Master de ingeniería del agua ELIMINACIÓN DE LODOS DE UNA EDAR ÁNGEL ALFONZO HERRERA SUÁREZ

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1 Master de ingeniería del agua ELIMINACIÓN DE LODOS DE UNA EDAR ÁNGEL ALFONZO HERRERA SUÁREZ Febrero del 2003

2 ÍNDICE Página INTRODUCCIÓN 1 1. Esquema general de una E.D.A.R 2 2. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO 2.1 Dilaceración de fango 2.2 Desarenado de fango 2.3 Mezclado de fango ALMACENAMIENTO DEL FANGO ESPESADO Espesado por gravedad Espesado por flotación Espesado por centrifugación Espesado por filtros de banda por gravedad 8 5. ESTABILIZACION 5.1 Estabilización con cal Pretratamiento con cal Post tratamiento con cal 5.2 Tratamiento térmico 5.3 Digestión anaerobia del fango Digestión anaerobia convencional Digestión anaerobia de una fase y alta carga Digestión de dos fases Digestores independientes Digestión anaeróbica termofílica 5.4 Digestión aerobia del fango Digestión aerobia con oxigeno puro Digestión aerobia termofílica Digestión aerobia criofílica 5.5. Procesos de Fangos activados 6. ACONDICIONAMIENTO 6.1 Acondicionamiento químico 6.2 Tratamiento térmico 7. DESHIDRATACIÓN 7.1 Filtración al vació 7.2 Centrifugación Centrifugación de camisa maciza Centrifugas de cesta 7.3 Filtros banda 7.4 Filtros prensa 7. 5 Filtros prensa de placa de volumen variable BOMBAS A UTILIZAR SEGÚN LOS TIPOS DE

3 FANGO 9. COMPOSTAJE 9.1 Pila estática aireada 9.2 Pilas estáticas 10. ERAS DE SECADO 10.1 Eras de secado convencionales de arena 10.2 Eras de secado pavimentadas 10.3 Eras de sacado por vacio LAGUNAJE SECADO TERMICO 12.1 Sistema de Secado instantáneo 12.2 Sistema de Secado rotativo REDUCCIÓN TERMICA PIROLISIS EVACUACIÓN FINAL DE LOS FANGOS 15.1 Incineración en hornos de piso múltiples 15.2 Incineración en hornos de lecho fluidificado 16. APLICACIÓN DEL FANGO AL SUELO 16.1 Extensión al terreno en inyección de lodos 16.2 Revegetación de terrenos 16.3 Recuperación de terrenos dañados 16.4 Extensión sobre terrenos en bosque CONTENIDOS DE METALES MÉTODOS DE TRANSPORTE DESINFECCIÓN ESQUEMA DE UNA LÍNEA DE FANGO BIBLIOGRAFIA 39 3

4 INTRODUCCIÓN Las grandes concentraciones humanas y el creciente desarrollo industrial en las ciudades aunado al nivel de vida actual, las exigencias de calidad ambiental y el derecho de disfrute de un bienestar físico y psíquico marcan sin duda directrices sobre la necesidad del tratamiento de las aguas urbanas y en consecuencias grandes volúmenes de lodos que son arrastrados por las aguas negras en colectoras emisarios hacia las estaciones depuradoras de aguas residuales El tratamiento de los lodos y su destino final constituyen el punto fundamental a contemplar en el estudio y proyecto en una estación depuradora de aguas residuales. En cada uno de los procesos tanto primarios como secundarios están involucrados los lodos y para ello debemos de aplicar una técnica o un proceso que incluya la eliminación del mayor porcentaje posible de lodos, estos procesos algunos mas exigentes y complicados que otros requieren de técnicas tanto físico como químicas y biológicos. Dentro de dichos procesos tenemos desde los unitarios de una depuradora como son: desbaste, desarenado, desengrasado. Sedimentación, floculación y precipitación química. los tratamientos secundarios son procesos que tienen lugar fundamentalmente en un reactor biológico para sedimentar los sólidos disueltos, coloidales y los no sedimentables donde la digestión anaerobia y aerobia tienen una vital importancia. Existen otros procesos específicos para la eliminación de los lodos propiamente dichos como son el espesamiento, deshidratación, compostaje, eras de secado. Para llevar hasta el destino final la evacuación de los lodos o biosolidos como son la incineración, vertido a vertederos, regeneración de terrenos o el uso de estos biosolidos en la agricultura. 4

5 Figura 1. Esquema general de un E.DA.R 2. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO. Para conseguir que la alimentación a las instalaciones de tratamiento del mismo sea relativamente constante y homogénea, es necesaria dilacerar, desarenar, mezclar y almacenar el fango. la mezcla y almacenamiento se puede llevar a cabo en una única unidad diseñada para cumplir ambas funciones, o de forma separada en otros elementos de la planta Dilaceración del fango. La dilaceración es un proceso en el que los sólidos de gran tamaño contenidos en el fango son cortados o desmenuzados en partículas mas pequeñas para evitar obturaciones y la formación de madejas en los equipos rotatorios véase figura 2. algunos de los procesos que deben ir precedidos de dilaceradores, se identifican en la Tabla 2. Históricamente, los dilaceradores han precisado de mucho mantenimiento, pero los diseños modernos de dilaceradores de baja velocidad han resultado mas fiables y ofrecen una mayor durabilidad. 5

6 Figura 2. Dilacerador de fangos (a). Alzado lateral; (b) vista posterior TABLA 2. Procesos que requieren la dilaceración del fango Proceso Bombeo con bombas de cavidad progresiva. Centrífugas de camisa maciza Filtros prensa. Tratamiento térmico Oxidación con cloro Objeto de la dilaceración Para prevenir la obturación de las bombas y reducir el desgaste. Para prevenir la obturación de las bombas. Normalmente, las unidades de camisa maciza de grandes dimensiones, pueden tratar partículas de mayores dimensiones, y pueden no precisar la dilaceración de sólidos. Para evitar la obturación del sistema de distribución del fango, evitar que se produzcan enredos en los rodillos, y para conseguir una deshidratación más uniforme. Para prevenir la obturación de las bombas de alta velocidad y los intercambiadores de calor. Para mejorar el contacto del cloro con las partículas de fango. 6

