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Tras la quiebra de Kabel Premium Pulp & Paper GmbH, la asociación Ruhrverband se hizo cargo de la planta depuradora de la fábrica de papel situada en Hagen-Boele, Alemania. La planta estaba diseñada originalmente para aguas residuales de la industria papelera y aguas residuales municipales, y tuvo que adaptarse a corto plazo para funcionar exclusivamente con aguas residuales municipales. Por lo tanto, surgió la necesidad de crear zonas sin aireación para la desnitrificación en los tanques de activación existentes, sin interrumpir el funcionamiento de la planta durante mucho tiempo ni realizar grandes reformas estructurales.

La planta cuenta con dos grandes tanques donut, cuyo anillo exterior está dividido en varios segmentos. Para el nuevo proceso, algunos de estos segmentos debían funcionar como zonas de desnitrificación. Las condiciones marco eran exigentes. Debido a la presencia de puentes de limpieza, el espacio disponible por encima del nivel del agua era muy limitado. La ejecución del proyecto estaba sujeta a una gran presión de tiempo. Por motivos operativos y económicos, no era posible vaciar completamente los tanques.

INVENT desarrolló un concepto de solución adecuado, cuyo núcleo era el uso de agitadores HYPERCLASSIC^® en combinación con puentes de acero adaptados específicamente a la planta. El diseño vertical de los agitadores y la compacta ejecución del accionamiento permitieron su instalación debajo de los puentes de limpieza existentes sin afectar a su funcionamiento. Al mismo tiempo, los agitadores pudieron orientarse de manera que se garantizara la accesibilidad y la seguridad operativa en las reducidas condiciones de espacio.

Los puentes de acero fueron el segundo elemento central del concepto. Se diseñaron de manera que pudieran apoyarse sobre las estructuras existentes y montarse sin intervenciones profundas en el hormigón o las paredes de la bacín. Se eliminaron los costosos trabajos preliminares y se redujo considerablemente el tiempo de montaje en la planta. Además, se previeron consolas laterales abiertas para alojar los agitadores. En combinación con los agitadores HYPERCLASSIC^®, este concepto de puente permitió la instalación completa en el tanque lleno. La descarga de la carga y el montaje se realizaron a través de las estructuras existentes, integrando el puente de limpieza existente. Para el operador, esto significó una rápida implementación con unos costes de proyecto razonables.

Los agitadores HYPERCLASSIC^® utilizados, con su geometría característica, garantizan una distribución uniforme del flujo y una suspensión segura del lodo activado con una densidad de potencia relativamente baja. Especialmente en las zonas de desnitrificación, una mezcla estable sin entrada de aire es decisiva para la seguridad del proceso.

Resumen de la solución de INVENT:

• Retrofit rápido y rentable, sin necesidad de construir nuevas instalaciones ni detener el funcionamiento de los tanques.
• Instalación en la piscina llena, gracias a puentes de acero y agitadores hiperboloides verticales
• Alta eficiencia energética con desnitrificación segura, baja densidad de potencia con alto rendimiento de recirculación
• Optimizado para tanques donut y situaciones de instalación con espacio reducido, incluso bajo puentes rascadores existentes
• Fácil de manejar y con garantía de futuro, adecuado para los requisitos municipales y los valores de vertido más estrictos a partir de 2026

El proyecto Hagen-Boele demuestra de manera ejemplar que la desnitrificación estable seguirá siendo un elemento central del tratamiento municipal de aguas residuales en 2026, especialmente en la adquisición y conversión de plantas existentes. Al mismo tiempo, ilustra cómo los conceptos inteligentes permiten seguir utilizando los tanques existentes a corto plazo y adaptarlos a los nuevos requisitos operativos sin necesidad de nuevas construcciones ni largos periodos de inactividad.

La planta depuradora municipal de Schwalbachtal (Baviera) fue modernizada a mediados de la década de 1990 con el objetivo de aumentar la eficiencia energética y la fiabilidad operativa de la etapa biológica. En 1997, el operador decidió incorporar la tecnología INVENT: un agitador HYPERCLASSIC^® de primera generación para una mezcla homogénea del reactor y un sistema de aireación de membranas E-FLEX^® para la inyección de oxígeno mediante burbuja fina.

