Tratamiento Biologico
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CONTAMINACIN DE LAS AGUAS UNIDAD DISEO GENERAL DE UN TRATAMIENTO Enrique Toro Baptista
INDICE 1.- INTRODUCCIN. 2.- PRINCIPALES TIPOS DE PROCESOS BIOLGICOS. 2.1 PROCESOS BIOLGICOS AEROBIOS 3.- TIPOS DE PROCESOS BIOLGICOS AEROBIOS. 4.- FANGOS ACTIVOS. Descripcin. Diseo. 5.- CONTROL, OPERACIN Y PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS.
1.INTRODUCCIN
Cuenca Receptora (colectores, orografa, vertidos, estacionalidad, etc.). Estacin Depuradora (tecnologa empleada, tipo de tratamiento, etc.). Repercusin sobre el cauce receptor (ro, lago, zona costera, etc..). Otros factores externos (climatologa invierno-verano).
1.INTRODUCCIN OBJETO Los tratamientos biolgicos tienen como principal objeto la eliminacin de la materia orgnica de las aguas residuales. Otros usos, no menos importantes son: a) Eliminacin de N2 por medio de la oxidacin del nitrgeno amoniacal, nitrificacin-desnitrificacin. b) Eliminacin del fsforo. c) Eliminacin de patgenos (balsas de maduracin en lagunas). d) Eliminacin de metales y txicos (uso de macrfitos, jacinto de agua o el carrizo). La materia orgnica es eliminada del agua por accin de los seres vivos, que la emplean como fuente de alimento, produciendo nueva materia celular adems de obtener la energa necesaria para su supervivencia.
1.INTRODUCCIN En los procesos biolgicos intervienen todo tipo de organismos, segn las condiciones de operacin de la instalacin y el influente, se producir el predominio de un tipo frente a otro. En funcin de la fuente de carbono utilizada se clasifican en auttrofos (carbono mineral) y hetertrofos (carbono como materia orgnica).
1.INTRODUCCIN SEPARACIN SLIDO - LQUIDO Una vez, el sistema biolgico, asimila la M.O. presente en el agua residual, podemos decir, que se trata de un problema de separacin de slidos. Los sistemas empleados son diversos. En general, se emplean procesos fsicos: decantacin, filtros y membranas. El control de la presencia de sustancias txicas en los efluentes finales y la falta de recursos hdricos hacen necesario optimizar, cada vez ms , los procesos hasta lmites capaces de garantizar aguas de calidad en las cuencas receptoras.
FANGOS ACTIVADOS
CULTIVO EN SUSPENSIN NITRIFICACIN PROCESOS AEROBIOS LAGUNAS AEROBIAS ESTABILIZACIN AEROBIA DE FANGOS LECHOS BACTERIANOS CULTIVOS FIJOS
DESNITRIFICACIN CON CULTIVO EN SUSPENSIN PROCESOS ANXICOS DESNITRIFICACIN CON CULTIVO FIJO DESNITRIFICACIN CON CULTIVO MIXTO CULTIVO EN SUSPENSIN DIGESTIN ANAEROBIA PROCESOS ANAEROBIOS CULTIVO FIJO FILTROS ANAEROBIOS NITRIFICACIN -DESNITRIFICACIN PROCESOS AEROBIOSANAEROBIOS LAGUNAS FACULTATIVAS LAGUNAS DE MADURACIN LAGUNAS ANAEROBIAS FACULTATIVAS LAGUNAS AEROBIAS
Dos tipos de reacciones: Sntesis y Oxidacin Sntesis (Asimilacin): Incorporan una parte de la MO , al protoplasma de los microorganismos, dando lugar a nuevos -Organismos. La otra parte de MO se utiliza
para la produccin de la energa necesaria.
