Gurú de la tecnología – Biofiltros

Uno de los componentes más importantes de un sistema y, en muchos casos, el menos comprendido, es la biofiltración. Si bien los cálculos para los biofiltros se publican en varios libros de texto y existen una multitud de artículos revisados ​​profesionalmente sobre su tamaño, todavía hay mucha lógica difusa que se usa en la industria. El desafío es comprender los peligros de la biofiltración de tamaño inadecuado.

Hay varias escuelas de pensamiento sobre qué tipo de biofiltro es más eficiente, más confiable, así como si la filtración tanto mecánica como biológica pueden ocurrir en el mismo recipiente. He sido bastante elocuente a lo largo de mi carrera sobre el último comentario de tener filtración biológica y mecánica en el mismo recipiente.

En su mayor parte, no me gusta tener filtros duales en los sistemas. Hay un par de razones por las cuales. La primera es que la filtración mecánica fomenta el crecimiento de bacterias heterótrofas que compiten directamente con las bacterias nitrificantes por el espacio. También significa que durante la limpieza de este tipo de filtro, se interrumpe el crecimiento bacteriano nitrificante, lo que puede causar un aumento en los niveles de amoníaco y nitrito en el sistema o en ambos.

Se han tenido muchas conversaciones a lo largo de los años discutiendo este mismo tema con todas las escuelas de pensamiento. Si bien esa es mi opinión personal, varias instalaciones han podido usar estos filtros combinados con éxito. Cabe señalar que soy bastante reacio al riesgo, por lo que muchas veces un enfoque conservador es el mejor enfoque.

Preocupaciones sobre la calidad del agua

Uno de los detalles que suele perderse en el mantenimiento de los biofiltros son los cambios en la calidad del agua que provocan las bacterias nitrificantes durante el proceso de reducción. El proceso real de reducción de amoníaco a nitrato es bastante conocido. Se ha discutido la especie real de bacterias que realizan esa tarea pero, en general, el género Nitrosomonas convierte el amoníaco en nitrito y el género Nitrobacter oxida el nitrito en nitrato. Durante ese proceso, el pH se reduce debido a la liberación del ion de hidrógeno. Esta reducción en el pH puede consumir alcalinidad que debe mitigarse con un mantenimiento regular de la calidad del agua. La elección de los tampones debe estar determinada por el tipo de sistema que se utiliza (es decir, marino, de agua dulce, acuaponía, etc.)

Tipos de Biofiltros

Si bien hay una gran cantidad de estilos de filtros disponibles, solo repasaremos algunos de los más populares.

Biorreactor de lecho móvil

Uno de mis estilos favoritos de filtros es el biorreactor de lecho móvil. Este estilo de filtro utiliza un medio de flotabilidad neutra que se voltea mediante aireación. Este movimiento ayuda a limpiar los medios y evita que retenga desechos que podrían albergar bacterias heterótrofas.

Hay varios diseños tanto de los medios como de los recipientes que albergan los medios, pero el concepto sigue siendo el mismo. En general, el diámetro (o ancho) no debe exceder tres veces la altura del recipiente. La aireación debe ser suficiente para mantener el medio en movimiento y también debe dimensionarse para manejar la demanda de oxígeno del proceso de nitrificación. Cuando tienen el tamaño adecuado, estos filtros mantienen estables los niveles de oxígeno durante todo el proceso y permiten una reducción eficiente del nitrógeno.

Una ventaja de este tipo de filtro es que es uno de los estilos más robustos que existen. Si las bombas del sistema fallan, la aireación mantendrá vivas las bacterias. Si la aireación falla, el movimiento del agua mantendrá vivas las bacterias. Por último, si todo pierde energía, los medios permanecerán suspendidos y, por lo general, las bacterias permanecerán vivas durante más tiempo que otros tipos de filtros. Uno de los inconvenientes es el costo de capital. Los medios para estos filtros pueden ser costosos según la marca que se utilice. El tamaño del recipiente del filtro puede ser un poco grande en comparación con un filtro de arena de lecho fluidizado. O un filtro percolador de poliestireno.

Filtro de goteo

Estos son algunos de los estilos de filtros más antiguos que aún están disponibles. Son cualquier recipiente en cualquier configuración que contiene prácticamente cualquier estilo de medios y tiene agua corriendo a través de él. Es el más flexible en términos de espacio y estilo. Algunos de los medios más comunes utilizados en estos filtros son bloques de plástico corrugado estilo Brentwood, biobolas, biobarriles y algunos incluso usan anillos de botellas de refrescos y PVC rasurado. Cada medio tiene diferentes niveles de superficie disponible para el crecimiento bacteriano y se elige en función de la disponibilidad y la preferencia. A diferencia de los biorreactores de lecho móvil, el filtro de goteo se puede utilizar en cualquier geometría siempre que el medio permanezca húmedo.

