TRATAMIENTO BIOLOGICO

MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUACONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS

UNIDAD

DISEÑO GENERAL DE UN TRATAMIENTO

Enrique Toro Baptista

INDICE

1.- INTRODUCCIÓN.

2.- PRINCIPALES TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOS.

2.1 PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS

3.- TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS.

4.- FANGOS ACTIVOS.

Descripción.

Diseño.

5.- CONTROL, OPERACIÓN Y PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DEFANGOS ACTIVOS.

1.INTRODUCCIÓN

LA INSTALACIÓN COMO PARTE DE UN SISTEMALA INSTALACIÓN COMO PARTE DE UN SISTEMA

–– Cuenca ReceptoraCuenca Receptora (colectores, orografía, vertidos,estacionalidad, etc.).

–– Estación DepuradoraEstación Depuradora (tecnología empleada, tipo detratamiento, etc.).

–– Repercusión sobre el cauce receptorRepercusión sobre el cauce receptor (río, lago, zonacostera, etc..).

–– Otros factores externosOtros factores externos (climatología invierno-verano).

1.INTRODUCCIÓN

OBJETOOBJETO• Los tratamientos biológicos tienen como principal objeto la eliminación

de la materia orgánica de las aguas residuales.

Otros usos, no menos importantes son:

a) Eliminación de N2 por medio de la oxidación del nitrógenoamoniacal, nitrificación-desnitrificación.

b) Eliminación del fósforo.

c) Eliminación de patógenos (bbalsas de maduración en lagunas).

d) Eliminación de metales y tóxicos (uso de macrófitos, jacinto de aguao el carrizo).

• La materia orgánica es eliminada del agua por acción de los seres vivos,que la emplean como fuente de alimento, produciendo nueva materia celularademás de obtener la energía necesaria para su supervivencia.

1.INTRODUCCIÓN

• En los procesos biológicos intervienen todo tipo de organismos, según lascondiciones de operación de la instalación y el influente, se producirá elpredominio de un tipo frente a otro.

• En función de la fuente de carbono utilizada se clasifican en autótrofos(carbono mineral) y heterótrofos (carbono como materia orgánica).

1.INTRODUCCIÓN

SEPARACIÓN SÓLIDO - LÍQUIDOSEPARACIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO

Una vez, el sistema biológico, asimila la M.O. presente en el aguaresidual, podemos decir, que se trata de un problema de separación desólidos.

Los sistemas empleados son diversos. En general, se emplean procesosfísicos: decantación, filtros y membranas.

El control de la presencia de sustancias tóxicas en los efluentes finales yla falta de recursos hídricos hacen necesario optimizar, cada vez más , losprocesos hasta límites capaces de garantizar aguas de calidad en las cuencasreceptoras.

2.PRINCIPALES TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOSFLUJO PISTÓNMEZCLA COMPLETAALIMENTACIÓN ESCALONADA

CONTACTO-ESTABILIZACIÓNAIREACIÓN PROLONGADACANALES DE OXIDACIÓN

CULTIVOS MIXTOS (SOPORTES EN SUSPENSIÓN)

CULTIVO EN SUSPENSIÓN

PROCESOS AEROBIOS-ANAEROBIOS

NITRIFICACIÓN -DESNITRIFICACIÓN

LAGUNAS FACULTATIVAS

LAGUNAS DE MADURACIÓN

LAGUNAS ANAEROBIAS FACULTATIVAS

ALTA CARGA

SISTEMAS BIOLÓGICOS ROTATIVOS (SBR,BIODISCOS))

CULTIVO FIJOPROCESOS ANAEROBIOS

DIGESTIÓN ANAEROBIA

LAGUNAS AEROBIAS

FILTROS ANAEROBIOS

PROCESOS AEROBIOS

FANGOS ACTIVADOS

CONVENCIONAL

ESTABILIZACIÓN AEROBIA DE FANGOS

CULTIVO EN SUSPENSIÓN

REACTORES DE LECHO COMPACTO

CULTIVOS FIJOS

REACTORES DE LECHO MOVIL

BAJA CARGALECHOS BACTERIANOS

DESNITRIFICACIÓN CON CULTIVO FIJO

DESNITRIFICACIÓN CON CULTIVO MIXTO

PROCESOS ANÓXICOS

DESNITRIFICACIÓN CON CULTIVO EN SUSPENSIÓN

NITRIFICACIÓN

LAGUNAS AEROBIASAIREADAS

DOBLE ETAPAOXÍGENO PURO

SIN AIREAR


PROCESSO BIOLÓGICOS AEROBIOSPROCESSO BIOLÓGICOS AEROBIOSSon procesos que se realizan mediante microorganismos, que actúan sobre la materiaorgánica (MO) e inorgánica, suspendida, disuelta y coloidal existente en el aguaresidual, que en presencia de oxígeno, la transforman en gases y materia celular, quese puede separar fácilmente mediante sedimentación.

M.O. + ∝ -Organismos + Nutrientes + O2 ----> Nuevos ∝ -Organismos + Productos finales + Energía (1)

Dos tipos de reacciones: Síntesis y OxidaciónSíntesis (Asimilación): Incorporan una parte de la MO , al protoplasma de los

microorganismos, dando lugar a nuevos ∝ -Organismos. La otra parte de MO se utilizapara la producción de la energía necesaria.

M.O. + ∝ -Organismos + Energía + O2 ----> Nuevos ∝ -Organismos (2)

Oxidación y Respiración endógena: Se produce la auto oxidación delprotoplasma celular. En el proceso se liberan los nutrientes usados en la síntesis, loque permite nuevas fases de asimilación. La reacción indica que la masa orgánicadisminuye y tiende a cero.

