Aprovechamiento de todo el potencial de los reactores secuenciales por lotes

Los procesos discontinuos de llenado y vaciado se han utilizado en el tratamiento de aguas residuales desde principios del siglo XX, cuando Ardern, Lockett y Fowler desarrollaron el proceso de lodos activados (ASP) en sus laboratorios de Mánchester, Reino Unido (Ardern y Lockett 1914, Ardern y Lockett 2015). Desde el desarrollo del ASP, las plantas de lodos activados de flujo continuo predominaron sobre los procesos discontinuos de llenado y extracción debido a la falta de automatización moderna. En el pasado, el ajuste manual de válvulas, el encendido y apagado de bombas y la falta de controles de nivel, entre otros, hacían que el proceso resultara oneroso. El desarrollo de sistemas de control y equipos mecánicos en las décadas de 1960, 1970 y 1980 (Pasveer 1958, Irvine 1971, Wilderer y Schroeder 1986) sentó las bases para revivir el proceso SBR como solución para el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Mientras el proceso SBR ganaba rápidamente popularidad en plantas de pequeño y mediano tamaño, se desarrolló otro enfoque del proceso SBR: el proceso de lodos activados cíclicos (Goronszy 1979, 1985; Demoulin y Goronszy 1997; Demoulin et al. 1999). Este se desarrolló y aplicó en plantas de tratamiento de aguas residuales de mayor tamaño con los nombres de proceso CASS e ICEAS. De manera similar, los procesos desarrollados más recientemente incorporan reactores de lodos activados cíclicos a los que se alimenta continuamente con aguas residuales frescas, mientras que el agua tratada se decanta de forma intermitente en el reactor.

En los últimos años se ha desarrollado un nuevo proceso SBR: la tecnología del proceso de lodos granulares aeróbicos (AGS) (de Bruin et al., 2004; Prout et al., 2015; Prout et al., 2017), que ha suscitado gran interés. Una ventaja de este proceso es la producción de gránulos de lodo de mayor tamaño que los flóculos de lodos activados convencionales. Unos flóculos más grandes implican una sedimentación más rápida del lodo. El mayor tamaño de los flóculos también permite que un solo gránulo de lodo presente un núcleo anaeróbico, una capa intermedia anóxica y una capa exterior aeróbica; combinando así etapas del proceso impulsadas por procesos anaeróbicos, anóxicos y aeróbicos (como por ejemplo: eliminación de fósforo, desnitrificación y nitrificación) (véase la figura 1).

Figura 1: Representación esquemática de un flóculo de lodos granulares aeróbicos.

Si se diseñan adecuadamente, las aplicaciones de AGS ofrecen la posibilidad de lograr:  

• un mayor contenido de lodos suspendidos (MLSS) sin necesidad de utilizar soportes plásticos, 
• mejor sedimentación, 
• volúmenes reducidos de reactor,  
• menor huella,  
• tiempos de ciclo más cortos, 
• menores inversiones de capital, 
• mayor seguridad del proceso, 
• discrecionalidad de las bombas de recirculación internas, 
• menor producción de lodos, 
• menor consumo de energía y 
• costes operativos reducidos. 

Por eso, además de la empresa holandesa pionera Royal Haskoning DMV, no son pocos los proveedores de sistemas comerciales de tratamiento de aguas residuales que han intentado desarrollar, implantar y comercializar sus propias adaptaciones del AGS. Todos los avances actuales del AGS se basan en el principio SBR de utilizar uno o más reactores de mezcla completa donde se supone que se desarrolla el AGS. Esto significa que, para aprovechar las ventajas potenciales del proceso AGS, es necesario superar los retos que conlleva el concepto SBR, que  se enumeran a continuación. 

1. Se requiere una igualación hidráulica y de carga precisa del caudal, lo que suele dar lugar a grandes cuencas de mezcla e igualación aguas arriba.  
2. Es necesario sobredimensionar el equipo mecánico debido al tiempo de funcionamiento limitado por ciclo de proceso y por día. 
3. La extrapolación precisa de la escala de laboratorio o piloto a plantas a tamaño real y a gran escala, lo que  supone un reto y requiere un conocimiento profundo de la mecánica de fluidos para lograr una  mayor reproducibilidad. 
4. El requisito previo de obtener reactores completamente mezclados puede limitar significativamente el diseño del reactor , del proceso y de los equipos.

