Consideracions de disseny per a reactors de llit mòbil

El disseny de processos amb MBBR es basa en el concepte que el tractament s’aconsegueix amb diversos resctors en sèrie i que cada reactor individual està dissenyat per a una funció específica de tractament dins de l’esquema general de tractament. Això és apropiat perquè cada reactor promou el desenvolupament d’un biofilm especialitzar orientat a un objectiu de tractament basat en les condicions del reactor. Aquest enfocament compartimentat dóna com a resultat un disseny bastant simple i directe, pel qual un o més reactors de mescla completa estan orientats en sèrie, cada un amb un propòsit de tractament específic. En comparació, en el disseny d’un sistema de creixement suspès, sempre es produeixen reaccions de competència i s’ha de mantenir un temps de retenció de sòlids global al sistema (SRT) per proporcionar la mescla de colònies bacterianes (basant-se en les tasses de creixement i tipus d’aigua residual) necessàries per a assolir la meta de tractament desitjada dins de la retenció hidràulica disponible en cada zona del tan (airejades i no airejades).

3.1. Pel·lícules biològiques als suports

Per a l’èxit de qualsevol biofilm és essencial mantenir una proporció alta de biomassa activa al reactor. Quan la concentració de biomassa als suports MBBR es presenta en termes d’una concentració equivalent de sòlids en suspensió, els valors típics oscil·len entre els 1000 i 5000 mg/L de sòlids en suspensió. No obstant, quan el rendiment es considera en base al volum, els resultats mostren que els percentatges d’eliminació poder ser molt més alts que en els sistemes de biomassa suspesa. Aquesta eficiència volumètrica extra amb MBBR es pot atribuir al següent:

1. Elevada activitat general de la biomassa com a resultat d’un control eficaç de l’espessor del biofilm al suport a causa d’haver tallat els suports per l’energia de mescla.
2. Capacitat de retenir biomassa altament especialitzada específica per a les condicions dins de cada reactor, independent del temps de retenció global del sistema.
3. Percentatges de difusió acceptables com a resultat de les condicions de turbulència al reactor.

Els reactors de llit mòbil poden configurar-se en molts esquemes diferents de tractament de flux continu per a l’eliminació de DBO, nitrificació i desnitrificació.

1. Les condicions específiques del lloc, incloent la disposició de l’obra i el perfil hidràulic de la planta;
2. L’esquema de tractament existent i el potencial de retroalimentació de les instal·lacions o tancs existents; i
3. Els objectius fixats de qualitat de l’efluent.

L’àrea efectiva neta del biofilm és un paràmetre clau de disseny amb reactors de llit mòbil i els percentatges de càrrega i reacció poden expressar-se com a funció de l’àrea superficial que ofereixen els suports. Per tant, l’àrea superficial del suport s’usa de manera comú i convenient per a expressar el rendiment i les càrregues dels MBBR, sovint presentats respectivament com a percentatge d’eliminació per àrea superficial (SARR) i percentatge de càrrega per àrea superficial (SARL). El percentatge d’eliminació de substrat en MBBR és depenent en ordre 0 quan les concentracions del substrat són altes i depenent en primer ordre quan les concentracions del substrat són baixes. En condicions controlades, el percentatge d’eliminació (SARR) com a funció de la càrrega (SARL) pot expressar-se com a expressió de la següent reacció:

r = r_max * [L/(K+L)]
On: r = Percentatge d’eliminació (g/m²*dia)
  r_max= Percentatge màxim d’eliminació (g/m²*dia)
L = Percentatge de càrrega (g/m²*dia)
K = Constant de saturació mitjana

Sumario general de los esquemas de tratamiento ofrecidos por los MBBR:

3.1.1. Eliminació de matèria carbònica

El disseny SALR per un reactor de llit mòbil dissenyat per a l’eliminació de matèria carbònica dependrà de l’objectiu de tractament predominant i el mètode triat per a la separació de sòlids. La taula següent mostra una sèrie de valors de disseny típics per a càrrega de DBO basats en l’aplicació i l’objectiu de tractament.

