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Proyecto de instalaciones para el
tratam iento bioló gico delagua residual.
Metcalf & Eddy
Los procesos biológicos se utilizan para convertir la materia orgánica disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos sedimentables y en sólidos orgánicos que se puedan eliminar en los fangos de sedimentación. En muchos casos, estos procesos (también llamados «procesos de tratamiento secundario») se emplean en combinación con las operaciones y procesos unitarios que se utilizan para el pretratamiento y tratamiento primario del agua residual que se han descrito en el Capítulo 9. La decantación primaria es muy efectiva en la eliminación de los sólidos sedimentables, mientras que los procesos biológicos son más efectivos en la eliminación de compuestos orgánicos solubles o del tamaño de partículas coloidales. No obstante, algunos procesos como las lagunas aireadas, lagunas de estabilización y sistemas de aireación prolongada, se proyectan para que funcionen sin decantación primaria.Los procesos biológicos de aplicación más común son: (1) el proceso de fangos activados; (2) lagunas aireadas; (3) filtros percoladores; (4) biodiscos (RBCs), y (5) estanques de estabilización. En plantas de tratamiento de grandes dimensiones se suele adoptar el proceso de fangos activados o alguna de sus muchas variantes; los estanques de estabilización se usan principalmente en instalaciones de pequeño tamaño. En la Figura 10-1 se ilustran los diagramas de flujo típicos de los sistemas de tratamiento. En este capítulo se estudian con detalle las instalaciones físicas y el proyecto de los procesos necesarios para la implementación de estos importantes sistemas de tratamiento. También se analiza brevemente el uso de sistemas combinados de tratamiento biológico aerobio. El proyecto de los procesos de eliminación de nutrientes se aborda en el Capítulo 11, mientras que el tratamiento y estabilización del fango se estudia en el Capítulo 12.
FIGURA 10-
Diagramas de flujos típicos (simplificados) para los procesos biológicos utilizados en el tratamiento del agua residual): (a) proceso de fangos activados; (b) lagunas aireadas; (c) filtros percoladores; (d) biodiscos, y (e) estanques de estabilización.
10.1 EL PROCESO DE FANGOS ACTIVADOS
En el tratamiento de las aguas residuales, el proceso de fangos activados, tanto en su forma original como en alguna de sus muchas variantes, ha tenido un uso muy amplio. En el Capitulo 8 se analizaron los aspectos teóricos del proceso, incluida la microbiología, la cinética de las reacciones, e incluso, hasta cierto punto, aspectos
elevado contenido en materia orgánica y compuestos tóxicos mejor que en un reactor de flujo en pistón. Este es el motivo por el que en gran número de plantas se ha adoptado el proceso de fangos activados de mezcla completa. El cuarto factor son las condiciones ambientales locales. De ellas, quizás las más importantes sean la temperatura, el pH, y la alcalinidad. La importancia de la temperatura viene dada porque los cambios en la temperatura del agua residual pueden modificar la velocidad de las reacciones que intervienen en el proceso. Por ejemplo, un descenso de temperatura de 10 ºC reduce la velocidad de las reacciones prácticamente hasta la mitad. En la mayoría de los casos, los descensos de temperatura se producen de forma gradual, de modo que resulta posible introducir modificaciones en las condiciones de funcionamiento para hacer frente a dichas variaciones. En los casos en los que son de prever importantes cambios en la temperatura del agua residual, se pueden emplear con éxito series de reactores de mezcla completa o reactores de flujo en pistón de longitud ajustable mediante sistemas de compuertas. La alcalinidad y el pH también son importantes, especialmente en la explotación de procesos de nitrificación (véase Cap. 11). Los pHs bajos pueden inhibir el crecimiento de los organismos nitrificantes (y favorecer el crecimiento de organismos filamentosos), razón por la cual pueden ser necesario el ajuste del pH. Las aguas residuales de baja alcalinidad tienen escasa capacidad de tamponamiento, por lo que el pH del liquido mezcla puede descender debido a la producción de dióxido de carbono por la respiración bacteriana. En esta clase de aguas, la descarga de residuos industriales también puede afectar al pH. El quinto factor, el coste del proceso (tanto de inversión como de explotación y mantenimiento), es de extremada importancia en la elección del tipo y dimensiones del reactor. A menudo, resulta más económico aumentar el gasto en instalaciones físicas (coste de inversión) para reducir los posteriores costes de explotación y de mantenimiento.
