Descripción general del proceso MBBR

El MBBR (reactor de biopelícula de lecho móvil) es un proceso biológico innovador utilizado en el tratamiento de aguas residuales. En este sistema, unos soportes de plástico de gran superficie circulan libremente por el reactor y los microorganismos crecen en la capa de biopelícula que se forma sobre ellos. Estos microorganismos purifican el agua descomponiendo las sustancias orgánicas, los compuestos nitrogenados y otros contaminantes de las aguas residuales. La tecnología MBBR combina las ventajas de los sistemas clásicos de lodos activados y los sistemas de biopelícula fija (por ejemplo, los filtros percoladores). Se ha popularizado tanto en el tratamiento de aguas residuales industriales como domésticas por sus ventajas de alta eficacia de tratamiento, diseño compacto (menor volumen de tanques) y fácil manejo. A continuación se explican en detalle todas las etapas del proceso de tratamiento MBBR, junto con los parámetros que deben controlarse en cada etapa, su interpretación y el equipo utilizado. Además, también se tratan en detalle las áreas de aplicación de los MBBR, los contaminantes típicos que pueden tratarse, las normas de vertido en Turquía y la UE, los criterios de diseño, los consejos de diseño/operación y los puntos que deben tenerse en cuenta.

Etapas del proceso de tratamiento MBBR y parámetros que deben controlarse

Una planta de tratamiento integrado de aguas residuales MBBR suele constar de pretratamiento, tratamiento primario, tratamiento biológico (reactores MBBR), tratamiento secundario (sedimentación) y, si es necesario, etapas de tratamiento avanzado y desinfección. En cada etapa se miden e interpretan determinados parámetros para garantizar el funcionamiento eficaz del proceso. Además, en cada etapa se utilizan equipos diferentes. A continuación se ofrece información por etapas:

Tratamiento preliminar

El pretratamiento es el primer paso para eliminar los sólidos de gran tamaño de las aguas residuales, como la arena sedimentable y el aceite. Este paso protege los procesos biológicos posteriores de cargas repentinas y daños físicos.

Parámetros a medir

Caudal: El caudal de entrada de aguas residuales debe medirse continuamente. Los caudales elevados pueden provocar riesgo de inundación y sobrecarga de los equipos, por lo que se controlan con un caudalímetro. Los datos de caudal se interpretan para tomar precauciones o determinar el volumen de equilibrado en caso de que se supere la capacidad de diseño.

pH: Se controla el valor del pH de las aguas residuales afluentes. Especialmente en las aguas residuales industriales, un pH excesivamente ácido o básico puede dañar los procesos biológicos. Por lo general, el valor del pH debe mantenerse entre 6 y 9; si está fuera de este rango, se requieren medidas como la neutralización.

La temperatura: Se mide la temperatura de las aguas residuales. Las temperaturas elevadas (por ejemplo, >40 °C) pueden afectar negativamente a los microorganismos, mientras que las temperaturas bajas ralentizan la velocidad de las reacciones bioquímicas. La temperatura medida se interpreta para predecir el rendimiento de los microorganismos que operan en la fase biológica.

Carga de residuos sólidos: Se controla la cantidad de residuos gruesos retenidos en los tamices y la cantidad de arena acumulada en el desarenador (volumen o masa diaria de residuos retirados). Estos parámetros indican la eficacia del pretratamiento. Por ejemplo, si se retiene una gran cantidad de residuos sólidos, se interpreta que la carga contaminante de las aguas residuales es elevada y se organizan planes de eliminación en consecuencia.

Principales equipos utilizados

Tamices: Los tamices gruesos y finos retienen los sólidos de gran tamaño (tela, plástico, botellas de PET, etc.) en las aguas residuales. Generalmente se utilizan tamices de limpieza mecánica. Tras el tamiz grueso, hay un tamiz fino con huecos más estrechos.

Desarenador: Es la unidad que separa las partículas inorgánicas como la arena y la grava de las aguas residuales por decantación. Puede ser de tipo ventilado o no ventilado (flujo horizontal). El material acumulado en el desarenador se limpia periódicamente.

Separador de aceite: Se utiliza para separar por flotación el aceite y la grasa que se encuentran especialmente en las aguas residuales industriales y de cocina. La capa de aceite que sube a la superficie se retira con rascadores.

Tanque de ecualización: Suele haber un tanque de equilibrado después del pretratamiento para reducir las fluctuaciones en el caudal y las concentraciones de contaminación. Este tanque garantiza la homogeneización de las aguas residuales y su entrega a la unidad biológica con un caudal constante por parte de la bomba. Mediante el uso de mezcladores en el tanque de equilibrio, se evita la sedimentación de sólidos y se equilibra la calidad de las aguas residuales a lo largo del tiempo.

Estación de bombeo: Las bombas se utilizan para enviar las aguas residuales del pretratamiento al reactor o reactores biológicos al caudal y presión deseados. Los caudalímetros suelen estar situados en las estaciones de bombeo o a la salida del tanque de equilibrio.

Asentamiento primario

El tratamiento primario es la etapa en la que se eliminan los sólidos en suspensión y algunos contaminantes orgánicos mediante sedimentación por gravedad. En el proceso MBBR, la sedimentación primaria puede utilizarse en función del caudal y de la carga contaminante; su finalidad es reducir la carga que llega al reactor biológico.

Parámetros que deben medirse e interpretación

Entrada/Salida de Sólidos Suspendidos Totales (SST): Se mide la concentración de TSM (mg/L) del agua residual a la entrada y a la salida del tanque de sedimentación primaria. La diferencia entrada-salida indica la cantidad de sólidos en suspensión que retiene el tratamiento primario. Por ejemplo, si la TSM de entrada es de 300 mg/L y la TSM de salida es de 150 mg/L, significa que se está produciendo una eliminación del 50% de los sólidos en suspensión. Una elevada eliminación de TSM significa una menor carga en la siguiente etapa biológica.

Demanda química de oxígeno (DQO) Entrada/Salida: Excepto algunos orgánicos disueltos, parte de los orgánicos en suspensión pueden eliminarse mediante sedimentación primaria. Midiendo los valores de DQO de entrada y de salida, se entiende cuánto reduce la carga orgánica el tratamiento primario. Normalmente, la sedimentación primaria puede eliminar el 20-30% de la DQO y el 25-35% de la DBO. Si la eficacia del tratamiento primario es baja, puede interpretarse que las partículas orgánicas de las aguas residuales son finas o que el tiempo de retención en el tanque es insuficiente.

Volumen y propiedades de los lodos sedimentados: Se controlan el volumen y las propiedades (densidad, contenido de agua) de los lodos acumulados en el fondo del tanque de sedimentación primario. Un aumento del volumen de lodos puede indicar que la carga de entrada es elevada. La edad de los lodos acumulados no es importante en este caso (se trata de lodos primarios brutos), pero la eficiencia del tanque disminuye si se produce una acumulación excesiva. La altura/volumen de los lodos medida a intervalos regulares se utiliza para determinar la frecuencia de bombeo.

Principales equipos utilizados

Depósito de sedimentación primaria: Suele ser una balsa de sedimentación redonda (de alimentación central) o rectangular. Mientras las aguas residuales se mueven lentamente a través de este tanque durante un determinado Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) (normalmente 1-2 horas), los sólidos se depositan en el fondo. En la superficie del tanque hay puentes colectores de movimiento lento; los rascadores empujan los lodos del fondo hacia el centro o hacia un embudo y los envían a la línea de eliminación de lodos. El aceite y la espuma de la superficie son recogidos y eliminados por rascadores superficiales.

Bomba de lodos y fosas de lodos: Los lodos primarios crudos recogidos en el fondo del tanque primario se envían a la unidad de procesamiento de lodos (por ejemplo, el espesador de lodos) mediante una bomba. El control de la bomba se activa cuando se alcanza la acumulación máxima de lodos deseada en el tanque.

Equipo de medición: Los puntos de muestreo para medir los SST suelen estar situados a la salida del tanque. También pueden utilizarse sensores en línea (por ejemplo, sensores de turbidez). Los caudalímetros también pueden situarse a la entrada o salida del tanque.

Tratamiento biológico - Reactores MBBR

Esta etapa es el corazón del proceso MBBR. Gracias a la biopelícula que se desarrolla en el medio portador, en estos reactores se produce la oxidación de la materia orgánica y la eliminación de nutrientes (nitrógeno, fósforo). El tratamiento biológico suele diseñarse como un reactor multietapa: Por ejemplo, MBBR aerobio centrado en la eliminación de carbono (eliminación de DBO/COD) en la primera etapa, MBBR aerobio centrado en la nitrificación en la segunda etapa; o si se desea una eliminación total de nitrógeno, se puede disponer MBBR anóxico + MBBR aerobio de forma secuencial. Cada reactor contiene un determinado porcentaje (% de llenado) de portadores de biopelículas de plástico.

Parámetros que deben medirse e interpretación

Nivel de oxígeno disuelto (OD): En los reactores MBBR aeróbicos, el oxígeno disuelto es un parámetro que se controla continuamente. Típicamente, el oxígeno disuelto se proporciona a un nivel de ~2 mg/L. Un valor de OD inferior a 1 mg/L indica que no hay suficiente oxígeno y que la degradación de la materia orgánica y la nitrificación se ralentizarán. Un valor de OD excesivamente alto (>4 mg/L) indica un derroche de energía. Los operadores ajustan la capacidad del soplador en función del valor recibido de los sensores de OD; de este modo, se consigue tanto un tratamiento eficaz como una optimización energética. La OD es particularmente crítica para la nitrificación (oxidación del amonio a nitrito/nitrato) y no debería caer por debajo de ~1,5-2 mg/L.

pH y alcalinidad: En los reactores biológicos, el pH se mantiene entre 6,5-8,5. Las reacciones bioquímicas (especialmente la nitrificación) consumen alcalinidad y pueden bajar el pH. Las reacciones bioquímicas (especialmente la nitrificación) consumen alcalinidad y pueden bajar el pH. El pH se mide continuamente; si el pH baja a < 6,5, la tasa de nitrificación disminuye significativamente y, si es necesario, se utiliza una dosificación química alcalina (por ejemplo, bicarbonato sódico o cal). Un pH elevado (>9) también puede perjudicar a los microorganismos. La monitorización de la alcalinidad es importante para interpretar la capacidad de nitrificación - por ejemplo, la eliminación de 1 mg de NH4-N por nitrificación consume ~7 mg/L de CaCO₃ alcalino, por lo que se requiere adición externa si la alcalinidad del influente cae por debajo de un cierto valor.

Demanda química de oxígeno (DQO) y demanda bioquímica de oxígeno (DBO5): Los valores de DQO/DBO del agua de entrada y de salida del reactor MBBR se miden a determinados intervalos (muestras compuestas diarias). La diferencia entre la entrada y la salida muestra el rendimiento de eliminación de materia orgánica del tratamiento biológico. Por ejemplo, si la DQO es de 500 mg/L a la entrada del MBBR y de 100 mg/L a la salida, se entiende que se ha conseguido una eliminación del 80%. Si se observa una eliminación inferior a la esperada (los parámetros son altos), puede deberse a una ocupación insuficiente del portador, baja temperatura, entrada tóxica u oxígeno insuficiente; la interpretación se realiza en función de estos resultados.

Nitrógeno amoniacal (NH4-N) y nitrato (NO3-N): Especialmente en los sistemas orientados a la nitrificación/desnitrificación, los compuestos de nitrógeno se controlan regularmente. La concentración de amonio (NH4⁺ ) se mide a la salida del MBBR aerobio; los valores altos de amonio (por encima de lo esperado) indican una nitrificación insuficiente. La interpretación de esto es que, o bien la edad de los lodos (edad de la biopelícula) es insuficiente, el DO insuficiente, o factores como la temperatura/pH pueden ser la causa. El nitrato (NO3-) se mide después de la desnitrificación si hay una etapa de desnitrificación anóxica; un nitrato alto indica una desnitrificación insuficiente. Si hay un reactor anóxico, también se puede medir el Potencial de Oxidación-Reducción (ORP ) - una disminución del ORP a alrededor de ~-100 mV indica que se dan las condiciones anóxicas y que hay un ambiente adecuado para la desnitrificación.

Nitrógeno total (TN) y nitrógeno total Kjeldahl (TKN): Los análisis de nitrógeno total (TKN + NO2+NO3) se realizan periódicamente para controlar la calidad del efluente. El valor de TN sirve para comprobar la conformidad del tratamiento con la legislación medioambiental (especialmente en el ámbito de los límites de vertido del medio receptor). Un valor alto de TN indica una falta de nitrificación o desnitrificación y se revisa el proceso.

