Fundamentos de Aguas Residuales
UNIDAD 5. PROCESOS BIOLOGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 1. MÉTODOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Introducción Posteriormente otros usos como son: la oxidación del nitrógeno amoniacal (nitrificación), la eliminación del nitrógeno de las aguas residuales mediante la conversión de las formas oxidas en N2 (desnitrificación) o la eliminación de fosforo. Este tipo de procesos utiliza reacciones asociadas a los organismos vivos. Los microorganismos crecen utilizando los contaminantes del agua como fuente de carbono y/o como fuente de energía, convirtiéndolos en nuevos microorganismos (biomasa), dióxido de carbono y otros compuestos inocuos. La fuente de carbono y/o energía se denomina sustrato, la eliminación de estos contaminantes se le conoce como consumo de sustrato. Clasificación de los tratamientos biológicos: 1. Procesos bilógicos de cultivo en suspensión: se suele ocurrir a una decantación y recirculación de la biomasa. 2. Procesos biológicos de soporte solido: la retención de la biomasa queda asegurada por características del propio proceso. En estos procesos es preciso retener en el sistema la biomasa creada con objeto de que se produzca un proceso. En los cultivos en suspensión se suele recurrir a una decantación y recirculación de la biomasa, mientras que en los de soporte solido la retención de la misma queda asegurada por las características del propio proceso. Los sistemas característicos son los fangos activados, las lagunas aireadas, y el lagunaje. En los segundos se encuentras los filtros percoladores, los biodiscos y los lechos de turba. Organismos más importantes que intervienen en los sistemas de tratamiento biológico. Los organismos se clasifican desde el punto de vista de la depuración de aguas, la clasificación trófica es de gran importancia. Los microorganismos necesitan para su crecimiento: carbono, nutrientes inorgánicos, energía, y poder reductor; obtiene la energía y el poder reductor de las reacciones de oxidación del sustrato, cuanto mayor es la DQO del sustrato, mayor es la energía y el poder reductor (electrones) que es capaz de suministrar un sustrato.´
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Las reacciones de oxidación del sustrato, por una parte suministran electrones a los “transportadores de electrones” transformando las formas oxidadas (NAD, nicotinaminadenin-dinucleotido) en las correspondientes formas reducidas (NADH2). Estas formas reducidas aportan los electrones necesarios en el proceso de síntesis celular. Cuando los electrones suministrados en las reacciones de oxidación del sustrato pasan, a través de la cadena de transporte de electrones, al aceptor final de electrones, se genera una gran cantidad de energía en forma de ATP (adenosin-trifosfato) que es itulizada en las reacciones de biosíntesis. El funcionamiento de las fuentes de carbono y del dador de electrones utilizados se clasifican en:
Autótrofos: organismos capaces de sinterizar la materia orgánica a partir de las sustancias minerales (fuente de carbono el CO2 y utilizan como dador de electrones, materia orgánica como NH4+ y NO”-). Y heterótrofos: precisan de la materia orgánica para su desarrollo y mantenimiento (fuente de carbono y dador de electrones, la materia orgánica).
En función del tipo de aceptor de electrones se clasifican en aerobios (solo utilizan oxigeno), anaerobios (solo pueden crecer en ausencia de oxigeno molecular) y facultativos (utilizan oxigenocuando está presente, pero puede utilizar otro aceptor de electrones cuando no lo está. Dentro de este último grupo cabe destacar las bacterias desnitrificantes que reducen el nitrito a nitrógeno molecular.
Figura 1. Flóculos típicos de los fangos activados
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Bacterias Las hay en autótrofas como heterótrofas estas últimas utilizan compuestos orgánicos solubles para su crecimiento. En sistemas biológicos de depuración intervienen múltiples procesos. El más importante es la eliminación de la materia orgánica por vía aerobia (oxidación y síntesis de nuevos materiales orgánicos en forma de materia celular). Pero también intervienen los proceso de descomposición anaerobia como la desnitrificación, nitrificación y acumulación de fosforo en sistemas de eliminación de nutrientes en paltas de fangos activados.
Figura 2. Organismos filamentosos observados en plantas de tratamiento de aguas residuales En el proceso de fangos activados las baterías constituyen el 95% de la biomasa. Las baterías aisladas tienen un tamaño muy pequeño (0.5-1.0µm) lo cual sería imposible separarlas del agua tratada. Sin embargo, bajo condiciones adecuadas, las bacterias en el proceso de fangos activados crecen formando agregados que alcanzan tamaños entre 0.05 y 1.0µm. las bacterias responsables dela formación de los bioflóculos son las denominadas formadoras flóculos. Las bacterias sedimentan en el clarificador secundario, produciendo un efluente final clarificado y un fango espesado. En la figura 1 se muestran ejemplos de flóculos. Sin embargo no todas las bacterias en los fangos activados son capaces de formar flóculos, pudiéndose desarrollar bacterias filamentosas que pueden dar lugar a problemas operacionales. Hay bacterias problemáticas que provocan la aparición de grandes cantidades de espumas en el reactor biológico y en el decantador. Aproximadamente son 20 los organismos filamentosos diferentes que aparecen con frecuencia en los procesos de fangos activados. En la figura 2 se muestran fotografías de la observación al microscopio de algunos tipos más comunes de bacterias filamentosas en las plantas de tratamiento de aguas residuales. M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Protozoos Son microorganismos heterótrofos. La mayoría viven libremente en la naturaleza, aunque algunas especies son parasitas, viviendo en un organismo huésped, que puede variar desde algas hasta seres humanos. La mayoría son aerobios o anaerobios facultativos.
Figura 3. Protozoos observados en los fangos activados a) Flagelados; b) Amebas; c) Ciliados nadadores libres y d) Ciliados fijos. Pueden alimentarse de bacterias u otros microorganismos (holozoicos) o de materia orgánica disuelta (osmotrofos). Los protozoos constituyen 5% de la biomasa de los fangos activados, habiéndose encontrado unas 200 especies. Estos son un componente necesario de lo fangos activados llevando a cabo una eliminación de coliformes y patógenos, clarificando el efluente y contribuyendo a la floculación de la biomasa. Los protozoos también juegan un papel importante en los sistemas de cultivo fijo, donde están presentes en mayor proporción. Los cuatro grupos básicos de protozoos en los fangos activados son flagelados, amebas y formas nadadoras libres y fijas de ciliados (Figura 3).
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Hongos La mayoría son aerobios estrictos, toleran valores de PH relativamente bajos y tiene requisitos de nitrógeno mucho más bajos que las bacterias. Pueden utilizar la materia orgánica disuelta, rara vez compiten con las bacterias en los sistemas de cultivo en suspensión. Bajo determinadas condiciones de (PH bajos, déficit de nitrógeno) pueden proliferar, produciendo unos fangos con pobres cualidades de sedimentación. Son más frecuentes en los sistemas de cultivo fijo constituyendo en estos sistemas una parte importante de la biomasa. Algas Organismos fotosintéticos mucho de ellos unicelulares, y cuando son pluricelulares no forman verdaderos tejidos. Las algas azules denominadas (cianofíceas) son organismos fotosintéticos pero sin diferenciación nuclear (procariontes), otros las sitúan dentro de las Cianobacterias. Las que son capaces de utilizar el nitrógeno atmosférico (N2) reciben el nombre de fijación. Aspectos de las algas: 1. Su utilización en sistemas de depuración no es tanto por su capacidad de depurar, sino como fuente de oxígeno en los sistemas excesivos 2. Al ser autótrofas en los sistemas de depuración no disminuye el contenido en materia orgánica sino que lo aumenta sintetizándolas de las fuentes minerales de carbono existente. Rotíferos Organismos aerobios multicelulares cuya extremidad anterior esta modificada en un órgano ciliado, el apartado rotado, que utilizan para la captura de alimentos y el movimiento. En los sistemas de fangos activados constituyen normalmente, junto a los nematodos, la cima de la pirámide trófica; ejerciendo una acción predadora sobre el resto de los organismos que existen en el medio.
Figura 4. Rotífero (contantes de fase 100x). M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Nematodos En los sistemas de depuración actúan como predadores de los organismos inferiores, en los fangos activados.
PROCESOS QUE TIENE LUGAR EN LOS TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS Los tratamientos biológicos tienen lugar una serie de transformaciones de vital importancia (Figura 5):
Crecimiento biológico: los microorganismos con capaces de utilizar moléculas pequeñas y simples para su crecimiento, como ácido acético, etanol, metanol, glucosa, amonio, nitrito, etc. Hidrólisis: Consiste en la transformación de moléculas de gran tamaño en moléculas pequeñas, directamente degradables mediante la acción de enzimas extracelulares producidas por los microorganismos. Tiene lugar la hidrólisis tanto de la materia particulada como de la disuelta. Estos procesos son más lentos que los de crecimiento biológico, por lo que suelen convertirse en los limitantes. Desaparición de biomasa (decay): Esta desaparición engloba el consumo de biomasa debido a: o Mantenimiento: energía necesaria para los procesos celulares (motilidad, regulación osmótica, transporte molecular, etc). Los aporte externos de energía son menores que las necesidades de energía para mantenimiento, la células obtienen la energía necesaria de la degradación de reservas de energía existentes en el interior de la célula, dando lugar a una disminución de biomasa (metabolismo endógeno). o Predación: organismos superiores de la cadena trófica, utilizan bacterias como alimento. o Muerte y lisis: las células mueren produciendo la rotura de pared celular y el citoplasma y otros constituyentes pasan al medio donde, tras sufrir un proceso de hidrólisis, se convierten en sustratos para otros organismos. Los materiales más complejos permanecen como residuo orgánico inerte (debris) ya que no se solubilizan.
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Figura 5. Transformaciones biológicas en plantas de tratamiento. Desde el punto de vista ingenieril es conveniente la utilización de modelos simplificados ya que son más fáciles de aplicar. Como la desaparición e biomasa, proceso que engloba un gran número de interacciones, existen dos formas de su modelación:
el modelo de lisis-recrecimiento: toda la biomasa puede sufrir el proceso de lisis, a velocidades diferentes según el tipo de organismo, dando lugar a materia orgánica particulada hidrolizable y un residuo inerte, debris. y el modelo tradicional (es este desarrollo, más simple que el anterior): la biomasa activa es destruida como el resultado del decay y los electrones cedidos en la oxidación del carbono a dióxido de carbono pasan a aceptor de electrones. La biomasa no es totalmente oxidada quedan de una fracción como debris. Este debris se va acumulando en el fango disminuyendo la facción activa de biomasa.
Organismos heterótrofos Actúan básicamente en los sistemas biológicos de depuración, pudiendo actuar por vía aerobia o anóxica, o por vía anaerobia. En la vía aerobia o anóxica, estos organismos tras la introducción de materia orgánica en su interior, la someten a dos transformaciones. Una de descomposición transfórmala materia orgánica en CO2, agua y otros compuestos inorgánicos (NH4+…). Dado que esta reacción es exotérmica, proporciona energía al resto de las funciones celulares. Este proceso recibe el nombre de catabolismo.
