Sistemas de reducción de lodos en tratamiento de aguas residuales

Sistemas de reducción
de lodos en tratamiento
de aguas residuales
José Manuel Castro Moreno, Manuel Jesús López Pérez,
Carlos Martín Rodríguez,Alfonso Muñoz Vicente
2011
MIGMA Sevilla 2010/2011
Sistemas de reducción de lodos en tratamientos de aguas residuales
8/7/11
Objetivo del proyecto: Sistemas de reducción de lodos en tratamientos de aguas residuales
1. Esquema general de una EDAR
En una estación depuradora de aguas residuales se diferencian dos líneas de tratamiento, la de
aguas y la de fangos, cada una de ellas con sus operaciones diferenciales.
En la línea de aguas se llevan a cabo las siguientes tareas:
-Pretratamiento (desbaste, desarenado, desengrasado, flotación)
-Tratamiento primario (decantación primaria)
-Tratamiento secundario (tratamiento biológico, decantación secundaria)
-Tratamiento terciario si la legislación obliga en función de la ubicación (eliminación de N y P)
En la línea de fangos se desarrollan las siguientes actividades:
-Tratamiento de fangos primarios (espesamiento por gravedad)
-Tratamiento de fangos biológicos (espesamiento por flotación)
-Digestión anaerobia de fangos
-Deshidratación mecánica de fangos
A continuación se describe brevemente cada uno de esos procesos:
1. Pretratamiento
1.1. Desbaste: sucede la separación sólido-líquido, en la cual se separan materiales
voluminosos susceptibles de deteriorar la instalación, a través de rejillas con cierta luz de paso.
1.2. Desarenado: se da la separación sólido-líquido, extrae arenas y partículas minerales
susceptibles de ocasionar efecto abrasivo. Se inyecta aire para separar áridos de materia
orgánica.
1.3. Desengrasado: tiene lugar la separación sólido-líquido o líquido-líquido, extrae grasas y
aceites emulsionados con el agua. Al usar burbujas de aire se facilita dicha separación debido al
carácter hidrofóbico de las grasas. Grasas y aceites son menos densos que el agua, por lo que
suben a la superficie, y allí sucede la separación por rasquetas.
1.4. Flotación: separación sólido-líquido, actúa sobre sólidos con densidad muy similar al agua.
Se añade reactivo floculante para favorecer la separación. Se generan burbujas vía CAF (hélice)
o DAF (despresurización) a las que se unen dichas partículas, el conjunto asciende, y finalmente
se elimina del sistema por rasquetas.
2. Decantación primaria: por gravedad se elimina sobre el 65% de sólidos en suspensión y
30% de DBO. Otra opción es usar procesos físico-químicos (más costosos).
3. Decantación secundaria: se eliminan sólidos en suspensión y DBO. Se recirculan fangos
para devolverlos al reactor biológico aerobio y después al decantador, y los fangos sobrantes se
purgan.
4. Espesamiento: corresponde a la línea de fangos. Se reduce el volumen de fangos. Puede ser
por gravedad (para fangos primarios) o por flotación (para fangos secundarios)
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5. Reactor biológico aerobio: elimina materia orgánica. Puede ser con biomasa fija o en
suspensión. Con biomasa fija no hay generación de oxígeno, por eso los costes de explotación
son menores.
6. Reactor biológico anaerobio: estabiliza el fango. Genera metano el cual puede usarse para
cogeneración.
7. Acondicionamiento de lodos tras el reactor biológico anaerobio: se usa para mejorar la
eficiencia de la deshidratación. Se emplea tratamiento químico o térmico.
8. Deshidratación: es una operación física para reducir la humedad del lodo.
9. Cogeneración: consiste en un aprovechamiento del gas de digestión anaerobia para generar
energía eléctrica y térmica mediante motores o turbinas de gas.
10. Eliminación biológica del nitrógeno: primero se desarrolla la reacción de nitrificación 8en
el reactor aerobio), y luego la de desnitrificación (en cámara anóxica por delante del reactor
aerobio).
2. Métodos de eliminación de fósforo
Existen varios métodos documentados de eliminación de fósforo, entre los que destacan los
procesos inorgánicos, eliminación a través de humedales y la eliminación biológica. La
eliminación inorgánica se basa en la precipitación del fósforo a través de sales metálicas, la
biológica a través de la acción natural de los microorganismos y los humedales a partir tanto de
plantas terrestres como acuáticas. A continuación describiremos brevemente los métodos más
usados.
