Control Operacional de Reactores anaerobios

1. Control Operacional de Reactores anaerobios Ing. Pedro E. Ortiz B. Noviembre 2013

2. Componentes de un UASB El reactor es mezclado por el movimiento ascendente d las burbujas de biogás y por el flujo de líquido, permitiendo el contacto de la materia orgánica y la biomasa.omo resultado el biogás es formado.

3. CH4 CO2 H2O H2S NH3 NUEVAS CELULAS Materia orgánica Bacterias Anaerobias Digestión Anaerobia Es un proceso que se realiza en ausencia de oxígeno, en el cual la materia orgánica compleja es convertida en : Metano, Dióxido de carbono, agua, sulfuro de hidrógeno y amónia además de nuevas células bacterianas. • Fases del proceso • Hidrólisis de compuesto orgánicos complejos • Producción de ácidos • Producción de metano (CH4)

4. Lagunas Facultativas

5. TORRE DE CONEXIÓN PRRAC-ASAN • Su Funcionalidad es distribuir caudales a los reactores UASB.

6. TORRE DE CONEXIÓN PRRAC-ASAN • Su Funcionalidad es distribuir caudales a los reactores UASB.

7. Alternativas para el control de olores

8. Componentes de un sistema anaerobios • Tratamiento preliminar o pretratamiento. • Tratamiento bilógico, digestión anaerobia. • Deshidratación de lodo excedente.

9. Reactor Anaerobio de flujo ascendente, UASB

10. Reactor Anaerobio de flujo ascendente, UASB

12. Medición y caracterización de lodo Medición de la masa bacteriana La cantidad de biomasa es usualmente conocida a través del perfil de sólidos, considerándose que los sólidos volátiles son una medida de la biomasa presente en el reactor, las nuestras tomadas a diferentes niveles son analizadas gravimétricamente siendo los resultados expresado en gSTV/L, Estas medidas de concentración de sólidos volátiles, multiplicadas por los volúmenes correspondientes a cada zona muestreada, proporcionan las masas de microorganismos a lo largo del perfil del reactor. La sumatoria de las cantidades de biomasa en cada zona equivalen a la masa total de sólidos en el reactor.

13. Flujograma típico de un reactor anaerobio

16. Carga hidráulica volumétrica, CHV • Es la cantidad (volumen) de aguas negras aplicados diariamente al reactor, por unidad del volumen del mismo. Debe ser menor a 5.0 m3/m3*d • Donde: • CVH = carga hidráulica volumétrica en m3/m3*d • Q = caudal en m3/d • V = volumen del reactor m3 Tiempo de retención hidráulica, t Es el inverso de la carga hidráulica volumétrica. Debe ser menor a 4.8 horas (= 1/5*24 horas) Donde : t = tiempo de retención hidráulica en días CHV = = carga hidráulica volumétrica m3/m3*d

17. Carga orgánica volumétrica, CV • Es la cantidad (masa) de materia orgánica aplicada diariamente al reactor, por unidad de volumen del mismo. • Donde: • Cv= carga orgánica volumétrica, (kgDQO/m3*d) • Q = caudal afluente, m3/d • So = concentración de substrato afluente (kgDQO/m3) • V = volumen total del reactor, m3

18. Carga biológica o carga de lodo • Se refiere a la cantidad (masa) de materia orgánica aplicada diariamente al reactor, por unidad de biomasa presente en el mismo. • Donde: • Cb = carga biológica o carga de lodo, kgDQO/kgSTV*d • Q = caudal afluente, m3/d • So=concentración de substrato afluente (kgDQO/m3) • M = masa de microorganismos presentes en el reactor, kgSTV Experiencias recientes con reactores de manto de lodos, tratando aguas negras indican que durante la partida del reactor, se pueden aplicar cargas biológicas del orden de 0.30 a 0.50 kgDQO/kgSTV*d. y durante el régimen permanente puede alcanzar los 2.0kgDQO/kgSTV*d.