C5H7O2N +5O2 ----> 5CO2 +2H2O + NH3 + Energía (3)


MICROORGANISMOS MAS IMPORTANTESMICROORGANISMOS MAS IMPORTANTES

BACTERIASBACTERIAS: Son el 95% de la biomasa (formadoras de: Son el 95% de la biomasa (formadoras de flóculo flóculo,,filamentosas,filamentosas, nitrificantes nitrificantes, , etcetc).).

HONGOSHONGOS: Son poco comunes en los sistemas de tratamientos de aguas: Son poco comunes en los sistemas de tratamientos de aguasresiduales urbanas. Su presencia en abundancia se asocia, por lo general, aresiduales urbanas. Su presencia en abundancia se asocia, por lo general, acondiciones decondiciones de pH pH demasiado bajos. demasiado bajos. Puden Puden ser usuales en procesos ser usuales en procesosindustriales.industriales.

PROTOZOOSPROTOZOOS: Son: Son heterótrofos heterótrofos, y se encuentran libremente en la naturaleza,, y se encuentran libremente en la naturaleza,son predadores de lasson predadores de las bacterias bacterias, son: Flagelados,, son: Flagelados, Rizópodos Rizópodos (Amebas), (Amebas),Ciliados (Ciliados (pedunculadospedunculados, libre nadadores, libres reptantes,, libre nadadores, libres reptantes, suctores suctores,, etc etc).).


ALGASALGAS: Su importancia estriba, no tanto por su capacidad de depuración: Su importancia estriba, no tanto por su capacidad de depuraciónsino por su capacidad fotosintética, aportando oxígeno. Por sersino por su capacidad fotosintética, aportando oxígeno. Por ser autótrofas autótrofaspermiten el aumento de la M.O. sintetizando el carbono mineral.permiten el aumento de la M.O. sintetizando el carbono mineral.

METAZOOSMETAZOOS: Son animales pluricelulares, muy abundantes en los sistemas: Son animales pluricelulares, muy abundantes en los sistemasque emplean soporte fijo. Se alimentan deque emplean soporte fijo. Se alimentan de sustrato sustrato y de y de bacterias bacterias. (. (RotíferosRotíferos,,NematodosNematodos,, Oligoquetos Oligoquetos,,etcetc))


Factores que afectan a las reacciones de oxidación.Factores que afectan a las reacciones de oxidación.A) Características del sustrato: Determina la capacidad de biodegradabilidad del

proceso.

B) Nutrientes: Son el N, P, Ca, Mg., Na. Fe, Mo,S, etc, son fundamentales para eldesarrollo de los ∝ -Organismos. Un buen equilibrio con respecto al contenido enN y P es:

43 g de N/kg DBO5 eliminado

6 g de P/kg DBO5 eliminado

C) Aportaciones de O2: Son claves para el mantenimiento del sistema aeróbico. Sepuede considerar el mantenimiento de concentraciones medias de unos 2,0 mg/lde O2, en el caso de los fangos activados.


D) Temperatura: La temperatura influye en las reacciones de oxidación, aumentandocuando crece esta, hasta los 37ºC que desciende bruscamente por degradación de lasproteínas del protoplasma celular.

KT = K2 0 ε ( T- 2 0 ) (4)

KT = velocidad de reacción a TºC K2 0 = velocidad de reacción a 20 ºC ε = coeficiente de actividad - temperatura (1,0 - 1,4) T = temperatura en ºC.

E) Salinidad: El contenido en sales disueltas no suele ser un problema hasta valoresde 3-5 gr/l, siendo problemáticos valores de 5,0 g/l. Si podría ser crítico, en elcaso de fangos activos variaciones bruscas en cortos períodos de tiempo queimpidieran una aclimatación del reactor.

F) Tóxicos: Son sustancias orgánicas e inorgánicas que a ciertas concentracionesinhiben o impiden los procesos biológicos, actuando sobre las encimascatalizadoras de las reacciones de síntesis.


Contaminante Eliminación de MO Carbonosa Nitrificación

Aluminio 15 a 16 -

Amoníaco 480 -

Arsénico 0,1 -

Boro 0,05 a 100 -

Cadmio 10 a 100 -

Calcio 2.500 -

Cromo Hexavalente 1 a 10 0,25

Cromo Trivalente 50 -

Cobre 1 0,05 a 0,5

Cianuro 0,1 a 5 0,34

Hierro 1.000 -

Plomo 0,1 0,5

Manganeso 10 -

Magnesio 1 a 10 50

Mercurio 0,1 a 5,0 -

Níquel 0,1 a 2,5 0,25

Plata 5 -

Sulfatos - 500

Zinc 0,08 a 1 0,08 a 0,5Fuente: EPA-430/9-76-0/7

CONCENTRACIONES LÍMITES EN mg/l

VALORES LÍMITE INHIBIDORES DE PROCESOS BIOLÓGICOS


A)A) FANGOS ACTIVADOS (CULTIVO EN SUSPENSIÓN)FANGOS ACTIVADOS (CULTIVO EN SUSPENSIÓN)a) FLUJO PISTÓN

b) MEZCLA COMPLETA. CONVENCIONAL

c) ALIMENTACIÓN ESCALONADA.

d) AIREACIÓN PROLONGADA.

e) CANALES DE OXIDACIÓN

e.1)- ORBAL

e.2)- CARROUSEL

f) BIOADSORCIÓN-CONTACTO- ESTABILIZACIÓN

-DOBLE ETAPA

g) OXÍGENO PURO.

