Estudio del comportamiento hidrodinámico y biológico de un RAFA para la remoción de materia orgánica empleando energía renovable - Hernández Rodríguez, Itzel Alejandra (Universidad Autónoma Metropolitana, 2018)
Los Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (RAFA) presentan diversas ventajas para la depuración de aguas residuales como alta eficiencia en la remoción de contaminantes, bajos costos de construcción, operación y mantenimiento, sin embargo, la depuración mediante este proceso está condicionada al control de factores como la temperatura, ya que para obtener altas eficiencias se requiere una temperatura de operación entre 30 y 35°C, lo que limita el uso de estos reactores a zonas de clima cálido. Otro factor importante a considerar es el comportamiento hidrodinámico que se desarrolla en el reactor, puesto que este determina el contacto entre el agua residual y la biomasa, lo cual impacta en la eficiencia de remoción. Para evaluar el efecto de la temperatura en los reactores RAFA y para implementar este tipo de reactores en regiones con temperatura promedio de 12 ± 2 °C, se empleó un calentador solar como fuente de energía renovable y un sistema de control de temperatura automatizado para obtener las condiciones ambientales adecuadas para la digestión anaerobia dentro del reactor RAFA. En el presente trabajo el sistema de control de temperatura fue automatizado usando un control on-off el cual permitió exitosamente la regulación de la temperatura dentro del reactor. El reactor fue evaluado en cuatro etapas; monitoreando la DQO, la producción de metano, el pH y la temperatura. En las etapas I y II el reactor fue operado con agua sintética a un TRH de 24 h, y dos temperaturas (19 y 30 °C), alcanzándose eficiencias de remoción de DQO de 85 ± 3% y 95 ± 3%, respectivamente. El incremento de la temperatura mejoró las eficiencias de remoción de DQO, aproximadamente en un 15%. La temperatura también impactó positivamente la producción de metano, ya que esta incrementó de 27 a 39 ml CH4/h, respectivamente. En las etapas I y II el reactor fue operado con agua sintética a un TRH de 24 h, y dos temperaturas (19 y 30 °C), alcanzándose eficiencias de remoción de DQO de 85 ± 3% y 95 ± 3%, respectivamente. El incremento de la temperatura mejoró las eficiencias de remoción de DQO, aproximadamente en un 15%. La temperatura también impactó positivamente la producción de metano, ya que esta incrementó de 27 a 39 ml CH4/h, respectivamente. En las etapas III y IV el reactor fue alimentado con agua residual industrial a un TRH de 24 h y dos temperaturas (22 y 30 °C). En la primera temperatura evaluada, se alcanzó una eficiencia de remoción de DQO de 20 ± 2% con una producción de metano de 7 ± 3 ml CH4/h. Finalmente, en la última etapa, a una temperatura de 30 °C, aumentó la eficiencia de remoción de DQO, siendo de 48 ± 13% con una producción de metano de 20 ± 3 ml CH4/h. En este caso el incremento de la temperatura también favoreció la depuración de un agua residual industrial de composición química altamente compleja. El estudio hidrodinámico en el RAFA se evaluó por medio del método CFD (Computational Fluid Dynamics) a través de simulaciones en las que se varió el TRH, temperatura e interacción del biogás. En las simulaciones que se consideró una temperatura de 20°C, TRH de 4 y 24 h, y ausencia de biogás, se observó un comportamiento hidrodinámico similar al tipo pistón. En la simulación con un TRH de 24 h y una temperatura de 30 °C y ausencia de biogás, se observó el mismo comportamiento hidrodinámico. Sin embargo, en el escenario en el que el TRH fue de 4 h y una temperatura de 30 °C, en ausencia de biogás, se observaron recirculaciones y canalizaciones internas. Por otro lado, las simulaciones también se llevaron a cabo considerando la producción de biogás en los TRH de 4 y 24 h, con temperaturas de 20 y 30 °C. Los resultados de las simulaciones indicaron que la presencia de biogás cambió significativamente el comportamiento hidrodinámico, siendo ahora el comportamiento de tipo mezclado.; The Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactors have several advantages for the wastewater treatment owing to the high efficiency in the pollutants removal, low construction costs, operation and maintenance, however, the wastewater purification by this biological process is conditioned to the temperature, since it requires temperatures between 30 and 35 °C for achieving high removal efficiencies. The implementation of a high temperature control in wastewater treatment plants increases operating costs, thus limiting the use of this type of reactors in warm zones. Another important factor to consider is the hydrodynamic behavior inside the reactor, which determines the contact between residual water and biomass; this contact is relevant for getting high removal efficiencies. In order to evaluate the effect of temperature on the UASB reactor and to implement this type of reactors in regions with average temperature of 12 ± 2 °C, a solar heater as renewable energy source and automated temperature control system were used in order to obtain ideal environmental conditions for the anaerobic digestion within the UASB reactor. In the present work the temperature system control was automated using the onoff control allowing successfully the regulation of temperature around 30 °C inside the reactor. The reactor was performed in four stages monitoring COD, methane production, pH and temperature. In stages I and II, reactor was operated with synthetic water at HRT of 24 h and two temperatures (19 and 30 °C), achieving COD removal efficiencies of 85 ± 3% and 95 ± 3%, respectively. The increment of temperature improved the COD removal efficiencies approximately 15%. The temperature also impacted positively the methane production, since it passed from 27 to 39 ml CH4/h, respectively. In stages III and IV, the reactor was feed with industrial wastewater at HRT of 24 h and two temperatures (22 and 30 °C). At the first temperature evaluated, the COD removal efficiency was of 20 ± 2 % with methane production of 7 ± 3 ml CH4/h. After that the temperature was increased up to 30 °C, achieving a COD removal efficiency of 48 ± 13 % with methane production of 20 ± 3 ml CH4/h. In this case the increment of temperature also favored the depuration of the industrial wastewater of complex chemical composition. The hydrodynamic study was evaluated through the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The variables like HRT, temperature and biogas were evaluated in the program. The simulation results at 20 °C, HRT of 4 and 24 h and without biogas showed that the hydrodynamic behavior was resembling of piston-type. Similar results were observed at HRT of 24 h and 30 °C. Nonetheless, at HRT of 4h and 30 °C, channeling and internal recirculation was observed. The simulations also were carried out considering the biogas production at HRT of 4 and 2 h, and 20 and 30 °C. The simulation results pointed out that the presence of biogas changed significantly the hydrodynamic behavior, being now of mixing-type.