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La otra consiste en la síntesis de tejido celular a partir de los nutrientes, la materia orgánica presente y la energía producida en los procesos catabólicos. Recibe el nombre de anabolismo al los procesos de desaparición de la biomasa algunos constituyentes de la célula son trasformado en productos finales, la fracción de la materia celular que no puede degradarse o que lo hace muy lentamente, da lugar a un residuo orgánico inerte (debris). En la vía anaerobia la transformación de la materia orgánica tiene lugar a múltiples etapas. En la primera de ellas las bacterias acidogénicas descomponen la materia orgánica en sustratos más simples, normalmente de carácter acido, capaces de ser utilizados por bacterias metanogénicas, que transforman estas sustancias en metano (segunda etapa). Los compuestos orgánicos insolubles han de ser solubilizados antes de ser consumidos. Los compuestos solubles de elevado peso molecular son reducidos a compuestos más pequeños a fin de que su paso sea por la membrana celular. Las reacciones responsables de la solubilizacion y reducción del tratamiento de los compuestos orgánicos son reacciones hidrolíticas catalizadas por enzimas extracelulares producidos por las bacterias.
Figura 6. Representación esquemática del metabolismo bacteriano heterótrofo. Organismos autótrofos Los organismos autótrofos tienen la capacidad de utilizar materiales inorgánicos para la producción de energía y síntesis celular. La energía la obtiene bien de la luz (fotosintéticos) o de reacciones inorgánicas de oxidación-reducción (quimiosintéticos) como puede verse en el esquema de la Figura 7.
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Dentro de los organismos fotosintéticos, pueden citarse las algas que introducen oxigeno en el sistema de tratamiento. Dentro de los organismos autótrofos quimiosinteticos, cabe citar las bacterias nitrificantes que afectan la oxidación de amonio a nitrato (nitrificación). → La desaparición de microorganismos autótrofos por muerte y lisis de los mismos da lugar a la aparición en la disolución de sustrato lentamente biodegradable, que es hidrolizado y consumido por los organismos heterótrofos originando productos finales, y debris.
Figura 7. Presentación esquemática del metabolismo bacteriano autótrofo quimio sintético.
Cinética de las reacciones de los organismos heterótrofos La mayoría de los tratamientos biológicos se utilizan para la eliminación de materia orgánica, las reacciones bioquímicas que llevan a cabo las bacterias heterótrofas en condiciones aerobias y anoxicas.
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2. PROCESOS BIOLÓGICOS DE CULTIVO EN SUSPENSIÓN Introducción Todos estos procesos son parecidos y pueden considerarse como variantes del mismo proceso. Las variantes u opciones que se pueden considerar aparecen en la (Tabla 3).
. Tabla 3. Clasificación de los procesos biológicos de cultivo en suspensión Se distinguen cuatro grandes grupos de cultivos en suspensión: Fangos activados: Procesos aerobios. En ellos se consigue un gran tiempo de retención celular mediante una recirculación de los fangos. El aporte de oxigeno se efectúa por medios mecánicos. Lagunas aireadas: Son predominantemente aerobias aunque pueden combinarse con procesos anaerobios. El tiempo de retención necesario se consigue con grandes volúmenes del reactor. El aporte de oxigeno se efectúa por medios mecánicos. Eliminación biológica de nutrientes: Son procesos derivados de fangos activados, aunque mucho más complejos. El proceso de eliminación de fosforo es, en esencia, un proceso de fangos activados que incluye un RCTA anaerobio previo, y el de eliminación de nitrógeno, incluye un etapa anoxica. Tratamiento de fangos: Se utiliza para la estabilización de los fangos purgados como exceso en los tratamientos biológicos, principalmente en los fangos activados y de los fangos primarios. Todos se efectúan en medio líquido, sin recirculación y, los procesos, pueden ser aerobios o anaerobios.
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Lenguaje: Como los anteriores pueden ser estrictamente aerobios o aerobios-anaerobios. Así mismo carecen de un sistema de recirculación de fangos que permita aumentar el tiempo de retención celular. Su principal característica de la utilización de algas para el suministro de oxígeno que se produce en la reacción de fotosíntesis. Este suministro puede ser estricto o complementado por aireadores mecánicos. FANGOS ACTIVADOS Denominación para los procesos aerobios en suspensión liquida, y provistos de un sistema de separación y recirculación de fangos. Un esquema general del sistema puede verse en la Figura 11.
Figura 11. Esquema del proceso de fangos activados. El proceso de los fangos activados fue desarrollado inicialmente por Fowler, Arden, Mumford y Locked en la planta inglesa de Manchester a principios de siglo XX. Los métodos de diseño iníciales eran totalmente empíricos: el tiempo de retención en el reactor fue uno de los primeros métodos empleados; para aguas muy cargadas de materia orgánica se utilizaban tiempos de retención mayores que los utilizados en las menos cargadas. También se utilizaron varios criterios basados en los kg de DBO 5 aplicados por m3 de reactor y día (carga volumétrica) o bien por kg microorganismos presentes en el reactor (carga másica).
ESTRUCTURA Y DINÁMICA DE LAS POBLACIONES EN LOS SISTEMAS DE FANGOS ACTIVADOS Procesos de formación y maduración de los flóculos La naturaleza de las aguas residuales tratadas determinan los tipos de microorganismos que se desarrollan. Las bacterias se multiplican rápidamente y al principio están libres en el liquido, pero más tarde se aglutinan para formar el núcleo del floculo. La mayor o menor tendencia a flocular es diferente para las distintas especies. M. En I. María Del Carmen García Araiza
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El floculo puede aumentar su tamaño por la multiplicación de las bacterias que hay en él, y por la adición de materia muerta o viva desde la fase liquida. Durante su desarrollo el floculo es colonizado por organismos consumidores de bacterias como los protozoos ciliados, nematodos y rotíferos. Un floculo maduro puede considerarse como un microcosmos, cuya población está en un equilibrio dinámico sensible a las condiciones ambientales. Conforme el floculo crece y aumenta su edad, aumentan las células muertas y los sólidos inertes acumulados. Aunque el floculo viejo es capaz de adsorber sustancias, la oxidación biológica es posible únicamente para las células vivas, produciéndose una disminución de la actividad general del floculo con la edad. Al aumentar su tamaño, la difusión de los nutrientes y el oxigeno a las bacterias individuales y la salida de sus excretas se hace cada vez más difícil. Por lo tanto un cultivo microbiano, cada floculo puede considerarse que pasa a través de diferentes fases de crecimiento alcanzando la madurez y posteriormente la decadencia cambiando su estructura y actividad ambas en el proceso de depuración. Dinámica de las poblaciones En los sistemas fangosos activados, con las aguas residuales son introducidas muchas especies diferentes de microorganismos. Muchas encuentran un medio inadecuado y como consecuencia de ello mueren; otras al ser favorables para ellas las condiciones del medio, persisten y se multiplican. La composición específica de los fangos activados es determinada por la velocidad relativa de crecimiento de las especies, la disponibilidad de alimentos en competición con otras especies del mismo nivel trófico y el efecto de la predación de los organismos de niveles tróficos más altos. Las condiciones físicas y químicas de las plantas son también importantes en la determinación de la composición específica. Los principales factores de la disponibilidad de oxígeno,pH, temperatura y lo agentes inhibidores o tóxicos. Aunque en los fangos activados son introducidos algas, bacterias, hongos y protozoos, las bacterias se convierten normalmente en dominantes. Las bacterias dominantes de los fangos tienen que satisfacer dos condiciones: ser capaces de utilizar los residuos orgánicos y formar rápidamente flóculos que faciliten su separación del efluente y que aseguren su retención en el sistema. La naturaleza de las bacterias dominantes estará determinada en gran medida por la composición de los residuos que tengan que ser tratados. Las bacterias nitrificantes autótrofas, aunque no están en competición por la misma fuente de energía, pueden competir por el oxígeno si este es limitante. Su requisito más crítico, es mantener si población en competición con las bacterias heterótrofas presente en el floculo.
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El nicho de los protozoos en los sistemas de fangos activados es algo difícil de definir con precisión. Los flagelados zoomastigofos son osmotrofos, y como tales compiten, normalmente sin fortuna, con las bacterias. En la comunidad son las formas holozoicas en especial los ciliados. Estos se alimentan de las bacterias y otros protozoos. La ausencia de protozoos filiados en una planta de fangos activados lleva normalmente asociada un afluente turbio causado por la presencia de un elevado número de bacterias dispersa. Los protozoos contribuyen a la floculación de la materia orgánica suspendida, incluyendo las bacterias, su presencia en unos fangos activados pueden influir en la clarificación del efluente y en la formación de los fóculos. En el desarrollo de un sistema de fangos activados tiene lugar una sucesión de las especies dominantes de la población de protozoos en paralelo con la población bacteriana. A medida que los fangos maduran los organismos de los niveles tróficos más altos como los rotíferos y gusanos nematodos pueden llegar a establecerse. El conjunto de organismos presentes en unos fangos maduros tras alcanzar el equilibrio, está relacionado con las condiciones medias de la planta. Los fangos activados pueden ser considerados como un complejo sistema ecológico, en el que los organismos presentes están en competición por el alimento común existente y entre los cuales hay una serie de relaciones de predador-presa. Existen diferentes poblaciones, algunas dependientes y otras independientes de las otras. En tal sistema, el organismo dominante de los que se hallan en competición en un determinado nivel trófico por una fuente común de alimento será el que bajo las condiciones que prevalecen es capaz de multiplicarse más rápidamente con el alimento disponible. Un factor de complejidad añadido en las plantas de fangos activados es la perdida continua de organismos debido a las salidas con el efluente y las descargas del exceso de fangos. Los organismos, los filiados peritricos ligados al floculo o los ciliados hypotricos asociados con la superficie del floculo, es menos probable que sean eliminados del sistema junto con el efluente de los ciliados que nadan libremente. Por tanto la capacidad de una especie de protozoos para establecerse y mantenerse en el sistema depende del nicho físico (espacial) que ocupa. Las bacterias son principales responsables de la depuración, los protozoos predadores juegan un papel secundario pero significativo en la producción de efluentes clarificados.