La planta consta de dos reactores biológicos de 14,5 m de diámetro cada uno, con un volumen total de aproximadamente 1.350 m³. Ambos reactores funcionan como reactores secuenciales por lotes (SBR), en régimen de tres ciclos diarios y tratan alrededor de 2.000 m³ de aguas residuales por día.

Los componentes originales de los agitadores de 1997 siguen en operación, únicamente los motorreductores fueron sustituidos a lo largo de la vida útil del sistema. El eje y el cuerpo agitador, fabricados en polímero reforzado de alto rendimiento (FRP), garantizan una resistencia excepcional a la corrosión y a la fatiga.

Para la transferencia de oxígeno, cada reactor está equipado con cinco módulos de aireación E-FLEX^® , cuyos bastidores de acero inoxidable permanecen en servicio desde su puesta en marcha. Las membrana flexibles se mueven durante la aireación, evitando depósitos y y ensuciamiento, lo que mantiene una pérdida de carga reducida y una tasa de transferencia de oxígeno estable con un bajo consumo de soplado.

Desde 1997, el sistema ha operado sin alteraciones estructurales en los componentes de FRP. En casi 30 años solo fueron necesarios dos reemplazos de membranas (2008 y 2024) y dos sustituciones de motores. Todas las intervenciones se realizaron con tiempos de parada mínimos y sin modificar la estructura de los reactores..

La combinación de la mezcla hiperboloide y la aireación de burbuja fina garantiza una distribución rápida y homogénea del oxígeno en todo el reactor. Esto estabiliza el rendimiento biológico, favorece la formación de flóculos de fango activado compactos y promueve una nitrificación y desnitrificación eficientes. En operación anaerobia, el patrón característico de flujo asegura una redistribución eficaz de los nitratos residuales, proporcionando así una alta estabilidad del proceso.

Tres décadas de operación sin corrosión ni fatiga estructural demuestran la robustez mecánica y la calidad de los materiales de las tecnologías INVENT. El actual HYPERCLASSIC^®-Agitador Evolution7 y el sistema iSBR^®/iGSR^® para reactores secuenciales e instalaciones basadas en lodos granulares continúan esta evolución. Se fabrican bajo los mismos estándares elevados de diseño y producción y combinan un comportamiento hidráulico probado, alta resistencia y eficiencia energética como desarrollo directo de la tecnología que ha demostrado su fiabilidad en Schwalbachtal desde 1997.

La floculación es una etapa crítica en el tratamiento del agua, ya que permite que las partículas en suspensión se agrupen en flóculos más grandes y sedimentables para su eliminación. Una floculación eficaz requiere un equilibrio entre la adición de productos químicos, la energía de mezcla y un bajo cizallamiento para formar flóculos estables. Con el aumento de las presiones normativas y financieras, las empresas de servicios públicos recurren cada vez más a la modernización de las instalaciones existentes para mejorar la eficiencia del tratamiento a un menor coste.

Los flóculos se forman mediante la neutralización de las partículas con carga negativa por parte de los coagulantes, seguida de una mezcla suave para favorecer las colisiones. El éxito depende de la intensidad de la mezcla, medida por el gradiente de velocidad (G), y de la minimización del cizallamiento que puede romper los flóculos. Más allá de los valores G, es esencial comprender la distribución de la energía y la dinámica del flujo dentro de los tanques para optimizar el rendimiento. La dinámica de fluidos computacional (CFD) se ha convertido en una herramienta valiosa para evaluar la hidráulica de los tanques, identificar cortocircuitos y modelar el rendimiento de diferentes tecnologías de floculadores.

Entre los floculadores más comunes se encuentran los deflectores hidráulicos, las ruedas de paletas, las vigas móviles, los impulsores de palas y los mezcladores hiperboloides. Los factores clave de evaluación incluyen el mantenimiento, la flexibilidad, la capacidad de ajuste, la energía, la redundancia, la transferencia de energía, el cizallamiento y la calidad de los flóculos.

