3.7. ESPESAMIENTO DE FANGOS 3.7.1. Consideraciones Generales Objetivo: Reducción del volumen de fango En grandes proyectos, en los que el fango se debe transportar a distancias importantes tales como el tratamiento en una planta independiente, la reducción del volumen de fango puede comportar la reducción de las dimensiones de las conducciones y de los costes de bombeo. En proyectos pequeños, la necesidad de hacer compatible un tamaño mínimo práctico de la tubería con una velocidad mínima, puede exigir el bombeo de volúmenes importantes de agua residual demás del fango, lo cual disminuye el valor de la reducción de volumen conseguida. Dotación/equipos: Tanque de espesamiento por gravedad (equipado con puente espesador), tanque de espesamiento por flotación (equipado con sistemas de inyección de aire comprimido y puente móvil) 3.7.2. CÁLCULOS FUNCIONALES Y DIMENSIONAMIENTO A la hora de proyectar las instalaciones para el espesado de fangos, es importante dotar de capacidad suficiente para hacer frente a las demandas punta y prevenir el desarrollo de condiciones sépticas y los problemas de olores asociados, durante el proceso de espesado. El diagrama al que responden los procesos de espesamiento es: 1
3.7.2.1. Espesamiento por gravedad El espesado por gravedad se lleva a cabo en un tanque de diseño similar al de un decantador convencional, empleándose normalmente tanques circulares. El fango diluido se conduce a una cámara de alimentación central. 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 o piquetas verticales que remueven el fango lentamente, promoviendo la apertura de canales para proporcionar salida al agua, favoreciendo así la concentración. El sobrenadante que se origina, se retorna al decantador primario o cabecera de planta. El fango espesado que se recogen en el fondo del tanque se bombea a los digestotes o equipos de deshidratación según nlas 2
necesidades, por lo que es necesario disponer siempre de un cierto volumen de almacenamiento. A continuación se muestra un ejemplo de un espesador de gravedad circular: Los espesadores por gravedad se dimensionan en función de la carga de sólidos. En la tabla adjunta se indican valores típicos de cargas de sólidos así como el rango de valores de concentración que puede obtenerse tras el espesado. 3
Variciones típicas de fangos sin espesar y espesados y cargas de sólidos para espesadores por gravedad Tipo de Fango Concentración de fango % Carga sólidos Sin espesar Espesado kg/m 2.d Por separado: Primario 2-7 5-10 88-136 De filtro percolador 1-4 3-6 34-49 De RBC 1-3,5 2-5 34-49 Activado con aire 0,5-1,5 2-3 12-34 Activados con oxígeno puro 0,5-1,5 2-3 12-34 Activados de aireación prolongada 0,2-1,0 2-3 24-34 Primario digerido por vía anaerobia 8 12 122 Conjuntamente: Primario y de filtros percoladores 2-6 4-9 58-98 Primario y de RBC 2-6 4-8 49-78 Primario y de aireación modificada 3-4 5-10 58-98 Primario y activados por aire 2-5 2-8 25-49 Act.en exceso de filtros percolad. 0,5-2,5 2-4 12-34 Act.y primarios digeridos vía anaer. 4 8 68 Acondicionados térmicamente: Primario 3-6 8-15 195-245 Primario y exceso fangos activos 3-6 12-15 136-195 Exceso de fangos activos 0,5-1,5 6-10 98-136 Debido a que las características de los fangos influyen fundamentalmente sobre el espesamiento, es importante contrastar dichos parámetros con espesadores existentes que trabajan con fangos similares, de acuerdo con las particularidades de cada planta depuradora. Además de la carga de sólidos son parámetros utilizados en el diseño de un espesador la carga hidráulica y el tiempo de retención. 4
