1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO Por qué necesitamos una E.D.A.R.? Pretratamiento Tratamiento Primario

Transcripción

1 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO 1.1. Introducción 1.2. Motivación 1.3. Objetivos 1.4. Enfoque 2. INTRODUCCIÓN A LAS E.D.A.R Qué es una E.D.A.R.? 2.2. Por qué necesitamos una E.D.A.R.? 2.3. Objetivos de una E.D.A.R Etapas de una E.D.A.R Línea de agua Pretratamiento Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Tratamiento Terciario Línea de fango Espesamiento Flotación Página 1

2 Mezcla de fangos espesados y flotados Digestión Deshidratación 2.5. Glosario 3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO 3.1. Obra de llegada y elevación Compuerta de aislamiento Pozo de gruesos Bombeo de aguas residuales 3.2. Pretratamiento Desbaste de rejas de gruesos y finos Tamizado Desarenado Desengrasado 3.3. Tratamiento Primario Decantación primaria Extracción de fango primario 3.4. Tratamiento Secundario Tratamiento Biológico: Principales Tipos Página 2

3 Procesos Biológicos Aerobios Fangos Activados Aireación Prolongada Lechos Bacterianos / Filtros Percoladores Biodiscos Lagunaje Fangos Activados: Decantación Secundaria 3.5. Tratamiento Terciario 3.6. Espesamiento 3.7. Estabilización o Digestión 3.8. Deshidratación 3.9. Acondicionamiento del fango 4. MANUAL DEL PROGRAMA 4.1. Estructura general y diagrama de flujo Estructura del Dimensionamiento Base Diagrama de flujo del Dimensionamiento Base Estructura de la Oxigenación Prolongada Diagrama de flujo de la Oxigenación Prolongada Estructura de la hoja de coeficientes a y b. Página 3

4 4.1.6.Estructura de la hoja de Costes Diagrama de flujo de la hoja de Costes 4.2. Instrucciones de uso 5. CONCLUSIÓN 6. PRESUPUESTO 7. BIBLIOGRAFÍA Página 4

5 1. INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO 1.1. INTRODUCCIÓN: El agua la podemos encontrar en la naturaleza con la calidad correspondiente a su origen, más las sustancias de origen natural, disueltas y en suspensión, orgánicas e inorgánicas, que va adquiriendo a lo largo de su recorrido. El desarrollo de las poblaciones, unido a su actividad industrial, ha traído consigo un uso cada vez más creciente del agua, lo que ha llevado a una mayor explotación de los recursos hídricos y a un incremento excesivo de la contaminación del medio acuático. Esta pérdida de calidad en el agua, debida de manera directa o indirecta a la actividad humana, está provocando la degradación del medio ambiente. Para evitar estos efectos se han promulgado normas que limitan de manera cualitativa y cuantitativa los vertidos de las poblaciones y obliga al tratamiento de las aguas residuales municipales mediante estaciones depuradoras MOTIVACIÓN: Progresiva demanda y contaminación del agua Página 5

6 La progresiva demanda de agua y la creciente contaminación de nuestras aguas, esencialmente por vertidos industriales y productos agrarios, implican una reflexión a distintos niveles. Si hay algo en lo que todo el mundo está de acuerdo, es en afirmar la importancia del agua, para la vida y la calidad de la misma. Igualmente, nadie discute que, en un futuro próximo, este recurso esencial será cada vez más objeto de polémica y atención a todos los niveles, desde el ciudadano y administraciones hasta organismos internacionales y, cómo no, de empresas multinacionales interesadas en el comercio de todo lo relacionado con el aprovisionamiento de agua potable. Importancia y futuro de las tecnologías de depuración de agua La depuración del agua se ha convertido en un proceso no sólo interesante, sino muy importante, tanto que en un futuro próximo será básico, para conseguir que el uso del agua sea un ciclo cerrado sin pérdidas. El objetivo de depurar el agua es optimizar, de una forma racional, los recursos hídricos que disponemos (que son muy escasos) y adecuar, en concreto, su uso en el ámbito industrial. Este uso normalmente conlleva grandes consumos, a la vez que se generan efluentes muy contaminantes que deben ser correctamente tratados. Página 6

7 El caso es que cada año se consume una cantidad enorme de toneladas de agua que, desgraciadamente, en muchos casos no son devueltas al ecosistema con la calidad inicial. Esto provoca desastres medioambientales, un agotamiento continuado de los recursos hídricos y un empeoramiento progresivo de la calidad de las aguas fluviales, que conlleva directamente un grave desequilibrio en el ecosistema. Son necesarias dos medidas importantísimas. En primer lugar, el ahorro y reutilización del agua en la industria. Y en segundo lugar, el tratamiento y la adecuación de estos vertidos. Es decir, disminuir consumos, minimizar residuos y, finalmente, eliminarlos. Necesidad de una herramienta útil y sencilla Es por ello que, una vez evaluada la importancia de la depuración del agua, hemos decidido crear una novedosa herramienta de gran utilidad, que permite evaluar el tratamiento que necesita un determinado tipo de agua residual, dados sus parámetros característicos de entrada y los deseados de salida. Esta herramienta satisface las necesidades básicas de una persona que quiera familiarizarse con la depuración de agua, proveyéndole de una visión general, pero suficiente, del tema, y suministrándole los conocimientos necesarios sobre las tecnologías más importantes de la depuración. Página 7

8 De esta manera, podrá tomar la decisión correcta para cada caso concreto. Y, por supuesto, evaluaremos los costes del proyecto, ya que no sólo debemos ser eficientes tecnológicamente, sino también económicamente. Es decir, el proyecto debe ser viable. Al fin y al cabo, las variables a tener más importantes a tener en cuenta son calidad, tiempo y coste. La novedad de esta herramienta radica en que, a pesar de la extensa bibliografía existente en el mundo del tratamiento del agua, apenas hay información sobre el diseño y la parametrización de las tecnologías. Las empresas guardan este tipo de información y no la comparten con el público, lo que dificulta a quien quiere familiarizarse con el tema recabar el conocimiento necesario. Parece que para obtener una visión general y sólida sobre el tratamiento del agua hay que realizar cursos, másteres o trabajar en una empresa. Por eso, la herramienta desarrollada en este proyecto pretende ser, además, una ayuda para la formación del usuario OBJETIVOS Crear una novedosa herramienta que permita un cálculo sencillo y rápido de: Solución de depuración óptima Página 8

9 Parámetros básicos, técnicos y económicos para el futuro proyecto El alcance del estudio: Tecnologías y fases de depuración que vamos a incluir y analizar en el proyecto: Las básicas e importantes Las que tengan un futuro en el sector Las que resulten viables técnica y económicamente Líneas de tratamiento en las EDAR LÍNEA DE AGUA: Página 9

10 Pretratamiento Desbaste, desarenado y desengrasado. Tratamiento primario Decantación, flotación con aire. Tratamiento secundario Fangos activos, biodiscos, lechos bacterianos/filtros percoladores, lagunas aireadas, oxidación prolongada. Tratamiento terciario Desinfección (O3, Cl, UV) LÍNEA DE FANGOS: Espesamiento de fangos primarios Flotación de fangos secundarios Mezcla de fangos primarios y secundarios Digestión - Tratamientos aerobios -Tratamientos anaerobios: UASB, EGSB. Espesamiento y homogenización de fangos digeridos Página 10

11 Secado de fangos LÍNEA DE GAS 1.4. ENFOQUE Público al que va dirigida la herramienta: Estudiantes Persona que quiera familiarizarse con la depuración de agua Esta novedosa herramienta facilita una visión general, pero suficiente, del tema, y suministra los conocimientos necesarios sobre las tecnologías más importantes de la depuración. De esta manera, se podrá tomar la decisión correcta para cada caso concreto. Y evalúa los costes del proyecto, ya que no sólo debemos ser eficientes tecnológicamente, sino también económicamente. 2. INTRODUCCIÓN A LAS E.D.A.R QUÉ ES UNA E.D.A.R.? Una E.D.A.R. es una Estación Depuradora de Aguas Residuales, que recoge el agua residual de una población o de una industria y, después de una Página 11

12 serie de tratamientos y procesos, la devuelve a un cauce receptor tal como un río, un embalse o el mar POR QUÉ NECESITAMOS UNA E.D.A.R.? Cuando un vertido de agua residual sin tratar llega a un cauce, produce varios efectos sobre él: - Tapización la vegetación de las riberas con residuos sólidos gruesos que lleva el agua residual, tales como plásticos, utensilios, restos de alimentos, etc. - Acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas del cauce, tales como arenas y materia orgánica. - Consumo del oxígeno disuelto que tiene el cauce, por descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua residual. - Formación de malos olores, por agotamiento del oxígeno disuelto del cauce que no es capaz de recuperarse. - Entrada en el cauce de grandes cantidades de microorganismos, entre los que puede haber elevado número de patógenos. - Contaminación por compuestos químicos tóxicos o inhibidores de otros seres vivos (dependiendo de los vertidos industriales). - Aumento de la eutrofización, al portar grandes cantidades de fósforo y nitrógeno OBJETIVOS DE UNA E.D.A.R. Página 12

13 - Eliminación de la materia orgánica. - Eliminación de compuestos amoniacales y con contenido de fósforo (en aquellas que viertan a zonas sensibles). - Transformación de los residuos retenidos en fangos estables, y que éstos sean correctamente dispuestos. - Eliminación de residuos, aceites, grasas, flotantes, arenas, etc., y evacuación a punto de destino final adecuado. - Eliminación de materias decantables, orgánicas e inorgánicas. Las determinaciones analíticas, que siempre se usan en una depuradora para conocer el grado de calidad de su tratamiento, son, entre otras: - Sólidos en suspensión: Corresponden a las materias sólidas de tamaño superior a 1 μm, independientemente de que su naturaleza sea orgánica o inorgánica. Gran parte de estos sólidos son atraídos por la gravedad en periodos cortos de tiempo, por lo que son fácilmente separables del agua residual cuando ésta se mantiene en estanques durante un determinado tiempo de retención. - D.B.O.5 (Demanda biológica o bioquímica del oxígeno): Mide la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar esa agua residual, en un periodo normalizado de 5 días. Cuanto más alto es el valor, peor calidad tiene el agua. - D.Q.O. (Demanda Química de Oxígeno): Es el oxígeno equivalente necesario para estabilizar la contaminación que tiene el agua. Página 13

14 - Nitrógeno: Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residual son las amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos. - Fósforo: Se encuentra presente bien como fósforo total, bien como ortofosfato disuelto ETAPAS DE UNA EDAR Línea de aguas: Pretratamiento Son aquellos procesos de depuración, cuyos principios son netamente físicos, para acondicionar el agua para los tratamientos posteriores, a través de procesos como: -Separación de gruesos: Página 14

15 El agua pasa a través de unas rejas que elimina los residuos de gran tamaño como plásticos, piedras, trapos, etc., que pueden producir averías en procesos posteriores. -Separación de finos: El agua pasa por unas rejas finas o tamices que retienen los sólidos de menor tamaño. Una alternativa a la separación de gruesos y finos es triturarlos y dejarlos en agua. Elude posteriores depósitos, y aumenta la eficacia del tratamiento posterior. -Desarenado y desengrasado: La arena que sedimenta por acción de la gravedad es evacuada a un contenedor. Gracias a unas bombas que inyectan aire (desde el fondo), las grasas y los aceites ascienden a la superficie, donde son recogidas y llevadas a un pozo y bombeadas a un contenedor. El agua que queda en el tanque pasa al tratamiento primario Tratamiento primario Se trata de un conjunto de procesos que separa las partículas en suspensión no retenidas en el pretratamiento. Utiliza procesos fisicoquímicos, que se dividen en dos etapas: -Se añaden productos químicos coagulantes, en tanques de mezcla, donde se agitan enérgicamente por electro agitadores. La Página 15

16 función de los productos químicos es romper el estado coloidal de las partículas. Se forman flóculos de gran tamaño. -El caudal pasa a un decantador primario. Los flóculos grandes sedimentan por sí solos. También hay un electro agitador que se mueve más despacio, y que agrega los microflóculos para que sedimenten. Todo lo sedimentado se lleva a la fase de digestión. En la superficie del decantador primario quedan algunas grasas y materia flotante que pasan a una arqueta Tratamiento secundario Se encarga de reducir la DBO5 de las aguas residuales. El proceso se llama tratamiento biológico. Consiste en la transformación de la materia orgánica, por microorganismos capaces de degradarla biológicamente, en productos no contaminantes. El tratamiento secundario consta de dos bloques: -Reactor biológico: El agua entra en el reactor biológico, se inyecta aire desde el fondo y se consigue que llegue el oxígeno a los microorganismos. Se retiene el agua varias horas. Se forman flóculos bacterianos: la materia orgánica pasa a formar parte de la biomasa bacteriana (proceso lento), que se llevará el decantador secundario. -Decantador secundario: Página 16

17 Los fangos biológicos se decantan, espesándose en el fondo. Se distinguen varios tipos de procesos biológicos, siendo los más importantes: -Fangos activos: Los microorganismos se encuentran en suspensión. Se produce una aireación por turbinas superficiales o difusores de aire. La carga de funcionamiento se elige en función del rendimiento necesario para cumplir los estándares. Se recircula el fango necesario para mantener la carga másica adecuada. Con la recirculación de fangos activos, se consigue concentrar los microorganismos hasta valores muy altos, y se acelera el proceso (20%). -Biodiscos: Son cultivos fijos. Constan de un tanque de agua residual, de forma semicircular, en el que gira un cilindro de material plástico. Se crea una capa bacteriana en la superficie del plástico, que se airea y moja con el agua residual alternativamente al girar el cilindro. -Lechos bacterianos/filtros percoladores: Son cultivos fijos, que se basan en el crecimiento de una capa bacteriana en la superficie de un medio aireado. El agua residual se riega por aspersión sobre el lecho. Página 17

