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REACTORES BIOPELÍCULA DE LECHO MÓVIL: ESTADO DEL ARTE
Mirian Álvarez y Dimas Mavares
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”, Vicerrectorado Barquisimeto
[email protected], [email protected]
RESUMEN. En este artículo se presenta un panorama del estado actual de los procesos biopelícula de lecho
móvil y se hace una revisión de los principales trabajos sobre la aplicación de este proceso al tratamiento de
aguas residuales. Con objeto de establecer la posición de esta tecnología dentro del área de tratamiento de
aguas residuales, se describen brevemente las principales tecnologías de tratamiento biológico establecidas
hasta la fecha, y se comparan las prestaciones y limitaciones de estas respecto a los procesos de lecho móvil.
Adicionalmente, se citan los estudios más relevantes relativos a la caracterización y aplicabilidad de esta
tecnología. Los estudios que se realizan en la UNEXPO respecto al tratamiento de aguas residuales urbanas
usando procesos biopelícula de lecho móvil permiten avanzar hacia la aplicación en Venezuela de esta
tecnología como alternativa a las grandes plantas de tratamiento tradicionales.
Palabras clave: Tratamiento de aguas, reactor biológico, lecho móvil, biopelícula.
MOVING-BED BIOFILM REACTORS: STATE OF THE ART
ABSTRACT. This paper offers an overview on the state of the art of moving bed technology applied to
wastewater treatment. In order to clarify the impact of this technology in the field of wastewater treatment,
main biological treatment techniques are shortly discussed, comparing their scope and limitations with those
of moving bed technology. Finally, main papers about characterization and applications of the moving bed
technology are reported.
Keywords: wastewater treatment, biological reactor, moving bed, biofilm.
Este manuscrito fue recibido en Barquisimeto en octubre de 2014 y aprobado para su publicación en mayo de 2015. Mirian Álvarez,
Profesora del Departamento de Ingeniería Química. Dimas Mavares, Profesor del Departamento de Ingeniería Electrónica.
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1. INTRODUCCIÓN
La tecnología más utilizada para el tratamiento secundario de aguas residuales está basado en el
proceso de fangos activos (FA), proceso biológico en cual se oxida la materia orgánica con
consumo de cantidades importantes de energía (en la oxigenación) y generación de lodos
orgánicos que posteriormente hay que tratar. El proceso FA se lleva a cabo en tanques aireados
donde las aguas residuales permanecen durante cierto tiempo agitadas en contacto con los
microorganismos. El licor mezcla pasa posteriormente a un tanque de decantación, donde los
flóculos microbianos son separados del agua tratada por sedimentación. Parte de los lodos
decantados es recirculada al tanque de aireación, mientras que el resto es tratado en la línea del
fango. Los sistemas de depuración por FA son sencillos y económicos, pero están muy
condicionados por la capacidad de retención de la biomasa, de la que dependen el tiempo de
retención celular y la concentración de microorganismos en el sistema. Esta capacidad depende a
su vez del rendimiento en la decantación, son muy sensibles a los choques de carga hidráulica y
de las características de sedimentabilidad del fango (uno de los problemas de explotación más
extendidos es la aparición de esponjamiento filamentoso, que provoca el arrastre de sólidos en el
agua tratada). Los procesos "biopelícula", en los que los microorganismos en contacto con el
agua residual están adheridos a un material soporte fijo, obvian estas dificultades y permiten
obtener sistemas más compactos y eficientes. Las ventajas observadas en estos procesos, frente a
los descritos anteriormente, son un esporádico y fácil mantenimiento, su tolerancia a las
variaciones de carga aplicada y una menor producción de sólidos [1]
Los principales procesos biopelícula son los lechos bacterianos (o "filtros percoladores"), los
contactores biológicos rotatorios (o "biodiscos"), los filtros biológicos aireados (o "biofiltros") y
los reactores de lecho sumergido fijo. Los lechos bacterianos consisten en depósitos rectangulares
o circulares rellenos con material poroso de tamaño uniforme (piedras, plásticos lisos, plásticos
corrugados) donde el agua residual es aplicada de manera continua o intermitente desde un
distribuidor situado por encima del lecho, sin llegar a inundarlo. Las microorganismos crecen en
el soporte formando una biopelícula y el agua es purificada biológicamente mientras percola
hacia la parte inferior. El oxígeno necesario para los procesos aerobios se aporta mediante
ventilación natural o bien forzada, a través de los espacios interparticulares libres. El principal
inconveniente de los lechos bacterianos, además del requerimiento de grandes superficies de
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contacto para mantener a niveles operacionalmente aceptables el tiempo de retención, es la
posibilidad de atascamiento por crecimiento excesivo de la biopelícula que provoca un severo
deterioro de su funcionamiento. En los contactores biológicos rotatorios el material soporte es
plástico en forma de discos o agrupados en torno a un eje dando lugar aún volumen cilíndrico que
se mantiene sumergido parcial en el agua residual. Este cilindro gira sobre su eje de tal manera
que los microorganismos que se desarrollan sobre la superficie del material entran en contacto en
forma alterna con el agua residual y el oxígeno del aire, degradando así los contaminantes del
agua. Los grandes esfuerzos generados en este movimiento giratorio suelen ocasionar problemas
mecánicos.