B)B) LECHOS BACTERIANOS (CULTIVO FIJO)LECHOS BACTERIANOS (CULTIVO FIJO)


a) FLUJO PISTÓN

El agua decantada y el fango activado recirculado entran en el tanque de aireación y semezclan con aire disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro de aire suele seruniforme a lo largo de toda la longitud de canal. Durante el periodo de aireación, seproduce la absorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos delfango activado se separan en un decantador secundario.


b) MEZCLA COMPLETA.

El proceso es una aplicación del régimen de flujo de un reactor de flujo continuo agitado.El agua residual decantada y el fango activado recirculado se introduce, normalmente,en varios puntos del tanque de aireación. La carga orgánica y la demandada deoxígeno son uniformes en toda la longitud del tanque.


c) ALIMENTACIÓN ESCALONADA.

La alimentación escalonada es una modificación del proceso de flujo en pistónconvencional en la que el agua residual decantada se introduce en diferentes puntosdel canal para conseguir un valor de la relación F/M uniforme, lo cual permitereducir la demanda de oxígeno punta. Normalmente se suelen emplear tres o máscanales paralelos. Una de las ventajas importantes de este proceso es la flexibilidad deoperación.


d) AIREACIÓN PROLONGADA

El proceso de aireación prolongada es similar al de fangos activados convencionalexcepto en que funciona en la fase de respiración endógena de la curva decrecimiento, lo cual precisa una carga orgánica reducida y un largo periodo deaireación. Este proceso se emplea mucho en plantas prefabricadas para pequeñascomunidades.



El canal de oxidación consiste en un canal circular u ovalado equipado con dispositivosde aireación mecánica. El agua residual tamizada entra en el canal, se agita, y circulaa una velocidad entre 0.24 y 0.35 m/s. Normalmente, los canales de oxidaciónfuncionan según un esquema de aireación prolongada con largos tiempos dedetención y de retención de sólidos. En la mayoría de las aplicaciones se empleantanques de sedimentación secundaria.


e.1) PROCESO ORBAL.

Este sistema consiste en una serie de canales concéntricos, en los que las cantidades deoxígeno suministrado varían de un canal a otro.

El agua pasa, inicialmente, al canal periférico y a través de pasos sumergidos, vacirculando de un canal a otro para llegar finalmente a un decantador.

La característica principal del sistema orbal es el diferente grado de oxigenación que semantiene en los distintos canales, típicamente operando en 0.1 y 2 ppm de oxígenodisuelto en el primer, segundo y tercer canal respectivamente.

El sistema es idóneo para procesos de nitrificación-desnitrificación.


e.2) CARROUSEL.

En este sistema el tanque de aireación tiene configuración de canal, pero en lugar derotores utiliza aireadores de eje vertical instalados frente al tanque divisorio, lo quepermite interceptar el régimen de corrientes y utilizar la potencia aplicada entransferir oxígeno y conseguir un flujo continuo de fangos en el canal suficiente paraevitar la sedimentación.


f.1) CONTACTO-ESTABILIZACIÓN

Este proceso tiene lugar en dos etapas. La primera es la fase de adsorción que requiere de20-60 minutos, y durante la misma se absorben en el fango la mayor parte de lasmaterias orgánicas coloidales, en disolución y en suspensión. La segunda fase, deoxidación, tiene lugar seguidamente y en ella las materias orgánicas absorbidas sonmetabolizadas por los microorganismos. El proceso de fangos activados sedesarrollan en cubas separadas.


f.2) DOBLE ETAPA


f.2) DOBLE ETAPA

El proceso de doble etapa consiste en realizar una depuración biológica en dos etapas,cada una de las cuales presenta reactor biológico y decantador secundario.

En la primera etapa se alimenta la primera cuba con cargas elevadas, con un cortoperiodo de oxigenación, lo que favorece el desarrollo de microorganismos resistentesa elevadas cargas y sustancias tóxicas favoreciéndose las propiedades absorbentes delos flóculos.

En la segunda etapa, se establece una carga media o baja, con un alto contenido enoxígeno, funcionando de forma similar a los procesos convencionales, predominandola oxidación biológica.

Este sistema es interesante para aguas residuales con fuertes variaciones de carga, ph,componentes tóxicos.


g) OXÍGENO PURO

Son similares a los procesos convencionales solo que en lugar de aire utilizamos oxígenopuro. El oxígeno puro es mas caro, sin embargo, conseguimos las mismas cantidadesde oxígeno en cuba con un menor consumo energético (Ley de Henry). El oxígenopuede ser recirculado.

Se puede usar en :

-Estaciones de fangos activos con carga variable, aplicándose solo el oxígeno en losmomentos punta.

-Preoxigenación del agua residual, con fines de desodorización.

-En instalaciones antiguas para aumentar el contenido de oxígeno.


B)B) LECHOS BACTERIANOS (CULTIVO FIJO)LECHOS BACTERIANOS (CULTIVO FIJO)

4.- FANGOS ACTIVADOS

A)A) DESCRIPCIÓNDESCRIPCIÓN

A.1) FANGOS ACTIVADOS - DESCRIPCIÓNNace en 1882 con los primeros ensayos de aireación de efluentes. La

publicación de su definición se realizón en Gran Bretaña por Arden y Lockett en1914.

Se pueden distinguir dos operaciones distintas: OXIDACIÓN BIOLÓGICA YSEPARACIÓN SÓLIDO LÍQUIDO.

OXIDACIÓN: Se provoca el desarrollo de un cultivo biológico, formado pormuchos y diversos ∝ -organismos que se agrupan en flóculos (fangos activados).

