACIÓN: Al final de la fase de reacción la agitación y la aireación del licor mezcla se detienen,
quedando en reposo en la fase de decantación. Los fangos decantan por gravedad al fondo del reactor,
dejando el agua clarificada en la parte superior del tanque. En un sistema SBR la decantación es más
eficiente que en un reactor convencional al estar el licor mezcla completamente en reposo. El principal
problema que se puede tener en la decantación es la aparición de organismos filamentosos, que dan
lugar en un fango muy esponjoso que decanta con dificultad. Los SBR permiten controlar estos
microorganismos de manera sencilla, mediante la introducción de fases anóxicas.
•
VACIADO O EXTRACCIÓN: El agua clarificada que queda en la parte superior del reactor se evacua en
la fase de vaciado o extracción, mediante un mecanismo extractor que va siguiendo la lámina de agua,
localizado en una estructura flotante denominada, en algunas ocasiones, “decanter”. El líquido
clarificado (sobrenadante) se descarga hasta un cierto nivel del reactor, que según el diseño que se
adopte varía entre un 75% y un 15% del volumen del reactor). Finalmente entre el vaciado y el llenado
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del ciclo siguiente el sistema queda en reposo con los fangos decantados al fondo del reactor. La purga
de los fangos decantados se realiza al final de la fase de extracción de agua tratada.
Para el tratamiento de las aguas residuales urbanas es usual optar de 2 a 6 ciclos diarios.
Los ciclos estandard tienen una duración de 4 o seis horas, es decir de 6 a 4 ciclos por reactor al día. Para casos
excepcionales, como pueden ser sistemas exclusivos de nitrificación –desnitrificación o para altas concentraciones de
contaminantes, la duración de los ciclos se puede dilatar hasta 12 o incluso 24 horas.
SALIDA AGUA
TRATADA INTERMITENTE
ENTRADA AGUA
BRUTA CONTINUA
M
M
JSL
EXTRACCIÓN DE FANGO
INTERMITENTE
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO
MEZCLA
AIREACIÓN
SEDIMENTACIÓN
SALIDA DE AGUA TRATADA
Figura 2.- Planta con carga continua (adaptada de Cortacáns, 2014).
EPA lo cita como “Intermitent Cycle Extended Aeration System”, ICEAS (EPA, 1999).
ENTRADA DE AGUA BRUTA INTERMITENTE
ALTERNATIVA
SALIDA AGUA
TRATADA INTERMITENTE
M
SALIDA AGUA
TRATADA INTERMITENTE
M
M
M
JSL
EXTRACCIÓN DE FANGO
INTERMITENTE
EXTRACCIÓN DE FANGO
INTERMITENTE
DIAGRAMA DE TIEMPOS
REACTOR 1
LLENADO
MEZCLA
AIREACIÓN
SEDIMENTACIÓN
SALIDA DE AGUA TRATADA
REACTOR 2
LLENADO
SIN MEZCLA
MEZCLA
AIREACIÓN
SEDIMENTACIÓN
SALIDA DE AGUA TRATADA
Figura 3.- Planta con carga intermitente sin pre-alimentación.
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ENTRADA DE AGUA BRUTA INTERMITENTE
ALTERNATIVA
PREALMACENAMIENTO
SALIDA AGUA
TRATADA INTERMITENTE
SALIDA AGUA
TRATADA INTERMITENTE
M
M
M
M
JSL
JSL
EXTRACCIÓN DE FANGO
INTERMITENTE
EXTRACCIÓN DE FANGO
INTERMITENTE
DIAGRAMA DE TIEMPOS
REACTOR 1
LLENADO
MEZCLA
AIREACIÓN
SEDIMENTACIÓN
SALIDA DE AGUA TRATADA
REACTOR 2
LLENADO
MEZCLA
AIREACIÓN
SEDIMENTACIÓN
SALIDA DE AGUA TRATADA
Figura 4.- Planta con carga intermitente con pre-alimentación. (adaptada de Cortacáns, 2014).