Criterios de carga. A lo largo de los años, para el control del proceso de fangos activados, se han propuesto una serie de parámetros empíricos y racionales. Dos de los parámetros de uso más común son: (1) la relación alimento/microorganismos F/M, y (2) el tiempo medio de retención celular, THETAc (véase Cap. 8). La relación alimento/microorganismos se define como:
F/M = So / THETA X (8.48)
donde: F/M = relación alimento/microorganismos, d-1. So = concentración de DBO o DQO en el afluente, kg/m^3. THETA = tiempo de retención hidráulica del tanque de aireación = V/Q, d. V = volumen del tanque de aireación, m^3. Q = caudal de entrada, m^3 /d. X = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, kg/m^3.
La relación entre la tasa de utilización específica U y la relación alimento/microorganismos es la siguiente:
U = (F/M)E/100 (8.49)
donde E = eficiencia del proceso, porcentaje.
Sustituyendo la Ecuación 8.48 por la relación alimento/microorganismos y (So - S)/So por la eficiencia, se obtiene:
U = (So - S)/THETA X (8.45)
donde S = concentración de DBO o de DQO en el efluente, kg/m^3.
El tiempo medio de retención celular se puede definir, en función del volumen empleado, con cualquiera de las dos siguientes relaciones:
Definición a partir del volumen del tanque de aireación:
THETAc = VrX/(Q w Xw + Q eXe) (10.1)
donde: THETAc = tiempo medio de retención celular basado en el volumen del tanque de aireación, d. Vr = volumen del tanque de aireación, m^3. X = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el tanque de aireación, kg/m^3. Qw = caudal de fango purgado, m^3 /d. Xw = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el fango purgado, kg/m^3. Qe = caudal de efluente tratado, m^3 /d. Xe = concentración de sólidos suspendidos volátiles en el efluente tratado, kg/m^3.
Definición a partir del volumen total del sistema:
THETAct = Xt /(Q w Xw +Q eXe) unidades SI (10.2)
donde: THETAct = tiempo medio de retención celular basado en el volumen total del sistema. Xt = masa total de sólidos suspendidos volátiles del sistema, incluyendo los sólidos del tanque de aireación, del tanque de sedimentación, y los existentes en las instalaciones de retorno de fango, kg.
Los restantes términos son los definidos en la Ecuación 10.1.
Si se supone que, prácticamente, toda la conversión de sustrato ocurre en el tanque de aireación, se recomienda diseñar el reactor a partir del valor de THETAc (Ec. 10.1). En aquellos sistemas en los que gran parte de los sólidos totales se hallen en el tanque de sedimentación y en las instalaciones de retorno del fango, se puede utilizar la Ecuación 10.2 para calcular la cantidad de sólidos que hay que purgar. La cantidad de sólidos en el tanque de sedimentación se puede determinar midiendo la profundidad del manto de fango y la concentración de sólidos en el fango de retorno. El uso de la Ecuación 10.2 se basa en la suposición de que los sólidos biológicos continúan ejerciendo la respiración endógena independientemente del hecho de que se hallen, dentro del sistema, en condiciones aerobias o anaerobias. Comparando estos parámetros, la tasa de utilización específica U (relación F/M multiplicada por el rendimiento) se puede considerar como una medida del grado con que se utiliza el sustrato (DBO) por unidad de masa de organismos, y THETAc se puede
supone que la respiración endógena se produce tanto si el cultivo bacteriano se halla bajo condiciones aerobias como anaerobias. Sin embargo, se debe hacer constar que el valor de la constante será diferente a los valores que proporciona la literatura. Debido a que actualmente no se dispone de un valor adecuado de kd que conjugue las condiciones aerobias y anaerobias, se puede utilizar como estimación el valor correspondiente a las condiciones aerobias.
