INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev191098-ajb.doc TEMA 31 LECHOS BACTERIANOS 31.1.-INTRODUCCIÓN. 31.2.- TEORíA DE LA OPERACiÓN DE UN LECHO BACTERIANO. 31.2.1.- Clasificación según el objetivo de la depuración. 31.3.- DESCRIPCiÓN DEL PROCESO. 31.3.1.- Medio soporte. 31.3.2.- Depósito. 31.3.3.- Alimentación de agua residual. 31.3.4.- Salida de agua residual. 31.3.5.- Ventilación. 31.4.- CRíTICA HISTÓRICA Y NUEVO ENFOQUE. 31.4.1.- Dosificación del agua residual. 31.4.2.- Ventilación forzada. 31.5.- DISEÑO DEL PROCESO PARA ELIMINACiÓN DE DB0 5 . 31.5.1.- Análisis teórico del funcionamiento: fórmula de Tejero. 31.5.2.- Otras fórmulas de diseño. 31.5.3.- Criterios de diseño de la WEF-ASCE. 31.1.- INTRODUCCiÓN El proceso de lecho bacteriano es el sistema clásico de los de cultivo fijado a soporte. Se les denomina también filtros percoladores, filtros de goteo o filtros de escurrimiento. En los primeros libros técnicos de Ingeniería Sanitaria, como el escrito por o. Antonio Sornier (1919), a los lechos bacterianos se les denominó "filtros coladores" . "Filtro colador" de principios de siglo 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano T31/P1 INGENIERíA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA31-rev191098-ajb.doc 31.2.- TEORíA DE LA OPERACiÓN DE UN LECHO BACTERIANO El reactor de un proceso de lechos bacterianos es aerobio de cultivo fijado a un medio soporte: un reactor biopelícula. El agua residual decantada o tamizada atravieza el lecho que forma el medio soporte, sin llegar a inundarlo, dejando aire en los intersticios o huecos del medio. La superficie del soporte rápidamente es recubierta con una sustancia viscosa y pegajosa, la biopelícula, que contiene bacterias y otra biota. La biota elimina la materia orgánica por adsorción y asimilación de los componentes solubles y en suspensión. El proceso depende de la oxidación bioquímica de una parte de la materia orgánica del agua residual a CO2 yagua. La materia orgánica remanente es transformada en nueva biomasa. Para el metabolismo aerobio, el oxígeno puede suministrarse mediante aireación natural o forzada. La transferencia de oxígeno es directa o por difusión desde la capa líquida adyacente a la biopelícula. AGUA RESIDUAL 1111111 Biopelícula Agua (Materia Orgánica) • AGUA TRATADA + EXCESO BIOMASA Esquema funcional de un lecho bacteriano Después del arranque del proceso, debido a la actividad microbiana puede formarse una zona anaerobia en la biopelícula junto al medio soporte. Esto puede llevar al crecimiento de microorganismos facultativos y posiblemente anaerobios, especialmente si la acumulación de biomasa es excesiva. Sin embargo, los organismos aerobios superficiales sustentan el mecanismo básico de eliminación orgánica. Las funciones propias de la anaerobiosis, hidrólisis y producción de gas, son mínimas o ausentes si la operación del lecho es adecuada. La cantidad de biomasa producida es controlada por la disponibilidad de alimento. La biopelícula crece en función de la carga orgánica y de la concentración del agua residual, hasta alcanzar un espesor efectivo máximo. Este espesor máximo es controlado por factores físicos, tales como la carga hidráulica, el tipo de material soporte, el tipo de materia orgánica, la cantidad de nutrientes esenciales presentes, la temperatura y la naturaleza del crecimiento biológico. Durante la operación del filtro, se desprende biopelícula, de forma intermitente o continua. Los desprendimientos, continuos o periódicos, se miden como SS del efluente del lecho, y dan una indicación de si la operación del lecho es adecuada. T31/P2 1.Tejero/J. SuárezJA. Jácome/J. Temprano INGENIERfA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev191098-ajb.doc En las plantas de lechos bacterianos, a menudo encontraremos moscas y babosas o caracoles. Las moscas pueden evitarse o controlarse diseñando los lechos para permitir su inundación, lo cual es una forma simple para que un operador controle la proliferación de estos insectos indeseables. También, reduciendo la frecuencia en la dosificación se puede controlar estos organismos molestos e incluso evitar malos olores. Una población excesiva