18 Se usan para residuos de baja carga orgánica. -Lagunas aireadas: Estanques artificiales de tratamiento de aguas residuales, para que sean tratadas mediante un proceso biológico de descomposición de la materia orgánica, en el cual se suple el abastecimiento de oxígeno por aireación mecánica o difusión de aire comprimido. Es una simplificación del proceso de lodos activados Tratamiento terciario -Cloración: Se utiliza para la desinfección del agua residual, y también para el control de los malos olores. -Ozonización: Es necesaria para el control de los agentes responsables de la producción de sabores, olores y colores. El ozono es un oxidante extremadamente reactivo, que desintegra la pared celular de las bacterias. Su efectividad es superior a la del cloro. -Radiación ultravioleta: Es un eficaz bactericida y virucida, y no contribuye a la formación de compuestos tóxicos. Página 18

19 2.4.2.Línea de fangos: Espesamiento Se espesan los fangos primarios. Consiste en pasar los flóculos por unos tamices. Se realiza en una cuba con un peine giratorio, cuya labor es liberar el agua ocluida en los flóculos. Con esto conseguimos que se espesen los fangos, que posteriormente irán a la flotación. El sobrenadante va a cabecera Flotación En este proceso se flotan los fangos secundarios. Consiste en añadir reactivos, agua presurizada y aire al fango, con el fin de ayudar a la tendencia natural de flotar de este tipo de fangos. Se recogen en superficie y pasa a digestión Mezcla de fangos espesados y flotados Los fangos primarios espesados y los secundarios flotados son bombeados a una cámara de mezcla, donde se agitan hasta quedar completamente mezclados Digestión Página 19

20 El objetivo es disminuir el contenido de materia orgánica de los fangos, y eliminar los microorganismos patógenos que contiene. Se puede tratar de un proceso de digestión anaerobia o aerobia, en el que intervienen varios tipos de microorganismos: bacterias productoras de ácidos y bacterias productoras de metano. Las bacterias productoras de ácidos transforman la materia orgánica en productos intermedios. Las bacterias productoras de metano actúan sobre productos intermedios transformándolos en gases y subproductos estabilizados. Los fangos que sedimentan en estos digestores pasan a deshidratación. Este gas se puede usar para generar energía eléctrica mediante cogeneración. Se distinguen dos tipos de digestión: -Reactores aerobios. El digestor trabaja en la fase de mortandad de los microorganismos (fase endógena). El resultado es: fango digerido + CO2 + H2O. Página 20

21 A mayor tiempo de retención, mayor es la eliminación de M. Volátil Ventajas: No da olores. DBO5 del sobrenadante baja. Inconvenientes: Deshidratación más compleja. Mayores costes de mantenimiento (no produce gas). Para poblaciones < habitantes equivalentes. -Reactores anaerobios. La digestión tiene lugar en 3 fases: Licuefacción: Compuestos insolubles pasan a ser más simples y solubles. Fermentación ácida: Conversión en ácidos volátiles. Metanogénesis: Conversión de estos ácidos en CH4+ CO2 y otros productos inertes finales (fango digerido). Ventajas: Deshidratación más fácil. Economía por obtención de gas. Ausencia de olores (herméticamente cerrados). Página 21

22 Se eliminan muchos patógenos. Inconvenientes: Instalación más cara. Equilibrio entre bacterias acidogénicas y metanogénicas. Las metanogénicas son muy sensibles (Tª, ph, metales). El tiempo de retención suele ser mayor que en aerobia Deshidratación de fangos Finalmente, los fangos se deshidratan en varias máquinas de filtrado. El fango, que viene de la digestión, se bombea y se le añade un polielectrolito que se dosifica automáticamente. El fango deshidratado se acumula en un silo. Puede ser reutilizado en agricultura tras su compostaje. Se le llama también biosólido GLOSARIO Carga másica (Cm): Es la relación entre alimento y microorganismos. Es el parámetro de mayor utilidad en el diseño de sistemas de fangos activos. Se calcula como: Página 22

23 Siendo Vr = Volumen del reactor biológico (m3). Carga orgánica (L): Producto de la concentración media de DQO por el caudal medio determinado en el mismo sitio; se expresa en kg/día. Concentración (M): Expresa la cantidad de sólidos, tanto volátiles (70-80%) como no volátiles (30-20%), del efluente, en kg/m3. La carga másica y la concentración están íntimamente ligadas, según el tipo de efluente a tratar: Carga másica Concentración Baja carga 0,05 a 0,1 3a4 Media carga 0,3 a 0,5 2a3 Alta carga 1a2 2 DBO, DBO5: La demanda biológica de oxígeno, también denominada demanda bioquímica de oxígeno, (DBO) es un parámetro que mide la cantidad de materia susceptible de ser consumida u oxidada por medios biológicos que contiene una muestra líquida, y se utiliza para determinar su grado de contaminación. El método se basa en medir el oxígeno consumido por una Página 23

24 población microbiana en condiciones en las que se ha inhibido los procesos fotosintéticos de producción de oxígeno en condiciones que favorecen el desarrollo de los microorganismos. Normalmente se mide transcurridos 5 días (DBO5) y se expresa en mg O2/litro. DQO: La demanda química de oxígeno (DQO) es un parámetro que mide la cantidad de materia orgánica susceptible de ser oxidada por medios químicos que hay en una muestra líquida. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en mg O2/litro. HE (Habitante Equivalente): Es un valor de conversión. Si los habitantes equivalentes están basados en la DBO5, significa que el habitante equivalente está basado en una demanda bioquímica de oxígeno (O2) a cinco días del agua residual correspondiente a 60 gr/(hab día). Se calcula como: HE (hab) = Índice de Mohlman o índice volumétrico del fango (IM): Se define como el volumen (en ml) ocupado por 1 gramo de fango sedimentado después de decantar 30 minutos en una probeta de 1 litro. Es un parámetro de sedimentabilidad. SST: Página 24

25 Son los sólidos sedimentables totales. Se dividen en SSV (sólidos sedimentables volátiles), que suponen el 70-80%, y SSNV (no volátiles). SSLM o MLSS: Sólidos en suspensión del líquido (también llamado licor) mezcla (kg/ m3). 3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO ESQUEMA GENERAL DE UNA EDAR El agua de origen natural es contaminada por la actividad humana por lo que debe ser depurada, en estaciones depuradoras de aguas residuales, para conseguir la calidad establecida en la normativa actual. Una depuradora de aguas residuales domésticas convencional consta de tres líneas de tratamiento. La más importante es la línea de agua, donde se elimina la mayor parte de la contaminación, tanto la soluble como la insoluble, mediante diferentes procesos físicos, a veces químicos y biológicos. La contaminación extraída es tratada en la segunda línea en orden de importancia que es la línea de fangos. Finalmente, como subproducto de la línea de fangos se produce biogás que es utilizado como combustible para el calentamiento del fango o para la generación de energía eléctrica. Línea de agua Tiene como objetivo la reducción de la contaminación existente en el agua residual hasta los límites marcados en la legislación vigente. Página 25

26 El primer proceso que nos encontramos es la obra de llegada y elevación donde se consigue elevar el influente a una cota suficiente, para pasar por gravedad por los demás procesos unitarios de depuración hasta el punto de vertido al cauce receptor. Para ello consta de un sistema de elevación mediante bombeo que suele estar protegido por una reja de predesbaste de amplia luz de paso. El siguiente proceso es el pretratamiento donde, mediante procesos físicos, se eliminan los sólidos gruesos las arenas y las grasas. Está constituido por un sistema de desbaste mediante rejas o tamices y un desarenador-desengrasador. A partir de estos procesos, los sólidos poseen un tamaño inferior a 200 micras. A continuación nos encontramos con el tratamiento primario, que tiene como objetivo la eliminación de la mayor parte los sólidos en suspensión, hasta un tamaño de 0,45 micras. Generalmente se realiza mediante decantadores primarios por gravedad que pueden ser circulares o Página 26

27 rectangulares. Los sólidos decantados se almacenan en el fondo del decantador desde donde se envían a la línea de fangos. El último proceso de depuración es el tratamiento secundario, donde se elimina la materia soluble, fundamentalmente de naturaleza orgánica, hasta alcanzar los límites de vertido. Lo constituye un tratamiento biológico seguido por una decantación secundaria siendo el proceso más usual el denominado fangos activos. Los fangos en exceso también son enviados a la línea de fangos. Línea de fangos La línea de fango tiene como objetivo la retirada de los mismos que se han generado en la línea de agua. La finalidad de esta línea es reducir el volumen para abaratar los costes de transportes en su evacuación y minimizar en su mayor parte la cantidad de microorganismos existentes en el fango al estabilizar los mismos. El aprovechamiento de los fangos es una práctica que se empieza a extender, ya que pueden servir de abono previo a un tratamiento de compostaje. En dicho tratamiento se procede a fermentar el fango y a mezclarlo con algún material inerte que genere una reacción exotérmica que deje al fango sin actividad biológica. ETAPAS DEL TRATAMIENTO EN LA LÍNEA DE AGUA 1. Página 27

28 OBRA DE LLEGADA Y ELEVACIÓN La primera zona de tratamiento que nos encontramos en una EDAR es la denominada Obra de llegada y elevación. Su función fundamental consiste en realizar un tratamiento previo del agua residual influente con el objetivo de eliminar los sólidos más gruesos y los excedentes de arenas, que pueden dañar equipos de procesos posteriores. Además, debido a que los colectores de saneamiento suelen ir enterrados y, por tanto, a cotas inferiores de la cota de vertido final, en esta zona también se implanta el sistema de bombeo de agua residual, siempre que sea necesario. Estación de bombeo Con la instalación de una estación de bombeo en la entrada de una EDAR se hace más necesaria la implantación de elementos de protección de Página 28

29 los equipos de impulsión. Teniendo en cuenta estas consideraciones los elementos básicos que constituyen la obra de llegada y elevación de una EDAR son: COMPUERTA DE AISLAMIENTO Siempre es recomendable colocar un elemento que aísle el colector de entrada de las aguas residuales de la EDAR. El objetivo viene dado para facilitar las operaciones de explotación y mantenimiento en la obra de llegada. Se debe instalar con accionamiento motorizado para agilizar su apertura y cierre cuando sea necesario, realizando estas operaciones visualizando el equipo. Página 29

30 Actualmente, dado el ambiente excesivamente agresivo que nos encontramos en las instalaciones de depuración, sobre todo por las concentraciones de sulfuro de hidrógeno con elevado grado de humedad, estos equipos se están construyendo en acero inoxidable. De esta forma se evitan ataques por corrosión y se alarga su vida técnica POZO DE GRUESOS Es el primer elemento de eliminación de contaminación que nos podemos encontrar en una EDAR. Se diseña cuando se espera encontrar en el agua residual, debido a las características del vertido o al diseño de los colectores, elevada cantidad de sólidos de gran tamaño y excesivas arenas. Se ubica en la zona de entrada y es importante que su sección tenga forma tronco-piramidal con las paredes inclinadas, para evitar acumulación de sólidos y arenas en los laterales y esquinas y poder extraer de manera efectiva la mayor cantidad de residuos. Página 30

31 Pozo de gruesos Para la extracción de los residuos se instala un equipo denominado cuchara bivalva, que es accionado mediante un motor electrohidráulico. Su manejo es generalmente manual, introduciéndolo el personal periódicamente en posición abierta hasta el fondo del pozo, donde se cierra para recoger los residuos. Posteriormente es elevada y tras dejar reposar un tiempo para eliminar el agua, dichos residuos son depositados en un contenedor de almacenamiento mediante un polipasto motorizado. Se diseña estableciendo un tiempo de retención hidráulico que permita la decantación de los sólidos gruesos y las arenas, a partir del cual se determina su volumen. Página 31

32 Hay que tener en cuenta que las paredes laterales deben tener una inclinación que facilite la acumulación de residuos y arenas en la zona inferior. También suelen diseñarse con las esquinas achaflanadas y el fondo curvo para evitar acumulación de residuos en las partes perimetrales BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES Cuando el colector de llegada del agua residual circula a una cota inferior a la necesaria, es necesario instalar un sistema de elevación a la entrada de la EDAR, para que, una vez canalizada el agua por toda la línea de tratamiento, pueda verterse por gravedad. Suele dotarse de grupos de bombeo capaces de impulsar el caudal máximo de diseño de la instalación dejando un equipo de reserva. En la actualidad su funcionamiento suele ser automático con la instalación de variadores de frecuencia que comandan los equipos para introducir un caudal de entrada teniendo en cuenta que el nivel del colector no sea muy elevado. Este hecho produce sensibles mejorías en el proceso de depuración y en el control y explotación de la EDAR, dado que permite laminar los caudales punta que tantas dificultades pueden ocasionar. La estación de bombeo se diseña teniendo en cuenta el caudal a elevar y el tiempo de funcionamiento de los equipos previsto. Para establecer el número de bombas también hay que considerar que debe existir una bomba de reserva. El segundo dato necesario para el diseño de la estación de bombeo será la altura a elevar, que vendrá dada por la altura geométrica más las Página 32

33 pérdidas de carga de las conducciones, obteniéndose así la altura manométrica. Para el cálculo del pozo de bombeo se tendrá en cuenta la capacidad de la bomba (doble del caudal medio) y el número de arranques horario, que no debe superar los seis. También se tendrá en cuenta las medidas y el número de bombas a instalar, la altura necesaria de la lámina de agua sobre el pozo y el tiempo de retención en el mismo, que puede situarse entre los 3 y los 5 minutos aproximadamente PRETRATAMIENTO Una vez se ha llevado a cabo la elevación, las aguas residuales se someten a un proceso denominado Pretratamiento, que comprende diferentes operaciones físicas que tienen como finalidad separar las materias de mayor tamaño, las arenas y las grasas. A título orientativo se establece que en este proceso se eliminan los sólidos con un tamaño superior a 200 μm y la mayor parte de las grasas. Página 33