Necesidad y transferencia de oxígeno. La necesidad teórica de oxígeno se puede determinar a partir de la DBO del agua residual y de la cantidad de organismos purgados diariamente del sistema. El razonamiento es el siguiente. Si toda la DBO se convirtiera en productos finales, la demanda total de oxígeno se podría calcular convirtiendo la DBO 5 en DBOL utilizando un factor de conversión adecuado. Por otro lado, se sabe que parte del residuo se convierte en tejido celular nuevo que, posteriormente, se purga del sistema, de modo que, si la DBO L del tejido celular se resta del total, la cantidad remanente corresponde a la cantidad de oxigeno que es necesario suministrar al sistema. Teniendo en cuenta la Ecuación 8.31, que se indica a continuación, se sabe que la DBOL de un mol de células es igual a 1,42 veces la concentración de células:
C 5 H 7 NO 2 + 5 O 2 --> 5 CO 2 + 2 H 2 O + NH 3 + energía (8.31) 113 5(32) Células 1 142 Por lo tanto, la demanda teórica de oxigeno para la eliminación de la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual de un sistema de fangos activados se puede calcular mediante la expresión: kg O 2 /d = (Masa de DBO L total utilizada, kg/d) - 1,42 (Masa de organismos purgados, kg/d) (10.4) Utilizando términos anteriormente definidos, kg O 2 /d = (Q(So - S) · (10^3 g/kg)-1/f) - 1,42(Px ) unidades SI (10.5) donde f = factor de conversión de DBO 5 en DBOL (0,45-0,68).
Los restantes términos corresponden a definiciones anteriores.
En los casos en los que se deba considerar la nitrificación, la demanda total de oxigeno se puede calcular como la suma de la demanda necesaria para la eliminación de la materia orgánica carbonosa más la demanda de oxígeno necesaria para la conversión del nitrógeno (de amoniaco a nitrato), según la expresión: kg, O 2 /d = (Q(So - S) · (10^3 g/kg)-1/f) - 1,42(Px ) + 4,57 Q(No - N) · (10^3 g/kg)-1^ unidades SI (10.6) donde: No = NKT del afluente, g/m^3. N = NKT del efluente, g/m^3. 4,57 = factor de conversión para la demanda de oxigeno necesario para la oxidación completa del NKT.
Por lo tanto, si se conoce, o se puede estimar, la eficiencia de la transferencia de oxígeno del sistema de aireación, se pueden determinar las necesidades reales de aire. El suministro de aire debe ser adecuado para: (1) satisfacer la DBO del agua residual; (2) satisfacer la respiración endógena de los organismos presentes en el fango; (3) proporcionar un mezclado adecuado, y (4) mantener una concentración mínima de
oxígeno disuelto en todo el tanque de aireación comprendido entre 1 y 2 mg/l. Para relaciones alimento/microorganismos superiores a 0,3, las necesidades de aire para el proceso convencional se sitúan entre 30 y 55 m^3 /kg de DBO^5 eliminada en sistemas de difusores de burbuja gruesa (no porosos), y entre 24 y 36 m^3 /kg de DBO 5 eliminada para sistemas de difusores de burbuja fina (porosos). Las características de los diferentes difusores se describen en la Sección 10.2. A valores más bajos de la relación alimento/microorganismos, la respiración endógena, la nitrificación y los prolongados periodos de aireación hacen aumentar las necesidades de aire hasta entre 75 y 115 m^3 /kg de DBO^5 eliminada. En el Ten States Standards [14], se establece como demanda habitual de aire para todos los procesos de fangos activados excepto la aireación prolongada, 93,5 m^3 /kg de DBO^5 eliminada en condiciones de carga punta en el tanque de aireación. Para los procesos de aireación prolongada, las necesidades normales de aire son de 125 m^3 /kg DBO 5 eliminada. En los sistemas de aireación