Prof. Dr. D. JC Cabanelas Valcárcel. Prof. Dr. D. A. Aznar Jiménez. Dpto. C. e I. Materiales e I.Química UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

Transcripción

1 Prof. Dr. D. JC Cabanelas Valcárcel Dpto. C. e I. Materiales e I.Química UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID Tratamiento de lodos de depuradora, material desarrollado por los Drs. D. Antonio Aznar y D. Juan Carlos Cabanelas Valcárcel, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales e Ingeniería Química de la Universidad Carlos III de Madrid, basado en la Estación depuradora de Linares, en colaboración con Aguas Jaén, empresa explotadora de dicha EDARU. 1

2 CROQUIS INSTALACIONES Línea de agua Línea de fango Línea de gas Pretratamiento Tratamiento primario Tratamiento secundario Como se puede observar en el esquema de la planta, esta consta de dos líneas paralelas de tratamiento de agua línea azul- una línea de tratamiento de fangos línea marrón- y otra de biogás línea roja-. Los elementos mas importantes están resaltados en dicho esquema. El pretratamiento (recuadro azul claro) consta de un aliviadero de tormentas en la obra de llegada, un pozo de gruesos, un sistema de bombeo, un sistema de rejas automáticas, un desarenadordesengrasador y un medidor de caudal. El tratamiento primario (recuadro azul oscuro) consta de dos decantadores. El tratamiento secundario (recuadro violeta) está formado por un digestor aerobio con seis agitadores mecánicos y dos clarificadores. El tratamiento de fangos consta de un espesador y una balsa de flotación, así como de un digestor anaerobio de alta carga y otro de baja carga. La línea de biogás consta de un gasómetro de campana, una antorcha y los sistemas auxiliares de producción de energía. Además de los sistemas principales indicados, existen otros sistemas auxiliares que no se indican en el esquema. 2

3 TRATAMIENTO DE FANGOS 3

4 TRATAMIENTO DE FANGOS Eras de secado (40-45%) Filtros banda (35-40%) Espesador (10-15%) Espesamiento Deshidratación Filtro de vacio (20-30%) Filtro prensa (60-70%) Centrífuga (20-30%) Tratamiento de fangos Secadores (80-90%) Incineración Aerobia Vertederos controlados Estabilización/ digestión Ubicación final Extensión sobre el terreno Anaerobia Vertido al mar Compostaje y vitrificación TRATAMIENTO DE FANGOS a) Espesado del fango.- El fango procedente de decantadores es aún prácticamente líquido. El espesado se emplea para aumentar el contenido en sólidos del fango por eliminación de parte de la fracción líquida del mismo. El espesado por gravedad se suele aplicar a los lodos primarios y el espesado por flotación a los fangos secundarios (biológicos), el espesado por centrifugación o el espesado por filtros de banda por gravedad se utilizan casi exclusivamente para fangos activos. b) Estabilización y acondicionamiento del fango.- La estabilización se lleva a cabo para reducir la presencia de patógenos, eliminar olores desagradables y reducir o eliminar el potencial de putrefacción del fango. Los métodos que se emplean van dirigidos a disminuir la fracción de materia orgánica volátil, a esterilizar o desinfectar el fango o a hacerlo inadecuado para la supervivencia de microorganismos descomponedores. c) Deshidratación y disposición final.- En la deshidratación final de lodos se usan cada vez más las centrífugas, con una capacidad creciente de eliminación de agua, lo que redunda en una disminución de volumen muy conveniente para el transporte y compostaje, aunque también se siguen utilizando tecnologías de secado. Por último, dentro de la tendencia general a reducir el impacto de la depuradora en su entorno inmediato, se tiende a maximizar el control de olores, muy presentes en las etapas de espesamiento y deshidratación de lodos, mediante la construcción de cubiertas y el tratamiento de las corrientes de aire evacuadas mediante lavado de gases o absorción con carbón activo. Una vez deshidratados los fangos pasan a un silo desde donde son enviados a su destino definitivo: agricultura, construcción, incineración, etc. 4