34 Son procesos muy importantes por lo que debe cuidarse su diseño y explotación dado que defectos de origen o de funcionamiento pueden provocar fallos en los procesos unitarios de tratamiento posteriores como son: - Obstrucciones en bombas o tuberías - Desgaste de equipos por el efecto abrasivo de las arenas - Formación de costras en la digestión anaerobia por una mala eliminación de grasas - Depósito de arenas en el fondo de digestores anaerobios Página 34

35 - Reducción de la eficiencia del proceso biológico por exceso de entrada de materias grasas Las operaciones de pretratamiento más usuales que nos podemos encontrar en una EDAR son: DESBASTE DE REJAS DE GRUESOS Y FINOS Como primer proceso del pretratamiento nos encontramos con el desbaste donde se incluyen las operaciones que tienen como principal objetivo la separación de los residuos sólidos de gran tamaño tales como plásticos, ramas, pequeñas piedras, papeles, etc aunque, actualmente, también se pretende la eliminación de residuos de menor tamaño, con la inclusión de los tamices de láminas autolimpiantes. Página 35

36 Con la inclusión de las rejas de gruesos y finos y los tamices se consigue una sensible mejora en el funcionamiento de procesos posteriores evitándose atascos y la acumulación de sólidos contaminantes en otros elementos y, por tanto, la disminución de la eficacia de depurativa. Los equipos que nos encontramos en el desbaste se pueden clasificar en: REJAS DE LIMPIEZA MANUAL Son instaladas en EDAR de pequeñas comunidades aunque, actualmente, se tiende a instalar equipos de limpieza automática para facilitar las operaciones y reducir al máximo los trabajos manuales. Se instalan generalmente con un ángulo de inclinación de 70º y se fabrican con barrotes de 10 mm de anchura por 50 mm de profundidad, con una longitud menor de tres metros para que pueda procederse a su limpieza a mano. Los sólidos recogidos suelen depositarse en una cesta de chapa perforada para separar los escurridos. Página 36

37 3.2.3.REJAS DE LIMPIEZA AUTOMÁTICA Son rejas equipadas con un peine móvil que periódicamente limpia la reja bien por la cara anterior o bien por la cara posterior. Estos sistemas de limpieza se accionan mediante cadenas, cables o sistema hidráulico. Los residuos extraídos se descargan sobre cintas o tornillos transportadores hasta una prensa compactadora (que en la actualidad suele llevar un sistema de lavado de residuos) y finalmente son depositados en un contenedor de residuos para su traslado a vertedero controlado. Página 37

38 Las rejas de limpieza automática suelen ser rectas y pueden tener una altura de hasta 10 m de longitud. En función de la separación entre barrotes tenemos rejas de gruesos, con luz de paso de 25 a 100 mm, y rejas de finos, con luz de paso de 10 a 25 mm. El funcionamiento del limpiarrejas es automático mediante temporización y suele disponerse un sistema (sonda de máximo nivel) que al detectar una subida del nivel de agua acciona el funcionamiento en continuo del equipo hasta desactivarse la medida de nivel. Por tanto, es un sistema combinado de temporización y pérdida de carga. Los parámetros de diseño en el cálculo de las rejas y los tamices son velocidad de paso entre barrotes y ancho del canal. A continuación se muestran las principales características a tener en cuenta en el proyecto de instalaciones de rejas. Página 38

39 Características Tamaño de los barrotes Anchura (mm) Profundidad (mm) Luz entre barrotes (mm) Pendiente en relación a la vertical (grados) Velocidad de aproximación (m/s) Pérdida de carga admisible (mm) Limpieza Manual Limpieza Automática , , ,3-0, ,6-1,1 150 El canal donde se ubica la reja se debe proyectar de modo que se evite la acumulación en el mismo de arenas y demás materias pesadas, tanto antes como después de la reja. Para ello habrá que prestar especial atención a la pendiente y a la velocidad de aproximación del agua por el canal. La pendiente deberá ser horizontal o descendiente en la dirección de circulación a través de la reja, sin baches o imperfecciones en las que puedan quedar atrapados algunos sólidos. Preferiblemente el canal deberá ser recto y perpendicular a la reja, con la finalidad de conseguir una distribución uniforme de sólidos en el flujo y la reja. Para reducir al mínimo la decantación de sólidos en el canal, se recomiendan velocidades de aproximación superiores a 0,4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso a través de las barras no deberá ser superior a 0,9 m/s para evitar el arrastre de basuras a través de las rejas. En la mayoría de las plantas se suele disponer de un mínimo de dos unidades de rejas automáticas de modo que sea posible dejar una de ellas fuera de servicio para realizarse labores de mantenimiento. Siempre es conveniente la instalación de compuertas de canal aguas arriba y abajo de cada reja, de modo que sea posible dejar la unidad en seco. Si sólo se instala Página 39

40 una unidad, es imprescindible incorporar un canal de bypass con una reja de limpieza manual para su uso en casos de emergencia. El proceso de cálculo requiere determinar el número de canales que son necesarios para mantener los parámetros citados. Limpia rejas automático TAMIZADO Con el objetivo de desarrollar la misma función pero eliminando partículas de menor tamaño, se tiende actualmente a la instalación de tamices, provistos de una malla fina. Además, es típica la instalación de tamices en Página 40

41 EDAR de pequeñas poblaciones que se diseñan con procesos de aireación prolongada y sin decantación primaria. El tamizado consiste, en definitiva en una filtración sobre un soporte mucho más delgado que unas rejas a las que puede sustituir o complementar afinando su función. Normalmente las aberturas de los tamices oscilan entre 1 y 6 mm. El uso de estos tamices queda únicamente limitado por la pérdida de carga que introducen, superior a la de las rejas. Existen básicamente tres tipos de tamices, rotativos, estáticos y de escalera móvil. Los tamices rotativos están provistos de una malla filtrante de eje horizontal, donde son retenidos los sólidos y extraídos mediante rasqueta hasta el sitema de transporte. Tienen una elevada pérdida de carga. Página 41

42 Los tamices estáticos poseen una malla filtrante de sección triangular con una inclinación que va disminuyendo desde los 65º hasta los 45º para conseguir la separación y extracción de los sólidos. Suelen ir precedidos de un bombeo dada su elevada pérdida de carga y necesitan operaciones periódicas de limpieza manual. Tamices de escalera y deslizantes están constituidos por mallas filtrantes fijas que mediante determinados mecanismos elevan los residuos retenidos hasta la zona de descarga. Poseen una pérdida de carga menor de 0,5 m. Para el diseño del canal donde se ubican los tamices se siguen los mismos criterios descritos para el desbaste con rejas DESARENADO El desarenado tiene como objetivo eliminar partículas más pesadas que el agua, que no se hayan quedado retenidas en el desbaste, y que tienen un tamaño superior a 200 micras, sobre todo arenas pero también otras sustancias como cáscaras, semillas, etc. Con este proceso se consiguen proteger los equipos de procesos posteriores ante la abrasión, atascos y sobrecargas. Página 42

43 Existen tres tipos de desarenadores fundamentales: desarenadores de flujo horizontal, desarenadores de flujo vertical y desarenadores de flujo inducido. Los desarenadores de flujo horizontal son utilizados en instalaciones de pequeñas poblaciones y consisten en un ensanchamiento del canal del pretratamiento de forma que se reduzca la velocidad de flujo y decanten las partículas. Debe diseñarse con un canal paralelo para proceder a su limpieza que se realiza manualmente. Suelen instalarse con un canal Parshall a la salida que permite al mismo tiempo mantener la velocidad constante y medir el caudal. Los desarenadores de flujo vertical se diseñan mediante tanques que tienen una velocidad ascensional del agua tal que permite la decantación de Página 43

44 las arenas pero no caen las partículas orgánicas. Suelen ser depósitos troncocilíndricos con alimentación tangencial. Los desarenadores de flujo inducido son de tipo rectangulares aireados. En estos equipos se inyecta aire por medio de grupos motosoplantes creando una corriente en espiral de manera que permite la decantación de las arenas y genera una corriente de fondo. Además el aire provoca la separación de las materias orgánicas. De esta forma, dado que el depósito está aireado y se favorece la separación de la materia orgánica, se reduce la producción de malos olores. La separación de las arenas puede ser manual o por medio de hidrociclón, en plantas de pequeño tamaño. En plantas mayores se instalan sistemas de separación mediante tornillos de arquímedes o mediante clasificador alternativo de rastrillos o de vaivén. Éstos dos últimos lavan las arenas y vuelven a disminuir su contenido en materia orgánica. Página 44

45 Dos técnicas son la base de los procedimientos utilizados en la separación de arenas: La separación natural por decantación en canales o depósitos apropiados y la separación dinámica por procesos utilizando inyección de aire o efectos de separación centrífuga. La separación natural requiere una constancia absoluta en el paso del agua. El diseño más complejo corresponde al canal aireado: El aire que se inyecta provoca una rotación al líquido (trayectoria horizontal) y crea una velocidad constante de barrido de fondo, perpendicular a la velocidad de paso, la cual puede entonces variar sin inconvenientes. El aire inyectado, además de su papel motor, favorece, por su efecto de agitación, la separación de la materia orgánica que puede quedar adherida a las partículas de arena. Los difusores de aire se sitúan en uno de los laterales del tanque a una distancia entre 0,5 y 0,9 m sobre el suelo. Para el control hidráulico del elemento y para mejorar la eficacia en la eliminación de arenas se suelen usar deflectores tanto en la entrada como en la salida de agua. La sección transversal del canal es semejante a la de los tanques de aireación de los fangos activos de circulación espiral con la excepción de que se incluye un canal de recogida de arenas de unos 0,9 m de profundidad, con paredes laterales muy inclinadas que se ubica a lo largo de un lateral del depósito, bajo los difusores de aire. La sección transversal de un desarenador aireado será: Página 45

46 Los parámetros de diseño más importantes son: Parámetro No aireados Carga hidráulica Velocidad horizontal Tiempo de retención Longitud Circulares Carga hidráulica Velocidad periférica media Tiempo de retención Aireados Carga hidráulica Velocidad horizontal Tiempo de retención a caudal Valor Intervalo <70 m3/m2/hora (a Qmáx) 0,24-0,40 0,3 m/s s 60s veces la altura de la lámina de agua <70 m3/m2/hora (a Qmáx) 0,3-0,4 m/s 0,5-1 min (a Qmáx) <70 m3/m2/hora (a Qmáx) <0,15 m/seg 2-5 min punta Relación longitud anchura Profundidad Relación anchura-profundidad Longitud Anchura Suministro de aire Valor 3 3:1 a 5:1 4:1 2-5m 1:1 a 5:1 1,5:1 7,5 a 20 m 2,5 a 7 m 0,20-0,60 m3/min 0, DESENGRASADO Sistema que tiene por finalidad la eliminación de grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que el agua para evitar interferencias Página 46

47 en procesos posteriores. De esta forma se evita la sobrecarga de las siguientes unidades de tratamiento y la aparición de organismos filamentosos en los sistemas biológicos. Los desengrasadores pueden ser independientes del desarenador cuando se necesita un rendimiento muy elevado de eliminación de grasas. Se diseñan normalmente aireados y suelen instalarse para la depuración de aguas residuales industriales. Página 47

48 Los desengrasadores se diseñan por lo general conjuntamente con el desarenador aireado, creándose una zona tranquilizadora donde se acumulan las grasas que se extraen al final del canal a través de un vertedero o una compuerta. Las grasas extraídas son concentradas por medio de un concentrador de grasas o desnatador que por medio de un tornillo de transporte las deposita en un contenedor de almacenamiento. Las grasas crean muchos problemas en la técnica de la depuración de aguas residuales, especialmente en las rejas de finos donde causan obstrucciones que aumentan los gastos de conservación, en los decantadotes donde forman una capa superficial que dificulta la sedimentación al atraer hacia la superficie pequeñas partículas de materia orgánica, en la depuración por fangos activos en la que empeora la correcta aireación disminuyendo el coeficiente de transferencia al 55-70% al subir las grasas de 0 a 70 mg/l y Página 48

49 participan en la producción de bulking, perturban el proceso de digestión de lodos, la D.Q.O. se incrementa en un 20 a un 30% por las grasas contenidas en los vertidos. El sistema más comúnmente utilizado para la eliminación de grasas se lleva a cabo por insuflación de aire para desemulsionar las grasas permitiendo su ascenso a la superficie y su retirada. La velocidad ascensional de las burbujas de grasa puede estimarse entre 3 y 4 mm/s. Las grasas en superficie se retiran mediante rasquetas superficiales. El desengrasado en aguas urbanas es indispensable y suele instalarse de manera combinada con el desarenado, alternativa que presenta las siguientes ventajas: Página 49

50 - Las velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las partículas de grasa no se modifican prácticamente por realizar el desarenado y la desemulsión de grasas en el mismo depósito lo cual es lógico si se considera la diferencia de densidades entre las partículas de arena y grasa. - El aire comprimido añadido para la desemulsión ayuda a impedir la sedimentación de las partículas de fango, poco densas por lo que la arena depositada en el fondo del desarenador es más limpia. - Las partículas de arena, al sedimentar, deceleran las velocidades ascensionales de las partículas de grasa. Disponen así éstas de más tiempo para ponerse en contacto entre sí durante su recorrido hacia la superficie, aumentándose el rendimiento de la flotación de grasas. En el sistema conjunto, en el mismo tanque de desarenado se crea una zona de tranquilización donde se acumulan las grasas en la superficie, evacuándose por vertedero o por barrido superficial. En estas condiciones los parámetros de diseño del desarenado-desengrasado serán: Parámetro Valor Intervalo Carga hidráulica (Velocidad ascensional) Tiempo de retención Caudal de aire introducido Valor <35 m3/m2/hora (a Qmáx) min (a Qmed) 0,5 a 2 m3/h por m3 de capacidad del desengrasador La figura siguiente muestra un ejemplo de un desarenadordesengrasador conjunto tipo: Página 50