Compuestos de fósforo (P): Dado que los sistemas MBBR por sí solos no eliminan mucho fósforo, se controla la medición de ortofosfato de entrada/salida o de fósforo total si se integra la eliminación química de fósforo. Los valores elevados de fósforo indican la necesidad de aumentar la dosificación química o de realizar un tratamiento adicional si es necesario. (Nota: La eliminación biológica de fósforo se limita al MBBR, la precipitación química suele estar integrada).

Observación continua y otros parámetros: También se controla la temperatura en el reactor biológico (puede disminuir en invierno, especialmente en piscinas abiertas). Cuando la temperatura disminuye, se observa e interpreta que las tasas de reacción biológica disminuyen (por ejemplo, la tasa de nitrificación se ralentiza a <15°C). El olor y la observación visual también son importantes: Las observaciones operativas, como el estado de la superficie de los soportes (el color de la biopelícula debe ser marrón/beige; el color negro puede indicar anaerobicización), el estado de la espuma (un exceso de espuma puede indicar una actividad biológica excesiva o la presencia de tensioactivos) también forman parte de la monitorización de parámetros. Si es necesario, pueden realizarse análisis microscópicos para conocer la composición de microorganismos en la biopelícula (puede examinarse especialmente la presencia de bacterias nitrificantes, organismos filamentosos, etc.).

Principales equipos utilizados

Tanque reactor MBBR: Suelen ser tanques rectangulares o cilíndricos de hormigón o acero. Cada reactor está diseñado para retener agua durante el Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) especificado (por ejemplo, ~4-6 horas para la eliminación orgánica, 4-6 horas adicionales para la nitrificación, TRH total). Los soportes de la biopelícula se encuentran en el reactor. Los soportes suelen ser partículas cilíndricas o de forma especial hechas de material similar al polietileno, de ~1-3 cm de diámetro. Dado que la densidad de los medios es cercana a la del agua (~0,95-0,98 g/cm³), permanecen suspendidos en la corriente de agua. La proporción de llenado volumétrico de los soportes en el reactor suele ser del orden del 40-60% (~50% es un valor frecuentemente utilizado en el diseño). Esto significa, por ejemplo, que un reactor de 100 m³ tendrá un volumen de ~50 m³ de soportes. No se recomiendan llenados superiores (por encima del 70%) porque la movilidad de los medios y la transferencia de oxígeno pueden verse restringidas.

Sistema de ventilación: Los tanques MBBR aeróbicos tienen difusores de burbujas finas/gruesas en el fondo y sopladores que presionan aire en su interior. Los difusores realizan dos funciones mediante el suministro continuo de aire al medio: (1) Proporcionar oxígeno (2) Asegurar la distribución homogénea del medio mediante la mezcla. Los difusores se colocan a intervalos iguales en el fondo para que no haya espacios muertos en todo el tanque. La capacidad del soplador puede modularse en función del valor de DO establecido mediante automatización. Los tanques anóxicos no tienen sopladores; en su lugar, se utilizan mezcladores mecánicos para mezclar el agua (para mantener los portadores en suspensión).

Tamices de retención de medios: A la salida de cada tanque del reactor, hay tamices/cribas de acero inoxidable que impiden que las partículas portadoras se escapen mientras el agua es transportada a la siguiente sección. Estas rejillas pueden tener forma de rejillas de alambre en cuña muy próximas entre sí (por ejemplo, de 3-5 mm) o de chapas perforadas y suelen montarse a la salida del reactor en forma de cilindro vertical o de placa plana. Los medios portadores no pueden pasar a través de estas rejillas y permanecen en el reactor, mientras que el agua tratada fluye libremente a través de las rejillas. Las rejillas pueden tener un sistema de retrolavado o de limpieza con cepillos a determinados intervalos para evitar la obstrucción de los medios.

Bomba de recirculación interna: Si el objetivo es la eliminación total de nitrógeno (nitrificación + desnitrificación), se utiliza una bomba de recirculación interna que devuelve el nitrato a la salida del reactor aerobio (nitrificación) al reactor anóxico. Por ejemplo, puede devolverse al reactor anóxico un caudal del 200-400% del efluente del tanque de nitrificación. Esta bomba transporta el agua rica en nitratos a la sección anóxica a través de una tubería, donde las bacterias heterótrofas pueden utilizar la materia orgánica para desnitrificar el nitrato. El rendimiento de este equipo es crítico para la eliminación total de nitrógeno deseada; se controla la relación entre la velocidad de recirculación establecida y la concentración de nitrato a la salida.

Sensores y dispositivos de medición: Los sensores en línea se utilizan ampliamente en los reactores MBBR. Equipos como la sonda de OD, la sonda de pH, el sensor de temperatura, la sonda de ORP (en tanques anóxicos) proporcionan datos continuos. Los datos de estos sensores se transfieren al sistema PLC/SCADA, permitiendo al operador monitorizar en tiempo real. También hay tomas/puertos para tomar muestras cuando sea necesario (como mediciones de DQO, NH4, NO3 para análisis de laboratorio).

Clarificación secundaria - Sedimentación

El agua que sale de los reactores MBBR contiene partículas de biopelícula y restos de sólidos en suspensión que se separan como resultado del tratamiento biológico. La sedimentación secundaria es el proceso de clarificación del agua tratada mediante la separación de estos sólidos del agua. En el sistema MBBR no existe un ciclo intensivo de reciclado de fangos como en el proceso de fangos activos; sin embargo, los microorganismos y la materia fina en suspensión que se han desprendido de la biopelícula deben sedimentarse y eliminarse. Gracias a esta etapa, el agua de salida tiene un TSS bajo que cumplirá las normas de vertido.

Parámetros que deben medirse e interpretación

Sólidos en suspensión (SS) y turbidez: La concentración de SS en el agua de salida del tanque de sedimentación secundario es un indicador crítico de rendimiento. Por lo general, el objetivo es <30 mg/L de SS (para cumplir las normas). Los turbidímetros en línea también pueden proporcionar una monitorización continua. Si los valores de SS a la salida aumentan (por ejemplo, 50+ mg/L), esto indica que la eficacia de la sedimentación ha disminuido. Como interpretación, puede entenderse que la carga en el tanque de sedimentación es elevada, el tiempo de retención hidráulica es insuficiente o existe un posible problema de fuga de lodos. Si es necesario, se interviene reduciendo la carga superficial en el tanque de sedimentación (reduciendo el caudal) o añadiendo productos químicos y mejorando la formación de flóculos.

Sólidos de sedimentación e índice de volumen de lodos (IVS): Para evaluar la calidad de los lodos secundarios, se puede medir en el laboratorio el índice de volumen de l odos (IVL ) en determinados periodos. Esto indica las características de sedimentación de las partículas de biopelícula separadas. El IVS suele ser menor en los sistemas MBBR que en los sistemas de lodos activados porque los flóculos pueden ser más pesados y compactos. Un IVS elevado (por ejemplo, >150 mL/g) indica una decantación deficiente y la turbidez/los lodos residuales pueden permanecer en la superficie del agua.

Acumulación de espuma y sólidos en la superficie: Observe si hay acumulación (capa de lodo flotante) en la superficie de la balsa de sedimentación. Si la hay, suele estar asociada al envejecimiento de los lodos o a la subida de gas de desnitrificación a la superficie. En este caso, los skimmers de superficie deben estar en funcionamiento y el tiempo de retención de lodos debe acortarse si es necesario.

Principales equipos utilizados

Tanque de sedimentación secundario: Generalmente se utilizan tanques de decantación de forma circular y gran diámetro alimentados desde el centro. El efluente MBBR se alimenta al tanque a través de una estructura central de distribución, los sólidos se depositan en el fondo a medida que el agua fluye lentamente hacia arriba y radialmente, y el agua tratada rebosa por los vertederos perimetrales superiores. La superficie del tanque secundario tiene un puente que gira lentamente y palas rascadoras; éstas barren los lodos del fondo hacia el centro y recogen los lodos flotantes en la superficie en una tolva. El lodo que se deposita en el fondo es esencialmente la biomasa residual que se ha desprendido de la biopelícula y se retira del sistema como lodo residual. (Dado que en los MBBR no existe un ciclo de retorno continuo como en los lodos activados, estos lodos suelen desecharse directamente o reciclarse mínimamente).

Separadores de lamelas (opcional): Para ahorrar espacio, en algunos sistemas MBBR se pueden utilizar sedimentadores de lamelas compactos en lugar de la clásica balsa de sedimentación de grandes dimensiones. En estos equipos se aumenta la superficie de sedimentación y se consigue una sedimentación más eficaz en el mismo volumen gracias a las colocaciones inclinadas de placas o tubos. La función es la misma en cuanto al control de parámetros (eliminación de SKM).

DAF (Flotación por aire disuelto) (opcional): Especialmente en aplicaciones industriales, tras el tratamiento biológico, las partículas muy finas y ligeras pueden separarse haciéndolas flotar con burbujas de aire mediante la unidad DAF. La DAF puede utilizarse como alternativa o complemento de la sedimentación secundaria. Incluye un sistema de dosificación de aire comprimido y rascadores como equipamiento. También se realizan mediciones de AKM a la salida de la DAF y normalmente se pueden conseguir sólidos muy bajos (<10 mg/L).

Bomba de lodos: Los lodos acumulados en el fondo del tanque de sedimentación secundaria son retirados periódicamente por una bomba. Esta bomba suele activarse a intervalos de tiempo fijos y envía el exceso de biomasa acumulada a las unidades de procesamiento de lodos. En el sistema MBBR, estos lodos se consideran "lodos residuales de biopelícula". Una bomba de retorno (RAS) no funciona continuamente como en el sistema de lodos activados porque la mayor parte de la biomasa permanece en las superficies portadoras.

Herramientas de medición y control: Puede haber un sensor AKM o un sensor de turbidez (NTU) a la salida del tanque de sedimentación. Además, aquí se mide el caudal del agua de salida y, si es necesario, la velocidad de transmisión al sistema de cloración/UV. Los operadores realizan controles periódicos para supervisar el estado de los lodos en la superficie; en algunos sistemas, la observación a distancia puede realizarse con sistemas de cámaras de superficie.

Tratamiento y desinfección avanzados (tratamiento terciario y desinfección)

El agua obtenida tras el MBBR + sedimentación secundaria suele cumplir las normas reglamentarias para su vertido al medio receptor. Sin embargo, en algunos casos puede ser necesario un tratamiento adicional: Por ejemplo, filtración si se desean sólidos en suspensión muy bajos, tratamiento químico para la eliminación de fósforo, eliminación de patógenos mediante ** desinfección ** o eliminación de contaminantes especiales mediante oxidación avanzada. Esta etapa pule la calidad del efluente y prepara el agua para fines como la reutilización (riego, agua industrial).

Parámetros que deben medirse e interpretación

Turbidez y TUS (postfiltración): Si se utiliza un filtro de arena, de disco, etc., se mide la turbidez (NTU) del agua de salida de la filtración. Normalmente, se busca una turbidez muy baja de ≤5 NTU. Este valor también es crítico para la eficacia de la desinfección (una turbidez baja aumenta el acceso de los rayos UV o del cloro a los microorganismos). Si se observa una turbidez elevada, se interpreta que puede haber una obstrucción en el filtro o un problema en los medios y se ajusta la frecuencia de retrolavado.

Concentración de fósforo (P): Si se ha realizado una eliminación química del fósforo (por ejemplo, se ha añadido un producto químico coagulante cerca de la salida y se ha realizado una precipitación/filtración), se analiza el fósforo total en el agua tratada. Generalmente, el objetivo es 1-2 mg/L por debajo de acuerdo con las normas del medio receptor. La dosificación química (como FeCl₃, Al₂(SO₄)₃) se optimiza en función del valor medido. Si queda mucho fósforo, se concluye que debe aumentarse la dosificación química o que se requiere un tiempo de reacción más largo.

Parámetros microbiológicos: Si se va a aplicar la desinfección, los recuentos de bacterias coliformes, E. coli o coliformes fecales se analizan periódicamente antes y después. Estos parámetros son críticos para el rendimiento de la desinfección, especialmente si el agua tratada se va a reutilizar o verter en el agua de baño. Por ejemplo, si se desea un total de coliformes <1000/100 mL tras la desinfección con cloro, se verifica con mediciones. Si se detectan bacterias por encima de los límites, se interpretan problemas de dosificación inadecuada o de tiempo de contacto.