La forma de operar un SBR es consecuencia de la combinación de las estrategias de control de ciclo y de las variantes de
alimentación del proceso:
Control de ciclos:
-
Duración de ciclo constante.
Volumen de llenado constante.
∆V
VR
Vmin
BIOMASA EN SUSPENSIÓN
FANGO SEDIMENTADO
CALADO
AGUA CLARIFICADA
Carga alternativa de varios tanques.
CALADO
Carga continua.
Carga intermitente, de una vez, a partir de un prealmacenamiento.
Carga en varias veces a partir de un pre-almacenamiento
Figura 5.- Variantes de alimentación del proceso con caudal de alimentación Qmax. (adaptada de Cortacáns, 2014).
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Los sistemas de pre-almacenamiento deben disponer de algún sistema de mezcla para evitar sedimentaciones. Este
depósito funciona con calado variable (se suele colocar instrumentación de medida de nivel para controlar las cargas del
reactor y para evitar desbordamientos). Debe poder vaciarse para procesos de limpieza.
La aportación desde el depósito de pre-almacenamiento/regulador se puede realizar por bombeo o por gravedad.
En el reactor es necesario colocar también instrumentación de medida de nivel, y sondas de oxígeno para el control de la
aireación.
También es de interés medir pH, el potencial Redox, e incluso disponer de medición en continuo de nitratos y amonio para
el ajuste del proceso. También es posible instalar sondas de medida de nivel de fangos.
El exceso de biomasa se purga en cualquier punto del este ciclo. La purga frecuente hace que de un ciclo al siguiente se
mantenga una relación de masas casi constante entre el sustrato afluente y la biomasa.
A continuación del reactor SBR, la tanda de agua residual tratada puede fluir a un tanque de homogenización de caudales
en donde el flujo de agua residual a otras unidades de proceso puede ser controlado a una tasa determinada. En algunos
casos el agua residual es filtrada para remoción adicional de sólidos y luego desinfectada.
Figura 6.- Diagrama de flujo típico de proceso SBR (EPA, 1999).
El sistema digestión de fangos puede consistir de un espesador y un digestor aeróbico. Al utilizar SBR no se necesitan
bombas para la recirculación de lodos activados ni para los lodos primarios, como se requiere en sistemas convencionales
de lodos activados. Con el sistema SBR típicamente sólo se maneja un tipo de lodo. La necesidad de uso de espesadores
por gravedad antes de la digestión debe determinarse caso por caso, dependiendo de las características de los fangos.
Sin embargo, el uso de sedimentadores primarios puede ser recomendado por el fabricante del sistema SBR si el total de
sólidos suspendidos totales (SST) o la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) son mayores a valores entre 400 y 500 mg/L.
3.- DISEÑO
3.1.- Caudal y carga contaminante
Los caudales de interés para diseño serán el caudal diario medio total de aguas residuales, Qmedio y, en su caso, el caudal
máximo horario, QHp.
Como se verá en el apartado correspondiente, la ratio SS/DBO5 afluente se considera un criterio de diseño.
Adicionalmente, de cara al diseño de la aireación del reactor biológico se tendrá en cuenta la punta de concentración de
DBO5. Dicha punta será de 1,5.
De existir en la EDAR un tanque de homogenización no será necesario tener en cuenta el caudal ni la concentración máxima
para el diseño del reactor biológico.
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3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico
El diseño de un reactor SBR se realiza con las mismas bases que cualquier proceso de biomasa en suspensión pero se debe
de tener en cuenta otros parámetros complementarios.