mediante difusores de diferentes plantas, la cantidad de aire suministrado suele variar entre 3,75 y 15,0 m^3 /m^3 , habiéndose empleado el valor 7, m^3 /m^3 como un primer factor de diseño empírico. Debido a que el consumo de aire depende de la concentración del agua residual, la relación aire/agua residual se ha convertido en un valor que ya no se emplea como criterio de diseño, sino que simplemente se guarda como parte de los registros de explotación. Otro factor empírico clásico de diseño de los sistemas de aireación era aplicar entre 1,0 y 1,2 kg O 2 /kg DBO 5 eliminada [61]. Para hacer frente a las cargas orgánicas punta sostenidas comentadas en el Capitulo 5, se recomienda diseñar los equipos de aireación con un factor de seguridad que, como mínimo, cubra las condiciones correspondientes a una carga diaria de DBO igual al doble de la carga media. Los equipos de aireación también se deben dimensionar de modo que se asegure una concentración residual de oxígeno disuelto de 2 mg/l en condiciones de carga media y 0,5 mg/l en condiciones de carga punta. El Ten States Standards [14] obliga a que los sistemas de aireación por difusión sean capaces de proporcionar el oxigeno necesario para satisfacer la mayor de las siguientes demandas: la correspondiente a la demanda de oxígeno punta diaria, o el doble de la demanda de oxigeno media de proyecto.
Necesidades de nutrientes. Para que un sistema biológico funcione correctamente, es necesario que se hallen presentes cantidades adecuadas de nutrientes. Como se ha comentado en los Capítulos 3 y 8, los principales nutrientes son el nitrógeno y el fósforo. Basándose en una composición media del tejido celular representable como C 5 H 7 NO 2 , se necesitará del orden de un 12,4 por 100 de nitrógeno (en peso). Normalmente, se suele suponer que las necesidades de fósforo son de una quinta parte de este valor. Debido a que se ha podido comprobar que la distribución porcentual de nitrógeno y fósforo en el tejido celular varia con la edad del tejido celular y con las condiciones ambientales, estos valores son valores típicos, y no cantidades fijas. En la Tabla 10-1 se indican otros nutrientes necesarios en la mayoría de los sistemas biológicos. En la Tabla 10-2 se muestra la composición inorgánica de los E. coli. Los datos de la Tabla 10-2 se pueden emplear para estimar las concentraciones de elementos de traza necesarias para asegurar un crecimiento biológico adecuado. Debido a que la demanda total de nutrientes depende de la producción celular neta, las necesidades de nutrientes son más reducidas en los procesos que dispongan largos tiempos medios de retención celular. A menudo, este hecho se puede utilizar para explicar la razón por la cual dos plantas de tratamiento de fangos activados con diferentes tiempos medios de retención celular pueden no funcionar igual en el tratamiento de una misma agua
TABLA 10-
Iones inorgánicos necesarios para la mayoría de los organismos
El tiempo de contacto en el selector es relativamente corto, normalmente entre 10 y 30 mm. Para la definición de los parámetros de diseño es muy recomendable llevar a cabo estudios en planta piloto. En un selector infradimensionado, una parte importante del substrato soluble del efluente pasará al tanque de aireación principal. En un selector sobredimensionado, la relación F/M será demasiado baja [58]. En la bibliografía se pueden encontrar ejemplos de ensayos tanto a escala de laboratorio como en planta piloto [11, 22]. Más adelante en esta sección se discutirá con mayor detalle el fenómeno del bulking.
