lechos bacterianos - Centro de Investigación y Desarrollo

LECHOS BACTERIANOS
1. INTRODUCCIÓN
Como consecuencia del aumento de las cargas contaminantes urbanas e industriales,
frente al poder autodepurador de los cauces receptores, un pretratamiento e incluso una
depuración primaria o física no son suficientes para poder realizar el vertido sin
problemas. Es preciso subir un escalón más, entrando así en el campo de los procesos
biológicos.
1.1. PROCESOS BÁSICOS DE TRATAMIENTO SECUNDARIO
Existen dos métodos básicos de tratamiento secundario que pueden aplicarse: Los
lechos bacterianos y los fangos activados. En estos tipos de tratamiento se emplean
cultivos biológicos para conseguir una descomposición aeróbica y oxidación de la
materia orgánica, pasando a compuestos más estables. Se obtiene así un mayor
rendimiento que el alcanzado por una sedimentación primaria, y por una depuración de
tipo químico.
Aunque los lechos bacterianos y los fangos activados se basan en la acción de los
organismos aerobios, para llevar a cabo la descomposición, existe entre ellos una
diferencia operacional. En los lechos, los organismos están adheridos al medio de
fijación y en ellos se recibe el material orgánico a transformar. En cambio, en el
proceso de fangos activados son los organismos los que buscan la materia orgánica de
las aguas negras. En ambos casos, el éxito de la operación estriba en mantener las
condiciones aerobias, que son necesarias para el ciclo vital de los organismos, y en
controlar la cantidad de materia orgánica que descompongan. La materia orgánica es el
alimento que sustenta a estos organismos, y su eficiencia disminuye tanto por una
sobrealimentación, como por una alimentación deficiente o no equilibrada.
1.1.1. Concepto general de los lechos bacterianos
Los lechos bacterianos son un sistema de depuración biológica de aguas residuales en
el que la oxidación se produce al hacer circular, a través de un medio poroso, aire y
agua residual. La circulación del aire se realiza de forma natural o forzada,
generalmente a contra corriente del agua.
La materia orgánica y sustancias contaminantes del agua son degradadas en una
película biológica compuesta por microorganismos, que se desarrollan alrededor de los
elementos constitutivos de la masa porosa. Esta película no debe tener más de 3 mm de
espesor ya que no se puede asegurar la acción del oxígeno en espesores mayores. La
película se forma por adherencia de los microorganismos al árido y a las partículas
orgánicas, formando la película. Al aumentar el espesor de esta entra en anaerobiosis la
parte profunda, al no llegar el oxigeno. Se produce conjuntamente una fase anaeróbica
con desprendimiento de gases y rotura de la película, perdiendo la capacidad de
adherencia al medio poroso. Se desprende la película, siendo arrastrada por el agua
residual y conducida a la decantación secundaria, donde se producirá la sedimentación.
Fig. 8.1.
El empleo de cultivos fijos para depuración biológica de las aguas es un procedimiento
bien conocido. Los avances en este sistema tienden a pasar, del lecho bacteriano por
riego sobre relleno natural o plástico, al lecho sumergido y aireado; del relleno de un
material granular poroso, al relleno con materiales soportes especiales.
Los cultivos fijos sobre medio granular pueden concretarse en esquemas, como los
siguientes:
Fig. 8.2. Lecho fijo sin recirculación.
En este esquema de proceso, la masa bacteriana permanece fija en el interior del reactor
biológico. Sólo escapan los fangos en exceso. El lecho se mantiene aireado. El material
granular debe someterse periódicamente a limpieza.
Fig. 8.3. Lecho fijo con recirculación.