El floculador hiperboloide aplica principios de dinámica de fluidos para proporcionar una mezcla uniforme con un cizallamiento mínimo. Su cuerpo en forma de hiperboloide acelera los flóculos gradualmente a lo largo de sus nervaduras hasta que la velocidad de las partículas coincide con la velocidad del impulsor, lo que reduce los problemas de cizallamiento en las puntas.

Instalados cerca del fondo de los tanques, los mezcladores hiperboloides crean patrones de flujo radial que barren el suelo del tanque, evitan la acumulación de sedimentos y mantienen los flóculos en suspensión. Los variadores de frecuencia permiten a los operadores ajustar la intensidad de la mezcla en función de los cambios en la calidad del agua. El resultado es una reducción del mantenimiento, un uso optimizado de los productos químicos y una mejora en la formación de flóculos.

Casos prácticos

Annapolis, Maryland (2015)

• Se sustituyeron los impulsores de palas por hiperboloides.
• Resultados: reducción del 30 % en el uso de alumbre, menor necesidad de cal, mejora en la eliminación de hierro (1,0 → 0,5 ppm). Mayor capacidad de tratamiento en un espacio más reducido, mantenimiento mínimo, menor acumulación de sedimentos. El CFD confirmó una mezcla uniforme en todos los caudales.

Bellevue, Ohio (2019)

• Se sustituyeron las ruedas de paletas.
• Resultados: mejora de la turbidez, funcionamiento más silencioso, capacidad para alimentar carbón activado en polvo en la fase de floculación.

Hickory, Carolina del Norte (2013)

• Se sustituyeron los impulsores de palas en un tren.
• Resultados: Menor acumulación de sedimentos, turbidez ligeramente inferior (0,22 NTU frente a 0,31 NTU con palas). Los operadores observaron una mejora en la suspensión de sólidos.

Atlanta, Georgia (planta de tratamiento de agua de Chattahoochee)

• La modernización de las ruedas de paletas a hiperboloides inicialmente tuvo un rendimiento inferior al esperado. El CFD reveló un cortocircuito en el tanque; se añadieron deflectores.
• Resultados: mejora espectacular de la turbidez (0,15-0,50 NTU frente a 0,55-0,90 NTU en otros trenes).

Houston, Texas (2020)

• Se sustituyeron las ruedas de paletas.
• Resultados: Reducción significativa de los lodos del tanque (1 pulgada frente a 10 pies). La calidad del agua mejoró, aunque los cambios químicos impidieron la comparación directa de los costes.

Bzenek, República Checa (2007-2009)

• Se compararon las ruedas de paletas con los hiperboloides y luego se realizó una remodelación completa.
• Resultados: Rendimiento óptimo a 10 rpm en todos los mezcladores. Mejora en la eliminación de hierro y manganeso; disminución de la turbidez y el color. Reducción del consumo de energía en un 82 %.

Conclusión

La modernización de los sistemas de floculación requiere un conocimiento holístico de la hidráulica, las propiedades de los flóculos y la distribución de la energía. Las pruebas obtenidas en múltiples instalaciones demuestran que los floculadores hiperboloides proporcionan de forma constante una mejor calidad del agua, un menor uso de productos químicos, un ahorro de energía y un menor mantenimiento. A medida que se endurecen las normativas y se reducen los presupuestos, representan una solución de modernización probada y rentable para el tratamiento moderno del agua.

Un concepto erróneo en la digestión aerobia es que el proceso debe estar aireado durante el 100 % del tiempo de retención. Al redefinir esta perspectiva, se ha descubierto que alternar entre solo mezclado y un mezclado mientras se airea resulta más eficaz, al tiempo que más eficiente energéticamente. Al tener la capacidad de conectar y desconectar el suministro de aire, el sistema establece fases aerobias y anóxicas que permiten una mayor reducción de nutrientes, una mejor deshidratabilidad y una mayor destrucción de lodos volátiles. Esto favorece la respiración endógena y la nitrificación. Existen muchas tecnologías diferentes para la digestión aerobia y, a menudo, deben combinarse varios tipos de equipos para lograr el proceso cíclico. Afortunadamente, existen sistemas que pueden realizar la agitación y la aireación desacoplados con un solo dispositivo.