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Estructura de los flóculos Las bacterias para hacer retenidas una planta tiene que ser capaces de formar un floculo discreto sedimentable o ser atrapadas dentro de el. El floculo pude considerarse en principio formado como resultado combinado de la actividad biologicay de las fuerzas físicas. Las bacterias en los fangos activados son consideradas biocoloides hidrofilicos. La floculación de las bacterias está causada por polielectrolitos de origen natural (ácidos húmicos) o sustancias excretadas de la superficie celular de las bacterias (complejos de polisacáridos y glucoproteinas). Estos polímeros extracelulares son muy importantes en la biofloculacion del fango activado. El flóculo de fangos activados se puede considerar dos niveles de estructura: La microestructura: Del floculo es conferida por los procesos de agregación y biofloculacion. Constituye la base de la formación de floculo, y da lugar a la formación de flóculos normalmente Pequeños (menores de 75 ) esféricos y compactos, aunque débiles y fácilmente afectados por la turbulencia del reactor. La macroestructura: del floculo es proporcionada por microorganismos filamentosos. Estos organismos forman una red sobre la cual se fijan los flóculos, originando flóculos grandes, fuertes y resistentes a la turbulencia del reactor. Los flóculos grandes conteniendo organismos filamentosos suelen ser de forma irregular, en vez de ser como la anterior. En función del nivel de bacterias filamentosas pueden 3 diferentes tipos de flóculos: 1. Floculo ideal: Cuando la proporción de bacterias formadores de flóculos y bacterias filamentosas es la correcta se formaran flóculos, compactos, densos y grandes que sedimentaran fácilmente en el decantador secundario dando lugar a un fango concentrado y un sobrenadante limpio (Figura 12ª). 2. Floculo punta de alfiler: Cuando prácticamente no existen bacterias filamentosas, existiendo solo microestructura. Los flóculos son pequeños y débiles. Los flóculos grandes sedimentan rápidamente pero los pequeños no sedimentan bien, originado una sobrenadante turbio (Figura 12b). 3. Bulking: Tiene lugar un predominio de las bacterias filamentosas, las cuales crecen dentro y fuera de los flóculos, impidiendo que se aproximen. Son fuertes y grandes pero las bacterias filamentosas infieren en la sedimentación y compactación. El sobrenadante producido es extremadamente claro ya que las partículas pequeñas son filtradas y fijadas sobre la estructura filamentosa (Figura 12c).
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Figura 12. Efecto de la presencia de bacterias filamentosas sobre la estructura de fango activado. Problemas de separación en el proceso de fangos activados La separación de los sólidos del agua tratada tiene lugar normalmente por sedimentación, estando la mayoría dentro de los problemas de separación asociados a fallos en la formación de la microestructura o de la macroestructura del floculo. Los principales problemas son:
Crecimiento disperso: No se produce la bioflocualcion de los microorganismos, dando lugar a un efluente turbio. Bulking viscoso: Se produce un fallo en la microestructura por un exceso de polímeros extracelulares. Las células se encuentran dispersas en una masa de material extracelular, dando lugar a un fango viscoso con problemas de sedimentación y compactación. Flóculo punta de alfiler: Aparece por un fallo en la macroestructura del floculo debido a la ausencia o a una proporción excesivamente baja de bacterias filamentosas. Los flóculos pueden romperse fácilmente, dando lugar a floculos pequeños que son arrastrados con el efluente. Bulking filamentoso: Fallo en la macroestructura por un exceso de organismos filamentosos. Mantiene los flóculos separados, haciendo que la sedimentación y la compactación sean muy difíciles. En casos muy severos, la manta de fangos puede sobrepasar la altura del vertedero del clarificador, saliendo estos con el efluente. Foaming o formación de espumas: Están asociados a dos tipos de bacterias filamentosas: Nocardia ssp y Microthrix parvicella. Ambos microorganismos tienen superficies celulares muy hidrofóbicas, situándose en la superficie de las burbujas de aire, estabilizando las burbujas y formando espumas que ascienden a la superficie donde tienden a acumularse formando una capa espesa de color marrón.
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Flotación de los fangos: La formación de N2 gas (muy poco soluble en agua) en el decantador secundario debida a un proceso de desnitrificación, puede provocar la flotación de los fangos. Este problema se agrava cuando la fango desnitrificante tiene una proporción elevada de bacterias filamentosas. Es importante el control de la concentración de nitritos en el efluente del reactor de fangos activados para evitar este problema. Se identifica fácilmente el problema por la observación de pequeñas burbujas de gas en el clarificador y, en caso de presencia de bacterias filamentosas, se encuentran en la misma proporción en el licor mescla y en las espumas.
Factores que influyen en el crecimiento de bacterias filamentosas El control efectivo de los problemas de sedimentación de fangos se basa en la identificación de los organismos que lo causan y en la eliminación de las condiciones que favorecen su crecimiento.
Figura 13. Bacterias filamentosas en fangos activados: a) Microthrix parvicella. b) Sphaerotilas natans, c) Thiothrix s.p. y d) Nocardia s.p.
Digestión aerobia de fangos La digestión de los fangos biológicos procedentes de la depuración de las aguas residuales tiene como objetivo: Producir un producto estable que pueda ser llevado a vertedero o bien utilizando como fertilizante. Reducir la masa y el volumen que debe verterse. M. En I. María Del Carmen García Araiza
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La digestión aerobia efectúa las dos funciones indicadas mediante microorganismos aerobios y facultativos, usando oxígeno y obteniendo energía en la materia orgánica biodegradable y, fundamentalmente, de la degradación de protoplasma celular (fase endógena). Los productos finales de esta digestión son dióxido de carbono, agua y materias no degradables. También se oxida parte del amoniaco a nitritos y nitratos. Solo el 75-80% del tejido celular puede ser oxidado. El 20-25% restante lo construyen los compuestos orgánicos y componentes inertes no biodegradables. La digestión aerobia debe contemplarse como una extensión del proceso de fangos activados donde se lleva acabo la degradación de materia orgánica suspendida biodegradable presente en el fango junto con la degradación de las células en condiciones endógenas. La digestión aerobia se utiliza en platas de tamaño medio pequeño. El proceso se realiza normalmente con bajas cargas orgánicas y largos tiempos de retención. Si solo se lleva a cabo la digestión de fangos biológicos, el oxigeno requerido no es muy elevado, especialmente si se utilizan tiempos de retención elevados en el proceso biológico previo. La cantidad final de fangos es reducida, pues solo produce una sustancial disminución de la cantidad de sólidos durante la fase de respiración endógena. La mezcla de fangos primarios y secundarios provoca un incremento en las necesidades de oxigeno del proceso de digestión aerobia de hasta nueve veces es necesario para la digestión aerobia de solo fangos secundarios, ya que habrá oxidación directa de la materia orgánica contenida en el fango primario. Criterios de diseño Para un correcto diseño de un sistema de digestión aerobia es necesario considerar una serie de factores
El primero la cantidad y características de los fangos a digerir, depende de las características del agua bruta y del proceso de depuración utilizado. Otros factores son: Tiempo de retención hidráulico para una eficiencia de eliminación dada, criterios de carga del proceso, necesidades de oxigeno, necesidades de energía para el mezclado, condiciones ambientales y funcionamiento del proceso.
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En la Tabla 12 se recogen valores típicos de diseño para estos digestores. Tabla 12. Valores típicos de diseño para digestores aerobios
a)
Los tiempos de retención indicados deben aumentarse para temperaturas por debajo de los 20ºC. Si el fango no puede ser extraído durante ciertos periodos (p. ej., fines de semana tiempo lluvioso) debe preverse una capacidad adicional de almacenamiento. b) Se utilizan tiempos de retención similares a los primarios únicamente. c) El amoniaco producido durante la oxidación carbonosa se oxida a nitrato. Espesamiento La concentración de los fangos es un factor importante tanto en el diseño como en el manejo de la planta. Su máxima influencia se produce sobre el tiempo de retención. A mayor concentración de fangos en la entrada al digestor aerobio mayor tiempo de retención para un volumen del reactor dad. A mayor tiempo de retención mayor estabilización de los fangos ya mayor reducción de volúmenes. Diseño de tratamiento El diseño de la digestión aerobia de fangos está basado en la obtención del tiempo de retención necesario para alcanzar una reducción dada del contenido en SSV presentes. Para un fango normal son necesario entre12 y 15 días para obtener una estabilización suficiente de los fangos biológicos. Si se desea que la materia resultante tenga unas características muy bunas para la deshidratación, pueden ser necesario 10 días más. La eliminación de SV es lineal hasta un valor de un 40% aproximadamente en un tiempo de retención de 10-12 días. A partir de esos valores la tasa de eliminación disminuye. A 20°C de temperatura no cabe esperar una reducción de sólidos significativa a partir de 20 días de tiempo de retención. Las reducciones típicas de SSV varían del 35 al 45% en 10 a 15 días a temperaturas de 20°C o mayores. M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Una forma simple de llevar a cabo el diseño de este tipo de sistemas se basa en no considerar la biomasa autótrofa proveniente del tratamiento secundario previo y considerar que se producirá la nitrificación completa. La Figura 32 esquematiza un proceso de digestión continua de fangos. Estableciendo un balance de microorganismos heterótrofos en el reactor se obtiene:
Figura 32. Esquema de reactor de digestión aerobia de fangos. St0 es la DQO biodegradable de los fangos, excluida la asociada a los microorganismos heterótrofos procedentes del tratamiento secundario, g/m3. Se obtiene sumando la DQO biodegradable soluble y suspendida contenida en los fangos activados primarios más la DQO biodegradable soluble contenida en los secundarios. XH0 es la concentración en el caudal de fango a tratar de microorganismos heterótrofos procedentes del tratamiento biológico, g DQO/m3. Temperatura y alcalinidad Una disminución de la temperatura provoca una disminución en la cantidad de sólidos eliminados. Este problema puede evitarse aumentando el volumen del tanque con el correspondiente incremento en el costo de construcción y explotación. Generalmente en climas muy fríos es necesario admitir unos grados de eliminación de sólidos muy distintos en épocas frías y calientes, pues los incrementos de volumen en el tanque resultan antieconómicos. El proceso digestión aerobia se produce la oxidación del nitrógeno amoniacal (nitrificación), produciéndose una disminución de la alcalinidad del agua. Si la alcalinidad presente no es suficiente, se puede producir una disminución no deseable del PH. Para evitar estas condiciones desfavorables de PH, puede ser necesario la adición de cal u otros reactivos.
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Método Continuo Supone la separación discontinua del fango digerido.El fango a digeriri se introduce en un tanque provisto de un sistema de aireación.En el tanque se encuentra fango ya digerido de forma que sólo se introduce un volumen de fango sin digerir del 7 al 15% de volumen del mismo. Segun el grado de digestión deseado, se somete a todo el fango a una aireación y mezcla intensivas.Posteriormente y tras un período de reposo de 2 a 4 horas se extrae el liquido sobrenadamente en un volumen similar al llenado inicialmente y se introduce un volumen similar de fango sin digerir,repitiendose el proceso(Figura 33).
Figura 33.Esquema de tratamiento aerobio discontinuo Método Continuo Es necsario disponer de un espesor después del digestor para efectuar la separación en que el método discontinuo se efectuaba en el propio tanque de digestión.El fango espesado sule tener concentraciones en sólidos del orden de 2-3%.Es conveniente concentrar el fango digerido al máximo,para disminuir el volumen de fangos a transportar a su vertido final.