Cloro residual (si está disponible): Si la desinfección se realiza con cloro, se mide el cloro residual libre en el agua de salida. La dosificación se realiza generalmente para que haya un residual de cloro libre de ≥0,5 mg/L al final del tiempo de contacto en el agua. Si el valor de cloro residual medido es inferior a este valor, se aumenta la dosificación; si es demasiado alto, puede ser necesaria la eliminación del cloro (neutralización con bisulfito sódico) antes del vertido.

Transmitancia UV (si procede): En los sistemas de desinfección UV, se controla la transmitancia UV del agua (% de transmitancia a una longitud de onda de 254 nm). Una UVT alta (>60-70%) es adecuada para la desinfección; si la UVT es baja (agua coloreada o cargada de materia orgánica), la dosificación del dispositivo UV puede no ser suficiente, en cuyo caso se comenta que debería revisarse el pretratamiento/filtración.

Principales equipos utilizados

Unidades de filtración: Los filtros de arena (filtros de arena rápidos por presión o gravedad), los filtros de disco de microfibra o los filtros de cartucho se utilizan para clarificar aún más el agua después del MBBR + sedimentación. Estos equipos disponen de sistemas de retrolavado periódico. Suele haber una bomba de alimentación del filtro antes del filtro e indicadores de presión en la parte delantera (el aumento de la diferencia de presión indica la obstrucción del filtro, el retrolavado automático se activa a partir de una determinada diferencia).

Filtros de carbón activado (opcional): Los filtros de carbón activado granular (CAG) se utilizan en algunos sistemas para eliminar los orgánicos disueltos (color, olor, microcontaminantes). En este caso, se utilizan columnas cilíndricas como equipo y se requiere la renovación periódica del carbón. La absorbancia UV254 o sustancias químicas específicas pueden controlarse como parámetros.

Sistemas de desinfección: Dos equipos de desinfección comunes son el sistema de dosificación de cloro y la unidad de desinfección UV. En el sistema de cloro, se dosifica hipoclorito sódico líquido (NaOCl) o cloro gaseoso en el agua; incluye una bomba dosificadora y un equipo mezclador. En el sistema UV, hay un tanque/canal reactor que contiene lámparas UV; el agua se expone a los rayos UV a medida que fluye. Ambos sistemas sirven para destruir la carga microbiana del efluente. Si se requiere neutralización con cloro, también puede haber un equipo de dosificación de metabisulfito sódico. La unidad UV dispone de sensores de lámpara UV y sistemas de alarma (emitirá una alarma si desciende la dosis de UV).

Oxidación avanzada (opcional): Para contaminantes de muy difícil descomposición (como residuos de medicamentos), se pueden encontrar equipos de oxidación avanzada como ozonización, peróxido de hidrógeno + UV. En estos sistemas se instalan equipos como generador de ozono, tanque de contacto de ozono, bomba dosificadora de peróxido, etc. Son para casos muy especiales y la monitorización de parámetros se realiza con análisis de dosificación de O₃, valor redox o sustancia química objetivo.

Sensores y controles: Hay instrumentación como caudalímetros, sensores de presión, analizadores de cloro, sensores UV alrededor de las unidades de filtración y desinfección. La automatización de las unidades de tratamiento avanzado realiza acciones como iniciar el contralavado y aumentar la dosificación en función de los datos de estos sensores. Por ejemplo, si la calidad del agua cambia en el sistema UV (como el aumento de la turbidez), puede haber una alarma o una modulación de la potencia de la lámpara en función de los datos del sensor.

Tratamiento de lodos

Como en toda planta de tratamiento biológico, los lodos eliminados en las etapas de tratamiento del proceso MBBR deben procesarse y eliminarse adecuadamente. Los residuos de cribado y la arena del pretratamiento se recogen por separado. Los lodos primarios se obtienen del tratamiento primario, y los lodos residuales biológicos se obtienen del tratamiento secundario. Generalmente se someten a etapas de espesamiento, estabilización y deshidratación de lodos.

Parámetros que deben medirse e interpretación

Contenido en sólidos de los lodos (%): El contenido de sólidos se mide en la alimentación y salida del espesador o equipo de deshidratación. Por ejemplo, si el contenido de materia seca de los lodos deshidratados a la salida de la prensa de cinta es del 20%, se trata de un buen rendimiento. Un valor bajo indica que debe revisarse la dosificación de polímero o los ajustes de la prensa.

Volumen de lodos: Se registra el volumen diario de lodos producido. Si se producen muchos más lodos de los esperados, puede considerarse una situación anormal en el carácter de las aguas residuales (aguas residuales muy cargadas) o un uso excesivo de dosis de productos químicos. Un volumen de lodos extremadamente bajo puede indicar que los lodos no se recogen lo suficiente o que hay fugas en el sistema.

Indicadores de estabilización: Si se utiliza un digestor anaeróbico o un reactor aeróbico de digestión de lodos, se controlan parámetros como la temperatura, el pH, la relación ácido volátil/alcalinidad (para anaeróbicos). Éstos indican si el lodo se ha estabilizado. Por ejemplo, la producción de metano se mide en la digestión anaerobia; una producción baja de metano se interpreta como un problema de digestión.

Tasa de descomposición: Se puede calcular el porcentaje de descomposición de la materia orgánica como resultado de la estabilización de los lodos (materia orgánica en los lodos brutos entrantes - lodos estables salientes / entrantes * 100). Esto se utiliza para la supervisión del rendimiento.

Principales equipos utilizados

Espesador: Los espesadores por gravedad o mecánicos se utilizan para reducir el contenido de agua de los lodos. Parte del agua se elimina manteniendo los lodos en el tanque de espesamiento por gravedad; en los sistemas mecánicos (por ejemplo, espesadores de tambor o de cinta), la separación del agua se acelera mediante la dosificación de polímeros.

Reactores de estabilización de lodos: En las instalaciones en las que se produce una gran cantidad de lodos biológicos, se utilizan digestores anaeróbicos (que también producen biogás si están disponibles) o tanques de digestión de lodos aeróbicos para la estabilización de los lodos. Estos reactores contienen equipos como mezcladores y calentadores (mantenidos a ~35°C de temperatura mesofílica para anaerobiosis).

Unidades de deshidratación: En el último paso, los lodos estabilizados (o no, en instalaciones pequeñas directamente) se solidifican con prensas deshidratadoras. Suelen ser equipos del tipo prensa de cinta, centrifugadora de lodos o filtro prensa. Con la adición de productos químicos poliméricos, los flóculos de lodos se agrandan y la mayor parte del agua se separa con compresión mecánica/fuerza centrífuga. La torta resultante se vuelve lo suficientemente sólida (~15-25% de materia seca) para ser enviada a la zona de eliminación mediante camiones de lodos. Estos equipos incluyen subcomponentes como bombas dosificadoras, manómetros y accionamientos de motor.

Equipo de eliminación/evaluación: Los lodos del producto final se llevan a silos o contenedores de almacenamiento de lodos. Existen opciones como el compostaje, el almacenamiento intermedio, la combustión en hornos de cemento o el envío a un vertedero normal como método de eliminación. Estas etapas también pueden estar fuera de los límites de la instalación, pero en el enfoque integrado, todas se diseñan como un conjunto.

Áreas de aplicación e industrias de la tecnología MBBR

Los sistemas MBBR se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde el tratamiento de aguas residuales domésticas hasta diversos tratamientos de aguas residuales industriales. La estructura flexible de esta tecnología permite el tratamiento eficaz de aguas residuales con alta carga orgánica y la mejora de las instalaciones existentes. A continuación se resumen los principales sectores en los que se utilizan los MBBR y las características típicas de las aguas residuales en cada uno de ellos:

Tratamiento de aguas residuales municipales (domésticas): Los MBBR se utilizan en las plantas de tratamiento de aguas residuales de ciudades y pueblos, especialmente en los casos en los que el espacio es limitado o en los que es necesario mejorar la planta de lodos activados existente. Las aguas residuales domésticas suelen tener una carga orgánica moderada (DBO5 ~200-300 mg/L, DQO ~400-600 mg/L, SST ~200-300 mg/L). También contiene nitrógeno (TKN ~20-60 mg/L) y fósforo (~5-15 mg/L). Los MBBR pueden diseñarse para reducir estos valores a los estándares de vertido. Por ejemplo, un sistema MBBR municipal puede alcanzar DBO5 < 20 mg/L, NH4-N < 5-10 mg/L a la salida. La compacidad y facilidad de funcionamiento del MBBR son ventajas importantes en aplicaciones domésticas; es ampliamente preferido en instalaciones municipales pequeñas y medianas.

Industria alimentaria y de bebidas: La industria alimentaria (por ejemplo, lecherías, mataderos y procesado de carne, cervecerías, confiterías/conserveras) produce aguas residuales con un contenido muy elevado de contaminantes orgánicos. Estas aguas residuales suelen tener altas concentraciones de DBO/COD. Por ejemplo, una planta lechera puede tener niveles de DQO de 2.000-5.000 mg/L y niveles de DBO5 de 1.000-3.000 mg/L; las aguas residuales de los mataderos suelen tener niveles de DBO5 de 1.500-4.000 mg/L y también contienen un alto contenido en nitrógeno (el N total puede alcanzar varios cientos de mg/L) procedente de aceites y grasas y proteínas de la sangre. Los MBBR tienen la ventaja de poder soportar cargas elevadas y tolerar cargas orgánicas de choque en tales aguas residuales. En las aguas residuales típicas de la industria alimentaria, el MBBR puede eliminar más del 90% de los orgánicos, al tiempo que reduce el nitrógeno por nitrificación. Además, el MBBR se utiliza junto con la retención previa de aceite en aguas residuales con alto contenido de aceite y grasa para minimizar los problemas de obstrucción y acumulación excesiva de biopelículas. El uso generalizado de MBBR en la industria alimentaria se debe también a su capacidad para tolerar cambios de carga estacionales (por ejemplo, durante los periodos de campaña).

Instalaciones de bebidas y fermentación: (fábricas de cerveza, instalaciones de zumos de frutas, producción de vino, etc.) En este subsector, las aguas residuales suelen contener una elevada DBO fácilmente degradable (por ejemplo, en las fábricas de cerveza, la DBO5 se sitúa en niveles de 1.000-2.000 mg/L, el nitrógeno y el fósforo son relativamente bajos). Los MBBR pueden funcionar con altas cargas volumétricas (alta OLR) en este tipo de aguas residuales y reducir la DBO en poco tiempo. Por ejemplo, se puede conseguir una eliminación del 95% de la DBO en aguas residuales de cervecerías con un MBBR de una sola etapa. Dado que las aguas residuales relacionadas con la fermentación pueden estar a una temperatura cálida (30-35°C), la tolerancia a la temperatura de los MBBR es suficiente para este sector.

Industria textil (aguas residuales que contienen colorantes y productos químicos): Las aguas residuales de los procesos de tintura, acabado y lavado de textiles tienen valores de DQO elevados (500-1500 mg/L o más), pero la relación DBO/DQO es generalmente baja (es decir, la tasa de biodegradabilidad puede rondar el 40-60%). Además, estas aguas residuales contienen colorantes, productos químicos colorantes (colorantes azoicos, colorantes reactivos), productos químicos auxiliares (tensioactivos, sales). El MBBR se utiliza para reducir la DQO biodegradable de las aguas residuales textiles. Una unidad MBBR textil típica elimina entre el 70% y el 80% de la DQO, mientras que puede ser necesario un tratamiento químico adicional para el colorante restante y los materiales refractarios. Aunque el nitrógeno es generalmente bajo en las aguas residuales textiles (puede haber contribución de nitrógeno de los productos químicos de los tintes), el papel principal del MBBR es reducir el color y la materia orgánica. En las plantas textiles, los MBBR suelen integrarse con procesos como el tratamiento químico (coagulación) y/o la ozonización. Su ventaja es que los microorganismos pueden adaptarse fácilmente a cargas de tinte de choque gracias a la estabilidad de la biopelícula, incluso en aguas residuales con un alto potencial de toxicidad.

