El sistema SBR en la industria agroalimentaria (VII)

10.-Control sobre la proliferación de bacterias filamentosas.

Este sistema permite la selección de bacterias que forman flóculos con buenas características de sedimentación, atenuando los problemas que causan la aparición de bacterias filamentosas. Ésta es una de las principales ventajas del sistema S.B.R.

Debido a la celeridad con la que se introduce el agua residual en el vaso biológico, se produce un aumento de la carga másica sobre el flóculo (relación alimento-microorganismo), que permite a las bacterias floculantes acumular substrato en el citoplasma, cosa que ciertos organismos filamentosos no pueden hacer.

Cuando la comida disponible desciende al final del ciclo, las bacterias floculantes se alimentan de la comida acumulada, las bacterias filamentosas están en inferioridad para competir con las floculantes y el fango posee unas buenas condiciones para su decantabilidad.

En un sistema SBR se realiza en el tiempo lo que en los sistemas en continuo ocurre en el espacio.

En un sistema de mezcla completa, al no haber superabundancia de alimentación como en los SBR, las bacterias floculantes no pueden acumular comida en el citoplasma, y las filamentosas al tener mayor superficie que las floculantes atrapan la comida disponible, estando en ventaja frente a las floculantes, por lo que la decantabilidad del sistema se puede ver alterada.

Esta situación se produce en plantas industriales a menudo en los fines de semana, encontrándonos los lunes con los fangos flotando y gran cantidad de espumas en el reactor.

El sistema SBR en la industria agroalimentaria (VI)

5.- Alta flexibilidad. En los sistemas clásicos de fangos activados, los volúmenes de las balsas (anóxica, aerobia) y por tanto los tiempos de retención hidráulicos son fijos. En un sistema SBR, en minutos podemos variar el tiempo de retención hidráulico con la programación de los ciclos, adecuándonos a variaciones de carga, de caudal o a cambios estacionales (variaciones de temperatura en verano-invierno y por tanto de capacidad de nitrificación-desnitrificación, se pueden controlar con variaciones de ciclos o aireación). Incluso en diseños en los que en principio no se requiere eliminación de nutrientes, se pueden adaptar a la normativa más exigente (dependiendo naturalmente de la capacidad de la planta).

En los sistemas en continuo, incrementos puntuales superiores a un 20 % en caudal o carga, directamente repercutirán en la calidad del agua de salida. En un sistema SBR ese incremento puntual no influye, pues se homogeneiza dentro del reactor, ya que lo que influye en un SBR son los kilos totales que entran y no la forma en que estén distribuidos. Esto permite que los SBR requieran en menor medida que los demás sistemas, una balsa de homogeneización previa.

Empero, esta elevada flexibilidad no es contraria a la sencillez del sistema, ya que los procesos al estar totalmente automatizados, con la implantación de sistemas expertos, como redes neuronales o lógica difusa, el control del mismo hace de forma fácil y sencilla

6.- Posibilidad de realizar un control previo del vertido antes de su descarga Como el sistema funciona por lotes, es posible realizar un control del agua depurada antes de su vertido al cauce receptor, implementando un medidor in situ del parámetro a controlar. Por otro lado, se podría actuar sobre la duración del sistema - siempre que el diseño nos lo permita - o enviar el vertido a la balsa de homogeneización - si tuviésemos esa posibilidad -.

7.- Imposibilidad de circuitos hidráulicos El sistema SBR impide los cortocircuitos hidráulico, teniendo la garantía suficiente de que toda el agua residual ha sufrido el proceso de depuración.

8.- Incorporación de fangos al reactor donde están actuando y no ocupando espacio en el decantador secundario, donde no es operativo.

9.- Menor salida de sólidos ya que la decantación estática en un gran reactor, como es el SBR, es muchísimo más eficaz que en un sistema continuo, donde se suelen producir escapes de sólidos en momentos de puntas de caudal. El reactor en el que se produce la decantación en los SBR, es generalmente mucho mayor que un decantador convencional. Además, la decantación se produce de forma estática, sin un flujo ascendente como en los continuos, que podrían arrastrar los flóculos más pequeños.