7 2.2. Desarenado del fango En algunas plantas de tratamiento, en las que no se dispone de desarenadores antes de los decantadores primarios, o en las que las instalaciones de desarenadores no son adecuados para el manejo de los caudales punta y las cargas punta de arena, puede ser necesario desarenar el fango antes de proceder a su tratamiento. En los casos en los que se va a proceder al espesamiento del fango primario, es de buena practica tener en cuenta la posibilidad del desarenado del mismo. El método mas efectivo de eliminar arenas del fango consiste en la aplicación de fuerzas centrífugas a una masa en movimiento para separar la arena del fango orgánico 2.3. Mezclado del fango. El fango se genera en los procesos de tratamiento primario, secundario y avanzado. El fango primario esta formado por sólidos sedimentables existentes en el agua residual bruta. El fango secundario esta formado por sólidos biológicos y cantidades adicionales de sólidos sedimentables. El fango generado en los procesos de tratamiento avanzado puede estar formado por sólidos biológicos y sólidos de origen químico. El fango se mezcla para conseguir que la alimentación en los subsiguientes procesos y operaciones de tratamiento sea un material uniforme. El mezclado de los fangos primarios, secundarios y del fango generado en los procesos de tratamiento avanzado, se puede llevar a cabo de diferentes formas: 1. En tanques de decantación primaria. Los fangos secundarios de terciarios se pueden retornar a los decantadores primarios para su sedimentación y mezcla con el fango primario. 2. En tuberías. Para asegurar un mezclado adecuado, este procedimiento requiere un cuidadoso control de los puntos de generación del fango y de las velocidades de alimentación. Si no se ejerce este control, son de esperar amplias variaciones en las consistencias del fango. 3. En instalaciones de tratamientos de fangos que procuran largos tiempos de detención. Los digestos aerobios y anaerobios ( tipo mezcla complementa) pueden conseguir una mezcla uniforme de los fangos alimentados. 4. En un ataque de mezcla independiente. Esta práctica proporciona el mejor método de control de la calidad de los fangos mezclados. 3. ALMACENAMIENTO DEL FANGO. El almacenamiento de fango debe realizarse para laminar la fluctuaciones de la producción de fangos y permite la acumulación de los mismos durante los periodos en los que las instalaciones de tratamientos subsiguientes se hallan fuera de servicio ( p. e., turnos de noche, fines de semana, y periodos de paro de los equipos no programados). El almacenamiento del fango es particularmente importante en el caso de los procesos de estabilización con cal, tratamiento térmico, deshidratación mecánica, secado de reducción térmica, para los cuales es importante asegurar que la alimentación se lleve a cabo a caudal constante. El almacenamiento de fango a corto plazo se puede llevar a cabo en los decantadores o en los espesadores. El almacenamiento a largo plazo se puede conseguir en procesos de estabilización con largos tiempos de detención (p. e digestión aerobia y anaerobia), o en tanques independientes especialmente diseñados, en plantas pequeñas, el fango se suele almacenar en los decantadores y en los digestores. En las plantas de grandes dimensiones que no utilizan procesos de digestión aerobia ni anaerobia, el fango se suele almacenar en tanques de mezcla y almacenamientos independientes. Estos tanques 7

8 se pueden diseñar de modo que se consigan tiempos de detención de entre varias horas y varios días. El almacenamiento del fango durante periodos superiores a dos o tres días provoca su deterioro, y aumenta la dificultad del proceso de deshidratación. 4. ESPESADO El espesado es un procedimiento que se emplea para aumentar el contenido de sólidos del fango por eliminación de parte de la fracción liquida del mismo. el espesado se suele llevar a cabo mediante procedimientos físicos que incluyen el espesado por gravedad, flotación, centrifugación, y filtros de banda por gravedad. 4.1 Espesado por gravedad.el espesado por gravedad se lleva cabo en un tanque de diseño similar al tanque de sedimentación convencional normalmente, se emplean tanques circulares. El fango alimentado sedimenta y compacta, y el fango espesado se extrae por la parte inferior del tanque. Los mecanismos de recogida de fangos convencionales consisten en dispositivos dotados de rascadores profundos. Figura 3, o piquetas verticales que remueven el fango lentamente, promoviendo la apertura de canales para proporcionar salida al agua y favoreciendo la densificación. El sobrenadante que se origina, se retorna al decantador primario o cabezas de planta. El fango espesado que se recoge en el fondo del tanque se bombea a los digestores o equipos de deshidratación en función de las necesidades por lo que es necesario disponer de un determinado volumen de almacenamiento. 4.2 Ventajas de el espesado por gravedad Reducción del volumen de los tanques posteriores al espesamiento, así como el equipamiento de los mismos Reducción de la cantidad de calor requerido para el calentamiento de los fangos en procesos tales como digestión anaeróbica secado térmico incineración Menores consumos de productos químicos necesarios para acondicionar o estabilizar los fangos Reducción y mejora de rendimientos de los equipos de deshidratación 8

9 (a) (b) Figura 4.1 Esquema de un espesador mecánico:(a)planta, (b)sección A-A 9