Industria del papel y la celulosa: Las aguas residuales de las papeleras y plantas de celulosa se caracterizan por un contenido muy alto de DQO (la DQO puede ser de 5.000-10.000+ mg/L debido a los derivados de la lignina, especialmente en la producción de celulosa) y un alto contenido de sólidos en suspensión (partículas de fibra). La relación DBO/DQO en estas aguas residuales es baja (es decir, la fracción difícil de descomponer biológicamente es alta). El MBBR se utiliza generalmente en la industria papelera como pretratamiento (filtro de desbaste) de aguas residuales de gran volumen o para aumentar la capacidad integrado con lodos activados (IFAS). Por ejemplo, en una fábrica de papel, una primera etapa MBBR puede eliminar el 50-70% de la DQO y, a continuación, realizar un tratamiento complementario con un proceso de fangos activados en la siguiente etapa. Parámetros típicos: Dado que el AKM es muy elevado (más de 1.000 mg/L), se realiza un cribado previo/sedimentación; el MBBR es ventajoso en este sentido, ya que es resistente a la obstrucción. Dado que la recuperación de agua también puede ser importante en las fábricas de papel, también se utilizan sistemas híbridos MBBR+MBR (biorreactor de membrana): el MBBR reduce la carga orgánica y la membrana proporciona una filtración completa.

Petroquímica y refinería: En las refinerías de petróleo, las plantas petroquímicas y la industria química, las aguas residuales contienen una amplia gama de contaminantes orgánicos (benceno, fenol, derivados del tolueno, COV) y compuestos aceitosos. La DQO puede ser elevada en estas aguas residuales (1000-3000 mg/L), pero también hay componentes difíciles de biodegradar o que pueden ser tóxicos. Los MBBR favorecen la transformación biológica de sustancias difíciles de descomponer al proporcionar una biomasa equilibrada en estos sectores. Por ejemplo, en las aguas residuales que contienen fenol, las bacterias que degradan el fenol pueden crecer en la biopelícula con una aclimatación lenta. La larga edad de la biopelícula (SRT elevado) que proporcionan los MBBR permite la retención y el funcionamiento de estos microorganismos de crecimiento lento en el sistema. En las aplicaciones petroquímicas, se suelen utilizar secuencias MBBR multietapa o MBBR + fangos activados juntos (como pre-MBBR, luego aireación convencional). Los parámetros típicos de las aguas residuales pueden ser los siguientes Hidrocarburos totales de petróleo (HTP) 50-200 mg/L, DQO 1500 mg/L, fenol 50 mg/L; el MBBR puede conseguir una eliminación de fenol >90% y una reducción significativa de la DQO. La separación previa del aceite es necesaria para el aceite y la grasa, de lo contrario la superficie de los soportes puede cubrirse de aceite y reducir la actividad de la biopelícula. Cuando se proporciona un pretratamiento suficiente, el MBBR da resultados muy satisfactorios en estas aguas residuales complejas.

Industria agrícola y de fertilizantes: Las aguas residuales de instalaciones en las que se producen fertilizantes (fertilizantes nitrogenados, fosforados) o se procesan residuos animales pueden contener niveles muy elevados de nitrógeno amoniacal o nitrógeno orgánico. Por ejemplo, el NH4-N puede estar en niveles de miles de mg/L en las aguas residuales de una fábrica de fertilizantes. Los MBBR son una buena opción para la nitrificación de cargas de amoníaco especialmente elevadas. Gracias a la elevada concentración de bacterias nitrificantes en la biopelícula, el amoníaco puede reducirse a valores límite realizando una nitrificación en múltiples etapas MBBR en aguas residuales con alto contenido en nitrógeno. En este tipo de aplicaciones, parámetros como la temperatura y el pH se controlan con mucho cuidado (para la nitrificación puede ser necesaria la amortiguación del pH, la refrigeración, etc.). En la industria agrícola (por ejemplo, fábricas de piensos, residuos de alimentos agrícolas), el MBBR se utiliza para equilibrar la carga orgánica. Los MBBR también pueden ser preferibles en el tratamiento biológico de residuos líquidos (fugas de fertilizantes) procedentes de granjas de animales a gran escala.

Aplicaciones móviles y a pequeña escala: La estructura modular de los MBBR permite su uso en sistemas portátiles como unidades de tratamiento en paquete. Por ejemplo, las unidades MBBR en contenedor pueden instalarse en lugares temporales como obras, instalaciones militares, barcos o zonas de catástrofes. Estas unidades tienen los parámetros típicos de las aguas residuales domésticas, pero el sistema se compacta en un volumen pequeño. La resistencia de los MBBR a las cargas elevadas y su fácil manejo son idóneos para estos escenarios. De nuevo, los sistemas MBBR en paquete se utilizan ampliamente en asentamientos individuales como hoteles, ciudades de vacaciones y centros comerciales. En estas aplicaciones, las características de las aguas residuales son domésticas y el MBBR se puede llevar a la calidad de riego o reutilización.

Aparte de los sectores enumerados anteriormente, también existen aplicaciones de MBBR en ámbitos como la piscicultura (acuicultura). Los MBBR son muy eficaces para la eliminación del amoníaco (nitrificación) del agua en la acuicultura porque limpian continuamente la acumulación de NH4 en los tanques de peces con biopelícula. Como puede verse, el campo de aplicación de los MBBR es bastante amplio; en el diseño del proceso se tienen en cuenta los parámetros contaminantes típicos de cada sector y cómo los afronta el MBBR. La siguiente tabla resume los valores típicos de los parámetros de las aguas residuales en algunos sectores:

Tabla: Valores aproximados de los parámetros de las aguas residuales que llegan a los MBBR en distintos sectores (pueden variar en función de las diferencias regionales y de proceso).*

Basándose en los valores anteriores, a la hora de diseñar el sistema MBBR se tienen en cuenta las necesidades específicas de cada sector. Por ejemplo, en una planta de fertilizantes con alto contenido en nitrógeno, el reactor MBBR se mantiene grande especialmente para la nitrificación y se escalona si es necesario; en un agua residual textil con alta DQO, se considera un MBBR integrado con tratamiento químico. Dado que el MBBR puede utilizarse como híbrido con otros procesos de tratamiento cuando sea necesario (por ejemplo, lodos activados + MBBR = IFAS o MBBR + membrana = MBBR-MBR), es posible alcanzar los objetivos de calidad de los distintos sectores.

Parámetros y contaminantes típicos que pueden eliminarse con MBBR

El proceso MBBR sirve principalmente para eliminar contaminantes biodegradables. Sin embargo, con un diseño y funcionamiento adecuados, también se pueden reducir indirectamente algunos contaminantes inorgánicos y poco degradables. A continuación se ofrece información sobre los principales parámetros y contaminantes que pueden tratarse con MBBR:

Materia orgánica (DBO₅ y DQO): El objetivo principal de los MBBR es reducir los valores de DBO₅ (Demanda Bioquímica de Oxígeno) y DQO (Demanda Química de Oxígeno ) consumiendo la materia orgánica de las aguas residuales. Las bacterias heterótrofas que viven en la biopelícula utilizan los contaminantes orgánicos de las aguas residuales como nutrientes y los oxidan, convirtiéndolos en CO₂ y agua. De este modo, la carga orgánica se elimina en gran medida en el reactor MBBR. Normalmente, un sistema MBBR bien diseñado puede eliminar el 85-95% de la DBO₅ y el 75-90% de la DQO. Algunos ejemplos de contaminantes orgánicos que pueden tratarse son azúcares, almidón, proteínas, grasas (parte biodegradable), alcoholes, ácidos orgánicos y muchos orgánicos industriales (parte biodegradable de tintes, derivados del fenol -con la adaptación adecuada-). La eliminación de materia orgánica en los MBBR se produce en un entorno más compacto en comparación con los lodos activados, debido a la elevada densidad de microorganismos. Sin embargo, los orgánicos inestables o tóxicos (por ejemplo, algunos compuestos clorados) son difíciles de descomponer incluso en la biopelícula; en este caso, pueden ser necesarias etapas de tratamiento adicionales. En general, puede decirse que los MBBR pueden eliminar todos los contaminantes orgánicos biológicamente oxidables.

Compuestos nitrogenados: El MBBR también es muy eficaz en la eliminación de nitrógeno. El nitrógeno orgánico y el amonio de las aguas residuales se eliminan mediante un proceso de dos etapas: nitrificación y (en su caso) desnitrificación. En el medio MBBR, las bacterias autótrofas que realizan la nitrificación, como Nitrosomonas y Nitrobacter, se asientan en la biopelícula y oxidan el nitrógeno amoniacal primero a nitrito y después a nitrato. De este modo, se elimina la contaminación por amoníaco (NH₃/NH₄⁺). El amonio se puede convertir en >90% sólo con MBBR aerobios; por ejemplo, si hay 50 mg/L de NH4-N en la entrada, se pueden conseguir valores como <5 mg/L en la salida. En el segundo paso, se añade al sistema una etapa MBBR anóxica para eliminar el nitrógeno total. Aquí, las bacterias heterótrofas desnitrificantes reducen el nitrato a nitrógeno molecular (N₂ gas) y el nitrógeno se elimina del agua como gas volátil. La eliminación total de nitrógeno con MBBR puede alcanzar niveles del 70-90% si se diseña bien por etapas. Especialmente en los casos en los que se requieren límites de vertido bajos (por ejemplo, TN < 10 mg/L), estos objetivos pueden alcanzarse con una secuencia MBBR anóxica + aerobia y el ciclo interno necesario. La estructura de biopelícula estable del MBBR es ventajosa, ya que cumple el requisito de alta edad de los fangos de las bacterias nitrificantes - los nitrificantes que se lavan fácilmente en los fangos activados permanecen en el sistema adsorbiéndose en la superficie en el MBBR y trabajan eficazmente. Por lo tanto, el MBBR puede eliminar nitrógeno en forma de amonio (NH₄⁺), nitrito (NO₂-) y nitrato (NO₃-) en condiciones adecuadas. Entre los contaminantes tratables típicos se incluyen: Residuos de producción de fertilizantes nitrogenados, como sulfato amónico (alto NH₄⁺), productos de degradación de proteínas (urea, aminoácidos -primero convertidos en amonio y luego nitrificados-) y aguas industriales nitrificadas (por ejemplo, drenaje de plantas de fertilizantes, aguas de proceso nitrificadas -eliminadas en MBBR anóxicos-). Debe tenerse en cuenta que para una desnitrificación completa la fuente de carbono orgánico debe ser suficiente; para aguas con poco carbono pero mucho nitrato, puede aplicarse al MBBR una dosis adicional de carbono (metanol, etanol, etc.).

Compuestos de fósforo (P): La eliminación biológica del exceso de fósforo no es posible sólo con MBBR, porque requiere el cultivo selectivo de microorganismos especiales fijadores de fósforo (PAOs) en medios secuenciales anaerobios-aerobios (proceso EBPR). Por lo general, el MBBR no se utiliza como proceso biológico de eliminación de fósforo en el sentido clásico. En su lugar, la eliminación de fósforo se consigue junto con la precipitación química. Sin embargo, parte del fósforo queda retenido en la biopelícula por el crecimiento celular: La biomasa bacteriana contiene una media del 2% de fósforo, por lo que la eliminación de P se produce, aunque ligeramente, al eliminar el exceso de biomasa. No obstante, si el fósforo total es importante entre los parámetros objetivo del tratamiento de aguas residuales, la sustancia coagulante (como las sales de Fe³⁺ o Al³⁺) suele dosificarse hacia el final del MBBR y los fosfatos se eliminan por precipitación química. En este caso, el proceso MBBR + tratamiento químico funciona de forma integrada. En resumen, el ortofosfato o el fósforo total no se incluyen entre los parámetros que el MBBR puede tratar directamente ; para ellos debe planificarse un tratamiento químico. Sin embargo, con MBBR, los valores típicos de fósforo en el influente (por ejemplo, 5-10 mg/L de TP) pueden reducirse por debajo de 1-2 mg/L con apoyo químico, que es el nivel que suelen tener las normas turcas y de la UE.

Sólidos en suspensión (SS) y sólidos sedimentables: El reactor MBBR captura la mayor parte de los sólidos en suspensión con el efecto atrapador de la biopelícula o consume biológicamente las partes orgánicas, pero no produce agua completamente clara. La principal eliminación de sólidos en suspensión se produce por sedimentación secundaria o filtración, como se ha mencionado anteriormente. Por lo tanto, en lugar del parámetro directo "eliminación de SS" de MBBR, podemos hablar de estabilización de SSS. Las partículas adheridas a la superficie de la biopelícula son parcialmente descompuestas por las células microbianas allí presentes. Además, la floculación se ve favorecida en el entorno mixto del MBBR: las partes desprendidas de la biopelícula pueden combinarse con otros aditivos de las aguas residuales y formar flóculos más grandes, lo que facilita su retención en la sedimentación final. Por lo tanto, el proceso MBBR desempeña un papel de apoyo en la reducción del total de sólidos en suspensión. En la práctica, una parte significativa de los SSS que llegan tras el tratamiento preliminar se metaboliza en la sedimentación primaria o en los reactores biológicos, y el resto se toma como lodo efluente. En resumen, los contaminantes físicos como la turbidez, los lodos y los sedimentos pueden ser controlados en gran medida por el sistema MBBR, pero su eliminación final depende de la etapa de separación física.