de caracoles, puede causar problemas en los bombeos, y en otros equipos tanto en la línea de agua como de fangos. Para su control, se puede usar un canal de baja velocidad entre el lecho bacteriano y el decantador secundario, con un by-pass para permitir la limpieza de los caracoles que se recojan. La decantación primaria se requiere previo a un lecho de piedra para minimizar los problemas de atascamiento. Sin embargo, pueden no ser necesarios en plantas con lechos de material plástico corrugado que ofrece un índice de huecos bastante elevado, para los que suele ser suficiente un desbaste fino o un buen tamizado de partículas mayores o iguales a 3 mm. Una sedimentación final adecuada es necesaria para eliminar la biopelícula desprendida de los lechos. Se suele utilizar la recirculación del efluente del lecho como una herramienta operacional que mejora la eficiencia del tratamiento. Uno de sus objetivos es conseguir una buena humectación del lecho, manteniendo una capacidad máxima de tratamiento. También, puede servir para conseguir un cortante hidráulico que controle el crecimiento excesivo del espesor de biopelícula, reduciendo el problema de atascamiento asociado. ORIFICIOS DE SAUDA DE AGUA Y DE GENERACiÓN DE EMPUJE BRAZO DISTRIBUIDOR MURO DE CONTENCiÓN VENTANAS DE :.(------VENTILACIÓN .•'-......-, , ~_____ -,.............<, ENTRADA DE AGUA .....• /.:;.0.') BRU~~·'·t_' SALIDA DE AGUA TRATADA Lecho bacteriano o filtro percolador En los primeros lechos bacterianos el medio soporte estaba constituído por piedras; éstas, con el tiempo se han llegado a sustituir por material plástico con diferentes 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano T31/P3 INGENlER/A SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA31-rev191098-ajb.doc configuraciones que han permitido construir lechos bacterianos de gran altura, a los que se denomina torres biológicas o biotorres. - SAUDA DE AGUA TRATADA DECANTADOR UEGADADE AGUA BRUTA ..... C. Torres biológicas o biotorres Los huecos del lecho bacteriano pueden llegar a taponarse bien por un excesivo crecimiento de la biopelícula o debido a la acumulación de trozos de biopelícula arrastrados por el agua circulante tras los desprendimientos masivos de la misma. Este fenómeno condiciona el diseño de los lechos bacterianos, bien a través de la configuración geométrica del soporte y del lecho o a través de la limitación de las variables funcionales del sistema. 31.2.1.- CLASIFICACiÓN SEGÚN EL OBJETIVO DE LA DEPURACiÓN Los lechos bacterianos, según el objetivo de depuración, se pueden clasificar en: • Lechos de desbaste para alcanzar de un 50 al 75 0fc¡ de eliminación de 0805 soluble, y de un 30 al 45 % de oxidación de la 0805 total (la soluble más la debida a los sólidos en suspensión del efluente decantado). • Lechos de tratamiento completo que producen el efluente clarificado requerido en cuanto a 0805 total y 88T. • Lechos de eliminación combinada o conjunta de 0805 y de ONO (demanda nitrogenada de oxígeno) que consiguen el efluente decantado requerido en cuanto a 0805 y N-NH/. • Lechos de nitrificación terciaria, que a partir de un efluente secundario, consiguen el efluente requerido en cuanto a N-NH/. Para el diseño de la nitrificación, combinada o terciaria, se debe tener en cuenta la concentración afluente de NTK (no sólo el amonio) y el N-NH4+ efluente. T31/P4 1. Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev19109B-ajb.doc 31.3.- DESCRIPCiÓN DEL PROCESO Los elementos principales del proceso se pueden describir de la siguiente forma: • El reactor biológico, o lecho bacteriano propiamente dicho, con su correspondiente sistema de alimentación de agua residual y su sistema de ventilación, natural o forzada. • El decantador secundario, con la correspondiente extracción de fangos producidos (exceso de biomasa) o biopelícula desprendida. • La recirculación de agua al reactor. Agua Residual. Ventilación Forzada (opc.) ===(8).,¡".; .----'---'---'----:....----'----'-- r---------, >... DECANTADOR SECUNDARIO Bombeo Recirculación Agua Agua Tratada Producción de Fangos. (Exceso biomasa) Esquema general de un proceso de lechos bacterianos A continuación se analizan cada una de las partes del reactor biológico. 