Tema 7.b - DIGESTION AEROBIA-ANAEROBIA

Sistemas de Depuración
7. FANGOS / LODOS
1
Área de Ingeniería Hidráulica
¿QUÉ ES LA LINEA DE FANGOS?
2
7. TRATAMIENTO DE LODOS
7.1 Origen y características

7.2 Espesamiento
7.2.1 Por gravedad
7.2.2 Por flotación
7.3 Estabilización / Digestión
7.3.1 Aerobia
7.3.2 Anaerobia
7.3.3 Química
7.4 Deshidratación
7.5 Secado e incineración. Valorización
3
ESTABILIZACIÓN
AEROBIA
4
¿QUÉ ES LA ESTABILIZACIÓN AEROBIA?
• Proceso biológico al que se someten los fangos.

• Se oxidan:
• Las materias biodegradables
• Masa celular
• Da lugar a:
 Mineralización de la materia orgánica
 CO2
 NH3 ‐‐‐‐> NO3‐
• Se produce en los DIGESTORES AEROBIOS
• Caso particular: COMPOSTAJE
5
DIGESTORES AEROBIOS
• Principio de funcionamiento: AIREACION

PROLONGADA (modalidad de respiración
endógena)
• Aireación continua del fango, sin añadir más

alimento que el propio fango, hasta conseguir una
destrucción muy elevada de los sólidos en
suspensión volátiles (SSV)
6
VENTAJAS:
• Buena reducción de SSV (similar a dig. Anaerobia)
• Reducidas concentraciones de DBO5 del
sobrenadante
• Minimización del problema de olores en el
producto obtenido
• Obtención de un producto con gran valor desde
el punto de vista agrícola
• Menor inversión inicial
7
INCONVENIENTES:
• El fango estabilizado por este sistema es más
difícil de deshidratar (especialmente mediante
medios mecánicos)
• Alto coste de mantenimiento (elevado gasto
energético). FUNDAMENTAL (hace que este tipo
de estabilización tenga sólo interés en
PEQUEÑAS INSTALACIONES)
8
DIGESTIÓN AEROBIA:
• Sistemas de FUNCIONAMIENTO
• Sistemas de AIREACIÓN
• PARÁMETROS DE DISEÑO
9
SISTEMAS DE FUNCIONAMIENTO
• Sistema “BATCH OPERATION” (por lotes)
• Sistema de operación continua CON y SIN

RECIRCULACIÓN
• Sistema con PRE-ESPESADO
10
SISTEMA “Batch Operation”:

• Pequeñas instalaciones
• Concentración del fango extraído: 2 – 4 %
• Pequeñas paradas del sistema de aireación
 Permite la separación sólido-líquido
 Paradas cortas para evitar la proliferación de microorganismos anaerobios
(septicidad).
 Tras la decantación, lodos por un lado y sobrenadante por otro.
SOBRENADANTE
DIGESTOR
AEROBIO
FANGO ESTABILIZADO
11
SISTEMA de OPERACIÓN CONTINUA CON o SIN

RECIRCULACIÓN:
• El digestor trabaja a nivel constante (el sobrenadante
sale de un espesador y no de la cuba de estabilización)
• El sistema puede operarse CON o SIN recirculación al
digestor de parte de los fangos espesados.
DIGESTOR
ESPESADOR SOBRENADANTE
AEROBIO
FANGO
ESTABILIZADO
RECIRCULACIÓN A DESHIDRATACIÓN
12
SISTEMA CON PRE-ESPESADO:

• Digestión aerobia auto-termofílica
• Espesado previo de los fangos > 4 %
SOBRENADANTE
FANGO
ESPESADOR
DIGESTOR FANGO
AEROBIO ESTABILIZADO
DIGESTIÓN AEROBIA AUTO‐TERMOFÍLICA: El calor liberado en la

descomposición de los sólidos orgánicos es suficiente para elevar la
temperatura del líquido en el digestor hasta 60ºC.
13
SISTEMA CON PRE-ESPESADO:

• VENTAJAS:
 Elevados rendimientos en la eliminación de sólidos orgánicos
(menores volúmenes de cuba)
 Producción de un fango pasteurizado
 Consumo de oxígeno inferior en un 30 – 40%
• INCONVENIENTES:
 Requiere grandes potencias para la mezcla (fango espesado)
 Sistemas de aireación extremadamente eficientes
 Tanques aislados térmicamente
14
SISTEMAS DE AIREACIÓN
• Sistemas de DIFUSIÓN
• Aireadores SUPERFICIALES
• Aireadores SUMERGIDOS
15
SISTEMAS DE AIREACIÓN por DIFUSIÓN:
16
SISTEMAS DE AIREACIÓN por DIFUSIÓN:

