Empleo de diagramas basados en los criterios de carga y métodos de análisis económico para el diseño de lodos activados

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1 INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXV, No. 2, 2004 Empleo de dagramas basados en los crteros de carga y métodos de análss económco para el dseño de lodos actvados INTRODUCCIÓN El desarrollo tecnológco sn precedentes que ha logrado la socedad hasta el momento ha generado, sn embargo, afectacones sgnfcatvas en la naturaleza y en el medo ambente que puderan convertrse en rreversbles a largo plazo. En el caso partcular de los ríos y mares, los estudos realzados muestran que el vertmento de aguas resduales sn tratar o tratadas de forma nadecuada provocan daños consderables en la flora y la fauna de estos ambentes acuátcos. En este sentdo, el proceso de lodo actvado es una de las vías más amplamente utlzadas para el tratamento bológco de las aguas resduales. 2 El dagrama de flujo de un proceso típco de lodo actvado se muestra en la fgura. Q, S 2 Q R, X F Q F, X F Q e, S e FIG. Dagrama de flujo del proceso de lodo actvado. Q: Flujo de agua resdual; S: Concentracón de contamnantes; X: Concentracón de mcroorgansmos; : nfluente; e: efluente; F: Fondo del sedmentador; R: Flujo de recclo; : Tanque de areacón; 2: Sedmentador secundaro. Resumen / Abstract El lodo actvado es un tratamento frecuentemente empleado para la depuracón bológca de aguas resduales. Aunque en prncpo el estudo de estos sstemas puede realzarse desde el punto de vsta botecnológco, la complejdad en la composcón del sustrato y en la mcrobología del proceso hace práctcamente mposble el desarrollo de métodos de dseño y evaluacón exactos. En el presente trabajo se propone un método de dseño basado en el empleo de dagramas donde aparecen relaconados entre sí los crteros de carga y en el empleo de métodos de análss económco para la seleccón de la mejor alternatva. Palabras clave: lodo actvado, tratamento de agua, dseño. The desgn of actvated sludge s made from a group of emprcal crtera known as load crtera, whch quarantees that the system could work correctly. The volume of the aeraton tank s calculated n a way that each of the load crtera s wthn the range of values gven by the experts n ths topc. Ths gves dfferent possble solutons for a same gven stuaton and the most convenent must be chosen. In ths work, a desgn method based n the use of dagrams that relate these load crtera, and n the use of economc analyss methods for the electon of the best choce, s proposed. Key words: actvated sludge, wastewater treatment, desng. Elena Izquerdo Kulch, Ingenera Químca, Doctora en Cencas Técncas, Asstente, Departamento de Ingenería Químca, Facultad de Ingenería Químca, Insttuto Superor Poltécnco José Antono Echeverría, Cujae e-mal: elena@qumca.cujae.edu.cu Carlos Menéndez Gutérrez, Ingenero Químco, Doctor en Cencas Técncas, Profesor Ttular, Centro de Estudos de Ingenería de Procesos, Facultad de Ingenería Químca, Cujae e-mal: carlos@qumca.cujae.edu.cu Elna Fernández Santana, Ingenera Químca, Doctora en Cencas Técncas, Departamento de Ingenería Químca, Facultad de Ingenería Químca, Cujae e-mal: elna@qumca.cujae.edu.cu

2 Empleo de dagramas basados en los crteros de carga y métodos de análss económco para el dseño de lodos actvados En los últmos 30 años se ha avanzado en el conocmento de los mecansmos nternos que ntervenen en el proceso depurador de los sstemas de lodo actvado, a partr de lo cual se han desarrollado nuevos métodos de dseño. Sn embargo, lo certo es que en muchas ocasones tales dseños se realzan fundamentalmente utlzando crteros de carga. El mecansmo bológco a través del cual tene lugar la remocón de contamnantes es de tpo aerobo, donde el oxígeno necesaro se almenta a través de dfusores o areadores mecáncos. La comundad de mcroorganmos se desarrolla en dependenca del orgen del agua resdual, aunque en prncpo pueden usarse técncas de borremedacón para mejorar la efcenca y caldad en la remocón. 