M.O. + -Organismos + Energa + O2 ----> Nuevos -Organismos (2)
Oxidacin y Respiracin endgena: Se produce la auto oxidacin del protoplasma celular. En el proceso se liberan los nutrientes usados en la sntesis, lo que permite nuevas fases de asimilacin. La reaccin indica que la masa orgnica disminuye y tiende a cero. C5H7O2N +5O2 ----> 5CO2 +2H2O + NH3 + Energa
(3)
2.1 PROCESOS BIOLGICOS AEROBIOS MICROORGANISMOS MAS IMPORTANTES BACTERIAS: Son el 95% de la biomasa (formadoras de flculo, filamentosas, nitrificantes, etc). HONGOS: Son poco comunes en los sistemas de tratamientos de aguas residuales urbanas. Su presencia en abundancia se asocia, por lo general, a condiciones de pH demasiado bajos. Puden ser usuales en procesos industriales. PROTOZOOS: Son hetertrofos, y se encuentran libremente en la naturaleza, son predadores de las bacterias, son: Flagelados, Rizpodos (Amebas), Ciliados (pedunculados, libre nadadores, libres reptantes, suctores, etc).
2.1 PROCESOS BIOLGICOS AEROBIOS ALGAS: Su importancia estriba, no tanto por su capacidad de depuracin sino por su capacidad fotosinttica, aportando oxgeno. Por ser auttrofas permiten el aumento de la M.O. sintetizando el carbono mineral. METAZOOS: Son animales pluricelulares, muy abundantes en los sistemas que emplean soporte fijo. Se alimentan de sustrato y de bacterias. (Rotferos, Nematodos, Oligoquetos,etc)
2.1 PROCESOS BIOLGICOS AEROBIOS Factores que afectan a las reacciones de oxidacin.
A) Caractersticas 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 el desarrollo de los -Organismos. Un buen equilibrio con respecto al contenido en N 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 aerbico. Se puede considerar el mantenimiento de concentraciones medias de unos 2,0 mg/l de O2, en el caso de los fangos activados.
E) Salinidad: El contenido en sales disueltas no suele ser un problema hasta valores de 3-5 gr/l, siendo problemticos valores de 5,0 g/l. Si podra ser crtico, en el caso de fangos activos variaciones bruscas en cortos perodos de tiempo que impidieran una aclimatacin del reactor. F) Txicos: Son sustancias orgnicas e inorgnicas que a ciertas concentraciones inhiben o impiden los procesos biolgicos, actuando sobre las encimas catalizadoras de las reacciones de sntesis.
CONVENCIONAL
B)
El agua decantada y el fango activado recirculado entran en el tanque de aireacin y se mezclan con aire disuelto o con agitadores mecnicos. El suministro de aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud de canal. Durante el periodo de aireacin, se produce la absorcin, floculacin y oxidacin de la materia orgnica. Los slidos del fango activado se separan en un decantador secundario.
El proceso es una aplicacin del rgimen 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 aireacin. La carga orgnica y la demandada de oxgeno son uniformes en toda la longitud del tanque.
La alimentacin escalonada es una modificacin del proceso de flujo en pistn convencional en la que el agua residual decantada se introduce en diferentes puntos del canal para conseguir un valor de la relacin F/M uniforme, lo cual permite reducir la demanda de oxgeno punta. Normalmente se suelen emplear tres o ms canales paralelos. Una de las ventajas importantes de este proceso es la flexibilidad de operacin.
El proceso de aireacin prolongada es similar al de fangos activados convencional excepto en que funciona en la fase de respiracin endgena de la curva de crecimiento, lo cual precisa una carga orgnica reducida y un largo periodo de aireacin. Este proceso se emplea mucho en plantas prefabricadas para pequeas comunidades.
El canal de oxidacin consiste en un canal circular u ovalado equipado con dispositivos de aireacin mecnica. El agua residual tamizada entra en el canal, se agita, y circula a una velocidad entre 0.24 y 0.35 m/s. Normalmente, los canales de oxidacin funcionan segn un esquema de aireacin prolongada con largos tiempos de detencin y de retencin de slidos. En la mayora de las aplicaciones se emplean tanques de sedimentacin secundaria.
