Tema. Procesos biológicos de cultivo en suspensión aerobio

Transcripción

1 Tema. Proesos biológios de ultivo en suspensión aerobio 1. Introduión. 2. El proeso de lodos ativos Análisis de un lodo ativo tipo ompleta on reirulaión Tiempo hidráulio de residenia y tiempo de retenión elular Volumen de la uba de aireaión. A) Caudal y onentraión de substrato del influente. B) Conentraión de substrato del efluente. C) Parámetros inétios. D) El tiempo de retenión elular. E) Conentraión de miroorganismos en la uba de aireaión Cantidad de lodos a purgar. Fangos en exeso Caudal de reirulaión de lodos Aireaión Tipos de sistemas de aireaión. A) Aireaión on difusores. B) Aireaión meánia Determinaión de las neesidades de oxígeno del sistema. A) Neesidades teórias de oxígeno neesarias para la metabolizaión de la materia orgánia. B) Capaidad de transferenia de oxígeno del sistema de aireaión Tipos de proesos de fangos ativos Lodos ativos de arga másia media en reator mezla ompleta Lodos ativos de arga másia media en reator flujo pistón Proeso de lodos ativos tipo aireaión prolongada Proeso de lodos ativos de alta arga másia. 1. Introduión. Los proesos biológios de ultivo en suspensión aerobio, onsisten en provoar el desarrollo de un ultivo en suspensión de miroorganismos aerobios apaes de asimilar la materia orgánia biodegradable presente en el agua residual, y a través de proesos biológios de síntesis, oxidaión y endogénesis, produir su eliminaión del influente líquido. Los prinipales proesos de tratamiento de ultivo en suspensión son el proeso de lodos ativos, las lagunas aireadas, y el proeso de digestión aerobia de lodos. De todos ellos, el proeso de lodos ativos es el más ampliamente utilizado on diferenia, por ello en el presente Tema se entra en el análisis de este tipo de proesos desde la óptia de eliminaión del material orgánio biodegradable. Cabe deir que en funión de los parámetros de operaión, mediante los sistemas de lodos ativos es posible también la transformaión del nitrógeno amoniaal en nitratos (nitrifiaión), pero este es un aspeto que se tratará junto on la desnitrifiaión biológia (transformaión de nitratos en nitrógeno atmosfério) en el Tema El proeso de lodos ativos. En la mayoría de los proesos de lodos ativos se van a poteniar los proesos biológios de síntesis y oxidaión de la materia orgánia, si bien en algunos asos ( proesos de baja arga másia) se van a poteniar más los proesos de endogénesis. En el aso de las reaiones de oxidaión se obtienen unos produtos finales estables inertes (H 2 O, CO 2, et.), y en el proeso de síntesis, nuevos miroorganismos, los uales pueden separarse fáilmente por deantaión posterior del agua, siempre y uando no rezan de forma dispersa sino floulenta. En los proesos de respiraión endógena se va a produir una oxidaión de parte del material elular sintetizado, bien por onsumo de reservas, bien debido a la muerte del miroorganismos, oxidaión que va a dar lugar a la formaión de produtos estables inorgánios omo CO 2, H 2 O y material orgánio residual no biodegradable. 1

2 El proeso (Figura 1) se lleva a abo generalmente en un gran tanque aireado (uba de aireaión), donde las aguas residuales y los miroorganismos permaneen en ontato durante algunas horas. La mezla fluye después a un tanque de deantaión, donde los flóulos mirobianos sedimentan y el agua residual tratada fluye por el rebosadero del deantador. Los flóulos aumulados en el fondo del tanque de sedimentaión se extraen en forma de lodo: una parte se reirula al tanque de aireaión, para mantener el proeso, mientras que el exeso de lodo, produido por el reimiento mirobiano, debe ser eliminado (lodos biológios o seundarios en exeso). La fraión purgada en un sistema en estado estaionario se orresponde al reimiento de la poblaión de miroorganismos. Cuba de aireaión Tanque de deantaión Agua residual Aire Agua residual tratada Lodos reirulados Lodos en exeso Figura 1. Esquema del proeso de lodos ativos El nivel o poblaión al ual se debe mantener la masa biológia depende de la efiienia deseada del tratamiento. Normalmente, la poblaión de biomasa utilizada en el proeso es elevada, lo que onlleva que en unos tiempos reduidos, tenga lugar la eliminaión de antidades importantes de DBO. En la naturaleza, el papel lave de las baterias es desomponer la materia orgánia produida por otros organismos vivientes. En el proeso de fangos ativos, las baterias son los miroorganismos más importantes, ya que son los ausantes de la desomposiión de la materia orgánia del influente. En tanto que las baterias son los miroorganismos que realmente degradan el residuo orgánio del influente, las atividades metabólias de otros miroorganismos son igualmente importantes de fangos ativos, por ejemplo, los protozoos y rotíferos atúan omo depuradores de los efluentes. Los protozoos onsumen las baterias dispersas que no han floulado y los rotíferos onsumen ualquier partíula biológia pequeña que no haya sedimentado. Por otro lado, del mismo modo que es importante que las baterias asimilen la materia orgánia tan rápidamente omo sea posible, también lo es que formen un flóulo adeuado, puesto que ello es un requisito previo para la separaión de los biológios en la instalaión de sedimentaión. 2