2.1. Métodos basados en la precipitación de fósforo
A día de hoy los principales procesos comerciales de eliminación de fósforo se basan métodos
de precipitación química con hierro, aluminio o cal, y en menor medida la eliminación
biológica. Ocasionalmente, la precipitación (como estruvita) ocurre como resultado de unas
condiciones y composiciones especiales de las aguas residuales. La eliminación de fosfatos
también puede conseguirse a través de la extracción de CO2 de los efluentes anaerobios. Aunque
la precipitación de fósforo es una práctica comercial común, además el perfeccionamiento,
puesta a punto, optimización, usando materiales de deshecho y nuevos materiales de otros
procesos industriales, y algunas otras innovaciones han sido propuestas recientemente.
Los procesos químicos de eliminación de fósforo se suelen catalogar dentro de los procesos
terciarios de eliminación de fósforo y pueden alcanzar eficiencias de eliminación de hasta el
95% (Brett y col., 1997).
La eliminación química de fósforo está basada en la adición de una sal metálica en el agua
residual dando lugar a la precipitación de una sal insoluble de fósforo. El precipitado formado
es eliminado mediante procesos de separación de sólidos como sedimentación, flotación o
filtración, procesos normalmente empleados en estaciones depuradoras. De esta manera estos
precipitados pasan a formar parte de los fangos producidos en el proceso.
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Normalmente, los metales empleados en la eliminación química de fósforo son hierro (II),
hierro (III) y aluminio (III) generalmente en la forma de cloruros y sulfatos. La cal puede
emplearse como agente precipitante, aunque debido a las altas dosis necesitadas y la elevada
formación de fangos no es muy empleada en las estaciones depuradoras de aguas residuales
urbanas (Parsons y col., 2004).
La eliminación química de fósforo está basada en la adición de una sal metálica en el agua
residual dando lugar a la precipitación de una sal insoluble de fósforo. El precipitado formado
es eliminado mediante procesos de separación de sólidos como sedimentación, flotación o
filtración, procesos normalmente empleados en estaciones depuradoras. De esta manera estos
precipitados pasan a formar parte de los fangos producidos en el proceso.
Normalmente, los metales empleados en la eliminación química de fósforo son hierro (II),
hierro (III) y aluminio (III) generalmente en la forma de cloruros y sulfatos. La cal puede
emplearse como agente precipitante, aunque debido a las altas dosis necesitadas y la elevada
formación de fangos no es muy empleada en las estaciones depuradoras de aguas residuales
urbanas (Parsons y col., 2004).
Hay que tener en cuenta que no todo el fósforo presente en el agua residual está en forma de
ortofosfato soluble, y por lo tanto disponible para reaccionar con las sales añadidas. Sin
embargo, el fósforo orgánico que podría estar presente podría ser adsorbido en el precipitado
formado mejorando por tanto la eliminación global de fósforo. La precipitación química no es
un fenómeno aislado y simple ya que, junto a él, se dan simultáneamente procesos de
coprecipitación, coagulación-floculación, adsorción, etc.
Pese a que estos procesos son ampliamente utilizados para reducir la concentración final de
fósforo en el efluente presentan una serie de desventajas como:
• Elevado coste de los reactivos empleados.
• Producción elevada de fangos.
• Incremento de las cantidades de cloruros y sulfatos que son vertidos a las aguas receptoras.
• Deshidratación del fango más compleja que la deshidratación del fango primario, en el caso en
el que la dosificación de la sal se realice previa al decantador primario (Metcalf y Eddy, 1995).
2.2. Eliminación biológica
La eliminación biológica de fósforo implica dos mecanismos independientes. El primero es la
adsorción directa del fósforo por el crecimiento de las células bacterianas suspendidas, y el
segundo, la mejora de la capacidad de almacenamiento de fósforo como polifosfatos en la
biomasa bacteriana en el tratamiento de fangos activos. Debido a esta relativamente baja
eficiencia de eliminación de fósforo de forma natural, los ingenieros han desarrollado la EPBR
(Enhanced Phosphorus Biological Removal) o eliminación biológica de fósforo mejorada. A
continuación describimos el proceso.