5 FLOTACIÓN Separación de una fase dispersa (MENOR DENSIDAD) de una fase continua (MAYOR DENSIDAD). ( ρ ρ ) d2 g c v = 18 η d v = velocidad d = diámetro g = gravedad ρ d = peso específico de la fase dispersa ρ c = peso específico de la fase continua η = viscosidad FLOTACIÓN NATURAL: ρ c > ρ d FLOTACIÓN CON AIREACIÓN: Flotación asistida: ρ c > ρ d Flotación forzada: ρ c < ρ d ρ c > (M d + M g )/ (V d + V g ) La flotación es un proceso de separación de una fase particulada - sólida o líquida- de una fase continua líquida, basándose en la mayor densidad de la segunda. En el caso del tratamiento de aguas residuales, la flotación es el proceso de separación de partículas sólidas de densidad menor a 1 kg L -1, que se desplazan en el seno del agua. En la flotación interviene la diferencia de peso entre la masa volumétrica de los sólidos o flóculos y la del líquido en que se encuentran en suspensión. La velocidad de desplazamiento de la partícula alcanza un valor de equilibrio, que viene dada por la denominada ecuación de Stokes) y que es proporcional al tamaño de la partícula, a la diferencia de densidades partícula/agua, a la fuerza de la gravedad e inversamente proporcional a la viscosidad (resistencia que opone el líquido para el desplazamiento al desplazamiento). El proceso de flotación puede ser: NATURAL: cuando la densidad de la partícula es menor que la del agua. CON AIREACIÓN: cuando para favorecer las fuerzas ascensionales se introduce aire en el sistema que al adherirse a las partículas disminuye la densidad global del sistema partícula+burbuja, aumentando la velocidad ascensional (flotación asistida) o permitiendo la flotación de partículas más densas del agua (flotación forzada). 5

6 FLOTACIÓN V M g d = ( ρd ρc ) ( ρ ρ ) ρ d c g V g = volumen mínimo de gas ρ d = peso específico de la fase dispersa ρ c = peso específico de la fase continua ρ g = peso específico del gas M d = masa de fase dispersa Proceso de flotación Diametro de burbuja (mm) Energía consumida (Wh.m -3 ) t r (min) C H (m 3 /m 2 h) Difusores Por agitación mecánica 0, Aire disuelto 0,004-0, La cantidad de aire necesario para favorecer la flotación, es función de la densidad relativa de la partícula. La mayor o menor facilidad para que se produzca la flotación forzada es función de los siguientes factores: Afinidad del aire a la partícula: la tensión superficial debe ser alta de manera que el agua no moje a la partícula (hidrofobicidad) y la adhesión de las partículas a las burbujas debe ser mayor que la tendencia que tienen a establecer contacto con el agua. Densidad de la partícula. La flotación es más fácil en partículas con baja densidad, inferior a la del agua. Cuanto mayor sea la densidad, mayor será la cantidad de aire que debe adherirse a ella para provocar la flotación. Diámetro de la partícula. Cuanto mayor sea, es necesario más aire adherido a la partícula. El tamaño de la burbuja de aire afecta de modo importante a la eficacia de la flotación, por diversos motivos: A menor diámetro de las burbujas, menor será la velocidad ascensional de las mismas y mayor tiempo de retención tendrán. Sin embargo, el rendimiento de la adherencia burbuja/partícula es función del tiempo que dichas burbujas se mantengan en la suspensión y la oportunidad de contactos con dichas partículas. A mayor tamaño de la burbuja se produce mayor turbulencia en el tanque reduciendo la eficiencia de la flotación. La velocidad ascensional media del fango o carga superficial (C H ) es el cociente entre el caudal tratado y la superficie de la balsa de flotación. 6

7 FORMACIÓN DEL SISTEMA PARTÍCULA-BURBUJA Colisión y adhesión entre partícula y burbuja Formación y crecimiento de burbujas en la superficie de la partícula FORMACIÓN DEL FLÓCULO Incorporación de las burbujas durante la formación del flóculo Incorporación de las burbujas al coagulo ya formado El sistema partícula/burbuja puede generarse mediante dos mecanismos: Colisión/adhesión: Las burbujas ya formadas se adhieren a la superficie del sólido del sólido mediante fenómenos de tensión superficial, al encontrarse favorecidas las interfase sólido/gas que las sólido líquido. Formación/crecimiento: Cuando el aire se encuentra en condiciones de sobresaturación en el agua, la superficie del sólido se convierte en centros de nucleación del exceso de aire. Las microburbujas formadas tienden a juntarse entre sí (fenómeno de coalescencia) formando burbujas de mayor tamaño. Los flóculos son agregados de partículas, con un mínimo de cohesión entre ellas, de manera que no se disgreguen ante cualquier fuerza externa. La formación del sistema flóculo/burbujas puede suceder mediante dos mecanismos diferentes: Formación del flóculo simultáneamente a la incorporación de burbujas a las partículas, dándose un entramado homogéneo burbuja partícula en casi toda la masa del flóculo. Incorporación de las burbujas al flóculo ya formado: Inicialmente se forman los flóculos, a los cuales se incorporan las burbujas, dando lugar a una fuerte inhomogeneidad en la distribución del aire en el flóculo, quedando la mayor parte del aire recubriendo su superficie o atrapado en cavidades del mismo. 7