El SBR en la industria agroalimentaria (V)

2. Menor espacio requerido.

Como ya hemos indicado en la descripción del sistema, al realizar todos los procesos en un mismo tanque, utilizando el tiempo como variable en vez del espacio (ya que durante un ciclo hacemos todos los procesos de depuración aerobio, anóxico anaerobio, decantación, extracción) no es necesario la presencia de múltiples tanques a lo que tenemos que unir el ahorro en volumen que conllevan los procesos en discontinuo frente a los de mezcla competa, con lo que el ahorro espacial y en obra civil es notable. Por otra parte, la posibilidad de realizar todos los procesos en un solo tanque, nos permitirá la modulación y ampliación desde una instalación inicial, incorporando todos los módulos que se requieran desde una instalación inicial.

3. Menor inversión

No sólo tendremos un ahorro en obra civil, debido a tener menores volúmenes y un único tanque, sino que además dispondremos de menos equipos (bombas de recirculación de vertido, agitadores sumergibles, recirculación de fangos, etc.)

4. Menor coste de mantenimiento

Corolario de los dos primeros puntos ya que no sólo por la ausencia de reactivos químicos, sino que la simplificación de la planta es inherente a la disminución de los costos de personal de operación, entre otras cosas porque hay menos equipos (bombas, puentes, tuberías válvulas...) porque no hay necesidad de realizar recirculaciones de una balsa a otra, tanto de licor mezcla como de fangos, lo que redunda en el mantenimiento de la planta como hemos dicho.

Además, debemos de tener en cuenta que uno de los factores que influyen en los costos de operación de una planta, es la gestión de los fangos producidos. En un SBR los fangos tienen mayor sequedad que en un sistema clásico (el 1 % frente al 0,8 %), por lo que ocupan menos volumen y como se deduce hay menos gastos de gestión. Así mismo, al no llevar incorporado ningún reactivo químico, no se catalogan como residuos tóxicos y permite la posibilidad de usarlo como compostaje.

Por otro lado, un sistema S.B.R. es tremendamente flexible lo que nos permitirá, al variar los tiempos de las distintas fases cambiar la configuración de la planta, como por ejemplo aumentando el tiempo de retención hidráulico con la programación de los ciclos, bien minimizando la producción de fangos bien el consumo energético prolongando o disminuyendo cada una de las fases, adaptándonos a las necesidades reales de la industria en cada momento, cosa  que en los sistemas clásicos de fangos activados, los volúmenes de las balsas (anóxica, aerobia) y por tanto los tiempos de retención hidráulico son fijos.

El sistema SBR en la industria agroalimentaria (IV)

VENTAJAS DEL SISTEMA S.B.R.

La principal ventaja que resume a toda las demás que enumeraremos a continuación es la de su flexibilidad, ya que gracias al control de los tiempos de las fases que componen el ciclo de depuración, tendremos distintas configuraciones del reactor y distintas formas de controlarlo de una manera sencilla e intuitiva, pudiendo atacar distintos problemas (puntas de caudal, puntas de contaminación.) sin que el sistema se separe de la estabilidad, al contrario que ocurre en los sistemas en continuo, donde cualquier variación, ya en caudal ya en carga contaminante nos hará el sistema inestable.

1.  Mayor rendimiento obtenido Debido a que un reactor SBR es un flujo pistón ideal, el rendimiento obtenido con respecto a un reactor de mezcla completa (reactor biológico en continuo), para un mismo volumen, siempre es mayor. Ésta es una de las ventajas más significativas, pero no sólo corresponde a un valor experimental sino que conceptualmente el sistema S.B.R. al ser en discontinuo tiene mayor rendimiento como a continuación pasaremos a demostrar:

Donde Q: caudal (l/s)

       Ce: concentración DQO de entrada (mg/l).

