ARTÍCULOS Resumen El tratamiento anaerobio es un proceso contrastado y eficiente para depuración de aguas residuales industriales con elevada carga orgánica. Bajo consumo energético, baja producción de fangos, reducida superficie de implantación, bajo consumo de productos químicos y reducción de los costes de tratamiento son algunas de las ventajas que presentan los procesos anaerobios frente a tratamientos aerobios. Además, la generación del biogás producido en el tratamiento anaerobio puede ser aprovechada como fuente de energía renovable. En este artículo se describen los distintos reactores anaerobios desarrollados por Biothane, como centro de competencia tecnológico dentro de Veolia Water Solutions & Technologies. TÉCNICOS Tratamientos anaerobios Biothane para aguas residuales industriales Por: Silvia Monge, ingeniera de Procesos de la División Agua Residual Industrial; Juan Carlos Rodrigo, director técnico de la División Agua Residual; Joan Sanz, director técnico Veolia Water Solutions & Technologies Ibérica (VWSI) Polígono Industrial Santa Ana C/ Electrodo, 52 - 28522 Rivas Vaciamadrid (Madrid) Tel.: 916 604 000 - Fax: 916 6667 716 E-mail: info.spain@veoliawater.com - www.veoliawaterst.es Palabras clave: Agua residual industrial, tratamiento anaerobio, Biobed EGSB, Biothane UASB. 325 / DICIEMBRE / 2010 Abstract Biothane anaerobic industrial wastewater treatment Anaerobic treatment is a proven and energy efficient way to clean high loaded industrial wastewater. Low energy use, a small reactor footprint, lower chemical usage as well as low sludge production and no sludge handling costs are advantages for this technology over aerobic alternatives. Furthermore, biogas is produced during anaerobic treatment which can be used by the industry as a renewable energy source to replace part of the fossil fuel use. Anaerobic Biothane alternatives (Veolia Competence Center) are described in this article. Keywords: Industrial wastewater, anaerobic treatment, Biobed EGSB, Biothane UASB. 52 E 1. Introducción n los procesos de biodegradación, por vía anaerobia, de la materia orgánica presente en el efluente residual, esta se convierte básicamente en biogás, especialmente en metano (70-90%) y dióxido de carbono (10-30%). El ratio de conversión anaerobia depende de: – La naturaleza de la materia orgánica (composición del agua residual). – La biomasa anaerobia, concentración y capacidad de adaptación. – La mezcla y tiempo de contacto de la materia orgánica y la biomasa. – Los factores medioambientales (pH, temperatura, nutrientes, etc.). Para optimizar el rendimiento del proceso deben considerarse las condiciones del proceso microbiológico, tales como la temperatura del proceso, el pH, los nutrientes, las sustancias tóxicas y otros factores ambientales. Tanto en el diseño como en la operación, las condiciones de proceso deberán ser controladas y optimizadas para alcanzar los valores óptimos de rendimiento. Con el tratamiento anaerobio los compuestos orgánicos son reducidos a gas metano mediante el empleo de bacterias anaerobias en ausencia de oxígeno. En estos tratamientos el consumo de energía se reduce hasta 10 veces respecto a los procesos aerobios. Existen distintas opciones para el aprovechamiento energético del biogás. Las principales son el aprovechamiento directo en una caldera o la alimentación a una unidad de cogeneración, donde se produce energía eléctrica y térmica, pudiendo crear incluso un balance energético positivo. En consecuencia, proporciona una reducida huella de carbono frente a otras posibles alternativas. Las plantas basadas en tecnología anaerobia son compactas y con menor requerimiento de espacio frente a la depuración por vía aerobia: la carga volumétrica de diseño puede estar comprendida entre 10 y 25 kg DQO/m3/día frente a cargas máxi- TECNOLOGIA DEL AGUA TA325 AT VEOLIA.indd 52 29/12/10 12:23 ARTÍCULOS TÉCNICOS Figura 2. Biomasa granular anaerobia. Figura 1. Distribución de la aplicación de la tecnología Biotahne según los sectores de actividad industrial. 