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Reactores anaerobicos

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Reactores anaerobicos

  1. 1. TRATAMIENTO MEDIANTE REACTORES ANAEROBIOS Curso Tratamiento de Aguas Residuales Año 2002
  2. 2. REACTORES ANAEROBIOS INTRODUCCION
  3. 3. BIBLIOGRAFIA: - “Reatores anaeróbios” Carlos Augusto De Lemos - "“Introduction to Wastewater Treatment Processes” Ramalho - “Manual de disposición de aguas residuales” Tomo II. Programa de Salud Ambiental – CEPIS, OPS, OMS - “Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposicao controlada no solo” Coordinador: José Roberto Campos - Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB). - “Proyecto y operación de filtros anaeróbios para tratamiento de efluentes líquidos industriales” José Roberto Campos - Módulo del Taller Regional y Conferencia sobre Tratamiento Anaeróbio de Aguas Residules en América Latina (México, 1990) REACTORES ANAEROBIOS
  4. 4. Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales con altas cargas orgánicas. Pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final. Comparación con tratamientos aerobios: Ventajas: - bajo consumo de energía; no se requiere aporte de O2 - posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible (caro) - el lodo obtenido es un lodo ya estabilizado Desventajas: - largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses) - sensibilidad a variación de condiciones ambientales - menor efliciencia en remoción de MO (aprox.80%) REACTORES ANAEROBIOS GENERALIDADES:
  5. 5. REACTORES ANAEROBIOS MO - compuestos orgánicos complejos (carbohidratos, proteínas, lípidos) Hidrólisis Acidogénesis acetato + H2 + CO2 CH4 + CO2 Acetogénesis Metanogénesis compuestos orgánicos simples (azúcares, aminoácidos, etc) ácidos orgánicos (acetato, propianato, butirato, etc) Hidrólisis:Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos (material particulado) son transformados en material disuelto más simple, por medio de enzimas producidas por bacterias fermentativas. Acidogénesis:Acidogénesis: los productos solubles son convertidos en ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc, por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas. Acetogénesis:Acetogénesis: los productos generados en la etapa anterior son transformados en sustrato para las bacterias metanogénicas. Metanogénesis:Metanogénesis: finalmente se produce metano a partir de acetato (bacterias metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas). H2 S + CO2 Sulfurogénesis:Sulfurogénesis: cuando hay sulfatos las bacterias sulfato reductoras compiten por el sustrato con las demás (se genera H2S y baja prod.CH4, hay problema de olores e inhibición). DIGESTION ANAEROBIA:
  6. 6. REACTORES ANAEROBIOS - Se debe garantizar un adecuado equilibrio entre las comunidades de bacterias que intervienen - Tasa de crecimiento de las metanogénicas << acidogénicas - Velocidad de metanogénesis << acidogénesis - Si disminuye la tasa de reproducción de las metanogénicas, se dará acumulación de ácidos lo que provocará la inhibición de las metanogénicas y la interrupción de la reducción de la DBO, generándose malos olores Inhibición de las bacterias metanogénicas: pH - rango para el desarrollo: 6-8 (crecim.óptimo ≅ 6.6-7.4) Ac.volátiles – si pH sale de rango las metanog.se inhiben pero las acidogénicas continúan su actividad (se generan >> ác.volátiles) y el reactor se acidifica Alcalinidad – importante ya que controla las variaciones de pH si no fuera suficiente se dosifica alcalinizante Tóxicos – las sales (Na, K, etc), el amonio y los sulfuros, en altas concentraciones, así como los metales pesados pueden inhibir el proceso. Inhibición de las bacterias metanogénicas: Sulfuro de hidrógeno: Forma más tóxica en que se puede encontrar el sulfuro. H2S H+ + HS- 2H+ + S2- H2S HS- S2- pH % 100 4 1086 161412