Otro tipo, por ejemplo, se caracteriza porque el reactor biológico, además de su papel
tradicional, desempeña una misión de filtración, la capa profunda. En este tipo a 40 cm,
por encima del fondo, se produce la inyección de aire para fluidificar el lecho. La zona
de filtro en el fondo permite retener los fangos producidos en el interior del reactor, así
como las materias en suspensión presentes en el efluente a tratar. De esta forma, el
efluente tratado puede verterse directamente, sin que sea necesaria una decantación
posterior. Sin embargo, es preciso lavar periódicamente este tipo de reactor, de forma
que se eliminen los fangos en exceso y las materias en suspensión que se acumulan en
el mismo.
Fig. 8.4. Procedimiento de lecho fluidificado y filtro
Puede trabajar el reactor de cultivos fijos a unas concentraciones de microorganismos
muy superiores a las que normalmente se admiten en cultivos libres, sin problemas de
separación. Es posible funcionar, para un mismo grado de depuración, con unas cargas
volúmicas importantes, reduciéndose así los volúmenes de las instalaciones.
Sin embargo, el empleo de los cultivos fijos plantea ciertos problemas tecnológicos, que
limitan el campo de aplicación de estas técnicas.
El material utilizado como soporte de microorganismos, en este tipo de lechos
fluidificados está constituido por granos de arena, arcilla, carbón, carbón activo, cuya
talla puede ir de aproximadamente 0,1 mm a algunos milímetros de diámetro.
Independientemente de su naturaleza, sus materiales constitutivos quedan caracterizados
por un cierto número de parámetros, como son:
•
Talla efectiva.
•
Coeficiente de uniformidad.
•
Forma de los granos (angulosos o redondos).
•
Friabilidad.
•
Porosidad.
•
Aptitud para la fluidificación (velocidad mínima de fluidificación, velocidad
máxima de fluidificación, etc.).
•
Naturaleza de los materiales utilizados.
Un proceso de lecho bacteriano convencional puede ajustarse al siguiente diagrama.
Fig. 8.5. Esquema de un proceso de lechos bacterianos.
2. ORIGEN Y DESARROLLO DE LOS LECHOS BACTERIANOS
2.1. LOS LECHOS DE CONTACTO
Los antecedentes de los lechos bacterianos, tal como hoy se conocen, pueden
establecerse en un sistema de funcionamiento intermitente, lechos de contacto, que
empezó a funcionar en Inglaterra en 1893.
Estos consistían en estanques impermeables rellenos con piedra machacada. En su
funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba con el agua residual desde la parte
superior, y se dejaba en contacto con el medio durante un corto período de tiempo. El
lecho se vaciaba a continuación, y se le permitía que reposase antes de reiniciar el ciclo.
Un ciclo típico exigía 10 horas, de las cuales 8 horas correspondían a periodo de reposo.
Las limitaciones del lecho de contacto incluían una posibilidad relativamente alta de
obturaciones, el prolongado período de tiempo de reposo necesario, y la carga
relativamente baja de utilización.
Se adoptaban igualmente soluciones de doble contacto, con los ciclos reflejados en la
Tabla 8-1.
Tabla 8.1. CICLOS EN LECHOS DE CONTACTO
Tabla 8.2. CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES
Los áridos utilizados eran:
•
•
•
Grueso 8-20 cm
Medio 1,3-2 cm
Fino 0,60 cm
Las características funcionales del sistema quedan plasmadas en la Tabla 8-2.
2.2. LECHOS BACTERIANOS O PERCOLADORES
Por las desventajas enunciadas, y buscando la continuidad del sistema, se ha pasado de
lechos de contacto a lechos bacterianos, también denominados lechos percoladores. Sus
ventajas pueden resumirse en:
a) No necesidad de muros impermeables como se precisan para aquellos, muros
que encarecen la construcción.
b) Posibilidad de establecer aireación adecuada por medios diversos, que permitan
adaptar, en las mejores condiciones posibles, los fenómenos de depuración por vía
aerobia a las características del efluente a tratar.
c) Continuidad, estableciendo los dispositivos adecuados para el vertido sobre el
lecho, y los dispositivos de evacuación de las aguas de salida.