Las bacterias se multiplican rápidamente y al principio están libres en ellíquido, pero más tarde se aglutinan para formar el floculo. Se considera que lafloculación está causada por exopoliemeros de origen natural segregados en lasuperficie celular de las bacterias.

Se considera que este material polimérico se produce en la fase endógena decrecimiento (crecimiento con limitación de carbono).

En el reactor biológico, la población bacteriana (Licor Mezcla, MLSS) semantiene en un determinado nivel, para establecer un equilibrio entre la cargaorgánica a eliminar y la cantidad de ∝ -organismos.

El tratamiento necesita un sistema de aireación y agitación para el aporte deloxígeno y capacidad de homogenización necesario que mantenga la accióndepuradora de las bacterias aerobias.

SEPARACIÓN SOLIDO LÍQUIDO:Una vez oxidada la MO, el licor mexcla se envíaa un decantador (decantador secundario), para permitir la separación agua- flóculo.

Por último, es necesaria realizar una recirculación, a la cabecera del reactorbiológico, del los sólidos decantados en los clarificadores secundarios, con el fin demantener constante la población bacteriana.

El excedente de bacterias generado en el proceso se extraen del sistema hacia lalínea de fangos para controlar la concentración de ∝ -organismos presentes en elreactor.


3.- TIPOS DE PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS.4.- FANGOS ACTIVADOS

Nº DESCRIPCIÓN PARÁMETRO UNIDAD1 AGUA DE ENTRADA Caudal m3/h

Solidos Suspendidos mg/LDBO gr O2/m3

DQO gr O2/m3

2 REACTOR MLSS mg/LMLVSS mg/L

IVF mL/gAnálisis Microscópico - - - - - - - - -

Cm (F/M) o Edad (MCRT) ( d-1 ) ó ( d )Oxígeno disuelto mg/L

3 CLARIFICADOR Carga Superficial de Sólidos Kg MLSS/(m2xh)Carga Hidráulica m3/(m2xh)Lecho de Fangos m

4 AGUA TRATADA Solidos Suspendidos (MES) mg/LDBO gr O2/m3

DQO gr O2/m3

Turbidez NTU5 FANGOS EN EXCESO Caudal m3/h

MLSS ó % Concentración (mg/L) ó %6 RECIRCULACIÓN Caudal m3/h

MLSS ó % Concentración (mg/L) ó %

PARÁMETROS DE CONTROL DEL SISTEMA BIOLÓGICO


O2

INFLUENTE Q + Qr

EFLUENTE

Q , Xe ,S

RECIRCULACIÓN

Qr , Xr FANGOS EN EXCESO

QP, Xr

CLARIFICADOR

Q , Xo ,So

A

V , X REACTOR BIOLÓGICO

A.2) FANGOS ACTIVADOS - DISEÑO

Aspectos a tener en cuenta en el diseño:1.- Parámetros del proceso.

2.- Características del efuente.

3.- Factor de carga y rendimiento del proceso.

4.- Selección del tipo de tratamiento.

5.- Dimensiones del reactor.

6.- Necesidades de Oxígeno y sistemas de aireación.

7.- Producción de fangos en exceso.

8.- Necesidades de recirculación.

9.- Dimensionamiento del clarificador o decantador secundario.


1.- PARÁMETROS DEL PROCESO

INFLUENTE:

Q= CAUDAL, entrada de agua residual al reactor biológico (m3/h).

S0 = DBO5 , entrada (mg/l)

X0 = Sólidos Suspendidos (S.S.), entrada (mg/l).

REACTOR BIOLÓGICO:

V = VOLUMEN reactor biológico (m3 ).

X = Concentración S.S. en el reactor - MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) (mg/l).

Xv= Concentración S.S volátiles en reactor - MLVSS (mg/l).

Cm = Carga másica (días -1 ).• Es la relación entre la masa de MO que entra en el reactor por unidad de tiempo y la masa de

∝ -organismos existentes en el mismo. Se expresa como kg de DBO5 en el influente, por díaentre los kg de MLSS en la cuba. (F/M)

Q x So Cm = ---------------- (5)

V x X


MCRT= Edad del licor mixto. Edad del fango (Mean Cell Residence Time), (días).• Es la relación entre la masa de fangos existentes en la cuba y la masa de fangos extraidos por unidad de

tiempo. Se expresa en kg de MLSS en la cuba / kg de fangos en exceso, por día.

V x X E = ---------------- (6) Q p x Xr

Cv = Carga volumétrica.• Es la relación entre la masa de MO que entra en el reactor, por unidad de tiempo y el volumen de la

cuba. Se expresa en kg de DBO5 en el influente, por día / m3 de volumen de la cuba.

Q x So Cv = ---------------- (7) V

R = Rendimiento.• Es la relación entre la MO eliminada como DBO5 y la influente. Se expresa en %.

S o - S e R = ---------------- (8) S o


CLARIFICADOR Y EFLUENTE

Qmax = Caudal punta. ( 1,6 x Qmedio)

A = SUPERFICIE decantador secundario (m2).

XE= Concentración S.S. en el efluente (mg/l).

S = DBO5 , efluente (mg/l).

Carga Superficial de sólidos (kg MLSS / m2*h)

• Es la masa de sólidos en suspensión que trata el decantador, por m2 de superficie y unidad de tiempo.

Carga Hidráulica o velocidad ascensional (m3/ m2*h)

• Es el volumen de agua que trata el decantador, por m2 de superficie y unidad de tiempo.