La alimentación anaeróbica controlada de aguas residuales  sin tratar hacia la capa de lodos sedimentados es fundamental para iniciar la formación de lodos granulares. Para lograrlo, el método más habitual consiste en  alimentar el reactor a través de un alimentador inferior que distribuya el flujo por todo el fondo del reactor e instalar un decantador estático en la superficie del agua, tal y como se ilustra en la figura 2. Este enfoque funciona mejor en tanques circulares o rectangulares más pequeños , con tuberías que proporción en una distribución uniforme de las aguas residuales sin tratar por todo el fondo del reactor, con el uso de un decantador estático en la parte superior y cuando las tuberías necesarias no resulten demasiado complejas , costosas o provoquen  pérdida s hidráulicas excesiva s. El método  limita el volumen por módulo de reactor a volúmenes más reducidos y es la razón por la que estas plantas requieren  de grandes depósitos de ecualización aguas arriba de los reactores biológicos ; ya que solo se puede lograr una distribución uniforme del flujo en el fondo para el caudal hidráulico exacto en  el que se diseñaron los sistemas de alimentación. La más mínima desviación del caudal de entrada diseñado provocará una alimentación y distribución no uniformes de las aguas residuales sin tratar en la capa de lodos  además de  un funcionamiento inadecuado del decantador estático y de la planta en su conjunto. Otra desventaja del sistema de alimentación por el fondo es  la elevada pérdida hidráulica necesaria para lograr una distribución uniforme del caudal por el fondo del reactor. La dependencia del tratamiento de un caudal preciso hace que el rendimiento del tratamiento sea sensible a pequeñas fluctuaciones de caudal, que pueden deberse a algo tan simple como la obstrucción de las tuberías de alimentación por los lodos.

Figura 2: Configuración típica de un reactor AGS con alimentador inferior y decantador de superficie estático. 

Igualmente, puede ser necesario sobredimensionar determinados tipos de equipos. Un ejemplo es el reto que supone diseñar sistemas de aireación para el tratamiento de aguas residuales en procesos  de flujo continuo. En este escenario, el sistema de aireación se proyecta  en función de la demanda diaria de oxígeno-; calculándose la capacidad horaria al dividir el valor diario entre 24. Sin embargo, en sistemas con procesos cíclicos, como un ciclo SBR típico de 3 o 6 horas de duración, el tiempo de aireación diario se reduce a 16 horas o menos. Esto requiere una capacidad 1,5 veces mayor para el sistema de aireación en comparación con un reactor de flujo continuo. En consecuencia, se requieren más elementos difusores, sopladores y potencia instalada. Además, las fases de aireación de algunos procesos SBR se solapan con las fases de llenado, lo que da lugar a una menor profundidad de agua de aireación en el reactor; reduciendo aún más la eficiencia global de la aireación, algo que el diseño del sistema de aireación debe compensar. Efectos similares pueden aplicarse a otros equipos, como bombas y tuberías. Este ejemplo pone de relieve el potencial de mejoras sustanciales en la eficiencia del proceso y la importancia de un enfoque holístico en el diseño del proceso, el reactor y los equipos.  

En los experimentos a escala de laboratorio, los principios básicos suelen ponerse a prueba en pequeños recipientes circulares, normalmente de 100 o 200 mm de diámetro  y con volúmenes que se miden en litros. El equipo de mezcla, aireación y bombeo se adquiere en laboratorios o en tiendas locales de acuarios. Así l a transición de la escala de laboratorio a la escala piloto supone el primer reto, ya que en la fase piloto no se dispone fácilmente de equipos a mayor escala. En consecuencia, las configuraciones a escala piloto suelen utilizar equipos a gran escala, lo que da lugar a diferencias entre las escalas de laboratorio y piloto. Pasar de la escala piloto a la gran escala, por ejemplo, de 20 m³ a 1.500 m³, plantea retos adicionales. La similitud geométrica se ve comprometida debido a la disponibilidad limitada de depósitos a gran escala, mientras  factores como la superficie ocupada y las tuberías deben ajustarse a las condiciones  de la vida real. El diseño del sistema de aireación también se enfrenta a retos, ya que el diámetro de las burbujas de aire permanece constante a pesar de los cambios de escala, lo que da lugar a limitaciones de mezcla inesperadas en escalas mayores. Esto suele traducirse en un rendimiento subóptimo del proceso, lo que subraya  la importancia de abordar los problemas de mezcla en aplicaciones a gran escala. Este suele ser el momento en el que se detiene una ampliación adecuada, ya que el paso de un a escala grande a una mayor solo puede realizarse cambiando la superficie del reactor, ya que, de lo contrario, la profundidad lateral del agua se vuelve irrealmente alta.