10 4.2 Espesado por flotación. Este proceso amerita introducir aire a una solución que se mantiene a una presión determinada. Figura 4, se ilustra una unidad típica empleada para el espesamiento del fango. cuando se despresuriza la solución, el aire disuelto se libera en forma de burbujas finamente divididas que arrastra el fango hasta la superficie donde es eliminado. La aplicación en la que el espesado por flotación resulta mas efectiva, es con los fangos en exceso procedentes de procesos de tratamiento biológicos en suspensión. El espesado por flotación también se ha empleado para el tratamiento de otros fangos tales como el fango primario, el humus procedente de filtros percoladores, el fango de digestión aerobia, y los fangos que contienen sales metálicas originadas en los tratamientos químicos. Figura 4.2 Flotador por aire disuelto utilizado para el espesamiento del fango activado en exceso 4.3. Espesado por centrifugación. Las centrífugas se utilizan tanto para espesar fangos como para deshidratarlos. Su aplicación para el espesado se suele limitar al espesado de fangos activados. El espesado por centrifugación implica la sedimentación de las partículas de fango bajo la influencia de fuerzas centrífugas. los dos principales tipos de centrífugas empleadas actualmente para el espesado de fangos son la centrífuga de camisa maciza, y la centrífuga de cesta, figura 4.3. La centrífuga de camisa maciza dispuesta horizontalmente, con un extremo de forma troncocónica. el fango se alimenta a la unidad de forma continua, y los sólidos se concentran en la periferia. un tornillo helicoidal, que gira a una velocidad ligeramente distinta, desplaza el fango acumulado hacia el extremo troncocónico, donde se produce una concentración de sólidos adicional previamente a la descarga del fango. 10

11 Figura 4.3. Centrífuga de cámara cerrada El funcionamiento de la centrífuga de cesta es discontinuo. El fango liquido se introduce en una que gira alrededor de un eje vertical. Los sólidos se acumulan en las paredes de la cesta produciéndose la clasificación del centrado. Cuando se alcanza la capacidad de retención de sólidos de la centrífuga (normalmente entre el 60 y el 85 por 100 de la profundidad máxima de la cesta), se reduce la velocidad de giro, y se introduce un rascador para facilitar las labores de extracción del fango acumulado. Este tipo de centrífugas está especialmente indicado para su aplicación con fangos blandos o para sólidos finos que resultan difíciles de filtrar, o en casos en los que la naturaleza de los sólidos es muy variable Espesado por filtros de banda por gravedad. Los espesados de filtros de banda por gravedad son un sistema de espesado cuyo origen se halla en la deshidratación de fangos mediante filtros de bandas. En la deshidratación con filtros de bandas, especialmente en el caso de fangos con contenido de sólidos inferiores al 2 por 100, la mayor parte del espesado se produce en la zona del filtro dedicada al drenaje por gravedad. Los equipos desarrollados para el espesado consisten en una banda que se desplaza sobre unos rodillos accionados por un motor de velocidad variable. El fango se acondiciona con polímeros, y se conducen a una cámara de distribución/ alimentación situada en un extremo de la unidad Espesadores de tambor rotativo. El espesado de fangos también se lleva a cabo mediante tambores rotativos consiste en un sistema de acondicionamiento del fango activado (incluyendo la alimentación de polímeros), y unos tamices cilíndricos rotativos. El fango se mezcla con el polímero en el tambor de mezcla y acondicionamiento, y, a continuación, el fango acondicionado pasa a una serie de tamices rotativos que separan los sólidos floculados del agua. 5. ESTABILIZACIÓN. La estabilización del fango se lleva a cabo para: 1. Reducir la presencia de patógenos; 2. Eliminar olores desagradables, y 11

12 3. Inhibir, reducir o eliminar, su potencial de putrefacción. El éxito en la consecución de estos objetivos con los efectos del proceso u operación de estabilización sobre la fracción orgánica o volátil del fango. La supervivencia de los organismos patógenos, la proliferación de olores y la putrefacción, se producen cuando se permite que los microorganismos se desarrollen sobre la fracción orgánica del fango. Los medios de estabilización disponibles para eliminar el desarrollo de estas condiciones desagradables son: 1.Reducción biológica del contenidos de materia volátil; 2. Oxidación química de la materia volátil; 3. Adición de agentes químicos para hacer el fango inadecuado para la supervivencia de los microorganismos, y 4. Aplicación de calor con el objeto de desinfectar o esterilizar el fango. A la hora de proyectar un proceso de estabilización de fangos, es importante considerar la cantidad de fango a tratar, la integración del proceso de estabilización con las restantes unidades de tratamientos, y los objetivos del proceso de estabilización. Los objetivos del proceso de estabilización suelen estar afectados por las normas existentes o de futura implantación. Si el fango se debe aplicar al terreno, es necesario contemplar la reducción de la presencia de patógenos por diferentes vías. Las Tecnologías disponibles para la estabilización del fango que se analizan son: 1. Estabilización con cal. 2. Tratamiento térmico 3. Digestión anaerobia 4. Digestión aerobia 5. Compostaje Estabilización con cal. Se añade suficiente cal al fango para elevar su ph por encima de 12. Este valor elevado de ph crea un entorno que no favorece la supervivencia de los microorganismos. Como consecuencia de ello, mientras se mantenga ese ph, el fango no se pudrirá, no creara olores y no provocara riesgos para la salud publica. Para la estabilización del fango con cal, se emplean dos métodos: 1. Adición de cal al fango antes del proceso de deshidratación, practica conocida con el nombre de deshidratación, o post-tratamiento con cal. Para la estabilización se puede emplear tanto cal hidratada, Ca (OH) 2, como cal viva, Ca O. En algunos casos, la cal se ha sustituido por cenizas volantes, polvo de horno de cemento y carburo cálcico Pretratamiento con cal. El Pretratamiento de fango líquido con cal precisa mayor cantidad de cal por peso unitario de fango tratado, que la requerida para la deshidratación. Esta mayor dosis de cal es necesaria para conseguir el elevado valor del ph. Además, para conseguir un elevado nivel de mortalidad de patógenos, es necesario disponer de suficiente tiempo de contacto de la deshidratación. El objetivo de proyecto recomendado para asegurar la destrucción de patógenos, consiste en mantener el ph por encima de 12 durante 2 horas (criterio mínimo de la EPA para la estabilización con cal), y proporcionar suficiente alcalinidad residual para que el ph no se situé por debajo de 11 durante algunos días. La dosis de cal necesaria varía en función del tipo de fango y de la concentración de sólidos Post-tratamiento con cal. A pesar de que el uso de cal para la estabilización de la materia orgánica no es un concepto innovador, el post-tratamiento con cal del fango de aguas residuales deshidratado. En este proceso, la cal hidratada o viva se mezcla con el 12

