DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN UN BIOREACTOR NEUMÁTICO

Sergio García Salas, Leobardo Ordaz Contreras, Carlos Orozco Álvarez y Marina Olivia Franco Hernández Departamento de Bioingeniería. Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología del Instituto Politécnico Nacional. Av. Acueducto s/n. La LagunaTicomán. México, D. F., Tel.: 5729 6000 ext 56335, fax: 5729 6000 ext 56305. [email protected]

RESUMEN Aguas residuales municipales fueron depuradas mediante lodos activados en un bioreactor neumático denominado “airlift”. Con un tiempo de residencia hidraúlica de 4 h y una recirculación de lodos activados del 95%, se tuvieron remociones de 97% de DQO y 90% de DBO. Los problemas que se solucionaron fueron la formación excesiva de espuma y la separación por flotación de los lodos activados, manteniendo una velocidad de transferencia de oxígeno suficiente para sostener una concentración de oxígeno disuelto en el líquido de 1.5 a 3 mg/L. Al establecer la geometría y dimensiones de la parte superior del bioreactor y definiendo las condiciones de operación, se tuvieron características hidrodinámicas que ocasionaron velocidades del líquido en la parte superior del bioreactor, con las que se controló la formación excesiva de espuma y se obtuvo una distribución homogénea de las fases presentes en el bioreactor.

INTRODUCCIÓN Los bioreactores neumáticos de tipo airlift están formados generalmente por un tanque cilíndrico que tiene en su interior al menos dos zonas, una de flujo ascendente y otra de flujo descendente. Cuando éstas se forman por la presencia de un tubo concéntrico, denominado tubo de arrastre, colocado en el interior del bioreactor, se dice que el bioreactor neumático es de circulación interna. La zona de flujo ascendente tiene en su parte inferior un dispositivo a través del cual se introduce aire, dispersándolo en el líquido en forma de pequeñas burbujas. Entonces, el movimiento del líquido se debe a que en dichas zonas la densidad de la dispersión gas-líquido es diferente porque hay mayor cantidad de aire dispersado en la zona de flujo ascendente que en la de flujo descendente

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(Merchuk, 1990), debido a que parte del gas suministrado se separa de la dispersión gaslíquido en la parte superior del bioreactor. En la últimas décadas se han desarrollado bioreactores neumáticos y jet para utilizarlos en el tratamiento de aguas residuales. Con estos bioreactores la aereación y la utilización de oxígeno se mejoran y la eficiencia del proceso global aumenta. Así, las instalaciones que cuentan con ellos son económicamente favorables debido a que requieren menor espacio, menores costos de capital y menor consumo de energía que una planta de lodos activados convencional de la misma capacidad (Zlokarink, 1985).

Una diferencia importante entre los bioreactores neumáticos y jet es en el sistema de dispersión de aire. En los neumáticos se utilizan dispersores estáticos, por ejemplo: tubos perforados, platos porosos o placas sinterizadas; mientras que en los de tipo jet se emplean dispersores dinámicos, por ejemplo: inyectores o eyectores, a través de los cuales se introduce aire y líquido. En los reactores de tipo jet el movimiento del líquido es promovido adicionalmente por la introducción de chorros de líquido a alta velocidad (Blenke, 1985). El líquido se introduce mediante la acción de una bomba que succiona el líquido que está contenido en el mismo bioreactor. como puede notarse, un bioreactor neumático a diferencia de uno de tipo jet, tiene menores costos de mantenimiento, no requiere el uso de bombas especiales ni energía adicional para su funcionamiento. En bioreactores de gran escala, estas diferencias pueden hacer que la economía de transferencia de oxígeno, expresada como kilogramos de oxígeno transferido por unidad de potencia consumida, sea mayor en los bioreactores neumáticos con respecto a los de tipo jet.

OBJETIVO Depurar aguas residuales municipales mediante la acción de lodos activados en un bioreactor neumático.

