CONSIDERACIONES GENERALES

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1 3.6.- PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS CONSIDERACIONES GENERALES Objetivo: Convertir la materia orgánica disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos sedimentables y en sólidos orgánicos que se puedan eliminar en los fangos de sedimentación. Los procesos de biológicos de aplicación más común son: Proceso de fangos activos, lagunas aireadas, filtros percoladores, biodiscos y estanques de estabilización. En las plantas de tratamiento de grandes dimensiones se suele adoptar el proceso de fangos activados o alguna de sus muchas variantes, cuyo diseño va a ser el objeto del presente capítulo. El fundamento del proceso de fangos activos reside en la propiedad que tiene el agua residual (una vez eliminados de la misma los sólidos sedimentables) al ser sometida durante algún tiempo a inyección de aire, de producir la coagulación de aquellas sustancias en suspensión que, por su estado, sn incapaces de sedimentar solas. Esta coagulación determina su sedimentación. Dotación/equipos: Tanque de aireación (equipado con sistemas de aireación bien superficial bien por soplantes y difusores y sistemas de agitación) Tanque de decantación secundaria: Puente móvil Extracción de fangos con sistema de bombeo de fangos en exceso y recirculación de fangos. El diagrama de proceso del tratamiento secundario será el siguiente: 1

2 ! CÁLCULOS FUNCIONALES Y DIMENSIONAMIENTO Para abordar el diseño del proceso de fangos activos establecemos al inicio un esquema general. Siendo: 2

3 Q = Caudal de agua residual a la entrada del reactor (m 3 /d), cuyas características serán: S 0 = Concentración DBO 5 entrada (mg/l) X 0 = Concentración SS entrada (mg/l) S = Concentración DBO 5 efluente (mg/l) X e = Concentración SS efluente (mg/l) V = Volumen reactor biológico (m 3 ) X = Concentración SS en el reactor (mg/l) Q r = Caudal fangos recirculados (m 3 /d) X r = Concentración fangos recirculados (mg/l) Q p = Caudal de fangos en exceso (m 3 /d) A la salida del reactor biológico (donde se ha inyectado aire) la mezcla de agua y fangos pasa a la decantación secundaria. El agua decantada constituye ya el efluente depurado. Los fangos sedimentados se extraen del decantador, una parte se recircula al reactor biológico como fango activo (caudal de recirculación) y el resto es retirado del sistema para su estabilización. Todo este proceso tiene lugar por medio de la actividad de los microorganismos del agua residual que actúan sobre la materia orgánica carbonosa suspendida coloidal y disuelta convirtiéndola en gases y tejido celular. Dado que el tejido celular tiene un peso específico mayor que el del agua, el tejido resultante puede eliminarse del agua residual por decantación. El tratamiento biológico por fangos activos es un proceso complejo que requiere tener en consideración gran cantidad de factores, siendo en general los principales puntos a tener en cuenta: 1. Elección del tipo de reactor 2. Criterios de carga 3. Producción de fango 3

4 4. Necesidades y transferencia de oxígeno 5. Necesidades de nutrientes 6. Control de organismos filamentosos 7. Características del efluente (La separación de sólidos, es uno de los aspectos de mayor importancia en el tratamiento biológico del agua residual, por lo que será analizado de forma independiente). 1. Elección del tipo de reactor Los diferentes reactores que pueden emplearse como depósitos para que tengan lugar las reacciones biológicas se recogen en la tabla que adjunta. La clasificación de los cinco primeros, en los que se llevan a cabo reacciones de tipo homogéneo, se basa en sus características hidráulicas, mientras que las reacciones heterogéneas se producen en rectores de las dos últimas clases. 4

