Tratamientos anaerobios Biothane para aguas residuales industriales

ARTÍCULOS
Resumen
El tratamiento anaerobio es un proceso contrastado y eficiente para depuración de aguas residuales industriales con elevada carga orgánica. Bajo
consumo energético, baja producción
de fangos, reducida superficie de implantación, bajo consumo de productos químicos y reducción de los costes de tratamiento son algunas de las
ventajas que presentan los procesos
anaerobios frente a tratamientos aerobios. Además, la generación del biogás
producido en el tratamiento anaerobio
puede ser aprovechada como fuente de
energía renovable. En este artículo se
describen los distintos reactores anaerobios desarrollados por Biothane,
como centro de competencia tecnológico dentro de Veolia Water Solutions
& Technologies.
TÉCNICOS
Tratamientos anaerobios
Biothane para aguas residuales
industriales
Por: Silvia Monge, ingeniera de Procesos de la División Agua Residual Industrial;
Juan Carlos Rodrigo, director técnico de la División Agua Residual; Joan
Sanz, director técnico
Veolia Water Solutions & Technologies Ibérica (VWSI)
Polígono Industrial Santa Ana
C/ Electrodo, 52 - 28522 Rivas Vaciamadrid (Madrid)
Tel.: 916 604 000 - Fax: 916 6667 716
E-mail: [email protected] - www.veoliawaterst.es
Palabras clave:
Agua residual industrial, tratamiento
anaerobio, Biobed EGSB, Biothane
UASB.
325 / DICIEMBRE / 2010
Abstract
Biothane anaerobic industrial wastewater treatment
Anaerobic treatment is a proven and
energy efficient way to clean high
loaded industrial wastewater. Low
energy use, a small reactor footprint,
lower chemical usage as well as low
sludge production and no sludge handling costs are advantages for this technology over aerobic alternatives. Furthermore, biogas is produced during
anaerobic treatment which can be used
by the industry as a renewable energy
source to replace part of the fossil fuel
use. Anaerobic Biothane alternatives
(Veolia Competence Center) are described in this article.
Keywords:
Industrial
wastewater,
anaerobic
treatment, Biobed EGSB, Biothane
UASB.
52
E
1. Introducción
n los procesos de biodegradación, por vía anaerobia, de
la materia orgánica presente
en el efluente residual, esta se convierte básicamente en biogás, especialmente en metano (70-90%) y
dióxido de carbono (10-30%). El
ratio de conversión anaerobia depende de:
– La naturaleza de la materia orgánica (composición del agua residual).
– La biomasa anaerobia, concentración y capacidad de adaptación.
– La mezcla y tiempo de contacto de
la materia orgánica y la biomasa.
– Los factores medioambientales
(pH, temperatura, nutrientes, etc.).
Para optimizar el rendimiento del
proceso deben considerarse las condiciones del proceso microbiológico,
tales como la temperatura del proceso, el pH, los nutrientes, las sustancias tóxicas y otros factores ambientales. Tanto en el diseño como
en la operación, las condiciones de
proceso deberán ser controladas y
optimizadas para alcanzar los valores óptimos de rendimiento.
Con el tratamiento anaerobio los
compuestos orgánicos son reducidos
a gas metano mediante el empleo de
bacterias anaerobias en ausencia de
oxígeno. En estos tratamientos el
consumo de energía se reduce hasta
10 veces respecto a los procesos aerobios. Existen distintas opciones
para el aprovechamiento energético
del biogás. Las principales son el
aprovechamiento directo en una caldera o la alimentación a una unidad
de cogeneración, donde se produce
energía eléctrica y térmica, pudiendo crear incluso un balance energético positivo. En consecuencia, proporciona una reducida huella de
carbono frente a otras posibles alternativas.
Las plantas basadas en tecnología
anaerobia son compactas y con menor requerimiento de espacio frente
a la depuración por vía aerobia: la
carga volumétrica de diseño puede
estar comprendida entre 10 y 25 kg
DQO/m3/día frente a cargas máxi-
TECNOLOGIA DEL AGUA
TA325 AT VEOLIA.indd 52
29/12/10 12:23
ARTÍCULOS
TÉCNICOS
Figura 2. Biomasa granular anaerobia.