3 2.1. Análisis de un lodo ativo tipo mezla ompleta on reirulaión. En este apartado se va a desarrollar un modelo que nos permita bien predeir el omportamiento del sistema, bien dimensionarlo. Para ello es preiso tener en uenta una serie de onsideraiones previas: 1. El sistema se enuentra en estado estaionario, esto es que las onentraiones y audales de todos los flujos del sistema permaneen onstantes en el tiempo. 2. La onentraión de oxígeno disuelto, miroorganismos, DBO, et.. es la misma en ualquier diferenial de volumen de la uba de aireaión, puesto que partimos de que el tipo de reator es mezla ompleta. 3. La onentraión de miroorganismos en el influente del proeso biológio (X ) resulta despreiable en omparaión on la onentraión de miroorganismos dentro del proeso biológio de tratamiento. 4. El proeso biológio de depuraión (oxidaión, síntesis y endogénesis) solamente ourre en la uba de aireaión y no en el deantador. Esta asunión ondue a un modelo onservativo, puesto que en algunos sistemas pueden darse proesos biológios en el deantador. 5. El volumen utilizado en el álulo del tiempo hidráulio de residenia del sistema inluye solamente el volumen de la uba de aireaión. Q S X Q e S e X e V S e X V d Q r S r X r Q w S w X w Figura 2. Volúmenes, audales y onentraiones de miroorganismos y substrato en un proeso de lodos ativos Tiempo hidráulio de residenia y tiempo de retenión elular. Dos parámetros o oneptos que van a resultar ruiales en el desarrollo del análisis del reator mezla ompleta on reirulaión, van a ser el tiempo hidráulio de residenia () y el tiempo de retenión elular ( ). El tiempo hidráulio de residenia de un reator es el tiempo neesario para que un reator de volumen V se llene uando reibe un audal Q de un fluido. También puede onebirse omo el tiempo que tarda un diferenial de volumen del influente en salir del tanque (en estado estaionario). En el aso que nos oupa, el tiempo hidráulio de residenia de nuestro sistema (Figura 2) sería: ( V + V ) d s (e. 1) Q 3

4 V Volumen de la uba de aireaión (m 3 ) V d Volumen del deantador (m 3 ) Q Caudal del influente (m 3 /h) Mientras que el tiempo hidráulio de residenia en el reator sería: V (e. 2) Q En uanto al tiempo de retenión elular ( ), también onoido omo edad del lodo, se trata del el tiempo que permaneen los miroorganismos antes de salir del mismo, bien por el efluente (Q e X e ), bien por la purga de lodos (Q w X w ). En nuestro sistema (Figura 2), el tiempo de retenión elular es el oiente entre el ontenido total de miroorganismos en la uba de aireaión y la veloidad de salida de miroorganismos del sistema. V X (e. 3) ( Q X + Q X ) X Conentraión de miroorganismos en la uba de aireaión (Kg/m 3 ) Q e Caudal del efluente (m 3 /d) X e Conentraión de miroorganismos en el efluente (Kg/m 3 ) Q w Caudal de purga de lodos (m 3 /d) X w Conentraión de miroorganismos en la purga de lodos (Kg/m 3 ) e e w w Volumen de la uba de aireaión. Si realizamos un balane de materia a los miroorganismos a la parte del sistema englobado por la línea disontínua en la Figura 2 tenemos: de aporte de miroorganismos al sistema de eliminaión de miroorganismos del sistema + de aumulaión de miroorganismos de entrada de miroorganismos al sistema de generaión de miroorganismos de muerte de miroorganismos de salida de miroorganismos del sistema de aumulaión de miroorganismos dx g d e e w w (e. 4) dt ( Q X ) + ( r V ) ( r V ) + ( Q X + Q X ) + V 4

5 X Conentraión de miroorganismos en el influente (Kg SSV / m 3 ) r g de reimiento de los miroorganismos ( Kg SSV / m 3 día) r d de desaparaión de miroorganismos por respiraión endógena ( Kg SSV / m 3 día) dx de aumulaión de miroorganismos ( Kg SSV / m 3 día) dt Si onsideramos que: a) La onentraión de miroorganismos en el influente es prátiamente ero (X ) dx b) Nos enontramos en estado estaionario ( ) dt ) Y que la veloidad neta de reimiento mirobiano (r g ) es igual a la veloidad de generaión o reimiento (r g ) menos la de muerte o endogénesis (r d ) (ver euaión 1.8 del Tema 1). Nos queda que: ( Q X Q X ) r' g e e + w w (e. 5) X V X r g neta de reimiento de los miroorganismos ( Kg SSV / m 3 día) Y omo hemos visto en la definiión de tiempo de retenión elular ( euaión 3), nos queda que: r' g X Tiempo de retenión elular o edad del lodo (días) 1 (e. 6) Sustituyendo la veloidad neta de reimiento de miroorganismos (r g ) por la expresión 1.11 obtenida en el Tema anterior: r' Y r k X (e. 1.11) g su d Y Coefiiente de rendimiento biomasa-substrato (Kg SSV/Kg DBO 5 ) r su de onsumo de substrato (Kg DBO 5 / m 3 día) k d Constante inétia de endogénesis (d -1 ) Nos queda que: 1 rsu Y k X d (e. 7) Realiemos a ontinuaión un balane de materia al substrato (materia orgánia biodegradable soluble) a la parte del sistema englobado por la línea disontinua en la Figura 2, tendremos: 5

6 de aporte de substrato al sistema de eliminaión de substrato + de aumulaión de substrato de entrada de sustrato al sistema de onsumo de sustrato de salida de sustrato del sistema + + de aumulaión de sustrato ds ds (e. 8) ( Q S ) V + ( Q S + Q S ) + V dt dt e e w w CON ACUM donde: S o Conentraión de substrato en el influente (Kg DBO 5 / m 3 ) S e Conentraión de substrato en el efluente (Kg DBO 5 / m 3 ) S o Conentraión de substrato en la purga de lodos (Kg DBO 5 / m 3 ) ds de desaparaión de substrato por proesos biológios ( Kg DBO 5 / m 3 día) dt ds dt CON ACUM de aumulaión de substrato ( Kg DBO 5 / m 3 día) Considerando: ds a) Que nos enontramos en estado estaionario ( ) dt ACUM b) Que dado que el término substrato engloba la materia orgánia biodegradable soluble podemos afirmar que S w S e ) Que Q e + Q w Q Nos queda que: ds dt ( S S ) ( S S ) e CON Q V e (e. 9) Pero tenemos que según la euaión 1.6, presentada en el Tema anterior: r su ds (e. 1.1) dt Con lo que nos quedaría que: 6