51 3.3. TRATAMIENTO PRIMARIO Una vez ha pasado el agua residual por el pretratamiento, donde se han eliminado los sólidos más gruesos, sólidos finos hasta las 200 micras, arenas y grasas, el siguiente proceso de depuración es el tratamiento primario. El objetivo fundamental de este proceso es continuar eliminando sustancias insolubles (sólidos en suspensión) por métodos puramente físicos, es decir por acción de la fuerza de la gravedad. Página 51

52 Si no existen grandes variaciones estacionales y el objeto de depuración son aguas residuales urbanas, el tratamiento primario consistirá en una decantación. De esta forma se consiguen unos rendimientos de eliminación de DBO5 del 25-35% y de sólidos en suspensión del 50-65%. Para atender a casos de grandes variaciones de caudal, fuertes puntas de contaminación, etc. puede instalarse un tratamiento físico-químico acompañado obligatoriamente de la decantación. En estos casos, se obtienen rendimientos del % en DBO5 y del 65-75% en SS con adición de polielectrolito, si se trabaja con sales metálicas el rendimiento es aún mayor llegando al % en DBO5 y al 85-90% en SS. Son procesos simples donde se obtiene un rendimiento depurativo a un bajo coste, de ahí su principal importancia. Deficiencias en su Página 52

53 funcionamiento pueden producir disfunciones en el tratamiento biológico tales como: - Sobrecarga por bajo rendimiento del tratamiento primario - Proliferación de organismos filamentosos por sobrecarga o pro mala eliminación de sobrenadantes El diagrama del proceso puede ser: Las operaciones de decantación primaria más usuales que nos podemos encontrar en una EDAR son: DECANTACIÓN PRIMARIA Proceso en el cual se elimina un 65% de los sólidos en suspensión del agua residual de entrada. Dado que en la composición de dichos sólidos hay materia orgánica, su eliminación lleva asociada una reducción de la DBO5 de entrada de aproximadamente el 35%. Página 53

54 Los elementos fundamentales en todo decantador son: a) Arqueta de reparto: Cuando la instalación consta de varias unidades, se acostumbrará a disponer los tanques en grupos de dos o cuatro unidades. El caudal se divide entre los diferentes tanques mediante una arqueta de reparto situada entre ellos. b) Campana de reparto: es por donde entra el afluente. Deben proyectarse de forma tal que toda la corriente de alimentación se difunda homogéneamente por el tanque desde el primer momento. En los tanques circulares, el sistema de flujo es radial (a diferencia del flujo horizontal que se da en los tanques rectangulares). Para conseguir este Página 54

55 sistema de flujo radial, el agua residual a decantar se introduce por el centro o bien por la periferia del tanque. Ambas consideraciones de flujo han proporcionado por lo general, resultados satisfactorias, a pesar de que el sistema más comunmente empleado es el de introducir el agua por el centro. En el diseño de la alimentación central, el agua residual se transporta hacia el centro del tanque mediante una tubería suspendida del puente o embebida en hormigón por debajo de la solera. En la zona central, el agua residual pasa por una campana circular diseñada para distribuir el flujo uniformemente en todas direcciones. La campana central tiene un diámetro que suele variar entre el 15 y el 20% del diámetro total del tanque, con una profundidad que varía entre 1 y 2,5 m. En el diseño de alimentación perimetral, existe un deflector circular suspendido a corta distancia del muro del tanque, formando un espacio anular en el que se descarga el agua residual en dirección tangencial. Página 55

56 c) El puente decantador: gira lentamente (v<120 m/h) y puede tener dos o cuatro brazos equipados con rascadores de fondo. Los puentes también incluyen rascadores superficiales para la eliminación de espumas. Página 56

57 d) Deflectores: Suelen colocarse a la entrada y salida de la balsa sirviendo, el primero, para conseguir una buena repartición del caudal afluente y el segundo para retención de sustancias flotantes, grasas y espumas. e) Vertedero de salida: Su nivelación es muy importante para el funcionamiento correcto de la clarificación. Por otro lado para no provocar levantamiento de los fangos sedimentados, la relación del caudal afluente a la longitud total de vertido debe ser menor de m3/m2/m. f) Características geométricas: Las relaciones entre ellas deben ser las adecuadas para la sedimentación de los tipos de partículas previstas. El cróquis adjunto muestra la sección de un decantador circular tipo: Página 57

58 Los parámetros principales a tener en cuenta para el diseño de un decantador primario son: - Tiempo de retención: Se define como el volumen del tanque de decantación dividido por el caudal. Decantación Primaria A caudal medio A caudal máximo Tiempo de retención (h) Valor mínimo 1,5 1,0 Valor típico 2,0 1,5 Valor máximo 3,0 2,0 - Carga Superficial o Velocidad Ascensional: Se define como el caudal de agua a tratar dividido por la superficie del tanque de sedimentación. Decantación Primaria Decantadores circulares A caudal medio A caudal máximo Decantadores rectangulares A caudal medio A caudal máximo Carga Superficial (m3/m2.h) Valor mínimo Valor típico Valor máximo 1 2 1,5 2, ,8 1,8 1,3 2,2 1,8 2,6 Página 58

59 - Velocidad de arrastre: es importante en las operaciones de decantación. Las fuerzas actuantes sobre las partículas sedimentadas son causadas por la fricción del agua que fluye sobre las mismas. En las redes de alcantarillado, es necesario mantener velocidades suficientemente elevadas para que las partículas no puedan sedimentar. En los tanques de decantación las velocidades horizontales se deben mantener a niveles bajos, de modo que las partículas no sean arrastradas desde el fondo del tanque. Los parámetros para el diseño de un decantador primario convencional son: DECANTACIÓN PRIMARIA Parámetros de diseño Qmed Qmáx Carga superficial (m3/m2/h) Tiempo de retención hidráulica (h) Carga máxima sobre vertedero (m3/h/m 1,3-2,0 >2 <40 3,4-5,1 <1 lineal) Calado en la vertical del vertedero (m) Reducción de SS (%) Velocidad máxima sistema de arrastre de 2,5-3,5 >65 Circulares: 120 m/h (perimetral) fangos (m/h) Rectangulares: 60 m/h (circular) Sistema de recogida superficial y evacuación de espumas y flotantes, que nunca se incorporarán a línea de agua Los fangos no estarán retenidos más de 5 horas. Su extracción será regulable mediante temporizadores Se incluirá un by-pass a biológico Página 59

60 3.3.2.EXTRACCIÓN DE FANGO PRIMARIO Los sólidos que se eliminan en el tratamiento primario son decantados y arrastrados hasta una poceta y de ahí hasta la arqueta de fango primario desde donde se bombean al espesador de gravedad. El modo de funcionamiento generalmente es purgando mediante válvulas motorizadas a la arqueta de bombeo que funciona por medio de sondas de nivel. Se debe conocer o estimar el volumen de fango producido en los tanques de decantación primaria, de modo que el proyecto y dimensionamiento de los tanques, junto con las instalaciones de tratamiento y eliminación del fango se puedan llevar a cabo correctamente TRATAMIENTO SECUNDARIO TRATAMIENTO BIOLÓGICO: PRINCIPALES TIPOS Página 60

61 Los tratamientos biológicos tienen como principal objeto la eliminación de la materia orgánica de las aguas residuales. Otros usos, no menos importantes son: a) Eliminación de N2 por medio de la oxidación del nitrógeno amoniacal, nitrificación-desnitrificación. b) Eliminación del fósforo. c) Eliminación de patógenos (balsas de maduración en lagunas). d) Eliminación de metales y tóxicos (uso de macrófitos, jacinto de agua o el carrizo). La materia orgánica es eliminada del agua por acción de los seres vivos, que la emplean como fuente de alimento, produciendo nueva materia celular además de obtener la energía necesaria para su supervivencia. En función de la fuente de carbono utilizada se clasifican en autótrofos (carbono mineral) y heterótrofos (carbono como materia orgánica). En los procesos biológicos intervienen todo tipo de organismos, según las condiciones de operación de la instalación y el influente, se producirá el predominio de un tipo frente a otro. Una vez, el sistema biológico, asimila la Materia Orgánica (M. O.) presente en el agua residual, podemos decir que el problema se reduce a un problema de separación de sólidos del agua. Página 61

62 Para conseguir este objetivo se emplean diversos sistemas. En general, se emplean procesos físicos: decantación, filtros y membranas. Por último comentar que el control de la presencia de sustancias tóxicas en los efluentes finales y la falta de recursos hídricos hacen necesario optimizar, cada vez más, los procesos hasta límites capaces de garantizar aguas de calidad en las cuencas receptoras. Los procesos biológicos comprenden varios tipos de tecnologías que emplean características específicas de cada tipo de microorganismo para conseguir la eliminación de la contaminación presente en las aguas. Los más ampliamente utilizados son los procesos Aerobios PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS DESCRIPCIÓN Son procesos que se realizan mediante microorganismos, que actúan sobre la materia orgánica (MO) e inorgánica, suspendida, disuelta y coloidal existente en el agua residual, que, en presencia de oxígeno, la transforman en gases y materia celular, que se pueden separar fácilmente mediante sedimentación. Una ecuación general que describe el proceso podría ser la siguiente: M. O. + µ-organismos + Nutrientes + O2 ----> Nuevos µ-organismos + Productos finales + Energía Página 62

63 En el proceso se producen dos tipos de reacciones: una de Síntesis y otra de Oxidación. Síntesis (o Asimilación): En esta reacción se incorpora una parte de la MO al protoplasma de los microorganismos, dando lugar a nuevos µorganismos. La otra parte de MO se utiliza para la producción de la energía necesaria. M.O. + µ-organismos + Energía + O2 ----> Nuevos µ-organismos Oxidación y Respiración endógena: Se produce la auto oxidación del protoplasma celular. En el proceso se liberan los nutrientes usados en la síntesis, lo que permite nuevas fases de asimilación. La reacción indica que la masa orgánica disminuye y tiende a cero. C5H7O2N +5O2 ----> 5CO2 +2H2O + NH3 + Energía Página 63

64 MICROORGANISMOS MÁS IMPORTANTES En este proceso intervienen una gran diversidad de microorganismos que constituyen un ecosistema con identidad propia dentro del reactor. Del estudio de este ecosistema se obtiene información de gran importancia que permitirá realizar un adecuado control del sistema. Los principales microorganismos presentes en un proceso Aerobio de fangos activos son: BACTERIAS: Constituyen el 95% de la biomasa (formadoras de flóculo, filamentosas, nitrificantes, etc.) HONGOS: Son poco comunes en los sistemas de tratamientos de aguas residuales urbanas. Su presencia en abundancia se asocia, por lo Página 64

65 general, a condiciones de ph demasiado bajos. Pueden ser usuales en procesos industriales. PROTOZOOS: Son heterótrofos, y se encuentran libremente en la naturaleza, son predadores de las bacterias, son: Flagelados, Rizópodos (Amebas), Ciliados (pedunculados, libre nadadores, libres reptantes, suctores, etc.). ALGAS: Su importancia estriba, no tanto por su capacidad de depuración sino por su capacidad fotosintética, aportando oxígeno. Por ser autótrofas permiten el aumento de la M. O. sintetizando el carbono mineral. METAZOOS: Son animales pluricelulares, muy abundantes en los sistemas que emplean soporte fijo. Se alimentan de sustrato y de bacterias. (Rotíferos, Nematodos, Oligoquetos, etc.). FACTORES QUE AFECTAN A LAS REACCIONES DE OXIDACIÓN Las reacciones que se producen en el reactor biológico son afectadas por los siguientes factores: A) Características del sustrato: Determina la capacidad de biodegradabilidad del proceso. B) Nutrientes: Son el N, P, Ca, Mg., Na. Fe, MO, S, etc., son fundamentales para el desarrollo de los µ-organismos. Un buen equilibrio con respecto al contenido en N y P es: Página 65

66 43 g de N / Kg. DBO5 eliminado 6 g de P / Kg. DBO5 eliminado. C) Aportaciones de O2: Son claves para el mantenimiento del sistema aeróbico. Se puede considerar el mantenimiento de concentraciones medias de unos 2,0 mg/l de O2, en el caso de los fangos activados. D) Temperatura: La temperatura influye en las reacciones de oxidación, aumentando cuando crece esta, hasta los 37ºC que desciende bruscamente por degradación de las proteínas del protoplasma celular. KT = K20 e(t-20) KT = velocidad de reacción a T ºC K20 = velocidad de reacción a 20 ºC e = coeficiente de actividad - temperatura (1,0-1,4) T = temperatura en ºC. E) Salinidad: El contenido en sales disueltas no suele ser un problema hasta valores de 3-5 gr/l, siendo problemáticos valores de 5,0 g/l. Si podría ser crítico, en el caso de Página 66

67 fangos activos variaciones bruscas en cortos períodos de tiempo que impidieran una aclimatación del reactor. F) Tóxicos: Son sustancias orgánicas e inorgánicas que a ciertas concentraciones inhiben o impiden los procesos biológicos, actuando sobre las encimas catalizadoras de las reacciones de síntesis. TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS FANGOS ACTIVADOS (CULTIVO EN SUSPENSIÓN SIST. CONVENCIONAL) El agua decantada y el fango activado recirculado entran en el tanque de aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro de aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud de canal. Durante el periodo de aireación, se produce la absorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del fango activado se separan en un decantador secundario AIREACIÓN PROLONGADA El proceso de aireación prolongada es similar al de fangos activados convencional excepto en que funciona en la fase de respiración endógena de la curva de crecimiento, lo cual precisa una carga orgánica reducida y un Página 67

68 largo periodo de aireación. Este proceso se emplea mucho en plantas prefabricadas para pequeñas comunidades LECHOS BACTERIANOS / FILTROS PERCOLADORES En estos procesos, a diferencia de los otros, se emplea un soporte fijo donde se produce el crecimiento bacteriano, el sistema consta de un reactor cilíndrico relleno de material soporte de una gran superficie específica (este material está elaborado en base a materiales plásticos) cuya finalidad es la de servir de soporte a los microorganismos, que crean una biopelícula sobre él. En la parte central se encuentra el distribuidor de agua del tratamiento primario, que está constituido por un brazo diametral perforado que por acción centrífuga gira sobre el material soporte, distribuyendo el agua sobre el mismo. Es necesario mantener aireado el conjunto para permitir la actividad biológica. Esto se consigue creando un tiro de aire desde la base. Página 68