  7. 7. REACTORES ANAEROBIOS REQUISITOS AMBIENTALES: - Nutrientes: Se requiere la presencia de macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe, Zn, etc) en proporciones adecuadas para atender las necesidades de los microorganismos. Estos elementos se encuentran presentes en el líquido residual doméstico. - Temperatura: Influye en la velocidad de metabolismo de las bacterias y en la solubilidad de los sustratos. Existen dos rangos para el proceso - mesófilo (30-35°C) y termófilo (50-55ºC) - pH: Entre 6 y 8 para que no se inhiba el proceso por las metanogénicas - Ausencia de OD
  8. 8. REACTORES ANAEROBIOS TRATABILIDAD DE LOS EFLUENTES: Para escoger el tratamiento más adecuado y evaluar la prod.de sólidos biológicos, metano, etc, se deben conocer las caract.del líquido a tratar: DBO, DQO, pH, alcalinidad, contenido de nutrientes, temperatura, presencia de compuestos tóxicos. Los compuestos presentes en el afluente pueden ser clasificados como de degradación fácil, difícil o no degradables. Balance de DQO en el proceso de degradación: DQO total DQO bd DQO rec DQO cel DQO AGV DQO rec DQO cel DQO AGV DQO CH4 DQO rec DQO rem DQO no rem La DQO total afluente puede ser dividida en la porción biodegradable DQObd (que puede ser degradada biológicamente en condiciones anaerobias) y la que no puede ser degradada por las bacterias (DQO recalcitrante) La MO biodegradable será consumida por los microorg. fermentativos, siendo convertida en células y ác. grasos volátiles. La mayor parte de los ác. grasos volátiles serán finalmente transformados en CH4
  9. 9. REACTORES ANAEROBIOS La remoción de DQO se da en la etapa final metanogénica, donde se forma CH4 (muy poco soluble). La MO inicial termina siendo liberada a la atmósfera en forma de CH4, reduciendo así el contenido orgánico del efluente. Estimación de la producción de CH4: Remoción de DQO y producción de CH4 en el proceso: En el proceso de degradación de la MO se libera CH4, el cual será luego oxidado a CO2 y H2O para completar el ciclo del carbono. Ejemplo – degrad. de la glucosa bajo condiciones anaerobias: C6H12O6 3CO2 + 3CH4 Para evaluar la demanda de oxígeno del proceso se deben considerar los productos generados (CO2, CH4). Como el CO2 se encuentra ya en la forma más oxidada, la única demanda de oxígeno será la correspondiente a la oxidación del CH4. CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O (16gr) (64gr) (44gr) (36gr) De la ecuación surge que 1 mol de CH4 requiere 2 moles de O2 para su completa oxidación. Para el caso de la glucosa se tendrá que por cada mol de glucosa se generan 3 moles de CH4 (48 gr) que requieren de un consumo de 192 gr de O2 para su oxidación, siendo entonces la demanda de oxígeno igual a 192 gr (se remueven 192 gr de DQO). En resumen, cada 16 gr de CH4 producido y liberado se consumen 64 gr de O2 (se remueven 64 gr de DQO).
  10. 10. REACTORES ANAEROBIOS Remoción de DQO y producción de CH4 en el proceso: Entonces puede determinarse la producción de metano a partir de la remoción de DQO en el proceso: VCH4 = DQOCH4 / k(T) K(T) = K.P / R(273+T) Con: VCH4 = volumen de CH4 liberado (l) DQOCH4 = DQO convertida en metano (grDQO removido) K = gr DQO por 1 mol de CH4 (64 grDQO / molCH4) R = cte. de los gases (0.08206 atm.l/mol.°K) P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC) Finalmente, considerando que el gas producido se compone de: 75-80% CH4 y 20-25% CO2, puede estimarse la producción total de gas en el proceso.