Los filtros biológicos aireados son reactores donde el medio soporte está formado, generalmente,
por partículas esféricas de diferentes tamaños, con una superficie rugosa que permite el desarrollo
de una biopelícula. El tamaño de las partículas (con diámetros entre 3 y 8 mm) permite la
retención de los sólidos que entran en el sistema a lo largo de la profundidad del lecho (de hasta
4m). Estos reactores requieren de un dispositivo de aireación para suministrar el oxígeno desde el
fondo del filtro, y tienen un funcionamiento obligatoriamente interrumpido por los retrolavados.
Los reactores de película fija se desarrollaron partiendo de reactores FA para resolver el
problema de colmatación del relleno. Los reactores aerobios de lecho sumergido fijo (RALSF),
constan de un medio soporte fijo que se mantiene totalmente sumergido en el seno del líquido a
tratar. Como en los sistemas anteriores, se requiere una aireación artificial para suministrar el
oxígeno necesario para la degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos.
En estos reactores es difícil el reparto homogéneo de la carga a tratar sobre la superficie de los
soportes. Integrando los procesos biopelícula con los de FA se desarrollaron los procesos híbridos
de lecho fluidizado (conocidos como "FBR", del inglés "fluidized biofilm reactor") y de lecho
móvil ("MBBR", del inglés "moving bed biofilm reactor"), que combinan varias tecnologías para
optimizar el tratamiento biológico. Introduciendo soportes sobre los que el fango en suspensión
puede adherirse se logra aumentar la cantidad de biomasa disponible en los FA convencionales.
Distintos sistemas de este tipo se han empleado para la eliminación de carbono orgánico,
nitrógeno y fósforo tanto en aguas residuales municipales como industriales [2], [3]. En los
reactores de lecho fluidizado el agua a depurar se bombea junto con parte del efluente, que se
recircula, de forma ascendente a través de un lecho formado por partículas pequeñas a una
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velocidad suficiente como para lograr la expansión del mismo. Es en este momento cuando el
relleno presenta un área específica máxima, favoreciendo la adherencia de la biomasa y su
crecimiento. La principal limitación de estos reactores es su inestabilidad hidráulica. En los
MBBRs, el soporte de la biopelícula está formado por pequeñas piezas suspendidas,
generalmente de material plástico, que son movidas continuamente por acción del aire o por
acción mecánica. Este movimiento permite reducir drásticamente el riesgo de obstrucción del
lecho, así como el riesgo de cortocircuito líquido y la creación de caminos preferenciales, además
de dar flexibilidad al proceso, al poder variar el área superficial efectiva disponible mediante la
morfología
y el número de soportes. Otra mejora al sistema clásico de depuración es el
Bioreactor de Membranas (MBR), en donde se combinan dos procesos básicos: degradación
biológica y filtración por membranas. En estas unidades de depuración los sólidos y
microorganismos responsables de la degradación son separados del agua depurada mediante una
unidad de filtración por membrana, que reemplaza el decantador secundario. Esta tecnología
permite retener toda la biomasa en el sistema manteniendo así altas concentraciones de la misma,
así como la desinfección del efluente. Adicionalmente, es posible retener compuestos orgánicos
complejos y degradarlos. En los últimos años se han puesto en operación numerosas plantas a
escala real que introducen esta tecnología en combinación con procesos de FA. Como mejora de
los mismos se plantean hoy en día los bioreactores de membrana de lecho móvil, basados en la
introducción de membranas en sustitución del decantador en procesos de lecho móvil. En
compensación por el aumento de los costos por el uso de soportes para la formación de la
biopelícula, sus ventajas serán: una menor concentración de sólidos en las membranas, capacidad
de unir nitrificación y desnitrificación en el mismo reactor (a lo largo del espesor de la
biopelícula) y una menor producción de fangos.
En este reporte se hace una revisión de los procesos convencionales de lecho móvil, citando las
investigaciones principales realizadas hasta el momento. A continuación se presentan los
fundamentos de la tecnología de lechos móviles, sus ventajas y desventajas frente a otras
tecnologías y se exponen las características de los tipos de soporte más empleados. Luego se
describen los estudios más relevantes sobre caracterización y aplicabilidad de los MBBRs en
diferentes condiciones, así como estudios comparativos entre diferentes soportes y entre sistemas
que emplean esta tecnología y otras. Finalmente se presentan las conclusiones más relevantes de
esta reseña.