69 Constan de cubas donde se coloca un relleno con gran superficie específica y elevado índice de huecos, sobre el que se desarrolla la película biológica. El agua a tratar se distribuye por la parte superior, y al percolar a través del lecho se va depurando. Los organismos obtienen el O2 necesario para el proceso del aire que circula a través del relleno. Para que el agua se distribuya por toda la superficie del lecho de la forma más uniforme posible, se usan distribuidores fijos ó móviles si los lechos son rectangulares, o bien giratorios si los lechos son circulares. Los distribuidores giratorios funcionan por el principio de acción y reacción, impulsados por la salida del agua, para lo que requieren de una carga hidráulica adicional de 0.5 m. La velocidad de giro varía entre vueltas por minuto, según la carga superficial. La masa filtrante debe tener la mayor superficie posible, para tener la mayor densidad de película biológica, también es necesario un elevado índice Página 69

70 que permita el paso del aire, el agua, y los flóculos que periódicamente se desprenden del medio poroso. Las alturas varían entre m., siendo 2 m. la más usual. El material de relleno puede ser muy variado: naturales como piedra silícea y material artificial como escorias o elementos plásticos fabricados especialmente. El tamaño de las piedras oscila entre cm. de diámetro. Los materiales plásticos pueden reducir el peso en un 95%, duplicar el índice de huecos y, al mismo tiempo, aumentar la superficie específica, aunque su costo es superior. A medida que la película aumenta de espesor, la materia orgánica adsorbida es metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante. La consecuencia de no disponer de una fuente orgánica externa de carbono celular, es que los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante se encuentran en fase de crecimiento endógeno, en la que pierden su capacidad de adherirse a la superficie del medio. En estas condiciones, el líquido, a su paso a través del medio, arrastra la película y comienza el crecimiento de una nueva. Este fenómeno de pérdida de la película biológica es fundamentalmente función de la carga hidráulica y orgánica del filtro. La carga hidráulica origina las velocidades de arrastre y la carga orgánica influye en la velocidad del metabolismo en la película biológica. Página 70

71 BIODISCOS El proceso consiste en una serie de discos (los usados actualmente suelen tener 3 m de diámetro y 1,5 mm de espesor) que giran en torno a un eje horizontal, situados dentro de un recipiente lleno de agua residual. Los discos giran lentamente (1-4 rpm), manteniendo un 40 % de su superficie sumergida. Sobre el soporte se desarrolla gradualmente una película de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia orgánica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al mismo toma el oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual. Se estima que el 95 % de la biomasa activa presente en el sistema se halla adherida, y el resto se encuentra en suspensión. La agitación producida por el giro del soporte dentro del líquido es suficiente para evitar la sedimentación de los lodos en el reactor. El espesor de la película bacteriana activa oscila entre 0,2 mm (para concentraciones bajas de sustrato), y 3 mm (para concentraciones elevadas). El crecimiento bacteriano de la película continúa hasta que llega un momento en que su espesor es tal que se ve muy dificultada la difusión de oxígeno hasta las capas bacterianas más profundas. Estas capas entran en fase de respiración endógena, produciéndose fermentaciones y burbujeo gaseoso. En estas condiciones el esfuerzo cortante producido por la rotación del soporte en el seno del líquido, es suficiente para producir desprendimiento. Se origina así, un lodo que queda en suspensión, y que generalmente se extrae mediante Página 71

72 clarificadores secundarios. Una vez desprendida la porción de película bacteriana, comienza en ese lugar el crecimiento de nueva biomasa y así indefinidamente, regulándose el espesor de la biopelícula de forma natural. El sistema tradicional son los discos paralelos. Los discos se construyen con fundición, asbestocemento, poliestireno expandido, polietileno, PVC y PRFV. Los más difundidos son los de polietileno, corrugados, con diámetros de 3 m, espesores de 1.5 mm y separaciones de mm. para evitar cualquier posible atascamiento. Se han desarrollado también discos no planos, oblicuos, corrugados, en algunos casos soldados con los discos vecinos para lograr mayores superficies de contacto con suficiente rigidez estructural y bajo peso. Con respecto al sistema de propulsión, el más usado es mediante grupos motorreductores que mueven el eje en forma directa o mediante transmisiones mecánicas. En algunas plantas se han instalado sistemas de Página 72

73 propulsión mediante aire comprimido. Esto permite regular fácilmente la velocidad de rotación, dando mayor flexibilidad a la planta. En casos de cargas muy altas, se aplica una aireación suplementaria de la cuba mediante difusores. También se han ubicado los biodiscos en decantadores, convirtiendo la parte superior en reactor biológico, y conservando la función de decantación en la zona inferior LAGUNAJE Las primeras lagunas de estabilización fueron, en realidad, embalses construidos como sistemas reguladores de aguas para riegos, en los cuales se almacenaban los excedentes de agua residual utilizada en riegos directos, sin tratamiento previo. En el curso de este almacenamiento se observó que la calidad del agua mejoraba sustancialmente, por lo que empezó a estudiarse la posibilidad de utilizar las lagunas como método de tratamiento de aguas residuales. Página 73

74 La finalidad de este sistema es degradar la materia orgánica mediante la actividad de bacterias heterótrofas presentes en el medio, es un método natural de tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la autodepuración en ríos y lagos. El tratamiento consiste en el almacenamiento de las aguas residuales durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y las condiciones climáticas, de forma que se favorezca la acción bacteriana. Según la presencia de oxígeno disuelto en las lagunas de estabilización obtendremos diferentes tipos de mecanismos responsables de la depuración, los cuales se pueden clasificar en aerobios, facultativos y anaerobios. Además de esta clasificación básica también se utilizan otras relacionadas con sus características físicas, tales como la profundidad. Ambas clasificaciones están relacionadas, ya que las fuentes de oxígeno disuelto en lagunas son fenómenos de superficie. Estas fuentes de oxígeno son la actividad de las algas microscópicas y la re-aireación a través de la interfase aire-agua. Página 74

75 3.4.2.FANGOS ACTIVADOS-DECANTACIÓN SECUNDARIA DESCRIPCIÓN Página 75

76 Nace en 1882 con los primeros ensayos de aireación de efluentes. La publicación de su definición se realizó en Gran Bretaña por Arden y Lockett en Se trata de la parte más importante de todo el proceso de depuración, y debe entenderse siempre como un único conjunto compuesto por REACTOR BIOLÓGICO-DECANTADORES CLARIFICADORES. En los sistemas convencionales, el agua procede de la decantación primaria, donde se ha eliminado una fracción importante de materia en suspensión y de la DBO de entrada. La entrada al reactor o reactores biológicos se realiza a través de una arqueta de reparto o canal de reparto que distribuye a cada reactor o cuba por medio de compuertas el caudal de entrada necesario. En los sistemas convencionales se hace coincidir el punto de entrada de agua con la recirculación procedente de los clarificadores. Página 76

77 En el reactor se realiza el aporte de oxígeno necesario para producir las reacciones de síntesis y oxidación, generando la biomasa necesaria que se encargará del proceso de eliminación de la contaminación carbonosa y nitrogenada (caso de procesos de nitrificación-desnitrificación). En todo el reactor, y especialmente en la zona final del mismo, se produce la agregación de bacterias floculantes que permitirán una decantación en los clarificadores, obteniendo un clarificado adecuado e el efluente final. Un parte importante del sistema lo constituye la recirculación de fangos de los decantadotes secundarios o clarificadores. Esta permite mantener una concentración adecuada de sólidos en el reactor. Se pueden distinguir dos operaciones distintas: OXIDACIÓN BIOLÓGICA Y SEPARACIÓN SÓLIDO LÍQUIDO. OXIDACIÓN: Se provoca el desarrollo de un cultivo biológico, formado por muchos y diversos µ-organismos que se agrupan en flóculos (fangos activados). Las bacterias se multiplican rápidamente y al principio están libres en el líquido, pero más tarde se aglutinan para formar el floculo. Se considera que la floculación está causada por exopolímeros de origen natural segregados en la superficie celular de las bacterias. Página 77

78 Se considera que este material polimérico se produce en la fase endógena de crecimiento (crecimiento con limitación de carbono). En el reactor biológico, la población bacteriana (Licor Mezcla, MLSS) se mantiene en un determinado nivel, para establecer un equilibrio entre la carga orgánica a eliminar y la cantidad de µ-organismos (Relación F / M). El tratamiento necesita un sistema de aireación y agitación para el aporte del oxígeno y capacidad de homogenización necesario que mantenga la acción depuradora de las bacterias aerobias. SEPARACIÓN SÓLIDO LÍQUIDO: Una vez oxidada la MO, el licor mezcla se envía a un decantador (decantador secundario), para permitir la separación agua- flóculo. De la calidad del flóculo generado se obtendrán mejores condiciones de sedimentación y un clarificado de mayor claridad en efluente final. Página 78

79 Por último, es necesaria realizar una recirculación, a la cabecera del reactor biológico, del los sólidos decantados en los clarificadores secundarios, con el fin de mantener constante la población bacteriana. El excedente de bacterias generado en el proceso se extraen del sistema hacia la línea de fangos, purga de fangos en exceso, para controlar la concentración de µ-organismos presentes en el reactor. DIMENSIONAMIENTO DEL CLARIFICADOR O DECANTADOR SECUNDARIO Los principales factores, a tener en cuenta para el Dimensionamiento de los clarificadores son: 1. Caudales medio y punta Las condiciones de diseño han de basarse en las peores condiciones posibles de caudal (caudal punta), ya que estas podrían dar lugar a pérdida de floculo por el vertedero. Página 79

80 2. Carga hidráulica o velocidad ascensional Se define como el volumen de agua que trata el decantador, por m2 de superficie y por unidad de tiempo (m3/ m2*h). Determina la superficie del decantador. 3. Carga de sólidos Página 80

81 Es la masa de sólidos en suspensión que trata el decantador por m2 de superficie y por unidad de tiempo (kg ss/ m2*h). Tomar los valores máximos si la punta de carga es de larga duración. 4. Tiempo de retención hidráulica. Determina el volumen del decantador. Valores habituales se dan en la tabla siguiente. Página 81

82 5. Carga sobre vertedero. Se define como el caudal de agua tratado por metro lineal de vertedero (m3/ ml*h). Su correcto dimensionamiento evita los arrastres de sólidos por efecto de la velocidad de salida del efluente. La profundidad mínima debajo de los vertederos perimetrales debe ser superior a 3,0 m. Página 82

83 6. Calado del decantador Es uno de los principales datos a tener en cuenta en el dimensionamiento. Debe estar dimensionado para permitir las fluctuaciones de caudal, variaciones de temperatura y de carga de sólidos. Son recomendables valores superiores a 3,0 m y es función del diámetro del decantador TRATAMIENTO TERCIARIO El tratamiento terciario, hasta hace poco tiempo, ha sido considerado como el proceso posterior al tratamiento secundario. Actualmente la Directiva Europea 91/271 define un nuevo concepto: Tratamiento adecuado como el tratamiento de las aguas residuales urbanas, mediante cualquier proceso y/o sistema de eliminación, a través del cual, tras el vertido de dichas aguas al cauce receptor, se cumplan los objetivos de calidad requeridos y las disposiciones pertinentes de la presente y de las restantes Directivas comunitarias. El objetivo perseguido por estos tratamientos es reducir los sólidos en suspensión y la fracción orgánica asociada a ellos, la DBO y DQO solubles, el contenido de N y P, así como eliminar microorganismos patógenos, compuestos no biodegradables como detergentes o tóxicos, sales Generalmente el tratamiento terciario se resume en la remoción de nutrientes, tales como el nitrógeno y el fósforo, y la eliminación de patógenos Página 83

84 en caso de existir riesgo de epidemia mediante la desinfección. A continuación profundizaremos en estos dos casos. La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan enfermedades. Durante el proceso no se destruyen todos los organismos, punto en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y la esterilización, proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. Las tres categorías de organismos entéricos presentes en el agua residual de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son las bacterias, los virus y los quistes amebianos. Las enfermedades bacterianas típicas transmitidas por el agua son: el tifus, el cólera, el paratifus y la disentería bacilar, mientras que las Página 84

85 enfermedades causadas por los virus incluyen, entre otras, la poliomelitis y la hepatitis infecciosa. El desinfectante provoca daño a la pared celular, alteración de la permeabilidad de las células, alteración de la naturaleza coloidal del protoplasma, e inhibición de la actividad enzimática. El daño o destrucción de la pared celular da lugar a la rotura celular y a la muerte de la célula. Algunos agentes, como la penicilina, inhiben la síntesis de la pared celular de las bacterias. Los agentes tales como los compuestos fenólicos y los detergentes alteran la permeabilidad de la membrana citoplasmática. Estas sustancias destruyen la permeabilidad selectiva de la membrana y permiten que se escapen algunos nutrientes vitales, como el nitrógeno y el fósforo. El calor, la radiación, y los agentes fuertemente ácidos o alcalinos alteran la naturaleza coloidal del protoplasma. El calor coagula la proteína celular y los ácidos o bases desnaturalizan las proteínas, produciendo un efecto letal. Otro modo de desinfección consiste en la inhibición de la actividad enzimática. Los agentes oxidantes, tales como el cloro, pueden alterar la estructura química de las enzimas dando lugar a su desactivación. LÍNEA DE FANGO Página 85