  11. 11. REACTORES ANAEROBIOS Crecimiento bacteriano: La velocidad de crecimiento de los microorganismos es proporcional a la vel.utilización de sustrato: dX/dt = Y . dS/dt La velocidad de crecimiento de los microorganismos es proporcional a la conc.de microorg. y depende del sustrato: - Cuando el crecimiento se da sin limitaciones: dX/dt = µ . X - Cuando existen limitaciones del sustrato presente: µ = µmáx . S/(Ks+S) dX/dt = µmáx . S/(Ks+S) . X Siendo: X = microorganismos (mg SSV/l) S = concentración de sustrato (mgDQO/l) Y = prod.biomasa por unidad sustrato (mgSSV/mgDQO) µ = vel.crecimiento celular (d-1 ) µmáx = vel.crecimiento máxima (d-1 ) Ks = cte.saturación de sustrato (S para µ = 0.5µmáx) CINETICA DE LA DEGRADACION ANAEROBIA: Decaimiento bacteriano: dX/dt = -Kd . X con Kd = coef.de respiración endógena (d-1 ) Crecimiento resultante: dX/dt = µmáx . S/(Ks+S) . X - Kd . X Siendo:X = microorganismos (mg SSV / l) µ = tasa crecimiento (d-1 ) µmáx = tasa crecimiento máxima (d-1 ) S = concentración de sustrato limitante (mg/l) Ks = oncentración de sustrato para la cual µ = 0.5µmáx
  12. 12. REACTORES ANAEROBIOS Producción de sólidos: La producción de biomasa (o crecimiento bacteriano) puede ser expresado en función de la utilización de sustrato. Cuando más sustrato sea asimilado, mayor será la tasa de crecimiento bacteriano. dX/dt = Y . dS/dt Y = coef.prod.biomasa (mgSSV/mgDQO) Por lo tanto la prod.de sólidos será: dX/dt = Y.dS/dt - Kd.X Tasa de utilización de sustrato: Expresa la capacidad de conversión de sustrato por la biomasa, por unidad de tiempo: dS/dt = 1/Y . dX/dt entonces: dS/dt = µmáx . S/(Ks+S) . X/Y CINETICA DE LA DEGRADACION ANAEROBIA:
  13. 13. Tiempos de retención: Tiempo de ret.hidráulica: TDH = V/Q Tiempo de ret.celular: tiempo medio de permanencia de los sólidos biológicos en el sistema (edad del lodo) θc = masa sólidos sist. / masa sólidos retirada por unid.t En estado estacionario: θc = V.X / (V.dX/dt) Si no existe mecanismo ret.sólidos: θc = TDH Si existe mecanismo ret.sólidos: θc > TDH REACTORES ANAEROBIOS PARAMETROS DEL PROCESO: θcθc mín Se So Existe un θc mínimo necesario para que se desenvuelva la digestión anaerobia. 1/θc = 1/X . dX/dt = µmáx.S/(Ks+S) - Kd 1/θcmín = µmáx.So/(Ks+So) - Kd Para aumentar θc se puede: - Recircular parte de los lodos - Inmovilizar la biomasa: soporte de material inerte, manto de lodos RA QQ recirculación purga
  14. 14. Coeficientes cinéticos:   Se debe tener cuidado al aplicar los valores de la tabla ya que los  mismos no se ajustarán al funcionamiento del real del reactor  (características del tipo de sustrato, la población bacteriana y las  condiciones ambientales)  REACTORES ANAEROBIOS población µm  (d-1 ) Y  (gSSV/gDQO) acidogénicas 2.0  0.15  metanogénicas 0.4  0.03  bacteriana pobl.mixta 0.4  0.18  Ks  (mgDQO/l) 200  50  ---  tasa metaboliz.  (gDQO/gSSV.d) 13  13  2 
  15. 15. REACTORES ANAEROBIOS EVALUACION DE LA ACTIVIDAD MICROBIANA: El  desempeño  del  proceso  de  tratamiento  anaerobio  depende  del  mantenimiento,  dentro  de  los  reactores,  de  una  biomasa  adaptada, con elevada actividad microbiológia. Para evaluar la actividad microbiana se utiliza el  test de AME (Actividad Metanogénica Específica),  con el cual se determina la capacidad de la  biomasa para convertir sustratos en CH4 y CO2.  Test de AME: Ensayo de laboratorio donde se mide el  metano liberado, por desplazamiento de  volumen (es una medida indirecta).  Se  intenta  repetir  el  proceso  de  degradación  anaerobia del lodo, en un recipiente de ensayo,  para  evaluar  la  producción  de  metano.  El  ensayo se realiza en condiciones estandar. Test de AME: Descripción del test: - medir sólidos volátiles del lodo a evaluar - colocar lodo + nutrientes en frasco reacción - purgar el O2 (con N2 gas) y agregar el sustrato - agitar y registrar vol.gas a lo largo del tiempo CO2 : se disuelve en la solución de NaOH CH4 : burbujea (desplaza NaOH a la probeta) Test de AME: Insumos necesarios para el test:  - lodo anaerobio a evaluar - sustrato orgánico (acetato de sodio) - solución de nutrientes - disp.controlador de temp.(estufa, baño maría)  - dispositivo de mezcla (agitador) - dispositivo de medición de producción de gases biogas sol. de  NaOH lodo  nutr.   sustr. biogas frasco de  reacción probeta  graduada
  16. 16. REACTORES ANAEROBIOS CONFIGURACION DE REACTORES: La selección de la configuración del reactor depende de: TDH,  θc,  carga  orgánica  e  hidráulica,  factores  ambientales,  disponibilidad de área, etc. En  todos  los  casos  es  importante  favorecer  el  contacto  del  líquido  afluente  con  la  biomasa  activa  en  el  reactor  (para  promover una degradación más eficiente). Los  diseños  con  sistema  de  retención  de  biomasa  permiten  aumentar θc, reduciendo el TDH. Sistemas convencionales: Trabajan  con  cargas  volumétricas  bajas,  altos  tiempos  de  retención hidráulica y no cuentan con mecanismos de retención  de sólidos. Sistemas de alta tasa:   Los  reactores  cuentan  con  mecanismos  de  retención  de  biomasa, lo que permite la operación con bajos TDH y altos θc.  Existen  dos  tipos  de  reactores:  de  crecimiento  disperso  y  de  crecimiento adherido.