13 fango deshidratado en un mezclador de paleta, o en un transportador de tornillo, para elevar el ph de la mezcla. En esta aplicación es preferible el uso de cal viva, ya que la relación con agua es exotérmica y permite elevar la temperatura de la mezcla por encima de los 50 ºC, temperatura suficientemente elevada como para inactivar los huevos de gusanos. El sistema de post-tratamiento con cal presente una serie de ventajas importantes frente al sistema de estabilización previo a la deshidratación: 1. Se puede utilizar cal en polvo y, por lo tanto, no es necesario añadir agua al fango deshidratado; 2. No existen necesidades de deshidratación especifica, y 3. Se eliminan los problemas de formación de depósitos carbonatados y problemas de mantenimiento en los equipos de deshidratación de fangos. El mezclado adecuado es un aspecto crítico del proceso de post-tratamiento con cal, ya que es preciso eliminar la formación de bolsas de materia putrescible Tratamiento térmico. El tratamiento térmico es un proceso continuo en el que fango se calienta en un depósito a presión a temperaturas hasta 260ºC y a presiones de hasta kn/m 2, durante un corto espacio de tiempo (aproximadamente 30 minutos). El tratamiento térmico sirve, básicamente, como proceso de estabilización y de acondicionamiento, aunque, en la mayoría de los casos, esta considerado como un proceso de acondicionamiento. El acondicionamiento térmico del fango permite que los sólidos sean aptos para la deshidratación sin necesidad de emplear reactivos químicos. Cuando se somete el fango a temperaturas y presiones elevadas, la actividad térmica libera el agua ligada a los sólidos, provocando la coagulación de los mismos. Además, se produce la hidrólisis de compuestos orgánicos solubles y nitrógenos amoniacales Digestión anaerobia del fango. La digestión anaerobia del fango han sido universalmente aceptada como el método mas adecuado para obtener un producto final aséptico. La descomposición de la materia orgánica por las bacterias se realiza en ausencia de aire. El oxigeno necesario para su desarrollo. La digestión es un proceso anaeróbico, en los que los materiales de descomposición `pasan por varios procesos: licuefacción, gasificación, y mineralización obteniéndose un producto final inerte con liberación de gases. La licuefacción se produce por enzimas extracelulares que hidrolizan los carbohidratos complejos y simples azucares, las proteínas a pépticos y los aminoácidos y grasas a glicerol y ácidos, siendo el producto final de la licuefacción ácidos orgánicos volátiles. Durante la gasificación, estos productos se convierten en gases, cuyos principales componentes son el metano y el dióxido de carbono. Finalmente, la materia orgánica soluble es también descompuesta. La digestión pasa por distintas fases, siendo las principales la fermentación ácida y la fermentación alcalina, de donde resulta la importancia del PH en el control de estas fases. En el tratamiento de los fangos procedentes de la depuración de las aguas residuales urbanas los procesos anaeróbicos presentan ventajas insospechables así, la obtención del gas combustible y las características fertilizante de la suspensión efluente, representan ventajas de particular importancia. 13

14 5.3.1 Digestión anaerobia convencional. El proceso convencional se suele llevar a cabo en una de fase única, (un solo digestor) el fango crudo se introduce en la zona en la el fango esta siendo digerido activamente y en la que se esta liberando gas. El fango se calienta por medio de un intercambiador de calor externo, Conforme el gas asciende hacia la superficie, arrastra partículas de fango y otros materiales, tales como grasas y aceites, y acaba formando una capa de espumas Digestión de una fase y alta carga. Este proceso difiere del proceso convencional de una fase en que la carga de sólidos es mucho mayor. El fango se mezcla íntimamente mediante recirculación de gas, mezcladores mecánicos, bombeo o mezcladores con tubos de aspiración (no se produce la separación de espumas y sobrenadantes), y se calienta para conseguir optimizar la velocidad de digestión Digestión en dos fases. En muchas ocasiones, un digestor de alta carga se combina en serie con un segundo tanque de digestión. En este proceso, el primer tanque se utiliza para la digestión, y se equipa con dispositivos para el mezclado. El segundo tanque se utiliza para el almacenamiento y concentración del fango digerido, y para la formación de un sobrenadante relativamente clarificado. En muchas ocasiones ambos tanques se construyen idénticos, de forma que cualquiera de ellos puede ser el tanque primario. En otros casos, el segundo de los tanque puede ser abiertos, no calentado, o una laguna de fango. Los tanques pueden tener cubiertas fijas o flotantes, al igual que en la digestión de una etapa Digestores Independientes. La mayor parte de las plantas de tratamiento de aguas residuales que emplean la digestión anaerobia utilizan tanques convencionales para la digestión de una mezcla de fango primario y fango biológico. Sin embargo, la adición de fango biológico, especialmente de fango activado, aun en pequeñas cantidades, reduce la separación de las fracciones sólidas y liquida del fango primario digerido. La velocidad de reacción en condiciones anaerobias también se relentiza ligeramente. Algunos diseño recientes separan la digestión del fango primario de la del fango biológico y, en algunos casos, la digestión de este último no se realiza por vía anaerobia sino en condiciones aerobia. Las razones para adoptar el sistema de digestión independiente son: 1. Se mantiene las excelentes características de deshidratación del fango primario digerido; 2. El proceso de digestión se diseña específicamente para el fango a tratar,. 3. Se pueden mantener las condiciones óptimas de control del proceso, Sin embargo, los datos de funcionamiento y criterios de diseños disponibles acerca de la digestión anaerobia independiente de los fangos biológicos, son muy limitados. Figura 5.3 Diseño de los tanques de digestión. Los tanques de digestión anaerobia pueden ser cilíndricos, rectangulares, o con forma de huevo. La tipología mas común es en forma de cilindro vertical de poca altura. El uso de digestores rectangulares no es frecuente debido a la mayor dificultad para conseguir un mezclado uniforme del contenido del tanque. Los tanques ovalados son de uso muy común en Europa, y su implantación en Estados Unidos es muy reciente. 14