86 El objetivo principal del tratamiento de aguas residuales es eliminar la contaminación del agua antes de su vertido al cauce receptor. En este proceso se generan una serie de subproductos denominados fangos donde se concentra la contaminación eliminada, y cuyo tratamiento y eliminación puede ser problemática. Las dos fuentes principales de producción de fangos son el tratamiento primario y secundario. Los sólidos sedimentados retirados del fondo de los decantadores primarios y secundarios son, en realidad, una mezcla acuosa de color y olor característicos llamada fango fresco. Los fangos producidos en el tratamiento primario y secundario de la línea de agua de una EDAR presentan las siguientes características: A. Poseen una gran cantidad de agua (95-99%), por lo que ocupan un volumen importante y son difícilmente manipulables. B. Tienen gran cantidad de materia orgánica, por lo que entran fácilmente en descomposición (putrefacción), produciendo malos olores. C. Poseen una gran cantidad de organismos patógenos, causantes de enfermedades. En el tratamiento de estos fangos deben darse tres fases, encaminadas a reducir al máximo los problemas anteriormente citados: A. Espesamiento, reducción del agua presente para evitar el manejo de grandes volúmenes. Página 86

87 B. Estabilización o digestión de la materia orgánica para evitar problemas de fermentación y putrefacción. C. Deshidratación, eliminación de la mayor cantidad de agua posible, mediante un medio físico, de manera que resulten manejables y transportables. Todo esto se realiza en la llamada línea de fango de una EDAR. ORIGEN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS FANGOS El volumen de fango generado en una planta depuradora, así como sus propiedades van a depender de las características del agua residual (A.R.) de procedencia y del tratamiento al que haya sido sometida. El origen y principales características de los fangos son: a) Fangos primarios Los fangos primarios son los que se separan en la decantación primaria. Al no haber sufrido un tratamiento biológico, no se han descompuesto, por lo que son altamente inestables y putrescibles. Su color es normalmente gris, con altos contenidos de sólidos fecales y otros tipos de desechos. Página 87

88 Liberan fácilmente su agua de constitución y se espesan bien. Su contenido en humedad varía entre el 95 y 99%. b) Fangos biológicos Se denominan comúnmente fangos en exceso y proceden del proceso de fangos activados. La materia orgánica de estos fangos está parcialmente descompuesta, son de color marrón oscuro, con un olor a tierra húmeda no desagradable. El contenido en humedad está comprendido entre 98% y 99,5%. Son muy difíciles de concentrar. Estos fangos en su descomposición posterior se hacen sépticos y producen olores desagradables. Pueden espesarse directamente o enviarse a la decantación primaria, donde decantan conjuntamente con los fangos primarios, dando lugar a los Fangos Mixtos. c) Fangos de precipitación química La cantidad de fangos producidos en el tratamiento fisicoquímico es superior a la producida en la decantación simple, especialmente si se emplea cal para ajustar el ph. Del mismo modo, el tipo de coagulante empleado influye notablemente en cuanto a la cantidad y características del fango producido. Página 88

89 Son fangos generalmente de color oscuro, algo rojizo si contienen sales de hierro. El olor puede ser desagradable, aunque no tanto como los fangos primarios. Su velocidad de descomposición es algo menor que la de los primarios. Pueden espesarse directamente o enviarse a la decantación primaria, donde decantan conjuntamente con los fangos primarios, dando lugar a los Fangos Mixtos. d) Fangos digeridos aeróbicamente Son fangos de color oscuro, tienen apariencia floculenta y olor poco desagradable. COMPOSICIÓN DE LOS FANGOS Aunque la estructura de los fangos es heterogénea y depende de su naturaleza y origen, en su composición participan los siguientes elementos: Agua: Constituye la mayor parte de su composición variando, generalmente, entre un 50 y un 99%, según su estado. Materia orgánica: La proporción de materia orgánica en los fangos es muy elevada, disminuyendo de los fangos frescos (60-75% sobre materia seca) al fango digerido (54-60%). Si los fangos se someten a un acondicionamiento térmico, el descenso de materia orgánica es aun más sensible, quedando reducida a una proporción del 35-45%. Página 89

90 Elementos nutrientes: Son sustancias cuya importancia reside en su repercusión en cuanto a la posible utilización agrícola de los lodos, por favorecer el crecimiento de las plantas. Se trata del contenido de nitrógeno total, fósforo (expresado como P2O5) y potasio (expresado en K2O). Nitrógeno: Se presenta en forma orgánica y amoniacal, variando su proporción en función del tipo de fango y de su contenido en agua. Es el valor más importante para valorar los fangos residuales en relación a la fertilización. La proporción varía de 3 a 4%, en el caso de fangos frescos, reduciéndose en los digeridos (2 a 3%). Si son acondicionados térmicamente, la reducción llega a alcanzar una proporción del 1 al 1,5%. Fósforo: El contenido en ácido fosfórico de los fangos residuales es elevado, superior al de los abonos orgánicos y superior al del estiércol ovino y vacuno. En los últimos años se ha comprobado un incremento en la proporción de fósforo de los fangos, probablemente motivado por el uso de detergentes fosfatados. Elementos alcalinos: El fango residual es pobre en potasio y en sodio siendo sin embargo importante, su proporción en magnesio. Microcontaminantes orgánicos: Se trata de sustancias que pueden ofrecer una acción negativa sobre el tratamiento de los lodos y especialmente su utilización agrícola. Se encuentran entre ellas los productos químicos de síntesis de uso común y particularmente los detergentes y antibióticos que actúan sobre la flora de los lodos. Página 90

91 Microcontaminantes minerales: Los fangos contienen diversos elementos minerales, algunos de los cuales, en pequeñas proporciones pueden tener una acción positiva, como oligoelementos para la nutrición de las plantas. Otros sin embargo, pueden dar lugar a fenómenos de toxicidad. Entre estos componentes se encuentran, fundamentalmente, los metales pesados (Zn, Pb, Cu, Cd, Hg, Fe) cuya proporción depende del componente industrial del efluente. Elementos biológicos: Las aguas residuales contienen una flora y una fauna variadas que se transmiten parcialmente a los lodos, si bien los procesos de tratamiento modifican la composición biológica y el número de especies. Así, se encuentran bacterias, básicamente de origen fecal, pudiendo, algunas, ser patógenas. El lodo contiene también virus, de difícil eliminación en proporción variable, y parásitos, hongos y a veces algas, sobre todo en lodos de lagunaje, e incluso macrofauna como gusanos, larvas, arañas, etc. ETAPAS DE TRATAMIENTO EN LA LÍNEA DE FANGO Las fases más usuales en un proceso de tratamiento de evacuación de fangos son: concentración, digestión, acondicionamiento, secado, incineración y evacuación; según se indica en la figura adjunta. Página 91

92 3.6. ESPESAMIENTO Los fangos producidos en el tratamiento del agua ocupan volúmenes importantes ya que en su composición más del 95% es agua. Para reducir los costes de inversión es necesario minimizar en lo posible las instalaciones y equipos para el tratamiento de lodos. Página 92

93 Para conseguir este objetivo es necesario separar en lo posible el agua del lodo y concentrar éstos lo máximo posible. Los fangos activados que normalmente se bombean desde los tanques de decantación secundaria con un contenido de sólidos del 0.8%, pueden espesarse hasta un contenido del 4% de sólidos, consiguiéndose de esta manera una reducción del volumen del fango a una quinta parte del volumen inicial Con ello se obtienen una serie de ventajas: A. Reducción del volumen de los tanques posteriores al espesamiento, así como su equipamiento. B. Reducción de la cantidad de calor requerida para el calentamiento de los fangos en procesos tales como digestión anaerobia, secado térmico e incineración. C. Reducción y mejora de los rendimientos de los equipos de deshidratación. Los espesadores pueden ser de dos tipos fundamentalmente: 1. De gravedad. 2. Por flotación. Además, existe el espesamiento por centrifugación, alternativa válida para cualquier tipo de fango, aunque está más indicada para concentrar fangos muy hidrófilos (que difícilmente liberan el agua que contienen), de difícil compactación ESTABILIZACIÓN O DIGESTIÓN Página 93

94 Para conseguir un buen rendimiento global en una EDAR es necesario convertir los fangos en un producto estable para su disposición final en vertedero o para su utilización posterior. Este objetivo se consigue a través de la estabilización. Por otro lado gracias a la estabilización se inhiben o reducen la cantidad de patógenos existentes en los fangos y disminuyen los olores de los mismos. Los procesos de estabilización de fangos más comunes son: 1. Digestión aerobia. 2. Digestión anaerobia DESHIDRATACIÓN Como consecuencia del tratamiento de aguas residuales se generan gran cantidad de fangos cuyas características varían en función de su procedencia y tratamientos anteriores. La deshidratación es un proceso más de la línea de fangos y como tal, antes de proceder a elegir el proceso y maquinaria debemos resolver cuatro puntos fundamentales: PROCEDENCIA Y TIPOS DE FANGOS A TRATAR En una estación depuradora de aguas residuales podemos encontrar muchas clases de fangos, en función del esquema de tratamiento. Así podemos tener: Página 94

95 a) FANGOS PRIMARIOS FRESCOS Su concentración puede variar entre 10 y 30 gr/l. Están compuestos, normalmente, por un 25% de M. Mineral. y un 75% de M. Volátil. Generalmente se concentran y deshidratan con facilidad, salvo algunos fangos industriales con alto contenido en aceite, grasas, etc. Antes del proceso de deshidratación es conveniente concentrarlos hasta gr/l. b) FANGOS PRIMARIOS DIGERIDOS Su concentración es menor que los anteriores al eliminar buena parte de la M. Volátil. Es conveniente espesarlos antes de su deshidratación y así se comportarán de forma análoga a los anteriores. Una vez espesados su concentración oscilará entre 50 y 60 gr/l. c) FANGOS ACTIVADOS Su concentración es mucho menor, puesto que antes de su espesamiento no supera los 8 gr/l y después de éste oscila entre 30 y 50 gr/l. De cara a la deshidratación debe conocerse el proceso de espesamiento realizado ya sea por gravedad, flotación, centrifugado, etc. Una vez espesado, su concentración oscila entre 30 y 50 gr/l. La deshidratación es más dificultosa. Página 95

96 d) FANGOS MIXTOS FRESCOS Es importante conocer el porcentaje de primarios activados en exceso, así como el tipo de espesamiento realizado, ya que de ello dependerá su concentración y su facilidad de deshidratado. e) FANGOS MIXTOS DIGERIDOS ANAERÓBICAMENTE A estos fangos, al tener una concentración menor, es conveniente espesarlos antes de la deshidratación. f) FANGOS ESTABILIZADOS AERÓBICAMENTE Son similares a los fangos activados y deben concentrarse antes de su deshidratación que es dificultosa. g) FANGOS PRIMARIOS PROCEDENTES DEL TRATAMIENTO FISICOQUÍMICO Suelen ser más fáciles de deshidratar, siendo su concentración, después de espesar, de gr/l. El alto contenido de M. Mineral y reactivos hace más fácil la separación sólido-líquido ACONDICIONAMIENTO DEL FANGO Según su naturaleza los fangos pueden ser: Página 96

97 HIDRÓFOBOS: proceden del tratamiento de aguas industriales y normalmente su composición es mineral. HIDRÓFILOS: resultantes de tratamientos de aguas para el consumo y en particular los fangos orgánicos procedentes de la depuración de aguas residuales urbanas. El agua en estos fangos se puede encontrar libre o ligada. Para la liberación del agua ligada se necesita mucha energía, que las máquinas de deshidratación no aportan, siendo necesario recurrir a tratamientos del tipo secado-térmico o incineración. El agua libre será parcialmente eliminada por los aparatos mecánicos y para acelerar la pérdida de dicha agua y poder aplicar los medios mecánicos de deshidratación es necesario romper la estabilidad coloidal y aumentar artificialmente el tamaño de las partículas. Para obtener un buen rendimiento en la deshidratación, es muy importante el acondicionamiento adecuado del fango Una vez que el fango ha sido digerido, debe secarse y evacuarse. Con la deshidratación se trata eliminar los fangos digeridos de la manera más práctica y menos costosa posible, aumentando el porcentaje de materia seca lo más posible para reducir su volumen al máximo. Se pretende Página 97

98 con los métodos que se emplean conseguir fangos deshidratados con un 20-40% en peso de materia seca. A la hora de elegir un sistema de deshidratación se deberán tener en cuenta las características de la EDAR, el tipo de fango y el destino final de los mismos. Para dimensionar correctamente el proceso de deshidratación se han de tener en cuenta todos los datos del proceso anterior y posterior. Esto es debido a que la deshidratación es un proceso discontinuo y se diseña para efectuarse durante la jornada diurna, excepto los fines de semana que es cuando se dispone de menos personal en la planta. 1. Centrífuga Decantadora Aunque fundamentalmente el uso de la centrífuga-decantadora sea para la deshidratación, también se utilizan para la concentración del fango. Consiste esencialmente en un tambor cilíndrico-cónico que gira sobre un eje horizontal a gran velocidad. El fango a deshidratar se introduce en la cuba a través de la conexión de entrada por medio de la alimentación. En el interior del tambor, debido a la fuerza centrífuga producida por el giro del tambor, la parte más pesada de la mezcla se deposita en el interior, donde es arrastrada a la salida de los sólidos por un tornillo helicoidal que gira a distinta velocidad que el tambor. La parte cilíndrica del tambor está destinada a la sedimentación de las partículas sólidas, mientras que la parte cónica produce un escurrido Página 98

99 progresivo de las mismas, hasta llegar a la salida exenta de líquido libre. El agua, al tener un peso específico distinto al de los sólidos, ocupa dentro del tambor una zona distinta, formando un anillo interior al formado por los sólidos. El líquido que sale de la centrífuga se devuelve a los decantadores primarios, y la torta de fango pasa a un pozo de recogida o a una cinta transportadora para su evacuación. El recorrido de las fases sólidas y líquida entre el tambor y el cuerpo de tornillo se realiza en contra-corriente (la parte cilíndrica, el sólido y el líquido circulan en sentido en la parte cilíndrica). Una gran parte de arenas en el fango aumenta la velocidad de desgaste de la centrífuga. El caudal de alimentación, la profundidad del depósito del fango, la velocidad de giro de la centrífuga y otros factores determinan el estado de la torta descargada y la calidad del líquido centrifugado. Página 99