Microorganismos patógenos: Durante el tratamiento biológico, algunos microorganismos patógenos (por ejemplo, las bacterias coliformes) se reducen debido a la competencia natural y a la exposición al medio externo. En general, en las piscinas MBBR no hay exposición a la luz solar ultravioleta (es un sistema cerrado), pero en el ecosistema de la biopelícula pueden encontrarse protozoos y otros organismos depredadores que cazan bacterias patógenas. De este modo, las bacterias indicadoras de las aguas residuales domésticas disminuyen algo tras el tratamiento biológico (por ejemplo, puede observarse una disminución de 1-2 log en los coliformes). Sin embargo, si se considera en términos de normas de vertido, el MBBR no es un proceso de desinfección. En otras palabras, la eliminación de patógenos no se toma como parámetro objetivo, la desinfección se requiere en la sección final. No obstante, se sabe que puede haber fragmentación viral o antagonismos biológicos en la biopelícula y que se proporciona cierta supresión de patógenos. Este efecto es especialmente útil en situaciones como el agua de riego, que no requiere estándares microbianos muy bajos pero sí cierto tratamiento.

Sustancias orgánicas e inorgánicas tóxicas: Los MBBR son más resistentes a los contaminantes potencialmente tóxicos que los sistemas de lodos activados. La razón es que la matriz de la biopelícula proporciona un microambiente de difusión controlada: Incluso si una carga tóxica repentina (por ejemplo, un alto contenido en fenol, cianuro o metales pesados) mata la primera capa celular de la superficie de la biopelícula, llega a las capas inferiores de forma limitada, de modo que no se destruye toda la biomasa. Además, algunos de los orgánicos tóxicos pueden adsorberse en la biopelícula y biodegradarse con el tiempo. Contaminantes como fenoles, formaldehído, cianuro pueden degradarse en sistemas MBBR con una adaptación adecuada (por supuesto hasta valores límite; pueden ser necesarias dosis muy altas de tratamiento químico por separado). Los metales pesados (por ejemplo, Cr, Ni, Zn, Pb) no pueden destruirse biológicamente, pero pueden retenerse parcialmente en la biopelícula y eliminarse del sistema con los lodos. Por ejemplo, en el análisis de los lodos residuales del MBBR, se puede observar que algunos metales se encuentran en concentraciones más elevadas que en la entrada - se trata de un efecto de acumulación más que de un efecto de tratamiento de la biopelícula. Aún así, la concentración de metales en el agua se reducirá en cierta medida (pueden integrarse en la biomasa, especialmente en forma de precipitados de hidróxido). Los metales y los productos químicos tóxicos no son un objetivo entre los parámetros del MBBR, pero cuando se trata agua cargada con estos contaminantes, el sistema se diseña sabiendo que el MBBR tiene durabilidad y cierta retención. En caso necesario, se prevé un tratamiento químico (por ejemplo, oxidación) antes del MBBR o etapas de pulido (carbón activo, intercambio iónico) después del MBBR.

Otros parámetros: El proceso MBBR también contribuye indirectamente a la desodorización del agua; los compuestos olorosos como el sulfuro de hidrógeno se oxidan en un medio aerobio. El parámetro del color disminuye si el colorante es biodegradable (por ejemplo, los pigmentos naturales que dan color a las aguas residuales alimentarias se degradan). Sin embargo, los elementos de color resistentes, como los tintes textiles, no pueden eliminarse completamente con MBBR, sólo algunos de ellos pueden reducirse por adsorción y biodegradación. Los parámetros inorgánicos de salinidad como el cloruro, el sulfato y la conductividad no cambian con MBBR (aunque se añadan productos químicos como nutrientes, puede llegar al agua cierta carga de conductividad). Por lo tanto, el MBBR no elimina el TDS (sal disuelta).

En resumen, el punto fuerte de los MBBR es que proporcionan una alta eficacia en todos los parámetros de contaminación que pueden eliminarse mediante oxidación biológica. La eliminación de materia orgánica y nitrógeno son los más importantes. La eliminación de fósforo se realiza con apoyo químico; para la eliminación de patógenos se requiere una desinfección por separado. En el caso de contaminantes difíciles, el MBBR actúa como "columna vertebral" biológica del proceso y se apoya en métodos convencionales cuando es necesario. De este modo, es posible alcanzar los límites de los parámetros de vertido establecidos en la legislación medioambiental tanto de la UE como de Turquía.

Límites de vertido según la legislación turca y de la UE

En el diseño y la explotación de las plantas de tratamiento de aguas residuales son decisivos los criterios de calidad del medio al que se verterán las aguas depuradas. Las normas de vertido en Türkiye y en la Unión Europea varían en función del entorno o medio receptor que se vaya a verter. En general, se aplican los siguientes supuestos:

Vertido al alcantarillado (Vertido a la instalación de infraestructura de aguas residuales): Es la situación en la que las aguas residuales brutas, que han sido sometidas a un pretratamiento antes de la planta de tratamiento o se vierten directamente en la red de alcantarillado de la ciudad. Por ejemplo, si una fábrica vierte sus aguas residuales a la red de alcantarillado municipal tras un simple pretratamiento dentro de su propio sistema, debe cumplir los criterios de vertido en canal determinados por el municipio. En Turquía, las administraciones de aguas como İSKİ y ASKİ tienen normativas al respecto y, por lo general, definen los límites de los parámetros basándose en el Reglamento de Control de la Contaminación del Agua (SKKY). Límites típicos:

pH: Debe estar entre 6 - 10 (o 6 - 12, puede ser flexible en algunas zonas). El agua extremadamente ácida/básica no debería dañar la red.

Temperatura: Generalmente, se establece un límite de <40-45°C (por ejemplo, İSKİ regulación máx. 50°C). Las altas temperaturas pueden dañar las tuberías y los procesos de tratamiento.

DQO: La DQO de las aguas residuales que se vierten al alcantarillado suele estar limitada entre 500-1000 mg/L. Si en Estambul existe una infraestructura de aguas residuales que será totalmente tratada, se aplica un límite de DQO = 1000 mg/L; si se trata de un sistema con sólo pretratamiento + vertido al mar, se exige un límite inferior (600 mg/L). Estos límites se establecen para que las aguas con cargas orgánicas elevadas, muy alejadas del carácter de las aguas residuales domésticas, no perjudiquen a la red. Después de la instalación MBBR, la DQO no suele superar los 1000 mg/L; por lo tanto, si se trata de una industria que se conectará a una instalación central de tratamiento, puede cumplir este criterio con la salida MBBR.

SST (sólidos en suspensión): Para evitar que un exceso de lodo entre en el sistema de canales, normalmente se requiere un valor de SST de <300-400 mg/L. Por ejemplo, hay un límite de 500 mg/L (para sistemas totalmente tratados) en İSKİ. Con la sedimentación después del MBBR, esto se consigue fácilmente ya que el SST es generalmente <30 mg/L.

Aceites y grasas: El aceite y la grasa en el agua que se va a verter al alcantarillado suele limitarse a <50-150 mg/L (si hay tratamiento completo en İSKİ, hay un límite de 150 mg/L, si no, hay un límite de 50 mg/L). Esto es para evitar la obstrucción de tuberías y problemas en la planta de tratamiento. Este límite se reduce a un nivel que no puede superarse utilizando una trampa de grasa antes del MBBR o descomponiendo biológicamente los aceites en el MBBR.

Sustancias tóxicas: Las normas de vertido al canal para metales pesados (Cr, Cd, Pb, Hg, Cu, Zn, Ni, etc.), cianuro, fenoles, toxinas orgánicas son bastante estrictas - normalmente los límites se fijan en mg/L o inferiores (por ejemplo, cianuro total <1-2 mg/L, Cr total <5 mg/L, Hg <0,2 mg/L según los valores de la Tabla 1 de İSKİ). Estas sustancias están restringidas porque pueden dañar la planta central de tratamiento de aguas residuales o deteriorar la calidad final de los lodos. Aunque el proceso MBBR puede reducir muchos orgánicos tóxicos distintos de los metales pesados (como los fenoles), estos límites suelen requerir un pretratamiento industrial. Por lo tanto, si estos parámetros son elevados a la salida de su MBBR, puede ser necesario un tratamiento adicional.

Caudal y caudalímetro: Además, cada instalación conectada a la red de alcantarillado no debe superar un caudal determinado y debe disponer de un caudalímetro. Aunque no se trata de un "parámetro", es un requisito reglamentario. Si se superan los límites especificados, puede haber sanciones penales.

Comentario: Las normas de vertido al alcantarillado están pensadas para proteger las infraestructuras y las instalaciones centrales más que para proteger al receptor final. Las plantas que utilizan MBBR como pretratamiento y vierten agua al alcantarillado suelen utilizar MBBR para cumplir criterios de materia orgánica y neutralización ácido-base, como reducir la DQO de 2000 mg/L a menos de 500 mg/L o ajustar el pH. Estos límites son similares en los países de la UE, donde cada ciudad establece sus propias normas de conexión al alcantarillado. En la UE, los criterios de vertido a las infraestructuras de aguas residuales suelen estar regulados por la legislación nacional e incluyen conjuntos de parámetros similares.

Vertido al medio receptor (río, lago, mar o suelo): En caso de que las aguas residuales tratadas se viertan a un medio acuático natural (o a un canal que conduzca indirectamente a este medio), se aplican límites de vertido medioambiental. En Turquía, el Reglamento de Control de la Contaminación del Agua (WPL) y el Reglamento de Tratamiento de Aguas Residuales Urbanas establecen un marco sobre esta cuestión. En la UE, se toma como base la Directiva 91/271/CE sobre aguas residuales urbanas y la legislación nacional de los países miembros. Los principales parámetros límite son los siguientes

DBO₅ (20°C): En general, se aplica un límite de 25-30 mg/L para la DBO₅ vertida al medio receptor. La Directiva de la UE prevé 25 mg/L (y una eficacia de tratamiento del 70-90%) para las aguas residuales municipales de 10.000 personas o más. En Turquía se suele utilizar un valor límite de 25 o 30 mg/L (especialmente 25 mg/L para grandes instalaciones). Puede haber flexibilidad en instalaciones con caudales pequeños, pero el objetivo en el diseño debe ser siempre ≤25 mg/L. Con MBBR, la DBO₅= <20 mg/L puede alcanzarse fácilmente, por lo que este criterio no supone un problema.

DQO: La norma de la UE es de 125 mg/L (y una reducción del 75%). En Turquía, se ha adoptado el límite de 125 mg/L para los vertidos municipales en el SKKY. En algunos países, puede variar entre 120-150 mg/L. También puede haber límites inferiores específicos por sector para los grandes vertidos industriales (por ejemplo, DQO 250 mg/L para algunos sectores en el SKKY). No obstante, el objetivo para un diseño seguro es una DQO < 100 mg/L. Con MBBR, se puede conseguir fácilmente una DQO <80-100 mg/L en buenas condiciones de funcionamiento.

SST (sólidos en suspensión totales): El límite típico de SST en los vertidos al medio receptor es de 35 mg/L (norma de la UE), en Turquía se establece en 30 mg/L en algunas normativas. En otras palabras, no se desea más de 30 mg/L de sólidos en suspensión en el agua depurada. Con una buena segunda sedimentación/filtración, los SST pueden mantenerse en el rango de ~5-20 mg/L a la salida del MBBR. Por lo tanto, éste es también un criterio alcanzable.