El reactor s’hauria de dissenyar usant una taxa de càrrega baixa quan la nitrificació és l’objectiu del procés aigües avall. Es poden considerar taxes de càrrega més altes quan només es requereix l’eliminació de la matèria carbònica. L’experiència ha demostrat que, per a l’eliminació de matèria carbònica, un nivell d’oxigen dissolt de 2 a 3 mg/L és suficient i que uns nivells més alts no ajuden a millorar el SARR.

3.1.2. Dissenys de taxa alta

El reactor de llit mòbil pot considerar-se quan és necessari un sistema compacte de taxa alta per complir els estàndards bàsics de tractament secundari. En aplicacions de taxa alta, el MBBR funciona sota condicions SALR altes, amb l’objectiu principal d’eliminar la DBO soluble i fàcilment degradada de l’influent. La capa externa del biofilm es desprèn i decanta, però aquesta condició disminueix en condicions de càrrega alta. Com a resultat, el MBBR de taxa alta es combina amb la coagulació i floculació de productes químics de l’efluent tractat, flotació o amb un procés d’eliminació de sòlids per contacte; no obstant, en general, això dóna com a resultat un sistema compacte capaç de complir estàndards bàsics de tractament secundari en un temps de retenció curt (HRT).

3.1.3. Dissenys de taxa normal

El reactor de llit mòbil ofereix una opció tecnològica quan es consideren enfocaments convencionals de tractament secundari bàsic. Típicament es consideren dos reactors en sèrie per assolir aquest nivell de tractament. Aquest és un resum del rendiment d’eliminació de SBO a 7 dies (DBO7) en 4 plantes de tractament d’aigües residuals amb MBBR de taxa normal, dissenyats per a l’eliminació de DBO seguida por l’eliminació química de fòsfor: En aquests casos, els MBBR van ser dissenyats amb una taxa de càrrega orgànica de 7 a 10 g. BOD7/g/m²*dia a 10 ºC i es combinen amb addició i floculació de seguiment de productes químics per l’eliminació de fòsfor i la millora de la separació de sòlids.

3.1.4. Dissenys de taxa baixa

Un disseny de càrrega baixa s’ha de considerar pels reactors dissenyats per l’eliminació de matèria orgànica abans del reactor de nitrificació. Això ajuda a assegurar que la taxa de nitrificació pugui aconseguir-se al següent reactor de nitrificació amb llit mòbil, la qual cosa també permet un disseny més econòmic. En casos en què la càrrega de DBO al MBBR de nitrificació no sigui suficientment reduïda, la taxa de nitrificació es veurà reduïda significativament i pot ser que el reactor no resulti efectiu.

Aquest seria el cas en una situació en què una càrrega de DBO que era massa alta fos escollida per l’etapa de pretractament de la matèria orgànica, donant com a resultat un romanent en l’etapa de nitrificació. Com a exemple, el quadre mostra que podria aconseguir-se una taxa de nitrificació de 0.8 g./m²*dia amb una càrrega de DBO de 2 g/m²*dia y una taxa d’oxigen dissolt de 6 g/m²*dia, però podria reduir-se al voltant d’un 50% si la càrrega de DBO s’incrementés fins a 3 g/m²*dia. L’operador podria ajustar-lo usant un nivell més alt d’oxigen dissolt per ajudar a compensar aquesta condició, o bé es podria incrementar la secció omplerta per reduir el percentatge de càrrega de l’àrea superficial. No obstant, és important fer notar que cap d’aquestes opcions dóna com a resultat un disseny econòmic i efectiu. En canvi, el disseny preferit seria dimensionar els MBBR dissenyats per a l’eliminació de DBO usant una càrrega baixa conservadora, de manera que l’eficiència màxima es pugui assolir més endavant al MBBR de nitrificació.