Nivel del Lecho de fangos en el decantador secundario (m)

IVF = Indice volumétrico de fangos o Indice de Mohlman (ml/g).• Es el volumen en mililitros ocupado por el fango en una muestra de licor mezcla, después de 30 minutos

de sedimentación, dividido por la concentración de sólidos en suspensión del licor mezcla (MLSS).


RECIRCULACIÓN Y PURGA DE FANGOS EN EXCESO

QP = CAUDAL de purga de fangos en exceso del sistema (m3/día).

Qr = CAUDAL de recirculación (m3/día)- (m3/h).

Xr= Concentración S.S. en el efluente - RASS (Return Activated Sluged Solids) (mg/l).


2.- CARACTERÍSTICAS DEL EFLUENTE TRATADO.

Según las caracteristicas del efluente y las del agua residual de entrada al reactor, sepueden determinar dos datos fundamentales para el diseño:

RENDIMIENTO DE DEPURACIÓN EXIGIDO AL PROCESO. (Ver 8) TIPO DE TRATAMIENTO: ELIMINACIÓN DE MO CARBONADA O TAMBIEN

MATERIA NITROGENADA.


ZONAS NO SENSIBLESCONCENTRACIÓN REDUCCIÓN

mg/l %DBO 5 25 70-90SS 35 90DQO 125 75ZONAS SENSIBLES

mg/l %FÓSFORO TOTAL 2 80para h - e > 100,000 1NITRÓGENO TOTAL 15 70-80para h - e > 100,000 10

EXIGENCIAS DE CALIDAD A LOS VERTIDOS DEPURADOS

PARÁMETRO CARGA % SOLUBLE(g/hab/dia) %

DBO 5 70 30SS 80 --DQO 140 30FÓSFORO TOTAL 2,5 65NTK 10 65

CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL AGUA RESIDUAL URB.

3.- FACTOR DE CARGA Y EDAD DEL FANGO• En función de la Carga Másica se pueden distinguir:


PROCESO Cm(kg DBO5/kg SST * dia) Cv(kg DBO5/m3 * dia) EDAD (d)Rendimiento en

DBO5 (%)

ALTA CARGA > 0,4 > 1,5 4 < 86%

MEDIA CARGA - CONVENCIONAL

0,15< Cm < 0,4 0,5 < Cv < 1,5 4-1086 - 92%

Nitrificación a altas temp.

BAJA CARGA 0,07 < Cm < 0,15

MUY BAJA CARGA - AIREACIÓN PROLONGADA

< 0,070,5

92% Posible Nitrificación a

temp. Normales10-30

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS EN FUNCIÓN DE LA Cm

• La Edad del fango se relaciona con la Cm según las siguientes fórmulas :

– Ecuación de EKENFELDER :

1E= -------------------------------------------------- (9)

0. 56 x Cm x R - 0.75 x b + 0. 5x Pe x Cm

R = Rendimiento de depuraciónb = Coeficiente de autoxidación (0,05)Pe= Producción específica de fangos

– Ecuación de DEGREMONT :

1E= ------------------------- (10)

0. 2 x Cm + Cm 1, 5


4.- SELECCIÓN DEL TIPO DE TRATAMIENTO

Ha de tenerse en cuenta:

A) Rendimiento necesario para conseguir la calidad prevista.

B) Tamaño de la población a la que se aplique el sistema.

C) Posibilidad de ampliación de las instalaciones.

D) Disponibilidad de espacio.

E) Ubicación de la EDAR (costas, zona residencial, etc)

F) Costes de implantación y posterior explotación.


4.- SELECCIÓN DEL TIPO DE TRATAMIENTO


Carga Másica Edad del Fango

Carga Volúmica Concentración MLSS en cuba

Tiempo de retención hidráulico

Rendimiento eliminación

DBO5Qr/Q

(kg DBO5/kg MLSS * d) (días) (kg DBO5/ m3 * d) (mg/l) (horas) (%) (%)

FLUJO PISTÓN 0,2 - 0,4 5 - 15 0,3 - 0,6 1500 - 3000 4 - 8 85-95 25-50

MEZCLA COMPLETA 0,2 - 0,6 5 - 15 0,8 - 2,0 3000 - 5000 3 -5 85-96 25-100

ALIMENTACIÓN ESCALONADA 0,2 - 0,4 5 - 15 0,6 - 1,0 2000 - 3500 3 - 5 85-97 25-75

AIREACIÓN PROLONGADA 0,05 - 0,1 20 - 30 0,1 - 0,4 3000 - 6000 18 - 36 85-98 75-150

CANALES DE OXIDACIÓN 0,05 - 0,1 20 - 30 0,1 - 0,4 3000 - 5000 19 - 36 85-99 75-150

CONTACTO ESTABILIZACIÓN 0,2 - 0,6 5 - 15 1,0 - 1,2 Contacto:1000-3000 Contacto:0,5 - 1,0

Estabiliza:4000-8000 Estabiliza: 3,0 - 6,0

DOBLE ETAPA 1ª etapa: 2,0 - 6,0 - - - 0,5 - 1,0 -

2ª etapa: 0,2 - 0,4 - - - 3,0 - 7,0 -

(*) Con Nitrificación 0,05 - 0,2 - - - 2ª etapa:10 - 30 -

OXÍGENO PURO 8 - 20 1,6 - 3,3 3000 - 5000 1,0 - 3,0 85-95 25-50

PARÁMETROS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS DISTINTOS PROCESOS DE FANGOS ACTIVADOS

80-90

90-95

25-100

TIPO DE PROCESO

5.- DIMENSIONAMIENTO DELREACTOR.