Los parámetros más importantes para el dimensionamiento del reactor de fangos activos SBR son:
Relación de “intercambio de volumen”, fa (en la bibliografía anglosajona “Volumetric Exchange Rate”): Relación entre el
volumen retirado de agua en un ciclo y el volumen del reactor con llenado total (VR). El parámetro fa y la duración del ciclo,
tc, son parámetros relacionados. En el caso de un reactor con aportación continua:
𝑓𝑓𝑎𝑎 =
∆𝑉𝑉
∆𝑉𝑉
𝑡𝑡𝑐𝑐 ∙ 𝑄𝑄
=
=
𝑉𝑉𝑅𝑅 ∆𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑉𝑉𝑅𝑅
𝑓𝑓𝑎𝑎,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 =
𝑡𝑡𝑐𝑐 ∙ 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑉𝑉𝑅𝑅,𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
Vmax
Vmax
VR
Vmin
Figura 7.- Croquis de configuración de volúmenes del reactor.
Con agua residual urbana no se aconsejan valores de fa superiores a 0.5.
Relación de recirculación:
𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚
∆𝑉𝑉
Tiempo de retención celular medio (θx): El tiempo medio de permanencia de los fangos se obtiene a partir de la relación
de la masas de fangos en n tanques, con un volumen unitario Vmin y una concentración SSTR,min o del VR con una
concentración SSTR, y la masa de fangos en exceso extraída por día.
𝜃𝜃𝑥𝑥 =
𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅
=
𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑
𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑
En donde:
n = Número de tanques.
SSTmin = Concentración de SS en licor mezcla con volumen mínimo.
SSTR = Concentración de SS en licor mezcla con volumen máximo.
FEd = Producción diaria de fangos en exceso.
Tiempo de retención celular del fango activo (θx) (días): Determinada por las reacciones biológicas. Se determina con
los mismos criterios que en el proceso de fangos activos convencional.
𝜃𝜃𝑐𝑐 = 𝜃𝜃𝑥𝑥
𝑡𝑡𝑅𝑅
𝑡𝑡𝑐𝑐
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𝜃𝜃𝑐𝑐 =
Siendo:
tR = tiempo de reacción durante el ciclo
tc = tiempo total del ciclo completo.
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𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑡𝑡𝑅𝑅 𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅 𝑡𝑡𝑅𝑅
∙ =
∙
𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑
𝑡𝑡𝑐𝑐
𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑
𝑡𝑡𝑐𝑐
Carga másica operativa (kg/kg.día):
𝐶𝐶𝑚𝑚,𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 =
𝐶𝐶𝑑𝑑,𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷
𝑡𝑡𝑐𝑐
∙
𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅 𝑡𝑡𝑅𝑅
Para aplicaciones de aguas residuales industriales normalmente se requieren estudios de tratabilidad para determinar la
secuencia óptima de operación. Para la mayoría de las plantas de tratamiento de agua residual doméstica no se requieren
dichos estudios para determinar la secuencia de operación porque el flujo de agua residual doméstica y sus variaciones
características son generalmente predecibles; además, la mayoría de los diseñadores de ese tipo de plantas utilizan diseños
de tipo conservador.
Otras variables básicas que afectan al funcionamiento del reactor biológico:
Demanda total de oxígeno: se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales,
Demanda puntual puede ser mayor porque el ejerce la demanda de oxígeno en un periodo menor.
Producción de fangos: La misma que en un proceso convencional. En cada ciclo se extrae fango.
No hay diferencias esenciales entre SBR y fangos activos en cuanto a costes y calidades.
Importancia del control de los llenados:
El llenado estático no tiene mezcla ni aireación, lo cual significa que se tendrá una alta concentración de sustrato
(alimento) una vez se inicie la mezcla. Una alta relación alimento a microorganismos (F/M) crea un medio propicio
para que los organismos crezcan en flóculos en vez de filamentos; esto da al lodo buenas características de
sedimentación. Además, las condiciones de llenado estático favorecen a los organismos que hacen
almacenamiento interno de productos durante condiciones de alta concentración de sustrato, lo cual es un
requisito para la remoción biológica del fósforo. El llenado estático puede ser comparado con el uso de
compartimientos "selectores" para el control de la relación F/M en un sistema convencional de lodos activados.