2.2.1. Procedimiento
El EPBR es un tratamiento del agua residual, basado en el enriquecimiento selectivo de las
bacterias, acumulándose polifosfatos inorgánicos como un ingrediente de sus células. Esto
implica el ciclo metabólico microbiano con acumulación de biopolímeros (polifosfatos, PHA,
glucógeno). Este ciclo metabólico es forzado en los microorganismo, mediante alternancia de
etapas de incubación del agua residual entre la inicial rica en materia orgánica, estrictamente
anaerobia (no hay oxígeno ni nitrógeno presentes), seguido de una etapa pobre en materia
orgánica, que es la etapa aerobia. En esencia, durante la etapa anaerobia, los microorganismos
bacterianos del fango (aplicados como un inóculo al agua residual) agotan la materia orgánica y
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las fuentes de carbono del agua residual, acumulando biopolímeros en el proceso
(principalmente PHA’s y glucógeno) y liberando ortofosfato soluble del lodo.
La fuente de energía para el proceso procede principalmente del polifosfatos. El polifosfatos es
una molécula de almacenamiento altamente energética, que bajo condiciones de hidrólisis,
puede proporcionar grandes cantidades de energía para las reacciones bioquímicas dentro de la
célula. Esta molécula es particularmente útil durante la etapa anaerobia del EPBR, donde
proporciona la energía necesaria para la toma de los sustratos orgánicos. El polifosfato se
almacena en las mismas células que residen en los fangos que anteriormente se inocularon en
las aguas residuales. El otro biopolímero implicado, el glucógeno, que normalmente actúa como
regulador del balance redox en las células, además suministra energía adicional, ayudando a los
PAO’s (organismos acumuladores de polifosfatos) a absorber sustancias orgánicas bajo
condiciones anaerobias.
Cuando las condiciones en el reactor biológico cambian de anaerobias a aerobias, los
polihidroxialcanoatos (PHA’s) se usan como fuente de carbono y energía para la absorción de
cantidades de ortofosfato incluso mayores que las liberadas durante la fase anaerobia, y esta
absorción mejorada incluye el fósforo que llega con las aguas residuales nuevas. En la fase
aerobia el ortofosfato se reincorpora en la biomasa intracelular microbiana en forma de
polifosfato. Esto deja el agua residual con concentraciones pobres de fosfato y en caso de éxito
completo de EBPR libre de fosfatos.
El fango activo producido después de este proceso (con alto contenido en materia orgánica y
una gran población microbiana) es incluso más rico en fosfatos, normalmente eliminado, y que
puede ser usado para la producción de biogas. Una pequeña parte del fango se recircula y se usa
como inóculo para las nuevas aguas residuales. En la teoría el proceso podría continuar
indefinidamente. Purgando el fango rico en fosfatos en exceso del sistema, el EBPR consigue,
con el tiempo, grandes ratios de eliminación de fosfato. Técnicamente, los ciclos anaerobios y
aerobios pueden ser comercialmente viables y fácilmente implantables asignando una zonación
espacial (anaerobia-aerobia) en un sistema de flujo continuo (con recirculación de fango como
inóculos) u organizando secuencias temporales anaerobias y aerobias en biorreactores por lotes.
El éxito de la EBPR se atribuye a los PAO’s, principalmente a las bacterias. Una condición
indispensable para que el proceso se desarrolle convenientemente es mantener los PAO’s en el
sistema. Mientras que la aparición y desaparición de los biopolímeros microbianos es conocida,
las vías metabólicas implicadas en la síntesis de biomasa y producción de energía en estas
bacterias están lejos de ser comprendidas y han sido revisadas recientemente. Una de las
características de este proceso es la interacción entre diferentes biopolímeros microbianos
intracelulares, sin embargo, el desconocimiento de los efectos de estos biopolímeros en la
EBPR es útil para la aplicación práctica del proceso.