       Cs: concentración DQO de salida (mg/l).

       V: volumen (l).

Como sabemos, los reactores en continuo, mezcla completa, y los discontinuos, S.B.R., son fundamentalmente diferentes. En los reactores de mezcla completa, la concentración del efluente y del reactor son las mismas, mientras que en los reactores de proceso discontinuo tienen características del flujo pistón y del mezcla completa, del tal forma que en la fase de reacción el tanque funciona como un flujo pistón ideal, donde no todo el reactor es homogéneo sino que la concentración varía con el tiempo. Esto reverbera tanto en el volumen del reactor como en la concentración de DQO en la salida. Consideraremos por tanto dos casos suponiendo que la concentración de la DQO en la entrada es Ce, el caudal es Q, y la constante de velocidad de reacción es k (siguiendo una cinética de primer orden), siendo estos valores los mismos para ambos reactores:

la concentración en el reactor decrece de la misma manera.

En un reactor de mezcla completa, no todas las moléculas pasan la misma cantidad de tiempo en el reactor, algunas permanecen mucho tiempo mientras que otras poseen un tiempo de residencia muy corto. Como todas estas partículas están mezcladas, en la salida obtenemos un valor medio de C(t)/C(0).

Comprobemos a continuación que el valor medio obtenido en un reactor de mezcla completa es mayor que en un S.B.R. Para ello, consideremos que sucede cuando

k x t = k x V / Q = 2

que es aproximadamente el valor obtenido en el primer ejemplo de la tabla  .

Entonces tenemos que:

Este es el valor de la relación Cs/Ce en un reactor tipo S.B.R.

Para el reactor en continuo asumamos que la mezcla en el mismo se realiza dividiendo la entrada del vertido en dos zonas del tanque. En una primera, el tiempo de permanencia será de un cuarto del tiempo total que estaría en el S.B.R., mientras que en la segunda la residencia del vertido será de cuatro veces la del reactor discontinuo (así el tiempo medio de residencia en el reactor de mezcla completa será igual que el del S.B.R., siendo ambas iguales a V/Q).

De esta forma se sigue que en la segunda zona, al ser el tiempo de retención cuatro veces mayor que en el S.B.R. tenemos:

Mientras en la primera zona, al ser menor el tiempo de retención, deducimos que:

Tal como hemos indicado anteriormente, la concentración de salida será la media de las otras dos, por tanto tenemos que Cs/Ce = 0’30.

Así, el resultado para el reactor en mezcla completa es mayor que para el reactor en discontinuo (0’3 frente a 0’14), aunque el tiempo de residencia medio sea el mismo para ambos.

Con la ayuda de la gráfica adjunta lo veremos aún más claro:

La diferencia es debida a que la concentración decrece exponencialmente con el tiempo para una reacción de primer orden. Así, la zona que pasa en el reactor de mezcla completa menor tiempo (el valor de k x t más bajo) sale con una concentración mayor que la del SBR mientras que la que permanece más tiempo en el tanque la salida es menor, siempre en relación con el SBR

Podemos comprobar que para el mismo volumen, el reactor S.B.R. es más eficiente que el reactor tipo mezcla completa y para igual concentración de salida sólo un pequeño S.B.R. es necesario. ¿Por qué ocurre esto?, la explicación es sencilla. En un reactor tipo S.B.R. todas y cada una de las moléculas que entran en el sistema pasan la misma cantidad de tiempo en el reactor; ese período es igual a V/Q. Como el decrecimiento de la ecuación de primer orden ocurre según una función exponencial

El sistema SBR en la industria agroalimentaria (III)

ELIMINACIÓN DEL FÓSFORO.