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2. PRINCIPIOS DE LA TECNOLOGÍA DE LECHO MÓVIL
La tecnología de MBBR se propuso en los años noventa [1,2], y desde entonces se han construido
más de 100 plantas de tratamiento usando estos reactores en al menos 17 países en distintos
continentes, usadas para diferentes tratamientos de aguas municipales e industriales, así como
para la eliminación de materia orgánica, nitrificación y eliminación de nitrógeno. La tecnología
de lechos móviles combina los sistemas de fangos activos y los sistemas tradicionales de
biopelícula. El proceso utiliza soportes de plásticos suspendidos en continuo movimiento en el
reactor, el cual es producido por aireación o agitación mecánica, mientras que en la superficie de
los soportes crecen los microorganismos activos. La suspensión y distribución de los soportes
crean una amplia área superficial y el movimiento evita el atascamiento. Por otra parte, el riesgo
de cortocircuito líquido o la creación de caminos preferenciales desaparecen. El proceso es
flexible y adecuado para el tratamiento de efluentes urbanos e industriales.
Como ventajas de los reactores de lecho móvil frente a los procesos biológicos convencionales
podemos citar: reducción del tamaño del reactor biológico (debido al empleo de soportes que
proporcionan una alta superficie especifica para el crecimiento de la biomasa), flexibilidad para
modificar la superficie específica en función del porcentaje de soportes empleado, ausencia de
recirculación de fangos al reactor biológico (evitando la formación de esponjamiento (“bulking”)
filamentoso), sencillez en la operación y control del proceso, reducción de los atascamientos y
operación a cargas elevadas. Las principales desventajas de los lechos móviles para la remoción
de nutrientes biológicos son los costos de inversión para el material soporte y la necesidad de
operación a altos niveles de DO para mantener altas tasas de nitrificación, lo cual puede ser difícil
de lograr con aguas residuales a altas temperaturas. Desde el punto de vista microbiológico la
principal ventaja de los sistemas de lecho móvil es el desarrollo de una biomasa muy
especializada que puede adaptarse a diferentes condiciones de operación (aerobias, anaerobias y
anóxicas).
Entre los factores que afectan el comportamiento de los reactores de lecho móvil están el área
específica del soporte, el flujo y el mezclado. Una alta área específica del soporte permite altas
concentraciones de biopelícula en reactores de menor volumen, reportándose concentraciones
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típicas de biopelícula que van de 3000 a 4000 g SST/m3 [2], valores similares a los obtenidos en
procesos FA con altas edades de lodo, lo que supone una tasa de eliminación mayor que la de
proceso FA. Un porcentaje de volumen de llenado del reactor típico es de 67% [2], dependiendo
este de las características del agua residual y de las metas específicas de tratamiento. Un
adecuado mezclado hace al sistema más eficaz debido a la conservación de la velocidad requerida
para el funcionamiento del sistema. La naturaleza de los soportes exige el desarrollo de una
biopelícula muy delgada y uniformemente distribuida para permitir el transporte de sustrato y
oxígeno a la superficie de la biopelícula. La turbulencia juega un papel muy importante, ya que
permite mantener el espesor adecuado de la biopelícula y elimina el exceso, pero no debe ser
excesivamente fuerte pues provocaría desprendimiento de la misma.
Actualmente existen en funcionamiento más de 400 plantas de tratamiento de aguas de gran
escala basadas en el proceso MBBR en 22 países diferentes alrededor del mundo.
Adicionalmente, hay varios cientos de pequeñas plantas para tratamiento ’in situ’, la mayoría en
Alemania. Más de 50 plantas MBBR están operando en granjas comerciales de pescado y varios
cientos de pequeños sistemas MBBR se usan para peces ornamentales [4]. Entre las principales
aplicaciones tenemos: plantas de tratamiento de aguas servidas, ampliación de plantas existentes,
industria de alimentos avícolas, industria de leche y derivados, mataderos, industria de carnes y
embutidos, papeleras, vitivinícolas, refinerías, industria farmacéutica, etc. En la Tabla 1 se
muestran los parámetros de operación típicos de los MBBRs.
Tabla 1 Parámetros de operación típicos de MBBRs [4,6].
VARIABLE
Media
RANGO
Diámetro Medio (mm)
7-15
Longitud Media (mm)
10-15
Area superficial especifica
160,490-7700
2
3
(m /m )
60-70
Fracción de relleno(%)
Tiempo de contacto (hr.)
2-5
Tasa de carga
4-5
3
DBO(KgDBO/d. m )
Retrolavado
nunca
Pérdidas máxima de carga
insignificante
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3. CARACTERÍSTICAS DE LOS SOPORTES
La utilización de soportes en los MBBRs confiere flexibilidad al sistema y permite aumentar la
capacidad del sistema sin incrementar el volumen del tanque del reactor.