Este sistema consiste en una serie de canales concntricos, en los que las cantidades de oxgeno suministrado varan de un canal a otro. El agua pasa, inicialmente, al canal perifrico y a travs de pasos sumergidos, va circulando de un canal a otro para llegar finalmente a un decantador. La caracterstica principal del sistema orbal es el diferente grado de oxigenacin que se mantiene en los distintos canales, tpicamente operando en 0.1 y 2 ppm de oxgeno disuelto en el primer, segundo y tercer canal respectivamente. El sistema es idneo para procesos de nitrificacin-desnitrificacin.
En este sistema el tanque de aireacin tiene configuracin de canal, pero en lugar de rotores utiliza aireadores de eje vertical instalados frente al tanque divisorio, lo que permite interceptar el rgimen de corrientes y utilizar la potencia aplicada en transferir oxgeno y conseguir un flujo continuo de fangos en el canal suficiente para evitar la sedimentacin.
Este proceso tiene lugar en dos etapas. La primera es la fase de adsorcin que requiere de 20-60 minutos, y durante la misma se absorben en el fango la mayor parte de las materias orgnicas coloidales, en disolucin y en suspensin. La segunda fase, de oxidacin, tiene lugar seguidamente y en ella las materias orgnicas absorbidas son metabolizadas por los microorganismos. El proceso de fangos activados se desarrollan en cubas separadas.
El proceso de doble etapa consiste en realizar una depuracin biolgica en dos etapas, cada una de las cuales presenta reactor biolgico y decantador secundario. En la primera etapa se alimenta la primera cuba con cargas elevadas, con un corto periodo de oxigenacin, lo que favorece el desarrollo de microorganismos resistentes a elevadas cargas y sustancias txicas favorecindose las propiedades absorbentes de los flculos. En la segunda etapa, se establece una carga media o baja, con un alto contenido en oxgeno, funcionando de forma similar a los procesos convencionales, predominando la oxidacin biolgica. Este sistema es interesante para aguas residuales con fuertes variaciones de carga, ph, componentes txicos.
Son similares a los procesos convencionales solo que en lugar de aire utilizamos oxgeno puro. El oxgeno puro es mas caro, sin embargo, conseguimos las mismas cantidades de oxgeno en cuba con un menor consumo energtico (Ley de Henry). El oxgeno puede ser recirculado. Se puede usar en : -Estaciones de fangos activos con carga variable, aplicndose solo el oxgeno en los momentos punta. -Preoxigenacin del agua residual, con fines de desodorizacin. -En instalaciones antiguas para aumentar el contenido de oxgeno.
CLARIFICADOR A Q + Qr
DESCRIPCIN
1 AGUA DE ENTRADA
INFLUENTE
Q , Xo ,So
V, X REACTOR BIOLGICO
REACTOR
EFLUENTE
Q , Xe ,S
RECIRCULACIN
3 CLARIFICADOR
Qr , X r
FANGOS EN EXCESO
QP , X r
AGUA TRATADA
DQO gr O2/m3 MLSS mg/L MLVSS mg/L IVF mL/g Anlisis Microscpico --------Cm (F/M) o Edad (MCRT) ( d-1 ) ( d ) Oxgeno disuelto mg/L Carga Superficial de Slidos Kg MLSS/(m2xh) Carga Hidrulica m3/(m2xh) Lecho de Fangos m Solidos Suspendidos (MES) mg/L DBO gr O2/m3 gr O2/m3 NTU m3/h (mg/L) % m3/h (mg/L) %
DQO Turbidez 5 FANGOS EN EXCESO Caudal MLSS % Concentracin 6 RECIRCULACIN Caudal MLSS % Concentracin
4.- FANGOS ACTIVADOS A.2) FANGOS ACTIVADOS - DISEO Aspectos a tener en cuenta en el diseo:
1.- Parmetros del proceso. 2.- Caractersticas del efuente. 3.- Factor de carga y rendimiento del proceso. 4.- Seleccin del tipo de tratamiento. 5.- Dimensiones del reactor. 6.- Necesidades de Oxgeno y sistemas de aireacin. 7.- Produccin de fangos en exceso. 8.- Necesidades de recirculacin. 9.- Dimensionamiento del clarificador o decantador secundario.