7 r su ( S S ) e (e. 1) Sustituyendo esta expresión obtenida del balane de masa para el substrato, en la expresión 7 obtenida del balane de masas para los miroorganismos tenemos: 1 Y ( S S ) X e k d (e. 11) Despejando el volumen del reator del tiempo hidráulio de residenia de esta euaión obtenemos que: V ( S Se ) ( 1+ k ) Q Y (e. 12) X d Esta expresión nos va a permitir alular el volumen de la uba de aireaión de un proesos biológio de ultivo en suspensión aerobio tipo mezla ompleta on reirulaión, pero para ello neesitaremos onoer todos los términos inluidos en la misma. A) Caudal y onentraión de substrato del influente. Los términos Q y S, esto es el audal y la onentraión de DBO soluble del influente son datos del problema a soluionar y por lo tanto onoidos. Hay que tener espeial uidado on el audal que se utiliza en aquellos asos en los que éste sea variable, omo puede ourrir on determinados efluentes industriales proedentes de una línea de tratamiento que areza de homogeneizador así omo on la mayoría de los efluentes de origen urbano que presentan fuertes variaiones diarias, semanales y estaionales de audal. Normalmente, los audales a utilizar para el dimensionamiento de la uba de aireaión es el audal medio diario, o audal medio en 24 horas obtenidos a partir de datos de todo un año. En uanto a la onentraión de substrato se suele emplear la onentraión media diaria. No obstante, una vez dimensionada la uba de aireaión y el deantador, resulta neesario omprobar mediante el modelo, su omportamiento en situaiones de audales y argas ontaminantes máximas horarias y diarias respetivamente (perentil 99). B) Conentraión de substrato del efluente. El término S e o DBO 5 soluble en el efluente viene determinado por: Las araterístias que éste ha de umplir para un orreto funionamiento del equipo o sistema de tratamiento posterior. Los límites inluidos en la autorizaión de vertido, los uales a su vez van a venir ondiionados por el medio reeptor del vertido (aguas ontinentales, marinas o oletor muniipal). En este último supuesto, hay que tener en uenta que los valores límite de DBO 5 que suele inluirse en los límites de las autorizaiones de vertido, así omo en la normativa vigente se refieren a DBO 5 total (DBO soluble + DBO 7

8 partiulada) por lo que a la hora de estableer el valor objetivo de DBO 5 de salida (S e ) no se puede adoptar el valor límite estableido. C) Parámetros inétios. Los valores de los parámetros inétios, oefiiente de rendimiento biomasa-substrato (Y) y onstante de endogénesis (k d ), dependen de la naturaleza del agua residual, onretamente de la inétia de biodegradaión de la materia orgánia, de la temperatura y de las ondiiones de operaión. Sus valores se pueden determinar experimentalmente, junto on los valores de la veloidad máxima espeífia de reimiento (µ max ) y de la onstante de saturaión (K s ). O bien pueden obtenerse de la bibliografía. D) El tiempo de retenión elular. A partir de las expresiones 1.14 y 1 obtenemos que: r r su su Y ( K X Se + S ) µ max s e µ ( ) max X Se S S e ( S S ) e Y ( K s + S ) e Sustituyendo la onentraión de miroorganismos en la uba de aireaión X por la expresión obtenida a partir de la euaión 12 y despejando el término S e se obtiene: S e K s ( 1+ kd ) ( µ k ) 1 max d (e. 13) Si representamos gráfiamente S e en funión de obtenemos la Figura 3 4 Se (mg/l) K s 1 mg/l k d.16 d -1 Y.6 mg / mg S o 4 mg/l µ max 6 d Tiempo de retenión elular (d) Figura 3. Influenia del tiempo de retenión elular ( ) sobre la onentraión de substrato del efluente (S e ). 8