Las características que debe reunir el medio soporte son las siguientes: alta relación áreasuperficie alta, porcentaje de ocupación del medio no superior al 70% (se necesita disponer de
espacio para el movimiento constante por la aireación óptima), diámetro de paso suficientemente
grande (para evitar la oclusión por elementos o bolas de suciedad), diseño que favorezca el
movimiento, permisividad al flujo de agua a través y en torno del portador, material inerte,
resistente a la corrosión y al ataque químico, bajo coste por unidad de área, densidad próxima a la
del agua (de forma que se reduzca al máximo cualquier movimiento ascensional o de descenso
inducido por el peso y volumen del portador), adecuada resistencia mecánica (resistencia a la
deformación), superficie protegida en su mayor parte para el crecimiento de bacterias, superficie
hidrófila (para que las bacterias se sitúen y crezcan sobre la superficie del portador), buen
comportamiento hidrodinámico (el flujo de agua a través y en torno al portador es importante
para su rendimiento, por lo que la forma del portador debe favorecerlo).
Los materiales de los soportes pueden ser Polipropileno, con una densidad cercana a la unidad,
descartándose el poliestireno debido a que su densidad superior a la del agua conllevaría un
mayor aporte energético para su recirculación, además de su menor estabilidad térmica y escasa
resistencia ante productos químicos. Entre los diferentes modelos de soportes existentes se
encuentra el Soporte Natrix 12/12 esta diseñado de forma que permita el paso de agua y gas en
todas direcciones facilitando la transferencia de sustrato y oxigeno y reduciendo al mínimo las
zonas muertas. Este soporte no solo es movido por el agua sino también por las burbujas de aire.
Y pueden ser usados para afluentes con alta carga orgánica sin ser propensos a obstrucciones.
Otros soportes son los Kaldnes y AMB Biomedia estos soportes son diseñados en forma de disco
y de material ligeramente flotante, permitiendo que una pequeña cantidad de flujo (gracias a la
aireación suministrada) haga circular el soporte en el reactor. Y los soportes Linpor son cubos de
esponjas de material resistente y poroso. En la tabla 2 se resumen las características físicas de los
soportes.
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Tabla 2 Características físicas de los soportes
MATERIAL
K1
K2
AWT
NATRIX
LINPOR
Cilíndrica
MAJOR
12/12
Cono
Cúbica
12 -15 mm
BIOMEDIA
SOPORTE
FORMA
AMB
Cilíndrica
Cilíndrica
Cilíndrica
L=7
L=15
L=9
truncado con
=10 mm
=15 mm
=11 mm
extremos
abiertos
50 mm Øsup
63 mm Øinf,
H=50 mm
FORMA
INTERIOR
SUPERFICIE
ESPECÍFICA
Cruz y estrías
Estrellada y
estrías
-
Cruz y estrías
690 m2/ m3
550 m2/ m3
450 m2/ m3
850 m2/ m3
500 m2/ m3
315 m2/ m3
310 m2/ m3
400 m2/ m3
Cruz
-
SUPERFICIE
ESPECÍFICA
200 m2/m3
EFECTIVA
MATERIAL
Polietileno de Polietileno de Polietileno de
alta densidad alta densidad alta densidad
0.95 Kg/dm3 0.95 Kg/dm3 0.95 Kg/dm3
Polietileno de Polietileno de
alta densidad alta densidad
0.95 Kg/dm3
y aditivos
0.9-1.3
Poliuretano
Kg/dm3
COMENTARIO
Una rejilla
Una rejilla
(Ødegaard et
Una rejilla
impide que
impide que
al.2000)
impide que los
los anillos
los anillos
anillos pasen
pasen de un
pasen de un
de un reactor
reactor al
reactor al
al siguiente.
siguiente
siguiente.
(Empresa
(Ødegaard et
(Ødegaard et
ATM, S.A.)
al.2000)
al.)
4. APLICACIONES
Los procesos de lecho móvil han sido aplicados al tratamiento de aguas residuales urbanas y de
aguas residuales industriales con elevadas concentraciones de materia orgánica disuelta. Se ha
incrementando la capacidad de los sistemas al sustituir o actualizar procesos de fangos activos
con tecnología de lechos móviles sin grandes cambios estructurales o grandes inversiones. Los
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artículos citados a continuación pueden dividirse por objetivo: los destinados a generar nuevos
sistemas híbridos mediante la incorporación de MBBRs a tecnologías existentes, los destinados a
estudiar el comportamiento de los MBBR respecto a alguna variable, los que hacen hincapié en el
estudio de los soportes y finalmente los que evalúan la viabilidad del sistema en determinadas
condiciones de operación o de carga. Debido a la gran cantidad de estudios y artículos
concernientes a la operación y aplicación de MBBRs, solo fue posible seleccionar algunos de
ellos. Por lo tanto, la recopilación presentada a continuación dista de ser exhaustiva y no pretende
serlo; en cambio, se han seleccionados los artículos que, a juicio de los autores, permiten ilustrar
sobre los progresos recientes realizados en el área.