2.2.1. Fundamento del proceso
El sistema de lecho bacteriano es un sistema de depuración biológica de aguas
residuales, en el que la oxidación se produce al hacer circular, por un medio poroso, aire
y agua residual. La circulación del aire se realiza de forma natural o forzada, a contra
corriente o en el mismo sentido del agua. El fundamento del proceso está basado en las
acciones producidas en la ya citada película biológica.
La película biológica está constituida principalmente por bacterias autótrofas (fondo) y
heterótrofa (superficie), hongos (Fusarium), algas verdes y protozoos. También se
encuentran en el interior del lecho, animales más evolucionados, como gusanos, larvas
de insecto, caracoles y limacos.
El agua residual se vierte de la forma más uniforme posible en la parte superior del
medio poroso, que está dispuesto en balsas de profundidad variable según los tipos
considerados. Se recoge el agua en la parte inferior por un sistema de drenaje, que debe
cumplir la doble misión de evacuar el agua residual y permitir el paso del aire. Debe
señalarse que la pérdida de carga hidráulica será como mínimo la profundidad del lecho.
Los condicionantes de las aguas conducidas a los lechos bacterianos son tres
fundamentales:
· La entrada del agua en los lechos debe estar precedida de una decantación primaria,
para eliminación de grasas y sólidos en suspensión.
· Debe prestarse atención a los elementos tóxicos e inhibidores de los procesos
biológicos. Por supuesto, la contaminación vertida sobre el lecho debe ser
biodegradable.
·
Debe conseguirse una correcta maduración del lecho bacteriano. Para el
establecimiento de una película biológica bien equilibrada, (maduración de los lechos),
se requiere un período de tiempo, menor en veranos que en invierno, que exige semanas
o meses, debido a una proliferación más lenta de los microorganismos. Después de
algunas semanas de maduración, los materiales de relleno se recubren de una película
gelatinosa de bacterias que forman la citada película de 3 a 4 mm de espesor. El agua,
que se aporta por goteo, tarda aproximadamente de 20 a 60 minutos en atravesar el
medio filtrante.
La ubicación de los lechos bacterianos, dentro de un proceso general de depuración,
queda definido en el esquema de la Fig. 8-6, pudiéndose ver la disposición en la
fotografía que se acompaña, Fig. 8-7.
2.2.2. Forma y estructura de los lechos bacterianos
Está muy ligada al sistema de distribución que se emplee.
Si se utilizan distribuidores fijos, la forma suele ser rectangular. Asimismo son
rectangulares los lechos alimentados por distribuidores móviles de traslación. Cuando se
emplean distribuidores giratorios, la forma es circular. Los modernos lechos de
aireación forzada son casi todos circulares.
Fig. 8.6. Diagrama de un proceso de lecho bacteriano.
Fig. 8.7. Vista de una depuradora con lechos bacterianos
Fig. 8.8. Esquema general.
2.2.2.1. Lecho rectangular
Fig. 8.9. Lecho rectangular
2.2.2.2. Lechos circulares
1. Arqueta de inspección.
2. Cubierta de cámara de aire y soporte material.
3. Conductos de ventilación.
4. Conexión canal de aireación.
5. Tubería de entrada.
6. Cámara de distribución.
7. Solera de hormigón.
8. Canal y falso fondo cubiertos por placas o piezas dejando
paso libre al agua, pero no al material soporte.
9. Canal de fondo de recogida del agua.
10. Material soporte para formación de película biológica.
Fig. 8.10. Lecho circular Planta y Sección A-A.
3. CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONALES
3.1. DISTRIBUCIÓN DEL AGUA
La distribución del agua residual debe ser lo más uniforme y continua posible. Por
tanto, hay que evitar atascos y paradas. Los aspersores pueden ser fijos o móviles. Los
fijos requieren un dispositivo más complicado de distribución y, por tanto, una mayor
pérdida de carga (alrededor de 2 m). Los móviles consisten en brazos giratorios
dispuestos radialmente, con boquillas incorporadas y movidos por carga hidráulica. La
pérdida necesaria es de 0,5 m. La velocidad es de 0,3 a 5 vueltas por minuto,
dependiendo de la carga superficial.