5.1 VOLUMEN DEL REACTOR:

E x Y x Q x (So - S)V= ------------------------------ (11)

X (1 - Kd x E)

E= Edad del fango.Y = Coeficiente de crecimiento bacteriano, (0,4 -0,8)Q = Caudal (m3/d)X = Concentración de MLSS en cuba(mg/l)Kd = Coeficiente de eliminación de bacterias, ( 0.04 - 0.075)

OTRA FORMA


5.2 VOLUMEN DEL REACTOR:(de la definición de Cm)

Carga Org de entrada (kg DBO5/día)V= ------------------------------------------------ (12)

Cm x MLSS

MLSS= Ver tabla anterior.PARA NITRIFICACIÓN:

• 1ª) CALCULAR LA EDAD MÍNIMA DE FANGO PARA NITRIFICACIÓN.

E= 12,0 x 1.23 15 -T (13)

• 2º) CALCULAR LA Cm EQUIVALENTESEGÚN ECUACIÓN (9)

• 3º) CALCULAR EL VOLUMEN SEGÚN (12).

PARA DESNITRIFICAR

• Volumen de la cámara ANOXIA(VER TEMADE TRATAMIENTO DE N YP):

6.- NECESIDADES DE OXÍGENO.

MATERIA CARBONOSA:

MODELO DE ECKENFELDER:

NECESIDAD DE O2 (kg O2 / día)= O2 para síntesis + O2 para respiración endógena (14)

Q(So - S)kg O2 / día = a’ x ---------------------- + b’ x V x X (15) 103

a’= Coeficiente estequiométrico que define la necesidad de O2 para síntesis. (kg O2 / kg DBO5eliminada, en función de la edad del fango).

Q = Caudal diario del proceso (m3/día).So = DBO5 de entrada al reactor (mg/l).S = DBO5 de salida al reactor (mg/l). b’= Coeficiente cinético que define el desarrollo de la respiración endógena. (kg O2 / kg MLSS

/día, en función de la temperatura y la Edad del fango)V = Volumen del reactor (m3) X = Concentración del licor mezcla (kg / m3)


DEMANTA TOTAL = MATERIA CARBONOSA + MATERIA NITROGENADA - APORTE POR DESNITRIFICACIÓN

b’ está calculado para 20 ºC. Para otras temperaturas usar b’T = b’2 0 x Υ ( T - 2 0 )

Υ = 1.07 para T de 5ºC a 35 ºC (16)


6.- NECESIDADES DE OXÍGENO.

MATERIA NITROGENADA:

4,57 x Q x (NTK) kg O2 / día = --------------------- (17) 103

Q = Caudal diario del proceso (m3/día). NTK = Nitrógeno orgánico + Nitrógeno amoniacal (mg / l), se supone que todo es nitrificable.

APORTE POR DESNITRIFICACIÓN:NO SE HA TENIDO EN CUENTA EN ESTE CAPÍTULO

HAY QUE TENER PRESENTES:• COEFICIENTE DE PUNTA DE DEMANDA DE OXÍGENO: HAY QUE

TENERLO EN CUENTA Y ES FUNCIÓN DE LA Cm Y LA PUNTA DE POLUCIÓN. (≅1,5).

• LAS VARIACIONES DE LA DEMNADA QUE SE DAN A LO LARGO DE LA CUBA DEAIREACIÓN.


SISTEMAS DE AIREACIÓN:COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA:

O2 teórico O2 real = --------------------- (18) K t

K t = Coeficiente de transferencia. K t = (K t 1 )x (K t 2 ) x (K t 3)

Kt1 ( factor alfa “α”): Relaciona la transferencia de oxígeno en el fango activadoy la transferencia en el agua destilada. Para Aguas Residuales Urbanas.

AIRADORES SUPERFICIALES : 0.75 - 0.98DIFUSORES: 0.40 - 0.80 (19)


Kt2 : Tiene en cuenta el valor de saturación del oxígeno en el líquido, en funciónd ela temperatura, características del licor, presión atmosférica y nivel deoxígeno que se quiera mantener en el reactor ( 2,0 mg/l).

(β x Css xP) - CI Kt2 = --------------------------- (20) Cs

β = Factor depende del A. Residual (1.0)Css = Nivel de saturación del Oxígeno (mg/l) en agua pura a latemperatura del licor.P = Factor omega “ς” relaciona la presión barométrica y la altitud delemplazamiento de la instalación.CI = Nivel del Oxígeno disuelto que se quiere mantener en el licormezcla (2,0 mg/l).Cs = Nivel de saturación del agua pura en condiciones estandar, engeneral a 20ºC = 9.17


Css Kt3


Kt3 : Tiene en cuenta la variación de la capacidad de transferencia en funciónde la temperatura real del medio.

Kt3 = O ( T - T s ) (21)

O = 1.025T = Temperatura del licor mezclaT s = Temperatura en condiciones normales.

POR ÚLTIMO, UNA VEZ CONOCIDAS LAS NECESIDADES MEDIAS Y PUNTA DEOXÍGENO, SE PUEDE CALCULAR LA POTENCIA DE AIREACIÓN SEGÚN EL APORTEESPECÍFICO DE AIREADORES MECÁNICOS O DIFUSORES EXPRESADO EN kg DEO2/ kWh (2,0) Y LOS RENDIMIENTOS DE LOS MOTOR-REDUCTORES (0,9)


ALTITUD (m) 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200

P 1 0,981 0,962 0,944 0,926 0,909 0,892 0,875 0,858

7.- PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO

ES FUNCIÓN DE LA CARGA MÁSICA O DE LA EDAD DEL FANGO

FORMULA DE HUISKEN

Pe = 1,2 x Cm 0, 23 (22)

Pe = Producción específica de fangos (kg de fangos en exceso/ kgDBO5 eliminados.