Definición de la digestión aerobia

La digestión aerobia es un proceso de tratamiento de aguas residuales utilizado para tratar lodos activados residuales o una mezcla de lodos. Las aplicaciones típicas producen un lodo capaz de cumplir los requisitos de los biosólidos de clase B, y los tiempos de retención suelen oscilar entre 40 y 60 días. La destrucción de los lodos es principalmente una función directa de la edad y la temperatura de los lodos que se muestra en la figura 1 (Metcalf & Eddy, 2014).

Los digestores aeróbicos pueden alcanzar unas condiciones termófilas que facilitan reacciones bioquímicas más rápidas y reducen el tiempo de retención de 20 a 40 días, normalmente. Las condiciones termófilas pueden proporcionar una mayor reducción de bacterias y virus, cumplir los requisitos de biosólidos de clase A cuando se opera a 55º C o más, y menores requisitos energéticos que la digestión aerobia convencional. Aunque son ventajosas para la digestión aerobia, este artículo no tratará más a fondo las condiciones termófilas y se centrará únicamente en el proceso tradicional de digestión aerobia.

La digestión aerobia es la degradación de los lodos orgánicos en presencia de oxígeno. Se introduce oxígeno en la balsa o el tanque para permitir que los microorganismos presentes en los lodos conviertan la materia orgánica en dióxido de carbono y agua, y el amoníaco y los grupos amino en nitrógeno. Los cambios bioquímicos en un digestor aeróbico siguen las ecuaciones siguientes:

Destrucción de biomasa: biomasa + oxígeno → dióxido de carbono + agua + biacarbonato de amonio

Nitrificación: amoníaco + oxígeno → nitrato + hidrógeno + agua

Ecuación global: biomasa + oxígeno → dióxido de carbono + agua + ácido nítrico

Desnitrificación: biomasa + nitrato → dióxido de carbono + nitrógeno + amoníaco + hidróxido

Proceso completo: biomasa + oxígeno → dióxido de carbono + nitrógeno + agua 

La digestión aerobia es similar al proceso convencional de lodos activados, aunque presenta tiempos de retención más largos sin una alimentación de aguas residuales brutas, es decir, sin alimento para los microorganismos. Cuando no hay un nuevo suministro de materia orgánica para los microorganismos, estos mueren y se convierten en alimento para otras bacterias del tanque, lo que reduce la concentración de sólidos orgánicos del lodo. Este proceso se conoce como respiración endógena. La digestión aerobia también tiene la capacidad de nitrificar en determinadas condiciones. Las operaciones típicas se controlan mediante el pH; no obstante, se pueden utilizar otros parámetros para controlar el proceso.

Tecnologías actuales

Dado que el proceso de digestión aerobia requiere tanto el suministro de aire como una acción de agitación, el equipo habitual puede incluir aireación por burbujas gruesas, aireación por chorro, aireación superficial y aireación por burbujas finas. Para poder hacer ambas cosas, es decir, mezclar y mezclar mientras se proporciona aireación, a menudo hay que utilizar varios dispositivos.

Existen tecnologías con capacidad para realizar solo mezclado y un mezclado mientras se airea, lo que elimina la necesidad de dos sistemas diferentes. El sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^®de INVENT ha demostrado ser adecuado para esta aplicación, ya que permite alternar entre solo mezclado y un mezclado mientras se airea. El sistema permite mezclar mecánicamente y airear los digestores aeróbicos. El aire puede desconectarse mientras se sigue mezclando, creando unas condiciones anóxicas para que pueda producirse la desnitrificación. Este sistema proporciona un control óptimo de un proceso que anteriormente era en su mayor parte inflexible y que ahora presenta ventajas significativas sobre otros sistemas como, por ejemplo, los aireadores de superficie (véase la figura 2).