2. Alternativas Biothane Biothane es una de las principales compañías en el tratamiento biológico de aguas residuales para la industria a nivel mundial, con más de 35 años de experiencia y de 500 instalaciones para dar servicio a diferentes sectores industriales. El desarrollo de los procesos anaerobios Biothane surgió a partir de la investigación en las necesidades de tratamiento de los efluentes de las empresas productoras de azúcar de remolacha en Holanda. A partir de entonces, Biothane ha desarrollado y patentado dos tecnologías principales para el tratamiento del agua residual industrial: Biothane UASB (media carga) y Biobed EGSB (alta carga). En la Figura 1 se recogen los principales sectores de aplicación de la tecnología Biothane, que son: bebidas, industria cervecera, alimentación, pasta y papel. 2.1. Biothane UASB y Biobed EGSB: principio de funcionamiento Existen diferentes tipos de configuraciones de reactor en función del desarrollo de la biomasa anaerobia: procesos anaerobios de contacto, filtros anaerobios (con medio soporte) o reactores de biomasa granular. De entre todos los procesos anaerobios existentes basados en tecno-logía de biomasa granular compacta los procesos Biothane UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blancket) y Biobed EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) tienen por su concepción y buen funcionamiento una alta acep- 325 / DICIEMBRE / 2010 mas del orden de 2,0 kg DQO/m3/ día en los tratamientos aerobios. En los procesos anaerobios se reduce sustancialmente la producción de fangos en exceso (típicamente 1-3% de la DQO biodegradada). Además, presentan la ventaja de poder incluso valorizarse en el mercado, como siembra en los reactores para la puesta en marcha en otras plantas, por lo que se reduce de forma significativa el coste asociado al tratamiento de lodos. En este contexto, a continuación se describen distintas alternativas desarrolladas por Biothane, empresa holandesa perteneciente a Veolia Water Solutions & Technologies, para el tratamiento anaerobio de aguas residuales industriales con elevadas concentraciones de DQO. tación en el mercado. Ambas tecnologías utilizan bacterias anaerobias que crecen en un medio granular sin la necesidad de utilizar soportes y permiten eliminar la DQO transfomándola en biogás. En la Figura 2 se presenta la biomasa granular (izquierda) y una fotografía al microscopio (derecha). La línea de proceso general para ambos procesos se compone de dos etapas principales: acondicionamiento y biodegradación anaerobia. En la Figura 3 se presenta un esquema de la línea básica de proceso. Para alcanzar el nivel de crecimiento óptimo de la biomasa anaerobia, como primera etapa se acondiciona el influente con un ajuste de pH y temperatura, dosificando a su vez los nutrientes necesarios para favorecer la reacción biológica. En dicho tanque se mezcla el influente con el agua tratada recirculada del reactor anaerobio. Una vez acondicionada, el agua residual es bombeada en continuo y a caudal constante al reactor biológico. El agua residual se alimenta por la parte inferior del reactor a través de un sistema de distribución especialmente diseñado 53 Figura 3. Línea de proceso general. TECNOLOGIA DEL AGUA TA325 AT VEOLIA.indd 53 29/12/10 12:23 ARTÍCULOS TÉCNICOS Tabla 1 Parámetro Carga de diseño Unidades Biothane UASB Biobed EGSB kg DQO/m día 10 - 15 15 - 25 m 5,5 - 6,5 12 - 20 +/- ++ < 15 Altura 3 Componentes tóxicos Velocidad líquido separador m/h 1,0 - 1,5 Velocidad líquido reactor m/h 0,3 - 1,0 < 6,0 Velocidad gas reactor m/h < 1,0 < 7,0 + ++ Área requerida Tabla 1. Comparativa de las tecnologías Biothane UASB y Biobed EGSB. efluente abandona el reactor para su vertido al colector o bien conducido hacia un tratamiento aerobio complementario posterior. De hecho, uno de los parámetros de diseño más importantes en ambos reactores es la velocidad ascensional superficial máxima en el decantador. Además, los dos reactores se basan en el mismo principio de funcionamiento, pero difieren en términos de geometría, parámetros de proceso y materiales de construcción (Tabla 1). 