3,4 Por otra parte, debdo a la naturaleza fluctuante que presenta el flujo y la concentracón de afluente, el dseño y control de la operacón de estos sstemas debe realzarse de forma cudadosa para garantzar la efcenca deseada. 5 No obstante, exsten dos factores que afectan la precsón en el dseño. El prmero está relaconado con la compleja composcón del agua resdual, formada por múltples sustratos. De hecho, para medr la contamnacón se emplean varables globales tales como la Demanda Boquímca de Oxígeno (DBO) y la Demanda Químca de Oxígeno (DQO). En este caso el desarrollo de nuevas técncas analítcas podrían en un futuro defnr mejor la composcón de contamnantes y permtr un dseño más precso. El segundo factor está relaconado con la composcón bológca del medo, donde se emplean cultvos mxtos de mcroorgansmos en constante nteraccón entre sí y evoluconando con el tempo. Esto hace que, desde el punto de vsta práctco, sea dfícl caracterzarla mcrobológcamente, por lo que para medr la bomasa presente se emplea la concentracón total de mcroorgansmos, a partr de la concentracón de sóldos suspenddos volátles. Estos dos factores hacen que el dseño de lodo actvado se realce a partr de crteros empírcos obtendos a partr de la experenca acumulada por los especalstas sobre las condcones de operacón que se deben fjar en estos sstemas para garantzar que el proceso opere adecuadamente. Estos crteros empírcos se conocen como crteros de carga. 7 Adconalmente, al dseñar el proceso se deben tomar en consderacón tambén los crteros económcos. 8 En el presente trabajo se propone un método para dseñar el proceso de lodo actvado a partr de dagramas que relaconan entre sí los crteros de carga y de la aplcacón de crteros económcos para la seleccón de la mejor alternatva. En este sentdo, el método propuesto es váldo para el tratamento de aguas resduales de orgen doméstco y sstemas de meda carga, aunque los prncpos nvolucrados en su concepcón pueden ser aplcados a otros casos. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO El dseño del lodo actvado se refere al cálculo del volumen del tanque de areacón. La dea fundamental consste en especfcar qué volumen debe tener el tanque para garantzar que los crteros de carga se encuentren dentro de los valores límtes recomendados. Estos crteros de carga, estrechamente vnculados con las condcones de operacón que se deben establecer para garantzar la efcenca en la remocón, se enumeran y explcan a contnuacón.. Carga orgánca Bv [kg DBO.m -3.d - ]: Se defne como la cantdad de sustrato almentado por undad de volumen del tanque, y se calcula a través de la expresón: S.Q B v =...() V S y Q : La concentracón (kg DBO.m -3 ) y el flujo (m 3.d - ) en el afluente y V, es el volumen del tanque (m 3 ). 2. Relacón almento/mcroorgansmo Bx[kg DBO.kg - SSV.d - ]: Se defne como la cantdad de sustrato almentado por undad de masa total de mcroorgansmos presentes en el tanque, y se determna como: B x SQ. = VX....(2) X: Concentracón de mcroorganmos (kg SSV.m -3 ). 3. Edad del lodo e (d) o tempo de retencón medo celular: Puede ser estmada a partr de parámetros típcos del agua resdual a tratar, la relacón almento/ mcroorgansmo y la efcenca en la remocón de sustrato esperado: e =...(3) F YB. x. k b 00 % Y: Rendmento mcroorgansmo/sustrato (kg SSV/kg DBO), kb es el coefcente de mantenmento (d) y F es la efcenca en la remocón (%), calculada como: S Se F =.00 % S...(4) donde Se es la concentracón en el efluente (kg DBO.m -3 ). 4. Tempo de retencón hdraúlco T (d): Se calcula a partr del volumen del tanque de areacón y el flujo del afluente: V T = Q...(5) 4