Características del efluente. El contenido en materia orgánica es un parámetro de calidad del efluente de gran importancia. El contenido en materia orgánica del efluente de un proceso de tratamiento biológico suele estar compuesto por los tres siguientes constituyentes:
TABLA 10- Composición inorgánica del E. coli
- Materia orgánica soluble biodegradable:
a) Materia orgánica no eliminada en el tratamiento biológico. b) Compuestos orgánicos formados como productos intermedios en la
descomposición biológica del agua residual. c) Componentes celulares (como consecuencia de la lisis o muerte celular).
- Materia orgánica en suspensión:
a) Sólidos biológicos producidos durante el tratamiento que escapan del proceso de separación en la decantación final. b) Sólidos orgánicos coloidales presentes en el afluente a la planta que escapan del tratamiento y de la separación.
- Materia orgánica no biodegradable:
a) Materia inicialmente presente en el afluente a la planta. b) Subproductos de la descomposición biológica.
Las ecuaciones cinéticas desarrolladas en el Capítulo 8 sólo son aplicables a la materia orgánica soluble no eliminada en el tratamiento biológico. Evidentemente, ésta sólo representa una parte de la concentración de materia orgánica del efluente. En una planta de fangos activados que funcione correctamente en el tratamiento de aguas residuales domésticas, la DBO 5 carbonosa del efluente, determinada en una muestra filtrada, variará normalmente entre 2 y 10 mg/l. La materia orgánica suspendida se hallará entre 5 y 15 mg/l, y los sólidos no biodegradables se situarán entre 2 y 5 mg/l. Tipos de procesos y modificaciones
El proceso de fangos activados es muy flexible y se puede adaptar a casi la totalidad de los problemas de tratamiento biológico de aguas residuales. En la Tabla 10-3 se indican varios de los procesos de fangos activados convencionales y algunas de las modificaciones del proceso que han sido normalizadas. Las características operacionales, aplicación y eficiencias de eliminación típicas de estos procesos se indican en la Tabla 10-4; los parámetros de diseño se incluyen en la Tabla 10-5.
Control del proceso
El control del proceso de fangos activados es importante para mantener elevados niveles de rendimiento frente a una gran variedad de condiciones de funcionamiento. Los principales factores que intervienen en el control del proceso son: (1) mantenimiento de los niveles de oxígeno disuelto en el tanque de aireación; (2) regulación de la cantidad de fango activado recirculado (RAS), y (3) control de la purga de fango activado (WAS). Como se ha comentado anteriormente en el apartado «Criterios de carga», los parámetros más comúnmente empleados para el control del proceso de fangos activados son la relación alimento/microorganismos y el tiempo medio de retención celular, THETAc. La concentración de sólidos suspendidos del líquido mezcla también se utiliza como parámetro de control. La recirculación de fango activado también es importante para mantener la concentración de SSLM (la «M» de la relación F/M), y la purga de fango activado es importante de cara al control del valor de THETAc. El uso de las tasas de utilización de oxígeno (OUR) también está ganando reconocimiento como medio para el seguimiento y control de los procesos de fangos activados. En lo que sigue también se incluye una breve discusión sobre el seguimiento del proceso mediante la OUR.
FIGURA 10-
Proceso de fangos activados de mezcla completa (esquema de típico de un proceso de cuatro reactores).
FIGURA 10-
Diagrama de flujo de un proceso de fangos activados de aireación con alimentación escalonada: (a) esquema simplificado, y (b) configuración física típica.
FIGURA 10-
Diagrama de flujo para el proceso de fangos activados de contacto y estabilización.
FIGURA 10-
Proceso de fangos activados con oxígeno puro: (a) de configuración de tres etapas; (b) vista aérea de un proceso de fangos activados con oxígeno puro, y (c) punto de aplicación de oxigeno y grupo de accionamiento de los agitadores.
FIGURA 10-
Diagrama esquemático de un reactor de fangos activados Deep Shaft [64].