Estudio de procesos MBBR usando plantas piloto
Se han realizado numerosos estudios para la caracterización y optimización de procesos MBBR.
Entre ellos se destaca el presentador Odegaard et. al. [1], donde se utilizaron sistemas de lecho
móvil para la eliminación de nitrógeno y fósforo, mediante dos alternativas: una primera opción
con pre-desnitrificación para eliminación de nitrógeno seguida de una post-precipitación para
eliminación de fósforo, con un tiempo de residencia mayor de 6 hrs. y para una eliminación de N
menor del 70%. Como alternativa, una pre-precipitación seguida de post-desnitrificación con un
tiempo de residencia menor de 3h y permitió obtener un porcentaje de eliminación mayor de N
mayor al 85%. En ese mismo estudio se concluyó que el MBBR es de gran utilidad en el
tratamiento de aguas residuales municipales e industriales, teniendo como mayor ventaja respecto
a los sistemas de FA su simplicidad, pues existe una drástica reducción de requerimiento de
espacio. Respecto a otros sistemas biopelícula compactos (por ejemplo, biofiltros sumergidos)
presenta menores pérdidas de carga, poseen una biomasa de alta actividad biológica y prescinden
del retrolavado. En un estudio similar, Rusten et. al. [2] usaron un MBBR en pequeñas plantas de
tratamiento químico/biológicas con concentraciones promedio de efluentes tan bajas como 11 mg
BOD7/l, 11 mg SS/L y 0.26 mg P/L
Posteriormente, en Odegaard [4] se planteó un esquema de MBBRs en serie con el fin de
eliminar simultáneamente materia orgánica y nitrificación. El sistema consistió en un tratamiento
físico-químico (coagulación- floculación) previo a la decantación primaria con el fin de eliminar
los orto-fosfatos del agua residual y la materia particulada y coloidal. Para eliminación de
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nitrógeno resultó conveniente utilizar un proceso basado en pre-coagulación seguido de un
MBBR si se utiliza filtración como paso final de separación, mientras que la eliminación de
nitrógeno requiere un proceso basado en pre-coagulación seguido de un MBBR en un proceso
combinado de desnitrificación. La fuente de carbón, en este caso, puede ser proveída por una
hidrólisis del lodo enriquecido primario. En ese trabajo se demostró que un esquema de proceso
basado en una combinación de MBBR y coagulación conduce a plantas de tratamiento compactas
y útiles para un amplio número de propósitos. Jun et al. [3] demostraron que las reacciones
simultáneas nitrificación /desnitrificación en el soporte juegan un papel importante en la
eliminación de nitrógeno, por lo que un proceso híbrido membrana-soporte poroso mejora la
eficiencia de eliminación de nitrógeno. Así mismo, la tasa de desnitrificación, limitada por el
carbono orgánico, presenta una menor limitación en procesos híbridos debido a la oxidación de
glucosa suspendida en regiones aeróbicas en el proceso híbrido. Los suplementos de carbono
inorgánico aceleran la reacción de nitrificación, mientras que mayores concentraciones de
sustancias orgánicas lo suspenden. Debido a que las sustancias orgánicas son dominantemente
usadas por bacterias heterótrofas como fuentes de carbono, hay una competencia entre
nitrificadores y bacterias heterótrofas de rápido crecimiento para oxígeno disuelto disponible en
la región superficial del portador.
Pastorrelli et al. [10] utilizaron una planta piloto, alimentada con aguas de alcantarillas, para
eliminación
de carbono orgánico y nitrógeno usando un reactor biopelícula por cargas
secuenciales de lecho móvil (MBRSBBR) heterotrófo para desnitrificación y un MBBR
autotrófico de flujo continuo para nitrificación. Se concluyó que la tasa de eliminación de
demanda química de oxígeno (DQO) no puede evaluarse por medio de una expresión cinética
debido que la retro-difusión proveniente de la biopelícula no siempre es despreciable. Además,
la tasa de reacción fue cercana al primer orden con respecto al oxígeno disuelto debido a la
difusión de película líquida. El proceso fue confiable y fácil de operar, por lo que se recomienda
para aplicaciones en pequeñas plantas, ya sea en el diseño de nuevas o en la actualización de
sistemas FA sobrecargados.
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Evaluación de aplicabilidad de los MBBRs
Entre los estudios que evalúan la aplicación de MBBRs en diferentes condiciones de operación,
podemos citar el trabajo presentado en Daude et al. [7], donde se evaluó el diseño y
operacionalidad de un MBBR para sistemas de tratamiento de alcantarillado de pequeña escala.