100 4. MANUAL DEL PROGRAMA 4.1. ESTRUCTURA GENERAL Y DIAGRAMA DE FLUJO La estructura del programa pretende ser clara, ordenada y sencilla, para permitir un manejo fácil, práctico, y que resulte edificante para el usuario. Hay cuatro hojas de cálculo: I. Dimensionamiento Base II. Dimensionamiento para Oxigenación Prolongada III. Coeficientes a y b IV. Costes Página 100

101 4.1.1.ESTRUCTURA DEL DIMENSIONAMIENTO BÁSICO El esquema para la primera hoja es el siguiente: 1. DATOS DE PARTIDA 1.1. Características del influente 1.2. Características del agua tratada en el biológico 2. POZO DE GRUESOS Y POZO DE BOMBEO 2.1. Pozo de gruesos 2.2. Bombeo de agua bruta 3. PRETRATAMIENTO 3.1. Desbaste fino. Tamizado de limpieza automática 3.2. Desarenado-Desengrasado 4. DECANTACIÓN PRIMARIA 4.1. Decantadores 4.2. Producción y bombeo de fangos Purga de fangos Bombeo de fangos 5. TRATAMIENTO BIOLÓGICO Varias opciones Página 101

102 a) FANGOS ACTIVOS 5.1 Datos de partida 5.2 Cálculo de los volúmenes del reactor 5.3 Recirculación de fangos 5.4 Calidad del agua tratada en el biológico 5.5 Dimensiones del reactor biológico Varias opciones a) Rectangular b) Carrousel 5.6 Cálculo de la oxigenación con soplantes y difusores b) BIODISCOS 5.1 Datos de partida 5.2 DBO5 suspendida 5.3 SDBO5 5.4 Factor de corrección de temperatura 5.5 Sustrato específico consumido 5.6 Superficie biodiscos 5.7 Clarificador secundario 5.8 Producción de fangos Página 102

103 d) LECHOS BACTERIANOS / FILTROS PERCOLADORES 5.1 Datos de partida 5.2 Etapa Etapa Producción de fangos e) LAGUNAS AIREADAS 5.1 Datos de partida 5.2 Volumen de la laguna 5.3 Tanque de sedimentación (decantación secundaria) 5.4 Producción de fangos 6. DECANTACIÓN SECUNDARIA 7. PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO Y BOMBEO 8. ESPESAMIENTO DE FANGOS PRIMARIOS 9. FLOTACIÓN DE FANGOS EN EXCESO 9.1. Flotador 9.2. Bombas de agua presurizada 10. MEZCLA DE FANGOS ESPESADOS Y FLOTADOS 10.1.Bombeo a digestión Página 103

104 10.2.Cámara de mezcla de fangos 11. DIGESTIÓN DE FANGOS Varias opciones a) 11.1 Digestores Aerobios 11.2 Línea de gas b) 11.1 Digestores Anaerobios Varias opciones b.1) Reactor UASB b.2) Reactor EGSB 11.2 Línea de gas 12. ESPESAMIENTO Y HOMOGENIZACIÓN DE FANGOS DIGERIDOS. DEPÓSITO TAMPÓN. 13. SECADO DE FANGOS 14. TRATAMIENTOS TERCIARIOS 14.1.Cloración Tanque de contacto Cloro residual requerido 14.2.Ozonización Ozonización simple Página 104

105 Ozonización más cloración 14.3.Rayos ultravioleta Cinética de inactivación Canal de radiación DIAGRAMA DE FLUJO DEL DIMENSIONAMIENTO BASE Página 105

106 Página 106

107 4.1.3.ESTRUCTURA DE LA OXIGENACIÓN PROLONGADA El esquema para la segunda hoja es el siguiente: 1. DATOS DE PARTIDA a. Características del influente b. Características del agua tratada en el biológico 2. POZO DE GRUESOS Y POZO DE BOMBEO Página 107

108 a. Pozo de gruesos b. Bombeo de agua bruta 3. PRETRATAMIENTO a. Desbaste fino. Tamizado de limpieza automática b. Desarenado-Desengrasado 4. TRATAMIENTO BIOLÓGICO OXIGENACIÓN PROLONGADA 4.1 Datos de partida 4.2 Cálculo de los volúmenes del reactor 4.3 Recirculación de fangos 4.4 Calidad del agua tratada en el biológico 4.5 Dimensiones del reactor biológico Varias opciones a) Rectangular b) Carrousel IV.6Cálculo de la oxigenación con soplantes y difusores 5. DECANTACIÓN SECUNDARIA 6. PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO Y BOMBEO Página 108

109 7. ESPESAMIENTO Y HOMOGENIZACIÓN DE FANGOS DIGERIDOS. DEPÓSITO TAMPÓN. 8. SECADO DE FANGOS 9. TRATAMIENTOS TERCIARIOS a. Cloración i. Tanque de contacto ii. Cloro residual requerido b. Ozonización i. Ozonización simple ii. Ozonización más cloración c. Rayos ultravioleta i. Cinética de inactivación ii. Canal de radiación DIAGRAMA DE FLUJO DE LA OXIGENACIÓN PROLONGADA Página 109

110 4.1.5.ESTRUCTURA DE LA HOJA DE COEFICIENTES a Y b Se tiene una tabla con los valores de a y b, con respecto al parámetro Carga Másica. Se representan en una gráfica las curvas, y se aproximan a dos funciones: Página 110

111 4.1.6.ESTRUCTURA DE LA HOJA DE COSTES Se tiene una tabla con los valores de población (habitantes equivalentes), caudal (m3/día), presupuesto de ejecución de material (euros), potencia (kw), salto hidráulico (m), hormigón (m2), acero (kg), euros por habitante equivalente, euros por metro cúbico al año, vatios por habitante equivalente, cuantía de acero. Nos interesan sólo los costes, por lo que la estructura queda así: Población Presupuesto de ejecución de material Presupuesto final Presupuesto con IVA DIAGRAMA DE FLUJO DE LA HOJA DE COSTES Página 111

112 4.2. INSTRUCCIONES DE USO Datos de partida Características del efluente: Q: caudal diario medio total (m3/día). DBO5 (mg/l). Para pasarlo a unidades de kg/día, se realiza la siguiente operación: Siendo Q el caudal diario medio total (m3/día). SST (mg/l): sólidos en suspensión totales. Para pasarlo a unidades de kg/día, se realiza la siguiente operación: SSV/SST: proporción de sólidos en suspensión volátiles. Con este parámetro podemos calcular los sólidos en suspensión volátiles: DQO (mg/l). Página 112

113 DQO/DBO5: proporción de DQO y DBO5. Temperatura (ºC) del efluente. Población equivalente, en habitantes. Caudal medio (m3/h), que se calcula como: Para calcular los caudales máximos en pretratamiento, y en primario y biológico, aplicamos unos coeficientes de seguridad: Caudal máximo de llegada a E.D.A.R., que se calcula aplicando un coeficiente de mayoración (CM) que toma valores de 3 a 5, típicamente 5 por mayor seguridad, y que es el caudal máximo en pretratamiento: Caudal máximo en primario y biológico, aplicando un coeficiente de mayoración que suele valer en torno a 1,6: Página 113

114 Características del agua tratada en el biológico (calidad del agua final): DBO5, SST. Por ley, el mínimo requerido es DBO5 25 mg/l, SST 35 mg/l. Siempre que el cliente no pida mayor calidad del agua tratada, aplicaremos dichos valores Pozo de gruesos y bombeo: Pozo de gruesos: El tiempo de retención en pozo de gruesos debe ser de, aproximadamente, 60 segundos. El volumen necesario de pozo de gruesos se calcula como: Para calcular el volumen real, tenemos en cuenta la geometría del pozo. En primer lugar, elegimos la profundidad de la parte recta, que suele tomarse como 1 m, que vale lo mismo que la profundidad de la parte inclinada. Luego, para cumplir con el volumen necesario, calculamos la anchura inferior de la siguiente manera: Página 114

115 Escogemos la longitud inferior, de un valor igual o parecido a la anchura inferior. La anchura y la longitud superiores son algo mayores que las inferiores, 2 metros concretamente. Finalmente, recalculamos el volumen final: Bombeo: Para el bombeo, se ajusta el número de bombas y el diámetro de la conducción, para que la velocidad en la conducción sea la adecuada (velocidad de líquidos en tuberías, entre 0,5 y 2 m/s). Asimismo, debe mantenerse un compromiso entre número de bombas y diámetro de la conducción, para que la conducción no sea muy grande, pero tampoco haya excesivas bombas. Una vez escogido el número de bombas, y teniendo en cuenta el caudal máximo a bombear (que es el de pretratamiento), se calcula el caudal máximo unitario de cada bomba: Sabiendo que la velocidad de la conducción se calcula como: Página 115

116 (Siendo D el diámetro de la conducción), y que su valor debe estar entre 0,5 y 2 m/s, se ajusta el diámetro para que así sea Pretratamiento: Desbaste fino y tamizado: Se debe mantener un compromiso entre número de líneas y diámetro de conducción, de manera que las velocidades de paso estén comprendidas entre 0,5 m/s y 2 m/s, y que el tamaño de la conducción y el número de bombas sea coherente. Teniendo en cuenta los caudales medio y máximo en desbaste, que son los de pretratamiento, y la geometría del desbaste, dimensionamos: Primero, escogemos el valor de paso de malla, que oscila entre 1 y 6 mm, y de espesor de lámina, que debe ser parecido. Se escoge el ancho del canal, comprobando posteriormente que la velocidad se halle en los límites adecuados (0,5 a 2 m/s). Con estos datos, calculamos el ancho útil de la reja: Página 116

117 El grado de colmatación se establece en torno al 30%. La anchura de los barrotes, la luz entre barrotes y la velocidad de aproximación, vienen tabulados. Con ellos, y el ancho del canal, calculamos el calado a caudal máximo: Una vez calculados el ancho útil de la reja, y el calado a caudal máximo, procedemos a calcular la superficie de paso útil a caudal máximo: El calado a caudal medio es: Con lo que la superficie de paso a caudal medio queda: Finalmente, las velocidades de paso a caudal medio y máximo son, respectivamente: Página 117

118 Cuyos valores deben estar comprendidos entre 0,5 y 2 m/s Desarenado y desengrasado: Tomamos una velocidad ascensional aproximada de valor comprendido entre 5-15 m/h. Con ella, y teniendo en cuenta el caudal, podemos calcular la superficie necesaria: Escogemos el número de líneas, comprobando más tarde que la velocidad ascensional real esté comprendida entre 5 y 15 m/s, y así calculamos la superficie necesaria por línea: Página 118

119 La longitud y el ancho de desarenador, se ajustan para que la velocidad ascensional real esté comprendida entre 5 y 15 m/s, manteniendo que el tamaño del desarenador esté en el rango de valores de la tabla adjunta. Primero, se escoge el ancho. Luego, se calcula la longitud, redondeando al alza para tener un valor entero: Y se recalcula la superficie real, que será mayor que la necesaria, pues el redondeo se hizo mayorando: De esta manera, podemos calcular la velocidad ascensional real, comprobando que su valor sea entre 5 y 15 m/h: Ahora, procedemos a calcular el volumen unitario del desarenador: Página 119

120 Y el tiempo de retención: Es necesario calcular las necesidades de aire, que vendrán dadas por una expresión sobre la base del suministro de aire por unidad de superficie, dato que oscila entre 8 y 10 Nm3/h/m2: Finalmente, el diámetro de las impulsiones de las soplantes y el del colector común deben dimensionarse para que las velocidades, tanto por el tramo individual como por el común, estén dentro de los límites establecidos (0,5-2 m/s): Siendo Di el diámetro de las impulsiones de las soplantes. Y Página 120

121 Siendo Dc el diámetro de las impulsiones del colector común Decantación primaria: Si se realiza un tratamiento secundario de oxidación prolongada, no se ejecuta el tratamiento primario. En la decantación primaria, se toma para el cálculo el caudal medio y el caudal máximo en primario (que es menor que el de pretratamiento) Decantadores: Se escoge el número de decantadores, y posteriormente se comprueba que los tiempos de retención a caudal medio y máximo se encuentran en los límites establecidos: 1,5 h Tiempo de retención a caudal medio 4 h 1 h Tiempo de retención a caudal máximo 3 h Para comenzar los cálculos, se escoge una velocidad ascensional aproximada a caudal medio, cuyo valor oscila entre 1 y 2 m/h. La superficie necesaria por decantador queda: Página 121

122 Así, calculamos el diámetro necesario, y redondeamos al alza para coger un diámetro real: Ahora podemos calcular las velocidades reales ascensionales a caudal medio y máximo: Para calcular el volumen por decantador, escogemos el calado en vertedero, que es de 2,5 a 3,5 m típicamente: Página 122

123 Y procedemos a calcular los tiempos de retención a caudal medio y máximo: Teniendo en cuenta que no excedan de los límites anteriormente descritos. Dado que en el proceso de decantación primaria se elimina entre el 55-70% de los sólidos en suspensión, y el 25-35% de la DBO5, escogemos el rendimiento de la etapa (típicamente: ηdbo5=30%, ηsst=65%.). Los valores de éstos a la salida quedan: Página 123

124 Producción y bombeo de fangos: Purga de fangos La producción de fangos es: Cuyo desglose en fangos volátiles y minerales es el siguiente: Sabiendo que la concentración de la purga vale entre g/l, calculamos el volumen de fangos: Para dimensionar la tubería de purga de fangos, primero calculamos: Página 124

125 Número de purgas al día de todos los decantadores: Sabiendo que la duración de cada purga es de 1 minuto, calculamos la duración total de las purgas: Podemos calcular el caudal de fango de la purga: Y, escogiendo un diámetro de la tubería de purga de fangos (D), verificando más tarde que la velocidad del fango sea de 0,5-2 m/s, calculamos la velocidad: Bombeo de fangos: Página 125