La carga hidráulica, es decir el caudal por unidad de superficie es un parámetro menos restrictivo que la carga de sólidos. Para mantener las condiciones aerobias en los espesadores de gravedad, se debe prever la posibilidad de añadir al espesador un caudal de efluente final de la planta de 24 a 30 m 3 /m 2.d. Para mejorar la concentración, se mantiene un manto de fango en la parte inferior del tanque. El volumen del manto de fango mantenido en el interior del espesador, dividido por el volumen de fango espesado extraído diariamente, suele variar entre 0,5 y 20 d siendo los valores más bajos, los necesarios en épocas calurosas a este parámetro se le llama "relación de volumen de fango". Como alternativa, se puede medir la profundidad del manto de fango, que puede variar entre 0,6 y 2,4 siendo los valores más bajos los correspondientes a épocas calurosas. En la tabla adjunta se muestran valores de carga hidráuilica en m 3 /m 2 /h recomendados para el diseño. F.Primario F.Activos F.Mixtos F.Air.Prolong. F.Estabiliz.Aerobia Carga Hidráuilica <1,40 <0,45 <0,90 <0,45 <0,45 El tiempo de retención adquiere un carácter determinante por encima de un tiempo (6 a 8 h) en que comienzan las reacciones anaeróbicas en los fangos. Puesto que los teimpos de retenciópn normalmente empleados son siempre superiores a las 24 h, se recomienda con carácter general el adoptar medidas contra olores (cubrición, etc) La tabla siguiente muestre los valores recomendados para el diseño: F.Primario F.Activos F.Mixtos F.Air.Prolong. F.Estabiliz.Aerobia Tretención (h) >24 >24 >24 >24 >24 5
Ejemplo de diseño y dimensionamiento de un espesador por gravedad: * Cálculo de la superficie del espesador. (Fórmula 1): Siendo: S = Superficie del espesador (m 2 ) Q = Caudal de fangos que entran en el espesador (m 3 /d) C h = Carga hidráulica (m 3 /m 2.h) Nº= Número de unidades funcionando S = Q C f h / 24 / N º Volumen del espesador (Fórmula 2): V f Tr V = x 24 N º Siendo: V = Volumen espesador (m 3 ) V f = Volumen de fangos a espesar (m 3 ) T r = Tiempo de retención (h) Nº=Número de unidades en funcionamiento Disponiendo de la superficie y el volumen del tanque la obtención de la altura es directa, no obstante ésta influye sobre la capacidad de espesamiento resultando los valores comprendidos entre 2,5 y 3 m los más adecuados tanto desde el punto de vista técnico como del económico. * Carga de sólidos (Fórmula 3) : Siendo: C s = Ft S x N º 6
C s =Carga de sólidos (kg/m 2.d) F t =Peso total de fangos a espesar (kg/m 2.d) S e = Superficie del espesador (m 2 )kg/d) Nº = Número de unidades en funcionamiento * Volumen de salida. (Fórmula 4): V fs = Ft P x1.000 s Siendo: V fs =Volumen de fangos de salida (m 3 /d) F t = Peso total de fangos (kg/d) P s = Concentración de fangos de salida (kg/m 3 ) * Caudal de reboses. (Fórmula 5): Q r = Q e - Q s Siendo: Q r = Caudal de reboses (m 3 /d) Q e = Caudal de fangos de entrada (m 3 /d) Q s = Caudal de fangos de salida (m 3 /d) En la tabla adjunta se recogen los valores límite para el diseño de espesadores: Valores Límite Carga de Sólidos kg/m 2 /d Carga Hidráulica m 3 /m 2 /d Tiempo retención h Concentración F.espesado % Fangos Primarios 90-130 <1,40 <24 8-10 Fangos Activos 20-35 <0,45 <24 2-3 Fangos Mixtos 40-70 <0,90 <24 4-7 Fangos Air.Prolon 25-35 <0,45 <24 2-3 Fangos estab.aer. 30-40 <0,45 <24 2,5-3,5 7
A continuación se muestra un cuadro resumen de cálculos para el espesador por gravedad: ESPESADOR POR GRAVEDAD Datos de diseño Carga hidraúlica m 3 /m 2 /h Tiempo de retención hidráulica h Total de fangos a espesador (General procedente de purgas decant.primario) Kg/día Volumen de fangos a espesador (Función de la concentración del fango) m 3 /día Caudal instantáneo m 3 /h Concentración de fangos espesados % Concentración a la entrada % Concentración media (Media arimética de las dos concentraciones kg/m 3 anteriores, multiplicada por 10 para pasar a kg/m 3 ) Volumen de fangos en espesador m 3 /d Altura de agua clara 0,5 m Volumen de agua clara m 3 Tiempo de retención medio h Dimensiones unitarias Superficie (Formula 1) Superficie del espesador m 2 Diámetro m Volumen Volumen espesador (Fórmula 2) m 3 Altura m Carga de sólidos ( (Fórmula 3) Kg/dia.m 2 Concentración de fangos espesados % Caudal de salida (Fórmula 4) m 3 /dia Nº horas de purga h Caudal de reboses (Fórmula 5) m 3 /dia Concentración kg/m 3 8