El llenado con mezcla es llevado a cabo mezclando los compuestos orgánicos del afluente con la biomasa, para
iniciar así las reacciones biológicas. Durante el llenado con mezcla las bacterias degradan biológicamente los
compuestos orgánicos y utilizan el oxígeno residual u otro compuesto receptor de electrones alterno como los
nitratos. En este medio la desnitrificación puede ocurrir en condiciones anóxicas. La desnitrificación es la
conversión biológica de nitratos a gas nitrógeno. Un medio anóxico se define como la condición en la cual no se
presenta oxígeno libre y el nitrato es utilizado por los microorganismos como receptor de electrones. El llenado
con mezcla es comparable a la zona anóxica que se utiliza para la desnitrificación.
También se pueden obtener condiciones anaeróbicas durante la fase de llenado con mezcla. Una vez que los
organismos han utilizado los nitratos, el sulfato se convierte en el compuesto receptor de electrones. Las
condiciones anaerobias se caracterizan por la falta de oxígeno y el uso del sulfato como compuesto receptor de
electrones.
El llenado con aireación tiene lugar cuando se suministra aire al contenido del reactor para iniciar reacciones
aeróbicas que se completan en el paso de Reacción. El llenado con aireación reduce el tiempo requerido para el
paso de Reacción.
Para la entrada de agua afluente sin tratar se recomienda la colocación de una pantalla (baffle) o un muro; el agua
es recomendable que acceda al decantador por debajo de manto de fango.
Optimización de la fase de eliminación de nutrientes:
La desnitrificación se produce en ausencia de oxígeno. En esta fase anóxica se paran las soplantes y el cultivo se
mantiene en suspensión mediante el funcionamiento de los agitadores. Durante esta etapa de desnitrificación el
potencial Redox va disminuyendo de forma constante hasta un punto de inflexión que indica que todo el
Nitrógeno-Nitrato ha pasado a Nitrógeno gas. El control del proceso pasa por la detección del punto final de las
dos etapas. Una forma fácil de hacerlo es calculando de forma automática hasta que los incrementos de potencial
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sean 0. Para determinar el punto final de la desnitrificación hay que detectar cuando se produce un cambio fuerte
en el incremento de potencial (cambio de pendiente) (EPA, 1999).
3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico
En la siguiente tabla se establecen los valores de los parámetros de diseño del reactor biológico:
Tabla 1.- Valores de diseño para el reactor de fangos activos.
Parámetro
SBR Metcalf
SBR (aireación
prolongada y
sedimentación)
12 - 25
SBR (reactor de
flujo intermitente
en secuencia)
10 – 30
0.050 – 0.30
0.04 - 0.08
0.04 – 0.10
0.08 – 0.24
0.08 – 0.24
0.08 – 0.24
1500 - 5000
2000 - 8000
2000 – 8000
12 - 50
20 - 40
12 - 50
θc
(días)
Sperling (2007)
4 – 6 sin eliminación de nutrientes
8 – 10, con eliminación de nutrientes
20 -25 aireación prolongada, con
eliminación de nutrientes
CM
(kg DBO5/kg SSLM/d)
Carga volumétrica
(kg.m3.día)
X
(mg/L)
TRH
(horas)
1500 - 3500
Tabla 2.- Parámetros clave de diseño para tasas de carga convencionales
(AquaSBR Design Manual, 1995. EPA).
Industrial
Municipal
0.15 - 0.4
0.15 -0.6
4.0
4.0 – 24
X
(mg/L)
2,000 – 2,500
2,000 - 4,000
TRH
(horas)
6 - 14
varía
CM
(kg DBO5/kg SSLM/d)
Duración del ciclo de tratamiento
3.4.- Volumen del reactor
El volumen del reactor, V, se obtiene a partir de la carga másica de diseño.