MÉTODO La metodología que se siguió estuvo enfocada en diseñar las partes superiores del reactor y del tubo de arrastre, para que mediante el establecimiento de las condiciones de operación, se obtengan las características hidrodinámicas que permitan evitar la flotación de lodos y controlar la formación de espuma, debido a la aireación necesaria para alcanzar una alta transferencia de oxígeno para la eliminación de contaminentes. Con la caracterización física del desempeño del diseño básico del bioreactor neumático, específicamente con los resultados del comportamiento del tiempo de circulación en función de la diferencia de las fracciones de gas retenido, y considerando información de las patentes estadounidenses 4 303 256 y 4 567 839, se calcularon las áreas de flujo ascendente y descendente, que deberían haber en las secciones superiores del 2

bioreactor y del tubo de arrastre, para tener una velocidad del líquido en la parte superior de la sección de flujo descendente que sea capaz de arrastrar o succionar partículas sólidas de características similares a las de los lodos activados. De esta manera, establecimos la geometría y dimensiones de las partes superiores del bioreactor, las cuales se muestran en la figura 1. Las relaciones del bioreactor son: altura a diámetro de 10; en la sección inferior, el área de flujo descendente a área de flujo ascendente es de 0.6; y en la sección superior, el área de flujo descendente a área de flujo ascendente es de 0.7.

Fig. 1 Bioreactor neumático de tipo “airlift” Dimensiones (m), altura de dispersión gas-líquido y equipo auxiliar.

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El control de la formación de espuma fue mediante la hidrodinámica en la parte superior del bioreactor. Fue necesario establecer la altura de la dispersión gas-líquido dentro del reactor para formar un vórtice que garantice la continuidad de la fase líquida en la parte superior del reactor, sin obstaculizar o reducir la velocidad del líquido en la parte superior del reactor. Esta altura la establecimos utilizando información de la patente estadounidense No. 5 405 679 y con resultados de la caracterización física del desempeño del diseño básico del bioreactor neumático, específicamente los del comportamiento del tiempo de circulación en función de la altura de la dispersión gaslíquido. La altura de la dispersión gas-líquido que usamos se muestra en la figura 1, y puede ser de 1 a 1.5 veces el diámetro del bioreactor. La figura 1 también muestra el bioreactor neumático empleado y el equipo auxiliar que se utilizaron para la realización de este trabajo. Las técnicas de análisis que se emplearon fueron para la determinación de la demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, sólidos suspendidos totales, conductividad, cloruros, alcalinidad, dureza y pH. La determinación del tiempo de circulación y del tiempo de mezcla, se hicieron con el método de adición de pulsos de ácido y la medición de la fracción de gas retenido local, mediante un método manométrico.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

capa de espuma (mm)

Una de las variables que determinan el control hidrodinámico de la formación de espuma y la disribución homogénea de sólidos dentro del bioreactor es la velocidad del líquido, la cual a su vez es definida por la altura de la dispersión gas-líquido (García y Flores,1995). En la figura 2, se muestra la diferencia de la fracción de gas retenido, la de la zona de flujo ascendente menos la de la zona de flujo descendente, en función de la altura de la dispersión gas-líquido. En el intervalo de 11 a 15 cm, que corresponde a un valor de 0.5 a 0.1 veces el diámetro de la parte superior del bioreactor, la deferencia

60 40 20 0 0

20

40

60

80

altura de dispersión (mm)

Fig 2 Efecto de la altura de la dispersión a partir del tubo de arrastre, sobre la formación de espuma

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de las fraciones de gas retenido permanece aproximadamente constante, indicando que el tiempo de circulación. Con este tiempo calculamos la velocidad de circulación del líquido en todas las zonas del bioreactor. Con ellas fue suficiente mantener distribuídos homogéneamente a los lodos activados dentro del bioreactor. La fracción de gas retenido en el tubo de arrastre de 20% y en el ánulo de 1%, favorecieron que la velocidad del líquido en la zona anular fuera suficiente para arrastrar la espuma que se generaba en la parte superior del bioreactor. En estas condiciones la formación de espuma no fue excesiva. En la parte superior de la zona de flujo descendente se observaba que había succión de espuma, redispersándose en el líquido, de manera que la velocidad de formación de espuma era igual con la que era succionada. Por lo tanto, la capa de espuma formada permaneció aproximadamente constante. De esta manera logramos controlar la formación de spuma y evitamos la flotación de lodos activados. La tabla 1 muestra las condiciones de operación y el desempeño del bioreactor. Se tuvo operación continua con un tiempo de residencia hidraúlica de 4 h, recirculación de lodos activados del 95% y un coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno de 160 h-1 , qie permitió tener una concentración de oxígeno disuelto de 3.5 a 4 mg/L, de manera que es factible tener un proceso intensivo de depuración de aguas residuales. Tabla 1 Condiciones de operación y desempeño del bioreactor aireación tiempo residencia hidraúlico tiempo residencia celular