3 E. Izquerdo, C. Menéndez y E. Fernández Tambén puede estmarse en funcón de la carga orgánca y la concentracón en el afluente: T S = Bv...() 5. Concentracón de mcroorgansmos en el tanque de areacón X (kg SSV.m -3 ), el cual es uno de los parámetros más mportantes a tomar en cuenta en el dseño y operacón del sedmentador secundaro. Esta concentracón se puede determnar en funcón de los crteros de carga orgánca y relacón almento/mcroorgansmo por la expresón: X B = v Bx...(7) En dependenca de la carga orgánca, el proceso de lodo actvado se clasfca como proceso de baja carga, meda carga y alta carga. 2,9 Para el caso partcular de los lodos de carga meda, los especalstas recomendan que cada uno de los parámetros anterores se encuentre dentro del ntervalo especfcado en la tabla. Tabla Intervalo de valores de los crteros de carga para lodos de meda carga Parámetros Valor Carga orgánca B v 0,5 -,5 kg.m -3.d - Relacón almento/mcroorgansmo B x 0,2-0,5 kg.kg -.d - Edad del lodo e Tempo de retencón hdráulco T Sóldos suspenddos volátles en el tanque X 3-5 d 0, - 0,5 d,25-2,25 kg.m -3 MÉTODO DE DISEÑO PROPUESTO La dea fundamental de dseño del tanque de areacón consste en determnar el valor del volumen para el cual, al calcular cada uno de los crteros de carga, el valor obtendo para cada uno de estos se encuentra dentro del ntervalo recomendado. En prncpo, este cálculo puede realzarse medante el empleo drecto de las ecuacones que permten calcular los crtetros de carga, pero esto mplca la realzacón de cálculos de tanteo y error que complcan la solucón del problema. El método propuesto se basa en construr una sere de dagramas que muestran las relacones entre los dferentes crteros de carga, consderando para esto el caso de un sstema de carga meda y un agua resdual de orgen doméstco, aunque dagramas smlares pueden ser obtendos para otros casos. El aspecto más mportante a tomar en cuenta al construr estos dagramas es que en estos solo aparezcan grafcados aquellos puntos para los cuales cada uno de los crteros se encuentra dentro del ntervalo recomendado. Estos dagramas son: a) el comportamento de la carga orgánca con respecto a la concentracón en el afluente tomando como parámetro el tempo de retencón hdraúlco (ec. ); b) el comportamento de la carga orgánca con respecto a la relacón almento/mcroorgansmo tomando como parámetro dferentes concentracones de sóldos suspenddos volátles en el lcor mezclado (ec. 7); c) el comportamento de la edad del lodo con respecto a la relacón almento/mcroorgansmo para dferentes valores de efcenca en la remocón (ec. 3); d) el comportamento del rendmento observado Y obs (kg SSV/kg DBO) con respecto a la edad del lodo, defndo por la ecuacón: Y obs Y = + k. e b...(8) Como es habtual, para dseñar se parte de especfcar el flujo y concentracón de contamnantes en el afluente y la concentracón máxma de contamnantes en el efluente, la cual determna la efcenca de remocón requerda. Para utlzar el método propuesto se ejecutan entonces los sguentes pasos: I. Con el valor de concentracón S y el dagrama representado en la fgura 2 se escogen dferentes tempos de retencón hdraúlco y para cada uno de estos se determna en la fgura su correspondente carga orgánca. Carga orgánca kg DBO5/(m3.d) 3 d).5,.4,.3,.2,., 0.9, 0.8, 0.7, 0., 0.5, T = 0. d , 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0., 0.7, 0.8, 0.9, Concentracón en el afluente (kg DBO5/m3) 3 ) FIG. 2 Dagrama para determnar la carga orgánca para dferentes valores del tempo de retencón hdráulco en funcón de la concentracón del afluente para lodos actvados de meda carga. 5

4 Empleo de dagramas basados en los crteros de carga y métodos de análss económco para el dseño de lodos actvados II. Para cada valor de carga orgánca determnada en el paso I y utlzando el dagrama representado en la fgura 3 se escogen dferentes valores de concentracón de sóldos suspenddos volátles en el lcor mezclado, y para cada uno de ellos se determna en la fgura su correspondente relacón almento/mcroorgansmo. IV. Con el valor de la edad del lodo y el dagrama representado en la fgura 5 se determna el rendmento observado FIG. 3 Dagrama para determnar la relacón almento/ mcroorgansmo para dferentes valores de concentracón de sóldos volátles en el tanque a partr de la carga orgánca para lodos actvados de carga meda. Nótese que en este caso se obtenen dferentes alternatvas de dseño, cada una con un tempo de retencón hdraúlco, una carga orgánca y una concentracón de sóldos suspenddos