• TIPOS:
 Burbujas finas
 Burbujas gruesas
• RENDIMIENTO DE TRANSFERENCIA (relación O2 transferido /
O2 generado):
 B. finas: 9 – 12 %
 B. gruesas: 5 – 7 %
• VENTAJAS:
 Transferencia de O2 fácilmente controlable
 Las espumas no afectan a la capacidad de oxigenación
 Se incrementa la temperatura del digestor
• INCONVENIENTES:
 Requiere un adecuado mantenimiento (posible atascamiento de los
difusores)
17
SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUPERFICIALES:
18
SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUPERFICIALES:
• VENTAJAS:
 Bajo mantenimiento
 Elevada capacidad de transferencia
• INCONVENIENTES:
 Menor control sobre la oxigenación (salvo motorreductor de
velocidad variable)
 El rendimiento puede verse afectado por espumas y flotantes.
 Posibles problemas en ambientes muy fríos (hielo)
19
SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUMERGIDOS:
20
SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUMERGIDOS:
• VENTAJAS:
 Buen control de la oxigenación
 La capacidad de oxigenación no se ve afectada por las espumas
 Insensible a la variación de nivel
 No hay problemas con las capas superficiales de hielo en climas
fríos.
• INCONVENIENTES:
 Coste elevado
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PARÁMETROS DE DISEÑO
• Cantidad y características de los fangos

• Tiempo de retención hidráulica
• Edad del fango
• Carga de trabajo
• Temperatura del fango
• Necesidades de oxígeno y mezcla
• Rendimiento o estabilización de materia orgánica
22
CANTIDAD y CARACTERÍSTICAS de los FANGOS:

• PROCEDENCIA DE LOS FANGOS:
Biológicos
Mixtos (Primarios + Biológicos)
INCONVENIENTES:
o Mayor volumen de fangos (mayor tanque de estabilizado)
o Mayores necesidades de oxígeno (menos estabilizados)
o Mayor tiempo de estabilización
o Mayor potencia de agitación (más concentrados)
23
TIEMPO de RETENCIÓN HIDRÁULICA:

• El tiempo de retención está relacionado con la
temperatura:
Temperatura media
PROCEDENCIA
> 15 ºC < 15 ºC
Biológicos 12 días 15 días
Mixtos 15 días 18 días
• Proceso de cálculo habitual:

 Fijamos el % de rendimiento que se desea obtener
 Seleccionamos el tR necesario
 Con el caudal de fangos (QR)  Calculo el VOLUMEN
24
EDAD del FANGO:

• Es la estancia media del fango en el sistema:
ó
á í
• Dependiendo del esquema de la instalación:
 Sistema “Batch”: tR =
 Sistema continuo SIN recirculación: tR =
 Sistema continuo CON recirculación:
SIENDO:
 QW: Caudal de fangos a deshidratar  Rend. Elim.
 Qr: Caudal de fangos a recircular
 Q: Caudal de entrada de fangos
En este caso, la edad del fango es bastante superior al tiempo de retención
hidráulico.
25
CARGA de TRABAJO:
• Cantidad de materia volátil diaria que se introduce en el
digestor por m3 del mismo.
• Valores de diseño recomendados (CEDEX – Centro de Estudios y

Experimentación de Obras Públicas):
 Fangos biológicos:
≤2
í
 Fangos mixtos:
≤3
í
26
TEMPERATURA del FANGO:

• Es un factor muy importante a tener en cuenta:
 El rendimiento de reducción de SSV cae a bajas temperaturas
o 5ºC  18%
o 20ºC  37%
• Para reducir el efecto de las bajas temperaturas:

 Incrementar la cantidad de sólidos en la digestión (mayor edad
del fango y mayor rendimiento de eliminación):
o Incrementando la concentración de sólidos (SSV)
o Aumentando el volumen de la digestión (V)
 Sistemas de aireación por difusión de aire (aire comprimido)
27
DIGESTIÓN
ANAEROBIA
28
¿QUÉ ES LA DIGESTIÓN ANAEROBIA?
• Descomposición de la materia orgánica por medio de

bacterias en ausencia de aire.
• Ha sido aceptada durante mucho tiempo como el
método más adecuado para obtener un producto
final aséptico.
• Pasa por tres procesos:
 Hidrólisis
 Acidogénesis
 Metanogénesis
• Se produce BIOGAS (Metano + CO2 + H2 + otros)

29
PARÁMETROS DE DISEÑO
• Tiempo de retención hidráulica

• Edad del fango
• Temperatura
• Concentración de sólidos
• Carga de sólidos
• pH
• Relación ácidos volátiles/alcalinidad
• Producción de gas
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TIEMPO de RETENCIÓN HIDRÁULICA:

