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Los reactores anaeróbicos permiten la conversión de materia orgánica, presente en las aguas residuales, fundamentalmente a metano y anhídrido carbónico a través de una serie de reacciones involucrando consorcios de microorganismos facultativos y estrictamente anaeróbicos. Los constitutivos orgánicos más complejos como ser almidones, ácidos grasos, proteínas, alcoholes y otros compuestos orgánicos son primeramente convertidos a través de hidrólisis enzimática en productos intermedios de menor peso molecular como ser azúcares, alcoholes y aminoácidos. Estas sustancias solubles son posteriormente objeto de reacciones de fermentación dando lugar a la formación de ácidos orgánicos. A continuación microorganismos acetogénicos convierten los ácidos orgánicos de mayor peso molecular en ácido acético e hidrógeno en forma libre o combinada. El hidrógeno y el ácido acético son los precursores primarios del proceso de mineralización final, esto es metano y anhídrido carbónico. El gas metano producido puede ser empleado para calefaccionar el reactor aumentando la eficiencia de tratamiento, generación eléctrica o bien para otros fines en la planta.
Afortunadamente existe un buen número de tecnologías y diseños de reactores anaeróbicos. Sin embargo la mejor tecnología o proceso para una aplicación específica puede no ser la mejor alternativa para otro contexto. Las características del líquido a tratar afectan el éxito o fracaso de un proceso o instalación determinada. Los reactores anaeróbicos que fundamentalmente se basan en biomasa residente sobre soporte fijo, e.g. reactores anaeróbicos híbridos, pueden pensarse como los más apropiados para efluentes con baja producción de lodos por unidad de tratamiento mientras que los reactores anaeróbicos de tipo biomasa en suspensión también llamada dispersa pueden ser fácilmente empleados en efluentes con gran propensión a generación de microorganismos y gránulos. En cierta manera, con una cuidadosa selección involucrando una determinación responsable/calificada de carga orgánica y condiciones de operación adecuadas, cada sistema puede tratar prácticamente casi todo tipo de agua residual si bien no de forma óptima. Si bien en cierta manera existe muy buena familiarización con un gran número de grandes tipos o categorías de efluentes es recomendable la realización de ensayos de tratabilidad anaeróbica algo naturalmente mandatorio en las instancias en las cuales no se posea antecedentes.
Los sistemas anaeróbicos pueden clasificarse de acuerdo al tipo de biomasa empleado y de qué forma dicha biomasa es retenida en el sistema. Los procesos de biomasa en suspensión o dispersa son sistemas en los cuales las bacterias crecen y básicamente están libres en suspensión. Típicamente estos sistemas presentan coexistencia de agrupaciones o conglomerados de microorganismos con mayor o menor cohesión variando desde formaciones floculentas hasta gránulos o pellets extremadamente bien formados. Los sistemas denominados de tipo biomasa fija emplean estructuras sostén usualmente en material plástico sea bajo la forma de láminas ensambladas en módulos, o medios inertes en suspensión, sobre las cuales se forman las películas de microorganismos. Existen sistemas que procurar tomar ventaja de cada una de estas alternativas, dando lugar a los sistemas híbridos en los cuales una sección del reactor opera o se diseña como un reactor de biomasa fija y existe otra sección o zona del reactor que se opera o diseña como un sistema de biomasa en suspensión.
Los sistemas anaeróbicos también son pasibles de ser categorizados o clasificados en base a la tasa de proceso, esto es dando lugar a procesos anaeróbicos de baja tasa y procesos o reactores de alta tasa. Combinando esta nueva característica con lo expresado anteriormente puede hablarse de reactores de biomasa en suspensión de baja tasa como ser fermentadores de baja tasa y reactores anaeróbicos de contacto. Estas alternativas son muy efectivas en la retención de lodos no granulares/floculentos al diseñarse con tasas de operación bajas, tanto orgánica como hidráulicamente hablando. En particular son especialmente apropiadas para aplicaciones/sustratos industriales que no logren buena granulación o que puedan contener valores poco deseables en algunos parámetros como ser altos niveles de grasas y aceites o altos niveles de sólidos suspendidos.