8 Flotación por aire disuelto (FAD) Flotación por aire inducido por cavitación (FAC) Alimentación Agua de alimentación Floculantes y espumantes Sistema de recogida de flotantes Dosificación reactivos Tanque presurizado de mezcla Compresor de aire SISTEMAS DE FLOTACIÓN ASISTIDA Sistema de recogida de flotantes Efluente tratado Efluente tratado SISTEMAS DE FLOTACIÓN: Flotación por aire disuelto (FAD): Consiste en la creación de microburbujas de aire en el seno del agua residual, las cuales se unen a las partículas a eliminar formando agregados capaces de flotar al tener una densidad inferior a la del agua. La creación de microburbujas en el proceso, se realiza a través de los siguientes pasos: (i) presurización del flujo de agua y mezcla con los aditivos floculantes y espumantes (favorecedores de la adhesión de las partículas a las burbujas de aire), (ii) disolución de aire en dicho flujo sobresaturándolo (al ser más alta la presión se favorece la solubilidad del aire en el agua) y (iii) despresurización a presión atmosférica, con lo que el exceso de aire disuelto por encima del de saturación se libera en forma de microburbujas (4-7 μm) que se adhieren a las partículas a flotar. Flotación por aire inducido por cavitación (FAC): En este caso la generación de burbujas ocurre por cavitación del aire directamente succionado en el efluente vía un tubo aerador especial, agitando a altas revoluciones el agua produciendo burbujas de diámetro medio (0,2-2 mm). En el efluente se mezclan sustancias espumantes con el objetivo de favorecer las interacciones burbuja/partícula. 8

9 ESPESADOR DE FANGOS POR FLOTACIÓN Deflector Sumidero de flotantes Rasqueta de espumas Campana distribuidora Espumas Canal de desagüe Efluente Purga de espumas Alimentación Presurizada con aire Purga de sedimentos Barredora de fondo con picas Espesadores por flotación: Los espesadores son balsas de flujo vertical, generalmente circulares, con barredoras de fondos con picas verticales, colector central de sedimentos y rasqueta de espumas con artesa colectora de las mismas. La campana distribuidora tiene por función repartir y tranquilizar el flujo de la corriente de alimentación. El lento movimiento de las picas favorece la formación de flóculos de mayor tamaño y aumenta la flotabilidad de los mismos. En muchas ocasiones es necesaria la adición de coagulantes y floculantes para aumentar el rendimiento del proceso de flotación. Las concentraciones en sólidos que se alcanzan están normalmente comprendidas entre el 3 y el 12 %. Los espesadores funcionan concentrando los fangos obtenidos en los decantadores secundarios dando lugar a fangos espesados. Los tiempos de retención hidráulica son bajos 4-40 min, y al trabajar en presencia de aire se inhiben los procesos anaerobios y con ello los malos olores, por lo cual no necesitan ser balsas cubiertas. 9

10 ESPESADOR DE FANGOS POR FLOTACIÓN Espesadores Vista de la balsa circular abierta de un espesador de fangos por flotación. La altura de la balsa suele ser pequeña ( 1m). 10

11 RASQUETAS DE FANGOS Rasquetas de fangos biológicos del espesador por flotación, para la impulsión en continuo de los fangos flotados hacia el colector de fangos. 11

12 COMPRESORES Sistema de compresores para insuflar aire a presión en el efluente proveniente del exceso de fangos del decantador secundario. 12

13 SUMIDERO DE FLOTANTES Sumidero de flotantes del espesador por flotación de donde escurren hacia el sistema de evacuación. 13