CALIDAD DEL SOBRENADANTE El sobrenadante se caracteriza por una baja DQO soluble y un alto contenido en SS.Esto hace que no sea conveniente su vertido directo con un efluente depurado.Normalmente se recircula hacia el tanque de sedimentación primaria ,si lo hay,o directamente al tanque de aireación.Este sobrenadante contiene el N y P procedente de la mineralizaciñon de los SSV.
CARACTERÍSTICAS DEL TANQUE DE DIGESTIÓN El número de tanques de digestión conviene que sea de dos,para permitir su reparación y mantenimiento sin interrumpir la marcha de la planta.
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Los tanques generalmente son rectangulares,con caraterísticas similares a los tanques de fangos activados de mezcla completa.El resguardo debe de ser como mínimo de 0.9 a 1.2 m,fundamentalmente,para prever la formación de espumas y evitar su vertido.
SISTEMAS DE AIREACIÓN Los sistemas básicos utilizados para la aireación y mezaclado del tanque en los procesos de digestión aerobia del fango son los dos usualmente utilizados en los sistemas de fangos activados. o
Difusores de aire
Generalmente para satisfacer las necesidades de oxígeno es suficiente con 15 a 20 de aire por 1000 de tanque.Para asegurar una buena mezcla son necesarios de 20 a 40 de aire por 1000 de tanque. Frente a los aireadores mecánicos superficiales, las ventajas de los difusores de aire son: o
Mayor transferencia de oxígeno para la misma potencia y más facil control de la cantidad transferida. La formación de espumas no afecta a la transferencia de oxígeno. Menor pérdida de alcalinidad asociada a la nitrificaión,debido a un menor arrastre del del sistema. Aireadores mecánicos superficiales
Estos presentan una eficacia de transferencia de oxígeno relativamente alta aunque siempre menor que los difusores.La ventaja fundamental de los aireadores mecánicos supeficiales y económico mantenimiento.Sus desventajas son:
Peor control de la oxigenación incluso con variadores de velocidad. Su eficinecia en la transferencia de oxígeno esta afectada seriamente por la aparición de espumas. Las pérdidas de calor durante la temporada fría pueden ser muy importantes .
TRATAMIENTO ANAEROBIOS DE CULTIVO EN SUSPENSIÓN Un proceso biológico se define como anaerobio cuando no está presente ni oxígeno ni nitrato.Este tipo de procesos es llevadoa cabo por un amplio grupo de microorganismos que actúan de forma simbiótica.Los principales microorganismos implicados son bacterias. La mayor parte de las bacteias que intervienen son estrictamente anaerobias, por lo que la presencia de oxígeno en le medio provoca su desaparición (bacterias metanogénicas).
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Los procesos anaerobios se dan en tres pasos sucesivos(Figura 34): Hidrólisis:Proceso de transformación de moléculas de gra tamaño en moléculas pequeñas, realizada mediante la acción de enzimas extracelulares producidas por microorganismos.Tiene lugar la hidrólisis tanto de la materia particulada como de la disuelta.Este proceso es relaizado fundamentalmente por las bacterias acidogénicas(heterótrofas anaerobias). Fermentación:Proceso de transformación de la materia orgánica compuesta por moléculas de tamaño pequeño,fundamentalmente disuelta ,en un mayor conjunto de ácidos volátiles de cadena corta ( los más comunes son le acético,el porpiónico y el butírico),gases(pricipalmente anhídrido carbónico,hidrogenoy nitrogeno),nuevas células y otros productos. Metanogénesis:Proceso que consiste en la conversión,por acción de bacterias anaerobias estrictas,que reciben el nombre de metanogénicas,de los ácidos orgánicos volátiles y le hidrogeno en metano y otros productos simples(anhídrido carbónico,agua,amonio).
Figura 34.Esquema simplificado de las distintas fases de los procesos anaerobios
REACCIONES BÁSICAS DE LOS PROCESOS ANAEROBIOS El proceso de fermentación,a partir del cual se produce fundamentalmente ácido acético e hidrógeno,puede ser representado en forma simplicada asumiendo como fuente de materia orgánica la glucosa,por las ecuaciones siguientes:
5 4
2 +2
+
CHOH
COOH+4
O
COOH + 3 (100)
COOH +
OH +
Expresión que puede ser escrita en forma simplificada como:
3
COOH
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(101)
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La producción de metano se realiza por medio de dos procesos:
COOH 4
+
+
+
(102)
O
(103)
De forma simplificada la conversión de glucosa en metano puede ser escrita como:
3
+3
(104)
En esta ultima expresion la relación molar entre dióxido de carbono y metano es 1.Este valor puede diferir de las características de la materia orgánica involucrada, pudiendo ser tanto como menor que 1.Dado que unaparte muy importante del dióxido de carbono se mantien disuelto el contenido de metano en el gas producido es mayor por medio de la ecuación que representa la ecuación correspondiente.
ANÁLISIS DE LOS POCESOS ANAEROBIOS Si se desprecia la producción de metano a partir de y ,los distintos procesos reflejados en la figura 34 pueden ser descritos con ecuaciones simplificadas. Hidrólisis La velocidad de hidrolisis de la materia orgánica suspendida original puede ser representada por una ecució del tipo:
(105) Donde: :velocidad de hidrolisis
,g DQO /
:velocidad máxima de hidrolisis de
d. ,
:DQO suspendida o disuelta de gran tamaño molecular biodegradable ,g DQO/ :constante de semisaturación de la relación :concentración de bacterias acidogénicas, g DQO /
d.
para el procesos de hidrolisis. d.
El resultado del proceso de hidrólisis descrito por la ecuación (105) da lugar a un incremento en el contenido de la materia orgánica soluble que por fermentación puede ser transfromada en ácidos volátiles de cadena corta, .La cantidad de Sf generada por este proceso coincide con la hidrolizada, por lo que = (velocidad de generación de por hidrólisis).
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Fermentación Como resultado del proceso de fermentación de producen un crecimiento de las bacterias acidogénicas que son las responsables de este proceso.La velocidad de crecimiento de estas bacterias puede drecribirse matemáticamnete en froma similar a la ya vista para bacterias heterótrofas:
(106) Donde: :veelocidad de crecimiento de las bacterias acidogénicas ,gDQO/
d.
:velocidad máxima específica de crecimiento de las bacterias acidogénicas, :constante de semisaturación de
para el proceso de fermentación, gDQO/
. .
La velocidad de fermentación o de desaparición de para transformarse en (ácidos grasos volátiles de cadena corta) y bacterias acidogánicas,puede ser descrita por una ecuación del tipo:
(107) Donde: :velocidad de fermentacion de
en
,g DQO/
d.
:coeficiente de producción de biomasa acidogénica por unidad de DQO biomasa formada/ g DQO fermentada.
fermentada,g
La velocidad de generación de por fermentación de obtiene directamente del balance de DQO,pues se transforma en y ,mediante la expresión:
(108)
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Metanogénesis El resultado de la ecuación del proceso de fermentación en un incremento en el contenido de ácidos colátiles de cadena corta, ,puede ser descrita por una ecuación del tipo:
+
-1
(109)
Donde: :velocidad de crecimiento de las bacterias metanogénicas, g DQO/
d.
:velocidad máxima específica de crecimiento de las bacterias metanogénicas, :cte de semisaturación para :cte de inhibición para
en el poceso de metanogénesis, g DQO/
en el proceso de metanogénesis, g DQO/
:concentración de bacterias metanogénicas, g DQO/
.
.
.
.
La ecuación (109) tiene en cuenta el efecto de inhicivión que una excesiva concentración de puede tener sobre el proceso de metanogénesis.Esta expresión simplifica el efecto de inhibición puede darse por una excesiva concentración de (sin disminución significativa de ph en aguas de suficiente alcalinidad) o por la disminución del ph asociada a una concentración no muy elevada de (en aguas de baja alcalinidad).Por este motivo el valor de la constante de inhibición es muy variable(alto para las aguas con alcalinidades elevadas y bajo para aguas con alacalinidades bajas). La velocidad de desaparición de para transformarse en (metano) y bacterias metanogénicas,puede ser descrita por una ecuación cinética del tipo:
=
[ 1+
+
]-1
(110)
Donde: :velocidad de eliminación de SA en el proceso de metanogenesis g DQO/ :coeficiente de producción de biomasa metanogénica por unidad de DQO biomasa formada / DQO fermentada.
d. eliminada, g
La velocidad de generación de por metanogénesis se obtiene directamente del balance de DQO,pues se transforma en y mediante la expresión:
=(
– 1)
[ 1+
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+
]-1
(111)
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La producción de se obtiene del correspondiente balance de carbono puesto que se transforma en metano y bacterias metanogénicas.El contenido del carbono en las bacterias metanogénicas es de 0.031 g de C/g de DQO biomasa.Una parte muy importante del (del orden del 66%)queda disuelto y sale con el efluente,el resto se obtiene como gas y sale del sistema junto con el metano y otros gases.
COEFICIENTE DE PRODUCCIÓN DE BIOMASA EN LOS PROCESOS ANAEROBIOS Es diferente para cada uno de los disitintos grupos de bacterias involucradas en este tipo de procesos.
Para las bacterias acidigénicas el coeficiente de producción es del orden de 0.15-0.25 g DQO bimasa/g DQO soluble eliminada. Para las bacterias metanogénicas el coeficinete de producción es del orden de 0.04-0-05 g DQO biomasa/g DQO eliminado. En conjunto para la totalidad del poceso el coeficinete de producción de biomasa es del orden de 0.20-0.30 g DQO biomasa/g DQO eliminada.El coeficiente de producción de biomasa es lógicamente menor que el anterior siendo del orden de 0.05-0.10 biomasa/g DQO eliminada.
COEFIENTES CINÉTICOS EN LOS PROCESOS ANAEROBIOS Un valor orientado de los disitintos coeficientes que aparecen en las ecuaciones (105) a (111) puede verse en la tabla 13.
Tabla 13.Valores de los párametros cinéticos de los mismos procesos anaerobio.
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NECESIDADES DE NUTRIENTES Y ALCALINIDAD EN LOS POCESOS ANAEROBIOS Las necesidades del nitrogeno y el fósforo para síntesis de los microorganismos son similares a las de los procesos anaerobios (0.087 g de N/g de DQO biomasa, 0.017 g de P/g de DQO biomasa).Las necesidades de azufre son mucho mayores que las corespondientes al caso del los procesos aerobios,pues son de 0.011 g de S/g DQO biomasa. El proceso de fermentación provoca una educción de la alcalinidad,y le de matanogénesis un incrmento.El conjunto de ambos procesos da lugar a una ligera disminución de lacalinidad.En aguas con baja alcalinidad esta disminución puede provocar una bajada significativa de ph que inhiba el proceso de metanogénesis y por tanto detendrá el proceso anaerobio de eliminación de DQO.