𝑉𝑉 =
𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 · 𝐿𝐿0
𝐶𝐶𝐶𝐶 · 𝑋𝑋
Los criterios de dimensionamiento para calcular el volumen requerido del reactor serán:
•
La concentración X será igual a 3.000 mg SSLM/L (= 3 kg/m3).
•
La carga másica será menor o igual que 0.070 kg DBO5/kg SSLM/d.
3.5.- Capacidad de oxigenación requerida
Ver documento FT-BIO-001.
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3.6.- Rendimiento
Ver documento FT-BIO-001.
Para los SBR la eficiencia de remoción de DBO generalmente es del 85 al 95 por ciento. Los fabricantes de sistemas SBR
normalmente proveen una garantía de proceso para la producción de efluentes con máximo de:
•
•
•
•
10 mg/L de DBO
10 mg/L de SST
5 - 8 mg/L de nitrógeno total
1 - 2 mg/L de fósforo total
4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES
Los depósitos de los reactores no tienen una forma especial. Profundidades de entre 4 y 7 metros.
La velocidad horizontal de entrada de agua bruta a través de las pantallas o bafles no debe ser superior a 0.3 m/s.
El depósito debe tener un resguardo de, al menos, 60 cm.
Las tasas de transferencia de oxígeno que se producen entre el nivel de agua más bajo y el nivel máximo se deben de tener
en cuenta para proporcionar siempre valores de OD superiores a 2 mg/L.
La aireación se puede realizar con difusores o con aireadores superficiales flotantes, dado que los niveles de agua son
variables.
Si se van a tener fases de nitrificación y desnitrificación es necesario que siga habiendo energía de mezcla en reactor y la
aireación se pare.
Una combinación interesante es el uso de difusores de membrana y aireadores con eyectores.
Los aireadores en superficie pueden ayudar a romper posibles costras de fango en superficie.
Dado que hay una fase en que se debe vaciar parte de volumen de agua del reactor (entre un 10 y un 50%, en unos 30-90
minutos) es necesario tener dispositivos especiales que permitan este flujo. Se suele disponer de dispositivos flotantes o
sistemas con posición controlada automáticamente (se aconseja que sean reparables sin tener que vaciar el tanque).
Interesa que el agua que salga lo haga lo más clarificada posible. En instalaciones pequeñas el punto de salida puede ser
una conducción a media altura (EPA, 1999).
Los vertederos flotantes tienen la ventaja de mantener sumergido el orificio de toma muy cerca de la superficie del agua
para minimizar la remoción de sólidos en el efluente durante el paso de Descarga. Los decantadores flotantes también
ofrecen flexibilidad operacional en respuesta a volúmenes variables de llenado y vaciado. Los decantadores fijos se instalan
en la pared del tanque y pueden ser empleados si se usa una fase extendida de Sedimentación. El extender esta fase
minimiza la posibilidad de que los sólidos en el agua residual floten sobre el decantador. En algunos casos los decantadores
fijos son menos costosos y pueden ser diseñados para permitir que el operador baje o suba su nivel. Los decantadores fijos
no ofrecen la flexibilidad de operación de los flotantes (EPA, 1999).
5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL
El proceso de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales industriales con compuestos de lenta o baja
biodegradabilidad, por ejemplo: efluente de operaciones de teñido de textil, suele funcionar con cargas másicas de 0.15 a
0.4 kg DQO/kg SSLM/d (Metcalf & Eddy, 2003).
El TRH típico es de 12 a 24 horas mientras que el TRC puede llegar hasta los 30 días (rango habitual: 10 a 20 días). El fango
en exceso puede ser deshidratado sin malos olores en eras o lechos de secado.
Los reactores SBR permiten una configuración que reduce la aparición de bulking filamentoso, que es uno de los problemas
frecuentes en las EDAR de industrias textiles que emplean fangos activos de baja carga como tratamiento biológico
(Nicolau and Hadjivassilis, 1992).