14 DEFLECTOR DEL DESAGÜE Deflector del desagüe perimetral, tipo Thompson, del espesador de fangos biológicos. 14

15 TANQUE DE DOSIFICACIÓN Y MEZCLA DE COAGULANTES Y FLOCULANTES Dosificador y mezclador de floculante para facilitar la concentración de los lodos, la adición de estos productos al agua sin una dispersión adecuada, puede dar lugar a la formación de grandes agregados difíciles de disolver completamente y de escasa eficacia en la interacción con la materia sólida a separar, por lo que deben dispersarse completamente para su dosificación y mezcla con el agua a tratar. La mayor parte de los floculantes utilizados son polielectrolítos (moléculas poliméricas con grupos ionizables tanto aniónicos como catiónicos), suele adicionarse de 2 a 5 kg polielectrolíto por tonelada de sólidos. 15

16 DIGESTIÓN-ESTABILIZACIÓN DE LOS FANGOS La digestión de los fangos tiene por objetivo: Reducir la presencia de patógenos Eliminar los olores desagradables Inhibir, reducir o eliminar su potencial de putrefacción. 16

17 QUIMICA: Estabilización con cal Estabilización con cloro DIGESTIÓN-ESTABILIZACIÓN DE LOS FANGOS FÍSICA: Secado térmico Incineración Pasteurización BIOLÓGICA: Digestión anaerobia Digestión aerobia Compostaje DIGESTIÓN-ESTABILIZACIÓN DE LOS FANGOS. Tratamientos químicos: los tratamientos químicos más comunes son la inertización por adición de cal para la eliminación de microorganismos, y la adición de cloro para la desinfección de los fangos y la parcial destrucción de la materia orgánica (MO) Tratamientos físicos: son tratamientos térmicos dirigidos a la eliminación de microorganismos (pasteurización), inertización y disminución de volumen (secado térmico) y destrucción de la MO (incineración). Tratamientos biológicos: pueden ser de tipo aerobio o anaerobio inertizando y destruyendo la MO o sin destruirla totalmente (compostaje). 17

18 PROCESO METABÓLICO ANAEROBIO material orgánico nitrogenado sulfurado microorganismo proteinas grasas carbohidratos CO 2 Humus + NH 4 + S 2- CH 4 + Energía Biomasa CH 4 +CO 2 95% 5% Se denominan anaerobios aquellos procesos por los cuales los microorganismos digieren la materia orgánica en ausencia de oxígeno molecular, empleando como agente oxidante otras moléculas, y dando lugar a metabolitos en bajos estados de oxidación (amoniaco, sulfuros, metano, etc.). Los procesos anaerobios transforman muy poca de la materia orgánica digerida a biomasa ( 5%), produciendo con el resto gas metano y anhídrido carbónico. 18

19 CO 2 NH + 4 S = H 2 O R-COOH ACIDOGÉNESIS FERMENTACIÓN PROCESO METABÓLICO ANAEROBIO Azucares Aminoácidos Péptidos CO 2 CH 3 -COOH HIDRÓLISIS C n H m O p N r CO 2 ACETOGÉNESIS H 2 O CH 3 -COOH Simbiosis METANOGÉNESIS H 2 O CH 4 La biocenosis de los fangos anaerobios está constituida por una secuencia de organismos que se alimentan de los metabolitos excretados por otros disminuyendo con ello su concentración en el medio. A este tipo de sistemas tróficos en los que se asocian dos organismos de diferente especie y se favorecen mutuamente se les denomina SIMBIOSIS. Los procesos de hidrólisis y acidogénesis son procesos fermentativos mediante los cuales moléculas de alto peso molecular (proteinas, polisacáridos, lípidos, etc.) son transformadas en otras más sencillas mediante exoenzimas bacterianas. Los procesos de acetogénesis y metanogénesis son procesos puramente anaeróbios de oxidorreducción de azúcares y otros compuestos en los que el aceptor último de electrones es una molécula, en general inorgánica, distinta del oxígeno. La realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias. 19