• Tiempo medio de estancia del caudal de fango en el
tanque de estabilización:
ó
• Ecuación que rige el proceso es EXPONENCIAL

DECRECIENTE
• Proceso de cálculo habitual:
 Fijamos el % de rendimiento que se desea obtener
 Seleccionamos el tR necesario
 Con el caudal de fangos (QR)  Calculo el VOLUMEN
• A igualdad en el resto de factores:
tR  η (mayor reducción de SSV)
31
EDAD del FANGO:

• Es la estancia media del fango en el sistema
1
SIENDO:
 : Edad del fango (días)
 Y: coef. cinético de rendimiento máximo (masa celular/masa sustrato)
 K: tasa máxima de utilización del sustrato (días-1)
 S: concentración del sustrato en solución (masa/volumen)
 Kd: coeficiente de degradación endógena
 Ks: constante de media velocidad (masa/volumen)
PARÁMETRO UNIDAD VALORES
Y mg SSV/mg DBO5 0,04 – 0,08
Kd días‐1 0,02 – 0,05
K g/g día 6 – 10
Ks mg/l 150 – 600
32
EDAD del FANGO:

• La modelización de los digestores anaerobios a partir de
estas expresiones es difícil porque:
 Intervienen en serie dos comunidades bacterianas con
constantes biológicas diferentes
 La medición de la biomasa no puede hacerse directamente si no
a través de los SSV (son sólo del 20 – 50 %)
• Por ello, en el dimensionamiento se acude a la
EXPERIENCIA
• Según el esquema de funcionamiento, se hará el cálculo
de la EDAD DEL FANGO
• Siempre y cuando no haya enriquecimiento de biomasa:
tR =
33

• Hay distintos organismos trabajando en el proceso:
o Mesofílicos: 12 – 35 ºC (óptimo: 29 – 33 ºC)
o Termofílicos: 37 – 65 ºC (óptimo: 55ºC)
• La velocidad de reacción aumenta con la temperatura:
Digestión termofílica MÁS RÁPIDA que la mesofílica
34

• VENTAJAS de la digestión TERMOFÍLICA:
o Menor volumen necesario
o Mejora de las características de deshidratación del fango
o Aumento de la destrucción de bacterias
• INCONVENINENTES de la digestión TERMOFÍLICA:
o Mayores necesidades energéticas para el calentamiento
o Peor calidad del sobrenadante obtenido
o Menor estabilidad del proceso
POR ESTOS MOTIVOS, EN LA PRÁCTICA, EL USO DE LA

DIGESTIÓN TERMOFÍLICA ESTÁ MUY LIMITADO
35
CONCENTRACIÓN de SÓLIDOS:
• Concentraciones TÍPICAS: 4 – 7 %
• IMPORTANTE: Homogeneidad de los fangos (NECESIDAD

DE AGITACIÓN)
• CONCENTRACIÓN EXCESIVA  Mayor coste

energético (AGITACIÓN)
• CONCENTRACIÓN BAJA  Falta de OPTIMIZACIÓN

ENERGÉTICA
36
CARGA de SÓLIDOS:
• Cantidad de materia volátil que se introduce diariamente
al digestor por unidad de volumen del mismo.
• Los digestores se clasifican en función de la carga:

CARGA DE SÓLIDOS
TIPO
(kg SSV/m3∙día)
Convencional 0,45 – 1,12
Alta carga 1,60 – 4,80
OPERACIÓN: es importante que la alimentación de fangos al digestor

sea lo más continua posible a lo largo del día
37
pH:
• Depende de las reacciones ácido – base
• En el proceso de digestión ocurren muchas reacciones ácido – base
• El pH se puede usa de indicador de las reacciones
• Las bacterias pueden ser inhibidas por ciertos valores de pH
o Bacterias formadoras de ácido:
o Rango amplio de pH
o Su actividad baja el pH
o Bacterias formadoras de metano:
o pH óptimo: 6,8 – 7,4
o Desarrollo Inhibido: pH < 6,2
• Es necesario el equilibrio entre las dos poblaciones bacterianas
(producción y consumo de ácidos)
38
PRODUCCIÓN de GAS:
• Se suele estimar a partir de la REDUCCIÓN de SSV