Se instaló un planta prototipo y se operó bajo diferentes condiciones, sometiéndola a sobrecargas
orgánicas (“organic shock”) e hidráulicas. El proceso produjo un efluente de buena calidad, con
valores promedio de BOD5, DQO, SS y NH4-N de 15.6 mg/L, 65.9 mg/L, 21 mg/L y 4.7 mg/L,
respectivamente. La planta MBBR probó ser simple y barata de operar, proveyendo una solución
de tratamiento viable para aplicaciones de pequeña escala. Andreottola et al [8] describieron el
monitoreo de plantas de tratamiento para refugios turísticos de montaña, evaluando los
principales parámetros que caracterizan a un MBBR y un FBBR. Se observó que es posible
lograr una puesta a punto rápida de los reactores si se realiza una pre-colonización antes del
transporte de los soportes plásticos, consiguiéndose bajos volúmenes y áreas de reactor. Así
mismo, se obtuvo una alta eficiencia de remoción en comparación con otros tipos de sistemas de
biomasa fija, como filtros de goteo, pero con un mayor consumo de energía.
Fux et al. [9] aplicaron un MBBR para aumentar la tasa de producción nitrato por medio de
retención de lodo, oxidando el amonio a nitrito, para luego ser procesado por un proceso
anammox (proceso de oxidación anaerobia del ión amonio) en la eliminación de nitrógeno en
efluentes digestores de lodo. En ese trabajo se obtuvo una tasa máxima de producción de nitrito
de 2.7 gNO2-N/m2d, es decir, el doble de la tasa de dilución de un reactor tanque agitado (stirred
tank reactor) de flujo continuo. En Andreottola et al. [6] se compararon sistemas FA y MBBRs en
líneas de tratamiento paralelas para eliminación de sustancias orgánicas y nitrificación. Los
MBBR presentaron una menor eficiencia de eliminación de DQO, pero mayor eficiencia en la
nitrificación. La tasa de eliminación de DQO filtrada en condiciones aerobias fue de proporcional
a la correspondiente a cargas de 8 g DQO/m2d. Las pruebas de nitrificación mostraron el ajuste a
una reacción de primer orden y las pruebas de desnitrificación (sin fuente externa de carbono)
nunca se encontraron por debajo de 0.3g NO3-N/m2d incluso con bajas cargas de DQO filtrada.
Finalmente, en Chudoba et al. [11] se desarrolló y probó un MBBR para la desnitrificación de
alta eficiencia, caracterizado por su bajo coste, operación continua y autorregulación del grosor
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de la biopelícula. Se logró una tasa de eliminación de nitrógeno de 0.6 KgNOx-N/m3d, un
porcentaje de más de 80% a una temperatura del agua en un rango de temperatura entre 13 y
20ºC y la tasa de desnitrificación fue de más de 10 mg NOx-N/g MLVSS.h a 18ºC.
Diferentes estudios han tenido por objetivo evaluar el comportamiento de los MBBR frente
algunas variables críticas. Por ejemplo, Hosseini et al. [12] estudiaron el efecto de la carga
hidráulica y la carga de choque de concentración en sistemas MBBR para aplicaciones tanto
tóxicas como no tóxicas, consiguiendo un buen rendimiento en función de ambos parámetros,
mientras por el incremento de la concentración de DQO fenólico de 200 a 1000 por 6 h la
concentración DQO total del efluente volvió a un valor estable de 45 después de un día. Así
mismo con un decrecimiento repentino del THR de 12 a 6 h la concentración de DQO total del
efluente también volvió a un estado estable de 70 mg/l después de un día. Por otra parte, en Hem
et al.[13] evaluaron el rendimiento de un MBBR en el proceso de nitrificación, encontrando los
efectos de la concentración de oxígeno bulk, la temperatura, la concentración de amonio y la
carga orgánica sobre la nitrificación. Si la concentración de oxígeno es de 4.5-5 gO2/m3 la tasa de
nitrificación es fue de 0.8 g NOx-N (NO3-N+NO2)/m2d. Por otro lado, cuando la concentración de
amonio y la alcalinidad están en exceso entonces la concentración de oxígeno es el factor
limitante de la tasa de nitrificación. Si la carga orgánica es baja y un exceso de alcalinidad
entonces tanto la concentración de oxígeno como la concentración de amonio son limitantes, el
cambio de amonio como limitante ocurrió cuando la razón de [O2]/[ NH4-N] es alrededor de 3 (g
O2/gNH4-N). Cuando se produce un crecimiento elevado de bacterias heterótrofas se suprime la
tasa de nitrificación, se demostró que a 5gO2/m3 y a 15ºC la nitrificación fue insignificante para
cargas mayores que 5 gDBO7/m2.d
Comparación entre medios soportes
El estudio de los medios soportes ha sido uno de los temas de intensa investigación en el área de
MBBRs. Se ha dado especial importancia al diseño de ellos, así como a la prueba y comparación
de los soportes existentes. Maurer et. al. [14] estudiaron un proceso de desnitrificación aplicado a
aguas municipales usando dos tipos diferentes de soportes en reactores de lodo activado
convencionales: cubos de goma espuma y tubos plásticos (Kaldnes). Ambos soportes mostraron
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el mismo comportamiento respecto a su capacidad de desnitrificación, dependencia con
temperatura y máximo retorno de DQO y nitrato, aún cuando sus características mecánicas son
completamente diferentes. Las tasas máximas de desnitrificación usando como sustrato acetato
fueron de 420gN/m3d a 10ºC y 730gN/m3d a 20ºC. Un máximo de 37% de DQO en el afluente
fue desnitrificado con una carga de 2.2 KgDQO/m3d en la zona anóxica.