INFLUENCIAS DE DISTINTAS VARIABLES AMBIENTALES SOBRE LOS PROCESOS ANEROBIOS o
Temperatura
La dependecia de la temperatura para los tratamientos anaerobios puede verse en la Figura 35.Debido a que la maxima velocidad de crecimiento de los microorganismos anaerobios es muy baja es necesario utilizar tiempos de retención hidráulico y celular muy grandes,por lo que incrementar la temperatura del proceso y,por tanto su velocidad,puede permitir menos costes.
Figura 35.Evolución de la máxima velocidad especifica de la eliminación del sustrato con la temperatura en tratamientos anaerobios.
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o
pH
El rango adecuado de ph para los procesos anaerobios esta entre 6 y 8.Las bacterias metanogénicas son muy sencibles a los bajos de ph, disminuyendo muy rápidamente su velocidad de crecimiento para ph inferior a 6, quedando detenido el proceso para ph igual o inferior a 5.5. Tipos de Reactores Anaerobios Cabe destacar el tiempo de retención celular,que en este caso es muy grande debido a un crecimiento biológico muy bajo(del orden de diez veces menor que en los procesos aerobios). Normalmente éste es le principal incoveniente,ya que tradicionalmente se han diseñado los digestores sin recirculación con lo que el tiempo de retención celular coincide con el de retención hidráulica( ). Para conseguir aumentar el tiempo de retención celular sin incrmentar el tamaño de los reactores puede seguirse dos caminos: 1-Recirculación:separando la biomasa del efluente, por procedimiento(decantación,flotación) e incorporandola de nuevo al proceso.
cualquier
2-Filtrado:reteniendo la biomasa dentro del proceso utilizando filtros o cualquier otro tipo de soporte sólido. Teniendo en cuenta el esquema de operación de los diferentes sistemas, los procesos convencionales o en medio líquido de podrían clasificar en: a)Mono-etapa El digestor monoetapa (Figura 36) consiste esencialmete en un reactor continuo de tanque agitado.Se admite que la concentración de biomasa en la salida es la misma que en el interior del reactor.Por ello,si la carga orgánica de la coriente a tratar es baja,la velocidad de crecimiento de los microorganismos en le reactor puede ser menor que la velocidad de salida de éstos.Este reactor no permite el tratamiento de cargas volumétricas elevadas (Kg DQO/ digestor/día).Es un sistema adecuado para el tratamiento de efluentes concentrados (2-8% de sólidos),con una cantidad significativa de sólidos no biodegradables.El efluente de este digestor suele ser conducido a una segunda etapa,denominada digestor secundario,donde se produce la decantación y espesado de los fangos.Esta etapa es utilizada normalmente como depósito del gas producido. Su principal aplicación se encuentra en el tratamiento de los fangos procedentes de otros procesos de tratamiento de aguas.
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Figura 36.Digestor mono-etapa b)Contacto El porceso de contacto(Figura 37) permite mantener una mayor concentración de microorganismos en el sistema debido a la recirculación de los lodos de salida que se concentran en el decantador.Por ello,en este sistema,el tiempo de retención celular en el fermentador es superior al tiempo de residencia hidráulico,utilizándose tiempos de residencia hidráulicos inferiores al tiempo de generación de las bacterias matanogénicas.Este esquema de tratamiento permite trabajar con caragas orgánicas mayores.Esta carga está limitada por la cantidad de biomasa que se puede retener en el reactor que,a su vez ,depende de la eficacia de los sistemas de reciclado y decantación de los lodos.
Figura 37.Procesos de contacto
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La eficiencia del decantador depende de numerosos factores.entre otros de la presencia de metano y dióxido de carbono en el efluente.Al entrar el clarificador se produce un desprendimiento de estos gases que tendría a hacer flotar a sólidos en suspensión. La relación de redicirculación se encuentra normalmente en le intervalo 2-4.La concentración de SSV se suele mantener entre 3000 y 4000 mg/L. c)Sistemas Multiples Dado que la digestión anaerobia tiene lugar debido a la acción de diversos grupos bacterianos,se desarrollo en concepto de sistema en ´´dos etapas´´,que el que se realizan las etapas acidogénica y la metanogénica en disgestores diferntes,(Figura 38),aplicando al digestor acidificación un tiempo de residencia hidráulico inferior al tiempo de generación de las bacterias acidogñenicas.
Figura 38.Sistemas en dos etapas
DIGESTIÓN ANAEROBIA DE FANGOS Los primer digestores anaerobios,denominados convencionales,,exigían grandes volúmenes pues sus tiempos de retención oscilaban entre 30 y 60 dias.En este tipo de digestores se producia una estratificaión. Los digestores actuales (Figura 39) sule estra diseñados de forma en que en ellos se produce una mezcla completa,bien con agitadores bien por burbujeo del propio gas producido.La mezcla completa provoca condiciones más favorables para la digestión anaerobia,lo que permite reducir notablemente los tiempos de retención a 15-20 dias si se desea un grado de digestión normal o 20-30 dias si se desea una estabilización total del fango.Tras la mezcla completa es necesaria una segunda camara que permita separar el fango digerido del sobrenadante,a la que se le denomina digestor secundario o depósito tampón.
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Figura 39.Esquemas de digestores anaerobios de fangos El diseño de un sistema de digestión anaerobia de fangos supone considerar una serie de factores.El primero es evidentemente la cantidad y caracteristicas de los fangos a digerir.que depende de las caracteristicas del agua bruta y del proceso de depuración utilizado.
ESPESADO PREVIO El fango primario tiene concentraciones de sólidos que oscilan entre el 5 y el 10%.En el fango activado estas concentraciones varian entre el 1 y el 3%.En general es recomendable el uso de espesadores a la digestión anaerobia. Las ventajas del espesamiento previo son:
Menores necesidades de calor. Menores requisitos de energía para mezclado,por el menor volumen. Menor dilución del sustrato biológico. Mejor control del porceso.Por la mejor dilución tampón alacalina y,portanto,mayor estabilidad. Menor producción de sobrenadante,lo que hace factible su recirculación a cabeza de planta.
El espesamiento hace posible pues trabajar orgánicas,disminuyendo el volumen total del digestor.
con
mayores
caragas
La maxima concentración de sólidos en el fango de sedimentación que es factible obtener sin un coste economico prohibitivo oscila sobre 10-12%.
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DISEÑO DEL TRATAMIENTO El diseño de este tratamiento se realiza de forma muy similar a la digestión aerobia,estableciendo el tiempo de retención necesario para conseguir una eliminación de SSV dada.En la digestión de estos fangos hay que tener presente que por una parte se produce una eliminación de SSV biodegradables que incluyen los microorganismos aerobios procedentes del tratamiento biológico previo,y simultaneamente se generan microorganismos anaerobios. Considerando como esquema del proceso el de la figura 39,y palnteando los corespondientes balances de sustratos y microorganismos anaerobios,se llega a un sistema explícito de ecuaciones cuya resolución permite establecer,para un valor de tiempo de retención celular,dado que en este caso coincide con le hidráulico,las concentraciones finales de los distintos componentes del modelo asi como la producción de metano esperada. Cabe recordar que en los procesos anaerobios se consideran dos tipos de bacterias,las acidogénicas( ) que lleva acabo los prcesos de fermentación y de producción de ácidos volátiles,y las metanogénicas( ) que convierten estos últimos en matano.
TEMPERATURA Hay dos tramos de temperatura para los que el rendimiento de la digestión anaerobia es importante.El primero,denominado, mesofilico,,comprende el intervalo 30-38 C y valor más utilizado se sitúa hacia los 35 .El segundo se denomina termofilico y su intervalo de opreción es normalmente 50-60 , aunque 54 suele ser la temperatura más alta a la que se mantiene un digestor. Generalmente los digestores funcionan dentro del tramo mesofilico y con una temperatura próxima a los 35 C.
CALIDAD DEL SOBRENADANTE En los digestores de mezcla completa los fangos son separados por gravedad en el segundo tanque(digestor secundario).El sobrenadante se extrae a través de una toma colocada a una altura fija. El sobrenadante tiene una DQO muy alta,de 2000 a 6000 mg/L y nos SS elevados,de 4000 a 15000 mg/L.Se recircula generalemente a la unidad de depuración biológica pricipal y debe ser tenido en cuenta en le diseño.
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DISEÑO DE LOS DIGESTORES Los elementos del tanque de digestión deben diseñarse de forma que se minimicen los efectos de las variaciones en la carga de fangos,pero con un límite económico. o
Numero De Tanques
Es deseable que el numero de tanques de digestión(primarios) sea la menos dos,pues permite una mayor flexibilidad en le funcionamiento y hacer frente a posibles problemas mecánicos o de otro tipo que puedan presentarse. o
Tipos De Cubiertas
En la digestión anaerobia se utilizan tanques cubiertos con el fin de recoger el gas,minimizar olores,estabilizar la temperatura interna del digestor y mantener las condiciones anaerobias.Además,las cubiertas pueden soportar el equipo de mezclado.Se utilizan dos tipos de básicos de cubiertas,fijas y flotantes (Figura 41). Las cubiertas flotantes pueden ser de dos tipos.El primero apoya directamente sobre el fango y no permite almacenar practicamente gas.El segundo tipo tiene unos faldones laterales en todo su entorno,lo que permite almacenar cantidades importantes de gas.Esto hace que se utilicen normalmente en los gasómetros,utilizados para el almacenamiento del gas producido.Las cubiertas flotantes generalmente se construyen de acero. Las cubiertas fijas,con formas plana o de domo,se construyen en hormigón armado,hacer o poliéster reforzado con fibra de vidrio. Las cubiertas flotantes presentan las siguientes ventajas:
Mas flexibilidad de funcionamiento,pues el volumen es variable. Se minimiza el peligro de la mezcla de oxígeno y metano para fromar una mezcla explosiva. No se requiere un dispositivo para la rotura y mezcla de la capa de espuma,grasas,etc. Se puede almacenar gas en la cubierta.
La desventaja básica de la cubierta flotante es su elevado coste.Todas las cubiertas deben llevar válvulas de seguridad contra presiones excesivas y vacío,tuberias para tomas de muestras y la menos dos pozos de entrada para reparaciones e inspecciones.
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Figura 41.Esquema de (a) digestor de cubierta fija,(b)digestor de cubierta flotante,y (c) gasómetrico o
Geometria De Los Tanques
La configuarción de los digestores puede ser cilíndrica,rectangular,u ovoide.siendo la cilíndrica la más común (Figura 41).Los tanques rectangulares solo se usan cuando existen problemas de espacio,,aunque son dificiles de operar debido a sus malas caracterisiticas respecto del mezclado. Los diametros de los tanques circulares oscilan entre 8 y 35 m y la profundidad en el centro entre 6 y 14 m.El fondo del tanque debe tene una pendiente minima de 1:6 a 1:4 hacia los desagues o tomas de fondo para la evacuacion de arenas.