Nitrógeno total (TN) y amonio: Estos parámetros entran en juego en función de la sensibilidad del receptor y del tamaño de la instalación. Según el reglamento de la UE, en las grandes instalaciones municipales que vierten a zonas sensibles (por ejemplo, lago, presa de agua potable, bahía cerrada), se exige una media anual de nitrógeno total de 10 mg/L (o al menos una eliminación del 70-80%) (flexibilidades como 10 mg/L para más de 100.000 habitantes y 15 mg/L para entre 10.000-100.000 habitantes). En Turquía se aplican límites similares si el entorno receptor es "sensible en términos de nitratos"; en algunos casos, también pueden especificarse límites individuales para NH4-N y NO3-N en el SKKY. Por ejemplo, generalmente se espera que el NH4-N se reduzca al nivel de 2-5 mg/L (especialmente si se vierte en un arroyo con vida piscícola). NH4-N < 5 mg/L se puede capturar fácilmente añadiendo una etapa de nitrificación al diseño del MBBR ; Para el nitrógeno total, TN < 10-15 mg/L es el objetivo con la fase anóxica. En los vertidos industriales, el límite de TN se solicita en función de la tendencia a la eutrofización del agua receptora.

Fósforo total (TP): De nuevo, en medios receptores sensibles (especialmente lagos, aguas estancadas), el límite de fósforo total se exige entre 1-2 mg/L en la UE (1 mg/L para más de 100k habitantes, 2 mg/L para los más pequeños). Del mismo modo, en la legislación turca, si el medio receptor es sensible a la eutrofización, se establece un límite de <2 mg/L; si es muy sensible, 1 mg/L o incluso 0,5 mg/L (Casos especiales: por ejemplo, zonas protegidas). Esto se puede conseguir con apoyo químico en la instalación MBBR. Con una dosificación química suficiente y preferiblemente filtración, se puede capturar incluso por debajo de 1 mg/L. En entornos receptores estándar (con caudal, como ríos y mares), el TP suele mantenerse flexible entre 3 y 5 mg/L, pero la normativa especifica la decisión final en los permisos de vertido. Este parámetro no lo controla el MBBR en sí, sino el proceso químico integrado.

Otros parámetros: Es obligatorio mantener el pH entre 6-9 (tanto EU como TR) al verter al medio receptor. La temperatura debe ser generalmente <30-35°C para no calentar la temperatura del agua receptora. El aceite y la grasa deben ser <10-20 mg/L en el medio receptor (para no formar una película en la superficie del agua). El vertido de MBBR suele ser <10 mg/L. Pueden darse límites específicos para el nitrógeno total Kjeldahl (TKN) y el NH4-N: por ejemplo, en un vertido de aguas residuales domésticas a un lugar sin alcantarillado en SKKY, NH4-N < 10 mg/L, TKN < 15 mg/L. Si hay nitrificación con MBBR, esto está garantizado ya que la mayor parte del TKN~NH4 ya se habrá convertido en nitrato. Puede haber restricciones como <0,5 mg/L de cloro libre en el vertido de cloro y subproductos desinfectantes (porque el cloro es tóxico para los peces). Por lo tanto, se realiza una neutralización del cloro cuando se vierte agua desinfectada con cloro a la naturaleza.

Metales pesados y sustancias tóxicas: Existen tablas sectoriales en SKKY para las instalaciones industriales que vierten directamente al medio receptor. Por ejemplo, si una instalación de teñido textil va a verter aguas tratadas a un arroyo, debe cumplir límites especiales como DQO < 200 mg/L, Cloro activo < 0,2 mg/L, AOX < 1 mg/L, etc. según la tabla 8.11 de SKKY. En general, existen límites especiales para cada sector (para cada contaminante) en los vertidos no domésticos. El proceso MBBR desempeña un papel importante para alcanzar estos límites; si es necesario, los valores se mantienen apoyando con tratamientos químicos. Por ejemplo, hay un límite de Cr+6 < 0,1 mg/L en el agua tratada para el sector del cromado, esto se consigue mediante reducción química más que biológica, el MBBR se encarga aquí de la parte orgánica.

Observaciones : Los límites de vertido al medio receptor son bastante estrictos, ya que su objetivo es proteger el medio ambiente. En la UE, la mayoría de las depuradoras municipales alcanzan valores como DBO₅ ~5-15 mg/L, DQO ~30-60 mg/L, SST <20 mg/L, TN ~5-10 mg/L, TP ~1 mg/L en sus vertidos, que están incluso por debajo de los límites reglamentarios. Las instalaciones de nueva creación en Turquía están diseñadas con objetivos similares. El MBBR es un proceso adecuado para alcanzar estos objetivos. Especialmente en el ámbito de la normativa de tratamiento de aguas residuales urbanas, las instalaciones que utilizan MBBR obtienen permisos de vertido integrando la nitrificación/desnitrificación y, si es necesario, la eliminación de fósforo. La situación es similar en las instalaciones industriales que vierten al medio receptor; si hay un parámetro para el que el MBBR no es adecuado (por ejemplo, metales pesados), se añade una unidad especial para ese parámetro, y el resto de parámetros como DBO-COD-nitrógeno se gestionan con MBBR.

Vertido a aguas subterráneas/filtración y reutilización: En algunos casos especiales, las aguas tratadas pueden ser objeto de vertido indirecto mediante infiltración o reutilización en el suelo en lugar de verterse directamente a un medio acuático superficial. Por ejemplo, una instalación puede querer inyectar agua tratada en el suelo a través de pozos profundos o puede querer verterla en la tierra para el riego. En estos casos, se requiere una calidad más estricta:

Infiltración/vertido de aguas subterráneas: Para proteger los recursos de aguas subterráneas, se desea una calidad del agua casi potable. Normalmente, se establecen criterios como DBO₅ < 10 mg/L, AKM < 5 mg/L, amonio < 1-2 mg/L, nitrato < 50 mg/L (límite de agua potable), coliformes totales 0/100 mL (es decir, la desinfección debe ser completa). En Turquía, estos vertidos subterráneos directos suelen estar prohibidos o sujetos a permisos muy estrictos porque el riesgo de contaminación es grande. Aunque el MBBR proporciona este nivel de depuración (nivel del 99%), en este escenario suele ser necesaria una depuración avanzada, como la ósmosis inversa, por motivos de seguridad.

Norma de riego/reutilización: Si el agua tratada se va a utilizar como agua de riego en la agricultura o como agua de proceso en la industria, debe cumplir las normas de uso pertinentes. Por ejemplo, puede haber límites como DBO₅ < 20 mg/L, AKM < 30 mg/L, E. coli < 1000 UFC/100 mL con desinfección en la calidad del agua de riego. En la UE se están desarrollando normativas independientes relativas a la reutilización del agua (como el Reglamento UE 2020/741). En general, estas normas pueden alcanzarse añadiendo filtración y desinfección a la salida del MBBR.

Vertido en el mar (aguas profundas): Si las aguas residuales se van a verter directamente mediante un vertido en aguas profundas (especialmente en puntos profundos alejados de la costa), se puede conceder flexibilidad en algunos parámetros (ya que hay una dilución rápida en el mar). Sin embargo, los vertidos cerca de la costa también son estrictos como las aguas superficiales. En Turquía, las instalaciones que vierten en aguas profundas están sujetas a condiciones especiales en el SKKY en función del valor de la relación de dilución inicial (S1). Por ejemplo, si S1 > 40, pueden permitirse valores de salida más altos para DBO y SST (como DBO 40 mg/L). Sin embargo, en la práctica, incluso las instalaciones municipales con grandes vertidos al mar tienen como objetivo la norma DBO 25 mg/L.

Observación: Los escenarios de aguas subterráneas y vertidos al suelo son situaciones más precavidas. El MBBR por sí solo no es suficiente para llevar el agua a la calidad de agua potable, pero en tales proyectos el MBBR se utiliza como pretratamiento, después se consigue la calidad deseada con técnicas avanzadas como la filtración por membrana y la desinfección. El propósito del MBBR es minimizar la carga orgánica y de nutrientes antes de estas técnicas avanzadas y facilitar su trabajo.

Comparación entre Turquía y la UE: En general, la legislación medioambiental de Turquía incluye valores próximos a las normas de la UE. La normativa sobre tratamiento de aguas residuales urbanas es paralela a la Directiva 91/271 de la UE. Los puntos en los que puede haber diferencias son algunos parámetros específicos de la industria o las tolerancias concedidas a las instalaciones de pequeña escala. Por ejemplo, mientras que en Turquía se puede fijar un límite de DBO de 30 mg/L para instalaciones municipales con una población equivalente de 2000-10000 habitantes, en la UE se suele exigir 25 mg/L para las de más de 2000 habitantes. Del mismo modo, se han dado casos en los que se han tomado 35 mg/L en lugar de 30 mg/L para AKM en TR. Sin embargo, en términos de diseño seguro, fijar como objetivo valores de DBO₅=25, DQO=125, AKM=30, TN=10, TP=1 mg/L en un proyecto de tratamiento MBBR garantizará la armonización legal tanto en Turquía como en la UE. Las instalaciones industriales deben comprobar sus propios límites sectoriales a partir del SKKY; en los países de la UE, la Directiva de Emisiones Industriales y los BREF sectoriales proporcionan orientación - generalmente se requiere un tratamiento adicional.

La siguiente tabla resume las normas de vertido típicas de la UE y TR para el tratamiento de aguas residuales urbanas:

Tabla: Normas de salida típicas para el vertido de aguas residuales municipales en la UE y Turquía. Se indican los valores para las zonas sensibles. Las directivas de la UE también establecen condiciones de % de eliminación, y la legislación turca es paralela.

** Nota: La norma sobre coliformes varía según la clase del medio receptor; no es un parámetro obligatorio en la salida del tratamiento de aguas residuales, sino un criterio de calidad para el agua receptora*.

Además de los valores anteriores, en el cuadro 5-20 del anexo 1 de SKKY se indican otros límites de parámetros (metales, sustancias tóxicas) por sectores. Por ejemplo, AOX (halógenos orgánicos absorbibles) <1 mg/L para textiles, azufre <1 mg/L para cuero, aceite total <5 mg/L para refinerías de petróleo. Aunque no es posible enumerar aquí uno por uno estos casos especiales, debe tenerse en cuenta que estos parámetros también deben tenerse en cuenta en un diseño de tratamiento industrial que incluya el proceso MBBR y que, si es necesario, unidades como el tratamiento químico y la filtración deben colocarse junto al MBBR.

En consecuencia, la legislación vigente tanto en Turquía como en la UE estipula valores de vertido que pueden alcanzarse con la tecnología MBBR actual. Lo importante es determinar qué escenario de vertido es válido durante la fase de diseño y planificar el sistema MBBR y las unidades auxiliares para cumplir esos objetivos.

Parámetros básicos utilizados en el diseño del sistema MBBR

El diseño de un sistema de tratamiento MBBR se basa en algunos parámetros clave, tanto en términos de dimensionamiento del reactor como de rendimiento operativo. Estos parámetros definen las velocidades de reacción bioquímica, la cantidad de portadores necesarios y el comportamiento global del sistema. La siguiente tabla resume los parámetros clave y sus valores típicos que son importantes en el diseño de MBBR:

Tabla: Algunos parámetros importantes y rangos de valores típicos en el diseño de MBBR. Estos parámetros se optimizan en función de las características de cada planta. Por ejemplo, una planta en un clima muy frío puede tomar la temperatura de diseño como 10°C y ampliar el TRH; mientras que otra planta puede mantener la carga superficial baja y añadir más portadores de acuerdo con las aguas residuales industriales de alta concentración. En el proceso de diseño, normalmente se calcula la superficie total de portador necesaria utilizando datos cinéticos de la bibliografía (como la carga de DBO o NH₄ que se puede eliminar por unidad de superficie a una temperatura determinada), y después se determinan en consecuencia el volumen de portador que proporcionará esta superficie y el volumen del reactor. A continuación, se comprueban la demanda de oxígeno y el equilibrio de nutrientes (por ejemplo, ¿hay suficiente fuente de carbono para la desnitrificación?). Los parámetros anteriores están interrelacionados; por ejemplo, si se da una carga orgánica alta, debe proporcionarse en consecuencia una superficie alta (más medios y/o un TRH más largo). Gracias a la flexibilidad de los MBBR, los diseñadores pueden revisar los parámetros según sea necesario y conseguir la calidad de efluente deseada. Por ejemplo, si una instalación existente resulta insuficiente, se puede conseguir una capacidad de tratamiento adicional aumentando la tasa de ocupación del soporte del 50% al 60% (es decir, añadiendo parte de los medios).