volátles. III. Con la relacón almento/mcroorgansmo correspondente a cada alternatva y la efcenca de remocón deseada se obtene, a partr del dagrama representado en la fgura 4, el valor de la edad del lodo. FIG.4 Dagrama para determnar la edad del lodo para dferentes valores de efcenca en la remocón en funcón de la relacón almento/mcroorgansmo para sstemas de meda carga. Carga orgánca kg/(m3.d) 3. d) Edad del lodo (d) Relacón almento/mcroorgansmo kg/(kg.d) 80% 75% 85% 90% 95% Efcenca = 70% x=,5 X=.5 kg/m Relacón almento/mcroorgansmo kg DBO5/(kg SSV.d).25 Rendmento observado Edad del lodo (d) FIG. 5 Dagrama para determnar el rendmento observado en funcón de la edad del lodo para lodos actvados de meda carga y aguas resduales de orgen doméstco (Y = 0,5 kg SSV/kg DBO; kb = 0,05 d - ). V. Para cada alternatva se determna el volumen del tanque de areacón y la cantdad de sóldos totales purgados P w (kg SST/d) a partr de las ecuacones: V = TQ....(9) P = Y. Q. S S...(0) f ( ) w obs e f: Representa la relacón entre los sóldos suspenddos volátles y sóldos suspenddos totales (f = 0,8 para aguas resduales doméstcas). P w : Cantdad de sóldos totales a purgar en el sstema. SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO Una vez obtendas las dferentes alternatvas de dseño corresponde selecconar la más adecuada. En este sentdo, debdo a la estratega de dseño, se garantza que cada una de estas cumpla los crteros de carga, por lo que en prncpo se tene una operacón adecuada del lodo actvado para cada caso. Por este motvo, la seleccón de la alternatva fnal se realza tomando en cuenta crteros económcos, en este caso los costos de nversón y operacón del sstema. 8-0 Se reconoce que el mayor componente en el costo de operacón de los tratamentos por lodo actvado se dentfca con el consumo de energía de los aereadores. Sn embargo, tenendo en cuenta que en este trabajo lo que se hace es

5 E. Izquerdo, C. Menéndez y E. Fernández comparar dferentes alternatvas para un msmo ntervalo de carga, por razones de smplcdad se ha obvado el aspecto de la aereacón. El método de análss económco que se propone es el Cálculo del Valor Actual Neto (VAN), tomando en cuenta que el tratamento de resduales no genera gananca económca cuantfcable, por lo que el VAN se determna en relacón con los egresos. Para calcular el VAN de cada alternatva se requere una ecuacón para el costo de nversón CI ($) en funcón del volumen del tanque: CI = ct.v + OCI...() ct: Costo untaro por undad de volumen del tanque ($/m 3 ). OCI: Representa otros costos de nversón, y una ecuacón para calcular el costo de operacón CO ($/año) en funcón de la cantdad de sóldos a purgar y la concentracón de sóldos suspenddos volátles en el tanque: CO = cw.p.t + cs.x.t + oc...(2) w cw: Costo untaro de tratamento de los sóldos elmnados (($/d)/(kg SST/d)). cs: Costo de sedmentacón de la corrente de salda del lodo en funcón de la concentracón de sóldos volátles [($/d)/(kg SSV/m 3 )]. oc: Representa otros costos ($/año): t: Número de días de trabajo del sstema durante un año (d/año). Para calcular el VAN se defne el número de años de vda útl del sstema (n) y una tasa de nterés y se utlza la sguente expresón: VAN = CI + CO n k k...(3) k= ( +) COk: Costo de operacón del sstema para el año k. Como el VAN se refere a egresos, se escoge la alternatva que presente el menor VAN. RESULTADOS El método propuesto se aplcó al dseño de un lodo actvado para el tratamento de 2 00 m 3 /d de agua resdual doméstca con una concentracón de 0,25 kg DBO/m 3, donde la concentracón deseada en el efluente es de 0,02 5 kg/m 3. Aplcando el método propuesto fueron obtendas las sguentes alternatvas (tablas 2-4). Tabla 2 Alternatvas de dseño de un lodo actvado para el tratamento de 2 00 m 3 d con S = 0,25 kg DBO/m 3 y efcenca de remocón de 95 % Alternatva T Bv 2 X 3 Bx 4 e 5 Y obs V 7 Pw 8 0,5 0,5,5 0,33 9,2 0, ,5 0,5,375 0,3 8,2 0, ,5 0,5,25 0,4 7 0, ,5 0,5,25 0,44,3 0, ,4 0,5,5 0,43,5 0, ,4 0,5,375 0,47 5,8 0, Nota: Se elge a partr del dagrama de la fgura 2. 