19. Velocidad superficial de flujo • Es la relación entre el caudal afluente y la sección transversal del reactor. • Donde: • v = velocidad superficial de flujo, velocidad ascensional, m/h • Q = caudal afluente, m3/h • A = área de sección transversal del reactor, m2 La velocidad superficial media para reactores operando con lodo floculento y con cargas orgánicas de hasta 5.0 a 6.0 kgDQO/m3*d, pueden estar comprendidas entre 0.5 a 0.7 m/h. para reactores operando con lodo granular alcanzar hasta 10 m/h.

20. Verificación de Parámetros Operacionales • Caudal afluente al sistema • Características físico-químicos y microbiológicas del agua negra afluente • Eficiencia y problemas operacionales de las unidades de tratamiento preliminar • Cantidad y características de los materiales retenidos en las rejas y el desarenador • Eficiencia y problemas operacionales del reactor anaerobio • Cantidad y características del biogás producido en el reactor anaerobio • Cantidad y características del lodo producido en el reactor anaerobio • Estos parámetros pueden ser comparados con los valores originalmente asumidos en el proyecto, permitiendo: • Una revisión o adaptación de las estrategias operacionales inicialmente previstas para el sistema. • Contar con datos más reales en futuras expansiones del sistema.

21. Mejoría de las condiciones operacionales • Determinación de la mejor rutina de descarte y de deshidratación de lodo excedente. • Definición de las mejores prácticas y rutinas de operación y limpieza de las rejas y desarenadores. • Identificación de los puntos con ocurrencia de malos olores.

22. Actividades de operación del sistema de tratamiento anaerobio • Control del funcionamiento apropiado de las unidades de pretratamiento. • Rejas • Desarenador • Medidor de caudal • Evaluación de la eficiencia del digestor. • Remoción de la Demanda Química de Oxigeno (DQO) • Sólidos Suspendidos(SS) • Organismos patógenos. • Evaluación de la estabilidad operacional del digestor. • Control del pH (debe ser mayor de 6.5) • Determinación de la cantidad y calidad del lodo en el reactor y la unidad de deshidratación. • Análisis de la actividad metanogénica especifica(AME) • Sedimentabilidad • Contenido de sólidos o contenido de humedad.

23. Monitoreo del digestor anaerobio • El éxito en la operación de un reactor anaerobio depende de la sistematización e implementación de procedimientos operacionales adecuados, existen tres tipos de monitoreo: • Monitoreo de la eficiencia. • monitoreo de la estabilidad. • Monitoreo de la cantidad y calidad del lodo. Monitoreo de la eficiencia Sirve para conocer su comportamiento histórico y si su desempeño esta de acuerdo con las especificaciones de diseño. La eficiencia del reactor se determina en función de los parámetros siguientes: Sólidos en suspensión: la concentración de sólidos en suspensión es determinada por medio de análisis gravimétricos de los Sólidos en Suspensión Totales (SST) y de los sólidos en Suspensión Volátiles (orgánicos) (SSV), adicionalmente el análisis de sólidos sedimentables (determinación del volumen de sólidos que sedimentan en un cono de 1 litro, durante una hora). Material Orgánico: la eficiencia de remoción de material orgánico es validada a través del análisis de DQO. Y eventualmente de la DBO. También la producción de biogás (metano). Organismos patógenos: se determina la concentración de dos tipos de microorganismos: coliformes termotolerantes y huevos de helmintos.

24. Monitoreo de la estabilidad del reactor • Sirve para evaluar si hay señales de que la fermentación ácida, puede prevalecer sobre la fermentación metanogénica, consecuentemente producir la acidificación del digestor. • Los parámetros de control son los siguientes: • pH • Alcalinidad • Ácidos orgánicos en el efluente • Estos valores deben ser comparados con los del afluente. • También una variación abrupta de la composición del biogás, especialmente un aumento del porcentaje del dióxido de carbono (CO2). Puede ser una indicación de la inestabilidad del reactor.