9 Como se puede ver, la onentraión del efluente está diretamente relaionado on el tiempo de retenión elular. También se puede observar omo existe un ierto valor de por debajo del ual no se produe estabilizaión alguna del residuo. Este valor rítio de se onoe omo tiempo de retenión elular mínimo, ( M )y es el tiempo de retenión elular por debajo del ual la veloidad de extraión de miroorganismos del sistema supera la veloidad de reimiento de los mismos, y por la tanto de produe un lavado del reator, esto es, una eliminaión de los miroorganismos del sistema. Para asegurar un tratamiento adeuado, los sistemas de tratamiento biológio de ultivo en suspensión se suelen proyetar y haer funionar on valores de de 2 a 2 vees superiores a M. De heho la relaión entre y M se puede onsiderar un fator de seguridad del proeso. En la prátia se suelen utilizar valores de tiempos de retenión elular del orden de 1 a 5 días para limas o estaiones templadas y hasta 15 días para el aso de bajas temperaturas. La utilizaión de estos tiempos de retenión elular permiten que en los tanques de aireaión tengan lugar proesos de nitrifiaión, u oxidaión biológia de amonio a nitratos, los uales deben tenerse en uenta a la hora de diseñar estos proesos biológios omo se verá on más detalle en el Tema 14. Existen variaiones del proeso de lodos ativos tipo mezla ompleta, omo es la aireaión prolongada, que omo se verá más adelante utiliza valores superiores de tiempos de retenión elular, debido a que uno de los objetivos adiionales de este tipo de sistema es la produión de lodos más estables y en menores antidades. E) Conentraión de miroorganismos en la uba de aireaión. Una vez que se ha seleionado un valor de diseño para, es preiso elegir un valor de X o onentraión de miroorganismos en el fluido del interior de la uba de aireaión, onoido también omo Lior Mixto. La eleión de un valor adeuado del parámetro X no es un ejeriio trivial, puesto que de él van a depender muhos aspetos relaionados on el orreto funionamiento del sistema, omo por ejemplo: Una orreta transferenia de oxígeno al sistema. Valores exesivamente elevados de la onentraión de en suspensión en el lior mixto van a provoar una disminuión del oefiiente de transferenia de oxígeno y por lo tanto bien un exesivo onsumo de energía en aireaión o bien una oxigenaión insufiiente que puede limitar la veloidad del proeso. Un aumento de la onentraión de en suspensión a la salida del deantador. Este heho puede deberse a dos razones; por un lado, una elevada onentraión de miroorganismos en el lior mixto hae que aumente la arga de en el deantador seundario y puede provoar desensos en el rendimiento del equipo. Por otra parte, la onentraión de miroorganismos en el lior mixto forma parte de un parámetro que inide diretamente sobre la deantabilidad de los flóulos biológios, la arga másia o relaión alimento miroorganismos (A/M). La arga másia se define omo: A S Q C m (e. 14) M X V 9

10 Esto es, la relaión entre la arga orgánia que reibe el sistema (Kg DBO/día) y la antidad de miroorganismos que hay en la uba de aireaión (Kg SS ó Kg SSV). Diho de otro modo, la arga másia viene a deirnos uanto substrato hay disponible por unidad de biomasa en el reator. En uanto a la deantabilidad de los flóulos biológios formados durante el proeso biológio, ésta se suele medir mediante el Índie Volumétrio de Lodos (IVL) que es el volumen oupado por 1 gr. de flóulos biológios ( en suspensión), después de dejar sedimentar el lior mixto durante 3 minutos. Así, uanto menor sea este índie, mejor deantan los flóulos biológios, se onsidera que un flóulo presenta una muy buena deantabilidad uando el IVL se enuentra por debajo de los 1 ml/gr. En la Figura 4 se puede observar la relaión existente entre la deantabilidad de los flóulos biológios (IVL) y la arga másia IVL Cm (Kg DBO5)/(Kg SS día) Figura 4. Variaión del índie volumétrio de lodos (IVL) on la arga másia Podemos observar omo la urva presenta tres mínimos que se orresponden on los tres rangos de arga másia bajo los uales es posible operar los sistemas de lodos ativos, y que a su vez nos permite lasifiar este tipo de proeso biológio de ultivo en suspensión en sistemas de baja, media y alta arga másia. El operar on valores fuera de estos tres rangos onlleva valores elevados del IVL y por lo tanto menor sedimentabilidad del lodo, que a su vez se tradue en un aumento de la onentraión de en suspensión en el efluente del deantador seundario Cantidad de lodos a purgar. Fangos en exeso. El onoimiento de la produión diaria de fango es importante puesto que afeta al diseño y operaión de las instalaiones de tratamiento y evauaión del fango en exeso. Por otra parte, la purga de fangos va a ser un elemento de ontrol del proeso durante su operaión, puesto que va a determinar tanto el tiempo de retenión elular del sistema, omo la onentraión de miroorganismos en el lior mixto ( y por lo tanto la arga másia). Para poder alular los lodos a purgar es preiso espeifiar que los lodos produidos en el proeso van a ontener: Los flóulos biológios produidos durante el proeso biológio de síntesis en la uba de aireaión 1

11 Material inorgánio y orgánio inerte no biodegradable proedente del influente al sistema Para poder estimar la antidad de lodos a purgar del sistema hemos de haer un balane de materia a los en suspensión para los límites del sistema representados en la Figura 2, y obtenemos Q SS Q e X e V X Q r X r Q w X w Figura 2. Volúmenes, audales y onentraiones de en suspensión en un proeso de lodos ativos. de aporte de al sistema de eliminaión de + de aumulaión de de entrada de al sistema de generaión de de salida de del sistema de eliminaión de del sistema de aumulaión de Q SS + (r g V 1.25 ) (Q e X e + Q w X w) + (r d V dss dss V ) + V dt dt SS Conentraión de en suspensión en el influente (Kg SS/m 3 ) 1.25 Fator de onversión de SSV a SS X w Conentraión de en suspensión en la purga de lodos (Kg SS / m 3 ) X e Conentraión de en el efluente (Kg SS / m 3 ) dss veloidad de metabolizaión mirobiana de los en suspensión en el influente (Kg SS/m 3 d) dt dss dt de aumulaión de la onentraión en suspensión (Kg SS/m3 d) 11

12 Reorganizando términos tenemos: (Q SS - dss V ) + dt (rg V 1.25 r d V 1.25) (Q e X e + Q w X w) + dss V dt Pero sabemos que: r g r g - r d Y denotamos por: dss P ss Q SS - dt P x r g V 1.25 V Px Produión de miroorganismos en el lodo ativo (Kg SS / día) P SS Carga de en suspensión no metabolizados del influente (Kg SS / día) Con lo que nos queda que: dss P SS + P x (Q e X e + Q w X w) + V dt (e. 15) Considerando que: dx estamos en estado estaionario dt y que Q e Q o - Q w El audal de lodos a purgar será de: Q P + P Q SS x w ( Xw Xe ) Analiemos los diferentes términos de esta expresión X e (e. 16) Px Produión de miroorganismos en el lodo ativo La produión diaria de flóulos biológios fruto del proeso de síntesis de los miroorganismos en la uba de aireaión puede alularse mediante la siguiente expresión: 12