20 ANAEROBIO/AEROBIO: VENTAJAS VENTAJAS: Fango con mejor capacidad de espesamiento Se pueden aplicar cargas altas por mantener altos SS Menor necesidad de nutrientes No necesita aireación Producción de metano Menor producción de fango (3-20 veces) El fango producido es fácilmente deshidratable El fango está muy estabilizado Eliminación de patógenos. VENTAJAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA: Fango con mejor capacidad de espesamiento Se pueden aplicar cargas altas por mantener altos SS, manteniendo relaciones F/A aceptables próximas a 1. Menor necesidad de nutrientes La relación óptima para las bacterias aerobias es C:N:P = 100:5:1 La relación óptima para las bacterias anaerobias es C:N:P = 1000:5:1 No necesita aireación al realizarse en ausencia de oxígeno. Producción de metano. Constituyente del biogas y que cuando se encuentra en proporciones superiores al 50% hace que sea potencialmente utilizable como gas combustible. Menor producción de fango (3-20 veces) puesto que una mínima parte del carbono presente en la DBO es transformado en biomasa. El fango producido es fácilmente deshidratable, al incrementarse la eliminación de materia volátil se mejora la deshidratación posterior. El fango está muy estabilizado: al ser los tiempos de retención de sólidos (TRS) muy elevados el grado de mineralización es alto y el grado de destrucción de la materia orgánica volátil también. Se eliminan la mayor parte de los microorganismos patógenos. 20

21 Requiere temperaturas elevadas y mayores consumos energéticos. Requiere separación gas-fango Fango con peor clarificación Recuperación más lenta frente a compuestos tóxicos ANAEROBIO/AEROBIO: DESVENTAJAS Es más sensible frente a cambios operacionales de carga y caudal y cambios ambientales como ph y temperatura La puesta en marcha es muy lenta debido a la baja tasa de crecimiento En algunos casos es un pretratamiento, y antes de verter necesita un post tratamiento Menos favorable económicamente a pequeña escala (economía de escala) Menos favorable para bajas concentraciones de DBO 5 En general tecnología más compleja. Mayores costes de inversión DESVENTAJAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA: Generalmente se realiza mediante bacterias termófilas a temperaturas superiores a 30º C. Temperaturas mucho más altas pueden favorecer la aparición de tóxicos. Provoca un mayor consumo energético y necesidades de aislamiento térmico del digestor. Los gases formados (CO 2 y CH 4 ) favorecen la formación de espumas que hay que romper para una correcta separación fango/agua y una buena recuperación del biogas. Fango con peor clarificación. Peor calidad del sobrenadante. Recuperación más lenta frente a tóxicos: Los bacterias anaerobias, sobre todo las metanogénicas, son extremadamente sensibles a la presencia de tóxicos o a variaciones en las condiciones de su entorno. Es más sensible frente a cambios operacionales de carga y caudal y cambios ambientales como ph y temperatura. La puesta en marcha es muy lenta debido a la baja tasa de crecimiento. En algunos casos es un pretratamiento, y antes de verter necesita un post tratamiento. Menos favorable económicamente a pequeña escala (economía de escala). Menos favorable para bajas concentraciones de DBO 5. En general tecnología más compleja. Mayores costes de inversión 21

22 DIGESTOR ANAEROBIO Gases Afluente Efluente Sistemas cerrados t RH (anaerobio) > t RH (aerobio) t RS (anaerobio) > t RS (aerobio) C m (anaerobio) > C m (aerobio) Tª (anaerobio) Tª (aerobio) Producción de fangos Producción de biogas Δ[SSV] tiempo cte V reactor ó t RH < t RS DIGESTOR ANAEROBIO: Son sistemas cerrados, aislados del oxígeno atmosférico. Los tiempos de retención hidráulicos (tiempo de permanencia del agua en el interior del reactor, TRH) son mucho mayores que en los sistemas aerobios, al ser procesos cinéticamente más lentos. Los tiempos de retención de sólidos (edad del fango, TRS) son también mucho mayores que en el caso de los procesos aerobios, dado que al ser procesos en los que la generación de nueva biomasa es muy pequeña. Las cargas másicas (relación entre la masa de MO que entra en el reactor por unidad de tiempo y la masa de microorganismos existentes en el mismo, F/M) de los sistemas anaerobios suelen ser altas, pues al trabajar a TRH permite valores de DBO por día más elevados. La temperatura de los sistemas anaerobios son, en general, mayores que en los aerobios. Al ser los TRS más elevados, el grado de mineralización es mayor, lo cual junto a que la tasa de producción de biomasa es menor hace que la producción de fangos sea baja 22