También existe la variante de lechos rectangulares con carros de distribución del tipo
de "va y viene", pero son poco adecuados para grandes instalaciones, ya que los
intervalos de riego son demasiado largos.
3.2. MASA SOPORTE
Es conveniente que la masa filtrante tenga la mayor superficie específica posible, para
que se pueda formar la mayor cantidad de película biológica. Pero esta característica
hay que conjugaría con el índice de huecos, ya que éstos serán los que permitirán el
paso del aire y del agua.
La altura de masa filtrante oscila entre 1,5 y 4 metros, siendo la más utilizada la de 2 m,
aunque existen fórmulas teóricas que determinan la altura óptima. Los tamaños de árido
usados oscilan de 4 a 8 cm. Los materiales soporte pueden ser naturales o artificiales.
Hay que cuidar la uniformidad del medio poroso, su durabilidad y resistencia. Los
materiales más usados son la piedra silícea, el pórfido o las puzolanas. Los materiales
artificiales pueden ser desde escorias hasta elementos plásticos, fabricados
especialmente para conjugar la superficie y los huecos, de forma que se aumente el
rendimiento por unidad de volumen. Se ha conseguido reducir el peso en un 95%,
duplicando el índice de huecos y aumentando la superficie específica.
3.3. VENTILACIÓN
La ventilación puede ser natural o forzada.
3.3.1. Ventilación natural
La ventilación natural se produce por efecto de la diferencia de temperaturas del aire y
el agua. Al calentarse o enfriarse el aire en el interior del lecho se produce una
variación de densidad que provoca el movimiento de la masa. HALVORSON ha
comprobado que una diferencia de 6º de temperatura produce un tiro de 0,3 m3 /m2 .
mm. Cuando la diferencia es de 2º, se para el tiro. Por tanto, el lecho estará aireado
siempre que no se produzca una diferencia térmica, entre agua y aire, de 2º centígrados.
Esta situación, si se prolonga, podrá producir efectos de anaerobiosis.
3.3.2. Ventilación forzada
En algunos tipos, para evitar este paro de oxigenación, se recurre a la ventilación
forzada, inyectando 0,3 m3 /m2 mm., de forma artificial. Se recurre a este sistema
cuando, por causas exteriores como frío, hay que cerrar los lechos, Pero hay que tener
en cuenta que representa un incremento de potencia instalada.
3.4. RECOGIDA DEL AGUA
La recogida de agua residual tratada se efectúa por medio de un dispositivo de drenaje
en el fondo del lecho bacteriano. Este sistema contará con un sistema de canales de
recogida, con la característica fundamental de que no deben existir sedimentaciones, ya
que el agua residual lleva los flóculos que sedimentarán en el decantador secundario.
Para ello la pendiente será del 1% ó 2%, y la sección no irá nunca llena, ya que deberá
servir también como canal de aireación. Una recomendación de diseño marca que, la
zona de salida al falso fondo de agua y aire, sea el 15 ó 20% la superficie total del
filtro.
3.5. MATERIALES DE FIJACIÓN DE LA PELÍCULA BIOLÓGICA
Las características del medio poroso ideal deben ser: Económico, duradero, de elevada
superficie específica, con un índice de huecos que asegure su no atascamiento.
3.5.1. Tiempo de retención
Es importante la consideración del tiempo de retención de las aguas en lechos
bacterianos. Ensayos con concentración de sales en entrada y salida ofrecen resultados,
como los de la Fig. 8-11, con períodos de retención de 45 a 60 minutos.