Comett et. al [15] compararon el comportamiento de dos tipos de soportes, Linpor y Kaldnes,
obteniendo una mayor capacidad de eliminación de DQO y de amonio en el reactor Linpor, pero
con una mayor sensibilidad a cambios de DQO. Así mismo, la concentración total seca,
relacionada con el área superficial expuesta "activa" de biopelícula, se consideró como la causa
principal para el mejor funcionamiento de Linpor en comparación con Kaldnes, al permitir
mayores concentraciones de microorganismos. Los porcentajes de eliminación de DQO total en
Linpor y Kaldnes fueron 47 %y 39% respectivamente. La eliminación de DQO disuelta para
ambos reactores fue de 21%. La media de eliminación de amonio en Linpor fue de 72% y para
Kaldnes de 42%.
Wessman et. al [16] buscaron un soporte que pudiera reemplazar al soporte usado en una planta
FA existente, incrementando la capacidad de esta al menos en 20%. El proceso de lecho móvil
Kaldnes, utilizando un soporte “Kaldnes biomedia K1”, obtuvo tasas de rendimiento mucho
mayores y mucho menores concentraciones de efluentes que usando otros soportes. Basado en
resultados obtenidos en plantas pilotos, la planta industrial fue actualizada con soportes Kaldnes,
obteniendo concentraciones de efluentes tan bajas como 9 mg FOC/L, 51 mg DQO/L y 12 mg
SS/L. En [17], Pastorelli et. al. estudiaron la aplicabilidad del MBBR llenado con soportes
plásticos FLOCOR-RMP para el tratamiento de aguas provenientes de la industria lechera,
caracterizadas por altas concentraciones y fluctuaciones de carga de materia orgánica y nutriente.
Se concluyó que su aplicación puede ser apropiada cuando se requiera actualizar plantas FA
sobrecargadas o para minimizar volúmenes de reactor en plantas de pre-tratamiento. Se obtuvo
una eficiencia de eliminación de DQO total sobre un 80% con una carga aplicada hasta 52.7 g
DQO/m2d mientras que el porcentaje de eliminación de nitrógeno varió en un amplio rango
comprendido entre 13.3 y 96.2%.
Orantes y González [18] analizaron el desempeño de un MBBR usando materiales locales de bajo
costo para el tratamiento de aguas municipales. Los soportes, tubos de polietileno con diámetros
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internos de 1.1 cm y cortados en piezas de 1.2 cm, permitieron un rendimiento estable y
predecible, con buena adherencia de microorganismos y sin signos de deformación o abrasión
luego de varios meses de operación. La eliminación de DQO total fue del 81%, observándose
nitrificación solo para cargas orgánicas con valores por debajo de 5.7gDQO/m2d. En Jahren et al.
[19] se investigó el uso de un Kalnes MBBR a escala de laboratorio para tratamiento termofílico
de aguas blancas. Se demostró que el proceso biopelícula se puede aplicar exitosamente bajo
condiciones termofílicas. Se inoculó con lodo activo mesofílico obteniéndose un porcentaje de
eliminación de DQOS del 60 a 65% trabajando con cargas orgánicas de 2.5-3.5 kg DQOs/m3 d
con tiempos de retención hidráulico de 13-22h. En Lessel [20] se comparó el comportamiento de
tres reactores con soportes diferentes Bionet, Linpor, Ring-lace para la nitrificación,
consiguiendo todos ellos altas tasas de eliminación de nitrógeno. En el reactor Linpor se observó
que más del 50% de los soportes se depositaron en el fondo y que no fue posible lograr que
flotarán nuevamente, aún con una máxima aireación.