5 TIPO DE REACTOR Flujo discontínuo DESCRIPCIÓN Y/O APLICACIÓN El flujo no entra ni sale del reactor. Contenido del líquido completamente mezclado. Flujo en pistón o tubular Las partículas del fluido entran, pasan y salen con la misma secuencia. Conservan su identidad y permanecen el interior del tanque por un tiempo igual al tiempo teórico de retención Reactores de mezcla completa o Tanque agitado de flujo continuo Las partículas que entran en el tanque se dispersan de manera inmediata por todo el volumen del mismo. Las partículas salen del tanque en proporción a su población estadística. La mezcla completa se puede obtener en tanques circulares o cuadrados si el contenido del tanque se distribuye uniforme y continuamente. Flujo arbitrario Cualquier grado de mezcla parcial entre f.pistón y m.completa. Reactores de mezcla completa en serie Modelan el régimen de flujo situado en el paso intermedio entre el flujo en pistón y el de mezcla completa. Si la serie está formada por un solo reactor prevalece el régimen de mezcla completa, si la serie consta de infinitos reactores, prevalece el en pistón. Lecho fijo Se rellenan con algún tipo de medio. Pueden estar completamente llenos (f.anaerobio) o dosificados intermitentemente (percolador). Lecho fluidificado Similar al anterior. Diferencia: El medio se expande por el movimiento ascendente del fluido a través del lecho. Para la elección de un tipo determinado hay que atender a distintos factores: Cinética de la reacciones: Los dos tipos de reactores más utilizados son el de mezcla completa y el flujo en pistón siendo los tiempos de retención que se emplean en la práctica para ámbos reactores son muy parecidos. 5

6 Necesidades de transferencia de oxígeno: 6

7 En los reactores de flujo pistón, se constata que a menudo, resulta imposible suministrar el oxígeno necesario para cubrir la demanda en cabeza del reactor. Ello conduce a incluir las siguientes modificaciones en el proceso e fangos activos: Aireación graduada: En ella se pretende adecuar el oxígeno suministrado a la demanda de oxígeno. Aireación con alimentación escalonada: El agua residual entrante y los sólidos de retorno se distribuyen a lo largo del reactor, generalmente en cuatro puntos equidistantes. Mezcla completa: El aire suministrado se ajusta o excede a la demanda de oxígeno. Naturaleza del agua residual Dado que un reactor de mezcla completa el agua entrante se dispersa de forma más o menos uniforme en el mismo, los sólidos biológicos del reactor pueden soportar las cargas de choque producidas por vertidos puntuales con elevado contenido en materia orgánica y compuestos tóxicos mejor qu en un reactor de flujo en pistón. Este es uno de los motivos por el que en gran número de plantas se ha adoptado el proceso de fangos activos de mezcla completa. Condiciones ambientales: De las cuales la más importantes son la temperatura, el ph y la alcalinidad. La importancia de la temperatura viene dada porque sus cambios pueden modificar la velocidad de las reacciones que intervienen en el proceso. La alcalinidad y el ph inciden especialmente en procesos de nitrificación. Los ph bajos pueden inhibir el crecimiento de los organismos nitrificantes y favorecer el crecimiento de organismos filamentos, razón por la cual puede ser necesario su ajuste. Cuando la alcalinidad es baja, las aguas tienen escasa capacidad de tamponamiento, por lo que el ph del licor mezcla puede descender debido a la producción de dióxido de carbono por la respiración bacteriana. 7

8 Coste del proceso 2. Criterios de carga Los parámetros que nos permitirán elaborar el diseño del biológico son útiles también para el control del proceso. Dichos parámetros, empíricos y racionales son: Carga másica Relación entre la masa de materia orgánica que entra en el reactor por unidad de tiempo y la masa de microorganismos existentes en el mismo. Se expresa en DBO 5 en el influente por día/kg de MLSS en la cuba Cm = Q. S o / V * X Edad del fango Relación entre la masa de fangos existente en la cuba y la masa de fangos en exceso extraídos por unidad de tiempo. Se expresa en kg de MLSS en la cuba / kg de fango en exceso por día. E = V * X / Q p * X r Estos dos factores son los principales parámetros que definen los procesos de fangos activos, la carga másica principalmente para diseñar las instalaciones y la edad del fango para definir los procesos de nitrificación. En función de la carga másica los procesos serán: 8