13 P x r g V 1.25 (e. 17) A partir de las expresiones 6 y 12 sabemos que : X r' g (e. 6) V ( S Se ) ( 1+ k ) Q Y (e. 12) X d Sustituyendo ambas en la euaión 7 obtenemos que: P X Q ( S Se ) ( 1+ k ) Y 1.25 (e. 18) d P SS Carga de en suspensión no metabolizados del influente El material partiulado que entra en el reator biológio proedente del influente va a ser eliminado en el lodo ativo a través de proesos de adsorión sobre los flóulos biológios, para seguidamente, la fraión biodegradable ser asimilada y desompuesta por los miroorganismos. La fraión no biodegradable de los en suspensión del influente onstituida por material inorgánio más el orgánio no biodegradable, es un aspeto que va a depender fundamentalmente de la naturaleza del agua residual y del tipo de tratamiento que ésta halla reibido antes de llegar al lodo ativo. En uanto a la inétia de degradaión del material orgánio biodegradable partiulado proedente del influente y adsorbido sobre los flóulos biológios, ésta va a ser más lenta que la biodegradaión del material orgánio biodegradable soluble y oloidal, entre otras razones, por que preisa de etapas previas a la oxidaión y síntesis que inluyen proesos enzimátios extraelulares, omo la hidrólisis, para poder transformar el material voluminoso en ompuestos más pequeños que puedan atravesar la pared elular de los miroorganismos. Al final del reorrido del fango (generaión en la uba de aireaión, sedimentaión, reirulaión y/o purga), esta DBO partiulada puede estar o no metabolizada dependiendo de las ondiiones de operaión del lodo ativo, así: Edades del lodo (tiempo de retenión elular) de 12 días o superiores, suelen ser sufiientes para una ompleta metabolizaión de esta DBO partiulada adsorbida. Con edades del lodo medias (8 días) puede ourrir, o bien que en periodos de baja arga másia, la metabolizaión se omplete, o que en situaiones de arga másia elevada (arga punta de S ), esta materia orgánia partiulada adsorbida no sea ompletamente metabolizada y por lo tanto los fangos en exeso ontendrían esta parte no metabolizada Con edades del fango bajas (< 5 días) es posible que la metabolizaión de este material partíulado nuna llegue a su término y por lo tanto asi la totalidad de los del influente (biodegradables o no) formen parte del flóulo biológio. 13

14 De auerdo on estas onsideraiones, la arga de en suspensión no metabolizados del influente nos quedaría: P SS Q γ SS γ Fraión de los en suspensión del influente que supone el material no biodegradado Así, por ejemplo, en el aso de aguas residuales urbanas que se han visto sometidas previo a pretratamiento y sedimentaión antes de un lodo ativo γ Caudal de reirulaión de lodos. Q SS (Q + Q r ) X Q e X e X Q r X r Q w X w Figura 5. Caudales y onentraiones de en suspensión en un proeso de lodos ativos. El audal de reirulaión de fangos se puede determinar realizando un balane de masas en el deantador. En la Figura 5, se ilustran los límites adeuados para este balane. El balane sería el siguiente de aporte de al sistema de generaión de + de aumulaión de de entrada de al sistema de generaión de de salida de del sistema + + de aumulaión de Teniendo en uenta las onsideraiones previas: En el deantador no tienen lugar proesos biológios (generaión ) El sistema está en estado estaionario (aumulaión ) El retor es del tipo mezla ompleta (onentraión de a la salida del reator onentraión dentro del reator) 14

15 Nos queda: de entrada de al sistema de salida de del sistema (Q + Q r ) X Q e X e + Q w X w + Q r X r (e. 19) X Conentraión de en suspensión en el lior mixto (Kg SS / m 3 ) X r Conentraión de en suspensión en la reirulaión de lodos (Kg SS / m 3 ) Despejando Q r se obtiene Q r Q ( X ' X ') + Q ( X ' X ' ) e w w e (e. 2) X ' X ' r Si onsideramos que X w >>> X e X >>> X e X w X r Nos queda que Q r Q X ' Qw X ' r (e. 21) X ' X ' r 2.2. Sistemas de aireaión y mezlado Tipos de sistemas de aireaión. Los dos prinipales métodos para la aireaión en proesos biológios son: A) La introduión en el lior mixto de aire u oxígeno puro mediante difusores sumergidos B) La agitaión meánia del agua residual ara promover la disoluión del aire de la atmósfera Figura 6. Sistema de aireaión meánia de una uba de lodos ativos. 15

16 Figura 7. Sistema de aireaión por difusores de una uba de lodos ativos. A) Aireaión on difusores. Un sistema de aireaión on difusores está formado por unos difusores sumergidos en el lior mixto, las onduiones de aire y las soplantes y demás equipos auxiliares por los que irula el aire. Los difusores se pueden lasifiar en dos tipologías, los difusores de burbujas finas y los difusores de burbujas gruesas, a partir del heho de que las burbujas finas resultan más efiaes en la transferenia de oxígeno. Sin embargo, la definiión de los límites entre lo que son burbujas finas y gruesas no está lara en la bibliografía. Por lo tanto, también se lasifian los sistemas de aireaión por difusores en funión de las araterístias físias de los equipos, distinguiéndose tres ategorías: Difusores porosos o de poros finos Difusores no porosos Otros sistemas de aireaión omo los difusores por horro En la siguiente Tabla se desriben algunos sistemas de difusión dentro de estas tres ategorías, junto on sus rendimientos. Tabla 1. Efiaia de transferenia de oxígeno de varios tipo de difusores dispuestos en malla. Tipo de aireador Q aire (m3/h difusor) ESTO* (%) Difusores porosos Domos erámios Disos erámios Difusor de tubo rígido Difusor de tubo no rígido Difusores no porosos Difusor no poroso** Otros sistemas Difusores por horro * Condiiones estándar: 4.5 m de profundidad, 1ºC, 1 atm y onentraión iniial de oxígeno mg/l ** Dispuestos sobre el eje longitudinal. 16

