F. Osorio Robles, E. Hontoria García |
Departamento de Ingeniería Civil. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Universidad de Granada. |
RESUMEN.
En este trabajo, se presenta un extracto de los resultados en planta piloto, que se vienen obteniendo en la depuración de aguas residuales con filtros biológicos inundados. Este sistema de biopelícula en depuración, permite aprovechar residuos que, de otro modo, serían inservibles, con el consiguiente beneficio económico, social y medioambiental que supone. Se está investigando el aprovechamiento de plástico reciclado de El Ejido en la degradación biológica del agua residual. Ello supone la reutilización de un producto con enorme gasto energético en el proceso de fabricación, al tiempo que se reduce el impacto visual, tan agresivo, que este material ocasiona en la zona. También se investiga el uso de otros materiales de fácil y abundante disponibilidad, como los residuos industriales de una fábrica de materiales de construcción o la arena silícea de playa. Se contempla la renovación periódica de éste último material, aprovechando el gran contenido en materia orgánica de esta arena, tras su uso como soporte de biopelícula en la depuradora, para reutilizarla como subbase de terrenos agrícolas e invernaderos.
Con la arena silícea de playa, se está experimentando un afino del agua tratada mediante una filtración (posterior a un filtro biopelícula aireado). Dados los óptimos resultados de esta filtración, se contempla la posibilidad de una final desinfección, tras dicha filtración, que permitiría reutilizar el agua. De todos es conocido, que existen unos usos del agua para los que, dada su escasez, sólo se justifican socialmente con aguas reutilizadas (el caso más señalado es el del riego de campos de golf, cuyo consumo de agua es importante y, últimamente, es muy demandado por el turismo; una actividad en auge, ya desde hace algunos años, en la zona de Almería).
Con la adopción de un tratamiento secundario con este sistema de depuración, se pueden llegar a alcanzar los niveles de depuración exigidos por la Directiva 91/271 CEE, con cargas volumétricas muy elevadas (5 Kg. DBO5/m3/d).
INTRODUCCION
Almería constituye un importante foco productor de plásticos destinados a recubrimientos agrarios. Las comarcas de agricultura intensiva en Níjar y Dalías, en la provincia de Almería, generan 18.000 toneladas anuales de residuos plásticos, de las que aproximadamente 7.000 son absorbidas por el mercado tradicional del reciclaje. La Empresa de Gestión del Medio Ambiente (E.G.M.A.S.A.) dispone de unas instalaciones en El Ejido (Almería) capaces de absorber unas 5.000 toneladas anuales. Las 6.000 restantes la forman plásticos muy degradados no reciclables, que están siendo utilizados actualmente para aprovechamiento energético tras su reclasificación ambiental.
La posibilidad de utilizar estos plásticos como soporte biológico para la depuración de aguas residuales permitiría dar salida a un alto volumen de plásticos reciclados, sobre todo aquellos que presenten una calidad más baja y que sean inservibles para usos tradicionales. Hay que tener en cuenta que la producción de este tipo de residuos es cada día más alta, ya que la agricultura que utiliza plásticos para recubrimientos se está extendiendo cada día más en Andalucía, por lo que hay que buscar un mercado para estos residuos.
Esta misma casuística es la que dirige nuestra búsqueda de materiales de bajo coste y residuales de procesos industriales y la que nos condujo a la elección para nuestra investigación de material de tipo cerámico, procedente del machaqueo de los residuos de una fábrica de material de construcción. Para el caso del afino con una nueva filtración terciaria, la necesidad de un material de fina granulometría, abundante y resistente al agua residual fue la que nos guió a la opción de la arena silícea de playa.
FUNCIONAMIENTO DE LOS FILTROS BIOLOGICOS INUNDADOS
Los tratamientos convencionales de aguas residuales como lechos bacterianos o fangos activados se utilizan desde hace años, obteniendo buenos niveles en la depuración.
En los sistemas tipo fangos activados, los microorganismos responsables de la depuración se mantienen en suspensión y reciben el oxígeno necesario gracias a la inyección de aire o bien por agitación mecánica. Este sistema se encuentra limitado por la concentración de biomasa que puede mantenerse en suspensión en el reactor biológico y necesita, además, de una decantación secundaria.
En los procesos biopelícula, tipo lechos bacterianos, los microorganismos se adhieren a un soporte inerte a través del cual percola el agua residual. Este medio soporte suele ser grava, escoria o plástico moldeado, es decir, un material que proporcione mayor superficie específica y resistencia, así como una forma que mantenga las condiciones aerobias en el lecho.
En los lechos biológicos inundados, el material soporte trabaja sumergido y con aireación forzada. La innovación de este sistema es que unifica dos etapas dentro del mismo reactor:
- la primera, que es la zona bacteriana propiamente dicha, y que es donde se producen las actividades de degradación de la materia orgánica por el crecimiento bacteriano adherido al medio filtrante,
- la segunda, que es el funcionamiento simultáneo del soporte como material filtrante.