  17. 17. REACTORES ANAEROBIOS Inmobilización de biomasa:   Crecimiento disperso:  Los  microorganismos  se  adhieren  y  agregan  unos  a  otros  formando flocs o gránulos que se mantienen suspendidos en el  reactor debido a las condiciones hidráulicas. Crecimiento adherido:  Las  bacterias  se  adhieren  a  un  medio  soporte  formado  por  material inerte como arena, piedra, plástico. Al  favorecer  el  desarrollo  y  retención  de  gran  cantidad  de  microorganismos  en  el  reactor,  se  logran  altas  velocidad  de  tratamiento,  lo  que  permite  aplicar  altas  cargas  orgánicas  en  tanques de volumen reducido. Carga orgánica aplicada: CO = Q.S  Carga orgánica máxima admisible: COmáx = V.X.AME (AME = activ. metanog. máx. por unidad de biomasa kgDQOCH4/kgSSV.d)
  18. 18. REACTORES ANAEROBIOS FUNCIONAMIENTO DE REACTORES: Distribución del afluente: Debe  ser  uniforme  para  evitar  zonas  muertas  y  debe  generar  una buena mezcla para favorecer el contacto afluente-biomasa. Recirculaciones: Puede  recircularse  parte  del  líquido  efluente  o  de  los  gases  generados  para  mejorar  la  mezcla  y  el  contacto  afluente- biomasa.  Remoción de lodos: Una vez completado el θc, el exceso de lodo es descartado. Ese  lodo ya estará estabilizado, debiendo ser deshidratado previo a  su disposición final. Sólidos suspendidos en el afluente: Dependiendo del tipo de reactor, la respuesta que habrá frente  a altas concentraciones de sólidos suspendidos en el afluente.
  19. 19. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS CONVENCIONALES: Lagunas anaerobias: Funcionan como reactor y sedimentador conjunto. Fosas sépticas: Predominan los mecanismos de sedimentación, depositándose  el lodo en el fondo donde se da la mayor parte de la remoción  de materia orgánica. Digestores anaerobios: Son tanques circulares cubiertos, con pendiente de fondo para  favorecer el retiro de los sólidos sedimentados. La cubierta del  reactor puede ser fija o flotante. Se  emplean  para  aguas  residuales  con  alta  concentración  de  sólidos suspendidos, lodos (1arios  y 2arios ). La  etapa  de  hidrólisis  puede  volverse  la  etapa  limitante  (temp.óptima para la hidrólisis: 25-35ºC).