9 PROCESO CARGA Ata carga CM > 0,4 Media carga 0,15 < CM <0,4 Baja carga 0,07 > CM < 0,15 Muy baja carga o aireación prolongada CM < 0,07 La adopción de una u otra carga viene dada en función del rendimiento que se desee obtener del proceso. Relación entre carga, másica y eliminación de DBO 5 en un reactor biológico CM (*) Rendimiento (%) 1,0 80 0,8 83 0,5 87 0,4 88 0,3 90 0,2 92 0,1 93 0,05 94 (*) CM: En Kg DBO 5 entrada dia/kg MLSS en cuba) La edad del fango está directamente relacionada con la carga másica, existiendo diversas ecuaciones para el cálculo de una en función de la otra. Las más usuales son: Eckenfelder: E = (0,56 * CM * R - 0,75 * b + 0,5 * Pe * CM) -1 Siendo: R = Rendimiento en depuración Pe = Producción específica de fangos Kg MS/ kg DBO 5 Degremont: E = (0,2 * CM + CM -1,5 ) 9

10 Carga volumétrica Relación masa de materia orgánica que entra en el reactor por unidad de tiempo y volumen de la cuba. Se expresa en kg de DBO 5 en el influente por dia / m 3 de volumen de la cuba. Cv = Q * So / V Permite asegurar un tiempo mínimo de estancia en el reactor biológico a fin de que se puedan desarrollar las reacciones biológicas de este parámetro. CLASIFICACIÓN CM CV Edad Fango R (%) (KgDBO 5/Kg MLSS día) (Kg DBO 5/m 3 día) Alta Carga >0,4 >1,5 4 <80% Media Carga 0,2<Cm<0,4 0,5<Cv<1, % (*) Baja Carga 0,07<Cm<0,2 Muy Baja Carga (Aireac.Prolongada) <0,07 <0, % (**) (*) Nitrificación a temperaturas elevadas (**)Nitrificación posible a temperaturas normales Rendimiento Relación materia orgánica eliminada (DBO 5 ) y materia orgánica influente. Se expresa en %. R = (So-Se) / So 3. Producción de fango El conocimiento de la producción diaria de fango es importante puesto que afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación del fango en exceso (purga). La producción diaria de fango puede calcularse con el parámetro Indice de 10

11 Producción de Fangos que puede estimarse aplicando una de las siguientes ecuaciones: Fórmula empírica de Huisken: Siendo: IF = Producción específica de fangos (kg fango exceso/kg DBO eliminada) Cm = Carga másica Kg DBO/Kg MLSS Eckenfelder: Siendo: S min = Kg materia mineral que entra en el reactor diariamente (Kg/d) a = Coeficiente que representa la fracción de DBO que es sintetizada a nuevo fango biológico. Su valor oscila entre 0,49 y 0,64 L e = DBO eliminada en el proceso S imb = Sustancias orgánicas no biodegradables en el tanque de aireación b = Coeficiente que representa la proporción de respiración endógena, expresada en una fracción por día. Su valor oscila entre 0,05 y 0,085. S v = Kg de materia volátil (MLVSS) en la cuba de aireación S e = Sólidos en suspensión que salen en el efluente (Kg/d) Fórmula Metcalf-Eddy: Siendo Y y Kd coeficientes que oscilan entre 0,04-0,8 el primero y 0,04-0,075 el segundo. 11

12 4. Necesidad y transferencia de oxígeno Vamos a realizar el cálculo de las necesidades de oxígeno según el método basado en el modelo de Eckenfelder y Lawrence McCarty: Los modelos son básicamente iguales, la única diferencia entre ellos radica en los parámetros uitilzados que, en cualquier caso, están unívocamente relacionados entre sí. Necesidades de O 2 = O 2 necesario para síntesis celular + O 2 para respiración endógena + O 2 para nitrificación - O 2 generado en desnitrificación Oxígeno consumido en síntesis celular: Siendo: a = coeficiente estequiométrico que define la necesidad de oxígeno para síntesis expresada a efectos de utilización para el cálculo como KgO 2 /KgDBO 5 eliminada R = Rendimiento en eliminación de DBO en biológico S o =Kg DBO de entrada a biológico Oxígeno consumido en respiración endógena: Siendo: b = coeficiente cinético que define el desarrollo de la respiración endógena, expresado en KgO 2 /KgSSLM/día V = Volumen del tanque de aireación (m 3 ) X= Concentración del licor mezcla (kg/m 3 ) 12