3.7.2.2. Espesamiento por flotación Los fangos procedentes del tratamiento biológico se espesan normalmente por flotación, debido al bajo peso específico de los flóculos, elevada septicidad y débiles características de compactación. El sistema más utilizado es el de presurización, se basa en la inyección de aire a presión, el cual al ser introducido en un líquido con cierto contenido de sólidos, provoca la aparición de burbujas a las que se fijan dichos sólidos que, debido a la menor densidad del agregado, tienden a flotar. La producción de aire en este sistema consiste en disolver aire en un líquido bajo una presión de varias atmósferas y a continuación, liberarlo hasta la presión atmosférica con la consiguiente formación de microburbujas que se adhieren a las partículas sólidas. Un esquema para este tipo de tanques será: La solubilidad del aire en un líquido depende de la temperatura y de la presión. Para una determinada temperatura, la concentración de aire disuelto en el líquido varía con la presión según la ley de Henry, por lo cual la concentración de saturación del aire en el agua a una presión P viene dada por la ecuación: 9
C p = P x C a Siendo C a la concentración de saturación a la presión atmosférica. El sistema que consigue una mayor saturación y estabilidad es el que se realiza inyectando aire en un balón de presurización. La forma de introducir el líquido en el balón influye en los rendimientos, si se realiza por pulverización, la posibilidad de intercambio líquido aire se incrementa mejorando el rendimiento. La presurización puede realizarse de manera directa total o parcial, en la que se presuriza todo o parte del caudal de fangos o bien de manera indirecta, en la que se presuriza el agua clarificada, bien del flotador bien del decantador secundario. La presurización directa es menos aconsejable debido a los riesgos de obstrucción en los equipos de presurización, además de que la turbulencia generada en el balón de presurización al poner en contacto directo el aire a presión con los fangos, puede destruir los flóculos. Los equipos fundamentales de que consta una flotación por aire disuelto son: Bomba de presurización: A la que debe exigirse uniformidad de presión dentro de un rango amplio de caudales. Depósito de presurización: El sistema de mezcla debe asegurar el contacto de la mayor superficie de fluido con el aire, para conseguir la concentración del aire en el agua lo más próxima a la saturación. Sistema de inyección de aire: Se regulará por presostato en un rango apropiado a la presión deseada en el depósito. La automatización del sistema de presurización se consigue mediante la instalación de niveles de comando en el balón, que actúan sobre válvulas 10
automatizadas que regulan la entrada al recipiente tanto del fluido a presurizar como del aire a disolver. Válvulas reductoras de presión: Con el objeto de crear microburbujas sin producir turbulencias en el volumen de agua del tanque, es necesario crear una pérdida de carga en la corriente de agua presurizada. Esta rotura de carga se realiza mediante válvulas adecuadas con el objetivo de que la presión del líquido presurizado que se introduce en el flotador sea constante e igual a la presión atmosférica más la presión de la columna de agua existente entre el punto de introducción y la superficie libre del líquido en el tanque. Tanque de flotación: El más utilizado es el de forma circular. Un grupo de accionamiento compuesto por un motorreductor actúa sobre unas rasquetas. Las rasquetas superficiales, empujan los fangos hacia un canal o tolva de recogida de fangos de longitud aproximada igual a la mitad del radio, con una rampa de carga que engarza con el sistema de rasquetas superficiales. La profundidad debe ser ligeramente por debajo del niel en el tanque para asegurar la recogida de la zona superior más concentrada del lecho de fangos. La alimentación está constituida por una campana de reparto que