Informes recientes, en operaciones a largo plazo del EBPR, demuestran que el proceso es
altamente eficiente en la eliminación de materia orgánica, nitrógeno y fósforo. De acuerdo con
Chuang y Ouyang (2000), la eficiencia de estos sistemas fue del 95% en materia orgánica, 70%
en nitrógeno total y 100% en fósforo total. El proceso consigue la eliminación completa del
fosfato a través de dos sistemas diferentes: un reactor en lotes anaerobio-anóxico y otro
anaerobio-aerobio. La eliminación de fósforo fue mayor cuanto menor fue la concentración de
carbohidratos en el fango. La eficiencia fue creciendo a medida que disminuía la concentración
de carbohidratos en el fango. Esto demuestra que la concentración de carbohidratos es un
parámetro de confianza para determinar la eficiencia del fango para eliminar fósforo. Por tanto,
reducir la cantidad de carbohidratos del fango sería un prerrequisito para conseguir la EBPR.
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3. Destino final de los fangos de depuración
La eliminación de lodos de depuración es un asunto importante en el momento de diseñar una
estación depuradora de aguas residuales. El destino final que se le dé al fango debe estar
justificado ecológica, económica y energéticamente. El diseño de la propia línea de fangos
queda condicionado por el destino final de los mismos. Si se elige la incineración de fangos
como opción a adoptar, es deseable que el tratamiento del fango produzca uno muy
deshidratado y lo más orgánico posible. Si el destino final es el vertedero, se debe diseñar la
línea de fangos para reducir la capacidad de fermentación y obtener una sequedad superior al
30%. Las tres alternativas más habituales para el destino final de los lodos de depuración son las
siguientes:
a) Descarga en vertedero
b) Destino agrícola
c) Valorización energética
La descarga en vertedero constituye la última medida a adoptar atendiendo a la jerarquía en la
gestión de residuos emanada de la unión europea. Esta alternativa resulta viable si se lleva a
cabo según ciertas directrices en aras de garantizar su inocuidad con respecto al medio
ambiente.
El uso de lodos con fines agrícolas está regulado por la Unión Europea en la directiva
86/2787CEE la cual alude a condicionantes para la aplicación de los mismos. Los análisis de la
composición del fango y del suelo donde se pretende aplicar son decisivos para determinar la
conveniencia de su uso. Para adecuar los lodos a un uso agrícola, es preciso someterlos al
proceso de compostaje, obteniéndose un producto agrícola de valor muy superior al de los lodos
de origen, rico en materias húmicas, sales minerales y microorganismos.
La valorización energética persigue la transformación del fango en un recurso energético
aplicando distintas tecnologías. Dentro de esta valorización aludimos a la incineración y a la
gasificación. La gasificación de residuos es una tecnología diseñada para obtener un gas de
síntesis (empleado para producir combustibles, productos químicos o energía) a través de la
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transformación de la sustancia con alto contenido en carbono en una mezcla combustible
gaseosa mediante oxidación parcial con aplicación de calor. La incineración consiste en un
proceso de combustión completa, obteniéndose calor que puede ser usado para generar energía
eléctrica.
4.
Polihidroxialcanoatos.
Los polihidroxialcanoatos son polímeros naturales sintetizados por numerosos microorganismos
como reserva de energía cuando un nutriente esencial como nitrógeno o fósforo se encuentra
limitado en el medio, en presencia de un exceso de fuente de carbono. Estos poseen
propiedades similares a varios termoplásticos como el polipropileno, y de hecho, pueden ser
empleados en su lugar. Estos se descomponen completamente en agua y dióxido de carbono en
condiciones aerobias y en metano en condiciones anaerobias por microorganismos presentes en
el suelo, el mar, en lagos y en las aguas residuales.
4.1. Métodos de extracción de PHAs
Después de la fermentación, el siguiente paso es el aislamiento y purificación del PHB. En este
nivel, el PHB es extraído del citoplasma celular y para ello la membrana celular es destruida y
el PHB disuelto en el solvente. Es así como el PHB queda separado de la biomasa residual.
El proceso de separación se puede dividir en tres etapas: Pretratamiento, extracción y
purificación.
El pretratamiento se realiza para debilitar la membrana celular y así realizar la disrupción
celular de una forma más fácil. También se utiliza para proteger al PHB de solventes agresivos
con este polímero. Este pretratamiento se puede realizar mediante calor, uso de solventes,
congelación o mediante uso de surfactantes.
Hay diferentes métodos de extracción para separar PHB de la biomasa residual con sus
consiguientes ventajas y desventajas. Los que abordaremos en el presente proyecto serán:
-
Extracción por solventes.