13 Los valores de a y b para el rango de valores habituales de la carga másica del proceso son los siguientes: Carga Másica a (Kg O 2 /KgDBO 5 eliminada) b (d -1 ) (*) (Kg DBO/d/KgSSLM) 0,1 0,50 0,136 0,7 0,50 0,131 0,5 0,50 0,123 0,4 0,53 0,117 0,3 0,55 0,108 0,2 0,59 0,092 0,1 0,65 0,066 0,05 0,66 0,040 (*) Los valores del coeficiente cinético b indicados en la tabla son los correspondientes para T = 20º. Para otras temperaturas puede calcularse con una expresión del tipo: El valor de en el rango de temperaturas de 5 a 35º es del orden de 1,029. Necesidades de oxígeno para nitrificación La demanda de oxígeno para la realización de las reacciones de oxidación-reducción que tienen lugar en el proceso de nitrificación, consistente en la conersión biológica de NH + 4 presente en el afluente a formas oxidadas (NO - 3 y NO - 2), se estiman estequiométricamente en 4,57 KgO 2 por kilogramo de nitrógeno-nitrato formado. Siendo: 13

14 N-NO 3f = Nitratos formados, expresados en mg/l de N-NO 3 14

15 Q = Caudal diario a proceso (m 3 /d) Desnitrificación El proceso de desnitrificación, consistente en la conversión biológica en condiciones anóxicas del NO - 3 formado previamente en el proceso de nitrificación a gas nitrógeno y óxidos de nitrógeno, contribuye a reducir la demanda total de oxígeno del sistema por razón de que la reducción del NO - 3 a nitrógeno gas que tiene lugar en aquél implica el consumo de una fracción de la demanda carbonosa presente. La reducción de la demanda de oxígeno que se produce en el proceso se calcula, estequiométricamente, en 2,86 kg de O 2 por kilogramo de nitrógeno-nitrato reducido. Siendo: N-NO 3r = nitratos reducidos en el sistema por conversión a nitrógeno-gas, expresados en mg/l. A partir de las necesidades teóricas de oxígeno y conociendo o estimando la eficiencia de la transferencia de oxígeno del sistema de aireación se pueden determinar las necesidades reales de aire que además de lo anterior, deben cubrir el proporcionar un mezclado adecuado y matnener una concentración mínima de oxígeno disuelto en todo el tanque de aireación comprendido entre 1 y 2 mg/l. El cálculo de las necesidades de aire se hará del siguiente modo: Necesidades reales de oxígeno: Serán las calculadas anteriormente afectadas por un coeficiente de transferencia (C t ): 15

16 16

17 El coeficiente de transferencia se podrá calcular con la expresión: Siendo: C T = Coeficiente de transferencia S 1 = Saturación de oxígeno en agua pura a 10ºC (=11,33 mg/l) S 2 = Saturación de oxígeno a la temperatura del Licor Mezcla S 2 = x S 4 ( (=0,95), S 4 = Saturación de oxígeno en agua pura a 20ºC (=9,17 mg/l)) S 3 = Saturación de oxígeno en Licor Mezcla (=2 mg/l) K T = Coeficiente de temperatura (=0,8299) P 0 = Presión atmosférica al nivel del mar (760mm Hg) P a = Presión atmosférica a la altitud de la EDAR en mmhg = Coeficiente de intercambio entre el licor y agua pura ( = Para aireadores de superficie 0,9. Para difusores de burbuja fina 0,6-0,7) Conocidos los kilogramos de O 2 que realmente necesitamos, aplicaremos a este dato el coeficiente de punta para trabajar con las necesidades reales y asegurarnos de cubrir las puntas. Coeficiente punta a aplicar: Se sitúa en torno a 1,4 El caudal de aire necesario será: Siendo: F = Factor de punta 17