Durant un estudi, es van dur a terme dues proves de nitrificació a escala reduïda, amb sis setmanes entre cadascuna, en suports trets de cada un dels tres MBBR. Per a cada prova, es van mantenir condicions quasi idèntiques (p.ex., oxigen dissolt, temperatura, pH i concentració inicial d’amoníac) en cada un dels tres models pilot. Els resultats de les proves mostren que el primer reactor, amb la càrrega més alta de DWO soluble (5.6 g/m²*dia) va rendir poc en termes de nitrificació, però va tenir èxit en la seva funció de reduir la càrrega de DQO soluble abans del segon reactor. Això es veu gràcies a:

1. Altes tasses de nitrificació observades al segon reactor, properes a les observades al tercer reactor, i
2. Poca diferència entre la condició de la càrrega de la DQO soluble al segon reactor en comparació amb el tercer reactor.

Per dissenys de càrrega baixa on és important un SALR conservador, es pot usar un factor de correcció de temperatura per ajustar el SALR segons la temperatura de l’aigua residual.

3.1.5. Nitrificació

Per un disseny correcte, s’han de considerar una sèrie de condicions dins d’un MBBR en la fase de nitrificació, ja que tenen un efecte significatiu en el rendiment del reactor. Els factors més significatius són:

1. Càrrega orgànica.
2. Concentració d’oxigen dissolt.
3. Concentració d’amoníac.
4. Temperatura de l’aigua residual.
5. pH/Alcalinitat.

Es mostrava la importància d’eliminar la matèria orgànica present a l’aigua residual abans que assoleixin cotes raonables d’eliminació al MBBR de nitrificació aigües avall. En cas contrari, la competència heterotròfica del biofilm per l’espai o l’oxigen redueix (o elimina) l’activitat nitrificadora del biofilm. A mesura que es redueix la càrrega orgànica, la taxa de nitrificació augmenta, fins que la concentració d’oxigen dissolt limita la taxa. La disponibilitat de substrat (amoníac) només limita la taxa quan les concentracions al reactor són baixes (<2 mg. N/L) i per tant és un problema quan es requereix una nitrificació substancialment completa. En aquests casos, es poden considerar dos reactors en sèrie, quan el primer reactor té oxigen limitat i el segon té amoníac limitat. Com en tots els processos biològics, la temperatura té un efecte marcat en la taxa de nitrificació, però això pot ser compensat amb MBBR funcionant amb una concentració més gran d’oxigen dissolt. Finalment, amb nivells baixos d’alcalinitat, la taxa de nitrificació del biofilm començarà a mostrar inhibició. Les següents subseccions tracten cada un d’aquests importants factors de disseny.

En aplicacions amb prou alcalinitat i amoníac (com a mínim al principi), la taxa de nitrificació s’incrementarà a mesura que la càrrega orgànica es redueix, fins que la concentració d’oxigen la limiti. En pel·lícules biològiques MBBR nitrificants ben establertes, la disponibilitat d’oxigen limita la taxa de nitrificació als suports, mentre el percentatge d’oxigen respecte al nitrogen amoniacal estigui per sota de 2.0. així doncs, al contrari que els sistemes de matèria suspesa, la taxa de reacció en un reactor de llit mòbil mostra una dependència linear o quasi linear de la concentració d’oxigen dissolt en condicions d’oxigen limitat. Aquest comportament probablement és a causa de la taxa a la qual es difon l’oxigen a través de la capa de líquid estancat i penetra al biofilm. Una concentració més gran d’oxigen incrementa el gradient de concentració a través del biofilm. Una energia de mescla més gran a causa d’una aireació més ràpida també ajuda a millorar la transferència del líquid al biofilm, si la càrrega orgànica es manté constant (p.ex., gruix i composició del biofilm), es pot preveure que la taxa de nitrificació augmentarà linealment amb la concentració d’oxigen dissolt. L’increment de l’oxigen dissolt ajudarà a augmentar la taxa de nitrificació, fins que s’observin concentracions d’amoníac dissolt considerablement baixes.