Figura 42.Esquema de digestor ovoide
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Con el fin de evitar problemas asociados a la acomulación de arenas en el fondo y la flotación de espumas en la superficie se han desarrollado los digestores ovoides que presentan una capacidad de mezclado mayor,simplificando las operaciones de limpieza y mantenimiento(Figura 42). o
Mezclado De Digestor
La mezcla es necesaria en la digestión por las razones siguientes:
Distribuir el fango sin digerir para permitir su más facil digestión. Mantener la temeratura unifrome y evitar la estratificación. Distribuir el tampón alcalino y ayudar el control del ph. Minimizar la concentración de materias de inhibidoras. Minimizar la formación de espuma,costras,etc.
Los sistemas utilizados para la mezcla del contenido del digestor son muy variados.Un sistema se considera adecuado si la varición de la concentración entre dos puntos cualesquiera del tanque no supera el 10%. o
Agitación Mecánica
Existe una gran variedad de sistemas en funcionamiento de entre los cuales cabe destacar el mezclado por grupos motobombas exteriores,en los que el fango es aspirado en distintos puntos del interior del digestor e introducido de nuevo e gran velocidad,provocando una turbulencia que asegura el mezclado(Figura 43a). Dado que es necesario el calentamiento externo del fango, se aprovecha su reintroducción para el mezclado del tanque.La entrada de fango recirculado se realiza mediante tubos que producen la descarga tangencialmente al fondo del deposito y en dirección contaria la centro para forzar u movimiento de remolino.
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Figura 43.Sistemas de mezclado de digestores a)de agitación mecánica y b)por recirculación de gas Recirculación Del Gas Es un método de mezclado que esta empezando a ser muy común hoy dia.El gas que es producido en el digestor primario es comprimido e impulsado de nuevo al digestor.Existen dos tipos de sistemas.El primero consta de un conjunto de difusores distribuidos uniformemente por le fondo,especialmente en el perímetro, burbujean de manera continua.El segundo consta de un conjunto de tuberias de descarga colocadas adistintas profundidades y que son accionadas independientemente,pasando a traves todo el caudal de gas (Figura b). Para calcular el caudal de gas necesario,una vez establecida la potencia teórica apartir del número de puntos de mezcla y del volumen del tanque,se utiliza la expresión:
Donde: :caudal de gas a impulsar (
/s)
E:potencia teórica necesaria(W) 2.4:cte empírica P1:predión absolutadel gas en la campana (m.c.a) P2:presión del gas en el punto de inyección =P1+altura útil del agua(m.c.a). 10130:factor Pa/m.c.a M. En I. María Del Carmen García Araiza
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El gas es comprimido mediante un compresor,con calderín de almacenamiento y válvula de retención para impedir el retorno del gas produciod en el interior del digestor.El compresor se selecciona tal que sea capaz de impulsar un caudal con un . o
Calefacción Del Gas
La calefacción del digestor realiza para mantener la temperatura en el proceso de digestión.El diseño del sistema de calefacción se realiza mediante un balance térmico que debe de tener en cuenta del calentamiento del fango y las pérdidas de calor. Pérdidas de calor Las pérdidas de calor a través del tanque depende de su forma,material y temperatura interna y externa.Para tanques cilindricos la forma más adecuada es aquella en que el diámetro es igual ala profundidad.Las perdidas pueden expresarse como: ∑
Donde: :pérdidas de calor en el tanque (kcal/h) :coeficiente de transferencia de calor de la supeficie i (kcal/ :área al exterior de la superficie i ( :temperatura dentro del tanque(
h
).
). ).
:temperatura exterior de la superficie i (
).
El coeficiente depende del material y del espesor del tanque.Para una pared constituida por varios materiales puede calcularse mediante:
∑ Siendo :espesor del material j (m). :conductividad térmica del material j(kcal/m h
).
La temperatura en el interio del tanque sules ser de 35 .La temperatura en el exterior del tanque puede tomarse como la medida en el periodo de las dos semanas más frias del año.
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Tabla 15.Coeficientes de transferencia de calor para distintos materiales
Necesidades de calor de los fangos sin digerir La expresión del las necesidades de calor del fango sin digerir es:
=M
( - )
Donde: :cantidad de calor requerido (kcal/h). M:caudal másico de fangos (kcal/h). :calor específico, kcal/kg/ (puede tomarse el del agua = 1 kcal/kg/ ). :temperatura del fango en el tanque :temperatura del fango en la entrada Como temperatura del fango que penetra en el tanque pude tomarse la medida de la temperatura del agua residual duante las dos semanas más frías del año.
LAGUNAJE El tratamiento de aguas residuales conocido con el nombre de lagunaje es un proceso por el cual las aguas son vertidas en estanques de tierra impermeabilizados de configuraciones variadas,generalmente extensos y poco profundos,donde son tratdos por métodos totalmente naturales(Figura 44).
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El oxígeno necesario en los estanques se obtiene por reaireación natural a través de la superficie y de la reacción de fotosintesis de las algas.El oxígeno producido por la algas es utilizado por las bacterias aerobias para la degradación de la materia orgánica presente en las aguas residuales.Los productos de esta degradación son utilizados de nuevo por las algas,existiendo por lo tanto una relación simbiótica entre algas y bacterias.
Figura 44.Vista de lagunaje típico Las cuatro principales características del lagunaje son:
Tinen una gran inercia.El elevado tiempo de residencia del agua hace que las lagunas presenten una elevada resitencia a las variaciones bruscas de la carga orgánica o hidráulica. La sedimentación primaria se produce al mismo tiempo que la degradación de la materia orgánica. La degradación de la materia orgánica se consigue bien por oxidación aerobia,debida fundamentalmente a la actividad simbitica de bacterias y algas,bien mediante procesos anaerobios. No se utilizan medios mecánicos,bien sea de aireación o agitación,para mantener unas condicones aerobias en las lagunas,por lo que los costes de manteniemiento son reducidos.
TIPOS DE LAGUNAS La clasificación mas frecuente de las lagunas de estabilización se basa en el dominio relativo de uno de los procesos (anaerobio y aerobio) de eliminación de la materia orgánica. En base a esto las lagunas de denominan anaerobias,facultativas y aerobias.
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Lagunas anaerobias:Trabajan con altas cargas orgánicas consiguiendose la eliminación de la materia orgánica casi exclusivamente mediante procesos anaerobios.En estas lagunas la sedimentación de los sólidos sedimentables y la flotación natural de los flotantes son támbien operaciones importantes de tratamiento.Las lagunas anaerobias son alimentadas con agua residual bruta,aunque en algunas ocasiones el agua residual es sometida a un pretratamiento. Lagunas facultativas:Funcionan con cargas orgánicas más reducidas que las anteriores,permitiendo el desarrollo de algas en las capas superiores donde se dan unas condiciones aerobias debido al oxígeno aportado por las propias algas en su fotosínteis.En las capas inferiores el oxígeno disuelto está ausente.De esta manera se forman dos zona,una inferior en la que, en ausencia de oxígeno disuelto,se producen fenomenos de descomposición anaeobia,y una superiror en la que se produce una oxidación aerobia de la materia orgánica.La actividad bacteriana se desarrolla en simbiosis con la producción de oxígeno por la actividad fotosintetica de las algas.En una serie de lagunas,las facultativas pueden ser unidades primarias o secundarias,recibiendo en este último caso el efluente parcialmente clarificado de las lagunas anaerobias. Lagunas aerobias o de maduración:Estas lagunas se destinan al tratamiento del efluente de las lagunas facultativas con el objetivo principal de eliminar los microorganismos patógenos.Son totalmente aerobias y dado que la mayor parte de la materia orgánica es eliminada en las lagunas previas funcionan con cargas orgánicas muy reducidas.
MECANISMOS Y FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE TRATAMIENTO Los fenómenos que tienen lugar en el lagunaje son el resultado de un conjunto de operaciones físicas y procesos químicos y bioógicos que interaccionan en un modo complejo. Los procesos anaerobio y aerobio de descomposición de la materia orgánica,que son os más impotantes en juego,pueden ser representados mediante ecuaciones químicas simplificadas. El oxígeno utilizado por las bacterias de la actividad fotosintetica de las algas que a partir de anhídrido carbónico y agua sintetizan materia orgánica y liberan oxígeno. El anhídrido utilizado en la fotosintesis proviene fundamentalmente de la actividad bacteriana.Existen pues una asociación entre algas y bacterias que reciben el nombre de simbiosis y cuyo esquema se representa n la Figura 45.
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Figura 45.Representación esquematica de la actividad simbitica de algas y bacterias El esquema reprentado en ele esquema anteriro justifica las variaciones horarias de los valores de oxígeno y ph observadas en estas lagunas.Durante la noche el dioxido de carbono producido por las bacterias no es utilizado por las algas al no haber fotosíntesis,por lo que el ph de la laguna disminuye.Durante el día,además del consumo del dioxído de carbono,se produce amoniaco como producto de la degradación de materia orgánica nitrogenada,contribuyendo a un aumento del ph. El funcionamiento de las lagunas depende,fundamentalmente,de los siguientes factores: Temperatura.Tanto el proceso de degradación de la materia ogánica como el de la eliminación de los organismos patógenos es muy independiente de la temperatura,dándose un incremento logarítmico de las velocidades de eliminación con la temperatura del agua de la laguna,la cual,es normalmente cerca de dos a tres grados superior a la temperatura media del aire en invierno,y uno dos o tres grados inferior en verano.La temperatura de diseño en verano debe tomarse como 3 grados inferior a la temperatura media del mes más fresco de ese período. Mezcla.Depende del viento y el calor solar.La mezcla por agitación del agua de una laguna permite que se verifiquen una serie de fenómenos vitales paa el buen funcionamiento de las lagunas,una disminución de los cortocircuitos hidráulicos y de la formación de ´´zonas muertas´´y la obtención de una distribución vertical relativamente uniforme de las concentraciones de DB ,oxígeno disuelto y algas (en las lagunas facultativas y de maduración). Características climáticas.Un clima casi constante es la situación ideal de funcionamiento de las lagunas,dado que los procesos de eliminación de la materia orgánica y de los microorganismos patógenos,particularmente de las bacterias de origen fecal,dependen como se ha dicho de la temperatura,según una relación de proporcionalidad directa.