  20. 20. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS CONVENCIONALES: - No  hay  dispositivos  de  mezcla.  - El líquido crudo ingresa en  la zona de digestión. - En  la  superficie  se  forma  una  capa  de  espuma  favorecida  por  el  gas  que  asciende  arrastrando  lodo  y flotantes. - Se  purgan  periódicamente  sobrenadante  y  lodo  digerido. - Volumen  útil  reactor  =  aprox 50% del vol.total del  digestor  Digestores anaerobios de baja carga: θc = TDH 30-60     días Carga    sólidos 0.6-1.6 kgSSV/m3 .d Vol.  reactor 57-85 l/hab  lodo 1ario 113-170 l/hab  lodo 1ario + lodo act.LODO DIGERIDO LODO EN DIGESTION SOBRENADANTE ESPUMA efluente crudo líquido  sobren. lodo digerido gas
  21. 21. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS CONVENCIONALES: Digestores anaerobios de alta carga: - Cuentan  con  mecanismos  de mezcla y calentamiento.  - Admiten  cargas  mayores  y  los  volúmenes  requeridos  son menores. - El proceso es más estable θc = TDH 15-20     días Carga    sólidos 1.6-3.2 kgSSV/m3 .d Vol.  reactor 37-57 l/hab lodo 1ario 74-113 l/hab lodo 1ario + lodo act. LODO DIGERIDO LODO EN DIGESTION efluente crudo lodo digerido gas control  temp
  22. 22. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS DE ALTA TASA: Biomasa adherida: Reactores de lecho fijo (filtros anaerobios): - Existe  un  manto  de  material  inerte  que  sirve  como  soporte  para  los  microorganismos, que van  formando  una  capa  de  biomasa adherida. - Parte  de  los  microorg.  quedan  retenidos  en  los  intersticios del manto. - El  flujo  de  líquido  por  los  intersticios  del  manto  genera  la  mezcla  y  el  contacto afluente-biomasa MANTO afluente crudo líquido  sobren. lodo descaratado gas - En  general  son  indicados  para  el  tratamiento  de  aguas  residuales  con  bajo  contenido  de  SS,  o  para  sistemas  de  tratamiento  que cuenten con unidades  de  retención  de  sólidos  aguas  arriba  (ej:fosa  séptica). - El  flujo  puede  ser  ascendente o descendente - TDH ≅ horas − θc ≅ 20 días
  23. 23. REACTORES ANAEROBIOS Reactores de lecho rotativo (biodiscos anaerobios): - Serie de discos instalados en forma paralelas, centradas en  un  eje  giratorio  accionado  por  un  motor  externo.  La  biomasa se adhiere a los discos de material poroso. - Los discos se mantienen sumergidos y el reactor es cerrado - Velocidad  de  rotación:  debe  permitir  la  adherencia  de  biomasa en los discos y el desprendimiento del exceso de  biomasa retenida en los mismos.  SISTEMAS DE ALTA TASA: - La  mezcla  ocurre  por  el  propio  flujo  hidráulico  de  movimiento de los discos. El líquido ingresa por un extremo  inferior y sale por el extremo opuesto superior. - A continuación del reactor se debe instalar un sedimentador  secundario  para  la  decantación  de  los  lodos  que  salieron  con el efluente.  afluente efluente
  24. 24. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS DE ALTA TASA: - El reactor contiene un manto  de  material  inerte  que  se  mantiene  expandido  por  la  velocidad  ascencional  del  líquido, al que se adhieren los  microorganismos. - La  diferencia  entre  ambos  reactores está en el grado de  expansión del manto de lodo  (fluidificación: movimiento de  las partíc. del lecho se vuelve  libre en relación a las demás) Lecho expandido: 10-20% Lecho fluidificado: > 30% Reactores de lecho expandido o fluidificado (RALF): - La  expansión  del  lecho  mejora  el  contacto  afluente- biomasa  y  evita  problemas  de  obstruciones  (como  en  filtros anaerobios). - Manto: -  arena,  antracita,  PVC,  etc  con φ = 0.3-3 mm - cerca  del  10%  del  volumen del reactor - En  la  parte  superior  de  la  unidad  se  ubica  un  sedimentador  que  evita  la  salida  de  partículas  de  lodo  con el efluente. efluente LECHO EXPANDIDO O FLUIDIF. afluente gas
  25. 25. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS DE ALTA TASA: Biomasa suspendida Reactores de manto de lodos (UASB-RAFA-DAFA): - No  posee  material  inerte  como  soporte para la biomasa. - La inmobilización de los microorg.  ocurre  por  auto  adensamiento  (formación de flóculos o gránulos  densos  suspendidos,  que  se  disponen  en  capas  de  lodo  a  partir del fondo del reactor) - El  flujo  es  ascendente  y  pasa  a  través del lecho de lodo denso. - La estabilización de la MO ocurre  en todas las zonas del reactor. - En  la  parte  superior  se  ubica  un  sedimentador  para  evitar  la  salida de partículas de lodo con el  efluente. - Debajo  del  sedimentador  existe  un  dispositivo  de  separación  de  los gases. CAPA DE LODO efluente MANTO DE LODO afluente gas
  26. 26. REACTORES ANAEROBIOS SISTEMAS COMBINADOS: Pueden emplearse sistemas integrados de reactores anaerobios  como  primera  etapa,  con  otros  reactores  biológicos  para  pos  tratamiento, de modo de asegurar un efluente de alta calidad. Desinfección de efluentes anaerobios: Lagunas de maduración  para  reducir  el  contenido  de  microorganismos  patógenos Disposición en el suelo  se puede lograr la remoción de los patógenos antes de  alcanzar los cuerpos de agua Desinfección  con cloro (generación de subproductos indeseables),  con ozono (costo elevado) Reactor anaerobio + Reactor anaerobio: Fosa séptica + Filtro anaerobio en  la  fosa  séptica  se retiene  y  degrada  la fracción  particulada de la MO por sedimentación, mientras que la  fracción soluble es tratada en el filtro anaerobio UASB + Filtro anaerobio el  efluente  del  UASB  puede  contener  SS  de  pequeño  tamaño que pueden ser retenidos en un filtro anaerobio Reactor anaerobio + Reactor aerobio: UASB + Barros activados, Filtro biológico o Laguna aireada con el tratam.aerobio posterior se logra remover MO  remanente y otros elem, obteniendo efluente de alta  calidad.