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Para optimizar el crecimiento biológico puede ser necesario la adición de nutrientes (N, P) mediante el uso de sistemas
convencionales de dosificación de productos químicos.
6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL
Dado que los elementos críticos de un sistema de SBR son los controles, las válvulas automáticas y los interruptores
automáticos, estos sistemas pueden necesitar un mayor mantenimiento que en los sistemas convencionales de fangos
activos. Un incremento en el nivel de sofisticación también significa que existen más elementos que pueden fallar o
requerir mantenimiento. El nivel de sofisticación puede ser muy alto en las plantas de tratamiento de SBR de mayor
tamaño, requiriéndose un alto esfuerzo de mantenimiento de las válvulas e interruptores automáticos.
7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN
En el ANEXO 4, titulado “PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR”, se presenta una tabla que revisa los problemas de
explotación de un SBR y plantea acciones correctivas (Fuente: University of Florida TREEO Center’s “Sequencing Batch
Reactor Operations and Troubleshooting Manual”.
REACTORES SECUENCIALES
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BIBLIOGRAFÍA
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process with joint sludge stabilization with connection values between 500 and 5.000 total numbers of inhabitants and
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CORTACÁNS, J.A. (2014). “Otros procesos de fangos activos. Aireación prolongada, doble etapa y procesos secuenciales”;
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CRITES, R. y G. TCHOBANOGLOUS. (2000). “Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones”. McGraw-Hill,
Interamericana, S.A., Santafé de Bogotá, Colombia. ISBN 958-1-0042-4.
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GIL-JORDANO, D. (2010). “Tecnologías para el tratamiento y depuración de las aguas residuales de pequeños y
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American Society of Civil Engineering/Environmental & Water Resources Institute. McGraw-Hill: New York.
WEF (2005). “Clarifier design”. Water Environment Federation Manual of Practice No. FD-8. 2nd Edition. McGraw-Hill: New
York.
REACTORES SECUENCIALES
ANEXO 1
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COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO
Tabla 1.- Comparación de criterios de diseño de fangos activos de baja carga.
Parámetro
Carga Másica, CM (kg DBO5/kg SSLM/d)
SSLM, X (mg/L)
Lodos en la recirculación, XR (mg/L)
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ANEXO 2
ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS
SUPERFICIE NECESARIA PARA REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS DE BAJA CARGA
En la siguiente tabla se presenta la demanda de superficie para un reactor biológico de fangos activos de baja carga para
diferentes tamaños de la industria textil expresado en términos del caudal medio de tratamiento. Se considera que habrá
un tanque de homogenización de caudales y concentraciones.
Las hipótesis generales de partida son:
•
•
Concentración DBO5 homogenizada = 300 mg/L
Concentración SSLM = 3.000 mg/L
El criterio principal de diseño es la carga másica que no será superior a 0.070 kg DBO5/kg SSLM/d.
La superficie necesaria depende del calado que se adopte para el licor mezcla del reactor. Ya que el método o sistema de
aireación condiciona el calado óptimo, vamos a adoptar para este ejercicio los siguientes calados:
•
•
Aireación de turbinas = 3 m
Aireación mediante difusores de fondo = 5 m
Así, se obtiene los siguientes resultados:
Tabla 1.- Estimación de superficie necesaria para reactor de fangos activos de baja carga en función del caudal a
tratar.
Calado (m)
3
5
Caudal
Volumen
Superficie
Superficie
(m3/d)
(m3)
(m2)
(m2)
20
28.6
10
6
200
285.7
95
57
1000
1428.6
476
286
2000
2857.1
952
571
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ANEXO 3
DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO
Figura 1.- Vertedero de recogida con altura variable.
http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html
Figura 2.- Vertedero de recogida con altura variable.
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Figura 3.- Vertedero de recogida con altura variable.
http://jinhaosanyang.en.alibaba.com/product/506790263213235317/SBR_CASS_pool_Revolving_water_decanter.htm
l
Figura 4.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR.