En los reactores del tipo SBR, la eliminación de fósforo es posible por vía biológica, sin necesidad de pasar por vías químicas (adición de coagulantes) ni físicas (filtraciones terciarias) incluyendo una fase anaerobia durante el llenado, seguida de fases anóxicas y aerobias. Gracias a la alternancia de fases, conseguimos que que determinados géneros de bacterias (acinetobacter) acumulen grandes cantidades de fósforo en el interior de las células, eliminando el fósforo al ir purgando éstas del sistema. En un sistema clásico (por ejemplo un sistema bardenpho modificado) serían necesarios seis reactores, para realizar lo que el SBR hace en uno sólo.

Lo mismo ocurriría con el sistema A²O, en el que necesitaríamos cuatro balsas:

I.d.- FASE DE DECANTACIÓN, EXTRACCIÓN Y PURGA DE FANGOS.

Una vez terminado el proceso de depuración, realizamos el proceso físico de separación de fases de agua depurada y fangos biológicos. Tras una fase de reacción aeróbica que elimina problemas de desnitrificaciones de fangos no deseadas, el sistema de aireación y agitación se para automáticamente. El licor mezcla, tras algunos minutos, comienza a decantar. Debido a la no existencia de un flujo ascendente y a la gran superficie de decantación del reactor (en este caso el reactor funciona como un gran decantador) con lo que la separación obtenida es muy eficiente. El manto de fangos que va decantando, arrastra a su paso hacia el fondo del reactor a todos los flóculos que encuentra, con lo que la calidad del efluente es inmejorable. Una vez conseguida la separación del efluente depurado y la biomasa, el primero se extrae del sistema, mediante un equipo especial (decanter), que se encuentra flotando en la superficie del reactor.

Este mecanismo de extracción o decanter está diseñado para que no se produzca el escape del licor mezcla del reactor durante la fase de reacción y que a su vez en la fase de decantación no se produzcan turbulencias que conlleve el arrastre de fangos. Este equipo se puede regular para un nivel preestablecido mínimo en el reactor.

El fango concentrado en el fondo del reactor se puede purgar, ora en el final de cada ciclo ora después de un número de ciclos determinado, de forma que controlemos la concentración de microorganismos que permanecen en el reactor. Así se obtendrá un absoluto control de la edad de fangos. Con la acumulación de fangos en un número de ciclos, realizaremos una digestión de los mismos, con lo que se minimiza la producción de los mismos.

El sistema SBR en la industria agroalimentaria (II)

I.a.- LLENADO.

En el llenado, el vertido procedente entra en el reactor poniéndose en contacto con la biomasa, que permanece del anterior ciclo. El tiempo de llenado es controlado de forma automática, interesando, según el diseño, que sea rápido o lento.


La fase de llenado se puede subdividir en distintas etapas, anaeróbica, anóxica o aerobia según lo que queramos conseguir: nitrificación, desnitrificación, eliminación de fósforo, selección de bacterias no filamentosas, minimización de la producción de fangos o consumo energía.

Mediante un llenado anóxico, dependiendo del reactor conseguiremos alcanzar los rendimientos necesarios en eliminación de nitrógeno. Además al regular el tiempo de llenado tendremos el control sobre la decantabilidad del licor mezcla (a mayor tiempo de llenado menor SVI).

El tipo de llenado periódico del SBR permite seleccionar las bacterias con mayor capacidad de floculación y degradación de la materia orgánica, ya que podremos actuar como un selector en sus distintas modalidades: aerobios, aerobios con baja concentración de oxígeno disuelto y alta carga másica, anóxico o anaerobio, pudiendo actuar en el caso de que aparezcan organismos filamentosos.

I.b.- REACCIÓN I: FASE AEROBIA.

Una vez terminado el llenado, comenzaremos la fase de reacción, que puede ser dividida en una fase aerobia, con la que realizaremos el proceso de nitrificación. Mediante la instalación de oxímetros y pH-metros conseguiremos el ajuste de la fase aerobia, bien por control del tipo PID, bien mediante el control con redes neuronales, consiguiendo la armonización entre un máximo rendimiento y un bajo consumo energético.

I.c.- REACCIÓN II: FASE ANÓXICA.