25. pH y alcalinidad • Rangos de pH asociados a la digestión anaerobia • Bacterias acidogénicas: pH 5 a 6 • Arqueas metanogénicas: pH 6.6 a 7.4 • Control de pH busca eliminar el riesgo de inhibición de las arqueas metanogénicas • Alcalinidad necesaria al sistema: • Neutralización de los ácidos orgánicos volátiles • Equilibrio del gas carbónico • Productos químicos para suplementar la alcalinidad: • Cal virgen, cal hidratada, reacciona con el gas carbónico (CO2)para formar alcalinidad de bicarbonato • Carbonato sódico, bicarbonato de sodio, proporcionan directamente alcalinidad de bicarbonato

26. Monitoreo de la cantidad y calidad del lodo En los sistemas con lodo en suspensión, la concentración de lodo no es uniforme varía con la profundidad, por lo que la toma de muestras deben tomarse en varios puntos distribuidos a lo largo de la altura del reactor. Para estimar la cantidad de lodo en estas muestras se debe determinar la concentración de Sólidos Totales y los Sólidos Totales Volátiles. Para evaluar la calidad del lodos se deben realizarlos parámetros siguientes: Actividad metanogénica especifica (AME): Se refiere a la capacidad del lodo en producir metano a partir de un sustrato orgánico (usualmente acetato). Conociendo el AME y la masa de lodo en el reactor es posible estimar la Carga Orgánica Máxima (Lomax=kgDQO/d) que puede ser digerida. Estabilidad: se conoce mediante la determinación de la fracción de lodo de material orgánico biodegradable aun no digerido, Lettinga y van Haandel sugieren menos del tres por ciento (< 3% ) una cantidad mayor indica un reactor sobrecargado o problemas en la separación, sólido líquido y lodo de descarte. Sedimentabilidad: métodos simples, Indice Volumétrico de Lodo (IVL) e Indice Volumétrico de lodo diluido.

27. Monitoreo del proceso de tratamiento Eficiencia del tratamiento

28. Monitoreo del proceso de tratamiento Estabilidad Operacional

29. Monitoreo del proceso de tratamiento Cantidad y calidad de lodo * Los análisis de sólidos totales deben ser efectuados en varios puntos , a largo de la altura del manto de lodos (de 3 a 6 puntos), de manera de obtener el perfil de sólidos en el interior del reactor

30. Evaluación de la actividad microbiana • El éxito de cualquier proceso anaerobio, especialmente los de alta tasa, depende fundamentalmente del mantenimiento, dentro de los reactores de una biomasa adaptada, con elevada actividad microbiológica y resistente a choques, para monitorear y mantener esa biomasa se debe evaluar la actividad microbiana, un análisis de rutina que puede emplearse para éste propósito es el de la Actividad Metanogénica Especifica (AME). • La AME puede ser definida como la capacidad máxima de producción de metano de un conjunto de microorganismos anaerobios, realizado en condiciones controladas de laboratorio, para estimar la actividad bioquímica máxima de conversión de substratos orgánicos a metano. • El conocimiento de la AME del lodo permite establecer, la capacidad máxima de remoción de DQO de la fase líquida y estimar la Carga Orgánica máxima que puede ser aplicada al reactor sin desbalancear el proceso anaerobio. Además nos sirve para: • Evaluar el comportamiento de la biomasa respecto a compuesto inhibidores. • Determinar la toxicidad de los compuesto químicos presentes en el efluente. • Establecer el grado de degradación de diversos substratos. • Monitorear los cambios en la actividad del lodo. • Determinar la masa mínima de lodo anaerobio que debe ser mantenida en el reactor. • Para evaluar parámetros cinéticos.

31. Evaluación de la actividad microbiana • La prueba de Actividad Metanogénica Específica (AME) • Importancia de la prueba de AME • Configuración típica de la prueba de AME

32. Producción de lodo del sistema La acumulación de sólidos se debe a la producción de biomasa y a la presencia de carbonato de calcio y de otros precipitados minerales, que se produce después de algunos meses de operación continua. La acumulación de biomasa depende esencialmente de la composición química del agua residual, siendo mayor en aquellas con elevadas concentraciones de carbohidratos. El descarte de lodo excedente debe ser hecho periódicamente, caso contrario su acumulación en el interior del reactor podrá provocar la pérdida excesiva de sólidos hacia el compartimiento de decantación, consecuentemente una mayor pérdida de sólidos en el efluente líquido. Una alternativa interesante es hacer el descarte a diferentes alturas del reactor (ej. fondo y media altura). La adopción de una frecuencia de descarte adecuada, repercutirá directamente en la calidad del efluente , en términos de sólidos suspendidos, DQO y DBO particulada. Para evaluar la cantidad de lodo excedente producido en el reactor UASB tratando aguas negras, ha sido usual adoptar un coeficiente de producción de lodo entre 0.10 y 0.20kgST por kgDQO aplicada al reactor.