Fig. 8-11
3.5.2. Volumen de agua retenido
El volumen de agua retenido depende de la superficie y tamaño de los materiales del
lecho, de donde resulta que la elección de los materiales filtrantes de los lechos es de
suma importancia pues su diámetro o tamaño define las superficies disponibles como
puede verse en la Fig. 8-12.
Suponiendo un espesor de película biológica de 1 mm, con áridos de Ø = 9 cm se
tendría una superficie específica de 45 m2 y un volumen retenido de 45 l.
Como la concentración de sólidos en estas películas suele ser del 5%, el líquido retenido
seria de 42,75 l.
El gráfico adjunto, Fig. 8-13, representa el tiempo de retención de las aguas en el lecho
cuando, por m3 del lecho, se incorporan 1, 2, 3, ó 4 m3 / día sobre el mismo. Por ejemplo
si por m3 de lecho con árido Ø = 2 cm, se vierte una carga de 2 m3 /dia, el tiempo de
retención se obtendrá trazando por el punto de abscisas 2 una vertical hasta cortar la
curva (1:2). En el eje de ordenadas se leerá 2,4 horas.
Los fenómenos que tienen lugar en el lecho bacteriano son los mismos que producen los
fangos activos, sin más diferencia que en los lechos el agua circula entre elementos
biológicos y fijos, y en los fangos activos son los elementos activos los que circulan en
suspensión en el agua a depurar.
3.5.3. Aireación artificial - Volumen de aire necesario
En el gráfico, Fig. 8-14, se representan los resultados de investigaciones realizadas
sobre cantidades de aire necesarias para una aireación artificial en un lecho,
dependiendo de la granulometría de los áridos.
Fig. 8.12. Relación de superficie por m3 de material filtrante, según diámetro Ø del
árido.
Fig. 8.13. Tiempos teóricos de contacto del agua en lechas de diferente granulometría.
Fig. 8.14. Cantidad de aire para aireación artificial, según el tamaño del árido.
3.5.4. Materia orgánica destruida en función de la granulometría
Igualmente puede representarse, Fig. 8-15, la cantidad en peso de materia orgánica
eliminada por día, en un lecho bacteriano, por m3 del mismo y en función del tamaño del
árido.
3.6. SUPERFICIE ESPECIFICA Y PORCENTAJE DE HUECOS
Las dos propiedades más importantes de los filtros percoladores son las superficie
específica y el porcentaje de huecos. La superficie específica se define como los m2 de
superficie de relleno por m3 de volumen total. Cuanto mayor sea la superficie específica
mayor será la cantidad de fango biológico por unidad de volumen. Por otra parte a
mayor porcentaje de huecos se consiguen cargas hidráulicas superiores sin peligro de
inundación por colmatación.
Fig. 8.15. Materia orgánica destruida en g/m3 de lecho en función de la granulometría
3.6.1. Rellenos comunes o sintéticos
Mientras que los lechos rellenos de roca, clinkers u otros materiales similares, no
pueden salirse de profundidades de 0,9 a 2,4 m, los lechos de materiales sintéticos
pueden soportar profundidades entre 6 y 12 m. El mayor porcentaje de huecos en los
rellenos sintéticos, facilita el flujo y reduce el peligro de colmatado.
Para los rellenos comunes (roca, clinkers, etc.) las características normales del árido son
las siguientes:
· Diámetro: 4,0-8,0 cm.
· Área superficial específica 80-110 m2 /m3 de volumen global.
· % de huecos: 45-55%.
· Carga hidráulica máxima: 3,4 · 10-4 m3/s · m2 1,22 m3 /m2 · h.
3.6.1.1. Ventajas de los rellenos sintéticos
Las ventajas de los rellenos sintéticos son:
1)Permiten profundidades del relleno hasta de 12 m.
2) Se puede Hegar a cargas hidráulicas elevadas hasta 2,7 · 10-3 m3 /s m2 · =9,7 m3 /m2 · h
3) Tienen superficies específicas de hasta 220 m2 /m3 de volumen total.