Figura 1. Distribución de la aplicación de la tecnología Biotahne según los sectores de actividad industrial.
2. Alternativas Biothane
Biothane es una de las principales
compañías en el tratamiento biológico de aguas residuales para la industria a nivel mundial, con más de 35
años de experiencia y de 500 instalaciones para dar servicio a diferentes
sectores industriales. El desarrollo de
los procesos anaerobios Biothane
surgió a partir de la investigación en
las necesidades de tratamiento de los
efluentes de las empresas productoras
de azúcar de remolacha en Holanda.
A partir de entonces, Biothane ha
desarrollado y patentado dos tecnologías principales para el tratamiento
del agua residual industrial: Biothane
UASB (media carga) y Biobed EGSB
(alta carga). En la Figura 1 se recogen los principales sectores de aplicación de la tecnología Biothane, que
son: bebidas, industria cervecera,
alimentación, pasta y papel.
2.1. Biothane UASB
y Biobed EGSB: principio
de funcionamiento
Existen diferentes tipos de configuraciones de reactor en función del
desarrollo de la biomasa anaerobia:
procesos anaerobios de contacto, filtros anaerobios (con medio soporte)
o reactores de biomasa granular. De
entre todos los procesos anaerobios
existentes basados en tecno-logía de
biomasa granular compacta los procesos Biothane UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blancket)
y Biobed EGSB (Expanded Granular
Sludge Bed) tienen por su concepción
y buen funcionamiento una alta acep-
325 / DICIEMBRE / 2010
mas del orden de 2,0 kg DQO/m3/
día en los tratamientos aerobios. En
los procesos anaerobios se reduce
sustancialmente la producción de
fangos en exceso (típicamente 1-3%
de la DQO biodegradada). Además,
presentan la ventaja de poder incluso valorizarse en el mercado, como
siembra en los reactores para la
puesta en marcha en otras plantas,
por lo que se reduce de forma significativa el coste asociado al tratamiento de lodos.
En este contexto, a continuación
se describen distintas alternativas
desarrolladas por Biothane, empresa
holandesa perteneciente a Veolia
Water Solutions & Technologies,
para el tratamiento anaerobio de
aguas residuales industriales con
elevadas concentraciones de DQO.
tación en el mercado. Ambas tecnologías utilizan bacterias anaerobias
que crecen en un medio granular sin
la necesidad de utilizar soportes y
permiten eliminar la DQO transfomándola en biogás. En la Figura 2
se presenta la biomasa granular (izquierda) y una fotografía al microscopio (derecha).
La línea de proceso general para
ambos procesos se compone de dos
etapas principales: acondicionamiento y biodegradación anaerobia.
En la Figura 3 se presenta un esquema de la línea básica de proceso.
Para alcanzar el nivel de crecimiento óptimo de la biomasa anaerobia, como primera etapa se acondiciona el influente con un ajuste de
pH y temperatura, dosificando a su
vez los nutrientes necesarios para
favorecer la reacción biológica. En
dicho tanque se mezcla el influente
con el agua tratada recirculada del
reactor anaerobio. Una vez acondicionada, el agua residual es bombeada en continuo y a caudal constante
al reactor biológico. El agua residual
se alimenta por la parte inferior del
reactor a través de un sistema de
distribución especialmente diseñado
53
Figura 3. Línea de proceso general.