23 DIGESTOR ANAEROBIO 1ª generación Tanques sépticos Lagunas anaerobias Tanques Imhoff Digestores 2ª generación Híbrido Lecho fijo Lecho fluidizado o expandido Filtro anaerobio con carbón activado Inmovilización de microorganismos Asociado a partículas suspendidas Contactor rotatorio anaerobio Columna de plato 3 era generación Reactor de contacto (Lodo activado anaerobio) UASB EGSB Circulación interna Con ascensión de gas Modificado de alta velocidad Membrana Flujo horizontal con deflectores Dos etapas Percoladores en serie Tubular inclinado REACTORES DE PRMERA GENERACIÓN: Son reactores de grandes dimensiones y biomasa suspendida y TRH elevados ( 30 días) e iguales a los TRS REACTORES DE SEGUNDA GENERACIÓN: Son generalmente reactores de biomasa fija y TRH de horas e independientes de los TRS REACTORES DE TERCERA GENERACIÓN: Permiten trabajar a TRH bajos ( 1h) y DQO muy bajas. Basados en modificaciones del UASB para permitir aumentar la velocidad de carga orgánica, los dos más destacados son el EGSB (expanded granular sludge bed) y el IC (internal circulation). 23

24 PARÁMETROS DE DISEÑO DEL DE UN DIGESTOR ANAEROBIO DE ALTA CARGA t residencia = h H útil (m) H fondo (m) [SS V ] entrada = % Reducción SS V = % Q fangos (m 3 /h) SS fangos (kg/d) Q fangos (m 3 /h) = SSfangos 24 [ SS] digestor = Qfangos SSv fangos (kg/d) = SS SS [SS ] 100 v = fangos v entrada V digestor (m 3 ) = V digestor = tresidencia Qfangos C SSv (kg/m 3 d) = C SSv = SS fangos r[ss ] entrada V digestor 100 φ interno (m)= φint erno = Vdigestor ( π H 4) + ( π H 12) útil fondo 24

25 REACTOR DISCONTINUO DE BAJA CARGA Líquido clarificado Afluente Flotantes Fango digerido Gases Efluente Fango en digestión t RH t RS (30-60 días) Carga másica (Kg DQO/m 3 /d): 0,4-1,6 No hay dispositivos de mezcla. Se crean pequeñas turbulencias por las burbujas de gas producidas. El líquido crudo ingresa en la zona de digestión. La corriente de alimentación debe contener bacterias anaerobias (estiercol). En la superficie se forma una capa de espuma favorecida por el gas que asciende arrastrando lodo y flotantes. Se purga periódicamente sobrenadante y lodo digerido l/hab lodo 1 ario l/hab lodo 1 ario + lodo activo. Volumen útil reactor = aprox 50% del volumen total del digestor. 25

26 GASÓMETRO DE CAMPANA FLOTANTE Campana de acumulación de gases. 26

27 OBTENCIÓN DE BIOGAS microorganismo Material orgánico nitrogenado sulfurado proteinas grasas carbohidratos CO 2 Humus + NH + 4 S 2- CH 4 + Energía BIOGAS CH % CO % H 2 S ,3 % 27

28 CALDERA DE COMBUSTIÓN DE GAS 28

29 CONSUMO ENERGÉTICO Bombeo Sedimentación primaria Lodos activados Procesamiento de los lodos Iluminación, monitoreo, controles Desinfección Control de olores 10-20% 2-5% 30-70% 10-50% 1-3% 1-3% 1-2% 29

30 ANTORCHA DE SEGURIDAD Antorcha 30

31 FILTRO BANDA PARA SECADO DE FANGOS Filtros banda. 31

32 TIPOS DE FILTRACIÓN Alimentación Rechazo Tamaño de corte 10 μm 0,01 μm 0,001 μm 0,0001 μm Permeado El poder de separación de un filtro viene dado por el tamaño mínimo de partícula que deja pasar y este es controlado por el diámetro de los poros del material constitutivo del filtro. En la figura se esquematiza el poder de separación de las diversas técnicas de filtración más usadas en el tratamiento de aguas. *La microfiltración retiene partículas de diámetro del orden de la milésima de milímetro (micra), permitiendo la eliminación de sólidos en suspensión, bacterias, macromoléculas de alto peso molecular ( Dalton). *La ultrafiltración posee un umbral de separación de la cienmilésima de milímetro, reteniendo virus, proteínas, partículas coloidales. *La nanofiltración permite el paso de partículas de menos de una millonésima de milímetro (nanómetro), reteniendo colorantes, oligómeros, moléculas de peso molecular medio, etc. *La osmosis inversa es una filtración a escala atómica (iones y moléculas pequeñas), presentando un umbral de separación del orden de la diez millonésima de milímetro (Angstrom). 32