17 B) Aireaión meánia. Los sistemas de aireaión meánios se suelen lasifiar en dos grupos en funión de las prinipales araterístias de diseño y de funionamiento: aireadores de eje vertial, y aireadores de eje horizontal. Los aireadores de eje vertial a su vez se subdividen en aireadores sumergidos y superfiiales, y dentro de éstos últimos, están los de alta y baja veloidad de rotaión. En los aireadores superfiiales, el oxígeno se obtiene de la atmósfera mientras que en los sumergidos la fuente de oxígeno puede ser la atmósfera, aire enriqueido on oxígeno u oxígeno puro. En la Tabla 2 se dan valores de apaidad de transferenia de oxígeno. Tabla 2. Capaidad de transferenia de oxígeno de diversos aireadores meánios. Tipo de aireador Capaidad de Transferenia (Kg O 2 / kw h)* Superfiial de baja veloidad Superfiial de alta veloidad Difusores por horro Rotor horizontal de epillo * Condiiones estándar: 1ºC, 1 atm y onentraión iniial de oxígeno mg/l Determinaión de las neesidades de oxígeno del sistema. Para determinar la antidad de oxígeno que es preiso introduir en la uba de aireaión hay que tener en uenta dos aspetos fundamentales: A) Las neesidades teórias de oxígeno neesarias para la metabolizaión de la materia orgánia B) La apaidad de transferenia de oxígeno del sistema de aireaión. A) Neesidades teórias de oxígeno neesarias para la metabolizaión de la materia orgánia. Como ya se ha omentado en reiteradas oasiones, los miroorganismos aerobios utilizan el oxígeno fundamentalmente en los proesos de oxidaión de la materia orgánia para la obtenión de la energía neesaria para los proesos de síntesis y en los proesos de oxidaión que tienen lugar en los proesos de endogénesis. Según esto podemos determinar las neesidades teórias de oxígeno del sistema según: NO T NO síntesis + NO endogénesis (e. 22) NO T Neesidades teórias de oxígeno (Kg O 2 / día) NO síntesis Neesidades de oxígeno para la síntesis (Kg O 2 / día) NO endogénesis Neesidades de oxígeno para la endogénesis (Kg O 2 / día) Las neesidades de oxígeno para la síntesis se puede determinar a partir de la DBO 5 del agua residual del influente y de la antidad de miroorganismos purgados diariamente del sistema. El razonamiento es el siguiente. Si toda la DBO onsumida se onvirtiera en produtos finales, la demanda total de oxígeno se podría alular onvirtiendo la DBO 5 en DBO última utilizando un fator de onversión adeuado. Por otro lado, se sabe que parte del residuo se onvierte en tejido elular nuevo que, posteriormente se purga del sistema o esapa por el efluente, de modo que, si la DBO última del tejido elular se resta del total, la antidad remanente orresponde a la antidad de oxígeno que es neesario 17

18 suministrar al sistema. Por lo tanto la demanda teória de oxígeno que es neesario suministrar al sistema para la síntesis será: NO síntesis Q (S S e ) f - P x g (e. 23) f Fator de onversión de DBO 5 en DBO última ((.68) -1 para k.1 d -1 ) g Cantidad de oxígeno neesario para la oxidaión ompleta de los miroorganismos (1.42 Kg DBO última / Kg SSV) No obstante se ha enontrado que éste método de álulo de las neesidades de oxígeno resulta sobreestimativo, puesto que se parte de la premisa de que la totalidad de la materia orgánia, inluido oloides o partíulas absorbidas en los flóulos biológios, es totalmente solubilizada y metabolizada, no quedando materia orgánia almaenada en los flóulos o en el interior elular. No obstante, este punto solo se umple on edades del fango o tiempos de retenión elular elevados, del orden de 12 días o más. En instalaiones operando on bajos tiempos de retenión elular, los flóulos biológios y los miroorganismos en su interior, almaenan materia orgánia sin metabolizar, esto es sin onsumo de oxígeno, que son retiradas del sistema a través de los lodos purgados. Así, es posible disminuir las neesidades de oxígeno diarias, del orden de un 2% omo máximo. En la prátia, para el álulo de las neesidades teórias de oxígeno se emplea la siguiente expresión: NO síntesis a Q (S S e ) (e. 24) a Coefiiente de neesidades de oxígeno para la síntesis (Kg O 2 / Kg DBO 5 ) Se puede admitir un dereimiento lineal, on relaión al tiempo de retenión elular del oefiiente a, de auerdo on la siguiente expresión: a (on a <.62) (e. 25) Para el álulo de las neesidades teórias de oxígeno para la endogénesis partimos de la expresión de la inétia del proeso endogénio: r d Y ( S S ) e 1 1 ( 1+ ) kd (e. 26) Como ya omentamos, en el proeso de endogénesis una parte de la materia ativa es transformada en residuos orgánios no biodegradables (fraión δ) y otra (fraión λ) es oxidada ompletamente a CO 2 y H 2 O, siendo éste el proeso onsumidor de oxígeno, por lo tanto: NO endogénesis 1 ( ) ( 1 ) λ Y Q S S e + kd (e. 27) λ Fraión de los miroorganismos biodegradable (Kg SSV biodegradable / Kg SSV) 18