La extracción con solventes de PH es el método más estudiado y más antigua. La acción del
solvente puede ser dividida en dos etapas, la primera modifica la permeabilidad de la membrana
celular y la segunda libera el PHA al medio. Los principales solventes utilizados son los
hidrocarburos clorados como el cloroformo o los solventes no halogenados como la acetona
entre otros. Este tipo de extracción a pesar de su eficiencia en cuanto a la pureza del PHA
obtenido, requiere grandes cantidades de solvente por gramo de PHA extraído lo que lo
convierte en un método insostenible
ambiental y económicamente. Además de las
repercusiones ambientales así como los daños que pueden producir a la salud humana al
desarrollar su uso, se hace necesario combinarlos o sustituirlos por otros métodos de extracción
que tengan un mejor rendimiento y sobre todo una disminución de los impactos ambientales.
-
Digestión
La digestión pueden ser química o enzimática. La digestión química consiste en la utilización de
diferentes agentes químicos para debilitar o destruir diferentes componentes de la membrana
celular como lípidos, carbohidratos o proteínas. De acuerdo con el agente químico usado la
digestión puede ser con hipoclorito sódico, surfactante o mediante un proceso que combina
ambos con el fin de obtener las mejores características de ambos métodos. Al igual que en el
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caso de los solventes veremos como la utilización de surfactantes a volúmenes tan grandes
como los trabajados en este proyecto resultan insostenibles económicamente.
La digestión enzimática consiste en el uso de enzimas para degradar la membrana celular.
Diferentes enzimas proteolíticas desarrollan una alta selectividad en disoluciones de proteínas y
pocos efectos adversos sobre la degradación del PHA. La digestión enzimática puede ser
complementada por otros métodos de extracción como los basados en solventes.
-
Extracción mecánica por ultrasonidos
La disrupción celular mecánica es ampliamente usada en la recuperación intracelular de
proteínas y es la basada en el uso de ultrasonidos la que abarcamos en el presente proyecto. Pese
a que este método no se ha probado para la extracción de PHA, otros ensayos análogos
demuestran que este sistema utilizado para la lisis celular de las bacterias acumuladoras de PHA
abre un camino de bajo coste y bajo impacto ambiental. Estas dos características lo hacen
atractivo para ser estudiado. También cabe la posibilidad de combinarlos con otros métodos
para optimizar su uso.
Tabla de procesos de extracción de PHB:
Método de extracción
Ventajas
Digestión con disolventes
clorados
Escasa degradación del
polímero y alta pureza
Desventajas
Rendimiento
( % en peso)
Volumen alto requerido y
peligrosidad del disolvente
Pureza: 99%
Recuperación >90%
Digestión con acetona
Facilidad de obtención de
disolvente y alta pureza
Alto
volumen
disolvente requerido
de
Mínima degradación del
polímero
Alto coste del surfactante
Adición de SDS
Pureza > 95%
Recuperación >90%
Pureza > 95%
Recuperación >90%
Digestión con hipoclorito
sódico
Alta pureza y bajo coste
Degradación del polímero
Pureza: 96,5%
Recuperación: 80%
Digestión con hipoclorito
sódico y surfactante
Relativos costes bajos de
operación
(< método SDS)
Digestión enzimática
Buena recuperación
Rotura por ultrasonidos
Alto coste del surfactante
Pureza: 98%
Consecución y coste
las enzimas
Proceso poco estudiado
de
Pureza: 92%
Sin datos
Bajo coste
En conjunto podemos comprobar que pese a existir una amplia gama de métodos de extracción,
el mayor problema aparece a la hora de llevarlo a grandes producciones con grandes volúmenes
de biomasa a tratar. Sin duda sistemas de extracción están siendo desarrollados en estos
momentos y su prioridad será un carácter sostenible tanto económico como ambiental.
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4.2. Aplicaciones de los PHAs
Los PHA´s tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales debido a sus prácticas
características físico-químicas, tales como la biocompatibilidad, la biodegradabilidad y la
citotoxicidad insignificante que demuestra en todos los ensayos desarrollados a las células de
los tejidos intervenidos. Por lo tanto, el eje principal de apoyo de este producto es la posible
aplicación del PHA para sustituir a otros polímeros de base petroquímica y es un hecho el
aumento de popularidad que está sufriendo el PHB, en concreto, como partes primarias de
embalajes médicos y materiales de recubrimiento.
