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Lechos bacterianos

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INGENIERíA SANITARIA YAMBIENTAL
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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
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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.
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1.Tejero/J. SuárezJA. Jácome/J. Temprano
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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
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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.
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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:
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•
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).
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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.
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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
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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
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T31/P9
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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.
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