TECNOLOGIA DEL AGUA
TA325 AT VEOLIA.indd 53
29/12/10 12:23
ARTÍCULOS
TÉCNICOS
Tabla 1
Parámetro
Carga de diseño
Unidades
Biothane UASB
Biobed EGSB
kg DQO/m día
10 - 15
15 - 25
m
5,5 - 6,5
12 - 20
+/-
++
< 15
Altura
3
Componentes tóxicos
Velocidad líquido separador
m/h
1,0 - 1,5
Velocidad líquido reactor
m/h
0,3 - 1,0
< 6,0
Velocidad gas reactor
m/h
< 1,0
< 7,0
+
++
Área requerida
Tabla 1. Comparativa de las tecnologías Biothane UASB y Biobed EGSB.
efluente abandona el reactor para su
vertido al colector o bien conducido
hacia un tratamiento aerobio complementario posterior. De hecho, uno
de los parámetros de diseño más
importantes en ambos reactores es
la velocidad ascensional superficial
máxima en el decantador. Además,
los dos reactores se basan en el mismo principio de funcionamiento,
pero difieren en términos de geometría, parámetros de proceso y materiales de construcción (Tabla 1).
3. Reactor Biothane UASB
El proceso Biothane UASB
(Upflow Anaerobic Sludge Blancket)
fue desarrollado inicialmente por el
grupo CSM (Dutch Central Sugar
Mills) y la Universidad Holandesa
de Agricultura de Wageningen en los
años 70. La Figura 4 muestra una
sección de este reactor, en el que se
disponen dos zonas de biomasa
granular responsables de la biodegradación de la DQO: la zona de alta
concentración granular (lecho de
4. Reactor Biobed EGSB
Las mejores características de la
tecnología UASB y de la tecnología
de lecho fluidizado se combinan en
el proceso Biobed EGSB (Expanded
Granular Sludge Bed), que también
es ampliamente aceptado como BAT
(Best Available Technology) para el
tratamiento de aguas residuales por
vía anaerobia.
El cuidado diseño del reactor
Biobed EGSB le permite trabajar
con cargas de eliminación y velocidades ascensionales muy elevadas,
que se obtienen gracias a la incorporación de un nuevo separador de
fases, para cuyo desarrollo se ha
establecido una valiosa colaboración
con el prestigioso centro de hidráulica Delft Hydraulics en Delft (Ho-
325 / DICIEMBRE / 2010
para alcanzar una distribución homogénea ascendente en toda la sección del reactor.
El agua residual fluye a través del
lecho de biomasa anaerobia constituida por gránulos con un diámetro
de unos 2-4 mm. Este medio granular tiene una densidad de 40-80 kg
de sólidos secos/m3, lo que le proporciona una velocidad de sedimentación elevada (> 50 m/h). Además,
la buena decantabilidad de los gránulos de biomasa anaerobia permite
alcanzar elevadas concentraciones
de biomasa dentro del reactor, reduciendo las necesidades volumétricas
del mismo.
En el lecho de biomasa se produce la conversión de DQO en biogás.
En ambos tipos de reactores, la mezcla de lodos, biogás y efluente se
separan en el separador de fases (o
decantador), especialmente diseñado
para ello y situado en la parte alta
del reactor. El biogás se recoge en
la parte superior, la biomasa retorna
a la parte activa del reactor y el
lodos) que ocupa la parte baja del
reactor; y el llamado ‘manto de lodos’, que se desarrolla encima del
lecho granular. La mayor parte de la
degradación tiene lugar en el ‘manto de lodos’. La clave de esta tecnología es la alta concentración de
biomasa en el reactor, que se consigue gracias al diseño del separador
de fases. Las cargas volumétricas de
tratamiento para los reactores Biothane UASB están en un rango de
10-15 kg DQO/m3 día.
La altura del medio granular en
los reactores Biothane UASB varía
entre 1-2 m, aunque estos reactores
en sí, típicamente rectangulares o
cuadrados, cuentan con una altura
media de 6 m y están construidos en
obra civil (Figura 5).
54
Figura 4. Sección del reactor Biothane UASB.
Figura 5. Reactor Biothane UASB construido en obra civil.