18 El aire atmosférico contiene 20,9 % de O 2 en volumen (23,9 % en peso) y pesa 1,248 Kg/m 3 a 10 º C y a la presión atmosférica. El rendimiento de los difusores de burbuja fina pude estimarse, en primera aproximación, en un 4% por m. de sumergencia, obteniéndose por ejemplo, para 5m. un rendimiento de un 20 % total en la difusión. 5. Las necesidades de nutrientes Para que un sistema biológico funcione correctamente, es necesario que se hallen presentes cantidades adecuadas de nutrientes. Los principales nutrientes son el nitrógeno y el fósforo, basándose en una composición media del tejido celular, se necesitará del orden de un 12,4 % de nitrógeno en peso. Normalmente, se suele suponer que las necesidades de fósforo son de una quinta parte de este valor. La distribución porcentual de nitrógeno y fósforo en el tejido celular varía con la edad de dicho tejido y con las condiciones ambientales, por lo que estos valores son típicos y no cantidades fijas. Existen otros nutrientes necesarios en la mayoría de los sistemas biológicos tales como sodio, potasio calcio, fosfato, cloruro, sulfato y bicarbonato en cantidades sustanciales así como a nivel de trazas Hierro, Cobre Manganeso, Boro, Molibdeno, Vanadio, Cobalto, Yodo y Selenio. Debido a que la demanda total de nutrientes depende de la producción celular neta, las necesidades de nutrientes son más reducidas en los procesos que dispongan largos tiempos medios de retención celular, por este motivo, dos plantas de tratamiento de fangos activados con diferentes tiempos medios de retención celular pueden no funcionar igual en el tratamiento de una misma agua residual. 6. Control de organismos filamentosos El crecimiento de organismos filamentosos es el problema de funcionamiento más frecuente en los procesos de fangos activos. La proliferación de los mismos en el licor mezcla conduce a la formación de fango de pobres características de 18

19 sedimentabilidad, normalmente conocido como "fango voluminoso" (bulking). El 19

20 sistema de mezcla completa de una sola etapa tiene una particular tendencia a promover el crecimiento de organismos filamentosos, debido a los bajos niveles de substrato uniformemente presentes en el reactor. Un concepto que está ganado aceptación como sistema de prevención y control del crecimiento de organismos filamentosos es la incorporación de un compartimento separado, llamado selector, como zona de contacto inicial de un reactor biológico, zona en la que se mezclan el efluente primario y el fango activo recirculado. El selector se puede emplear en reactores de mezcla completa o de flujo en pistón y puede consistir en un depósito independiente o en un compartimento adosado. Dicho selector, favorece el crecimiento selectivo de organismos formadores de flóculos en la primera fase del proceso biológico al asegurar un nivel elevado de la relación alimento/microorganismos a concentraciones de oxígeno disuelto controladas. Se recomienda un valor mínimo de 2,27 kg/dbo 5 /Kg SSLM. La presencia de gran cantidad de substrato permite la rápida adsorción de la materia orgánica soluble por parte de los organismos formadores de flóculos y la rápida eliminación de la materia orgánica impide su asimilación por parte de los organismos filamentosos, que se encuentran con concentraciones de materia orgánica disponible muy bajas. Se obtienen buenos resultados con selectores tanto aireados como no aireados, anóxicos y anaerobios o de condiciones alternantes. El tiempo de contacto en el selector es relativamente corto, normalmente entre 10 y 30 min. 7. Características del efluente El contenido en materia orgánica es un parámetro de calidad del efluente de gran importancia. En una planta de fangos activos que funcione correctamente en el tratamiento de aguas residuales urbanas la DBO 5 carbonosa del efluente variará normalmente entre 2 y 10 mg/l. La materia orgánica suspendida se hallará entre 5 y 15 mg/l y los sólidos no biodegradables se situarán entre 2 y 5 mg/l. 20

21 En la tabla adjunta se muestran las distintas variantes de fangos activos, con su diagrama de flujo correspondiente, tipo de aireación empleada y valores de los parámetros de diseño a utilizar. 21

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