19 1.42 Cantidad de oxígeno neesario para la oxidaión ompleta de los miroorganismos (Kg O 2 / Kg SSV) El oxígeno neesario alulado por las fórmulas anteriores, se ha obtenido para valores medios de audal y DBO (al tratarse de neesidades diarias). Como es onoido, en las plantas residuales urbanas e industriales, hay unas variaiones muy importantes del audal y de la arga orgánia a lo largo del día, lo que lleva onsigo una variaión importante de las neesidades puntuales de oxígeno. En el diseño de las unidades biológias habrá que tener muy en uenta estas puntas de ontaminaión. La orreión de las neesidades teórias de oxígeno, deberá realizarse sobre el primer término de la euaión, ya que el segundo, al orresponder a la respiraión endógena, y ser funión de la antidad de biomasa presente en el reator, no se verá afetado al permaneer esta onstante. B) Capaidad de transferenia de oxígeno del sistema de aireaión. Las neesidades de oxígeno aluladas en el apartado anterior orresponden al onsumo real de oxígeno realizado por la omunidad mirobiana. Pero los sistemas disponibles para aportar el oxígeno no tienen un rendimiento del 1% por lo que habrá que alular uanto oxígeno hay que aportar para garantizar que se le está suministrando el teóriamente neesario. La transferenia de oxígeno desde el aire al lior mixto va a estar ondiionada por una serie de fatores que en su onjunto se traduen en un oefiiente global de transferenia K, el ual nos permite relaionar la antidad teória de oxígeno a aportar on la que realmente debemos introduir : NO R NOT (e. 28) K NO R Neesidades reales de oxígeno (Kg O 2 / día) K Coefiiente global de transferenia de oxígeno. Este oefiiente de transferenia K es a su vez fruto del produto de tres oefiientes: K A C T α (e. 29) Coefiiente A El oefiiente A está relaionado on la influenia que el défiit de saturaión tiene sobre la veloidad de transferenia de oxígeno en el lior mixto, siendo: ' CS CX A (e. 3) C S C C s Conentraión de saturaión de oxígeno en ondiiones normalizadas (agua limpia, 1ºC, 1 atm.); 33 mg/l C Conentraión media en oxígeno al omienzo del ensayo normalizado ( mg/l) C S Conentraión de saturaión en el lior mixto a una temperatura T C X Conentraión media de oxígeno en el lior mixto (2 mg/l) 19

20 Para obtener el valor de C S en ondiiones reales hay que efetuar tres orreiones: β que tiene en uenta la salinidad y los en suspensión en el lior mixto (β.98 para salinidades < 3g/L) C P que tiene en uenta las variaiones de presión debido a la altitud: C P h (h altitud en miles de metros) C A que tiene en uenta la altura de agua en el tanque de aireaión: En sistemas de aireaión por turbinas de superfiie C A 1, para sistemas por difusores tenemos que: p C A (e. 31) 1.33 p profundidad del tanque (normalmente > 3 m. para difusores) Una vez onoidos todos en estos fatores de orreión ya podemos alular C S : C S C S β C P C A (e. 32) C S Conentraión de saturaión de oxígeno en agua pura a 1 atm. y a la misma temperatura que la del lior mixto (Tabla 3) Tabla 3 Conentraión de saturaión de oxígeno en agua limpia a diferentes temperaturas. T (ºC) C S (mg/l) T (ºC) C S (mg/l) Y una vez alulado C S ya podemos alular el oefiiente A. Coefiiente C T En uanto al oefiiente C T, éste tiene en uenta el efeto de la temperatura sobre la veloidad de transferenia del oxígeno y se alula según: C T 1.24 (T-1) (e. 33) T Temperatura del lior mixto (normalmente se toma la más desfavorable, la media en verano) Coefiiente α Por último el oefiiente α inluye la influenia que sobre la veloidad de transferenia de oxígeno tiene: La onentraión de en suspensión del lior mixto El tipo de sistema de aireaión. 2

21 La estimaión de α y su utilizaión es uno de los problemas más difíiles en los álulos de la oxigenaión, si bien se pueden admitir los valores de α de la Tabla 4. Tabla 4. Valores del oefiiente α para diferentes sistemas de aireaión Sistema de aireaión Difusores porosos 2.3. Tipos de proesos de fangos ativos. Carga media sin nitrifiaión.55 Carga baja on nitrifiaión.65 Difusores no porosos.9 Aireadores meánios.9 El proeso de lodos ativos resulta bastante flexible y se puede utilizar para la eliminaión de la materia orgánia biodegradable (DBO 5 ) e inluso para la eliminaión de nutrientes omo el fósforo y el nitrógeno (Tema 14) de una gran variedad de aguas residuales urbanas o industriales. A ontinuaión vamos a desribir brevemente uatro tipos de lodos ativos, si bien abe indiar que existen muhos otros uya desripión y análisis pueden enontrase en la bibliografía reomendada Lodos ativos de arga másia media en reator mezla ompleta. Este tipo de proeso es el que se ha analizado previamente, donde el agua residual y el lodo reirulado se introduen en un reator en régimen de flujo mezla ompleta donde la omposiión del lior mixto es homogénea en todo el volumen del reator. α Tabla 6. Parámetros de diseño de lodos ativos tipo mezla ompleta de arga másia media. (días) C m (A/M) (Kg DBO 5 /Kg SSV d) C v * (Kg DBO 5 /m 3 d) X (Kg SSV/m 3 ) (horas) Q r /Q * Cv arga volúmia Q S V Aireador meánio Influente Efluente Reirulaión de lodos Purga de lodos en exeso Figura 9. Proeso de lodos ativos tipo mezla ompleta 21