  27. 27. REACTORES UASB DISEÑO DE REACTORES UASB: efluente afluente gas Capa de lodo Manto de lodo Deflector de gases Separador En la zona inferior se desarrolla una capa de lodo concentrado (4-10%) con buenas características de sedimentación. Sobre esa capa se desarrolla una zona de crecimiento bacteriano más disperso (manto de lodos) en el que los sólidos presentan velocidades de sedimentación más bajas. La concentración de lodo en esa zona es 1.5-3% El sistema es auto mezclado por el mov. ascendente de las burbujas de gas y del flujo de líquido a través del reactor. En la zona superior hay un separador de gases-sólido- líquido, que ayuda a retener el lodo dentro del reactor. Sobre el separador se ubica el sedimentador donde el lodo sedimenta y vuelve al compartimiento de digestión. En general θc > 30 días, por lo que el lodo excedente descartado ya se encontrará estabilizado.
  28. 28. REACTORES UASB - Se deben garantizar bajas velocidades en los compartimientos de digestión y sedimentación para retener la biomasa en el sistema (Asup. para asegurar esas vel.) - Para favorecer la sedimentación del lodo en la cámara de sedimentación puede ser necesario aumentar el Asup. (para reducir la velocidad del flujo). - Se deben asegurar las velocidades admisibles para todo el rango de caudales afluentes. - Forma de los reactores: circulares o rectangulares con Asup. uniforme o variable Consideraciones generales:
  29. 29. REACTORES UASB Carga orgánica volumétrica:COV = Q.S/V COV < 15 kgDQO/m3 .d Con: COV = carga orgánica volumétrica (kgDQO/m3 .d) Q = caudal afluente (m3 /d) S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m3 ) V = volumen del reactor (m3 ) Cuando se tratan líquidos domésticos la carga orgánica no es el factor limitante, ya que en general < 2.5-3 kgDQO/m3 .d. Carga hidráulica volumétrica: CHV = Q/V = 1/TDH CHV < 5 m3 /m3 .d (TDH>4.8 hs) Con: CHV = carga hidráulica volumétrica (m3 /m3 .d) Q = caudal afluente (m3 /d) V = volumen del reactor (m3 ) TDH = tiempo de retención hidráulico (d) Criterios de proyecto:
  30. 30. REACTORES UASB Observaciones: - Si se diseña con TDH menores puede producirse la pérdida excesiva de biomasa del sistema, con la reducción de θc. - La temperatura influye en la velocidad del proceso de digestión, por lo que se limita TDH según la temperatura: Temp.del líquido (°C) TDH med. (Qm) TDH mín (Qmáx) 16-19 20-26 >26 > 10-14 hs > 6-9 hs > 6 hs > 7-9 hs > 4-6 hs > 4 hs Qmáx es el que se da durante un tiempo máx.4-6 hs por día - Según la concentración de sustrato del afluente, el criterio de diseño limitante será por: CHV S < 2500 mgDQO/l COV S > 2500 mgDQO/l V(m3 ) S(mgDQO/l)2500 Q/CHV Q.S/COV
  31. 31. REACTORES UASB Carga biológica (carga de lodo): CB = Q.S/M Con: CB = carga biológica (kgDQO/kgSSV.d) Q = caudal afluente (m3 /d) S = concentración de sustrato afluente (kgDQO/m3 ) M = masa de microorg. en el reactor (kgSSV/m3 ) Es la MO aplicada diaramente al reactor por unidad de biomasa presente. La carga biológica máxima depende de la actividad metanogénica del lodo. En la partida de reactores anaerobios CB será baja, del orden de 0.05-0.15 kgDQO/kgSSV.d, y se irá aumentando gradualmente. Durante la operación en régimen se pueden alcanzar valores de CB = 2 kgDQO/kgSSV.d