Tot i que la dependència que té la cinètica de nitrificació respecte a la temperatura pot reduir les taxes de nitrificació en la temperatura de disseny hivernal, aquest efecte es pot compensar amb MBBRs mitjançant l’efecte combinat d’una concentració més gran de biofilm adherit als suports que s’observa típicament a temperatures més fredes i mantenint nivells més alts d’oxigen dissolt al reactor. A temperatures més fredes d’aigua residual, habitualment s’observa més biomassa (g/m²). També poden aconseguir-se nivells més alts d’oxigen dissolt sense incrementar la velocitat d’aireació, com a resultat de la seva solubilitat més gran a temperatures més baixes del líquid. En net, l’activitat de nitrificació per àrea superficial de la unitat de suport pot mantenir-se amb efectivitat malgrat una reducció en l’activitat del biofilm específic (g NH₃-N / m²·d ÷ g SS /m²).

L’observació estacional d’increment i reducció de biomassa en funció de la temperatura de l’aigua residual en un MBBR terciari. Com s’observa, la concentració de biomassa cau significativament entre maig i juny, quan la temperatura sobrepassa els 15 ºC. Es fan dos grups de dades segons les condicions de temperatura de l’aigua residual (per sota i per sobre de 15 ºC), tal com apareixen reflectits en la imatge 5.8a.

IMatge 5.8

Encara que l’activitat específica del biofilm és menor per a les dades de temperatura inferior a 15 ºC, el rendiment global es manté gràcies a una concentració global més gran de biomassa i un nivell més gran d’oxigen dissolt com a resultat d’un augment de la solubilitat del gas a temperatures menors. L’observació ajuda a reflectir que una taxa de reacció global de l’àrea superficial en els suports pot mantenir-se en temperatures més fredes, compensant-la amb un biofilm adaptat, malgrat una reducció en la taxa de creixement de la nitrificació.

3.1.6. Desnitrificació

Els reactors de llit mòbil s’han fet servir amb èxit per a la desnitrificació en configuracions de pretractament, post-tractament i combinades. Igual que amb altres processos de desnitrificació biològica, els factors principals que s’han de considerar en el disseny són els següents:

1. La presència d’una font de carboni adequada en un ràtio adequat de carboni i nitrogen en el rector.
2. Nivell de desnitrificació requerit.
3. Temperatura de l’aigua residual.
4. Romanent d’oxigen de passos previs del procés o fluxos de recirculació.

3.1.6.1. Reactors de llit mòbil amb biofilm pre-desnitrificació

La pre-desnitrificació amb MBBR normalment és adequada en casos en què sigui necessària l’eliminació de DBO, la nitrificació i un nivell moderat d’eliminació de nitrogen. L’afluent del reactor hauria de tenir un ràtio favorable de DQO biodegradable i amoníac (C: N) per fer un ús eficient del volum del reactor anòxic. L’oxigen dissolt que retorna al flux de reciclatge pot tenir una influència significativa en el rendiment amb sistemes MBBR, ja que poden fer falta nivells elevats d’oxigen dissolt per a la fase de nitrificació del procés MBBR. Això pot suposar en la pràctica un límit màxim per a la ràtio de recirculació més efectiu (Q_rcy:Q_inf), mentre que un futur increment en la taxa de recirculació acaba per reduir l’eficiència de desnitrificació global. Quan les característiques de l’aigua residual afluent són adequades per a la pre-desnitrificació, el rendiment d’eliminació de nitrogen normalment pot oscil·lar entre el 50 i el 70%, amb un ràtio (Q_rcy:Q_inf) d’1:1 a 3:1. La taula següent recull alguns exemples de taxes de pre-nitrificació que s’han observat en aigües residuals municipals:

3.1.6.2. Reactors de llit mòbil amb biofilm post-desnitrificació

La post-desnitrificació amb MBBR es pot prendre en consideració en casos en què el carboni degradable present de forma natural en l’aigua residual és insuficient o ja s’ha exhaurit per un procés anterior, o quan la disponibilitat d’espai a la planta és limitada i requereix una nitrificació compacta de taxa alta. Ja que el rendiment no està limitat per factors com la taxa de reciclatge intern o la disponibilitat de carboni, es poden aconseguir alts nivells d’eliminació de nitrogen (>80%) amb un temps de retenció mínim.