31.3.1.- Medio soporte Los dos principales materiales utilizados como medio soporte han sido: a) Piedras, con tamaño entre 25 y 100 mm y de diferentes materiales (silíceo, puzolanas, coque, escoria, rocas volcánicas, etc.). Se tiende a colocar material poroso. b) Material plástico con diferentes configuraciones, bien como piezas sueltas rellenando el reactor de forma aleatoria o mediante módulos laminares estructurados ordenadamente para formar el lecho. Las principales características o variables del medio soporte son: 1.Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano T31/P5 INGENIERíA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA31-rev19109B-ajb.doc • La superficie específica: es la superficie del medio soporte expuesta por unidad de volumen de lecho; podría llegar a maximizar la superficie de 2/m 3 biopelícula (m ) y por lo tanto la biomasa en el sistema. • El índice de huecos: el índice de huecos, o porcentaje (en volumen) de espacio vacío o de huecos del lecho en relación al volumen total del lecho, da idea del volumen disponible para la biopelícula o biomasa, el agua que escurre y el aire necesario para la oxigenación. El medio soporte ideal debería de disponer de la máxima superficie específica, con el máximo índice de huecos. Valores típicos se indican en la tabla adjunta. Si se analiza el material granular como medio soporte, puede verse que cuanto más pequeño sea mayor será la superficie específica pero también más pequeñas serán las dimensiones de los huecos intersticiales, por lo que más fácilmente se colmatará al crecer la biopelícula. Este último problema se puede evitar aumentando el tamaño de los gránulos, pero con ello, también se consigue disminuir la superficie específica. Así, los límites máximos de tamaños viables están entre 25 y 100 mm. Es importante destacar que la superficie específica del medio soporte no necesariamente coincide con la superficie específica de película. En general, medios soportes de gran superficie específica producen superficies de biopelícula entre 88 y 2/m 3 105 m para procesos de eliminación de D80 5 y de D80 5 combinada con demanda 2/m 3 en procesos de nitrificación terciaria. nitrogenada de oxígeno, y entre 135 y 150 m En general, cuanto mayor es la carga orgánica aplicada mayores tienen que ser las dimensiones de los huecos o intersticios dado que las biopelículas que se producirán tendrán mayores espesores. ' f icas d e Ios me d·lOS Sopo rte para earact ens TIPO DE MEDIO SOPORTE GRAVA PLÁSTICO: PIEZAS DESORDENADAS PLÁSTICO: MÓDULOS ORDENADOS TAMAÑO 5 -10 2.5 - 7.5 1440 1600 SUPERFICIE ESPECíFICA m 2/m3 40 60 Varía Varía 32 - 64 48 - 80 85 - 110 130 - 140 > 95 > 94 C,CN,N N 60x60x120 60x60x120 32 - 80 64 - 96 85 - 110 130 - 140 > 95 > 94 C,CN,N N cm DENSIDAD Kg/m 3 . ec h os b ac t enanos. íNDICE DE HUECOS 60 50 C, CN, NCN,N APLICACiÓN % C: Eliminación de OSO carbonosa, OSO (C). N: Nitrificación terciaria. Eliminación de OSO (N). CN: Eliminación de OSO (C) y OSO (N). La configuración del lecho debe de ser de tal manera que permita la fácil evacuación de la biopelícula desprendida. En este sentido, se considera que los módulos ordenados de flujo vertical son mejores para lechos bacterianos de desbaste que los de flujo cruzado o inclinado. En el otro extremo, cuando se pretende hacer aplicaciones en el campo de la nitrificación, las cargas serán bajas y los espesores de biopelícula pequeños, con lo que se pueden utilizar medios soportes de mayor superficie específica y menores dimensiones de los huecos (mayor índice de huecos). T31/P6 1.Tejero/J. 8uárezlA. Jácome/J. Temprano INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev19109B-ajb.doc Medios de plástico para lechos bacterianos Disposición de medio soporte inclinado a 60° en depósito 31.3.2.