En esta fase conseguiremos la completa eliminación del nitrógeno, en el caso de que no se halla conseguido la completa desnitrificación en el llenado, o sea necesario una fase anóxica posterior para la eliminación del nitrato residual, hasta los límites exigidos por la legislación vigente.

Ambos procesos pueden ser alternados, según la estrategia del ciclo, tanto en la fase de llenado como en la fase de reacción, pasando por ciclos aerobios para nitrificación (paso de amonio a nitrito y de éste a nitrato) y anóxicas para desnitrificar (paso de nitratos a nitrógeno gas). También es posible, en estos casos, manteniendo bajos niveles de oxígeno, conseguir nitrificaciones-desnitrificaciones simultáneas.

El sistema SBR en la industria agroalimentaria (I)

CONCEPTO.

Tradicionalmente se han venido utilizando como tratamientos de depuración de las aguas residuales de la industria agroalimentaria, los procesos físico-químicos de coagulación-floculación cuando los parámetros de salida exigidos por la legislación no eran elevados y, en su defecto, los tratamientos biológicos en continuo en el caso que los rendimientos fueran mayores. Estos sistemas bien tienen unos costes de explotación elevados, como los físico-químicos, ya unos costes de inversión altos en el caso de los tratamientos biológicos en continuo. Además, debido a la gran biodegradabilidad de los mismos lleva aparejado la aparición de los microorganismos filamentosos, que es el caballo de batalla de estos sistemas al provocar graves problemas operacionales, como es el fenómeno del bulking, que hace flotar el fango en los decantadores secundarios de las depuradoras biológicas.

Vista la importancia de los problemas ocasionados por estos sistemas, bien de una forma u otra, el proceso S.B.R. (Sequencing Batch Reactor) aparece en el mundo de la depuración como la navaja de Ockham en el campo de la metafísica, es decir podando la complejidad de los tratamientos existentes cuya ineficacia está demostrada.

Los sistemas biológicos tipo SBR, simplifican enormemente el proceso de depuración al necesitar de un único tanque para realizar todos los procesos que configuran el tratamiento biológico. Este reactor funcionará como tanque anóxico, aerobio y decantador secundario. Por tanto transformamos del espacio al tiempo, es decir lo que necesitaríamos para depurar biológicamente un vertido como una cuba de aireación y un decantador secundario, en los tratamientos S.B.R. sólo utilizaríamos un reactor donde haríamos pasar el vertido por una fase aerobia y por una fase de decantación, donde se separaría el fango biológico del agua tratada. Como vemos aquí ya obtenemos una simplificación importante en cuanto a volumen utilizado. Pero no es sólo esta la única ventaja de este tipo de reactores. A medida que vayamos avanzando en la descripción del proceso, iremos enumerando las más significativas.

CARACTERÍSTICAS DEL VERTIDO.

Los vertidos de la industria agroalimentaria se caracterizan por su elevada biodegradabilidad como lo demuestra la excelente relación entre DQO y DBO₅, lo que lo hace susceptible de un tratamiento biológico, como podemos comprobar en la siguiente tabla donde están expresados los datos contaminantes de distintos sectores de la industria agroalimentaria.

Carga contaminante en distintos sectores.

Sector	DQO (mg/l)	DBO5 (mg/l)
Matadero de Cerdos	4.000 - 7.000	1.200 - 2.500
Matadero de Pollos	2.500 - 3.500	1.500 - 2.500
Embutidos	2.000 - 4.000	1.200 - 2.500
Industria Vinícola	5.500 - 11.500	5.000 - 7.500
Industria láctea	1.000 - 4.000	500 - 3.000
Conservas vegetales	600 - 4.500	300 - 2.800
Mejillón	4.500	2.100
Atún	8.000	4.700

Es evidente a la vista de estos resultados, que todos estos efluentes son susceptibles de un tratamiento biológico y dentro de los existentes, la mejor opción es el S.B.R.