33. Descarga del lodo de exceso • Es un aspecto operacional importante, la masa de lodo debe ser mantenida entre un mínimo para tener capacidad de digerir la carga orgánica afluente y un máximo según la capacidad de retención de lodo del reactor. • La frecuencia de descarte será dictada por la naturaleza del proceso de deshidratación de lodo, si es mecánica, la descarga del lodo debe ser hecha diariamente, durante las horas en que este presente el operador y si es natural o manual la descarga debe ser hecha por tandas, usualmente con frecuencias entre dos y tres semanas, según la capacidad de almacenamiento de lodo del reactor y del tiempo medio de secado en el lecho de secado. • Para establecer la frecuencia y la magnitud de la descarga de lodo se pueden seguir los pasos siguientes: • Se opera el reactor en condiciones de caudal y carga hasta llegar al nivel máximo de lodo, y se calcula la masa de lodo en el reactor y la producción diaria de lodo. • Se determina la Actividad Metanogénica Especifica (AME) de lodo. • Se encuentra la masa mínima de lodo, dividiendo la Carga Orgánica afluente entre la AME. • Se define la diferencia entre la masa máxima de lodo de descarte y la masa mínima de operación. • Después de una descarga igual o menor que la descarga máxima, se determina nuevamente la pérdida de lodo junto al efluente. • La frecuencia de descarga puede ser determinada como la relación entre la masa de lodo a ser descargado y la tasa de acumulación del sistema.

34. Datos: • Masa Total de lodo, Mlodo= 22,170kgSTV • Fracción de sólidos volátiles en el lodo = 60% • Masa de lodo descargada = 50% • Volumen del compartimento de lodo, Vr= 1,000m3 • Volumen del compartimento de digestión, Vdig = 750m3 • Volumen del compartimento de decantación, Vdec = 250m3 • Profundidad útil del reactor, H = 4.50m • Caudal medio de aguas negras, Q = 3,000m3/d • Concentración media de DQO en el afluente, So = 600mg/L • Concentración media de DQO en el efluente antes del descarte, Sinicial = 210mg/L • Concentración de sólidos suspendidos antes del descarte, SSTinicial = 80mg/L • Concentración media de DQO en el efluente después de sedimentación, Ssed= 130mg/L • Actividad metanogénica especifica (24°C) AME= 0.20 mgDQOCH4/mgSTV*d • Concentración media de DQO en el efluente después del descarte del 50%, Sfinal = 140mg/L • Concentración media de Sólidos suspendidos el efluente después del descarte del 50% de lodo, SSTfinal = 20mg/L Ejemplo del Cálculo de la frecuencia de descarga

35. Esquema Sinicial= 210mg/L SSTinicial = 80mg/L Vd = 250m3 Ssed = 130mg/L Sfinal= 140mg/L SSTfinal =20mg/L H =4.50m AME = 0.20kgDQOCH4/mgSTV*d Vr = 1,000m3 SV/ST = 60% Mlodo = 22,170kgSTV Qmed= 3,000m3/d So = 600 mg/L Vdig = 750m3 Mlodo = KgST

36. Cálculos frecuencia de descarte 1. Masa de lodo

37. Procedimiento para el descarte de lodo • La remoción de lodo es hecha usualmente por presión hidrostática, aprovechando la carga hidráulica en relación con el lecho de secado o pozo de lodo que alimenta al equipo de deshidratación. • Para iniciar el descarte se debe calcular con anterioridad el volumen a descargar en cada punto del reactor. • La operación de descarte inicia con la apertura individualizada de las válvulas (que son previstos en la pared lateral del reactor), caso contrario el descarte de lodo no será uniforme en el interior del reactor. • La medición del caudal descargado puede ser hecho automáticamente por medio de medidores de caudal o evaluando la altura de la lámina de lodo o el volumen correspondiente en el lecho de secado.