- Depósito La función principal del depósito es la contención del medio soporte para formar así el lecho. El lecho bacteriano debe funcionar aireado y no saturado de agua, por lo que las paredes del depósito no necesitarían resistir el empuje del agua, sino solamente el empuje del medio soporte recubierto de biopelícula. Ahora bien, debido a posibles fallos operacionales, sobre todo en el caso de lechos de piedra de media carga, e incluso para posibilitar ciertas estrategias de explotación, basadas en la inundación del lecho, es conveniente considerar dichos empujes en su diseño. En principio, el depósito puede ir abierto en la parte superior, si bien, puede cubrirse con estructuras ligeras para la protección frente a las inclemencias del tiempo, aislamiento térmico, ventilación forzada, control de olores, etc. La forma en planta más utilizada es la circular, dada su adaptación a los sistemas de alimentación de agua. No se utilizan diámetros superiores a 60 metros. Se han utilizado también lechos bacterianos de planta cuadrada o rectangular, más típicas de sistemas con medio soporte de módulos laminares ordenados. 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano T31/P7 INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev191098-ajb.doc 31.3.3.- Alimentación del agua residual El sistema de alimentación de agua residual debe garantizar la distribución uniforme del caudal en toda la superficie del lecho, así como un caudal suficiente de escurrimiento o percolación para arrastrar las porciones de biopelícula erosionadas o desprendidas. El distribuir de forma uniforme y continua el caudal de agua residual en una superficie dada, puede ser fácil si el caudal es muy grande en comparación con la superficie, pero cuando éste no es el caso, como ocurre en los lechos bacterianos, se puede resolver el problema bien aumentando el caudal artificialmente (por ejemplo recirculando efluente ya tratado) o bien aplicándolo de forma intermitente con lo que se consigue también aumentar el caudal instantáneo en el momento de la aplicación. Existen fundamentalmente dos sistemas de distribución del agua de alimentación: a) Sistema fijo, constituido por tuberías y aspersores, utilizado fundamentalmente en lechos bacterianos de planta cuadrada o rectangular. La aplicación del agua residual se puede hacer intermitentemente, mediante depósito de almacenamiento y bombeo del agua residual, o bien de forma continua, mediante recirculación del efluente a tratar. Sistema fijo de aplicación de agua residual b) Sistema móvil, constituido por una columna central giratoria, de la que parten brazos radiales en los que van instaladas boquillas para la distribución del agua residual. Instalándolo en un lecho bacteriano de planta circular y colocando las boquillas con distanciamiento variable (más próximas cuanto más alejadas del centro ya que el área de influencia va a ser mayor) se puede conseguir una distribución uniforme del agua afluente en toda la superficie del lecho bacteriano. Este sistema de distribución aplica el agua de forma intermitente en cada punto de la superficie del lecho bacteriano. Las boquillas deben colocarse a una altura mínima sobre la superficie del lecho bacteriano para conseguir una óptima distribución del agua aplicada y por debajo de una altura máxima para evitar la erosión y la congelación. Tradicionalmente el T31/P8 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL TEMA31-rev1 91 09B-ajb.doc número de brazos y la velocidad de giro del sistema se han diseñado para conseguir una aplicación muy frecuente del agua residual: intervalos de riego no superiores a 30 segundos ó tiempos de 1 a 5 minutos para un giro completo del sistema. Ha sido tradicional también la utilización del accionamiento hidráulico para producir el movimiento del sistema de distribución rotatorio. Este movimiento se consigue por un efecto de acción-reacción: al salir el agua de los brazos en un mismo sentido se consigue el movimiento de éstos en sentido contrario. Cuando el sistema toma demasiada velocidad se pueden colocar boquillas en el lado contrario del brazo distribuidor. Cuando el diámetro del depósito es grande se debe aumentar el número de brazos distribuidores. Brazo móvil de distribución de agua residual 31.3.4.