Son estas propiedades de su composición en exclusivo o formando parte de otros productos las
que han ampliado las interpretaciones de sus distintos usos potenciales. Con PHA se pueden
fabricar materiales para la protección de tejidos, material de sutura y productos farmacéuticos
utilizados en cirugía, trasplantología, ingeniería tisular o farmacología. Las aplicaciones se
centran en particular en los envases, tales como los contenedores y films. Además, su uso como
artículos de higiene personal biodegradables como pañales y sus envases ya han sido descritos.
En la ingeniería de desarrollo y regeneración de tejidos, las células pueden ser cultivadas en
presencia de estos polímeros biodegradables con el fin de construir nuevo tejido para que se
pueda implantar en el organismo.
Desde el enfoque de la biocompatiblilidad, y viendo una futura herramienta en el área de los
implantes el PHA debe servir de apoyo al crecimiento celular y a su posterior adhesión dentro
del tejido, orientar y organizar dicho crecimiento, permitir el paso de nutrientes así como la
eliminación de residuos y ser biodegradable sin producir ningún compuesto nocivo. Esto hará
del PHA un producto vital dentro del sector.
Recientemente, El PHA también ha sido estudiado para su aplicación como aceite secante en
cosméticos y su capacidad de aplicarse en películas. Se ha demostrado su capacidad de absorber
y retener aceites con rapidez y al mismo tiempo el PHB actúa como un aceite. Y es su propiedad
biocompatible lo que lo convierte en un polímero acto para los cuidados de la piel.
Otra de las aplicaciones emergentes del PHA es su utilización como fuente potencial de ácidos
orgánicos en la alimentación animal. Los ácidos grasos de cadena corta son utilizados como
controladores microbianos por su lenta degradación, y los ácidos grasos resultantes sirven como
protección frente a agentes patógenos.
Como podemos ver las aplicaciones de estos polímeros conforman un amplio crisol. Un
producto que engloba desde una bolsa biodegradable hasta una pieza dentro del sector de la
cirugía de implantes o un pienso animal debe estar bajo constante estudio para su completo
desarrollo. Sin duda un desarrollo hacia el éxito.
4.3. Diseño de una etapa para la producción de PHB
Desde el punto de vista microbiológico, se reconoce la facultad de bacterias heterótrofas, PAO,
de liberar fósforo en condiciones anaerobias y de acumularlo en condiciones aerobias. Estas
bacterias fueron identificadas como Acinetobacter, observándose que eran de crecimiento lento
y con preferencia por los sustratos simples tales como ácidos volátiles grasos de cadena corta.
Además, se observa como las bacterias PAO pueden acumular PHA en condiciones anaerobias
empleando la energía suministrada por la degradación del polifosfato. La modificación que se
introduce en este punto, con respecto al mecanismo expuesto anteriormente, es que en
condiciones aerobias, en presencia de un exceso de fuente de carbono, las bacterias PAO son
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capaces de seguir acumulando PHB. En este trabajo, basándonos en los resultados
experimentales obtenidos por Michael Rodgers et al., hemos desarrollado una etapa para el
tratamiento de lodos activados, procedentes de la eliminación de fósforo para optimizar la
producción de PHB.
Para ello, tomamos como referencia los parámetros relativos a los lodos generados tras el
proceso de eliminación de nutrientes por la Estación de Aguas Residuales Ranilla:
1. Caudal medio generado: 1691 m3/d
2. Concentración: 11 200 mg/L (58 % de volátiles)
3. Fósforo Total (TP): 300 mg/L
Teniendo en cuenta los requerimientos necesarios por el sistema, y los resultados
experimentales obtenidos, se plantea el esquema del proceso representado en la figura mostrada
a continuación.
Vamos a hacer una descripción de las principales etapas:
Generador de ácidos grasos volátiles:
Partiendo de los lodos procedentes del proceso de eliminación de nutrientes, el efluente se
divide en dos líneas. Por un lado, se pasa al Generador de ácidos grasos volátiles, donde por
aplicación de ultrasonidos producimos la degradación de los sólidos volátiles consiguiendo así
el exceso de carbono orgánico necesario para el proceso (Optimisation of sludge disruption by
sonication).