Lo positivo de este filtro es su flexibilidad para adaptarse al espacio y los tipos de medios que se pueden utilizar. Algunos de los inconvenientes de este estilo de filtro es que puede canalizar y recolectar desechos. Con el tiempo, las partes del filtro pueden quedar sin uso ya que se secan y pueden ser difíciles de limpiar. Otra preocupación a tener en cuenta es que cualquier interrupción en el flujo de agua puede provocar la muerte de las bacterias. Un buen plan de respaldo con estos filtros es clave.

Filtros de lecho fluidizado

Estos filtros generalmente usan un medio agregado con flujo de agua inverso. En muchos casos, el medio es un tipo de arena, pero también funcionarán otros tipos de medio. Estos son filtros de área de superficie alta que son útiles en aplicaciones que requieren una huella pequeña. Realmente solo recomendamos usarlos en aplicaciones de agua fría o fresca con una buena filtración mecánica previa. Los medios también pueden capturar sólidos que pueden cambiar la dinámica del filtro y hacer que no pueda fluidificarse uniformemente, razón por la cual la filtración mecánica es tan crítica. En aplicaciones de agua tibia, los medios pueden colonizar en exceso, lo que también cambia la dinámica de fluidos.

Algunos de los inconvenientes de estos filtros es que cuando el lecho colapsa, los medios tienden a pegarse y se vuelven anóxicos, lo que provoca la muerte de las bacterias. Si el flujo de agua se restablece rápidamente, puede rebotar. Otro tema a considerar es que la tasa de flujo debe ser estable o el lecho puede expandirse en exceso, enviando los medios aguas abajo del filtro o colapsar. Estos filtros tienen una estrecha tolerancia al flujo que debe mantenerse.

Filtro de perlas

Este es un tipo de filtro que puede funcionar como biofiltro, filtro mecánico o ambos. Vienen en varias configuraciones y tienden a funcionar de manera eficiente como biofiltro. Estos filtros pueden ser presurizados, como un filtro de arena convertido con flujo inverso) o no presurizados. También están disponibles en retrolavado de burbujas, retrolavado de apoyo y lo que también se conoce como retrolavado de gota. Por lo general, utilizan un medio de perlas de plástico que viene en varios tamaños y formas.

Estos filtros funcionan bien a cualquier temperatura pero también recolectan sólidos. Si se usan solo para filtros biológicos, entonces se debe usar una filtración mecánica adecuada antes. Se anuncian como un filtro combinado, por lo que también es una opción.

Lógica difusa

Aquí viene lo menos hablado de los detalles de los biofiltros. El proceso para dimensionar un filtro incluye el volumen total de alimentación, el porcentaje de grasa y proteína para la alimentación y los parámetros de calidad del agua que se esperan para el sistema. En algunos casos, se utilizan reglas empíricas basadas en el peso del pez y el tipo de pez, lo que supone una tasa de alimentación y una calidad del agua promedio. Si bien esto puede funcionar, es un poco peligroso usar este método ya que hay muchas variables que se ignoran. Se debe hacer un verdadero balance de masa para dimensionar correctamente su biofiltro.

En la mayoría de los casos, el resultado de estos cálculos es la superficie que se requiere. Dicho esto, el área de superficie de los medios varía mucho según el fabricante. Si agrega esa variabilidad al hecho de que algunos fabricantes anuncian el área de superficie utilizable (que es el área de superficie que permanece abierta al crecimiento bacteriano) mientras que otros anuncian el área de superficie total, puede ser un desafío.

Piense en los medios cerámicos que fueron populares en la década de 1990. La superficie anunciada figuraba en 82 000 ft2 por ft3. Esa área superficial incluía todos los espacios vacíos dentro de la cerámica. Una vez que las bacterias colonizaron el medio, el área de superficie utilizable está más cerca del área de superficie del exterior del medio solamente, algo cercano a 1400 ft2 por ft3.

Si los filtros que usan este medio se dimensionaron en función del total, tendrían un rendimiento inferior después de que los vacíos se obstruyeran. Lo mismo es cierto para otros medios también. Por eso es importante comprender las capacidades de los medios que se elijan dada la aplicación que se utilizará. Esto puede hacer o deshacer un proyecto a toda prisa si se elige un medio inadecuado.