Reducción de sólidos volátiles

Transcripción

1 Reducción de sólidos volátiles Los lodos primarios, por su mayor contenido de sólidos volátiles, permiten remociones mayores de sólidos volátiles que los lodos secundarios. La figura 6.1 permite visualizar el efecto de la edad de lodos y del contenido inicial de sólidos volátiles del lodo primario sobre su destrucción. También es común combinar lodos primarios con secundarios para su digestión; el efecto del incremento en la concentración de sólidos del lodo activado, al mezclarlo con lodo primario, se muestra en la figura 6.1. Figura 6.1 Efecto del tiempo de retención y del contenido inicial de sólidos volátiles sobre la eficiencia del digestor anaerobio

2 Figura 6.1 Efecto del tipo de lodo sobre la digestión anaerobia. La DQO del afluente es igual a 10 g/l en los tres casos.

3 Diseño con base en la edad de lodos La cantidad de metano se puede calcular por la ecuación VCH 4 = 0,5 [ Q( S S)10 1, 4 P ] 0 x (6.15) Donde: V CH4 = Volumen de metano producido en condiciones normales, 0 ºC, 1 atm, m /d 0,5 = Cantidad teórica de metano producida en la conversión completa de un kilogramo de DBOU a metano y dióxido de carbono, m CH4/kg DBOU. Q = Caudal, m /d S o = DBOU del afluente, mg/l S = DBOU del efluente, mg/l P X = Masa de tejido celular producida por día, kg/d La reducción típica de sólidos volátiles en un digestor anaerobio de lodos mezclados(primarios más secundarios) oscila entre 45 y 60%. La masa de tejido celular sintetizado diariamente en el digestor se puede calcular por la ecuación Px Y(S 0 S) Q = 1 + k d θ (6.16.) c Donde: Y = coeficiente de producción, kg/kg -1 k d = constante de respiració n endógena, d θc = edad de lodos,d So, S, Q y Px como se definieron para la ecuación Valores típicos de, Y y kd se incluyen en las tablas 6.1. y 6.1. Tabla 6.1. Edad de lodos para diseño de digestores anaerobios de mezcla completa Temperatura de Operación, ºC θ c mínimo, d θ c diseño, d

4 Tabla 6.1. Coeficientes cinéticos para digestión anaerobia a 0ºC Sustrato Coeficiente Base Intervalo Típico Lodo doméstico Ácido graso Carbohidratos Proteína Y kd Y kd Y kd Y kd GSSV/gDBO d 1 GSSV/gDBO d 1 GSSV/gDBO d 1 GSSV/gDBO d 1 0,04-0,10 0,0-0,04 0,04-0,07 0,0-0,05 0,0-,04 0,05-0,05 0,05-0,09 0,01-0,0 0,06 0,0 0,05 0,04 0,04 0,0 0,075 0,014 Ejemplo Calcular el volumen del digestor anaerobio de mezcla completa requerido para estabilizar el lodo de una planta de tratamiento primario que trata un caudal de m /d de aguas residuales con una remoción de 150g ST/m y una remoción de 160 g DBOU/m. El lodo primario tiene un 95 % de humedad y una densidad relativa igual a 1,0. La edad de lodos del digestor es de 5 días a 0ºC; la eficiencia del digestor es del 60%; Y=0,06 kg células/kg DBOU; kd=, 0 d -1. Verificar además la carga orgánica volumétrica, el porcentaje de estabilización, la producción de gas por kilogramo de SV destruido y per cápita. Solución: 1. Se calcula el caudal diario de lodo (QL): ( 150 )( ) Q L = = 118 m / d ( 1000 )( 100 )( 0, 05 ). Se calcula el volumen del digestor (V): V = Q m L θ c = =. Se calcula la carga de DBOU (CO):

5 CO = ( 160)( )( 10 ) = 6400kg DBOU / d 4. Se calcula la carga orgánica volumétrica del digestor(cov): 6400 COV = =, kg DBOU / m. d Se calcula la producción diaria de biomasa por la ecuación 6.16: P P x x Y( So S ) Q = 1+ k θ d c ( 0, 06)( 0, 6)( 160)( )( 10 = 1+ ( 0, 0)( 5) ) = 1 kg SV / d 6. Calcula el porcentaje de estabilización (E): E = ( [ 0, 6 )( 6400 ) ( 1, 4 )( 1 )] = 57% 7. Se calcula el volumen de metano producido por día según la ecuación 6.15: [. ( 0, 6)( 160) 10 1, 4( 1) ] 178m / d V CH4 = 0, = 8. Se calcula el volumen total de gas producido por día, suponiendo gas con un 65% de metano: 178 V gas = = 1966m / d 0, Se calcula la masa de SV destruidos suponiendo un porcentaje de SV el 80%: SV = ( 0, 8 )( 150 )( 0, 6 )( ) 10 = 880 kg SV / d