Entre las ventajas de este sistema destacan:
- Admite cargas orgánicas mayores que otros sistemas, traduciéndose esto en un menor volumen de reactor biológico, estimándose esta reducción en unas cuatro veces si lo comparamos con unos fangos activados.
- Supresión del decantador secundario que implica menores necesidades de superficie. La disminución total de superficie se estima en unas dos veces si se compara con los fangos activados.
- Facilidad de automatizar el funcionamiento.
- Posibilidad de ubicarlos en edificios cerrados, reduciendo de esta forma el impacto ambiental.
- Acepta un rango de pH entre 6 y 8,5.
A medida que el filtro funciona se va produciendo una colmatación del mismo, tanto por los SS retenidos, como por el crecimiento de la biomasa que va ocupando los espacios libres, peligrando el estado aerobio del filtro, por lo que se hacen necesarios unos lavados periódicos, aproximadamente cada 24 horas, y que suelen realizarse con agua y aire.
MATERIALES Y METODOS
Material de soporte de la biopelícula
La búsqueda de sistemas que permitieran ahorrar superficie en las instalaciones de depuración de aguas residuales fue la razón que motivó las investigaciones de la Cátedra de Ingeniería Sanitaria y Ambiental en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Granada, en la que los estudios se inician en 1989, montándose la primera planta piloto en 1990 e inaugurando una estación a escala real en el Puerto de Santa María con este sistema en 1994.
La gran preocupación medioambiental del grupo de trabajo hace que en una nueva fase de investigación se busquen materiales procedentes de residuos de industrias u otro tipo de actividad humana. Dada la alta producción de residuos procedentes de plásticos para invernaderos en nuestras zonas costeras, se pensó en la posibilidad de utilizar este material reciclado como soporte para los filtros biológicos. Para ello se entró en contacto con E.G.M.A.S.A, que proporcionó "granza" procedente de sus instalaciones en Los Palacios (Sevilla). Las características de este material se resumen en:
densidad: 09
espesor: 1 mm
diámetro: 5 mm
tamaño uniforme de todas las partículas.
Por su parte, las características del material cerámico se resumen en:
densidad seca: 2,3
densidad saturada: 2,9
estructura porosa
granulometrías de 5 a 7 mm y de 2 a 5 mm
tamaño uniforme de las partículas
Plantas piloto. Descripción
La primera planta piloto que se ha utilizado para este trabajo está formada por un filtro vertical de metacrilato, transparente, de 30 cm de diámetro, que hace la función de reactor biológico y donde se introduce el material filtrante.
La alimentación del agua de proceso se puede realizar tanto por la parte superior como inferior del lecho, según se trabaje con flujo descendente o ascendente, respectivamente. El aire de proceso y lavado se suministra por la parte inferior del lecho con un compresor. El agua de lavado, que procede del propio efluente depurado del filtro y que se almacena en un tanque dispuesto para ello, se introduce por la parte inferior del lecho, existiendo en la parte superior un sifón a través del cual se elimina el agua procedente del lavado.
Posteriormente se montó una segunda planta piloto, manejada mediante un ordenador; todo el funcionamiento se encuentra informatizado y automatizado. Esta planta piloto se describe a continuación.
Figura nº1: Croquis de la segunda planta piloto
Consta de dos columnas de metacrilato, en vez de una sóla, como era el caso de la antigua planta piloto.
Las posibilidades para enviar el agua desde la bomba de agua bruta son múltiples:
- Entrada inferior del Reactor Biológico (primera columna),
- Entrada superior del Reactor Biológico,
- Entrada superior del Filtro de Arena (segunda columna),
- Toma de muestras de agua bruta
Existe un circuíto de recirculación que se utiliza para recircular agua en el Reactor Biológico, paso de agua del Reactor Biológico al Filtro de Arena, y toma de muestras de agua del Reactor Biológico.
El lavado, bien sea manual, automático o semiautomático, para el Reactor Biológico o Filtro de Arena, consta de las siguientes fases:
1.- Vaciado
2.- Esponjado con aire
3.- Lavado con aire y agua
4.- Aclarado con agua
5.- Comienzo de ciclo
Toma de muestras y procedimiento analíticos
Existe una toma de muestras manual, picando sobre la válvula a abrir y forzándola manualmente a éllo (en este caso el intervalo de muestras es responsabilidad del operador). También podrá elegirse una toma de muestras automática. En ésta se fijará el intervalo de tiempo entre muestras y el de tiempo de muestra.
En la práctica, las muestras se tomaron directamente de la salida de ambos filtros, por la parte inferior de los mismos, utilizando un automatismo que permite el muestreo integrado, según lo descrito en el párrafo anterior.
Todos los días se procedió a la analítica de las muestras integradas de 24 horas.
Se hicieron varias campañas analíticas para estudiar el poder de recuperación del lecho
tras un lavado. Esto se hizo realizando una analítica tanto del agua de entrada como de salida cada dos horas durante una jornada de 12 horas.
Los parámetros analizados en todos los casos fueron pH, medido in situ, DBO5, DQO, SS y nutrientes. Periódicamente se realizaba una observación microscópica de la biopelícula. También se hizo un estudio de sedimentabilidad del fango. Con una menor periodicidad se llevó a cabo un control de los valores de eliminación y salida de nutrientes.