- Salida del agua residual El medio soporte se coloca sobre un falso fondo drenante que retiene el material de relleno y permite el paso del agua tratada. La solera del depósito, se hace con pendientes (al menos un 1% - 2%) hacia los canales de evacuación de agua tratada. Estos canales, pueden ser diametrales interiores en el lecho o bien periféricos. En este último caso la pared del depósito tiene ventanas o huecos en su base en toda la periferia para permitir la salida del agua al canal perimetral y a la vez permitir la ventilación del lecho. 31.3.5.- Ventilación Al no saturarse el lecho queda aire en los intersticios y por lo tanto la, ventilación es viable. Tradicionalmente se ha utilizado un sistema de ventilación basado en el tiro natural o efecto chimenea producido por la diferencia de temperatura entre el aire y el agua residual. Si el agua a tratar está más caliente que el aire atmosférico, calienta el aire interior del lecho, y éste al perder densidad asciende provocando la entrada de aire más frío por la parte inferior. Para que esta ventilación natural funcione se necesitan diferencias de temperatura aire-agua mayores que 2 "C y para que funcione óptimamente superiores a 6 "C. Por otra parte, en función del tipo de lecho, hay que limitar su altura máxima «3 m) para 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano T31/P9 TEMA31-rev191098-ajb.doc INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL que la resistencia al paso del aire y la pérdida de carga no sean excesivas y permita la ventilación natural descrita. Para posibilitar el tiro hay que permitir la entrada del aire por las aberturas inferiores que, al menos, deben representar un 2% de la superficie del lecho. Por lo tanto, este sistema de ventilación natural es dependiente de las variaciones de temperatura del agua residual y del aire ambiental, de tal manera que si hay un período en que éstas coinciden, bien a lo largo del día o en diferentes épocas, la ventilación deja de funcionar, disminuyen los rendimientos del proceso y se producen problemas de funcionamiento como olores, etc. Para aguas residuales urbanas, los fabricantes de medio plástico en los EE.UU. 2 (WEF-ASCE, 1992) recomiendan 0,1 m de área de ventilación por cada 3 a 4.6 m de 2 3 periferia de lecho o biotorre o de 1 a 2 m por cada 1000 m de medio. Otro sistema, antiguamente poco utilizado, consiste en la ventilación forzada mediante ventiladores que salvaría los problemas generados por la falta de tiro natural. Los lechos cubiertos suelen incorporar ventilación forzada. Es habitual en la depuración de aguas residuales industriales. Actualmente, en los EE. UU. de Norte América se tiende a que sea habitual también en EOARUs. 31.4.- CRITICA HISTÓRICA Y NUEVO ENFOQUE Históricamente, los lechos bacterianos han sido considerados como un proceso biológico que no era capaz de alcanzar muy buenas calidades del efluente. Algunas consideraciones habituales sobre los lechos bacterianos, pero que son incorrectas, son las siguientes (W.E.F.-ASCE 1.992): - Los lechos bacterianos no son idóneos para obtener concentraciones del efluente menores a 30 mg/L de 080 5 y de SS. - El efluente de los lechos bacterianos no puede ser tan bueno como el de fangos activos. - Los lechos bacterianos sólo eliminan la OSO fácilmente degradable. - Se produce una gran pérdida de temperatura a través de los lechos bacterianos en climas fríos. - Los lechos bacterianos no son procesos de nitrificación eficaces. - La ventilación natural en los lechos bacterianos es adecuada. - La aplicación del agua residual en los lechos debe dosificarse cada 10 a 60 segundos. - La recirculación es necesaria para obtener un funcionamiento óptimo. - Los ciclos de desprendimiento masivo de biopelícula son normales y no son perjudiciales para su funcionamiento. - El proceso de lechos bacterianos requiere más terreno que el de fangos activos. En la realidad, con la tecnología actualmente disponible, los lechos bacterianos pueden ser capaces de conseguir efluentes con menos de 10 mg/L de 080 5 y SS, Y con menos de 1 mg/L de nitrógeno amoniacal (NH4+), con pérdidas de temperatura del agua menores de 1.5 "C, llegando a eliminar prácticamente tanto la producción de moscas (Psychoda, Anisopus, etc.) como los desprendimientos masivos de biopelícula, evitando el peligro de atascamiento del lecho y su mal funcionamiento. T31/P10 1.Tejero/J. SuárezlA. Jácome/J. Temprano