15 Figura 5.3 Digestor Anaeróbico Digestión anaerobia termofílica. La digestión termofílica se produce a temperaturas situadas en el intervalo entre 49 y 57 ºC, que proporciona las condiciones adecuadas para la actividad de las bacterias termofílicas. Como quiera que la velocidad de reacción de las reacciones bioquímicas aumenta con la temperatura, produciéndose una duplicación de la velocidad de reacción con cada aumento de la temperatura de 10 ºC hasta alcanzar una temperatura limite, la digestión termofílica se lleva a cabo a una velocidad muy superior a la de la digestión mesofilica. Las ventajas de la digestión termofílica incluyen el aumento de la capacidad de tratamiento de fango, y el aumento de la destrucción de bacterias. los inconvenientes que presenta la digestión termofílica incluyen las mayores necesidades energéticas para el calentamiento, la peor calidad del sobrenadante obtenido (con elevado contenido de sólidos disuelto), los olores, y la menor estabilidad del proceso. Estas son las razones del limitado uso de este proceso Digestión aeróbica del fango. La digestión aerobia del fango sólo se puede emplear para el tratamiento de: 1. fango activado en exceso; 2. mezclas de fangos activados en exceso o fangos procedente de filtros percoladores con fangos primarios;. 3. fangos en exceso de sistemas de aeración prolongada, o 4. fangos de plantas de tratamientos de fangos activados que no dispongan de decantación primaria. La digestión aerobia del fango se ha empleado, principalmente, en plantas con capacidad inferior a m 3 /d; sin embargo, recientemente, se ha empleado en plantas de tratamiento de mayores dimensiones. 15

16 Las ventajas que se atribuyen al proceso de digestión aerobia del fango, frente al proceso de digestión anaerobia, son las siguientes: 1. La reducción de sólidos volátiles es aproximadamente igual a la obtenida en el proceso anaerobio; 2. se consiguen menores concentraciones de DBO en el liquido sobrenadante; 3. producción de un producto final biológicamente estable, de tipo humus, exento de olores; 4. mayor recuperación del valor del fango como Fertilizantes; 5. el funcionamiento y explotación del proceso es relativamente sencillo, y 6. menores costes iniciales. Las principales desventajas del proceso de digestión aerobia son: 1. el mayor coste energético asociado al suministro del oxigeno necesario; 2. se produce un fango digerido de pobres características para la deshidratación mecánica; 3. es un proceso muy sensible a la temperatura, emplazamiento, y tipo de materiales con que se construye el tanque. La inexistencia de recuperación de un producto útil, como el metano, constituye un inconveniente adicional del proceso. En los casos en los que se considera la aplicación de la digestión separada (o independiente),la digestión aerobia del fango biológica puede resultar una opción interesante. Reducción de sólidos. Uno de los principales objetivos de la digestión aerobia es la reducción de la masa de sólidos que hay que evacuar. Se supone que esta reducción sólo afecta al contenido d sólidos biodegradables del fango, a pesar de que también se puede producir una ligera reducción de la materia inorgánica Digestión aerobia con oxigeno puro. La digestión aerobia con oxigeno puro es una modificación del proceso de digestión aerobia en la que se utiliza oxígeno puro en lugar de aire. El fango resultante es similar al fango de la digestión aerobia convencional. La concentración del fango alimentado varían entre 2 y 4 por 100. Los caudales de sobrenadantes a recircular son similares a los producidos en la digestión aerobia convencional. La digestión aerobia con oxígeno puro está especialmente indicada en el caso de climas fríos, debido a su relativa insensibilidad a los cambios de temperatura del aire ambiente gracias al aumento de la actividad biológica y a la naturaleza exotérmica del proceso Digestión aerobia termofílica. La digestión aerobia termofílica (también llamada digestión autotérmica). Representa un refinamiento tanto de la digestión aerobia convencional como de la digestión aerobia con oxígeno puro. Estudios realizados en plantas piloto de gran tamaño han permitido constatar que la digestión aerobia termofílica se puede emplear para conseguir rendimientos de eliminación de hasta el 70 por 100 de la materia orgánica biodegradable con tiempos de detención muy cortos (3 a 4 d). La digestión termofílica sin fuentes externas de calor se puede llevar a cabo utilizando el calor desprendido durante la oxidación microbiana de la materia orgánica para el calentamiento del fango Digestión aerobia criofílica. Para proporcionar un mejor control sobre el proceso en plantas prefabricadas de pequeñas dimensiones ubicadas en zonas de clima frío, se ha estudiado el funcionamiento de los sistemas de digestión aerobia de fangos a temperaturas por debajo de 20º C Proceso de fangos activados. Su nombre proviene de la producción de una masa activada de microorganismos capaz de estabilizar un residuo por vía aerobia, desde el 16