22 Lodos ativos de arga másia media en reator flujo pistón. En este tipo de proeso el agua residual y el lodo reirulado entran en el tanque de aireaión y se airean bien on difusores o on aireadores meánios. La diferenia de este tipo de reator on el proeso en mezla ompleta onsiste en que aquí no hay homogeneidad en la omposiión del lior mixto, presentando éste mayores onentraiones de substrato a la entrada para ir disminuyendo a lo largo del reator a medida que el proeso biológio tiene lugar, alanzándose las mayores onentraiones de miroorganismos a la salida del reator. El suministro de aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud del anal, si bien existen modifiaiones del proeso omo los sistemas de aireaión graduada donde la intensidad de aireaión es mayor a la entrada del reator y va disminuyendo paulatinamente a lo largo de su longitud. Este tipo de proesos presenta una menor variabilidad en la onentraión de DBO 5 del efluente que el proeso mezla ompleta, pero su rendimiento se ve más afetado en situaiones de ambios brusos de argas orgánias o por presenia de sustanias inhibidoras del reimiento mirobiano (ph extremos, ompuestos tóxios, et..). Influente Efluente Reirulaión de lodos Purga de lodos en exeso Figura 1. Proeso de lodos ativos tipo flujo pistón Tabla 7. Parámetros de diseño del proeso de lodos ativos tipo flujo pistón de arga másia media. (días) C m (A/M) (Kg DBO 5 /Kg SSV d) C v * (Kg DBO 5 /m 3 d) X (Kg SSV/m 3 ) (horas) Q r /Q Proeso de lodos ativos tipo aireaión prolongada. El proeso de aireaión prolongada es similar al de lodos ativos en mezla ompleta o el de flujo pistón, exepto que funiona en un rango de arga másia inferior y on mayores tiempos hidráulios de residenia y de retenión elular, lo que potenia los proesos de respiraión endógena y por lo tanto la antidad de lodos purgados o en exeso es muho menor, además de presentar estos lodos un ontenido en materia orgánia biodegradable más bajo (lodo más estable) que los proesos de lodos ativos arga media. (días) Tabla 8. Parámetros de diseño del proeso de lodos ativos tipo aireaión prolongada. C m (A/M) (Kg DBO 5 /Kg SSV d) C v * (Kg DBO 5 /m 3 d) X (Kg SSV/m 3 ) (horas) Q r /Q

23 Proeso de lodos ativos de alta arga másia. Se trata de una modifiaión de los proesos de arga media en la que se ombinan altas onentraiones de miroorganismos en el lior mixto (SSVLM) on elevadas argas másias. Se trata de un proeso reomendado para aguas residuales de elevada arga orgánia, en el que los tiempos de retenión elular son elevados y los tiempos hidráulios de residenia ortos. Al tratarse de un proeso que opera on elevadas onentraiones de flóulos biológios en el lior mixto, un orreto mezlado en la uba de aireaión resulta ruial. (días) Tabla 9. Parámetros de diseño del proeso de lodos ativos de alta arga másia. C m (A/M) (Kg DBO 5 /Kg SSV d) C v * (Kg DBO 5 /m 3 d) X (Kg SSV/m 3 ) (horas) Q r /Q

24 EJERCICIO Dimensione una unidad de lodos ativos tipo mezla ompleta on reirulaión operando on una arga másia media, para el tratamiento de un audal de aguas residuales de 13 m 3 on una onentraión en DBO 5 (filtrada) de 195 mg/l y de en suspensión de 135 mg/l para alanzar unos objetivos de tratamiento de 5 mg/l en DBO 5 (filtrada) y de 35 mg/l de en suspensión. Para ello determine: Volumen de la uba de aireaión (m 3 ) Compruebe la arga másia (Kg DBO 5 /Kg SSV d) Compruebe el tiempo hidráulio de residenia (horas) Caudal de Purga de Lodos (m 3 /d) Cantidad de lodos a purgar (Kg SS/d) Caudal de reirulaión de lodos (m 3 /d) Compruebe la razón de reirulaión (Q /Q r ) Neesidades reales de oxígeno: A) Utilizando difusores porosos de tubo rígido B) Utilizando un aireador meánio superfiial lento Número de difusores y ompruebe la apaidad de mezlado Potenia de aireaión y ompruebe la apaidad de mezlado Proponga unas dimensiones y ompartimentaión de la uba de aireaión on ambos tipos de sistemas de aireaión. Datos y onsideraiones: Y.65 mg DBO 5 /mgssv Kd.15 d-1 1 días X 26 mg SSV /L 325 mg SS/L Xw Xr 8 mg SS/L Fraión de del influente no metabolizado en el proeso biológio: 5% Altura sobre el nivel del mar de la instalaión (h) m. Temperatura del lior mixto 16 ºC Profundidad de la uba de aireaión on difusores: 4.5 m Efiaia estándar de transferenia de oxígeno para difusores de tubo rígido: 3% Caudal unitario de aire para los difusores de tubo rígido: 5 m 3 /h Conentraión de oxígeno en el aire:.3 Kg O 2 /m 3 Caudal mínimo de aire para un orreto mezlado 1-15 m 3 aire / 1 m 3 de reator Capaidad de transferenia de oxígeno del aireador superfiial lento: 2.5 Kg O 2 /kw h Potenia mínima de aireión meánia para un orreto mezlado kw / 1 m 3 de reator Soluión: V 247 m 3 Cm h Qw 154 m 3 /d Pw 1231 Kg SS/d Qr 8541 m 3 /d Q/Qr.66 NOR (difusores) 5149 Kg O2/d NOR (meánio) 5939 Kg O2/d nº difusores: 477 Capaidad de mezlado(difusores) 16 m 3 /min 1 3 m 3 Potenia de aireaión: 99 kw Capaidad de mezlado(meánio) 4 kw/ 1 3 m 3 24