El proceso SBR se basa en un comportamiento de reactor de mezcla completa. Para cumplir con este requisito  básico, la alimentación y el vaciado se vuelven cada vez más exigentes a medida que se amplía la escala a reactores más grandes . En ocasiones, se descuida este requisito y el rendimiento del proceso se ve afectado; véase, por ejem plo. Por eso, algunos procesos que funcionan con éxito a escalas más pequeñas a veces se enfrentan a graves dificultades al pasar de una escala grande a otra aún mayor. 

Para superar estos retos, el diseño de los procesos y reactores AGS debe incorporar las cuatro consideraciones siguientes.  

1. El flujo continuo con reactores de decantación intermitente presenta ventajas, ya que se producen menos fluctuaciones en el nivel de agua entre el nivel bajo (al final de la fase de decantación) y el nivel  de funcionamiento normal.  Una profundidad de agua más estable ayuda a minimizar las pérdidas hidráulicas, reducir los requisitos  de energía de bombeo y optimizar la eficiencia del sistema de aireación.  
2. Los diseños  de reactores por etapas son ventajosos  porque permiten volúmenes de reactor más grandes sin cometer los errores habituales que se producen durante la fase  de ampliación de escala, al tiempo que ofrecen una nueva dimensión especial en el diseño del proceso; especialmente si se combinan con un enfoque de flujo continuo.  
3. El diseño y el funcionamiento generales deben incorporar la capacidad de compartir equipos mecánicos entre cada reactor para reducir equipos adicionales, como por ejemplo difusores, sopladores, bombas , etc., con el fin de evitar un sobredimensionamiento y reducir los costes de inversión generales. Un ejemplo es el uso de estaciones de sopladores que  se pueden alternar entre los módulos del reactor. 
4. Todo el sistema, incluidos los equipos clave, debe ser flexible y capaz de adaptarse a diferentes situaciones de caudal y carga;  a fin de evitar la necesidad de realizar operaciones de mezcla y ecualización en las etapas previas.

Estas consideraciones representan un resumen condensado de la experiencia colectiva recopilada en el Departamento de Mecánica de Fluidos de la Universidad Friedrich -Alexander de Erlangen -Núremberg (Bischof et al. 1991, Hoefken et al. 1994, Manzolli 1994, Bischof et al. 1995, Waechter et al. 1996) y en INVENT Umwelt – und Verfahrenstechnik AG (Hoefken 1995, Hoefken et al. 1996, Hoefken et al. 2003, Hoefken et al. 2004 ) desde la década de 1990 . La puesta en  práctica ha sido un largo proceso con mejoras paso a paso de un proyecto a otro . El resultado final es el proceso INVENT iC³,que significa:  

1. diseño de reactor en cascada, 
2. funcionamiento continuo, y 
3. proceso cíclico. 

Este proceso aprovecha las características únicas del sistema de mezcla y aireación HYPERCLASSIC® (Hoefken et al. 1991, Hoefken et al. 1993, Hoefken 1994, Hoefken et al. 2001, Hoef ken et al. 2004), que resulta ideal para procesos intermitentes.  El INVENT SBR se caracteriza por el módulo  de reactor iC³, que es un tanque rectangular alargado con múltiples mezcladores/aireadores HYPERCLASSIC® montados en serie para crear zonas de mezcla completas individuales (en cascada). Las aguas residuales entran continuamente a través de un distribuidor de entrada especialmente diseñado en un extremo, y el agua tratada y clara sale de forma intermitente del reactor a través de sistemas de decantación accionados en el extremo opuesto. Este diseño permite desarrollar y operar una estrategia de ciclo SBR optimizada que puede variar de una zona a otra.  