17 punto de vista de funcionamiento, el tratamiento biológico de aguas residuales, el residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de liquido mezcla. En el reactor, el cultivo bacteriano lleva a cabo la conversión general con la estequiometria de las siguientes ecuaciones: Oxidación y Síntesis. Bacterias COHNS + O 2 + Nutrientes O 2 +NH 3 + C 5 H 7 NO 2 + Otros productos (nuevas células finales bacterianas) Respiración endógena: C 5 H 7 NO 2 + 5O 2 (células) 1,42 5CO H 2 O + NH 3 + energía En estas ecuaciones, COHNS representa la materia orgánica del agua residual. A pesar de que la reacción de la respiración endógena conduce a la formación de productos finales relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se forman algunos productos orgánicos estables. A partir de la ecuación de respiración endógena se puede observar que si todas las células se oxidan por completo, la DBO última de las células equivale a 1,42 veces el valor de la concentración de células. 6. ACONDICIONAMIENTO. El acondicionamiento de los lodos es el tratamiento químico o térmico del lodo para mejorar la eficiencia del espesado y la deshidratación. El propósito es reducir el potencial Z. figura 6. añadiendo iones lo mas frecuente es el acondicionamiento químico productos químicos inorgánicos o poli electrolitos orgánicos.los productos inorgánicos incluyen: cloruro férrico, cal, sulfato ferroso mas cal. Se suelen usar principalmente para acondicionamiento de lodos secundarios o lodos combinados primarios y secundarios su desventaja es que por cada kilogramo de producto inorgánico, se produce un kilo extra de lodos. La gama de dosis de productos inorgánicos va de 100 a 200 kg /tssc. Los poli electrolitos orgánicos o polímeros se usan en todos los tipos de lodos y tienen la ventaja de producir incrementos menos significativos de volumen de lodos. la cantidad de polímeros añadido esta en la franja de 2 a 100 kg/tssc. 17

18 Figura 6. Zeta potencial (adaptado de Eckenfelder, 1980, con autorización). 6.1 Acondicionamiento Químico. El uso de productos químicos para el acondicionamiento del fango para su deshidratación es una practica económica debido al aumento de la producción y a la mayor flexibilidad que se obtiene. el acondicionamiento químico permite reducir la humedad del fango, desde el por 100 hasta el por 100, dependiendo de la naturaleza de los sólidos a tratar. El acondicionamiento químico da lugar a la coagulación de los sólidos a tratar y a la liberación del agua absorbida. El acondicionamiento se lleva a cabo antes de sistemas de deshidratación mecánica tales como los filtros al vació, centrifugación, filtros banda y filtros prensa. Los productos químicos que se emplean incluyen el cloruro férrico, la cal, a alúmina y polímeros orgánicos. La adición de reactivos de acondicionamiento puede aumentar el contenido de sólidos secos, mientras que las sales de hierro pueden provocar aumento del por 100. La dosificación y aplicación de los reactivos resulta mas sencilla si se realiza en forma liquida. en el caso de que el suministro de productos químicos sea en polvo, será necesario disponer de tanques de disolución. Los factores que afectan a la elección del tipo y dosificación de los reactivos de acondicionamiento del fango, son las propiedades del fango y el tipo de dispositivos de mezclado y deshidratación a utilizar. Las propiedades del fango de mayor relevancia incluyen su procedencia, la concentración de sólidos, la edad, el ph, y la alcalinidad. La procedencia del fango (fangos primarios, fangos activados y fangos digeridos ), es un buen indicador de los intervalos probables de dosificación de reactivos que habrá que utilizar. Las concentraciones de sólidos afectara la dosificación y dispersión del reactivo. El ph y la alcalinidad pueden afectar el rendimiento de los reactivos, especialmente cuando estos sean inorgánicos. En los casos en los que se emplea cal para mantener el ph alto y en la deshidratación, se pueden generar fuertes olores a 18

19 amoniaco y desarrollarse problemas relacionados con la formación de incrustaciones carbonadas. En general, se ha observado que el factor que acondiciona, en mayor medida, la cantidad de producto químico necesaria, es el tipo de fango. Los fangos difíciles de deshidratar requieren mayores dosis de productos químicos, no producen una torta tan seca, y dan lugar a un filtrado o centrado de peores cualidades. Los tipos de fango, ordenados por la demanda creciente de reactivos para el acondicionamiento, son los siguientes: 1. Fango primario crudo. 2. Fango primario crudo mezclado con fango procedente de filtros percoladores. 3. Fango primario crudo mezclado con fango activado. 4. Fango primario digerido anaerobíamente. 5. Mezcla de fango primario digerido anaerobíamente. 6. Fango activado crudo. 7. Fango de digestión aerobia. 6.2 Tratamiento térmico. El tratamiento térmico es proceso de estabilización y acondicionamiento del fango que comporta el calentamiento de fango bajo presión durante corto periodos de tiempo. El tratamiento térmico se emplea para la coagulación de sólidos, romper la estructura de gel y destruir la afinidad al agua de los sólidos contenidos en el fango. Como consecuencia de ello, el fango de esteriliza y deshidrata rápidamente. La mayor aplicación del proceso de tratamiento térmico se centra en fangos biológicos que puedan resultar difícil de estabilizar o acondicionar por otros medios. Los elevados costes de inversión de los equipos asociados suelen limitar su aplicación a plantas de grandes dimensiones (capacidad superior a m 3 /d),o a instalaciones en las que el espacio disponible pueda ser limitado. El fango parcialmente oxidado en la unidad de tratamiento térmico se puede deshidratar por filtración al vació, centrifugación, filtros banda, o eras de secado. Las ventajas de los procesos de tratamiento térmico son (1) el contenido en sólidos del fango deshidratado puede oscilar entre el por 100, en función del grado de oxidación conseguido; (2) el fango del proceso suele precisar acondicionamiento con productos químicos;(3) el proceso permite estabilizar el fango y destruir la mayor parte de los organismos patógenos; (4) el fango del proceso tiene un poder calórico de entre 28 y 30 kj/g de sólidos volátiles, y (5) el proceso es relativamente insensible a la variaciones en la composición del fango. A elevadas temperaturas y presiones, se puede conseguir la oxidación casi completa de los sólidos volátiles (reducción aproximada del 90 por 100). 7. DESHIDRATACIÓN. Uno de los procesos más importantes y necesarios, que no podemos eludir es la deshidratación consiste en una operación unitaria física (mecánica) utilizada para reducir el contenido de humedad del fango por alguna o varias de las siguientes razones: 1. Los costes de transporte del fango por camión hasta el lugar de su evacuación final son notablemente menores cuando se reduce el volumen por deshidratación 19