Cv = Carga volumtrica.
Es la relacin 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 da / m3 de volumen de la cuba. Q x So Cv = ---------------V
(7)
R = Rendimiento.
Es la relacin entre la MO eliminada como DBO5 y la influente. Se expresa en %. So - Se R = ---------------So (8)
Nivel del Lecho de fangos en el decantador secundario (m) IVF = Indice volumtrico de fangos o Indice de Mohlman (ml/g).
Es el volumen en mililitros ocupado por el fango en una muestra de licor mezcla, despus de 30 minutos de sedimentacin, dividido por la concentracin de slidos en suspensin del licor mezcla (MLSS).
QP = CAUDAL de purga de fangos en exceso del sistema (m3/da). Qr = CAUDAL de recirculacin (m3/da)- (m3/h). Xr= Concentracin S.S. en el efluente - RASS (Return Activated Sluged
Solids) (mg/l).
DBO 5 SS DQO ZONAS SENSIBLES FSFORO TOTAL para h - e > 100,000 NITRGENO TOTAL para h - e > 100,000
Segn las caracteristicas del efluente y las del agua residual de entrada al reactor, se pueden determinar dos datos fundamentales para el diseo: RENDIMIENTO DE DEPURACIN EXIGIDO AL PROCESO. (Ver 8)
E= -------------------------------------------------0. 56 x Cm x R - 0.75 x b + 0. 5x Pe x Cm R = Rendimiento de depuracin b = Coeficiente de autoxidacin (0,05) Pe= Produccin especfica de fangos
Ecuacin de DEGREMONT :
1
(9)
E= ------------------------0. 2 x Cm + Cm 1, 5
(10)
TIPO DE PROCESO
Carga Volmica (kg DBO5/ m3 * d) 0,3 - 0,6 0,8 - 2,0 0,6 - 1,0 0,1 - 0,4 0,1 - 0,4 1,0 - 1,2
Concentracin MLSS en cuba (mg/l) 1500 - 3000 3000 - 5000 2000 - 3500 3000 - 6000 3000 - 5000 Contacto:1000-3000
0,2 - 0,4 0,2 - 0,6 0,2 - 0,4 0,05 - 0,1 0,05 - 0,1 0,2 - 0,6
25-100
8 - 20
1,6 - 3,3
3000 - 5000
25-50
0,05 - 0,2
E x Y x Q x (So - S) V= -----------------------------X (1 - Kd x E)
(11)
Carga Org de entrada (kg DBO5/da) V= ------------------------------------------------ (12) Cm x MLSS MLSS= Ver tabla anterior. PARA NITRIFICACIN: 1) CALCULAR LA EDAD MNIMA DE FANGO PARA NITRIFICACIN.
E= Edad del fango. Y = Coeficiente de crecimiento bacteriano, (0,4 -0,8) Q = Caudal (m3/d) X = Concentracin de MLSS en cuba(mg/l) Kd = Coeficiente de eliminacin de bacterias, ( 0.04 - 0.075)
E= 12,0 x 1.23 15
OTRA FORMA
-T
(13)
MATERIA CARBONOSA:
MODELO DE ECKENFELDER: NECESIDAD DE O2 (kg O2 / da)= O2 para sntesis + O2 para respiracin endgena (14)
Q(So - S) kg O2 / da = a x ---------------------- + b x V x X (15) 103 a= Coeficiente estequiomtrico que define la necesidad de O2 para sntesis. (kg O2 / kg DBO5
eliminada, en funcin de la edad del fango). Q = Caudal diario del proceso (m3/da). So = DBO5 de entrada al reactor (mg/l). S = DBO5 de salida al reactor (mg/l).