El valor alfa

Con un 2 % o más de sólidos en suspensión en el líquido mezclado (MLSS), se requiere una agitación mecánica debido a la viscosidad del líquido, ya que el aire por sí solo no proporcionará una agitación suficiente. A medida que aumenta el porcentaje de sólidos, se produce una correlación con una disminución del valor alfa. El valor alfa es la interferencia con la eficiencia de transferencia de oxígeno, y los datos indican que existe una fuerte correlación entre la viscosidad del fluido y la eficiencia de transferencia de oxígeno. En el artículo “Digester Aeration Design at High Solids Concentration”, la investigación ha demostrado que con difusores de burbuja fina, el valor alfa cae por debajo de 0,1 alrededor del 3 % de MLSS (Schoenenberger, Shaw, Redmon, 2003).

Cuando el valor alfa cae por debajo de 0,1, esto puede conducir a condiciones anaerobias no deseadas, causantes de olores y de formación de espuma; el sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^® proporciona unos valores alfa más altos, ya que la naturaleza mecánica del dispositivo impulsa el oxígeno a mayor profundidad en los flóculos de lodo. El valor alfa para sólidos de hasta el 5 % puede ser de alrededor de 0,27 para este sistema de agitación y aireación. Esto se debe a la agitación mecánica, que permite la distribución de aire por todo el tanque, y al sistema que proporciona una burbuja entre pequeña y mediana, para lograr una mejor transferencia de oxígeno.

Ciclo entre solo mezclado y un mezclado mientras se airea

A diferencia de la sobreaireación que proporciona el mezclado con aireación continua convencional, un sistema de agitación y aireación desacoplados permite controlar todo el proceso de digestión aerobia mediante el suministro de oxígeno y/o la agitación. Deben establecerse diferentes parámetros para controlar el proceso de digestión aerobia; para controlar el ciclo entre solo mezclado y un mezclado mientras se airea, junto con el pH, se pueden emplear el tiempo como el ORP (potencial de reducción de la oxidación).

Dado que la reducción de sólidos suele ser el principal objetivo de la digestión aerobia, la modificación del pH determina la capacidad de destruir la biomasa. Cuando el pH desciende, se hace necesaria la adición de alcalinidad para combatir la escasa deshidratabilidad de los lodos. Cuando se desconecta el ciclo de suministro de aire, la alcalinidad puede restablecerse mediante la destrucción de nitratos (desnitrificación). Este ciclo de conexión/desconexión del suministro de aire puede disminuir ahora la necesidad de las sustancias químicas necesarias para los sistemas de aireación continua.

La nitrificación también puede ser un objetivo principal de la digestión aerobia, siendo esta ventajosa cuando el amoníaco en el digestato es motivo de preocupación en la cabecera de una planta de tratamiento. A partir de la agiación y de la aireación, la biomasa del sistema se destruye, produciéndose dióxido de carbono, agua y bicarbonato de amonio. Al seguir introduciéndose aire en el sistema, la nitrificación puede tener lugar ahora, convirtiéndose el amonio en nitrato, hidrógeno y agua. Si sigue conectado el suministro de aire, este proceso continuado puede hacer bajar el pH y consumir alcalinidad. Ahora, introduciendo únicamente unos largos periodos de agitación, el digestor aeróbico se vuelve esencialmente un digestor anóxico/anaeróbico, con cero oxígeno en toda la balsa o depósito colector. Este ciclo inicia el proceso de desnitrificación en el que el nitrato se combina con el hidrógeno de la nitrificación para formar nitrógeno y agua y, en presencia de biomasa, también produce dióxido de carbono y amoníaco. La desnitrificación restablece el pH, devolviendo la alcalinidad al sistema. Con el pH restablecido, en los digestores aeróbicos se puede conectar el suministro de aire, comenzando el ciclo de nuevo. Al final del proceso, el digestato tiene ahora hasta un 20 % menos de amoníaco, retornando a la cabecera de la planta de tratamiento.

Sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^®: Vista general

Al permitir que el operador tenga más control sobre el proceso de digestión aerobia, las plantas de tratamiento tienen la capacidad de reducir costes, reducir las necesidades de productos químicos y aumentar el ahorro de energía con la digestión aerobia cíclica. Con el sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^® la energía de mezclado se disipa en el momento de introducción del aire, creando una superficie de burbujas de aire que se renuevan constantemente cuando se activa el suministro de aire, al tiempo que se mantiene un nivel de agitación suficiente cuando se desactiva el suministro de aire. Esto crea el entorno ideal para la digestión aerobia cíclica.