20 2. El fango deshidratado es, generalmente, más fácil de manipular que el fango líquido o espesado. En la mayoría de los casos, el fango deshidratado es susceptible de ser manipulado con tractores dotados de cucharas y palas y con cintas transportadoras. 3. La deshidratación es necesaria antes de la incineración del fango para aumentar su poder calorífico por eliminación del exceso de humedad. 4. La deshidratación es necesaria antes del compostaje para reducir la cantidad de material de enmienda o soporte. 5. En algunos casos, puede ser necesarios eliminar el exceso de humedad para evitar la generación de olores y que el fango sea putrescible. 6. La deshidratación del fango suele ser necesaria antes de su evacuación a vertederos controlados para reducir la producción de lixiviados en la zona de vertederos. Los dispositivos de deshidratación utilizan varias técnicas para la eliminación de la humedad. Algunas, se basan en la evaporación y precolación naturales, mientras que los aparatos de deshidratación mecánica utilizan medios físicos, asistidos mecánicamente, para acelerar el proceso. Los medios físicos utilizados incluyen la filtración, el prensado, la acción capilar, la extracción por vacío y la separación y compactación por centrifugación. 7.1 Filtración al vacío. La filtración es uno de los más utilizados. En la filtración al vacío, la fuerza motriz que actúa sobre la fase líquida provocando el movimiento a través de un medio poroso, es la presión atmosférica, debido a la aplicación del vacío en la superficie inferior del medio filtración. El filtro de vacío consiste en un tambor cilíndrico horizontal que gira, parcialmente sumergido, en una cuba de fango. Los materiales empleados como medio filtrante son telas filtrantes o mallas metálicas en espiral. La superficie del tambor está cubierta por un medio poroso, la selección del cual depende de las características de deshidratación del fango. 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. La válvula rotativa controla las diferentes 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 tres etapas del proceso: formación, deshidratación y descarga de la torta. 7.2 Centrifugación. El proceso de centrifugación es muy utilizado en la industria para la separación de líquidos de diferentes densidad, espesamiento de fangos, o separación de sólidos. Este proceso también es aplicable a la deshidratación de fangos de aguas residuales, y su aplicación se ha llevado con diferentes grados de éxito Centrífugas de camisa maciza. En la centrífuga de camisa, el fango se alimenta a la cuba giratoria a caudal constante, y se separa en una torta densa que contiene los sólidos, y un líquido diluido que recibe el nombre de concentrado. El concentrado contiene sólidos finos de baja densidad y se recircula a la línea de tratamiento de la planta. La torta de fango, que tiene un contenido de humedad comprendido entre el por 100, se descarga de la unidad mediante un tornillo a una tolva o a una cinta transportadora. En función del tipo de fango, la concentración de sólidos de la torta variará entre el 10 y el 35 por 100; los diseños más modernos permiten conseguir concentraciones de sólidos entre el por 100. Para la evacuación final del fango a incineración o a vertederos controlados, es conveniente disponer de concentraciones de sólidos por encima del 25 por

21 Figura 7. Centrífuga de camisa maciza Centrífugas de cesta. Las centrífugas de cesta están especialmente indicadas para el uso de plantas de pequeñas dimensiones. En estas aplicaciones, las centrífugas de cesta se pueden emplear para concentrar y deshidratar, sin adición de reactivos, el fango activado en exceso, con capturas de hasta el 90 por 100. También, se han utilizado en plantas de grandes dimensiones. Utilizando un número elevado de cestas, hasta 50. centrífugas por planta. 7.3 Filtros banda los filtros banda son dispositivos de deshidratación de fangos de alimentación continua que incluyen el acondicionamiento químico, drenaje por gravedad, y aplicación mecánica de presión para deshidratar el fango véase Figura.7.3 los filtros banda se introdujeron en los estados unidos a principios de la década de los setenta, y se han convertido en uno de los sistemas de deshidratación de fangos mas empleados. Los filtros banda han resultado ser efectivos para casi todo los tipos de fango de aguas residuales municipales. En la mayoría de los filtros banda, el fango acondicionado es introducido, en primer lugar, en una zona de drenaje por gravedad donde se produce su espesado. En esta fase, la mayor parte del agua libre se elimina por gravedad, en algunos casos, esta fase de operación esta asistida por un sistema de vació que favorece el drenaje y ayuda a reducir el desprendimiento de olores. A continuación del drenaje por gravedad, el fango pasa a una zona de baja presión donde es comprimido entre dos telas porosas opuestas. En algunas unidades, esta zona de aplicación de presión, baja va seguida de otra de alta presión en la que el fango se somete a esfuerzos tangenciales a medida que las bandas pasan a través de una serie de rodillos. Estos esfuerzos de prensado y tangenciales favorecen la liberación de cantidades adicionales de agua contenida en el fango. La torta de fango deshidratada se separa de las bandas mediante rascadores. 21

22 Figura 7.3 Etapas básicas del proceso de deshidratación en filtros banda 7.4. Filtros prensa. En un filtro prensa, la deshidratación se lleva acabo forzando la evacuación del agua presente en el fango por la aplicación de una presión elevada.las ventajas de un filtro prensa incluyen (1) altas concentraciones de sólidos en la torta; (2) obtención de un filtrado muy clarificado, y (3) elevada capturas de sólidos. Los inconvenientes incluyen la complejidad mecánica, los elevados costes de reactivos, los altos costes de mano de obra, y la limitada vida útil de las telas de filtro en la deshidratación de fangos se han utilizado diferentes tipos de filtros las dos topologías mas empleadas son los filtros prensa de placas de volumen fijo y los de volumen variable. Este filtro consiste en una serie de placas rectangulares que se colocan enfrentadas entre si y en posición vertical sobre un bastidor con un extremo fijo y otro móvil véase figura 7.4 sobre cada una de las placas se ajusta o cuelga una tela filtrante. Figura 7-4 Filtro prensa de placas de volumen constante utilizado para la deshidratación de fango. 22