TECNOLOGIA DEL AGUA
TA325 AT VEOLIA.indd 54
29/12/10 12:24
ARTÍCULOS
landa). Una de sus principales características es que permite trabajar
con una carga hidráulica muy superior a la del separador del reactor
Biothane UASB, cuya velocidad
máxima admisible en el separador
es de 1-1,5 m/h, mientras que el límite en el separador Biobed EGSB
es de 15 m/h. A su vez, la altura de
este último reactor depende de la
altura del lecho de fango, que puede
variar entre 7 y 14 m, circunstancia
que sitúa la altura típica del reactor
entre 12 y 20 m. Estas características
hidráulicas permiten la construcción
de reactores altos y esbeltos con escasa ocupación de espacio. La Figura 6 muestra una sección de este
reactor.
Además, el diseño de estos reactores ofrecen la máxima estabilidad,
flexibilidad y capacidad gracias al
control de su recirculación externa,
característica que permite una operación flexible, una mezcla eficiente
y un uso óptimo de la biomasa
disponible, asegurando en todo
momento una carga mínima de biomasa. Estos reactores pueden construirse en PRFV o en acero (con
recubrimiento epoxy o en acero
Figura 7. Reactor Biobed EGSB.
inoxidable) en función de las necesidades de la instalación y las especificaciones de cada caso (Figura
7). En su interior no se incluyen partes complejas o rotatorias que deban
mantenerse, siendo además sistemas
completamente cerrados, con emisión cero de olores, pudiendo operar
en condiciones de sobrepresión, lo
que simplifica la línea de biogás.
5. Selección del tipo
de reactor
Aunque el principio de funcionamiento de ambos reactores sea similar, las diferencias en los parámetros
de proceso y geometría hacen que
en función de la aplicación sea más
indicado el uso de un reactor Biothane UASB o de un reactor Biobed
EGSB.
En industrias donde las aguas residuales contengan elevado contenido en sólidos (> 500 mg/l), como la
industria del procesado de la patata,
interesa el uso de reactores Biothane
UASB, que se caracterizan por tener
tiempos de retención mayores que
en el proceso Biobed EGSB. Consecuentemente, con el primer tipo
de reactor se genera una mayor eli-
minación de sólidos en suspensión
y, por tanto, en una eficacia global
mayor en términos de eliminación
de DQO.
El proceso Biobed EGSB ha sido
diseñado principalmente para la eliminación de la DQO soluble, típicamente elevada en las industrias
cerveceras y alimentarias. Además,
sus buenas propiedades hidráulicas
hacen posible la aplicación del
efluente anaerobio para realizar la
dilución del agua residual bruta. Este
hecho es una ventaja del proceso por
cuanto ciertos componentes tóxicos
pueden dejar de serlo por efecto de
la simple dilución (por ejemplo formaldehído). Esto hace que el tratamiento pueda ser utilizado en condiciones difíciles, incluyendo los
efluentes residuales generados por
la industria química y farmacéutica.
5.1. Desarrollo de plantas
modulares
Como consecuencia de la implantación del proceso Biobed EGSB en
la industria se ha desarrollado una
gama de plantas modulares, denominadas Biobed MP (Modular
Plant), que permiten obtener una
325 / DICIEMBRE / 2010
Figura 6. Sección reactor Biobed EGSB.
TÉCNICOS
55
TECNOLOGIA DEL AGUA
TA325 AT VEOLIA.indd 55
29/12/10 12:24
ARTÍCULOS
TÉCNICOS
Los procesos
analizados tratan
las aguas residuales
industriales con
alto contenido
en materia orgánica
Figura 8. Planta modular Biobed MP.
325 / DICIEMBRE / 2010
Figura 9. Planta piloto y laboratorio de análisis
en Biothane International (Delft, Holanda).
56
gran flexibilidad en su diseño (Figura 8), por lo que se gana tiempo
en la elaboración del proyecto y
montaje, además de reducir los costes económicos. Existen dos tipos
de reactores prefabricados, con volúmenes de 50 y 120 m3. Las plantas
Biobed MP están formadas por dos
unidades:
– El módulo reactor Biobed (50 o
120 m3).
– El módulo de servicio para acondicionamiento del agua residual.