/da, en funcin de la temperatura y la Edad del fango) V = Volumen del reactor (m3) X = Concentracin del licor mezcla (kg / m3)
-20)
= 1.07 para T de 5C a 35 C
(16)
MATERIA NITROGENADA:
4,57 x Q x (NTK) kg O2 / da = --------------------103
Q = Caudal diario del proceso (m3/da).
(17)
NTK = Nitrgeno orgnico + Nitrgeno amoniacal (mg / l), se supone que todo es nitrificable.
(18)
y la transferencia en el agua destilada. Para Aguas Residuales Urbanas. AIRADORES SUPERFICIALES : 0.75 - 0.98 (19) DIFUSORES: 0.40 - 0.80
4.- FANGOS ACTIVADOS Kt2 : Tiene en cuenta el valor de saturacin del oxgeno en el lquido, en funcin
d ela temperatura, caractersticas del licor, presin atmosfrica y nivel de oxgeno que se quiera mantener en el reactor ( 2,0 mg/l).
Kt2 = --------------------------Cs
( x Css xP) - CI
(20)
= Factor depende del A. Residual (1.0) Css = Nivel de saturacin del Oxgeno (mg/l) en agua pura a la temperatura del licor. P = Factor omega relaciona la presin baromtrica y la altitud del emplazamiento de la instalacin. CI = Nivel del Oxgeno disuelto que se quiere mantener en el licor mezcla (2,0 mg/l). Cs = Nivel de saturacin del agua pura en condiciones estandar, en general a 20C = 9.17
Kt3 =
O (T -Ts)
(21)
O = 1.025 T = Temperatura del licor mezcla T s = Temperatura en condiciones normales. POR LTIMO, UNA VEZ CONOCIDAS LAS NECESIDADES MEDIAS Y PUNTA DE OXGENO, SE PUEDE CALCULAR LA POTENCIA DE AIREACIN SEGN EL APORTE ESPECFICO DE AIREADORES MECNICOS O DIFUSORES EXPRESADO EN kg DE O2/ kWh (2,0) Y LOS RENDIMIENTOS DE LOS MOTOR-REDUCTORES (0,9)
Pe = 1,2 x Cm 0, 23
(22)
SE PUEDE CALCULAR A PARTIR DE LA SIGUIENTE ECUACIN: (Qr + Q) X = Qr Xr Qr = Caudal de recirculacin (m3/h). Q = Caudal de entrada en el sistema X = MLSS del reactor biolgico (kg/ Xr = RASS de la recirculacin (kg/ (m3/h). m3). (23)
INFLUENTE
Q , Xo ,So
V, X REACTOR BIOLGICO
EFLUENTE
Q , Xe ,S
RECIRCULACIN
Qr , Xr
FANGOS EN EXCESO
QP, X r
GRADOS DE RECIRCULACIN (Qr/Q) % 0,2 <Cm< 0,5 Cm < 0,1 75 % -- 100 % 100% -- 150%
m3).
ES CONVENIENTE DISPONER DE SUFICIENTE CAPACIDAD DE RECIRCULACIN, QUE PERMITA LA PRONTA ELMINACIN DEL LECHO DE FANGOS EN LOS DECANTADORES SECUNDARIOS. NO SON ACONSEJABLES LARGOS PERODOS DE PERMANENCIA DEL FANGO EN LOS CLARIFICADORES YA QUE ESTO PODRA FAVORECER LA SALIDA DE FLCULO POR LOS VERTEDEROS EN SITUACIONES DE CAUDAL PUNTA. CON ALTAS TEMPERATURAS Y ALTAS EDADES DE FANGO SE PODRA PRODUCIR DESNITRIFICACIN INCONTROLADA.