Puntos a tener en cuenta en el diseño

Durante la fase de diseño del proceso MBBR, debe prestarse atención tanto a las cuestiones prácticas de ingeniería como a los parámetros teóricos. He aquí los puntos críticos a tener en cuenta en el diseño:

Diseño hidráulico y mezcla: Es muy importante que no haya zonas muertas en los reactores MBBR. Para que los portadores circulen por todo el volumen, la disposición de la ventilación y/o del mezclador debe ser homogénea. La geometría del tanque se selecciona en consecuencia en el diseño (esquinas redondeadas para evitar la acumulación de medios en las esquinas, placas de flujo guía, etc.). Además, los distribuidores de entrada y salida deben proporcionar una distribución uniforme del flujo; no deben provocar una corriente de cortocircuito repentina que haga que los medios abandonen una región. Si se diseña un reactor de flujo horizontal, se pueden colocar deflectores para que el agua de entrada no empuje el medio en el primer compartimento y se acumule en la rejilla de salida. La potencia del equipo de mezcla (difusor, mezclador) debe calcularse para suspender los medios (por ejemplo, el mezclador del tanque anóxico debe ser de un tipo en el que los medios queden suspendidos). Dado que una mezcla excesiva provocará erosión en el medio, la carga de potencia óptima (W/m³) se selecciona de acuerdo con los valores de la bibliografía.

Medios portadores y diseño de la pantalla: Al seleccionar un soporte, no sólo hay que tener en cuenta la superficie, sino también la resistencia del material, la tendencia a la obstrucción y las referencias del fabricante. Los soportes pueden desgastarse con el tiempo por el roce o los golpes; los productos de calidad tienen una larga vida útil (pueden utilizarse durante más de 20 años). El diseño del tamiz (pantalla de retención) debe tener una abertura adecuada al tamaño del medio; no debe dejar escapar el medio ni provocar obstrucciones. Las cribas de alambre en cuña son ideales para esta tarea; la abertura puede seleccionarse como el 80% del diámetro más pequeño del medio (por ejemplo, 8 mm de abertura si el diámetro del medio es de 10 mm). Deben diseñarse mecanismos de acceso y lavado para limpiar las rejillas. De lo contrario, con el tiempo pueden obstruirse con biopelícula y suciedad e impedir el paso del flujo. Además, el tamiz debe ser mecánicamente robusto frente a la presión creada por los medios (a medida que se acumula el soporte, se crea una carga en el tamiz, esto debe tenerse en cuenta).

Capacidad de transferencia de oxígeno: Al dimensionar el sistema de aireación, el diseñador debe calcular la demanda de oxígeno en las aguas residuales con correcciones para el entorno real, como el factor α. En los reactores de biopelícula, la eficacia de transferencia de oxígeno de los difusores puede ser ligeramente inferior a la del agua limpia (hidrodinámica diferente debido a la biopelícula). Por lo tanto, la capacidad de los soplantes de aireación debe seleccionarse teniendo en cuenta la carga máxima, la baja temperatura y los posibles factores de envejecimiento. La distribución redundante de soplantes y difusores también es fundamental: aunque falle un soplante, debe suministrarse suficiente oxígeno. Además, en la aireación deben tenerse en cuenta medidas contra el ruido y las vibraciones (aislamiento acústico, conexiones flexibles), ya que los caudales de aire elevados pueden generar ruido.

Alcalinidad y equilibrio de nutrientes: En los diseños que proporcionarán una elevada eliminación de nitrógeno, debe examinarse el estado de alcalinidad del agua residual afluente. Debido a que la nitrificación consume mucha alcalinidad; si no hay suficiente alcalinidad, el pH en el reactor puede bajar y el proceso puede interrumpirse. Por lo tanto, en la fase de diseño, se calcula que se necesitan ~7 mg de CaCO₃ por 1 mg de NH₄ y, si es necesario, se añaden al sistema equipos de dosificación de productos químicos alcalinos (cal, sosa). Del mismo modo, el equilibrio de la fuente de carbono es importante en los sistemas con una etapa de desnitrificación: si no hay suficiente carbono orgánico fácilmente degradable en las aguas residuales (por ejemplo, un agua residual con una baja relación C/N), se debe considerar en el diseño la dosificación externa de la fuente de carbono (sistema de adición de metanol, etanol, etc.). La ubicación de estos equipos y los escenarios de control de la dosificación deben aclararse durante la fase de proyecto.

Diseño multietapa: El rendimiento del sistema MBBR puede incrementarse utilizando tanques por etapas en lugar de un único tanque. Si es necesario, el diseñador puede dividir el proceso en 2 o 3 reactores MBBR consecutivos (por ejemplo, el primer reactor es de alta carga de eliminación de materia orgánica, el segundo reactor es de baja carga de nitrificación). Esto proporciona un funcionamiento más estable al dividir la superficie total. Al considerar el escalonamiento, deben colocarse estructuras adecuadas de equilibrio y distribución del flujo entre cada etapa (por ejemplo, una rejilla intermedia para retener los sólidos biológicos en suspensión a la salida del primer reactor o una simple estructura de separación por gravedad). Además, las proporciones de llenado de las etapas pueden seleccionarse de forma diferente; en el diseño pueden seguirse estrategias como dar un llenado ligeramente inferior (40%) a la primera etapa y un llenado superior (60%) a la segunda. Estas decisiones se toman en función de las eficiencias obtenidas en aplicaciones similares en la bibliografía.

Flexibilidad y modularidad: Debe dejarse flexibilidad en el diseño teniendo en cuenta los posibles aumentos de carga o normas que puedan cambiar en el futuro. Dado que los sistemas MBBR son modulares, debe considerarse la posibilidad de añadir volumen de reactor o portadores. Por ejemplo, si el caudal aumenta un 20% al cabo de 10 años, se puede hacer el plano del terreno para acomodar un reactor MBBR adicional. O si la norma de salida se hace más estricta para el TN en el futuro, se puede dejar la infraestructura (tuberías de retorno, espacios vacíos) adecuada para añadir una sección anóxica. Las líneas de derivación no deben olvidarse en el diseño: Deben planificarse válvulas y líneas que puedan desactivar un reactor determinado y dirigir el flujo a otro en caso de mantenimiento o avería.

Selección de materiales y corrosión: Los reactores de biopelícula suelen ser entornos con alto contenido de oxígeno y, en algunas zonas, humedad elevada. Por lo tanto, debe considerarse la protección de los tanques de hormigón con revestimientos adecuados (especialmente en las secciones sobre el agua); para los equipos metálicos deben preferirse materiales como el acero inoxidable y el FRP. La selección de materiales resistentes a la corrosión (acero inoxidable 316 o 304, plástico) para piezas como rejillas y pernos prolongará la vida útil. Dado que la humedad del aire en las salas de soplado puede ser elevada, debe diseñarse ventilación y refrigeración para el equipo. Además, si hay dosificación de productos químicos (por ejemplo, ácido/álcali para el control del pH, FeCl₃ para la eliminación de fósforo), los materiales de las zonas donde entrarán en contacto deberán ser resistentes a los efectos químicos (tuberías de PVC/HDPE, juntas de goma, etc.).

Facilidad de manejo y control: La operabilidad del sistema también debe tenerse en cuenta durante la fase de diseño. Por ejemplo, deben preverse bocas de inspección y aberturas de acceso para la colocación de los medios portadores en el reactor y su retirada cuando sea necesario (red de recogida de medios o válvula de descarga si es necesario). Las ubicaciones de los sensores deben estar en lugares donde se pueda realizar el mantenimiento (por ejemplo, limpieza fácil de la sonda de OD). Los límites de alarma y la necesidad de mediciones redundantes se tienen en cuenta al diseñar el sistema de automatización (se prevén varios sensores o verificaciones de laboratorio para un parámetro crítico). Todos estos detalles, aunque puedan parecer menores sobre el papel, proporcionan una gran comodidad en el funcionamiento real y deben ser incluidos en el proyecto por el diseñador.

Problemas que pueden surgir durante el funcionamiento (resolución de problemas)

Los sistemas MBBR suelen ser estables con un diseño y un funcionamiento adecuados. Sin embargo, algunos problemas típicos de funcionamiento que se pueden encontrar en el campo incluyen:

Escape o daño de los soportes: Uno de los problemas más comunes es el escape de los soportes de biopelícula fuera del reactor por diversas razones. Como resultado de un fallo, rotura o instalación incorrecta de las rejillas, los medios pueden ser arrastrados a la sedimentación secundaria o incluso ir a la descarga. Esto reduce la capacidad de tratamiento (pérdida de superficie) y puede dañar el equipo mecánico (bomba, válvula). Si se observa un arrastre en la superficie de sedimentación secundaria o en la estación de bombeo durante el funcionamiento, el sistema debe detenerse inmediatamente, el medio que falta debe volver a introducirse en el reactor y la rejilla debe repararse. Además, la flotabilidad de los medios puede disminuir con el tiempo (pueden volverse pesados y llenarse de lodo), en cuyo caso algunos medios se hundirán hasta el fondo y dejarán de circular. Esto provoca una pérdida de superficie efectiva. Como solución, se suministra aire periódicamente para garantizar que los medios se limpian solos o se detiene el sistema y se sacan y lavan los medios.

Crecimiento excesivo de biopelícula y obstrucción: Si la carga es inferior a la esperada o el relleno del soporte es demasiado alto, la capa de biopelícula puede volverse excesivamente gruesa en el soporte. El biofilm grueso puede crear una restricción de difusión y las partes internas pueden volverse anaeróbicas. En este caso, los medios pueden fusionarse y aglomerarse (la biomasa pegajosa puede apelmazar los medios) y se dificulta la libre circulación en el reactor. Además, las rejillas y los difusores pueden empezar a obstruirse con biomasa. En tal caso, el operador debe aumentar temporalmente la aireación o aumentar la mezcla mecánica para romper parte de la biopelícula (el exceso de biopelícula se desprende con una gran fuerza de cizallamiento). Algunas empresas realizan un desprendimiento controlado denominado "desprendimiento de biopelícula" a determinados intervalos de forma planificada (por ejemplo, una vez al mes, aumentar el suministro de aire al 150% durante un breve periodo de tiempo y realizar un choque). Otro indicador del crecimiento excesivo de biopelícula es el aumento del valor AKM de salida (significa que se está desprendiendo demasiada biomasa y creando una carga en la sedimentación). En este caso, el biofilm se adelgaza utilizando el mismo método o, si es necesario, se retira parte del medio portador del reactor (si la carga ha bajado demasiado).

Adhesión insuficiente de la biopelícula (pérdida de película): En algunos casos, ocurre lo contrario, la biopelícula no puede desarrollarse suficientemente en el reactor. Especialmente durante el periodo inicial de puesta en marcha, puede darse el problema de que los "soportes permanezcan blancos", es decir, que no se forme una película visible sobre ellos. Esto se debe a la falta de nutrientes (baja carga) o a un cizallamiento excesivo (los microorganismos se desprenden antes de poder adherirse). Como solución, se puede inocular el sistema ("sembrar" biológicamente el medio añadiendo algunos lodos de otra instalación), aumentar gradualmente la carga y, si la aireación es demasiado alta, reducirla ligeramente. La adhesión del biofilm se producirá con el tiempo cuando se den las condiciones adecuadas. Además, si se produce un choque tóxico (muerte de la biopelícula debido a la entrada repentina de residuos tóxicos), se requiere inoculación y paciencia para que vuelva a formarse la biopelícula.

Efecto de las cargas variables: Aunque los MBBR son más resistentes a las cargas de choque que los fangos activados, los cambios de carga muy bruscos y grandes (por ejemplo, aguas residuales muy concentradas acumuladas en la fábrica después de las vacaciones que entran repentinamente en la instalación) pueden causar problemas temporales. Efectos típicos: DQO/DBO de salida temporalmente elevada, disminución del pH (aumenta la acidez), disminución de la DO (la demanda biológica de oxígeno aumenta repentinamente), etc. Cuando se produce esta situación en la planta, si es posible, se realiza una alimentación controlada por caudal o carga (alimentación lenta desde el tanque de equilibrado). Si es momentánea, el operador aumenta la aireación al máximo; si es necesario, se aplica una dosificación química (por ejemplo, tampón de pH). Por lo general, la biopelícula se adapta y establece el equilibrio en poco tiempo, pero la calidad de la producción puede disminuir durante este proceso. Por lo tanto, el volumen de equilibrado era muy importante en el diseño, y la planta debe utilizarlo eficazmente. Si las fluctuaciones de carga se hacen permanentes (más producción de la esperada, etc.), entonces se plantean soluciones a largo plazo como la adición de portadores adicionales o la puesta en marcha de reactores adicionales.