33 Tipos de filtros TIPOS DE FILTROS de arena de vacío El Filtro de arena se utiliza en plantas de agua potable y como parte del tratamiento final del efluente de las plantas depuradoras. Es un sistema de filtración por lecho filtrante con flujo frontal, en el cual sobre una capa de grava se coloca el lecho de arena; percolando el agua a su través y recolectándose en el fondo mediante tubos de drenaje perforados y quedando retenidos los sólidos en el seno del lecho. El lavado del filtro se consigue haciendo circular agua en sentido inverso, fluidificando la arena y arrastrando el material depositado, que se descarta. En la filtración a vacío, la fuerza motriz para el transporte de la fase líquida a través del medio poroso es la presión, debido a la aplicación de vacío en la superficie de desagüe del medio de filtración, creando un gradiente de presión entre ambas caras del filtro. Industrialmente el filtro a vacío más utilizado es el Filtro rotatorio; filtro de funcionamiento continuo, consistente en un tambor cilíndrico horizontal que gira entorno a su eje principal, parcialmente sumergido en la suspensión a filtrar. La superficie del tambor está cubierta por un medio poroso, cubierto con material filtrante como telas filtrantes o mallas metálicas en espiral. La superficie del tambor está dividida en sectores circulares. Cada sector está separado del sector adyacente en los extremos del tambor y está unido a una válvula rotativa situada en el eje del tambor mediante una conducción de vacío/drenaje. Esta válvula controla las fases del ciclo de filtración y conduce el filtrado hacia el exterior del tambor. Conforme el tambor va girando, la válvula permite que cada sector pase por cada una de las etapas del proceso: formación, lavado, deshidratación y descarga de la torta por la acción de una cuchilla. 33

34 EL AGUA COMO VEHÍCULO INFECIOSO Nº casos de tifus por hab Puesta en marcha de los filtros Inicio de la cloración Año 34

35 TIPOS DE FILTROS Filtro banda Acondicionamiento químico Drenaje por gravedad Deshidratación a presión Fango lavado Mezclado Agua de lavado electrolito Filtro prensa Agua de lavado Líquido filtrado Fango deshidratado El Filtro banda es una variante de los filtros de presión que permite realizar la operación de forma continua. La suspensión se sitúa entre dos láminas filtrantes y se hace pasar entre rodillos con los que se aplica presión, normalmente hay que aditivar los fangos a desecar con un polielectrolito para favorecer la eliminación del agua. En los filtro banda primero se produce un drenaje del agua por gravedad y después se continua la deshidratación por efecto de la sobrepresión que ejercen los rodillos al comprimir las bandas porosas de fieltro en medio de las cuales se coloca el fango a deshidratar. Son sistemas baratos, ya que no necesita una gran inversión inicial, los costes de mantenimiento y explotación son bajos y la instalación presenta un bajo consumo energético. Además, son efectivos para casi todo los tipos de fango de aguas residuales municipales, aunque están siendo desplazados por los sistemas de centrifugación. En un filtro prensa la deshidratación se lleva acabo forzando la eliminación del agua presente en el fango por la aplicación de una presión hidrostática elevada. Los filtros prensa constan de una serie de placas rectangulares dispuestas verticalmente una detrás de otra sobre un bastidor. Sobre las caras de estas placas se colocan telas filtrantes, normalmente de tejidos sintéticos. El espacio que queda entre dos placas en su parte central hueca, es el espesor que adquirirá la torta resultante. Este espesor puede oscilar entre 15 y 30 milímetros. La superficie de los filtros prensa puede ser de hasta 400 m 2, y la superficie de cada placa en torno a 2 m 2, es decir los filtros prensa pueden estar formados por más de 100 placas. La torta se forma sobre un paño filtrante y el líquido filtrado sale entre las ranura de las placas bajo el paño filtrante. La operación de un filtro prensa es discontinua, pues una vez conseguida la filtración debe desmontarse, retirar los sólidos y limpiar el paño filtrante. 35

36 FILTRO BANDA PARA SECADO DE FANGOS 36

37 FILTRO BANDA PARA SECADO DE FANGOS 37

38 FILTRO BANDA PARA SECADO DE FANGOS Lodo seco. 38

39 Destruir Contaminantes Recuperar Gases Transferir Líquidos Lodos 39

40 Tm lodos/año U.E. 40

41 SECADO DE FANGOS Tabla 4.5. Características físicas del fango según su contenido en agua. Contenido en agua (%) Forma del lodo >85 Líquido. Fácil de bombear Plástico y gelatinoso Barro seco Sólido permanente. Diseminable Pulverulento 41