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Ya que las bacterias responsables de los procesos de mineralización de la materia orgánica operan en la zona mesofilíca las temperaturas alatas afectan al funcionamiento de las lagunas.Poer el contrario,las bajas temperaturas disminuirán la velocidad de degradación.En el caso de las lagunas anaerobias y de las zonas del fondo de las facultativas,la actuación de las bacterias metanogénicas,cesa prácticamente para temperaturas inferiores a 15 . ph.Este parámetro es particularmente importante en el caso de las lagunas anaerobias donde,debido al equilibrio que debe mantenerse entre bacterias productoras de ácidos y de metano,el ph debe ser superior a 6. Tiempo de retención hidráulico.Este factor es muy importante sea cual sea el tipo de laguna considerada,aunque solo se utiliza como parámetro de diseño en el caso de las lagunas de maduración. Para las lagunas anaerobias el volumen de la laguna,y por tanto el valor del tiempo de retención,se calcula apartir de la orgánica volum´rtrica.Tiempos de retención inferiores a los calculados acarrean diversos inconvenientes,espelcialmente,mayores riesgos de producción de olores desagradables,peor calidad bacteriológica del efluente y menor eficiencia en la eliminación de materia orgánica. En el caso de las lagunas de maduración,cuyos tiempos de retención más utilizados varían entre 5 y 7 dias,de acuerdo con el numero de lagunas de este tipo asociadas en serie y con los objetivos de tratamiento,el tiempo de retención es el factor más importante en la eficiencia en la eliminación de los microorganismos patogénos. Profundidad de las lagunas.La altura del agua en las lagunas puede ser tambien un factor de gran importancia en su funcionamiento. En el caso de las lagunas facultativas,la altura útil varia,normalmente.entre 1y 2 m,con un intervalo óptimo entre 1.5 y 2.0 m.De echo,las alturas inferiores a 1.0 m no evitan el desarrollo de vegetación anraizada en el fondo,lo que provoca la aparición de mosquitos,etc. Aunque las lagunas de maduración consiguen mantener condiciones de aerobiosis hasta profundidades del orden de los 3.0m,normalmente,son proyectadas y construidas con profundidades iguales a las de las facultativas que les anteceden ,lo que facilita la destrucción de los virus. Otros factores a considerar son las cargas orgánicas aplicadas,las caracteristicas físicas,químicas y biológicas de las aguas residuales efluentes (nutrientes,inhibidores,etc.).
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TIPOS DE ASOCIACIONES DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN Es un hecho comprobado que el efluente de una serie de lagunas es de mejor calidad que el de una única laguna con un volumen igual a la de la suma de la serie de lagunas. Por otro lado,la máxima eficiencia en una serie de lagunas se consigue cuando las lagunas fucnionan con el mismo tiempo de etención. Considerando los tres tipos de lagunas mencionadas las asociaciones de lagunas en serie más corrientes dentro del campo de tratamiento de aguas residuales,son las siguientes: -Laguna aerobia-Laguna facultativa-Laguna/s de maduración -Laguna anaerobia-Laguna facultativa -Laguna facultativa-Laguna/s de maduración En las latitudes medias es la última alternativa la más utilizada. Si el efluente de las lagunas de estabilización se destina al riego sin restrcciones(numero de coliformes fecales a 1000/100 m L)la asociación de lagunas debe incluir,como mínimo,una de las series siguientes: -Laguna anaerobia –Laguna facultativa-2 lagunas de maduración con un tiempo de retención de 7 dias cada una. Laguna anaerobia-Laguna facultativa -3,o más,lagunas de maduración con un tiempo de retención de 5 dias. Como vistas a facilitar las operaciones de mantenimiento de una instalación de lagunas de establización es conveniente considerar dos o más lineas paralelas de lagunas.El caudal a través de cada linea nunca debe exceder los 5.000 /dia,criterio este confirmado por la practica.
3. PROCESOS DE SOPORTE SOLIDO 3.1INTRODUCCIÓN En los procesos de soporte sólido la biomasa no se encuntran suspendidas en el agua sino fija sobre algún medio soporte formando una pelicula.El medio soporte puede econtrarse fijo en una columna,y el agua fluye fromando una fina pelicula,o puede girar alrededor de un eje,moviéndose dentro del fluido,dando lugar a los tipos fundamentales de tratamientos mediante cultivo fijo:filtros percoladores y contactores biológicos rotativos(RCB).
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La proporción de activa es mayor en la superficie que en interior donde se acomulan mayores cantidades de debris.En todo caso se produce uma migración continua de productos desde el interior hasta el exterior,donde son arrastrados del sistema por los esfuerzos cortantes superficiales.Esto permite,así al mismo,mantener constante el espesor total de la capa.Si no fuera así,cuando el espesor aumentara excesivamente,el sustrato no podría alcanzar la capa interna y los microorganismos situados en ella se desprenderian del soporte,siendo arrastrados por el agua .En la Figura 46 se muestra una representación esquematica de la biopelicula.
Figura 46.Representación esquematica biopelícula
FILTROS PERCOLADORES Los filtro percoladores (o lechos bacterianos)constan de un medio poroso a través del cual se hace pasar el agua a depurar.El sistemas se asemeja en todo a una filtración sobre medio poroso,pero se reaiza en regimen de no saturación,no produciéndose en estos sistemas filtración mecánica.De esta manera es posibles el paso del aire en contracorriente con le agua,sumistrándose el oxígeno necesario para que tenga lugar el proceso biológico.El efluente de la decantación primaria es alimentado mediante distribuidores mediante distribuidores de caudal desde la parte superior del filtro(Figura 47).
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Figura 47.EDAR de filtros percoladores en construcción Los filtros percoladores constituyen un tratamiento secundario apliacable en todas las aguas susceptibles de ser depuradas mediante un proceso biológico aerobio.Históricamente se ha considerado que los filtro percoladores no permitan alcanzar los mismos rendimientos que los procesos de cultivo suspendiso,aplicandose asituaciones con limites de vertido del orden de 30 a 45 mg/l de DB y SS.Sin embargo si estos sistemas son diseñados y operados adecuadamente pueden alcanzar rendimientos similares a los de los sistemas de cultivo en suspensión. Un aumento del caudal mejora la ditribución del agua y reduce la posibilidad de zonas no suficientemente mojadas,manteniendo la máxima capacidad de tratamiento de filtro. Los filtros percoladores pueden clasificarse en función de las cargas hidráulicas y orgánicas aplicadas(Tabla 17).La carga hidráulica se define como el caudal total,incluida la recirculación ,dividido por el área del filtro y la carga orgánica como Kg de DB /dia partido por el volumen total del filtro,incluyendo en la DQO,larecirculada(dada si dificil evaluación,en la practica suele ignorarse).En función de
los valores de las variables anteriores los filtros percoladores pueden clasificarse en alta carga,baja caraga,caraga intermedia y filtros de desbaste.
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Tabla 17.Valores típicos de diseño para filtros percoladores
FACTORES QUE AFECTAN AL DISEÑO Y RENDIMIENTO El número de factores es muy grande,por lo que solo se citarán los más importantes. o
Las características de agua residual
Un punto escpecialmente importante es conocer la parte de carga orgánica presente en forma soluble,pues los fltros percoladores eliminan por oxídación bioqímicay sínteis celular fundamentalmente materia orgánica soluble.La eliminación de materia orgánica coloidal o suspendida se produce mediante un proceso combinado de floculación biológica y adsorción.En los casos en que la carga orgánica sea fundamentalmente disueltas los filtros perclorados son desaconsejables,por el gran tamaño del filtro necesario para la eliminación de la materia orgánica disuelta.El agua residual ideal para el uso de un filtro percolador debería tener la materia orgánica soluble suficiente para que los microorganismos generados en su eliminación garantizaran la biofloculación y posterior decantación de la materia organica que el filtro percolador no elimina.
o Tipos de medios filtrantes Se puedne distinguir dos tipos de medios filtrantes.El primero que se utilizó fue el medio formado por piedra partida o rodada.Actualmente se utilizan casi exclusivamente medio
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artificiales formados por materiales de plástico,sobre todo para guas industriales con altas cargas orgánicas. Las dos propiedades más importantes de un medio filtante son la porosidad y la superficie específica. La myo porosidad actúa en el mismo sentido.a agual superficie.Una ventaja suplementaria es la mayor dificultada de atascamiento cuando los sólidos suspendidos son elevados. Tabla 18.Caracteristicas de los medios filtrantes
Figura 48.Tipos de rellenos normalmente utilizados en los filtros percoladores M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Los medios filtrantes realizados con material plástico tienen mayor superficie especifica y porosidad,por lo que proporciona mejores resultados que la piedra partida.Así mismo los medio filtrantes de material plásticos puede soportar alturas entre 3 y 13 m,mientras que para piedra partida las alturas del filtro oscilan entre 0.9 y 2.5 m. Las características físicas de lso medios filtrantes cumúnmente utilizados se indican en la Tabla 18,mostrádose algunos de eelos en la Figuar 48. En el caso de los filtros de alta carga de material plástico la recirculación se efectúa fundamentalmente por motivos distintos de los anteriores.La razón de recirculación varía entre 0.5 y 4.Se a comprobado que los valores de la recirculación superiores a 4 no aumentan la eficiencia de los filtros.
DISTRIBUCIÓN DEL CAUDAL La reducción de la velocidad de giro del distribuidor permite la eficiencia del filtro,controlar la aparición de moscas y olores y reducir la comulación de exceso de biomasa.Estos efectos se han observado tanto para cargas orgánicas e hidráulicas bajas como elevadas,por lo que pueden deberse a la periocidad de dosificación y al volumne de agua dosificado. Se define la intensidad instantánea de dosificación(SK)como los mm de agua aplicada por paso del brazo distribuidor,cociente entre la carga hidráulica (mm/min)y el producto(n ). El valor óptimo del parámetro SK no está aún bien definido debiendo ser ajustado en cada planta.El valro de diseño depende de la carga orgánica variando entre 10 y 400 mm/paso para cargas entre 0.1 y 2.35 kg soluble/ . Cargas hidraulicas y orgánicas En los medios filtrantes de piedra partida existen fórmulas propuestas por diversos autores,que resaltan la importancia de las cagas hidráulicas u orgánicas. Investigaciones más ecientes concluyen que la carga orgánica volumétrica es el criterio dominante en el control de la eficiencia.Esta conclusión es consistente con la teoria de los fangos activados,sinedo la retención de las celulas y no del liquido el factor que controla la eliminación de materia orgánica. Ventilación La ventilación de los filtros es fundamentalmente a la hora de mantener las condiciones aerobias necesarias para asegurar un tratamiento efectivo.Si el paso de aire es posible,la diferencia de temperatura entre el aire y el agua residual es suficiente para producir la necesaria aeración.Es fundamentalmente,en todo caso,asegurar el caso,asegurar el fácil paso del aire a través del fonfo del filtro.Para ello deben seguirse las siguientes recomendaciones: M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Los drenes inferiores de recogida y evacuación de agua se llenarán solamente hasta su mitad para el caudal del calculo. Todos los drenes inferiores estarán ventilados,mediante rejillas,en sus dos extremos. Las ranuras del fondo deben de tener una superficie libre mínima del 15% del área del filtro. Por cada 4 metros de perímetro de flitro existiran,almenos,0.1 de rejilla abierta al exterior para la ventilación de los drenes así como 1-2 /1000 de lecho.