Comparación de MBBRs con otras tecnologías
La combinación de MBBRs con otras tecnologías permite obtener una variedad de sistemas
híbridos. En Liao et al. [21] se estudió un tratamiento secundario de alta tasa basado en un
MBBR y filtros multimedia. En este sistema, un MBBR de alta tasa convierte la DQOS
fácilmente biodegradable en un tiempo de retención corto (0.5 h) directamente luego del
apantallado, y luego un filtro “Kaldnes-Filtralite-Sand” (denominación comercial) remueve la
DQO particulada y la biopelícula arrancada. El nuevo sistema usa solo entre el 10% y el 20% del
espacio usado por tratamientos secundarios convencionales, con considerable ahorro en costos de
construcción, energía y operaciones. Se obtuvo un efluente con concentraciones de SS y DQO
menores de 30mg/L y 100mg/L. En Leiknes y Odegaard [22], estudiaron el potencial de un
diseño compacto en el que un reactor de lecho móvil de alta tasa se combina con membranas de
separación de biomasa, materia particulada y coloidal. Se eliminó un 85-90% de DQO trabajado
con altas cargas orgánicas 100-150 gDQO/m2.d y con un tiempo de retención hidráulico de 2030m si la biomasa y DQO particulada del bioreactor es completamente eliminada. El flujo a
través de la membrana fue de 60L/m2h con una alta calidad de permeado (concentración de SS
menor a 5 mg/l y turbidez menor a 1 NTU).
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Rodgers et al. [23] construyeron y monitorearon un sistema de biopelícula de movimiento
vertical (VMBS) de fácil construcción y operación y bajo consumo energético para el tratamiento
de agua residual municipal, el cual resultó eficiente para la oxidación de carbono. El sistema se
basó en el usó de módulos plásticos biomedia con movimiento vertical dentro del aire y del agua,
permitiendo a la biomasa crecer como una biopelícula en la superficie de módulo. El movimiento
vertical del módulo produce una eficiencia de aireación satisfactoria y la periodicidad del
movimiento proporcionó una fácil difusión, transportando los sustratos desde el fluido hasta la
superficie de la biopelícula. El estudio comparativo de RBC, MBBR, VMBR y FBR concluye
que entre otras cosas que el MBBR es un buen proceso para la actualización de sistemas de
tratamiento existentes, mientras que el VMBR es más adecuado para tratamiento de aguas en
plantas pequeñas.
Rodgers [24] utilizó un VMBS para la oxidación de carbonos en aguas residuales sintéticas,
consiguiendo un sistema muy efectivo apropiado para plantas de tratamiento de gran escala. La
unidad biopelícula fue construida a partir de láminas plásticas corrugadas en forma de cubos, las
cuales se movían verticalmente, y alternativamente fueron sumergidas y sacadas del agua. La tasa
de eliminación obtenida fue de 43gDQOS/m2 o 3.8KgDQOS/m3, las cuales fueron favorablemente
comparadas con otros sistemas biopelícula. En Rodgers et al [25] se evaluó la eliminación de
nitrógeno amoniacal (NH4-N) con MBBR con movimiento vertical, encontrando altas tasas
eliminación de NH4-N tal como 98.8% además comprobaron la utilidad de esta técnica para este
tipo de aplicación, por otro lado, se observó la alta eficiencia de aireación que presenta este
sistema. Así mismo Rodgers et al. [26] evaluaron un para sistema llevar a cabo la oxidación
carbonácea dando como resultado un porcentaje de eliminación de 94-96%, y la eficiencia de
eliminación de nitrógeno fue de 77-82%. En el tanque anóxico la desnitrificación fue de un 9498% un VMBS.
Accinelli et al. [27] aplicaron la tecnología de MBBR para la eliminación de productos
farmacéuticos y herbicidas, encontrando necesario inocular los soportes con bacterias para
incrementar las tasas de eliminación.
Con respecto a la aplicación de la tecnología MBBR en Venezuela, en la Universidad Nacional
Experimental Politécnica de Barquisimeto se realizan experimentos con un reactor de biopelícula
y lecho móvil, empleando soportes no comerciales, los cuales son cubos de esponjas de
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poliuretano de 1cm3 que ocupan el 70% del volumen del reactor y los resultados obtenidos en
cuanto a porcentaje de eliminación de DQO, ST, SSV, turbidez son los siguientes: 60%, 22% ,
35% y 86 % respectivamente. Actualmente se están realizando pruebas con otros soportes no
comerciales de material orgánico como estropajo y tuzas de maíz.
5. CONCLUSIONES
Se presentó una revisión de los procesos convencionales de lecho móvil, citando las
investigaciones principales para el desarrollo de estos procesos hasta el momento y describiendo
los fundamentos de la tecnología, con sus ventajas y desventajas. Adicionalmente, se expusieron
las características de los soportes empleados en estos sistemas y se describieron los estudios más
relevantes sobre caracterización y aplicabilidad de los MBBRs en diferentes condiciones, así
como estudios comparativos entre diferentes soportes y entre sistemas que emplean esta y otras
tecnologías. En la UNEXPO se estudia la aplicación de los reactores biopelícula de lecho móvil
como alternativa a las grandes plantas de tratamiento tradicionales para el tratamiento de aguas
residuales en nuestro país.
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