42 ERAS DE SECADO Las eras de secado son extensiones de terreno drenado formadas por capas de materiales drenantes dispuestas de forma vertical en un receptáculo. El fango se sitúa sobre estas capas de grava o arena produciéndose el filtrado de forma análoga a la filtración en arena, en tratamiento de aguas. El fango se deshidrata por drenaje a través de la masa del fango y la arena, y por evaporación desde la superficie expuesta al aire. La mayor parte del agua se pierde por drenaje, por lo que es fundamental disponer de un buen sistema de tuberías de drenaje lateral con pendientes mínimas del 1 por 100. La evaporación dependerá de las condiciones climáticas de la zona, los días de exposición de los lodos y las características de los mismos, que en todo caso deben estar bien estabilizados. Las eras pueden ser descubiertas o cubiertas (en zonas lluviosas). El drenaje suele estar formado por capas de cm de arena sobre una capa de grava de cm, colocando una red de tuberías en la parte inferior para recoger el agua, que volverá a ser tratada en la EDAR. La capa de fango oscila entre 20 y 30 cm de espesor. La capa de arena debe reponerse cada cierto tiempo ya que se pierden arenas en el proceso de filtrado y recogida de los lodos. El principal problema que presentan es la extracción de los lodos una vez han alcanzado la sequedad deseada. Este método se utiliza para poblaciones de habitantes o inferiores, pues el inconveniente que presenta este proceso es la gran superficie de terreno que se requiere. Además, el coste de retirada del fango y reposición de arena se hace prohibitivo en grandes instalaciones. 42

43 CENTRIFUGACIÓN Centrifuga de camisa maciza Centrifuga de cesta a) Centrífugas de camisa maciza. Consisten en dos elementos giratórios concéntricos contenidos en una carcasa fija; el elemento giratorio exterior o cesta, se estrecha en uno de sus extremos, de forma que los sólidos descargan por la zona de menor radio (están sometidos a menor aceleración centrífuga que el líquido). El elemento interno es un husillo tipo rosca-sin-fin ajustado al diametro interno de la cesta. El fango se introduce a caudal constante a través del eje del husillo, separándose por acción de la fuerza centrífuga, en una torta densa que contiene los sólidos y una corriente diluida que contiene sólidos finos de baja densidad que se pueden retornar a la cabecera de planta, al decantador primario, o bien al espesador de fangos. La torta sólida es impulsada por los alabes del husillo hacia la región troncocónica de donde son evacuados. La torta de fango contiene aproximadamente aún un 75-80% de humedad y se descarga de la cuba a través de un alimentador de tornillo sin fin a una tolva o a una cinta transportadora. Los diseños más modernos permiten conseguir concentraciones de sólidos del 30 35%, lo que las hace útiles para la evacuación final del fango a incineración o a vertederos controlados, donde la concentración de sólidos debe estar siempre por encima del 25%. b) Centrífugas de cesta. Constan de una cámara solidaria con el eje de giro de la centrífuga, cuyas paredes se encuentran perforadas para permitir la evacuación del líquido; las partículas sólidas son retenidas por el material filtrante que se coloca por la parte interior de la cesta. La forma de operación de una centrífuga de cesta es fundamentalmente en discontinuo, pudiendo ser dividido en cinco procesos: i) carga, ii) escurrido inicial, iii) lavado, iv) escurrido final y v) descarga. Este tipo de centrífugas puede ser utilizado en aplicaciones donde la concentración en sólidos presentes en la suspensión es baja o fluctuante. En el tratamiento de fangos las centrífugas de cesta están indicadas para plantas de pequeñas dimensiones, donde se emplean para concentrar y deshidratar, sin adición de reactivos, el fango activado en exceso hasta concentraciones próximas al 90% de contenido en sólidos. Si se utilizan en plantas de grandes dimensiones es necesario utilizar un número elevado de centrífugas. 43

44 DESTINO FINAL DE LOS FANGOS DIGERIDOS Incineración 11% 6% Vertido al mar Extensión sobre el terreno 37% 6% Otros 40% Transporte a vertedero 44

45 TOLVA DE LODOS Tolva de almacenamiento de lodos para su traslado por un gestor autorizado. 45