APLICACIONES

DIGESTION DE LODOS MUNICIPALES

Probablemente el contexto más conocido de digestores anaeróbicos sea la digestión de lodos municipales provenientes del proceso de sedimentadores primarios.  A grandes rasgos los sistemas de tanques Imhoff para las plantas más pequeñas y la clarificación primaria seguida de digestion anaeróbica en una o dos etapas son las configuraciones más conocidas para manejo de lodos.

En el caso de tanques Imhoff en realidad se trata de construcciones en las cuales el clarificador y el digestor comparten la misma estructura.  La historia nos explica que estos sistemas, excelentes mecanismos para remoción de sólidos suspendidos, resultaron deficientes en cuanto a remoción de material orgánico en disolución, lo que motivó su progresiva erradicación.  Afortunadamente una mejor comprensión contemporánea tanto de sus ventajas competitivas como contraindicaciones ha resultado en su reciente revalorización, especialmente en tratamiento decentralizado. 

En un segundo escalón en cuanto a configuraciones posibles de plantas de tratamiento de efluentes, e.g. cloacales, incluyen unaseparación física de estos procesos unitarios asignándoles tanques separados, e.g.. decantadores primarios seguidos de digestión anaeróbica, en una sola etapa.  Usualmente reservadas para las aplicaciones de menor envergadura, requieren que las operaciones clásicas de digestión, espesado, almacenamiento de lodos digeridos y formación de sobrenadante se realicen en un único recipiente.  Frecuentemente calefaccionadas mediante intercambiadores de calor externos, es importante anotar que prácticamente sólo el 50% del volumen del reactor es "biologicamente activo" debido a la estratificación característica, diseñándose típicamente con valores de carga volumetrica de SSV entre 0.03 y 0.10 lb/day per cu.t. (0.5 - 1.6 kg/day per m3).

  La cobertura flotante permite la alimentación de lodos y recirculado de sobrenadante (al comienzo de la planta) en la operación.  En forma periódica se purgan los lodos digeridos de la parte inferior, disponiéndose según sea el proceso unitario a continuación, i.e. deshidratado mecánico, playas de secado. 

En el caso de instalaciones de mayor porte, es frecuente el empleo de digestión anaeróbica en dos tanques separados, siendo el primero especialmente diseñado para digestión propiamente dicha (calefaccionado y mezclado según un criterio específico) y un segundo compartimiento reservado fundamentalmente para espesado, almacenamiento de los lodos digeridos y remoción del sobrenadante.  Este segundo tanque no necesariamente está calefaccionada y en muchos casos cuenta con cerramiento o cubierta flotante sobre el nivel de líquido variable.  Es frecuente, sin embargo,  el diseño de tanques idénticos de manera de poder permutar sus roles.  En forma similar al digestor de una úica etapa, puede realizarse dimensionamiento en base a valores de carga volumetrica de SSV entre 0.10 y 0.30 lb/day per cu.t. (1.6 - 4.8 kg/day per m3).

El ejemplo numérico que incluímos, para una hipotética población de poco más de 100,000 habitantes, ilustra una configuración de dos sedimentadores primarios siendo los lodos atendidos por un sistema de digestión anaeróbica de dos etapas.  A modo orientativo, se incluye en el cálculo diámetros de los clarificadores, torques para los accionamientos centrales, así como requerimientos térmicos de calefaccionamiento y esquema de recuperación energético.

En cuanto a criterios y alternativas para mantenimiento de mezcla podemos destacar tres “grandes” criterios: densidad de potencia, gradiente G y tiempo de vaciado o “turn over.”  Lamentablemente cada fabricante tiende a emplear su propio criterio en cuando a evaluación de niveles de mezcla.  Es importante notar que el empleo de gradientes de alguna manera incorpora la viscosidad en la evaluación.  En cuanto a la implementación de la mezcla, puede realizarse mediante dispositivos mecánicos, hidráulicos o neumáticos (con el propio gas generado).  En muchos casos se prevee la posibilidad de alternar los tanques en su servicio, i.e. operando la planta en “un sentido” por un tiempo y permutando el rol de los tanques en el siguiente. Del punto de vista constructivo el diseño cilíndrico es el más frecuente, alturas de líquido entre 7.5 y 14m, diámetros entre 6 y 38m, pendientes 1v:4h para fondo de los tanques..