CARGA SUPERFICIAL VELOCIDAD ASCENSIONAL CARGA DE SLIDOS TIEMPO DE RETENCIN CARGA SOBRE VERTEDERO
m3/m2*h
Q med <0,8 Q max<1,6 Q med <1,8 Q max<3,2 Q max 3 - 5 Q med < 2,5 Q max<4,5
kg/m2*h h m3/ml*h
SISTEMA BIOLGICO
Control bsico
Caractersticas fsico - qumicas del agua de entrada (SS, DQO, DBO5, PH, Nitrgeno, Fsforo, etc.). Control de MLSS y MLVSS del reactor biolgico y de la recirculacin (RASS, return activated sluged solids). IVF (Indice volumtrico de fangos): (mL de Ssedimentables*103)/(mg/L de MLSS) Cm(Carga Msica): 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. Anlisis Microbiolgico ( Estructura del flculo, Protozoos y Organismos Filamentosos)
5.- CONTROL, OPERACIN Y PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE EXPLOTACIN DE EDAR - LNEA DE AGUA FANGOS ACTIVOS. Control bsico
Adecuacin a los parmetros de diseo de los decantadores secundarios ( Carga superficial de slidos, Carga Hidrulica, Nivel del lecho de fangos). Dsis de cloro para control de organismos filamentosos: entre 5 y 15 kg de Cloro/ tonelada de materia seca en el reactor biolgico. (Contenido de cloro activo del Hipoclorito sdico comercial aprox.150 gr / Litro de Hipoclorito). N de pasos de Cloro por recirculacin: Superior o igual a 3 veces por da: ((Q r* X r) / (V c* X c + V d* X d))*24
5.- CONTROL, OPERACIN Y PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE EXPLOTACIN DE EDAR - LNEA DE AGUA FANGOS ACTIVOS.
Operaciones de Planta:
Toma de muestras puntuales del licor mezcla Limpieza peridica de muros perimetrales, arqueta de purgas de fangos en exceso. Ajustes de los temporizadores de purga de fangos en exceso del reactor. Revisin de equipos y aspecto superficial de la balsa de aireacin (amperaje de turbinas de aireacin, bombas de recirculacin, bombas de purga, olor y color de la balsa). Toma de datos de concentracin de oxgeno disuelto. Programacin de turbinas en funcin de la demanda de oxgeno y evolucin de MLSS. Medicin de nivel del lecho de fangos. Limpieza de vertederos en decantadores secundarios.
5.- CONTROL, OPERACIN Y PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE 5.- PROBLEMAS TIPO EN PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS. FANGOS ACTIVOS.
EFLUENTE
Control bsico:
Caractersticas fsico - qumicas del agua de salida (SS, DQO, DBO5, PH, Nitrgeno, Fsforo, Grasas y Aceites, etc.)
Operaciones de Planta:
Toma de muestras puntuales (indicando fecha, hora y lugar) y compuestas. Limpieza peridica del canal de cloracin. (vertederos) Limpieza peridica de los equipos de bombeo de agua industrial empleada para refrigeracin de compresores) Revisin de los equipos de bombeo de agua reutilizada (presin, amperaje de bombas, dosificacin de Hipoclorito Sdico, niveles de depsito)
Problemas Usuales:
Por falta de limpieza de la cuba, aporte de algas y slidos al efluente final. Por falta de limpieza de los equipos de instrumentacin lecturas errneas de las caractersticas de salida. Desarrollo de algas en pocas de verano, aspecto de agua sucia.
Problemas Usuales:
GRAFICAS
IVF
450 400 350 300
1800 1600 1400 1200
MLSS
mL/g
mL/g
IVF 3
IVF 4
IVF
mlss mg/L
mlss 3 mg/L
mlss 4 mg/L
% RECIRCULACIN
140% 120%
% RECIRCULACIN
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
%QR 1 %
QR 3-4 M3/d
BIBLIOGRAFA
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