  32. 32. REACTORES UASB Q v (m/h) medio máximo pico 0.5-0.7 0.9-1.1 < 1.5 Los picos tendrán una duración máxima de 2-4 hs por día Para mayores cargas orgánicas (5-6 kgDQO/m3 .d): - Si el reactor opera con un lodo tipo floculento v ≅ 0.5-0.7 m/h y para picos v ≅ 1.5-2 m/h - Si opera con lodo tipo granular se admitirá v < 10m/h Velocidad superficial del flujo: v = Q/A = H/TDH Con: v = velocidad ascencional (m/h) A = área superficial (m2 ) H = altura del reactor (m) Corresponde a la zona de digestión y el valor máximo depende de las características del lodo presente y de las cargas aplicadas. Para líquidos domésticos:
  33. 33. REACTORES UASB Distribución del afluente: Se debe distribuir el sustrato afluente en forma uniforme en la parte inferior del reactor, evitando cortocircuitos a través de la capa inferior de lodo. Esto es fundamental cuando se tratan líquidos domésticos o la temperatura de operación es baja ya que la producción de gas no es suficiete como para lograr la mezcla adecuada. El sistema se diseña a partir de un canal de distribución ubicado en la parte superior, que distribuye el afluente a través de tubos que descargan el líquido en la zona inferior del reactor. A continuación se verán los parámetros de diseño para cada uno de los componentes del sistema (canaletas y tubos de distribución).
  34. 34. REACTORES UASB Esquemas para tanque circular o rectangular:
  35. 35. REACTORES UASB Esquemas para tanque circular o rectangular:
  36. 36. REACTORES UASB Canaleta de distribución: La canaleta de distribución se ubica en la zona superior del reactor y alimenta los tubos de distribución. Conviene que la canaleta se divida en compartimientos, en cada uno de los cuales se ubique un tubo de distribución (mejor respuesta frente a obstrucciones)
  37. 37. REACTORES UASB Tubos de distribución: - φ ≅ 75-100mm por obstrucciones - velocidad < 0.2 m/s para evitar ingreso de aire al reactor - en la zona inferior se busca tener una velocidad mayor para favorecer la mezcla y evitar sedimentaciones en la zona cercana: φ ≅ 40-50mm - número de tubos: se determina en función del A del reactor y del área de influencia de cada distribuidor (Ad). Nd = A / Ad para líquidos domésticos se puede asumir Ad = 1.5-3 m2
  38. 38. REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Separación de gases: Las dimensiones deben ser tales que permitan la formación de un área de interfase líquido-gas suficiente para permitir la liberación del gas generado. El gas, al liberarse, deberá vencer la capa de espumas pero sin arrastrar partículas de lodo hacia las tuberías de salida de gas. Tgas = Qgas / Ai Con: Tgas = tasa de liberación de gas (m3 /m2 .h) Qgas = producción esperada de gas (m3 /h) Ai = área de la interfase líquido-gas (m2 ) Se recomiendan valores de Tgas ≅ 1-3 m3 /m2 .h, por lo que determinando Qgas se puede obtener el área de interfase.