PRETRATAMIENTO BIOLOGICO EN APLICACIONES INDUSTRIALES

Sin ninguna duda la incorporación de un pretratamiento anaeróbico, frecuentemente implementado como una sencilla laguna anaeróbica, es probablemente po demás beneficiosa en un gran número de aguas residuales de origen industrial, .e.g. curtiembres, mataderos, crianza confinada, procesadores avícolas.  Tanto para remoción de cargas orgánicas elevadas como retención de sólidos suspendidos y grasas, la laguna anaeróbica o el reactor de baja tasa son configuraciones extremadamente útiles para achicar cualquier proceso biológico aeróbico posterior.  Obviamente dependiendo de la naturaleza de cada efluente, puede disminuirse la carga orgánica notablemente, por ejemplo desde valores de DBO5 de ingreso superiores a 20,000 mg/L a valores de salida por ejemplo levemente superiores a 2,000 mg/L.  Es esperable, deseable o no, reducciones importantes en los valores correspondientes a sólidos suspendidos.  Debemos recordar que el digestor anaeróbico debe ocupar su volumen con materiales biodegradables y no constituír un depósito de arenas.  Como puede verse en muchísimas instancias de crianza confinada, las lagunas anaeróbicas poco pueden hacer en cuanto a remoción de nitrógeno amoniacal, en ciertos casos con valores superiores a 2,500 – 2,600 mg/L.  En estos casos, el dimensionamiento del suministro de oxígeno para nitrificación puede ser varias veces, e.g. 4x – 5x, el dimensionamiento del sistema si sólo tuviese en cuenta la DBO5 para el diseño, e.g. una planta que tratase tanto la BOD5 como TKN rondaría 1,100 HP siendo que la demanda por BOD5 podría ser c. 220 HP.  La importancia de este comentario es que cualquier diseño basado exclusivamente en valores de BOD5 puede ver su rendimiento terriblemente distorsionado debido al secuestro de oxígeno por parte de nitrificantes, previsto ingenuamente para remoción de BOD5.  Por lo tanto, más allá de una posible actitud complaciente con las autoridades, todo proyectista responsible deberá requerir y tener en cuenta, muestreo de TKN y P.

A diferencia de las sucesiones de lagunas en serie o mezcla parcial, en general sólo es efectivo emplear una única laguna anaeróbica, esto es, poco ganamos teniendo dos lagunas anaeróbicas en serie.  Idealmente debe preferirse la formación de costra o capa superficial naturalmente (grasas, sólidos, fibra) pero en ciertos casos debe apelarse a coberturas sintéticas, e.g. geomembranas.  Es importante reiterar que el objetivo de este proceso unitario es digestión por lo que se debe procurar evitar irregularidades en la alimentación, sean excesos de grasa, sólidos, calico, sulfatos, nitrógeno amoniacal.  En particular es ilustrativo testimoniar el ejemplo del impacto en la descarga de una planta al no efectuar separación previa de grasas y aceites.

Al igual que en el caso de digestión de lodos primarios municipales, es frecuente el empleo de sistemas de recuperación de energía mediante la combustión del gas generado.  En el caso en que no sea practicable el empleo de estos sistemas es altamente recomendable aunque más no sea, el empleo de quemadores . 

Del punto de vista de cálculo numérico puede emplearse la fórmula clásica de remoción de DBO5, imperfecta desde demasiado numerosos aspectos (definición, proceso, rendimientos),  aplicada para sucesión de lagunas de mezcla parcial, empleando k = 0.05 1/día, 20°C.  Es importante recordar que debe procurarse minimizar dentro de lo posible el cociente superficie expuesta/volumen de la laguna a efectos de disminuir la pérdidas/disipación de calor, siendo aplicables los fundamentos de tratamiento anaeróbico, i.e. rango mesofílico 30-38°C.  Será extremadamente gráfico comparar el dimensionamiento de ese enfoqnue relativamente histórico, para el juego de datos del cálculo que sigue, empleando criterios y mecanismos contemporáneos de diseño: 

DIGESTORES Y CRIANZA CONFINADA

La presentación separada de los líquidos residuales procedentes de establecimientos de crianza confinada es tal de alguna manera arbitraria, caracterizando la aplicación fundamentalmente por una alta presencia de sólidos suspendidos.  La “buena escuela” especificaría el mayor grado de remoción de sólidos antes del ingreso al proceso anaeróbico. 

A grandes rasgos existen básicamente tres configuraciones: digestores o lagunas cubiertas, digestores de mezcla completa y digestores con desplazamiento longitudinal o flujo pistón (“plug flow”).

La laguna con cerramiento superficial, e.g. geomembranas, es probablemente el sistema más económico, aplicable a rangos de líquidos residuales con rangos de sólidos suspendidos por debajo de 2%.  Con relativa poca sofisticación requieren mayores extensiones de superficie aún en zonas cálidas.  De alguna manera lo que pretenderemos resolver será mayoritariamente las fracciones solubles (sCOD, sBOD).  Sin ninguna duda deberá pensarse en pretratamiento previo via rejas/malla e incluso celda de flotación que enviarán el material capturado a un digestor de sólidos con todos sus correspondientes requerimientos.  L actividad biológica fundamentalmente anticipa el consumo de material disuelto.  Deberá tenerse presente que ninguno de los digestores comentados se hará cargo de formas disueltas de nutrientes que probablementedeberán ser atendidas con un tren de tratamiento BNR en cualquiera de sus tantas configuraciones por ejemplo UCT.

Las configuraciones de digestores de mezcla completa demandan cierta obra civil, calefacción y algún mecanismo de mezclado, por ejemplo mecánico.  Sin ser una regla inamovible puede pensarse en líquidos residuales con contenido de sólidos en suspensión entre 2 y 10%.  Tanto esta variante como la que se presenta más abajo deberán tener presente la totalmente distinta perspectiva, id est pretender resolver biológicamente fracciones particuladas (requerimientos temperatura y mezcla a la par de digestores de sólidos)

Finalmente, los digestores con desplazamiento longitudinal o flujo pistón (“plug flow”), constan de una zanja o canal rectangular, con cobertura para recolección de gas.  En ciertos casos se incorporan en los tanques tuberías dentro de las cuales circula agua caliente para mantener la temperatura del efluente entre 25 y 40°C.  El contenido de sólidos puede variar entre 11 y 13%.