INVENT distingue cinco fases diferentes del proceso, que tienen lugar en distintos momentos y en 6 cuatro o más zonas espaciales diferentes. Estas zonas vienen definidas por las cuatro zonas espaciales de igual tamaño en las que podemos dividir cada tanque SBR. En la figura 3 se muestran esquemáticamente las cinco fases básicas del ciclo del proceso SBR de INVENT.

1. Llenado/Mezcla (FM): Fase inicial con mezcla más lenta y sin aireación, que genera condiciones anaeróbicas en las zonas 1 y 2 y condiciones anóxicas en las zonas 3 y 4.  
2. Llenado/Mezcla/Aireación (FMA): Ciclo de mezcla y aireación a alta velocidad, que suministra oxígeno para la eliminación de DBO y DQO, la nitrificación y el mantenimiento de condiciones aeróbicas.  
3. Llenado/Desgasificación (FDg): Breve periodo de agitación intensa para una desgasificación eficaz de los flóculos  de lodos ; mejorando las propiedades de sedimentación y evitando la acumulación de espuma.  
4. Llenado/Sedimentación/Mezcla lenta 1 (FSPh1): Mezcla a baja velocidad durante la fase de sedimentación, que favorece la desnitrificación y las condiciones anaeróbicas para la liberación de Bio -P y la conversión de rbCOD.  
5. Llenado/Decantación/Mezcla lenta 2  (FDPh2): Mezcla continua a baja velocidad para crear condiciones anaeróbicas para el Bio -P, la decantación del efluente tratado y la eliminación del exceso de lodos para mantener la eficiencia del proceso.   

Tras la fase 5, el ciclo se repite y vuelve a la fase 1.  

Figura 3: iC³ – Módulo de reactor y secuencia típica del ciclo.

Un ejemplo de implementación exitosa del proceso iC³  es una planta de tratamiento de aguas residuales municipales e industriales que se diseñó y construyó entre los años 2015 y 2019 en dos fases en Oriente Medio. En la primera fase se construyeron dos módulos de reactor iC³  con una capacidad de 4.000 m³/d para la eliminación de DBO/DQO, la nitrificación y la desnitrificación. Cada módulo de reactor iC³ tenía un volumen e 3.000 m³ y una longitud de 55 m. En la segunda fase se construyeron tres módulos de reactor iC³ con un volumen de 20.000 m³ cada uno y una longitud de 72 m. Todos los módulos de reactor iC³ han logrado excelentes valores de efluente desde su puesta en marcha, con una DBO muy por debajo de 3 mg/l, una DQO por debajo de 20 mg/l, los TSS por debajo de 5 mg/l, el nitrógeno total por debajo de 10 mg/l y el fósforo por debajo de 1 mg/l.  

El paquete  típico INVENT iSBR® incluye el diseño básico y detallado y la ingeniería, el sistema de mezcla y aireación HYPERCLASSIC®, el sistema de decantación SBR iDEC®, los sopladores iTURBO®, el sistema de control y , si es necesario , la postfiltración iFI LT®. Las obras civiles y el suministro de equipos estándar, tuberías, estructuras de acero, etc., suelen correr a cargo del cliente y/o de socios locales.  

Resumen  

Este documento resume la historia de los SBR y el desarrollo del proceso INVENT iSBR®/iGSR ®. A lo largo de 30 años, se han superado diversos retos relacionados con el diseño general y la ampliación de los procesos para lograr resultados revolucionarios con los modernos sistemas SBR. Estas características incluyen:  

1. flujo continuo con decantación intermitente,  
2. múltiples reactores de mezcla completa en cascada por módulo SBR, y  
3. diseño holístico del proceso, el reactor y los equipos.  

 Abreviaturas  

• ASP  Proceso de lodos activados  
• AGS  Lodos granulares aeróbicos  
• DBO   Demanda biológica de oxígeno  
• CASS   Sistema de lodos activados cíclicos  
• DQO   Demanda química de oxígeno  
• GSR  Reactor de lodos granulares  
• ICEAS   Sistema de aireación prolongada de ciclo intermitente  
• rbCOD   Demanda química de oxígeno fácilmente biodegradable  
• SBR  Reactor secuencial por lotes  
• TSS  Sólidos en suspensión totales