  39. 39. REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Separación de sólidos: - Sedimentador: - profundidad de la cámara de sedimentación 1.5-2 m - tasade aplicación superficial y tiempo de retención según: - paredes del sedimentador serán inclinadas (>45°) - Se instalarán deflectores debajo de las aberturas de ingreso al sedimentador (sobresaliendo 10-15 cm) para evitar ingreso de gases. La velocidad en las aberturas será menor a: 2-2.3 m/h (Qm), 4-4.2 m/h (Qmáx), 5.5-6 m/h (Qpico) Q Vs (m/h) medio máximo pico (2-4hs) 0.6 - 0.8 < 1.2 < 1.6 TDH (h) 1.5 - 2 > 1 > 0.6
  40. 40. REACTORES UASB Separador de gases, sólidos y líquidos: Recolección del efluente: Estructura de salida mediante vertederos o tubos perforados sumergidos, con tabique para evitar salida de espumas. Alturas parciales del reactor: H cámara digestión = 2.5-3.5 m H cámara sedimentación = 1.5-2 m Eficiencia: Puede esperarse rendimientos de entre 50-70% para remoción de DQO. En base a datos experimentales se estimaron: EDQO = 100 (1 - 0.68 x TDH-0.35 ) EDBO = 100 (1 - 0.7 x TDH-0.50 ) ESS = 250/TDH + 10
  41. 41. REACTORES UASB Sistema de descarte de lodo: En forma periódica se realiza la purga del lodo en exceso presente en el reactor, y del material inerte sedimentado en el fondo de la unidad. Se colocan dos puntos de purga (tuberías de φ > 100mm): - junto al fondo del reactor - 1-1.5 m encima del fondo
  42. 42. FILTROS ANAEROBIOS DISEÑO DE FILTROS ANAEROBIOS: - tratamiento complementario para efluentes fosas sépticas - prof. útil: 1.80 m - diám.: 0.95 - 5.40 m - ancho: 0.85 - 5.40 m - vol. útil mín.: 1.25 m3 - H medio soporte: 1.2m - falso fondo:60cm sobre fondo - salida del efluente: mantener nivel de líquido mínimo de 30 cm sobre el lecho Configuración norma brasilera ABNT 1982 (NBR 7229/82):
  43. 43. FILTROS ANAEROBIOS Medio soporte: Debe promover la uniformización del flujo en el reactor, mejorar el contacto entre el líquido afluente y los sólidos biológicos en el reactor, permitir acumulación de gran cantidad de biomasa (>θc) y actuar como barrera física evitando la salida de sólidos con el efluente. Tipos de material: cuarzo, granito, bloques cerámicos o de PVC, esferas de polietileno, bambu, etc, de granulometría uniforme con diámetros de 4-7 cm. Requisito estructuralmente resistente biológica y químicamente inerte Objetivo soportar peso propio + sólidos biológicos que no haya reacciones e/lecho y microorg. alta área específica adherencia de > cantidad de sólidos biológ. elevada porosidad forma no achatada o lisa bajo costo reducir posibilidad de colmatación garantizar porosidad elevada viabilizar el proceso (pto.vista económico)
  44. 44. FILTROS ANAEROBIOS Parámetros de diseño: Tiempo de retención hidráulica: De acuerdo a la norma ABNT: En general se diseñan en función del TDH, salvo que se trate de un líquido muy concentrado, en cuyo caso se diseñará en función de la carga orgánica Carga orgánica: se limita a un valor máximo de 16 kgDQO/m3 .d, pero en general se trabaja no superando los 12 kgDQO/m3 .d Velocidad superficial: se limita a valores inferiores de 1.0 m/h de modo de evitar el arrastre de sólidos con el efluente. Q (l/d) 15-25°C < 1500 1501 - 3000 3001 - 4500 1 0.92 0.83 4501 - 6000 0.75 6001 - 7500 7501 - 9000 > 9000 0.67 0.58 0.50 <15°C 1.17 1.08 1 0.92 0.83 0.75 0.75 TDH (d)
  45. 45. FILTROS ANAEROBIOS Parámetros de diseño: Volumen útil: De acuerdo a la norma ABNT: V = 1.60 x N x C x TDH Con: V = volumen total del filtro (m3 ) N = habitantes contribuyentes al sistema (hab) C = contribución por habitante (l/hab.d) TDH = tiempo retención hidráulica (d) Area horizontal: A = V/H con H = prof.útil del filtro (1.8m) Eficiencia: Pueden esperarse eficiencias de entre 75 - 95% cuando se usan como post-tratamiento de efluentes de fosas sépticas. E = 100 (1 - 0.87 x TDH-0.50 ) ajuste a partir de datos experimentales
  46. 46. FILTROS ANAEROBIOS Parámetros de diseño: Calidad del efluente final: estimada la eficiencia puede calcularse la calidad prevista del efluente: S = So - (ExSo/100) Sistema descarte lodo: Para evitar colmataciones del medio soporte puede realizarse una purga periódica de lodos.
  47. 47. FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS REACTORES UASB:
  48. 48. FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS REACTORES UASB:
  49. 49. FOTOS DE REACTORES ANAEROBIOS REACTORES UASB:

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