6 10. Se calcula la producción de gas por kilogramo de SV destruido: 1966 =, 68 m 0 / kg( típico 0,75a 1,1 m / kg a 5º C) Se calcula la población servida suponiendo un caudal de 00 L/c.d: P = = c 0, 1. Se calcula la producción de gas per cápita: = 9, 8L / cd(típico 15a L/cd a 5ºC) Configuración Los digestores anaerobios son generalmente tanques cilíndricos o rectangulares. Los tanques cilíndricos tienen una relación profundidad / diámetro de 0, a 0,7 para facilitar la mezcla, fondo cónico con pendientes 1/6 a ¼ y bocas de extracción de lodos por el centro del cono y uno o más puntos intermedios entre el fondo del digestor y el nivel máximo del agua en el digestor. Se recomienda, además, dejar un espacio libre adicional de 0,9 a 1,5 m de longitud para acumulación de espuma y como borde libre. El cono el fondo no se incluye en el cálculo del volumen útil del digestor para permitir acumulación de arena y material no biodegradable. Recientemente se ha promovido el uso de digestores en forma de huevo para optimizar la mezcla y reducir la acumulación de espuma y arena (figura 6.14.) Mezcla Los estándares típicos para diseño de los diferentes sistemas de mezcla empleados en digestores anaerobios de tasa alta(sistemas de inyección de gas no confinado, sistemas de inyección de gas confinado, sistemas de agitación mecánica y sistemas de bombeo mecánico) se incluyen en la tabla 6.14.

7 Tabla Estándares de diseño para sistemas de mezcla de digestores anaerobios Estándar Definición Valor Nivel de potencia Flujo unitario de gas Gradiente de velocidad Potencia del equipo por unidad de volumen digestor Cantidad de gas suministrado por unidad de volumen de digestor Raiz cuadrada de la potencia usada por unidad de volumen de digestor dividida por la viscosidad del lodo 5-8W/m 6,5-7, m/m.d s 1

8 Figura 6.14 Digestores anaerobios

9 6.8.Digestión Aerobia de Lodos de Aguas Residuales La digestión aerobia de lodos de aguas residuales es el método más usado en plantas caudales menores de m /d, 0L/s para estabilizar su componente orgánico. En plantas grandes no es el método preferido por los altos costos de operación del equipo de aireación. El proceso de digestión aerobia permite reducir la concentración de SV del 5 a 50 %; las normas de la USEPA requieren reducciones de SV del 8% para satisfacer el objetivo de reducción de la atracción de vectores. Tradicionalmente, la edad de lodos ha sido el estándar básico de diseño. El proceso de digestión aerobia de lodos es semejante al proceso de lodos activados, el residuo orgánico introducido al digestor es sometido a la misma conversión representada por las ecuaciones 6.17 a CHONS + O C C 5 5 H H 7 7 NO NO + 5 O + 7 O + nutrientes bacterias bacterias bacterias 5 CO 5 CO CO + NH + H + NO + C O + NH + H O + H De la ecuación 6.18 se deduce que si toda la biomasa es oxidada, la DBOU de las células es igual a 1,4 veces la concentración de células, y si se incluye la nitrificación la DBO total es igual a 1,98 veces la concentración de células. En la realidad sólo un 75 a 80% de la biomasa es oxidable, pues el resto no es biodegradable. En la ecuación 6.19 se indica que cuando hay nitrificación el ph puede disminuir si no se presenta suficiente alcalinidad. En teoría se requieren 7,1 kg de alcalinidad por kg de amoníaco oxidado. En el digestor aerobio de lodos de aguas residuales habrá tanto oxidación directa de la materia orgánica como respiración endógena de la biomasa o tejido celular. Los digestores aerobios pueden ser rectangulares o circulares, con pendiente en el fondo de 1/1 a ¼ para facilitar la remoción del lodo, profundidad entre y 7,5 m y borde libre de 0,45 a 1, m. En la figura 6.15 se muestra un digestor aerobio típico. El sistema de aireación puede ser de aire difuso, turbinas mecánicas sumergidas, aireadores de chorro o sistemas combinados. Los difusores se colocan normalmente cerca del fondo del tanque, a lo largo de una de sus paredes o sobre el fondo del mismo. Para asegurar una mezcla adecuada se requieren usualmente tasas de aireación de 0, a 0,67 L/m s, o un volumen de digestor aerobio de 90 L/cd y un suministro de aire de 0 m /m d o de, m /cd. El equipo de aireación mecánico puede ser flotante, o montado sobre pontones, de alta o de baja velocidad. Entre los atributos o ventajas del proceso de digestión aerobia de lodos se señalan los siguientes: - Para plantas de menos de 0 L/s tiene un costo de capital inferior al del proceso anaerobio. - Es más fácil de operar que el proceso anaerobio - No genera malos olores 5 H 7 NO + energía + + otros productos (6.17) (6.18) (6.19)

10 - Produce un sobrenadante de DBO, SS y NH bajo - Reduce el contenido de grasas y aceites en el lodo - Reduce bastante el contenido de patógenos. Figura 6.15 Digestor aerobio circular típico En el diseño de digestores aerobios hay que tener en cuenta factores como la temperatura, la reducción de sólidos, el tiempo de retención hidráulico, los requerimientos de energía y de mezcla. Los estándares típicos de diseño se incluyen en la tabla 6.15.