• Valores habituales: 0,75 – 1,12 m3 gas/kg. SSV eliminado
• Valores máximos (según Eckenfelder):
 1 – 1,25 m3/kg SSV eliminado
 0,3 – 0,42 m3 CH4/kg DQO eliminado
• Puede variar DEPENDIENDO de:
Contenido en SSV del fango crudo
Actividad biológica en el digestor
• En puestas en marcha  producciones excesivas de gas
39
PRODUCCIÓN de GAS:
• Otra forma de CÁLCULO:
SIENDO:
• PCH4: Volumen de CH4 producido en condiciones estándar (0ºC y 1 atm.) (m3/d)
• S0: DBOL última del afluente (mg/l)
• S: DBOL última del efluente (mg/l)
• PX: Masa neta de tejido celular producida diariamente (kg/d)
SIENDO:
• Y: coeficiente cinético de producción
• Kd: coeficiente endógeno (días-1)
• υc: edad del fango (días)
40
TIPOS DE PROCESOS
‒ SIN enriquecimiento de biomasa

• Digestión en etapa única
CON mezcla completa
SIN mezcla
• Digestión en doble etapa
• Digestión en dos fases
‒ CON enriquecimiento de biomasa

41
DIGESTIÓN EN DOS FASES:

• Separa en DOS REACTORES los DOS TIPOS de
microorganismos:
 1er REACTOR: Hidrólisis y Acidificación
 2º REACTOR: Metanogénesis
• ESPECIALIZACIÓN de las biomasas  distinta gestión:

 Fase ácida: ALTA CARGA
 Fase metanogénica: BAJA CARGA (gasificación y
mineralización)
• Optimiza al máximo los tiempos de retención del sistema

42
PROCESO CON ENRIQUECIMIENTO DE BIOMASA:

• Proceso CON ENRIQUECIMIENTO de BIOMASA
• OBJETIVO: Incrementar el rendimiento de reducción de Mat. Org.
 Mayor estabilidad
 Menores costes
• ESTRATEGIA: Enriquecimiento de los digestores con BIOMASA
ACTIVA.
• TIPOS de PROCESOS empleados:
 Fijación de biomasa en materia soporte fijo
 Fijación de biomasa en material soporte flotante
 Recirculación de parte de la biomasa ya formada
43

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Sistemas de Depuración

¿QUÉ ES LA LINEA DE FANGOS?

7.1 Origen y características

¿QUÉ ES LA ESTABILIZACIÓN AEROBIA?

• Proceso biológico al que se someten los fangos.

• Principio de funcionamiento: AIREACION

• Aireación continua del fango, sin añadir más

• Sistema “BATCH OPERATION” (por lotes)

• Sistema de operación continua CON y SIN

• Sistema con PRE-ESPESADO

SISTEMA “Batch Operation”:

SISTEMA de OPERACIÓN CONTINUA CON o SIN

SISTEMA CON PRE-ESPESADO:

DIGESTIÓN AEROBIA AUTO‐TERMOFÍLICA: El calor liberado en la

SISTEMA CON PRE-ESPESADO:

SISTEMAS DE AIREACIÓN por DIFUSIÓN:

SISTEMAS DE AIREACIÓN por DIFUSIÓN:

SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUPERFICIALES:

SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUPERFICIALES:

SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUMERGIDOS:

SISTEMAS de AIREACIÓN por aireadores SUMERGIDOS:

• Cantidad y características de los fangos

CANTIDAD y CARACTERÍSTICAS de los FANGOS:

TIEMPO de RETENCIÓN HIDRÁULICA:

• Proceso de cálculo habitual:

EDAD del FANGO:

• Valores de diseño recomendados (CEDEX – Centro de Estudios y

TEMPERATURA del FANGO:

• Para reducir el efecto de las bajas temperaturas:

¿QUÉ ES LA DIGESTIÓN ANAEROBIA?

• Descomposición de la materia orgánica por medio de

• Se produce BIOGAS (Metano + CO2 + H2 + otros)

• Tiempo de retención hidráulica

TIEMPO de RETENCIÓN HIDRÁULICA:

• Ecuación que rige el proceso es EXPONENCIAL

EDAD del FANGO:

EDAD del FANGO:

TEMPERATURA del FANGO:

TEMPERATURA del FANGO:

POR ESTOS MOTIVOS, EN LA PRÁCTICA, EL USO DE LA

• IMPORTANTE: Homogeneidad de los fangos (NECESIDAD

• CONCENTRACIÓN EXCESIVA  Mayor coste

• CONCENTRACIÓN BAJA  Falta de OPTIMIZACIÓN

• Los digestores se clasifican en función de la carga:

OPERACIÓN: es importante que la alimentación de fangos al digestor

• Se suele estimar a partir de la REDUCCIÓN de SSV

‒ SIN enriquecimiento de biomasa

‒ CON enriquecimiento de biomasa

DIGESTIÓN EN DOS FASES:

• ESPECIALIZACIÓN de las biomasas  distinta gestión:

• Optimiza al máximo los tiempos de retención del sistema

PROCESO CON ENRIQUECIMIENTO DE BIOMASA:

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