23 Las placas se mantienen juntas con fuerza suficiente para que se adhieran herméticamente y puedan, así, resistir la presión aplicada durante el proceso de filtración. Para que las placas se mantengan unidas, se emplean prensas hidráulicas o tornillos accionados mecánicamente. Durante el funcionamiento, el fango acondicionado químicamente se bombea al espacio existente entre las placas, y se aplica una presión variable entre 690 y 1550 KN/m 2 que se mantiene durante 1-3 horas, forzando el liquido a pasar a través de la tela filtrante y de los orificios de salida de las placas. Seguidamente, se separan las placas y se extraen la torta de fango. el liquido filtrado se suele reciclar a cabeza de planta. 7.5 filtros prensa de placa de volumen variable. Otro de los tipos filtro prensa empleado para la deshidratación del fango de agua residual es el filtro prensa de placas de volumen variable, conocido como filtro prensa de membrana. Esta tipo de filtro es similar al de volumen fijo, excepto por el hecho de que detrás del medio filtrante se sitúa una membrana de goma Figura 7.5. La membrana se expande para conseguir la comprensión final, reduciendo, de esta forma, el volumen del fango durante la fase de comprensión. Normalmente, el tiempo necesario para llenar el filtro suele ser del orden de 10 a 20 minutos, mientras que la aplicación constante de presión para conseguir el contenido de sólidos deseado precisa entre 15 y 30 minutos. Los filtros prensa el volumen variable se suelen diseñar para presiones de 690 a 860 Kn/m 2 para la primera fase de deshidratación, seguidas de presiones de a kn/m 2 para la comprensión final. Los filtros de volumen variable pueden tratar gran variedad de fangos con buenos rendimientos, pero requieren mucho mantenimiento. Figura 7.5 Sección transversal de un filtro prensa de placas de volumen variable Los filtros prensa presentan varios problemas operacionales y de mantenimiento que varían desde dificultades en los sistemas de alimentación de reactivos y acondicionamiento del fango hasta periodos de puesta fuera del servicio para realizar 23

24 las labores de mantenimiento demasiado prolongados. Los aspectos a tener en cuenta en el diseño de instalaciones de filtros prensa incluyen (1) ventilación adecuada del edificio de deshidratación (se recomienda adoptar entre 6 y 12 regeneraciones de aire por hora, en función de la temperatura ambiente); (2) sistemas de lavado a presiones elevadas; (3) en los casos en los que se emplea cal, provisión de un sistema de lavado por circulación de ácido para eliminar las incrustaciones que se puedan formar; (4) disponer de un triturador de fango antes del tanque de acondicionamiento; (5) incluir un sistema de rotura de la torta de fango a continuación del filtro prensa (especialmente si el fango deshidratado se desea incinerar), y (6) equipos para facilitar la extracción y mantenimiento de las placas. 8. Bombas a utilizar según los tipos de fango Tipo de fango Bomba aplicable Comentario Basuras trituradas Se debe evitar el bombeo de basura. Se debe emplear eyectores neumáticos. pe Arenas De vórtices; centrifuga El carácter abrasivo de la arena y la presencia de trapos hacen que las arenas sean difíciles de tratar para el uso de bombas de vórtices, se deben utilizar cerramientos e impulsores endurecidos. También se puede utilizar eyectores pe neumáticos. Espumas Fango primario De pistón; de cavidad progresiva; diafragma; centrífuga. De pistón; Centrífuga del tipo vórtice; diafragma; de cavidad progresiva; de émbolos rotativos. Con frecuencia la espuma se bombea por medio de bombas de fangos, para hacer esto posible, se instala válvulas en las conducciones de espumas y fangos. En plantas de grandes dimensiones, se utilizan bombeos independientes par asegurar cierta uniformidad de las espumas antes del bombeo se suelen utilizar mezcladores de espumas. Normalmente es deseable obtener un fango tan concentrado como sea posible en los tanques de decantación primaria, generalmente recogiendo el fango en los cuencos y bombeando intermitentemente, dejando que el fango se recoja y consolide entre los periodos de bombeo. El carácter del fango primario crudo varia considerablemente, dependiendo de las características de los sólidos del agua residual, de los tipos de decantador y su eficacia. Cuando la 24

25 Cuando la planta incluye tratamiento biológico, la cantidad de sólidos procedente de: 1. fango activado en exceso, 2. Humus de los tanques de sedimentación secundario de los filtros percoladores, 3. Sobrenadantes de los digestores, 4. El centrado o liquido filtrado recirculado de las operaciones de deshidrataciones, también afectara a las características del fango. En muchos casos, las características del fango no permiten el uso de bombas centrífugas inastascable convencionales. Precipitaciones química Fango digerido Fango de filtros percolares Fango activado de retorno o en exceso Las mismas que para el fango primario. De pistón; centrífuga del tipo vórtices; de cavidad progresiva; de diafragma; de émbolo de alta presión, de émbolo rotativo. Centrífuga no atascable, de vórtices; de cavidad progresiva; de pistón; de diafragma. Centrífuga no atascable; de cavidad progresiva; de pistón; de diafragma. El fango bien digerido es homogéneo, contiene del 5 al 8 % de sólidos, y cierta cantidad de burbujas de gas, pero puede contener hasta el 12 % de sólido. El fango mal digerido puede ser difícil de manipular. Si el desbastes y el desarenado son eficiente se pueden utilizar centrífugas inastascable. El fango es generalmente homogéneo y puede bombearse fácilmente. El fango es diluido y contiene únicamente sólidos finos de tal modo que las bombas centrífugas inastascable pueden ser utilizadas habitualmente, en el caso de bombas inastascables se recomienda utilizar velocidades bajas para minimizar las rupturas de las partículas floculentas. Fango espesado o concentrado De pistón; de cavidad progresiva; de diafragma; émbolo de alta presión; de émbolo rotativo. Para fangos concentrados, se suelen utilizar bombas de desplazamiento positivo debido a su capacidad para general el movimiento de la masa de fango. También se pueden emplear bombas de vórtices, pero su instalación precisa la provisión de sistemas de lavado y dilución. 25