3. Reactor Biothane UASB El proceso Biothane UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blancket) fue desarrollado inicialmente por el grupo CSM (Dutch Central Sugar Mills) y la Universidad Holandesa de Agricultura de Wageningen en los años 70. La Figura 4 muestra una sección de este reactor, en el que se disponen dos zonas de biomasa granular responsables de la biodegradación de la DQO: la zona de alta concentración granular (lecho de 4. Reactor Biobed EGSB Las mejores características de la tecnología UASB y de la tecnología de lecho fluidizado se combinan en el proceso Biobed EGSB (Expanded Granular Sludge Bed), que también es ampliamente aceptado como BAT (Best Available Technology) para el tratamiento de aguas residuales por vía anaerobia. El cuidado diseño del reactor Biobed EGSB le permite trabajar con cargas de eliminación y velocidades ascensionales muy elevadas, que se obtienen gracias a la incorporación de un nuevo separador de fases, para cuyo desarrollo se ha establecido una valiosa colaboración con el prestigioso centro de hidráulica Delft Hydraulics en Delft (Ho- 325 / DICIEMBRE / 2010 para alcanzar una distribución homogénea ascendente en toda la sección del reactor. El agua residual fluye a través del lecho de biomasa anaerobia constituida por gránulos con un diámetro de unos 2-4 mm. Este medio granular tiene una densidad de 40-80 kg de sólidos secos/m3, lo que le proporciona una velocidad de sedimentación elevada (> 50 m/h). Además, la buena decantabilidad de los gránulos de biomasa anaerobia permite alcanzar elevadas concentraciones de biomasa dentro del reactor, reduciendo las necesidades volumétricas del mismo. En el lecho de biomasa se produce la conversión de DQO en biogás. En ambos tipos de reactores, la mezcla de lodos, biogás y efluente se separan en el separador de fases (o decantador), especialmente diseñado para ello y situado en la parte alta del reactor. El biogás se recoge en la parte superior, la biomasa retorna a la parte activa del reactor y el lodos) que ocupa la parte baja del reactor; y el llamado ‘manto de lodos’, que se desarrolla encima del lecho granular. La mayor parte de la degradación tiene lugar en el ‘manto de lodos’. La clave de esta tecnología es la alta concentración de biomasa en el reactor, que se consigue gracias al diseño del separador de fases. Las cargas volumétricas de tratamiento para los reactores Biothane UASB están en un rango de 10-15 kg DQO/m3 día. La altura del medio granular en los reactores Biothane UASB varía entre 1-2 m, aunque estos reactores en sí, típicamente rectangulares o cuadrados, cuentan con una altura media de 6 m y están construidos en obra civil (Figura 5). 54 Figura 4. Sección del reactor Biothane UASB. Figura 5. Reactor Biothane UASB construido en obra civil. TECNOLOGIA DEL AGUA TA325 AT VEOLIA.indd 54 29/12/10 12:24 ARTÍCULOS landa). Una de sus principales características es que permite trabajar con una carga hidráulica muy superior a la del separador del reactor Biothane UASB, cuya velocidad máxima admisible en el separador es de 1-1,5 m/h, mientras que el límite en el separador Biobed EGSB es de 15 m/h. A su vez, la altura de este último reactor depende de la altura del lecho de fango, que puede variar entre 7 y 14 m, circunstancia que sitúa la altura típica del reactor entre 12 y 20 m. Estas características hidráulicas permiten la construcción de reactores altos y esbeltos con escasa ocupación de espacio. La Figura 6 muestra una sección de este reactor. Además, el diseño de estos reactores ofrecen la máxima estabilidad, flexibilidad y capacidad gracias al control de su recirculación externa, característica que permite una operación flexible, una mezcla eficiente y un uso óptimo de la biomasa disponible, asegurando en todo momento una carga mínima de biomasa. Estos reactores pueden construirse en PRFV o en acero (con recubrimiento epoxy o en acero Figura 7. Reactor Biobed EGSB. inoxidable) en función de las necesidades de la instalación y las especificaciones de cada caso (Figura 7). En su interior no se incluyen partes complejas o rotatorias que deban mantenerse, siendo además sistemas completamente cerrados, con emisión cero de olores, pudiendo operar en condiciones de sobrepresión, lo que simplifica la línea de biogás. 