126 Según la capacidad de la bomba escogida, escogemos el número de bombas, verificando que las velocidades en impulsión tanto en el tramo individual como en el común sea de 0,5-2 m/s. Las horas de bombeo al día son: Eligiendo los diámetros de conducción del tramo individual (Di) y del común (Dc), calculamos las velocidades en impulsión en el tramo individual como en el común, sin olvidar que no pueden exceder de los límites anteriormente mencionados: Tratamiento Secundario o Biológico: Se distinguen varios tipos: 1. Fangos activos Página 126

127 Para tratamientos de baja carga, recurrimos a la oxigenación prolongada. a. Datos de partida: Tenemos los caudales medio y máximo diarios, la DBO5 (en kg/día y en mg/l) a la entrada (DBO5e) y la requerida a la salida (DBO5rs), los sólidos en suspensión totales requeridos a la salida (SST salida). Calculamos el rendimiento necesario de eliminación de DBO5: Es un tratamiento carga media/baja a media, convencionalmente, cuyos parámetros típicos son: concentración M=2-3 kg/m3, carga másica Cm=0,15-0,5 (kgdbo5/kgmlss/día), fracción volátil de los MLSS=0.75, fracción de anoxia=0.25. Para la oxigenación prolongada, estos parámetros serían de: concentración M=3-4 kg/m3, carga másica Cm=0,05-0,15 (kgdbo5/kgmlss/día), Página 127

128 El número de líneas, que será igual al número de bombas, condicionará el diámetro de impulsión para que la velocidad se encuentre en los márgenes adecuados (0.5-2 m/s). Ya que el caudal de recirculación suele ser muy grande, un número adecuado de líneas puede ser 3. b. Cálculo de los volúmenes del reactor biológico: Se ajusta la carga másica para alcanzar el rendimiento necesario. En fangos activos, se tratan efluentes de media/baja a media carga (Cm= kg DBO5/Kg MLSS/día), y por lo tanto la concentración (M) estará comprendida entre 2 y 3 kg/ m3. En caso de tratarse de fangos con alta carga (Cm=1-2 kg DBO5/Kg MLSS/día), la concentración bajaría a M 2. Para casos de baja carga, se denomina oxigenación prolongada. Los tiempos de retención y la edad del fango serán mucho menores que en el caso de oxigenación prolongada. Primero, se calcula la carga volúmica: Página 128

129 Para hallar el volumen necesario: Y la masa de fangos en cuba: Los tiempos de retención hidráulicos a caudal medio y máximo son: Los volúmenes de zona óxica y anóxica son, teniendo en cuenta la fracción de anoxia (fx): Página 129

130 Calculamos las DBO5 soluble, particulada y total del agua tratada, redondeando al alza: De esta manera, calculamos el rendimiento real de eliminación de DBO5, que debe ser igual o mayor que el necesario: Página 130

131 Ahora podemos calcular la producción de fango: La producción de fangos totales en exceso, según la fórmula de Huisken, es: La producción de fangos volátiles es: El ratio de producción de fangos por DBO5 eliminada es: Y, finalmente, la edad del fango queda: Que está comprendida entre 4 y 10 días, en el caso de fangos activos. Página 131

132 En el caso de oxigenación prolongada, asciende a días, siendo 15 y 18 días el margen típico c. Recirculación de fangos: El Índice de Mohlman (IM) es un parámetro de sedimentabilidad que se calcula en ensayos de laboratorio. Se encuentra entre 140 y 160 mg/l. Para calcular el caudal de recirculación, se escoge el máximo entre el porcentaje necesario s/q medio, y el Porcentaje necesario s/q medio mínimo aconsejado (que es 100% siempre): El porcentaje necesario sobre el caudal medio es: El porcentaje necesario sobre caudal medio mínimo aconsejado siempre es: Página 132

133 Por lo que el caudal de recirculación queda: Sabiendo que el número de bombas es el mismo que el número de líneas, calculamos el caudal unitario para cada bomba: Finalmente, se escogen los diámetros de impulsión individual (Di) y común (Dc), asegurando que la velocidad del fluido en tuberías sea la adecuada (0.5-2 m/s): Página 133

134 d. Dimensiones del reactor biológico: Hay reactores rectangulares y tipo carrusel: En ambos casos, los volúmenes se calculan de la misma manera, asegurando los necesarios tanto para la zona anóxica como para la óxica. Lo que cambia es la geometría (y, por tanto, los volúmenes totales reales): El volumen necesario (Vnec) ya lo calculamos en el apartado b., en el cálculo de los volúmenes del reactor. Sabiendo el número de líneas, se calcula el volumen necesario por línea: También hemos calculado, en el apartado b., los volúmenes necesarios de la zona óxica (Vox) y la anóxica (Vanox). Página 134

135 Para los reactores rectangulares, el diseño es el siguiente: Zona óxica: Escogiendo la altura del agua (H), que oscila de 3 a 5 m, calculamos el ancho, redondeando al alza en las décimas: La longitud: Y la superficie real por línea: Por lo que el volumen real por línea y el total son: Zona anóxica: Página 135

136 Con la misma altura de agua que en la zona óxica (H), se calculan el ancho (A) y la longitud (L), redondeando al alza en las décimas, que valen lo mismo: Quedando el volumen real por línea y el total de la zona anóxica: Finalmente, se suman los volúmenes reales de las zonas óxica y anóxica, para obtener el volumen total real: Se recalcula la carga másica real, teniendo en cuenta los volúmenes totales reales del reactor: Página 136

137 Para los reactores tipo carrusel, el cálculo es el siguiente: Se elige la altura del agua (H), que oscila entre 3 y 5 m típicamente. Con ello, calculamos la superficie total: Para poder hallar el radio de la parte curva (Rc) y el ancho del canal (A) (que valen lo mismo), redondeando al alza en las décimas: La longitud de la parte recta es 5 veces el ancho del canal: Quedando la superficie de la parte recta: Página 137

138 Y la de la parte curva: Por lo tanto, la superficie total es: Y el volumen real total y por línea: Los volúmenes reales de zona óxica y anóxica, totales y por línea, son los siguientes: Página 138

139 e. Cálculo de la oxigenación: a es un coeficiente estequiométrico que define la necesidad de O2 para síntesis. Se mide en kg O2 / kg DBO5 eliminada, en función de la edad del fango. b es un coeficiente cinético que define el desarrollo de la respiración endógena. Se mide en kg O2 / kg MLSS /día, en función de la temperatura y la edad del fango. Página 139

140 Los coeficientes a y b están tabulados, según la carga másica, y con ello se ha obtenido una función de aproximación de las curvas de a y b respecto a la carga másica. Dichas funciones son: La masa de fangos en zona óxica depende del tipo de reactor escogido, según sea rectangular: O de tipo carrusel: Con la masa de fangos, calculamos las necesidades de respiración: Página 140

141 Por otra parte, hallamos las necesidades de síntesis: Con lo que las necesidades medias teóricas quedan: Sabiendo que el coeficiente de necesidades máximas para la materia carbonada (Cmax) vale 1.6, las necesidades máximas teóricas de O2 son: El coeficiente global de cálculo depende de: el coeficiente Tp (vale 0.6 para difusores, y 0.9 para turbinas), el coeficiente Tt (que depende de la temperatura de cálculo), y el coeficiente Td (que, a su vez, depende de Cs, que toma el valor de 9.03). De esta manera, obtenemos las necesidades medias y máximas reales: Página 141

142 La oxigenación por difusores es la más común, y el difusor tipo habitual (para un cálculo estándar) es de membrana 9. Para estos difusores, el caudal máximo de aire por difusor no debe exceder de 4 m3/h. El caudal se ajusta con el número de difusores por línea, y depende también de otros coeficientes como transferencia de oxígeno (TransO2 = 28%), y contenido de oxígeno en el aire estándar (ContO2 = 0.28 kg/ m3): Calculando previamente el número de difusores por planta: Página 142

143 Y, así, el caudal máximo de aire en planta es: Como hay un equipo de aeración en servicio por línea, el caudal unitario máximo necesario del equipo de aeración es: Otro dato muy importante a calcular es la contrapresión necesaria del equipo de aeración, que depende de la altura del agua (H): 2. Biodiscos a. Datos de partida: Carga másica: los biodiscos son un tratamiento de carga media a alta, típicamente media/alta (0.5-2 kg DBO5/kg MLSS/día). En este caso, en necesario calcular la DBO5 soluble, tanto de entrada (DBO5se) como de salida (DBO5ss), con la siguiente ecuación: Página 143

144 Siendo DBO5e la DBO5 a la entrada, y DBO5s la DBO5 a la salida, datos conocidos. También, conociendo los datos de DBO5 y SST a la entrada y a la salida, calculamos el rendimiento del proceso: b. Constante de DBO5 suspendida (K): El valor que toma depende de SST y DBO5, siendo: K(SST>DBO5) K(SST<DBO5) 0,50 0,60 Página 144

145 c. DBO5 suspendida: Se calcula tanto la de entrada como la de salida, con la fórmula: d. Factor de corrección de temperatura (Tc): Depende de la temperatura del agua. Tc (T>12,7ºC) Tc (T<12,7ºC) 1,00 0,89 e. Sustrato específico consumido (Rc): Se mide en g/m2, depende de la DBO5 soluble de salida y se calcula de la siguiente manera: f. Superficie de los biodiscos (A): Primero, se calcula la superficie necesaria total como: Página 145

146 Teniendo en cuenta que el diámetro de los biodiscos no puede ser mayor que 4 metros, buscaremos el compromiso entre número de biodiscos y tamaño de cada uno. g. Clarificador secundario: Se calcula la velocidad ascensional: Siendo: SSe= Sólidos en Suspensión a la entrada. SSs= Sólidos en Suspensión a la salida. Y se dimensiona el decantador: h. Producción de fangos: Con los sólidos en suspensión del influente (SSi), que son los sólidos en suspensión totales a la entrada (SSTe), Página 146

147 calculamos los sólidos en suspensión del efluente a tratar (SSe), teniendo en cuenta la DBO5 suspendida: Por lo que la producción de fangos es: 3. Lechos bacterianos/filtros percoladores: a. Datos de partida: Calcularemos la DBO5 de entrada y de salida en kg/día, parámetros que denominaremos w y w : Página 147

148 Debido a que este tratamiento es de carga baja a alta, los parámetros de Carga Másica y Concentración tomarán sus valores comprendidos en el siguiente rango: Carga másica Concentración Baja carga 0,05 a 0,1 3a4 Media carga 0,3 a 0,5 2a3 Alta carga 1a2 2 La carga volumétrica se calcula como: CV (kgdbo5/m3dia)=cm M Características Carga volumétrica Baja carga Piedra 0,08 a 0,40 Alta carga Piedra Plástico 0,3 a 0,70 0,5 a 5,0 Carga orgánica Recirculación Aplicación líquido Superficie específica Intermitente /1 a 3/1 Continuo /1 a 4/1 Continuo Profundidad útil (m) Nº Etapas 1a3 1,00 1a3 2,00 3 a 12 2,00 b. Etapas: El caudal recirculado y el número de etapas dependerán de la carga, como se observa en la tabla anterior. Etapa 1: El factor de recirculación de la primera etapa es: Página 148

149 Siendo r1 la recirculación en la primera etapa El rendimiento de la primera etapa queda: Siendo V1 el volumen del material filtro de la etapa 1, que depende de la superficie específica (Sespecífica1) y de la profundidad útil (Pútil1), parámetros que vienen tabulados: La DBO5 a la salida resulta: Etapa 2: El factor de recirculación de la segunda etapa es: Página 149

150 Siendo r2 la recirculación en la segunda etapa El rendimiento de la segunda etapa es: Siendo V2 el volumen del material filtro de la etapa 2, que depende de la superficie específica (Sespecífica2) y de la profundidad útil (Pútil2), parámetros que vienen tabulados: La DBO5 a la salida resulta: Página 150

151 Debemos conseguir que el porcentaje de DBO5 eliminada, entre las dos etapas, sea el requerido. Ajustamos los volúmenes del material filtro de cada etapa, para cumplir con ello, según los datos de superficie específica y profundidad útil de la tabla. Una vez dimensionado, se recalcula el rendimiento real de eliminación de DBO5: Asimismo, se calcula la velocidad de paso de aire: Siento T(ºC) la temperatura del efluente. c. Producción de fangos: Página 151

152 Se calcula a partir de la cantidad de DBO5 eliminada (en kg/día), y con un coeficiente de fango K, cuyo valor oscila entre 0,3 y 0,5: 4. Lagunas aireadas: Es un tratamiento de baja carga. a. Datos de partida: DBO5 (mg/l) a la entrada, DBO5 (mg/l) requerido a la salida, caudal medio diario (m3/día), temperatura del agua (ºC), rendimiento (%) de eliminación de DBO5 requerido. b. Volumen de la laguna: Se calcula k, el parámetro de tasa de eliminación de DBO5, que se mide en días-1 y depende de la temperatura del agua: La ecuación que modela las lagunas aireadas es la siguiente: Página 152

153 Siendo DBO5s y DBO5e las DBO5 a la entrada y a la salida, k la tasa de eliminación de DBO5, Q el caudal medio diario y V el volumen, por lo que despejando podemos calcular el volumen: El tiempo de retención se calcula como: A partir del volumen, y teniendo en cuenta que la profundidad de la laguna oscila entre 3 y 20 metros (h), se calcula la superficie: c. Tanque de sedimentación (sedimentación secundaria): Considerando datos conocidos: Página 153

154 SST entrada (mg/l): sólidos en suspensión totales a la entrada. SST salida (mg/l): sólidos en suspensión totales a la salida. SSV/SST: fracción de sólidos volátiles. Q(m3/día): caudal diario medio. E introduciendo nuevos parámetros, cuyos valores escogidos son orientativos: Tr=Tiempo de retención hidráulica (días). N=Nivel de líquido sobre capa de fangos (m). Tc=Ciclo de limpieza del tanque (años). Rmáx=Máxima reducción de sólidos en suspensión volátiles (en 1 año). C=Compactación media sólidos depositados. ρ=densidad sólidos depositados. Podemos calcular: Masa de fango producido: Página 154