2 Se determna con T a partr del dagrama de la fgura 2. 3 Se elge a partr del dagrama de la fgura 3. 4 Se determna con X a partr del dagrama de la fgura 3. 5 Se determna a partr del dagrama de la fgura 4. Se determna a partr del dagrama de la fgura 5. 7 Se calcula con la ecuacón (9). 8 Se calcula con la ecuacón (0). Para calcular el costo de nversón CI y el costo de produccón se consderaron 300 días de trabajo al año y los sguentes costos untaros: Ct = $0,5/m 3 OCI = $ Cw = 0, ($/d)/(kg SST/d) Cs = 0,3 ($/d)/(kg SSV/m 3 ) Oc = $2 000/año Para cada alternatva se determna entonces el costo de nversón y el costo de produccón, tal y como se muestra en la tabla 3. Tabla 3 Cálculo del costo de nversón y el costo de produccón de cada alternatva Alternatva X V Pw CI CP, , , , , , Consderando un tempo de vda útl de 5 años, se calcula el VAN correspondente a cada alternatva. Los resultados se muestran en la tabla 4. 7

6 Empleo de dagramas basados en los crteros de carga y métodos de análss económco para el dseño de lodos actvados Tabla 4 Cálculo del valor actual neto para cada alternatva Año ,43 8, , ,2 438, 2 004, , , , 2 33, , , , , ,0 0 98, , , , , , , , , , , , , , ,97 VAN 58 23,8 3 98, , , , , La alternatva selecconada es la por ser la que tene menor VAN. Como resultado se obtene que para tratar el agua resdual doméstca se sugere un lodo actvado con un tanque de areacón de m 3 de volumen, que opere con una purga de sóldos de 2 80 kg SST/d. DISCUSIÓN Como el dseño del tanque de areacón tene como base la seleccón del volumen del tanque para el cual se cumplen los crteros de carga, es posble obtener dferentes alternatvas de solucón del problema. En este sentdo, el ncremento del volumen mplca un aumento del costo de nversón, pero, como dsmnuye la carga orgánca, dsmnuye la cantdad de sóldos a purgar y, por lo tanto, el costo de operacón. Alternatvamente tambén se tene que, para una msma carga orgánca, el ncremento en la concentracón de mcroorgansmos hace que se ncremente el costo de operacón y dseño del sedmentador secundaro, pero dsmnuye la cantdad de sóldos a purgar y el costo de operacón asocado al tratamento de estos. Como se puede observar, las varables y parámetros de dseño se encuentran nterrrelaconados entre sí y no es posble defnr a pror cual es la mejor alternatva. En este sentdo, se requere el empleo de técncas de análss económco para la seleccón de la mejor alternatva. CONCLUSIONES Se propone un método basado en el empleo de dagramas para el dseño de un proceso de lodo actvado de meda carga para el tratamento de aguas resduales doméstcas. La ventaja del método propuesto es que permte calcular de forma práctca las dferentes alternatvas de dseño, sn necesdad de realzar cálculos de tanteo y error. Aunque este fue aplcado para sstemas de meda carga y aguas resduales doméstcas, los prncpos establecdos para su mplementacón pueden ser aplcados a sstemas de baja y alta carga y agua resdual de orgen ndustral. REFERENCIAS. Savangerg, O.: "Montorng of Bologcal Effects". Resources, Conservaton and Recyclng, :35-30, METCALF & EDDY: Ingenería de aguas resduales, Ed. MacGraw-Hll, España, GRUBBS, R. B.: "Bacteral Supplementaton: What t Can and Cannot do". 9th Engneerng Foundaton Conference on Envromental Engneerng n the Food Prcessng Industry, : "Botechnology s Takng ts Place n Wastewater Treatment". Innovatve and Alternatve Emergng Technology Semnars, COUILLARD, D. AND S. ZHU: "Control Strategy for the Actvated Sludge Process Under Shock Loadng," Wat. Res. 2.5:49-55, HERRICKS, E. et al.: "Advances n Toxcty Testng Appled to Desng and Control of Bologcal Processes". Wat. Sc. Tech. 23:27-282, IZQUIERDO, E.; C. MENÉNDEZ Y C. MORÓN: "Manual de trabajo para el dseño y operacón de plantas de tratamento bológco de aguas resduales". Monografía, PETERS, M. S.: Plant Desgn and Economcs for Chemcal Engneerngs, PERRY, ROBERT H.: Perry s Chemcal Engneers Handbook, Edcón Dsco Compacto, Capítulo 25, FERNÁNDEZ, E.: "Ingenería económca para ngeneros químcos", Monografía, CENDA Recbdo: mayo de 2004 Aprobado: mayo de