El propio sistema cuenta con un cuerpo agitador hiperboloide que no se obstruye y cuenta con nervaduras de transporte integradas para una aceleración óptima del fluido.  La contrapresión y la eficacia de la aireación son constantes, por lo que no se deteriora la eficacia con el paso del tiempo, siendo posible conectar y desconectar el suministro de aire siempre que sea necesario. Incluso con unos sólidos MLSS elevados, el sistema de agitación y aireación es robusto, resultando además sencillo su mantenimiento y manejo. El sistema solo requiere un mantenimiento por encima del nivel de agua en el motorreductor montado en seco, y realizar una inspección en la guía inferior montada en el fondo del tanque cada pocos años. El sistema puede funcionar con distintos niveles de agua, con la posibilidad de vaciar completamente el tanque o la balsa sin dañar el sistema durante la decantación o la extracción de los lodos. Esto agiliza y facilita el proceso de decantación, ya que los lodos se mezclan continuamente, incluso cuando el nivel del agua disminuye.

Es importante que se produzca una agitación intensiva para evitar la sedimentación en el fondo del tanque; si se produce una agitación deficiente, puede haber gradientes de oxígeno. Dado que el cuerpo agitador del sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^® se instala cerca del fondo del tanque, se evitan los gradientes de oxígeno y se crea un lodo homogéneo. El aire se genera desde el anillo dispersor situado debajo del cuerpo agitador. Allí el aire escapa y se encuentra con la parte inferior del cuerpo agitador, que tiene una forma única y está equipada con túneles de dispersión y aletas de cizallamiento especiales. Al girar el cuerpo agitador, el aire de los túneles de dispersión se mezcla intensamente con el agua residual, lo que crea una disolución de burbujas entre gruesas y finas por acción de las aletas de cizallamiento. A continuación, el flujo principal transporta estas burbujas radialmente hacia el exterior y las distribuye por todo el tanque.

Aplicaciones en el mundo real

Con cualquier tecnología, las aplicaciones y los datos del mundo real demuestran si un sistema funciona. El sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^® se ha instalado en digestores de todo el mundo, acreditando ser una aplicación adecuada para la digestión aerobia cíclica. En Estados Unidos ha habido múltiples instalaciones de digestión aerobia con éxito en el proceso. Los digestores aeróbicos operativos más antiguos provistos de estos sistemas de agitación y aireación en Estados Unidos llevan funcionando desde 2006 en la EDAR de Jacksonville Beach (véase la fig. 4).

Los digestores aeróbicos de Jacksonville Beach tratan hasta un 3 % de sólidos en tres tanques circulares y proporcionan una alimentación de calidad constante para su proceso de deshidratación de lodos. Los lodos tratados siguen cumpliendo eficazmente las normas de la clase B y los operadores están muy satisfechos con su elección y con el tratamiento de las aguas residuales resultante.
Hay otra instalación al otro lado del país, en Meridian, Colorado (véase la fig. 5).

Allí tienen un sistema de laguna de digestión aerobia que se completó en 2020, con dos sistemas de agitación y aireación HYPERCLASSIC^®. La empresa explotadora puede hacerlos funcionar a diferentes profundidades de agua con facilidad, y apenas se percibe ningún olor cuando se está directamente sobre el depósito o la balsa. Los lodos se tratan hasta un 2,5 % de sólidos con la mitad de capacidad que el diseño anterior. Esto ha contribuido a reducir los costes energéticos y a aumentar el rendimiento de los procesos.

Resumen

El proceso cíclico empleado en la digestión aerobia ha demostrado su eficacia tanto en la reducción de sólidos, como en la nitrificación. El sistema de agitación y aireación HYPERCLASSIC^®de INVENT ha demostrado su idoneidad en instalaciones reales, incluso con altos porcentajes de sólidos. Gracias a la opción de conectar y desconectar el suministro de aire durante la agitación, el sistema ofrece flexibilidad a la empresa operadora y al propio proceso. La robustez y fiabilidad mecánica del sistema hacen que esta opción sea la mejor para digestores aeróbicos.