1 vvm 4h 12 d

lodos recirculados

95%

tiempo de circulación tiempo de mezclado diferencia de fracciónes de gas retenido kLa

9s 39 s 0.19 161 h -1

La tabla 2 muestra las características del agua residual empleada y del agua depurada y las eficiencias de remoción de contaminantes. Las remociones obtenidas fueron: DQO de 97%, DBO de 90% y de sólidos sedimentables totales de 95%. Los porcentajes de remoción obtenidos, hacen que el bioreactor neumático pueda competir ventajosamente con las unidades aereadas y agitadas empleadas en procesos de tratamiento que emplean lodos activados, puesto que en ellas se obtiene generalmente una remoción de 95% en DQO y 90% en DBO, pero con tiempos de residencia hidraúlica en el tanque aereador del orden de 8 a 14.5 h. Tabla 2 características del agua residual y del agua tratada, así como eficiencias de remoción de contaminantes. Carácterísticas Demanda bioquímica de oxígeno Demanda química de oxígeno Sólidos suspendidos totales

Agua residual 100 mg/L

Agua tratada 10 mg/L

Eficiencia (%) 90

633 mg/L

25 mg/L

97

460 mg/L

23 mg/L

95

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CONCLUSIONES •

La implementación bioreactor neumático permitió controlar la formación de espuma y al mismo tiempo evitar la flotación de lodos, manteniendo una distribución homogénea de las todas fases presentes en él. Ésto fue gracias a la geometría y dimensiones establecidas de la parte superior del bioreactor y del tubo de arrastre.

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La depuración alcanzada del agua residual indica que el bioreactor neumático tiene un mejor desempeño, del orden de 4 veces superior al de tanques aereadores agitados mecánicamente que se utilizan en plantas de tratamiento convencionales, que también usan lodos activados.

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Los resultados obtenidos en el bioreactor neumático, que aún puede ser mejorado, hace que su incorporación a un proceso de tratamiento de aguas residuales mediante lodos activados, sea una buena alternativa para aumentar la productividad y disminuir los costos de operación de una planta de tratamiento.

REFERENCIAS • •

Belhateche, D. H. 1995. Choose appropriate wastewater treatment technologies. Chem Engng. Progress. August, 1995: 32-51. Blenke, H. 1985. Biochemical loop reactors. En H. J. Rehm y G. Reed (Ed).Biotechnology 2: 465-517.

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Flores-Cotera L: B. y García Salas Sergio. 1995. USPatent No. 5 387 765.

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Ho, L., A. G. Boon. 1985, High intensity systems in activated sludge processes. En Comprehensive Biotechnology, 4:881-898. Ed. Murray Moo-Young. Pergamon Press.

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Jenkins, D., Sherfig, J., Eckhoff, D. W. 1972. Application of adsorptive bubble separation techniques to wastewater treatment. En Adsorptive bubble separation techniques. Ed. Eobert Lemlich Academic Press. Pp. 219-242.

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Merchuck, J. C. 1990. Why use airlift reactors?. TIBTECH. 8, 66-71. •

Rigola, L. M., 1989. Tratamiento de aguas residuales: Aguas de proceso y residuales. Marcombo Boixareu Editores España.

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Zlokarnik, M. 1985. Tower shaped reactors for aerobic biological waste water treatment. En H. J. Rehm y G. Reed (Ed). Biotechnology 2: 537-569.

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