Estos sistemas son capaces de
tratar hasta 1.000 kg DQO/día por
módulo de reactor para un caudal
máximo de 480 m3/día. La planta
puede admitir hasta seis reactores en
operación con el mismo módulo de
servicio. Se trata de equipos compactos rápidos de instalar, de medidas estándar para transporte en contenedor de 40 pies, tanto para uso
temporal como permanente.
5.2. Herramientas
de soporte
El diseño y operación de los reactores anaerobios en la depuración de
las aguas residuales industriales pre-
cisa de una serie de servicios asociados orientados a la optimización,
tanto en la fase de estudio y construcción como en la fase de operación. Biothane, desde su centro tecnológico en Delft, ofrece una serie
de herramientas disponibles que cubre desde los análisis básicos del
agua residual (Figura 9, derecha)
para la caracterización básica del
agua residual, toxicidad, etc., hasta
plantas piloto a escala de laboratorio
(Figura 9, izquierda), planta de demostración a escala industrial para
estudios in situ, protocolos de operación y mantenimiento, y formación
de los futuros operadores de planta.
6. Conclusiones
Con los procesos anaerobios en
medio granular Biothane UASB y
Biobed EGSB, la empresa Biothane
ofrece un tratamiento de depuración
de agua residual industrial que incorpora la experiencia adquirida con
la implantación de más de 500
EDAR, en las que se ha afrontado
un amplio abanico de problemas en
diferentes sectores industriales. Estos procesos están establecidos como
una buena tecnología de tratamiento
de aguas residuales por vía anaerobia en industrias con alto contenido
en materia orgánica (por ejemplo de
alimentación y bebidas, industria
cervecera, papeleras y otros). Sus
características particulares de diseño
y operación los hacen especialmente interesante por presentar unos
costes de operación reducidos (bajo
consumo energético con aprovechamiento del biogás producido) frente
a otras alternativas de tratamiento.
7. Bibliografía
[1] Biobed EGSB technology for
Latvian Brewery: http://www.
veoliawaterst.com/biobedegsb/en/modular-package.htm.
[2] Borghans, A.J.M.L.; Van Gils,
W.M.A.; Huisman, B.C.; Wind,
E. ‘10 years of experience of
the full scale anaerobic
treatment of sugar industry
waste water in the Netherlands
with Biothane’.
[3] Hehuwat, J. ‘Biobed EGSB Modular Plant at PT Bayer Indonesia. State of the art solution for
high concentrated-small scale
industrial wastewaters’. Biothane Asia Pacific BV.
[4] Housley, J.N.; Zoutberg, G.R.
(1994). ‘Application of the Biothane wastewater treatment
system in the soft drinks ndustry’. J IWEM, 8 June.
[5] Indriasari, R.; Hehuwat, J.
‘Application of anaerobic waste water treatment technology
in the diary industry’. Biothane
Asia Pacific, Indonesia.
[6] Metcalf; Eddy (2003). ‘Wastewater engineering treatment
and reuse’. McGraw-Hill.
[7] Otten, M. (2001). ‘Application
of anaerobic technology in the
chemical industry’. Asia Aquatech, Bangkok.
[8] Radigan, P.; Versprille, A.; Korthout, D. (2002). ‘High rate
anaerobic treatment for bakery
yeast wastewater in Chile’.
[9] Risse, H.; Datschewski, P.; Ratingen. ‘Joint anaerobic pretreatment of wastewaters from
paper and pulp production’.
[10] Biothane Systems International
(2000). ‘The Biothane UASB
process’. Delft, Holanda.
[11] Water Technology (2001).
‘Glen ord distillery - Biobed
modular plant’. http://www.
water-technology.net/projects/
glen_ord/specs.html.
[12] Zoutberg, G.R.; Flick, M.G.
(1998). ‘Anaerobic treatment of
wastewater in the potato processing industry’. Potato Business
World, September-October.
TECNOLOGIA DEL AGUA
TA325 AT VEOLIA.indd 56
29/12/10 12:24