Es conceptualmente muy interesante reflexionar sobre otra categorización de los reactores anaeróbicos en cierta manera no por propiedades de los mismos sino por las características del líquido a tratar. De alguna manera muchas configuraciones de tratamiento anaeróbico, digestores de lodos, de alguna manera fueron diseñados con criterios y construcciones visando recibir caudales de líquido relativamente pequeño, con gran presencia de constitutivos bajo forma de sólidos suspendidos y de tipo cloacal o de muy bajas concentraciones orgánicas.. Las aplicaciones contemporáneas pueden involucrar o demandar enormes caudales de líquido, sustratos esencialmente presentes en altas concentraciones con varios dígitos, en forma disuelta/soluble (< .45 µm) y con origenes/cinéticas industriales. Resulta inmediatamente la falacia de abordar especialmente aplicaciones industriales con una óptica simplemente "similar"
Esencialmente las lagunas anaeróbicas son básicamente grandes reactores anaeróbicos de baja tasa. La captura de biogas es esencial para la protección ambiental así como su recuperación para potencial empleo energético. La composición del gas generado es similar al obtenido de sistemas anaeróbicos sofisticados y puede ser empleado en exactamente la misma forma.
Los diseños o configuraciones de lagunas anaeróbicas más antiguas consistían en grandes volumenes de líquido sin ninguna mezcla ni cobertura y con tiempos de detención hidráulica del orden de semanas o meses. Dado que las lagunas anaeróbicas con característicamente reactores anaeróbicos con inventarios o concentracciones de biomasa suspendida o dispersa muy diluídas, la capacidad real de tratamiento biológico es limitada. Con el transcurso del tiempo y adquisición de mejores conocimientos se fueron introduciendo un número de modificaciones a efectos de aumentar los procentajes de remoción obtenibles, a saber
incorporación de mecanismos o dispositivos de mezcla de manera de factilitar el contacto o interacción entre los constitutivos y el inventario de biomasa
agregado algún tipo de cobertura, natural o sintética, de manera de disminuir olores, ayuda en el control de temperatura y captura de gas generado
distribuciones del influente más elaboradas, e.g. versus puntos de vertido o inyección sin ninguna meditación
reciclado o retorno de lodos visando lograr aumentar o mantener mayores niveles de inventario de biomasa
Los diseños contemporáneos de este tipo de reactor anaeróbico de baja tasa incorporan construcciones en hormigón armado o zanjas artificiales con membranas y coberturas flotantes dando lugar a sistemas de pretratamiento biológico de alta performance. En este último caso se realiza aporte de calor a través del propio biogas generado por el proceso anaeróbico, obviamente en mayor o menor medida según el balance correspondiente. Usualmente se emplean intercambiadores tipo casco y tubo (effuente) o tipo espiral alternativa que se reconoce como la mejor pero es significativa más costosa, e.g. 3x. Otra opción frecuente para el calefaccionamiento del efluente consiste en la inyección de vapor en el tanque de ecualización o en un tanque de mezcla previo al propio reactor anaeróbico. Esta opción, i.e. inyección de vapor, es usualmente más económica que el empleo de intercambiadores de cualquier tipo y más fácil de operar. Si bien estos reactores pueden acomodar una seguidilla de días de baja temperatura no se deberá permitir bajar la temperatura menos de 29°C y aún así solamente 1-2 semanas en el cual se anticipará significativo deterioro de performance.. A 20°C las remociones son simplemente originadas por decantación y no por actividad biológica.
Los reactores anaeróbicos de contacto emplean un clarificador secundario externo que permite la captura y re-envío de biomasa al reactor de manera de mantener o aumentar el inventario de diseño. Dado que típicamente son diseñados con tasas relativamente bajas, tanto orgánica como hidráulicamente hablando, involucran grandes construcciones. Los sistemas de reactores anaeróbicos de contacto son especialemente efectivos para los casos en que la granulación es dificultosa o el líquido residual contiene valores mayores a los deseables de parámetros como aceites y grasas, sólidos suspendidos. Los reactores anaeróbicos de contacto lograr efectivamente la retención de lodos no granulares/floculentos permitiendo mantener niveles de inventarios de biomasa anaeróbica apropiados.