4) Existe un riesgo menor de colmatado por las aguas residuales, que arrastran
cantidades importantes de sólidos en suspensión.
5) Requieren una estructura de soporte más barata debido a su peso ligero.
3.6.1.2. Desventajas de los rellenos sintéticos
Las desventajas de los rellenos sintéticos son:
1)Su precio comparativamente elevado.
2) Resultan inadecuados para obtener rendimientos altos en el tratamiento de las aguas
residuales, en relación con los conseguidos utilizando rellenos normales.
3.7. TIPOS DE RELLENOS SINTÉTICOS y CARACTERÍSTICAS
Existen diversos tipos de material soporte sintético cada uno de ellos con características
morfológicas especificas, y condiciones de funcionamiento hidráulico y de rendimiento
propios. Se presentan a continuación diversos tipos de material sintético de relleno.
3.7.1. Elemento "BIONET"
Las características principales de este material son:
· Peso especifico 46 Kg/m3
· Volumen de huecos 95%
· Superficie específica 100 m2 /m3
· Resistencia a la comprensión 200 Kg/m2
Los rendimientos para estos tipos de instalaciones, en función de la carga volúmica,
quedan plasmados en la Fig. 8-17.
Fig. 8.16. Soporte Tipo BIONET
Fig. 8.17. Rendimiento en D.B.O.5
Las cargas hidráulicas y orgánicas para este tipo de material puede sintetizarse en la
siguiente Tabla 8-3.
Tabla 8-3. CARGAS EN LECHOS, CON RELLENO BIONET
3.7.2. Elementos "NOR-PAC"
Estos elementos están concebidos para realizar un relleno "a granel'. Fig. 8-18.
Las características de este material se reflejan en la Tabla 8-4.
Fig. 8-18. Elementos "NOR-PAC".
Tabla 8-4.
Con circulación de aire, las pérdidas de carga pueden obtenerse en el gráfico de la Fig.
8-19.
Fig. 8-19. Sistema Aire - Agua.
3.7.3. Elementos "PLASdek"
Este material está concebido para formar un apilamiento de bloques, cuya estructura
interna permite una distribución del flujo de aguas residuales dentro de un laberinto de
canales elementales, proporcionando una alta relación superficie-volumen. Fig. 8-20.
Fig. 8-20. Elementos "PLASdek".
Tabla 8.5. CARACTERÍSTICAS DEL BLOQUE PLASdek
Las características de estos elementos, PLASdek, de la casa Munters, quedan reflejados
en la tabla 8-6. El material es P.V.C. sin plasfiticantes.
Tabla 8.6 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PLASdek
Las características de carga orgánica y carga hidráulica, recomendadas para aguas
urbanas figuran en el siguiente gráfico y tabla:
Gráfico 8.22. Curvas de rendimiento en un proceso secundario.
Tabla 8.7 CARGA HIDRÁULICA MÍNIMA SEGÚN PROFUNDIDAD DEL
LECHO
Vista exterior de un pequeño lecho.
Vista interior con elementos de distribución de agua.
Vista de colocación de elementos en un lecho.
Fig. 8.21. Representación esquemática de la película biológica sobre un elemento
"PLASdek".
Fig. 8.22. Carga en DBO 5/m3 · d respecto a DBO 5 eliminado en %.
Fig. 8.23. Rendimiento en denitrificación del "PLASdek"
Fig. 8.24. Reducción de NO3 en un lecho "PLASdek" de corriente ascendente.
3.7.4. Elementos "Norton Actifil"
Estos elementos al igual que los "NOR-PAC" están destinados a formar un relleno "a
granel". Fig. 8.25.
Fig. 8.25. Elementos "Norton Actifil".
4. MICROBIOLOGIA EN LOS LECHOS BACTERIANOS
La capa biológica que recubre el material soporte integra, según COOKE & HIRSCH:
1)Predominancia de bacterias y protozoos en la capa superficial.