Utilizando el ensayo de sedimentabilidad, el caudal de bombeo de fango de recirculación se establece de manera que el caudal sea aproximadamente igual, en porcentaje, a la relación entre el volumen ocupado por los sólidos sedimentables del efluente del tanque de aireación y el volumen de líquido decantado (sobrenadante) tras sedimentar durante 30 minutos en un cilindro graduado de 1.000 ml. Esta relación no debería estar nunca por debajo del 15 por 100. Por ejemplo, si los sólidos sedimentables ocuparan un volumen de 275 ml después de sedimentar durante 30 mm, el porcentaje en volumen sería del 38 por 100 [(275/725) x 100]. Si el caudal de la planta fuera de 2 m^3 /s, el caudal de recirculación sería 0,38 x 2 m^3 /s = 0,76 m^3 /s. Otro método de ensayo de sedimentabilidad utilizado a menudo para el control del bombeo de fango de recirculación se basa en una medida empírica conocida con el nombre de «índice del volumen de fango» (IVF). Este índice se define como el volumen (expresado en mililitros) que ocupa un gramo (peso seco) de sólidos del líquido mezcla de fango activado, después de sedimentar durante 30 mm en un cilindro graduado de 1.000 ml. En la práctica, se calcula como el porcentaje que ocupa el fango, en volumen, en una muestra de líquido mezcla (tomada a la salida del tanque de aireación) después de sedimentar durante 30 min, (Ov ), dividido por la concentración de sólidos suspendidos del liquido mezcla expresada como porcentaje, (Pw) Si se conoce el índice de volumen de fango, la relación de recirculación Q r /Q (en %) necesaria para mantener una concentración de sólidos en el líquido mezcla del tanque de aireación determinada (en %), es 100 · Qr /Q = 100/[(100/Pw · IVF) - 1] Por ejemplo, para mantener una concentración de sólidos en el líquido mezcla del 0,3 por 100 (3.000 mg/l), el porcentaje de fango a recircular cuando el IVF vale 100 es 100/[(100/0,30 · 100) - 1], es decir, el 43 por 100. Con el método de control del nivel del fango, lo que se hace es mantener en los decantadores una capa de fango de altura óptima. La altura óptima se determina basándose en la experiencia, y corresponde al equilibrio entre la sedimentación eficiente y el almacenamiento del fango. La altura óptima del lecho de fango suele estar dentro del intervalo comprendido entre 0,3 y 0,9 m. Este método de control requiere
considerable atención por parte de los operarios, debido a las variaciones diarias de los caudales y de la producción de fango y a los cambios en las características de sedimentación del fango. Para determinar el nivel de la capa de fango existen diferentes métodos, entre los que se incluyen las bombas de emulsión de aire (air-lift), los tubos de flujo por gravedad, bombas de muestreo portátiles, sondas de muestreo, y detectores de la interfase fango-sobrenadante. En la bibliografía se pueden encontrar más detalles [61]. El caudal de recirculación de fango, también, se puede determinar realizando un balance de masas en el decantador o en el tanque de aireación. En la Figura 10-9 se ilustran los límites adecuados para ambos tipos de balance de masas. Suponiendo que el nivel del fango en el decantador se mantiene constante, y que la cantidad de sólidos en el efluente del decantador sea despreciable, el balance de masas de un decantador es el siguiente:
Acumulación = Entrada Salida 0 = X(Q + Q r) - XQ r - XrQ' w
donde: X = sólidos suspendidos del liquido mezcla, kg/m^3. Q = caudal de entrada al decantador secundario, m^3 /d. Qr = caudal de recirculación, m^3 /d. Xr = sólidos suspendidos del fango activado de recirculación, kg/m^3.
Despejando el valor de Qr, se obtiene:
Q r= (XQ - XrQ' w )/(Xr - X) (10.7)
TABLA 10-
Características de funcionamiento del proceso de fangos activados