Generalmente la ventilación natural es suficiente para que el proceso de depuración biológica biológica se realice adecuadamente. Temperatura La temperatura influye notablemente en la calidad del efluente de los filtros biológicos.Pueden citarse las siguientes conclusiones obtenidas de un estudio sobre 17 filtros percolados operando en condiciones reales:
La eficiencia en invierno es notable inferior a la de verano Las bajas temperauras afectan mucho más a las plantas que recirculan del agua.La recirculación del agua provoca en los meses de invierno un enfriamiento dela gua tratada,disminuyendo notablemente la eficiencia del filtro. Para cargas orgánicas inferiores a 160 g soluble/ /d las variaciones estacionales de eficiencia son pequeñas.
La relación entre la eficiencia y temperatura puede evaluarse mediante la expresión siguiente debida a Howland:
Donde: :cte:puede tomarse entre 1.015 y 1.045. :eficiencia a la temperatura T. :eficiencia a 20
.
T:temperatura( )
CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATORIOS (RBC) Son un procedimiento de depuración biológica en el que la biomasa se fija en un soporte inerte en forma del film biológico.Los sistemas más difundidos son los biocilindros y los biodiscos.En la Figura 50 se muestra un ejemplo de una EDAR de biodiscos en funcionamiento.
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Figura 50.EDAR de biodisco Los biocilindros son cilindros perforados,con diametros entre 2 y 5 m,que en su interior contienen un material sopote ,generalmente de plástico con formas muy variadas. En los biodiscos (Figura 51),el soporte está constituido por discos de material plástico(poliestireno y cloruro de polivinilo)ensamblados sobre un eje horizontal.
Figura 51.Módulo de biodisco formado por un eje con cuatro etapas(Cotesía de ENVIREX)
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Para ambos el esquema de funcionamiento es el mismo.Giran lentamente sobre su eje,manteniendo alrededor del 40% de la superficie sumergida.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El crecimiento bilógico se produce adherido a la superficie de los discos y forma una capa en toda el área mojada en lso mismos.Por la rotación de los discos,alternativamente la biomasa entra en contacto con el sustrato orgánico del agua residual y posteriormente con la atmosfera en la que absorbe el oxígeno.Este giro mantentiene la biomasa en condiciones aerobias.Al mismo tiempo sirve de mecanismo para desprender el exceso de sólidos de los discos debido a las fuerzas de corte creadas y mnatener los flóculos en suspensión.Algunos de los sitemas de RBC que han aparecido últimamente en el mercado cuentan con aireadores que sirven al mismo tiempo para oxígenar el agua residual y mantener el moviemiento de giro del biodisco. De lo dicho se desprende que estos reactores pueden clasificarse en la familia de los filtros percoladores.No obstante se distinguen de ellos debido al lecho de que el soporte gira alrededor de un aje horizontal.En un lecho bacteriano clásico las gotas de agua que se deslizan sobre el soporte siguen una trayectoria unidireccional y pasa sucesivamente por todos los valores de la concentración del sustrato.Los RBC,por su configuración básica,forman un reactor de mezcla completa.Por esta razón los RBC se disponen en bacterias que comprenden muchas unidades en serie,generalmente de 2 a 4 (Figura 52).Esto les aproxima al esquema de los filtros percoladores tradiconales.Se rercodará que al reactor de flujo de pistón puro siempre es más eficaz que un reactor de mezcla completa puro.
Figura 52.Configuraciones típicas de biodiscos(Cortesia de ENVIREX) M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Desde el punto de vista biológico,estas configuraciones se traducen en diferencias muy marcadas.Los lechos bacterianos presentan una estratificación especifica de la biomasa.Las bacterias heterótrofas abundan en las capas superiores,y las autótrofas(nitrifantes)no aparecen nada más que en las capas inferiores.La estratificación vertical de los lechos tradicionales se encuntran en la forma de una variación de fase en fase:la nitrificación,por ejemplo,tiene lugar en las últimas fases de una serie.
LECHOS DE TURBAS La depuración por filtración sobre lechos de turba combina procesos fisicoquímicos(filtración y adsorción)con procesos biológicos asociados a los microorganismos adheridos a la superficie de la turba. El elemento esencial de estas instalaciones es un lecho de turba a través delc ual percola el agua residual.Dicho lecho descansa sobre una delgada capa de arena,soportada a su vez por una capa de grava;un dispositivo de drenaje recoje el efluente en la base del sistema.El agua residual se somete previamente a un desbaste y tamizado fino,para separa los sólidos en suspención y retardar así laacomulación del lecho.Tambien puede ser necesaria la eliminación de aceites y grasas si están presentes en cantidades importantes ya que pueden inferir en le proceso biológico.
Figura 59.Esquema de una planta de filtración sobre lechos de turba(Cortesía de EGEVASA)
CONSIDERACIONES TÉCNICAS En la relación con los lechos de turbas,algunas consideraciones técnicas generales de interes son las siguientes:
La alimentación de agua al lecho ha de diseñarse de forma que el agua se distribuya homogéneamente sobre el lecho,evitando la formación de caminos preferenciales.
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Para conseguir una buena percolación,el espesor del lecho de turba debe de estar comprendido. Es necesario subdividir la superficie total en varios lechos a afectos de poder dejar periodicamente fuera de servicio cada uno de ellos,para permitir su mantenimiento(escardado o raspado de superficie)y aeración.Durante este periodo se realiza la digestión de la biomasa formada. El tamaño máximo de lecho que permite un mantenimiento fácil es unos 200 .
CRITERIOS DE DISEÑO Como criterios de diseño se pueden tomar los de la Tabla 21: Tabla 21.Criterios de diseño de los lechos de turbas
FILTROS VERDES Es un sistema constituido por un tipo de planta(generalmente del género Populos,como por ej.el chopo)y un suelo que se utiliza para la depuración de aguas residuales. Este sistema de depuración consiste en la eliminación de los constituyentes del agua residual por parte del sistema suelo-planta,destacando la eliminación de nutrientes,pricipalmente nitrogeno y fosforo en el porceso de desarrollo de las plantas,que deberán ser recolectadas posteriormente. El agua residual soló habrá recibido un tratamiento primario.Los microorganismos presentes en el suelo descomponen la materia orgánica en nutrientes que serán eliminados por las plantas. Los factores que determinan la capacidad de este sistema para depuración del agua residual incluyen:el lugar donde esta situado el sistema(climatología y geología y características del suelo),la velocidad de aplicaion al terreno del agua residual,la calidad del agua y la capacidad de vegetación para eliminar y almacenar los nutrientes de agua residual. Los filtros verdes se diseñan bajo el pricipio de permitir la infiltración de las aguas sobrantes hacia el acuífero,pero limitando la concentración de nitrogeno en ellas. M. En I. María Del Carmen García Araiza
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Otra consideración a tener en cuenta es que el agua procedente de un tratamiento primario sólo puede utilizarse para el riego de forraje,fibra y cosechas de grano;para cultivos de consumo o contacto humano se precisan los tratamientos secundario y avanzado. A falta de estudio más detallado para el área mediterránea,y utilizando chopos como vegetación,pueden estimarse las superficies necesarias fijando la carga hidráulica a aplicar los valores de la tabla siguiente. Tabla 22.Valores típicos para el área mediterránea de la carga para filtros verde
PROCESOS ANAEROBIOS DE BIOMASA FIJA El poder tratar cargas volumétricas elevadas de efluentes relativamente diluidos pasa por el mantenimiento en el digestor de una biomasa importante,de modo que se pueda operar con tiempos de residencia hidráulicos pequeños(un dia o menos)sin que se produzcan pérdidas sustanciales de biomasa matanogénica. Los sistemas anaerobios de soporte sólido se clasifican en: a)Filtro anaerobio El filtro anaerobio(Figura 60)consiste en un recipiente cuyo interior está relleno de un material sobre el cual los microorganismos pueden quedar adheridos.A medida que el crecimiento de las bacterias resulta excesivo o cuando de mueren,se desprenden del soporte y abandonan el filtro como lodos.Los problemas que presentan son los típicos de un reactor de lecho fijo:creación de caminos preferenciales,tamponamientos en los distribuidores y sobre todo de colmatación sólidos. Con el filtro se obtienen rendimientos de depuación muy elevados siendo posible,mediante recirculaciones muy grandes,trabajar con cargas de 10-12 kg DQO/ /dia,con unos elevados rendimientos en metano por volumen de digestor.Esto es debido a los elevados tiempos de retención celular que se consiguen.
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Figura 60.Filtro anaerobio b)Lecho en pelicula En el lecho de ´´lecho en pelicula´´(fixed film reactor),(Figura 61),la alimentación del filtro por la parte superior y su circulación entre placas paralelas permite resolver los problemas de colmatación y de reparto del efluente de alimentación habituales en estos filtros. El soporte sobre el que las bacterias quedan retenidas y se desarrollan puede estar concebido de varias fromas diferentes y utilizando diversos materiales,observandose en cada uno de ellos distintas eficacias de depuración.
Figura 61.Reactor de lecho en película c)Lecho fluidizado Dentro de esta misma clase de digestores se puede incluir el reactor anaerobio de lecho fluidizado(Figura 62).En esté se fluidizan mediante el caudal influente los soportes sobre los que se han fijado las bacterias.Estos soportes pueden estar constituidos por arena o carbón activado,existiendo además diversos tipos presentando en el mercado.
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Figura 62.Reactor de lecho fluidizado Este reactor se viene utilizando con éxito en el tratamiento de aguas residuales de industrias de fabricación de cerveza. d)Lecho de lodos Sin duda el procedimiento,dentro de los reactores con biomasa fija,que ha tenido un desarrollo más espectacular ha sido el del reactor de lecho de lodos,en particular el conocido UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)(Figura 63).La retención de los lodos en el interior del sistema se consigue favoreciendo la floculación de los lodos mediante el mantenimiento de unas condiciones apropiadas en el reactor.Mediante un dispositivo diseñado exprofeso,se consigue una buena separación de los lodos,tanto del gas como de la corriente,lo cual favorece su retorno al comportamiento de digestión,situado debajo del sistema de separación. Los factores que regulan la formación de un lecho de lodos no son conocidos con certeza.Sin embargo parece que estan fuertemente relacionados con la naturaleza del agua a tratar.De echo el sistema se ha aplicado con gran éxito al tratamiento de aguas industriales de industrias agro-alimentarias con importantes contenidos en azúcares o almidón.
Figura 63.Reactor de lodos ´´UASB´´ M. En I. María Del Carmen García Araiza
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e)Sistemas mixtos Una solución muy interesante,es el empleo de sistemas.Tal como se ha visto,cada sistema posee unas caracteristicas que lo hacen adecuado para tratar un tipo concreto de efluente.En el tratamiento de efluente que contengan una cantidad importante en suspensión,un sistema que podría resultar adecuado es el formado por un reactor de contacto,en donde saldría un efluente que se podría tratar en un filtro anaerobio(Figura 64).
Figura 64.Sistemas mixto.Reactor de contacto y filtro anaerobio
Bibliografia
Martinez Martin Carmen, Tratamiento Biologico de Aguas Residuales, Editorial Universidad Politecnica de Valencia, Edicion 2008, Valencia España
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