8.-NECESIDADES DE RECIRCULACIÓN

• SE PUEDE CALCULAR A PARTIR DE LA

SIGUIENTE ECUACIÓN:

(Qr + Q) X = Qr Xr (23)

Qr = Caudal de recirculación (m3/h).

Q = Caudal de entrada en el sistema (m3/h).

X = MLSS del reactor biológico (kg/ m3).

Xr = RASS de la recirculación (kg/ m3).

• ES CONVENIENTE DISPONER DE SUFICIENTE CAPACIDAD DE RECIRCULACIÓN, QUEPERMITA LA PRONTA ELÍMINACIÓN DEL LECHO DE FANGOS EN LOS DECANTADORESSECUNDARIOS.

• NO SON ACONSEJABLES LARGOS PERÍODOS DE PERMANENCIA DEL FANGO EN LOSCLARIFICADORES YA QUE ESTO PODRÍA FAVORECER LA SALIDA DE FLÓCULO POR LOSVERTEDEROS EN SITUACIONES DE CAUDAL PUNTA. CON ALTAS TEMPERATURAS YALTAS EDADES DE FANGO SE PODRÍA PRODUCIR DESNITRIFICACIÓN INCONTROLADA.


O2

INFLUENTE Q + Qr

EFLUENTE

Q , Xe ,S

RECIRCULACIÓN

Qr , Xr FANGOS EN EXCESO

QP, Xr

CLARIFICADOR

Q , Xo ,So

A

V , X REACTOR BIOLÓGICO

0,2 <Cm< 0,5 75 % -- 100 %

Cm < 0,1 100% -- 150%

GRADOS DE RECIRCULACIÓN (Qr/Q) %

9.-DIMENSIONAMIENTO DE LA DECANTACIÓN SECUNDARIA


LOS PRINCIPALES FACTORES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LOSCLARIFICADORES SON:

1.- CAUDALES MEDIO Y PUNTA

LAS CONDICIONES DE DISEÑO HAN DE BASARSE EN LAS PEORES CONDICIONES POSIBLES DECAUDAL (CAUDAL PUNTA), YA QUE ESTAS PODRÍAN DAR LUGAR A PÉRDIDA DE FLOCULO POR ELVERTEDERO.

2.- CARGA HIDRÁULICA O VELOCIDAD ASCENSIONAL

SE DEFINE COMO EL VOLUMEN DE AGUA QUE TRATA EL DECANTADOR, POR M2 DE SUPERFICIEY POR UNIDAD DE TIEMPO (m3/ m2*h). DETERMINA LA SUPERFICIE DEL DECANTADOR.(VER TABLA)

3.- CARGA DE SÓLIDOS

ES LA MASA DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN QUE TRATA EL DECANTADOR POR M2 DE SUPERFICIEY POR UNIDAD DE TIEMPO (kg SS/ m2*h). TOMAR LOS VALORES MÁXIMOS SI LA PUNTA DE CARGA ES DELARGA DURACIÓN.(VER TABLA)

4.- TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA.

DETERMINA EL VOLUMEN DEL DECANTADOR. VALORES HABITUALES SE DAN EN LA TABLASIGUIENTE.


5.- RECIRCULACIÓN DE FANGOS

YA CMENTADA EN EL APADO. ANTERIOR.

6.- CARGA SOBRE VERTEDERO.

SE DEFINE COMO EL CAUDAL DE AGUA TRATADO POR METRO LINEAL DE VERTEDERO (m3/ml*h). SU CORRECTO DIMENSIONAMIENTO EVITA LOS ARRASTRES DE SÓLIDOS POR EFECTO DE LAVELOCIDAD DE SALIDA DEL EFLUENTE. LA PROFUNDIDAD MÍNIMA DEBAJO DE LOS VERTEDEROSPERIMETRALES DEBE SER SUPERIOR A 3,0 m.


7.- CALADO DEL DECANTADOR

ES UNO DE LOS PRINCIPALES DATOS A TENER EN CUENTA EN EL DIMENSIONAMIENTO. DEBEESTAR DIMENSIONADO PARA PERMITIR LAS FLUCTUACIONES DE CAUDAL, VARIACIONES DETEMPERATURA Y DE CARGA DE SÓLIDOS. SON RECONMENDABLES VALORES SUPERIORESA 3,0 M Y ESFUNCIÓN DEL DIÁMETRO DEL DECANTADOR.. (CONSULTAR NORMAS ALEMANAS ATV - A 131 Y EPAAMERICANA)


PROCESO CONVENCIONAL AIREACIÓN PROLONGADA

CARGA SUPERFICIAL ó VELOCIDAD ASCENSIONAL

m3/m2*h Q med <0,8 Q max<1,5

Q med <0,8 Q max<1,6

CARGA DE SÓLIDOS kg/m2*h Q med < 2,5 Q max<4,5

Q med <1,8 Q max<3,2

TIEMPO DE RETENCIÓN h Q max < 3 Q max 3 - 5

CARGA SOBRE VERTEDERO m3/ml*h Q med < 2,5

Q max<4,5

PARÁMETROS HABITUALES DE DIMENSIONAMIENTO DE DECANTADORES SECUNDARIOS

DIAMETRO RECOMENDADA MINIMA<12 3,3 3

12 -- 21 3,6 3,321 -- 30 3,9 3,630 -- 42 4,2 3,9

> 42 4,5 4,2

PROFUNDIDAD EN CLARIFICADORES (EPA)

SISTEMA BIOLÓGICOSISTEMA BIOLÓGICO–– Control básicoControl básico

• Características físico - químicas del agua de entrada (SS, DQO, DBO5, PH,Nitrógeno, Fósforo, etc.).