Problemas de nitrificación: Dado que la nitrificación es sensible a factores como la temperatura, el pH y la toxicidad, uno de los problemas más comunes es la "disminución repentina de la eliminación de amoníaco". El motivo suele ser una disminución de la temperatura (en los meses de invierno), una alcalinidad insuficiente (el pH ha disminuido) o la entrada de una sustancia inhibidora (por ejemplo, cloro, disolvente, etc.). En tal caso, el operador observa primero la tendencia del amoníaco de salida, si hay un aumento, mide inmediatamente el pH y la alcalinidad - si es baja, dosis de productos químicos alcalinos. Si la temperatura es baja, el margen de actuación es limitado; tal vez puedan reducir ligeramente la ventilación e intentar aumentar realmente el SRT (evitando que la biopelícula se desprenda demasiado). Si hay sospechas de entrada de sustancias tóxicas (por ejemplo, se puede entender por el olor o el color del agua), se investiga la fuente y se intenta cortarla. Si las bacterias de nitrificación se ven afectadas, pueden tardar unos días en recuperarse; durante este periodo, se reduce la carga de nutrientes (si es necesario, se puede hacer circular dentro del sistema con un ciclo de retorno y reducir la nueva entrada de carga). En casos avanzados, se puede traer de otra instalación un portador de biopelícula nitrificada, añadirlo al sistema e inocularlo.

Problemas de desnitrificación: Un problema común en la fase de desnitrificación es que el reactor anóxico no reduce suficientemente el nitrato, es decir, el nitrato de salida sigue siendo alto. Esto puede indicar una falta de fuente de carbono. Cuando se observa en funcionamiento, el operador comprueba la relación C/N (por ejemplo, datos de DQO y TKN de entrada). Si es necesario, aumente la dosificación de carbono externo (por ejemplo, metanol). Otro problema puede ser un aumento del OD en el tanque anóxico (la desnitrificación se detiene si el agua de circulación interna del tanque aeróbico lleva demasiado O₂). En este caso, se reduce la velocidad de circulación interna o se aumenta el volumen anóxico. Si la desnitrificación está presente pero es ineficiente, quizás el mezclador es insuficiente (el movimiento del medio es débil) - se controlan las velocidades del mezclador. Además, la baja temperatura ralentiza la desnitrificación, en cuyo caso se puede continuar el proceso con paciencia y quizás con una dosificación de carbono ligeramente superior.

Formación de espuma y olor: En los reactores de biopelícula puede formarse espuma, especialmente en las primeras fases de funcionamiento o durante las fluctuaciones de carga. Esta espuma suele ser espuma biológica marrón (formada por bacterias filamentosas como Actinomyces o partículas flotantes de biopelícula). Un exceso de espuma puede cubrir el medio, reducir el contacto con el aire y provocar desbordamientos. Como solución, se utiliza un sistema de pulverización superficial (la espuma se rompe con aspersores) o se dosifica un producto químico antiespuma (inhibidor de la espuma). El problema del olor suele deberse a la producción de H₂S en zonas anóxicas/anaeróbicas. Si todo el MBBR se mantiene aeróbico, el olor suele ser mínimo. Sin embargo, si hay olor procedente del tanque de desnitrificación o de la unidad de sedimentación, se interpreta que la oxigenación es insuficiente - se aumenta la aireación o se cierra la zona problemática y se instala un filtro de aireación. El olor también puede deberse al carácter de las aguas residuales afluentes (por ejemplo, aguas residuales que se han almacenado durante demasiado tiempo), en cuyo caso la aireación durante el pretratamiento y el equilibrado puede ser la solución.

Problemas de gestión de lodos: Aunque existe la percepción de que el sistema MBBR produce menos exceso de lodos en comparación con los lodos activados clásicos, en realidad si la biopelícula acumulada no se retira con regularidad, tiene que eliminarse como lodo secundario. A veces, si en la planta se confía en una edad elevada de los lodos y éstos no se retiran durante mucho tiempo, se producen lodos flotantes y problemas de turbidez en el tanque de sedimentación. Por lo tanto, el operador debe retirar el exceso de lodo del sistema en determinados periodos (esto no es un problema, es una obligación; si no se hace, se convierte en un problema). Durante la deshidratación de los lodos retirados, hay que asegurarse de que no haya ningún medio plástico en ellos - a veces uno o dos medios pequeños que se escapan de las cribas pueden entrar en el equipo de deshidratación, esto debe comprobarse (por ejemplo, pueden atascarse en la centrifugadora).

Consejos de optimización para el proceso MBBR

Para operar el sistema MBBR de forma eficiente, económica y con una larga vida útil, se pueden aplicar algunas estrategias de optimización:

Alimentación por etapas y separación de fases: Si se utiliza una serie de reactores más pequeños en lugar de un único reactor grande, la reducción de parte de la carga orgánica en la primera etapa y la realización de una nitrificación de baja carga en la segunda etapa aumentarán el rendimiento global. Para la optimización, se pueden probar métodos como alimentar la parte principal de las aguas residuales directamente a la primera etapa y una parte más pequeña a la segunda etapa (por ejemplo, un caudal del 70% a la primera etapa, un caudal del 30% a la entrada de la segunda etapa y un bypass parcial en la segunda etapa). Esto puede proporcionar una mayor relación C/N en la segunda etapa y aumentar la eficacia de la desnitrificación. Este tipo de optimización de la distribución del caudal puede determinarse mediante pruebas piloto.

Adición o eliminación de portador: La mayor ventaja de los MBBR es que se puede ajustar la cantidad de portador. Si la calidad del efluente es demasiado buena (DBO, NH₄ demasiado bajos) según los datos de funcionamiento y si se quiere optimizar el consumo de energía, se puede retirar parte del soporte del reactor (la superficie de la biopelícula disminuye, la velocidad de reacción se ralentiza, pero también se puede reducir la carga del soplante). Por el contrario, si la carga ha aumentado con el tiempo o si el rendimiento está al límite, se puede añadir un soporte adicional al reactor (si el diseño lo permite, por ejemplo, del 50% al 60% de llenado) para aumentar la capacidad de tratamiento. Se trata de una solución mucho menos costosa que la ampliación de la planta. Sin embargo, debe comprobarse la adecuación de la aireación tras la adición.

Automatización y ajustes de control: Las aplicaciones avanzadas de automatización proporcionan importantes ahorros de energía y estabilización en los MBBR. Por ejemplo, el suministro de aire controlado por oxígeno disuelto : El ajuste de la velocidad del soplante con VFD según los datos de la sonda de OD puede ahorrar entre un 20 y un 40% de energía al funcionar a baja velocidad cuando no es necesario. Del mismo modo, se puede realizar una desnitrificación controlada por ORP: La bomba de retorno interna se puede acelerar o desacelerar para mantener el valor de ORP del tanque anóxico dentro del rango objetivo o se puede optimizar la dosificación de carbono externo. El software de automatización también registra datos de tendencias y proporciona datos para la optimización del proceso al operador (por ejemplo, apagar los sopladores cuando la carga baja en mitad de la noche y darse cuenta de que las capacidades de ventilación son demasiado altas). Por tanto, el uso de sensores y algoritmos de control lo más avanzados posible hace que el MBBR sea económico y seguro.

Control periódico del biofilm: El control periódico es esencial para optimizar el grosor y la salud de la biopelícula. Se recomienda a los operadores que tomen muestras de los soportes y las examinen al microscopio. Esto ayudará a identificar indicios como el crecimiento excesivo de bacterias filamentosas (que indica una relación F/M baja, deficiencia de nutrientes) o de protozoos (que indica una carga excesiva). El régimen de alimentación o el volumen de aire pueden ajustarse en función del equilibrio microbiológico. Por ejemplo, si se observa un exceso de bacterias filamentosas, puede probarse un ligero aumento de la carga (más F/M) o quizá un tratamiento anóxico preliminar para crear un efecto similar al de un selector. Aunque este nivel de optimización es más avanzado, se aplica en grandes plantas para maximizar los rendimientos.

Optimización de los soportes químicos: Los productos químicos utilizados en el proceso MBBR (por ejemplo, álcali para el ajuste del pH, coagulante para la eliminación de fósforo, antiespumante para la espuma, fuente de carbono, etc.) pueden minimizarse cuando sea necesario, y los costes de funcionamiento pueden reducirse. Para ello, las bombas dosificadoras deben funcionar con control de realimentación si es posible (por ejemplo, ajustando la dosis de alumbre en función del análisis de ortofosfato de salida). Aunque no sea así, el operador puede aumentar la frecuencia de los análisis de laboratorio y revisar manualmente las dosis cuando sea necesario. Por ejemplo, si al final de un periodo se observa que el P total de salida está siempre por debajo de 0,2 mg/L, entonces se puede optimizar para mantener la dosis de cloruro de hierro en torno a 0,5 mg/L reduciéndola en un 20% (si la norma exige 1 mg/L). Estos ajustes finos reducen los costes químicos del proceso y evitan una carga química innecesaria para el medio ambiente.

Recuperación de energía e integración: El MBBR no es un sistema productor de energía por sí mismo (al contrario, consume energía con los soplantes), pero si se considera como parte de una planta de tratamiento biológico, existen algunas posibilidades de recuperación de calor o energía. Por ejemplo, el aire de salida de las soplantes está bastante caliente; es posible utilizar este calor para calentar otras partes de la planta (con un intercambiador de calor). O si los lodos residuales van a digestión anaeróbica, el biogás puede utilizarse para generar electricidad para accionar las soplantes de la planta. Estos pasos de optimización holística garantizan un funcionamiento más sostenible del proceso MBBR y reducen los costes a largo plazo.

Formación y supervisión de los operarios: Por último, incluso las mejores soluciones técnicas no pueden funcionar a pleno rendimiento sin un equipo de operarios bien informados. La optimización de los sistemas MBBR exige que los operarios comprendan la dinámica del proceso. Se requiere una formación periódica, el intercambio de información con instalaciones similares y la preparación de instrucciones de funcionamiento claras. El operador debe registrar diariamente datos como la OD, el pH, la temperatura, la corriente y los resultados de los análisis y controlar las tendencias. Esto permite detectar con antelación los cambios estacionales o los problemas que se desarrollan lentamente y realizar ajustes proactivos.

Conclusión

El proceso MBBR (reactor de biopelícula de lecho móvil) se ha ganado un lugar en el tratamiento de aguas residuales tanto industriales como municipales gracias a sugran eficacia y a su estructura flexible y modular. En esta completa guía se analizan por separado todas las etapas del MBBR; se detallan los parámetros críticos que deben medirse en cada etapa, sus métodos de interpretación y los equipos utilizados. Además, se explican las principales áreas de aplicación del MBBR y las características típicas de las aguas residuales por sectores, y se especifican los tipos de contaminantes que pueden eliminarse con este proceso y sus limitaciones. Se presentan comparativamente las normas de vertido medioambiental válidas en Turquía y la UE, y se enumeran exhaustivamente los parámetros de dimensionamiento y los criterios de funcionamiento aceptados como básicos en el diseño de MBBR.

El éxito de los sistemas MBBR requiere un funcionamiento y una supervisión cuidadosos, así como la aplicación de principios de diseño correctos. Para los diseñadores, hay muchas cuestiones que van desde los detalles hidráulicos a la selección de materiales, desde la cinética de la biopelícula a los escenarios de reserva. Para los operadores, es importante estar preparados para posibles problemas y adoptar medidas periódicas de mantenimiento y optimización. Si se optimizan adecuadamente, los procesos MBBR pueden proporcionar una calidad de vertido que cumpla plenamente la legislación y mantenerla durante muchos años de forma estable. Especialmente teniendo en cuenta los límites de vertido cambiantes y cada vez más estrictos en nuestro país, el uso de tecnologías modernas de biopelícula como MBBR ofrecerá a las empresas grandes ventajas tanto en términos de cumplimiento de la normativa medioambiental como de facilidad de funcionamiento.

La información proporcionada en esta guía se ha recopilado a la luz tanto de detalles académicos como de la experiencia práctica, teniendo en cuenta las situaciones que pueden encontrarse sobre el terreno. Como resultado, cuando el proceso de tratamiento MBBR se diseña y gestiona correctamente, destaca como un sistema que puede tolerar cargas elevadas, ocupa un área compacta y proporciona una calidad de salida estable. La proporción de tecnologías de tratamiento avanzadas como los MBBR seguirá aumentando en la consecución de los objetivos de gestión sostenible del agua tanto en Turquía como en la UE. De este modo, las instalaciones industriales y los municipios podrán continuar sus operaciones de forma eficiente y armoniosa, al tiempo que cumplen con su deber de proteger los recursos hídricos.