38. Descarte de espuma del sistema • La espuma esta constituida por: grasas, aceites, ceras, jabones, restos de alimentos, cascaras de frutas y vegetales, cabello, papel y algodón, colillas de cigarros, materiales plásticos, etc. • Su formación puede ocurrir en dos puntos: • En el interior de separador trifásico, en la interface de liberación de los gases formados en la digestión anaerobia. • En la superficie del decantador. • El retiro de la espuma no debe ser muy espaciado porque puede concentrarse mucho y será muy difícil su remoción por escurrimiento. Inicialmente se recomienda que la espuma sea retirada quincenalmente y dependiendo de las características de concentración y cantidad, la frecuencia podrá ser reducida o ampliada.

39. Identificación de la necesidad de remoción de espuma • Solamente la práctica operacional del reactor posibilitará establecer la mejor rutina para el descarte de espuma. La identificación de la necesidad de remoción de este material del interior de los separadores trifásicos es normalmente hecha a partir de las aberturas de cierre hermético construidas en cima de la losa de los reactores, estas aberturas permiten la inspección visual del interior del separador trifásico, la medición del espesor de la capa de espuma y la toma de muestras para su caracterización físico-química. • La abertura de esta escotilla debe ser hecha con cuidado por los riesgos que conlleva entrar a un compartimento conteniendo biogás. Por ejemplo: • Cerrar las válvula de gas del separador trifásico que se quiera inspeccionar, para aislarlo de los demás separadores. • Abrir la escotilla del separador trifásico para que todo el biogás acumulado pueda ser expulsado en forma segura o sea que ningún operador podrá portar objetos que produzcan fuego o chispa.

40. Principales alternativas para remover espuma Depende de los dispositivos previstos en el proyecto, cuando se instalan canales o tuberías perforadas en el interior del separador trifásico, la remoción de espuma más diluida puede efectuarse por aumento o disminución de la presión hidrostática del biogás. En los casos que la espuma este más solidificada su eliminación se puede realizar en forma manual con el auxilio de un pazcón o por medio de una manguera de succión acoplado a un camión de limpiar fosas sépticas. Dependiendo de su consistencia o grado de estabilización, podrá ser transportada o bombeada al lecho de secado o al pozo que alimenta el equipo de deshidratación, en el caso de espuma más solidificada podrá enviarse directamente al relleno sanitario. Niveles de agua y espuma durante la operación normal (línea presurizada para mantener una diferencia de nivel de 10 a 15 cm). Descenso de nivel de espuma logrado con el aumento de presión de la línea de gas. Apertura de la válvula del canal interno del separador trifásico. Alivio e presión de la línea de gas para retornar a la presión normal.

41. Descarte de nata del sistema

42. Remoción de la fracción sólida de nata

43. Otros controles operacionales Verificación y desobstrucción continua de los tubos de alimentación a los reactores anaerobios, la correcta distribución del agua residual es fundamental para el buen funcionamiento de las unidades de tratamiento. Se recomienda diariamente que los tubos sean verificado y desobstruidos si es necesario. Inspección para el control de la corrosión en las estructuras del reactor anaerobio, especialmente las piezas metálicas, como colectores de gas, barandillas etc. En caso de detectarse corrosión, las estructuras deben reparase inmediatamente para conservar la integridad de las unidades de tratamiento y garantizar la seguridad de los operadores del sistema. Correcta disposición de todo el material removido en el tratamiento preliminar (rejas y desarenadores) y también del lodo descartado del reactor.

44. Corrección de problemas de operación, caudal

45. Corrección de problemas de operación, características del afluente

46. Corrección de problemas de operación, Desempeño del reactor

47. Corrección de problemas de operación, Desempeño del reactor

48. Corrección de problemas de operación, Desempeño del reactor

49. Corrección de problemas de operación, características de lodo en reactor

50. Corrección de problemas de operación, características de lodo en reactor