Catálogo “Sanitaire ICEAS Advanced SBR. Sanitaire is a trademark of Xylem Inc. or one of its subsidiaries. © 2013
Xylem, Inc. 1710. April 2013.
http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html
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Figura 5.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR.
Catálogo “Sanitaire ICEAS Advanced SBR. Sanitaire is a trademark of Xylem Inc. or one of its subsidiaries. © 2013
Xylem, Inc. 1710. April 2013.
http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html
Figura 6.- Croquis básico del vertedero de altura variable con flotador nivelados (también denominado
“decanter”)
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Figura 7.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR. EDAR Alcarrás (España) (GIL-JORDANO, D., 2010).
Figura 7.- Vista general de uma palnta de tratamento com SBR. EDAR La Jonquera (España) (GIL-JORDANO, D.,
2010).
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Figura 8.- “Decanter”por bombeo (GIL-JORDANO, D., 2010).
EDAR La Roca del Vallés ( Decantaer hidráulico
Figura 9.- “Decanter” hidráulico, con flotadores. EDAR La Roca del vallés (España) (GIL-JORDANO, D., 2010).
Figura 10. Croquis básico del funcionamento de um decánter hidráulico (GIL-JORDANO, D., 2010).
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ANEXO 4
PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR
Source: University of Florida TREEO Center’s Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual (2000).
SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART
PROBLEM OR
OBSERVATION
CONDITION
I. Loss of solids from
reactor due to a high
blanket
Poor sludge settling
velocity and
compaction
PROCESS CONTROL
ANALYSIS
SSVX, SSV5, SVI, diluted
SSVX, microscopic
examination,
NH3 - N, COD,
D.O., SOUR
POSSIBLE CAUSES
• Glutting (old sludge)
• Classic bulking
(young sludge)
• Filamentous bulking
• Slime bulking
• Foam Trapping
• Highly nitrified
or oxidized
• Toxicity
II. Rapidly settling
blanket leaving
particulate. Difficulty
in maintaining waste
concentration
Rapid sludge settling SSVX, SSV5, SVI, F/M, SOUR
velocity and
compaction
CONTROL ACTION
• Decrease MCRT.
• Increase MCRT.
• Identify conditions contributing to filamentous growth and
correct. See comments in narrative below.
• Add nutrients.
• Optimize pretreatment removal of oil and grease.
• Increase anoxic cycle, reduce aerobic cycle.
• High organic loading
• Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate,
increase aeration cycle, increase MCRT.
• Short-term, increase aerobic cycle; long-term, increase MCRT.
• Low F/M ratio
• Increase F/M ratio by decreasing MLVSS.
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SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART
PROBLEM OR
OBSERVATION
CONDITION
III. Turbid or cloudy
A.High effluent
MLSS, MLVSS, D.O., pH,
temperature,
Influent COD or TOC,
Influent NH3 –N, D.O.,
SOUR
•
•
•
•
•
B. High effluent NH3
Influent and process NH3 –
N, influent and process
alkalinity, pH, temperature,
SOUR, D.O.
•
•
•
•
effluent, disinfection
problems
BOD or TS
– N (Incomplete
nitrification)
PROCESS CONTROL
ANALYSIS
IV. High-effluent TSS
Individual
particle
washout
Effluent and recycle TSS
or
turbidity,
F/M,
microscopic exam, SOUR
V. High-effluent NO3 - N
High effluent NO3 –
N
NO3 – N, pH, TOC or COD
POSSIBLE CAUSES
Low MLSS or MLVSS
Low D.O., temperature or pH
High organic loading
High nitrogenous loading
Toxicity
CONTROL ACTION
•
•
•
•
•
Influent NH3-N overload
Low D.O.