tiene por objeto lograr un reparto homogéneo y una tranquilización de la mezcla. Las rasquetas de fondo recogerán los fangos no flotables y los conducirá hacia una pequeña tolva central de donde son extraídos periódicamente. El líquido clarificado se recoge por rebose en un vertedero perimetral. La toma se debe alejar del fondo, de forma que no le afecten los fangos que puedan depositarse. Generalmente se efectúa a través de un tabique deflector en forma de sifón. El rendimiento que puede obtenerse en una unidad de espesamiento por flotación puede venir afectado por múlitples factores como consecuencia de su diseño. Entre estos factores pueden citarse el tipo y características de la alimentación, la carga hidráulica, la carga de sólidos a tratar, la concentración 11
de sólidos en la alimentación y el acondicionamiento de los fangos mediante polielectrolito. La dosificación de polielectrolito debe ser considerada sobre todo por la adaptabilidad de la instalación a variaciones de cargas y cuando el índice volumétrico de fangos es elevado, por encima de 200. La dosis de polímero típica para espesadores de flotación oscila entre 2 y 5 kg polímero seco/tn. Materia seca. Cuando la carga hidráulica, es decir, la relación entre el caudal total introducido en el flotador y el área del mismo es elevada, generalmente superior a 25 m 3 /m 2.día pueden originarse turbulencias que afectan a la capa de fangos flotantes haciéndola inestable. Por encima de este valor debe añadirse polielectrolito. La carga de sólidos, definida como la relación entre la cantidad de sólidos y la superficie del flotador tiene una gran importancia en el funcionamiento de la unidad. Altas cargas de sólidos obligan a aumentar la velocidad de barrido de la capa de fangos, lo que puede originar turbulencias en el manto de fangos. Debido a la rapidez con la que se separan los sólidos de agua residual, los espesadores por flotación admiten mayores cargas que los de gravedad. Pueden funcionar con las cargas que se indican en la siguiente tabla, debiéndose utilizar en proyecto los valores mínimos indicados. El uso de cargas mayores proporciona menores concentraciones del fango espesado. El parámetro fundamental en la flotación es el que relaciona el aire (A) utilizado y los sólidos (S) en la alimentación, la relación A/S. Este parámetro regula el rendimiento obtenido además de las siguientes variables: - Concentración de materia en suspensión en el efluente. - Velocidad ascensional de la materia floculante 12
Los rendimientos de la flotación oscilan entre el 3 y el 4% de concentración del fango, con una recuperación elevada de los sólidos, del orden del 85%. Con el uso de polielectrolito, se puede llegar a concentraciones del 6% y recuperación de sólidos de hasta el 95%. Los parámetros de diseño se mueven entre los siguientes valores: Relación A/S: 0,01 a 0,06 kg de aire/kg de fango Carga de sólidos: 3 a 4 kg/m 2 /h Carga hidráulica: 75 a 120 m 3 /m 2 /d Tiempo de retención: 10 a 14 minutos Ejemplo de diseño de un flotador: 13
FLOTADOR Datos de diseño Carga de sólidos kg/m 2 /d Carga hidraúlica m 3 /m 2 /h Tiempo de retención hidráulica h Caudal de fangos a espesador (Función de la concentración del fango) m 3 /día Caudal instantáneo m 3 /h Concentración de fangos flotados % Dimensiones unitarias Superficie Superficie del flotador m 2 Diámetro m Volumen Volumen flotador m 3 Altura m Caudal de salida m 3 /dia Nº horas de purga h Caudal de reboses m 3 /dia PRESURIZACIÓN Instalación de aire: Nº de compresores Nº de compresores en uso Necesidades específicas de aire ml aire/mg M.S Kg aire/kg fangos Presión de trabajo Kg/cm 2 Volumen diario de aire Nm 3 /h Caudal necesario de aire Nm 3 /h Caudal unitario necesario Nm 3 /h Calderín: Volumen de calderín necesario m 3 Tiempo de presurización adoptado (min) m 3 Nº de tanques en servicio m 3 Presión de trabajo Kg/cm 2 Recirculación Nº de unidades en funcionamiento Presión de trabajo grupo de bombeo Kg/cm2 14