OBJETIVOS DEL RELLENO DOBLE CAPA
En la segunda planta piloto, se introdujo en el primer Reactor, un RELLENO DOBLE CAPA, formado por una primera capa de Relleno cerámico, y otra inferior de Relleno plástico. Con esta disposición mixta de ambos materiales se busca su complementación, intentando aprovechar sus ventajas y, al mismo tiempo, paliar sus defectos. Los objetivos principales con esta disposición de material son:
1.- El relleno cerámico aporta el peso del que carece el plástico y del que se comprueba que se derivan sus mayores dificultades de explotación:
desprendimiento repentino de la biomasa
dificultades del lavado por flotación
imposibilidad de suministrar elevados caudales de aire en caso de necesidades de niveles exigentes de depuración.
2.- Por su parte, el plástico aporta los buenos resultados que ya ha apuntado en las primeras fases del estudio, así como:
su menor peso, que supone menores necesidades de aire y agua de lavado
por lo anterior, lavados más efectivos
biopelícula más densa y de más rápido crecimiento.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Resultados del primer Reactor Biológico
Aparte de los ya apuntados anteriormente (los objetivos descritos han sido constatados en la práctica), otros resultados obtenidos con el RELLENO DOBLE CAPA son, principalmente, los siguientes:
- El flujo descendente del agua bruta proporciona mejores resultados que el flujo ascendente, tanto por los valores de salida obtenidos como por la mayor facilidad del proceso de lavado.
- No es necesario un decantador secundario; además, se observa que los fangos que contienen las muestras decantan con una gran rapidez (un estudio de sedimentabilidad puso de manifiesto que un porcentaje bastante elevado sedimentaba antes de 3 minutos).
- Se ha trabajado con distintas alturas de relleno y se ha comprobado que este tipo de material soporte necesita alturas muy pequeñas de reactor y que los rendimientos y niveles de depuración se mantienen bastante constantes hasta 1 metro de altura, bajo la cual ya sí se observan descensos significativos en dichos niveles.
- Se realizaron estudios de recuperación del lecho, y se comprobó que ésta se produce de una forma muy rápida; aproximadamente, a las dos horas del lavado se recupera el poder depurador.
En los gráficos que se acompañan a continuación pueden apreciarse valores de salida de distintos parámetros, así como rendimientos:
Gráfico nº 1: SS de salida en el relleno doble capa (trat. 2º)
- No sólo los niveles de depuración son satisfactorios en cuanto al valor absoluto de los distintos parámetros se refiere, sino que también responden adecuadamente en términos de rendimientos. Aunque los rendimientos sean índices menos significativos del funcionamiento de una depuradora que otros, en la mayoría de casos éstos cumplen la normativa vigente al respecto, tanto si consideramos el reactor biológico aislado, como si lo consideramos complementado por la filtración con arena.
Gráfico nº 2: DBO5 de salida en el relleno doble capa (trat. 2º)
Gráfico nº 3: Rendimientos de DQO en el relleno doble capa (trat. 2º)
Avances del Filtro de Arena respecto al Reactor Biológico
- En la eliminación de Sólidos en suspensión se observa que, aun siendo importante la aportación del Filtro de Arena, el Reactor Biológico es responsable de un porcentaje bastante significativo en su eliminación, independientemente de la carga contaminante de entrada al Reactor Biológico.
Cuando las cargas contaminantes de entrada son elevadas, ya sí resulta determinante la presencia del Filtro de Arena, que participa en mayor medida que el Reactor Biológico en la eliminación de los sólidos.
Gráfico nº 4: Participación del Trat. 2º y Filtro de Arena en la eliminación de SS
- En lo referente a la DBO5, la diferencia de comportamiento según la carga contaminante de entrada al Reactor Biológico también es bastante significativa. En efecto, comprobamos que para cargas bajas, el Reactor Biológico elimina, aproximadamente, un 85 %, lo que quiere decir que prácticamente se "basta" para tal cometido.
Cuando la carga contaminante de entrada aumenta, la contribución del Reactor Biológico baja al 65 %, pero continúa representado una cantidad muy apreciable, lo que confirma la reducida participación del Filtro de Arena en la disminución de la Demanda Biológica de Oxígeno.
Gráfico nº 5: Participación del Trat. 2º y Filtro de Arena en la eliminación de DBO5
PROPUESTAS
En Este apartado se remite al Resumen, que aglutina, a grandes rasgos, las líneas de actuación a seguir en base al aprovechamiento de residuos en la degradación biológica de las aguas residuales.
REFERENCIAS
González Martínez S., Duque Luciano J., (1992). Aerobic submerged biofilm reactors for wastewater treatment. Wat. Res. Vol. 26, nº 6, pp. 825-833.
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Canler J.P., Perret J.M., (1993). Biological aerated filters assessment of the process based on 12 sewage treatment plants. Second International Specialized Conference on Biofilm Reactors (Paris-Frania)
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