5. Selección del tipo de reactor Aunque el principio de funcionamiento de ambos reactores sea similar, las diferencias en los parámetros de proceso y geometría hacen que en función de la aplicación sea más indicado el uso de un reactor Biothane UASB o de un reactor Biobed EGSB. En industrias donde las aguas residuales contengan elevado contenido en sólidos (> 500 mg/l), como la industria del procesado de la patata, interesa el uso de reactores Biothane UASB, que se caracterizan por tener tiempos de retención mayores que en el proceso Biobed EGSB. Consecuentemente, con el primer tipo de reactor se genera una mayor eli- minación de sólidos en suspensión y, por tanto, en una eficacia global mayor en términos de eliminación de DQO. El proceso Biobed EGSB ha sido diseñado principalmente para la eliminación de la DQO soluble, típicamente elevada en las industrias cerveceras y alimentarias. Además, sus buenas propiedades hidráulicas hacen posible la aplicación del efluente anaerobio para realizar la dilución del agua residual bruta. Este hecho es una ventaja del proceso por cuanto ciertos componentes tóxicos pueden dejar de serlo por efecto de la simple dilución (por ejemplo formaldehído). Esto hace que el tratamiento pueda ser utilizado en condiciones difíciles, incluyendo los efluentes residuales generados por la industria química y farmacéutica. 5.1. Desarrollo de plantas modulares Como consecuencia de la implantación del proceso Biobed EGSB en la industria se ha desarrollado una gama de plantas modulares, denominadas Biobed MP (Modular Plant), que permiten obtener una 325 / DICIEMBRE / 2010 Figura 6. Sección reactor Biobed EGSB. TÉCNICOS 55 TECNOLOGIA DEL AGUA TA325 AT VEOLIA.indd 55 29/12/10 12:24 ARTÍCULOS TÉCNICOS Los procesos analizados tratan las aguas residuales industriales con alto contenido en materia orgánica Figura 8. Planta modular Biobed MP. 325 / DICIEMBRE / 2010 Figura 9. Planta piloto y laboratorio de análisis en Biothane International (Delft, Holanda). 56 gran flexibilidad en su diseño (Figura 8), por lo que se gana tiempo en la elaboración del proyecto y montaje, además de reducir los costes económicos. Existen dos tipos de reactores prefabricados, con volúmenes de 50 y 120 m3. Las plantas Biobed MP están formadas por dos unidades: – El módulo reactor Biobed (50 o 120 m3). – El módulo de servicio para acondicionamiento del agua residual. Estos sistemas son capaces de tratar hasta 1.000 kg DQO/día por módulo de reactor para un caudal máximo de 480 m3/día. La planta puede admitir hasta seis reactores en operación con el mismo módulo de servicio. Se trata de equipos compactos rápidos de instalar, de medidas estándar para transporte en contenedor de 40 pies, tanto para uso temporal como permanente. 5.2. Herramientas de soporte El diseño y operación de los reactores anaerobios en la depuración de las aguas residuales industriales pre- cisa de una serie de servicios asociados orientados a la optimización, tanto en la fase de estudio y construcción como en la fase de operación. Biothane, desde su centro tecnológico en Delft, ofrece una serie de herramientas disponibles que cubre desde los análisis básicos del agua residual (Figura 9, derecha) para la caracterización básica del agua residual, toxicidad, etc., hasta plantas piloto a escala de laboratorio (Figura 9, izquierda), planta de demostración a escala industrial para estudios in situ, protocolos de operación y mantenimiento, y formación de los futuros operadores de planta. 6. Conclusiones Con los procesos anaerobios en medio granular Biothane UASB y Biobed EGSB, la empresa Biothane ofrece un tratamiento de depuración de agua residual industrial que incorpora la experiencia adquirida con la implantación de más de 500 EDAR, en las que se ha afrontado un amplio abanico de problemas en diferentes sectores industriales. Estos procesos están establecidos como una buena tecnología de tratamiento de aguas residuales por vía anaerobia en industrias con alto contenido en materia orgánica (por ejemplo de alimentación y bebidas, industria cervecera, papeleras y otros). Sus características particulares de diseño y operación los hacen especialmente interesante por presentar unos costes de operación reducidos (bajo consumo energético con aprovechamiento del biogás producido) frente a otras alternativas de tratamiento. 7. Bibliografía [1] Biobed EGSB technology for Latvian Brewery: http://www. veoliawaterst.com/biobedegsb/en/modular-package.htm. 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