Fig.1. Esquema general del proceso
Reactor anaerobio:
La otra corriente se dirige al reactor anaerobio, el cual presenta un tiempo de retención
hidráulico de 4 horas (en esta etapa, al igual que ocurre en el resto de reactores, el tiempo de
residencia hidráulico coincide con el tiempo de retención celular al no haber recirculación). El
tiempo de retención se determina en función de los resultados experimentales los cuales indican
que tras 3 horas en condiciones anaerobias, no se aprecia un incremento significativo de PHB.
El contenido de PHB de la masa seca se incrementó desde un 4,7% hasta un 28,8% al final de la
etapa anaerobia. Durante los primeros 90 minutos de liberación de fósforo, el ratio de
producción de PHB fue de 228 mg/l·h, o 156 mg/g VSS·h con respecto a la VSS inicial; a partir
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de este punto, con los carbohidratos como fuente principal de energía, el ratio de producción de
PHB se redujo a 96 mg/l·h, o 66 mg/g VSS·h con respecto a la VSS inicial.
Se mantendrá un pH comprendido en el intervalo 7,3 a 7,5, una temperatura media de 20ºC y
habrá que mantener el medio continuamente agitado. El volumen del reactor se calcula en
función del caudal y del tiempo de residencia indicado (Ingeniería de las reacciones químicas,
Octave Levenspiel):
T(h) =
V(m3 )
,
Q(m3 h)
V(m3 ) = T(h)·Q(m3 h),
1día
V = 4(h)·
·1315,22(m3 día) ,
24h
V = 219,20m3 ,
dicho volumen se redondea a 300 m3 para prevenir posibles problemas de fenómenos puntuales
de aumento de caudal.
Espesador:
Tras el proceso anaerobio pasamos al espesador, donde separamos, por un lado una corriente
con una alta concentración en sólidos totales que es la que pasará a la etapa aerobia, y por otro
lado una corriente con una alta concentración en fósforo que pasará a una etapa posterior donde
se procederá a su precipitación. El tiempo de retención no superara las 6 horas para evitar
posibles reacciones reacciones anaerobias no deseadas. Para el diseño de dicha etapa se recurre
a los parámetros de diseño para espesadores, empleando como factor limitante la carga de
sólidos (también se estudió la carga hidráulica como factor limitante, pero la carga de sólido era
mas limitante)(Tratamientos físicos de las aguas residuales, Enrique Baquerizo Rodríguez). Tras
la aplicación de los parámetros de diseño, obtenemos una superficie del espesador de 210 m2.
Para esta superficie se le asocia una profundidad de 4,5 m, obteniendo un volumen final del
espesador de 945 m3.
Reactor aerobio:
Finalmente, los lodos procedentes del proceso anterior se dirigen al proceso aerobio, al cual
también llega otra corriente procedente del Generador de ácidos grasos volátiles. Esta etapa
tendrá un tiempo de retención de 8 horas, determinado a partir de los resultados experimentales
los cuales nos indican que el contenido en PHB en la biomasa se incrementó desde un 30% a un
49% después de 6 horas en el reactor aerobio, no existiendo incrementos significativos
posteriores. El ratio de producción de PHB en la fase aerobia fue de 84 mg/l·h, o 72 mg/g
VSS·h con respecto a la VSS inicial, lo que supone una concentración final de 1282 mg/L de
PHB.
Se mantendrá durante este tiempo una temperatura media de 20ºC, agitación y un aporte
continuo de aire de 2 L/min. El pH inicial será 7,6. Al igual que en el caso del sistema
anaerobio, el volumen del reactor se calcula en función del caudal y del tiempo de residencia
indicado:
T(h) =
V(m3 )
,
Q(m3 h)
V(m3 ) = T(h)·Q(m3 h),
1día
V = 8(h)·
·1252,59(m3 día) ,
24h
V = 417,53m3
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Dicho volumen se redondea a 500 m3 para prevenir posibles problemas de fenómenos puntuales
de aumento de caudal.
Recuperación del PHB
De lo discutido en el apartado de extracción del PHB, se llega a la conclusión que el método
mas adecuado a nuestro proceso es el de tratamiento con hipoclorito sódico. Este método no es
el que presenta un mayor rendimiento, pero es mas económico que el resto y debido a los
grandes caudales tratados este es un factor determinante. No obstante, el rendimiento que ofrece
el proceso en su conjunto es muy elevado, obteniéndose elevadas producciones de PHB.
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