Low temperature
Inadequate
aerobic retention
• Low pH or alkalinity
• Low MLVSS (nitrifiers)
• Toxicity
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pin floc – low F/M,
Pin floc – denitrification
Pin floc – solids recycle
Straggler floc – high F/M
Straggler floc – filamentous
Straggler floc – hydraulic
Individual bacterial cells
in effluent
• Lack of or inadequate
anoxic conditions
• Lack of or inadequate
carbon source
• Low pH, temperature or
Increase MLSS/MLVSS.
Increase aeration cycle in fill react, increase MLSS, add alkalinity.
If long-term, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle.
If long-term, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle.
Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate,
increase aeration cycle, increase MCRT.
Increase aerobic cycle.
Increase aerobic cycle.
Increase aerobic cycle.
Increase aerobic cycle.
• Add alkalinity.
• Increase MLVSS.
• Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate,
increase aeration cycle, increase MCRT.
Increase waste cycle, decrease MLSS.
Increase waste cycle, decease MLSS, increase anoxic cycle.
Optimize solids handling.
Decrease waste cycle, increase MLSS, increase aeration cycle.
Identify filamentous organism (see filamentous control above).
See mechanical troubleshooting section.
Decrease waste cycle, raise MLSS, increase aeration cycle, if
toxicity remove source of toxic influent
• Increase anoxic cycle (may require decreasing oxic cycle).
• Add carbon (methanol or acetic acid).
• Add alkalinity, increase MCRT.
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SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART
PROBLEM OR
OBSERVATION
VI. Difficulty in
maintaining chlorine
residual
CONDITION
Chlorine (Cl2)residual
fluctuation, no
chlorine residual
PROCESS CONTROL
ANALYSIS
Cl2 residual, supernatant
NH3-N., NO2-N, turbidity
or TSS
POSSIBLE CAUSES
• Incomplete
nitrification/denitrificatio
n resulting in high NO2N in supernatant.
• High TSS in supernatant
• Reducing agents
in supernatant
VII. High fecal coliform
Sufficient chlorine
(Cl2)residual, but
high fecal coliform
values
Supernatant TSS, free and
total Cl2 residual,
supernatant NH3-N,
theoretical and actual
CCC detention time
VIII. Foam
Excessive foam or
scum on surface of
SBR, flow EQ tank
or chlorine contact
chamber
Microbiological
examination, NO3-N, C-N-P
ratio, SRT, oils and grease,
D.O.
values
CONTROL ACTION
• High NO2-N in supernatant will result in increased demand.
Optimize nitrification and denitrification processes.
• High TSS in supernatant will result in increased demand. See
Problems I, III, IV.
• Reducing agents such as H2S, Fe, Mn in supernatant. Investigate
source and eliminate. Increase chlorine feed rate to overcome
demand.
• Excessive TSS in supernatant • High TSS in supernatant can result in “blinding” of disinfection
process. See Problems I, III, IV.
• Calculate the theoretical CCC detention time. Conduct dye
• Short circuiting of
testing to determine actual detention time.
chlorine contact
• If there is no NH3-N in effluent but organic nitrogen is present,
• Chloro-organic compounds
then false residual (DPD)may be present due to formation of
chloro-organic compounds. Use free chlorine to establish residual
not total chlorine. Reduce aeration cycle to de-optimize
nitrification rate.
• Excessive filamentous
bacteria.
• Denitrification
• Nutrient deficiency
• SRT
• Fats, oil or grease
• Overaeration
• The presence of hydrophobic filamentous bacteria may lead to
excessive scum and foam. See section I.5.
• Denitrification can result in sludge and foam on surface of SBR.
• Foam may also indicate a possible nutrient deficiency. This type of
foam may be due to bacteria producing a natural polymer when
subjected to nutrient deficient conditions for an excessive period
of time.
• Both too low and too high an SRT can cause foam problems.
• Fats, oils grease and other non-degraded surface active organics
can cause foam problems.
• Excessive (D.O. > 4.0 mg/L) may cause foaming.