Alberto Bouzas Blanco - Bases d'enginyeria ambiental

1.4 Formes d’operació

Un concepte important a l’hora de dur a terme un procés de tractament és el de forma d’operació: les instal·lacions poden treballar per càrregues o de forma contínua.

Operació discontínua, intermitent, periòdica o per càrregues. En aquest tipus d’operació es carrega inicialment el sistema amb una quantitat de matèria, que es manté a l’interior de la instal·lació fins que s’obté la transformació desitjada. Seguidament es descarrega i es fan les operacions adequades de manteniment de l’equip per deixar-lo en condicions d’iniciar una nova operació.

La figura 1.9 mostra la variació en el temps de la variable representativa del procés (concentració de l’agent contaminant, per exemple), amb les dues característiques principals d’aquest tipus d’operació:

–La concentració de contaminant és funció del temps.

–L’operació discontínua està constituïda per una sèrie de cicles idèntics (càrrega, transformació i descàrrega).

En una explotació en continu, com la que s’ha vist a l’apartat 1.2 (figura 1.2), l’influent que s’ha de tractar entra de forma contínua i s’obté un efluent tractat també de forma contínua, de manera que la variable que caracteritza la transformació (com pot ser la concentració d’un determinat contaminant), una vegada assolit l’estat estacionari, és independent del temps, encara que segons casos pot dependre de les coordenades geomètriques, és a dir, no ser constant a l’espai.

Un exemple característic de processos discontinu i continu és el tractament biològic de la matèria orgànica en aigua residual.

El procés continu està constituït per dos elements (figura 1.10): el reactor de flux de pistó (on es produeix la degradació de la matèria orgànica per part dels microorganismes), i el sedimentador, on se separa la biomassa generada de l’aigua residual tractada. En aquesta configuració l’aigua residual s’introdueix de forma contínua al sistema i n’ixen dos corrents continus: l’aigua tractada, pel capdamunt del decantador, i el fang biològic (contaminant orgànic concentrat), pel fons.

La concentració de matèria orgànica en dissolució va disminuint a mesura que avança la reacció biològica al llarg del reactor, és a dir, és funció de la distància recorreguda, però es manté constant al llarg del temps quan el sistema arriba a l’estat estacionari.

Aquest mateix procés es pot desenvolupar de forma intermitent mitjançant allò que es coneix com a SBR (sequencing batch reactor), en què un mateix tanc actua de reactor i decantador. En aquest cas la transformació es produeix al llarg del temps i no de l’espai. Tal com s’observa en la figura 1.11, es carrega l’aigua residual al tanc, on hi ha un volum inicial, amb biomassa; una vegada ple, o a mesura que s’omple, es manté la mescla en suspensió i se subministra aire perquè la biomassa puga créixer a partir de la degradació de la matèria orgànica. Quan la concentració del contaminant orgànic en dissolució és suficientment baixa, s’atura l’agitació i es manté el sistema en repòs de forma que la biomassa es decanta i s’acumula al fons. Finalment, es descarrega l’aigua tractada, per una banda, i una fracció del concentrat, per una altra, (la purga de fang en excés). En aquest cas es té inicialment un volum d’aigua residual i, passat un temps, el volum d’aigua tractada més un petit volum de contaminant concentrat.

Com es pot observar, en el sistema continu es tracta aigua residual les 24 hores del dia; els temps morts de l’operació intermitent disminueixen la quantitat de material tractat per unitat de volum del reactor.

1.4.1. Règim estacionari i no estacionari

Abans s’ha emprat un concepte, estat estacionari, que no s’ha definit. Es diu que un sistema es troba en estat estacionari quan les seues propietats es mantenen constants i invariables en el temps i en qualsevol punt del sistema, encara que poden ser diferents d’un punt a un altre. Per exemple, en el reactor de flux de pistó que s’ha considerat anteriorment la conversió augmenta des de l’entrada fins a l’eixida, de manera que la concentració de matèria orgànica en dissolució disminueix a mesura que l’aigua avança pel reactor, però és constant en qualsevol part d’una determinada secció transversal: no hi ha variació en el temps i el sistema funciona en estat estacionari. Hi entra un cabal constant d’aigua contaminada (concentració constant de matèria orgànica), es mescla amb la biomassa que procedeix de la recirculació i, a mesura que circula pel reactor, disminueix la seua concentració, però és la mateixa en cada punt al llarg del temps.

Quan les propietats del sistema varien amb el temps en un determinat punt del sistema es diu que el sistema està en estat no estacionari. Aquest és el cas del segon exemple que s’ha considerat, en el qual la degradació de la matèria orgànica es du a terme en un reactor de tanc agitat, que funciona per càrregues, discontinu.

Tot procés discontinu o intermitent és, per definició, no estacionari. Existeix una variació de les propietats amb el temps. Altrament, un procés en continu pot funcionar en règim estacionari o en règim no estacionari. En particular, totes les posades en funcionament d’un sistema en continu que es pretén fer funcionar en estat estacionari constitueixen un cas del funcionament clarament no estacionari. D’altra banda, una operació en règim estacionari és sempre contínua, no pot ser per càrregues.

En la pràctica és molt difícil mantenir un sistema continu en estat estacionari. Tal com han estat definits, en els sistemes de depuració solen haver-hi variacions considerables dels paràmetres del material que es tracta; per exemple, en el cas de les aigües residuals urbanes hi ha perfils diaris i estacionals de cabal i de concentració de contaminants que fan que el sistema no puga arribar a un estat estacionari pròpiament dit.

1.4.2. Inconvenients i avantatges dels dos tipus d’operació considerades

El fet que en l’operació intermitent el procés siga cíclic i discontinu implica que, a més del tractament de materials, siguen també de forma cíclica el funcionament de la instal·lació i l’activitat dels operaris. Per tant, les característiques essencials d’aquesta forma d’operació són:

–Elevada necessitat de mà d’obra.

–Temps morts d’operació (períodes en els quals no s’obté rendiment de la instal·lació).

En l’operació en continu els materials entren de forma contínua al sistema i romanen a la instal·lació el temps necessari per assolir la transformació dissenyada. Així, les transformacions dels materials, el funcionament de la instal·lació i l’activitat de l’home que opera en el sistema son també continus. Així, doncs, les característiques de l’operació en continu són:

–Baixa necessitat de mà d’obra.

–No existeixen temps morts en el funcionament de la instal·lació.