Si hi ha límits estrictes sobre la DBO de l’efluent i es requereixen nivells baixos de nitrats, pot ser necessària una post-nitrificació amb un petit MBBR de ventilació posterior. L’experiència pràctica ha mostrat que el rendiment de la post-nitrificació en MBBR es pot inhibir quan un tractament de precipitació previ al reactor dóna com a resultat unes condicions de fòsfor limitants per a la síntesi cel·lular.

El percentatge d’eliminació per àrea superficial amb nitrats màxims i addició externa de carboni pot ser més gran que 2 g/m²·d quan s’afegeix carboni en excés.

3.1.6.3. Reactors de llit mòbil amb biofilm amb desnitrificació combinada prèvia i posterior

Els reactors de llit mòbil poden combinar-se per aprofitar l’economia proporcionada per la pre-desnitrificació i el rendiment de la post-nitrificació. El reactor de pre-desnitrificació es pot dissenyar de manera que pugui manejar-se com reactor de ventilació durant els mesos d’hivern quan:

1. Un volum addicional de reactor de ventilació pugui ser útil per millorar el rendiment de la nitrificació, i
2. La temperatura freda de l’aigua residual dóna com a resultat nivells alts d’oxigen dissolt i DQO menys soluble, que d’altra manera impedirien l’eficiència de la pre-desnitrificació.

Durant els mesos d’hivern, es confiaria en el reactor de post-nitrificació per dur a terme tota l’eliminació de nitrats necessària.

3.2. Mescladors

En aplicacions de desnitrificació amb MBBR, s’han fet servir mescladors mecànics submergibles muntats sobre rails, que fan circular i barregen els continguts del reactor i els suports de farciment. Es requereixen algunes consideracions especials per a un disseny adequat: La posició i orientació dels mescladors, el tipus de mesclador i l’energia de barreja.

Es necessiten consideracions de barreja especials per als MBBR de desnitrificació. No tots els mescladors són adequats pel seu ús a llarg termini en un MBBR.

L’energia de barreja necessària per barrejar adequadament en un MBBR de desnitrificació depèn de la fracció del volum que ocupi el farciment i la massa de biofilm prevista en el reactor. Les experiències pràctiques han demostrat que la barreja al reactor és més efectiva com més baix és el percentatge d’ompliment (p. ex., <55%). Una fracció d’emplenament alta pot fer difícil que el mesclador faci moure amb èxit el farciment i per tant s’hauria d’evitar. En canvi, una fracció d’emplenament baixa amb més càrrega d’àrea superficial (i per tant, més concentració de biomassa) als suports ajuda a fer que el farciment baixi, fent més fàcil per als mescladors fer circular el farciment dins del reactor. Per aquesta raó, és important seleccionar una mida del reactor de desnitrificació tal que la fracció d’ompliment permeti la mescla mecànica.

3.3. Pretractament

Igual que moltes altres tecnologies de biofilm submergit, els MBBR han de tenir un tractament preliminar adequat previ al reactor. Un bon tamisat i eliminació de grava són necessaris per prevenir l’acumulació a llarg termini de materials inerts no desitjats en el MBBR, com teles, plàstic i sorra. Aquests materials són difícils d’eliminar una vegada que penetren en el reactor, perquè estarà parcialment ocupat amb els suports de farciment. Els fabricants generalment recomanen un espaiat no major de 6 mm. si també es proporciona tractament primari. Tanmateix, un tamisat més exhaustiu de 3 mm. o menys és obligatori quan no hi hagi tractament primari. D’altra banda, en processos MBBR supletoris, en els quals hi hagi un tractament previ significatiu, probablement no necessitin tamisat addicional.