Reactor Anaeróbico de Contacto
Los lodos fundamentalmente granulares exhiben altas velocidades de decantación y tasas de actividad que permiten reducir los tamaños de reactor requeridos al tiempo de poder emplear para el diseño y operación tasas orgánicas mayores por lo que estos procesos se consideran reactores anaeróbicos de alta tasa. Los factores que influyen en la formación de buenos lodos granulados son complejos y objeto de considerable investigación tanto por parte de proveedores de sistemas como personal de laboratorio y ensayos. Estos factores son variados pero fundamentalmente relacionados con las características del líquido a tratar, la configuración del sistema y la condiciones de aplicación/diseño de carga. Los reactores anaeróbicos basados en formación de gránulo logran retener o mantener el lodo granular empleando dispositivos de separación especialmente diseñados involucrando las tres fases a menudo dentro de la categoría propietaria. Unidades representativas de sistemas anaeróbicos basados en formación de gránulo incluyen reactores UASB y reactores EGSB.
Reactor UASB
Los reactores anaeróbicos de biomasa fija inluyen los reactores de lecho fijo y los reactores de lecho fluidizado. Los reactores anaeróbicos de lecho fluidizado emplean un medio inerte, e.g. arena, esferillas, que proveen una superficie soporte o sostén para el desarrollo y acumulación/depósito de microorganismos. Los reactores anaeróbicos de lecho fijo emplean estructuras o medios estáticos como ser anillos, piedras/roca, o láminas ensambladas sobre los cuales se instalan las comunidades de microorganismos. Las configuraciones más representativas de reactores anaeróbicos de biomasa fija incluyen al clásico filtro anaeróbico totalmente empacado, de flujo asencional y de interés histórico, variantes con flujo descendente.
Reactor anaeróbico de tipo filtro anaeróbico de flujo ascencional
Los reactores anaeróbicos de tipo híbrido combinan una sección inferior de reactor funcionalmente idéntica a un reactor basado en gránulo UASB y una sección superior de reactor configurada como un filtro anaeróbico de flujo ascencional siendo el propósito consolidar las ventajas de cada una de las dos alternativas en un único reactor. Por lo tanto, aproximadamente entre el 30 y 50% inferior del volumen del reactor es responsable por la formación de lodo foculente y/o granular mientras que correspondientemente el 70 y 50% superior del volumen de reactor se empaca o equipa con medio inerte, láminas ensambladas formando módulos prismáticos presentando el comportamiento/operación de un clásico filtro anaeróbico.
Si bien su aplicación no es indiscriminada, las ventajas de los reactores anaeróbicos de tipo híbrido o mixto presentan ventajas muy importantes a saber,
Los reactores anaeróbicos híbridos han ser especialmente aptos para el tratamiento de aguas residuales en las cuales la formación de lodos granulares es dificultosa como presentan algunas instancias de descargas de ciertas industrias químicas. Los crecimientos biológicos desarrollados en la parte operando como filtro anaeróbico sumados al manto floculento o granular de la parte inferior del reactor cooperan para sumar considerables inventarios de biomasa que en definitiva se traducen en estabilidad de proceso y altos porcentajes de remoción. Asimismo, los módulos de láminas ensambladas actúan en parte como separadores favoreciendo aún más la retención de biomasa en el reactor.
Algunas instalaciones anaeróbicas emplean diseños incorporando dos reactores anaeróbicos en serie. No solamente se mejora la eficiencia de remoción de DQO en comparación a un diseño de único reactor con igual tiempo de detención hidráulica, sino que la operación alternada/cíclica, esto es periódicamente permutando los roles de cada uno, resulta en una aún mayor reducción en la generación de lodos de descarte. Hay un número de plantas de este tipo operando desde 1987. Un tipo de opción para configuraciones en dos etapas emplea el primer tanque fundamentalemente para hidrólisis mientras que el segundo reactor se diseña especialmente para optimizar la generación de metano.
La considerable bibliografía del tema nos muestra innumerables ejemplos de digestores diseñados sea como procesos en lote o mezcla, pero fundamentalmente atendiendo contextos de bajos caudales y presencia de constitutivo particulado. Tanto las fosas sépticas como los digestores anaeróbicos de lodos son buenos representantes que permanecerán ocupando su lugar en el área de tratamiento. Como brevemente se ilustra en la sección de aplicaciones, afortunadamente hoy en día la tecnología de reactores anaeróbicos permite atender en forma rutinaria instancias de grandes caudales, grandes concentraciones, grandes fracciones solubles y cinéticas muy alejadas de las característicamente asociadas a efluentes municipales.