• Control de MLSS y MLVSS del reactor biológico y de la recirculación(RASS, return activated sluged solids).

• IVF (Indice volumétrico de fangos): (mL de Ssedimentables*103)/(mg/L deMLSS)

• Cm(Carga Másica): Kg DBO5/ (Kg SSLM cuba* d)

• Edad (Edad del Fango): 1/(0,2*Cm + Cm1,5) (Degremont)

• Rendimiento: (Kg DBO influente - Kg DBO efluente)/ Kg DBO influente.

• Análisis Microbiológico ( Estructura del flóculo, Protozoos y OrganismosFilamentosos)


EXPLOTACIÓN DE EDAR - LÍNEA DE AGUALÍNEA DE AGUA

–– Control básicoControl básico• Adecuación a los parámetros de diseño de los decantadores secundarios (

Carga superficial de sólidos, Carga Hidráulica, Nivel del lecho de fangos).

• Dósis de cloro para control de organismos filamentosos: entre 5 y 15 kg deCloro/ tonelada de materia seca en el reactor biológico. (Contenido de cloroactivo del Hipoclorito sódico comercial aprox.150 gr / Litro de Hipoclorito).

• Nº de pasos de Cloro por recirculación: Superior o igual a 3 veces por día:

((Q r* X r) / (V c* X c + V d* X d))*24


EXPLOTACIÓN DE EDAR - LÍNEA DE AGUALÍNEA DE AGUA

–– Operaciones de Planta:Operaciones de Planta:• Toma de muestras puntuales del licor mezcla

• Limpieza periódica de muros perimetrales, arqueta de purgas de fangos enexceso.

• Ajustes de los temporizadores de purga de fangos en exceso del reactor.

• Revisión de equipos y aspecto superficial de la balsa de aireación (amperajede turbinas de aireación, bombas de recirculación, bombas de purga, olor ycolor de la balsa).

• Toma de datos de concentración de oxígeno disuelto.

• Programación de turbinas en función de la demanda de oxígeno y evoluciónde MLSS.

• Medición de nivel del lecho de fangos.

• Limpieza de vertederos en decantadores secundarios.


5.- PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS.

–– Problemas Usuales (1):Problemas Usuales (1):• Problemas de espumas (FOAMING) debido al desarrollo de organismos

filamentosos.

• Problemas de envejecimiento del Licor por falta de purga de fangos enexceso.(fango de color gris oscuro) favoreciendo el desarrollo de organismosfilamentosos.

• Problemas de decantabilidad del fango en los clarificadores por BULKING

• La solución a los problemas de espumas y bulking filamentoso suelen sersoluciones dilatadas en el tiempo, cuando el origen del problema no sedetecta a tiempo, recurriéndose a soluciones de tipo correctivas frente a laspreventivas. (adición de Biocidas).


–– Problemas Usuales (2):Problemas Usuales (2):• Defloculación por la acción de agentes tóxicos.

• Presencia de espumas por efecto de vertidos industriales que afectan a latransferencia de Oxígeno.

• Levantamiento de fangos en decantación secundaria por desnitrificaciónincontrolada.



EFLUENTEEFLUENTE–– Control básico:Control básico:

• Características físico - químicas del agua de salida (SS, DQO, DBO5, PH,Nitrógeno, Fósforo, Grasas y Aceites, etc.)

–– Operaciones de Planta:Operaciones de Planta:• Toma de muestras puntuales (indicando fecha, hora y lugar) y compuestas.

• Limpieza periódica del canal de cloración. (vertederos)

• Limpieza periódica de los equipos de bombeo de agua industrial empleada pararefrigeración de compresores)

• Revisión de los equipos de bombeo de agua reutilizada (presión, amperaje debombas, dosificación de Hipoclorito Sódico, niveles de depósito)

–– Problemas Usuales:Problemas Usuales:• Por falta de limpieza de la cuba, aporte de algas y sólidos al efluente final.

• Por falta de limpieza de los equipos de instrumentación lecturas erróneas de lascaracterísticas de salida.

• Desarrollo de algas en épocas de verano, aspecto de agua sucia.


–– Problemas Usuales:Problemas Usuales:


GRAFICAS

IVF

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

mL/

g

IVF 3 IVF 4 IVF

MLSS

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

mL/

g

mlss mg/L mlss 3 mg/L mlss 4 mg/L

Kg/d FANGO EXCESO

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Kg/d

FE1-2 FE3-4

% RECIRCULACIÓN

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

% R

ECIR

CU

LAC

IÓN

%QR 1 % QR 3-4 M3/d

BIBLIOGRAFÍA

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• DAVID JENKINS, MICHAEL G.RICHARD, GLEN T. DAIGGER. “Manual on the Causes andControl of Activated Sludge Bulking and Foaming”, Lewis Publishers 1993.

• DEGREMONT “Manual Técnico del Agua” (1.979)

• CEDEX “Tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras”.2000

• GRUPO TAR “Proyectos Técnicos para Plantas de aguas Residuales: Diseño, Mantenimiento yExplotación.

• INFILCO “Microbiología de los fangos activados”.

• EMASESA “ Microorganismos Filamentosos en el Fango Activo”. Empresa Municipal deAbastecimiento y Saneamiento de Aguas de Sevilla S.A.

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