2) Hasta donde llega la luz solar algas de tipo filamentoso, filamentos de hongos,
protozoos, gusanos y nemátodos en la espesa capa intermedia.
3) Micelios de hongos, adhiriéndose al material y reteniendo entre ellos células de
bacterias, protozoos y algas si llega la luz.
Entre los hongos pueden destacarse: Fusarium acueductum, Geotrichum candidum,
Pullularia pullulans, Ascoides rubescens, Leptomitus lacteus. Los hongos ocupan del 5
al 30% del total de los microorganismos.
Entre las algas: Euglena, Chlorella, Oscillatoria, Phormidium, Zooglea ramigera,
Nitrosomonas, Nitrobacter, Beggiatoa, Sphaerotilus, Chromatium.
Entre los protozoos: Opercularia, Paramecium, Epistylis, Oxytrichia, Euplotes,
organismos aerobios situados en capas superiores. Existen conjuntamente amebas y
flagelados, estando entre los ciliados devoradores de bacterias, el protozoo anaerobio
Metopus.
La fauna de invertebrados, que se alimenta de fangos, está constituida por gusanos,
nemátodos, rotíferos y tardígrados, anélidos, ácaros e insectos. Entre los gusanos
pueden destacarse los Tubifex y Lymnodrylus. Entre los insectos pueden destacarse la
Psychoda altemata, Polypedilum, Harnmischia, Cricotopus.
Entre los ácaros, consumidores también de materia orgánica, se encuentran los géneros
Histiogaster e Hystiosoma.
5. ESQUEMA FUNCIONAL
Las aguas brutas, después de desengrasado y decantación primaria, deben ser
incorporadas sobre la superficie del lecho de forma uniforme, para alcanzar el máximo
rendimiento del sistema. Es fundamental en consecuencia el sistema de distribución,
integrado por un depósito de puesta en carga y los brazos de distribución, que, por
efecto de reacción de los chorros de salida, serán autopropulsados. Estos dispositivos
pueden verse en las figuras siguientes.
Fig. 8.26. Sección de un lecho.
Fig. 8.27. Distribuidor rotativo autopropulsado.
5.1. DISTRIBUIDOR y AUTOPROPULSIÓN
Este dispositivo se basa en un depósito central que gira en su movimiento sobre una
base soporte, impulsado por la reacción de los surtidores, o chorros de agua de salida.
Este sistema extraído del Tipo Eimco instalado en la Depuradora de Viveros de la villa
(Madrid), puede verse en las figuras siguientes.
Fig. 8.28. Detalle del dispositivo giratorio.
Fig. 8.29. Detalle extremo del brazo y surtidores.
Fig. 8.30. Carga mínima de agua en función de la relación Qmax/Q min.
5.2. DOSIFICADOR SIFÓNICO
Fig. 8.31. Dosificador con cierre sifónico.
La incorporación de las aguas, al depósito central de distribución, se realiza mediante el
empleo de dosificadores tipo sifón, o bien en continuo. Fig. 8.31.
5.3. SISTEMA RECOLECTOR
Los colectores satisfacen dos propósitos:
1)Retirar las aguas negras que han pasado a través del lecho.
2) Proporcionar ventilación al lecho para mantenerlo en condiciones aerobias.
La dirección de la circulación del aire, a través del lecho, depende de la diferencia de
temperaturas entre la masa del material soporte y las aguas negras, en relación con la
temperatura ambiente. Cuando las piedras del lecho estén más calientes que el aire
externo y el agua negra, la corriente de aire a través del lecho será hacia arriba. Si la
temperatura del lecho es más baja, la dirección de la corriente de aire será hacia abajo.
El sistema recolector consiste en bloques prefabricados para lecho, los cuales son de
arcilla vitrificada o de hormigón, que cubren completamente el fondo del lecho dejando
entre sí canales para el efluente. La forma de estos bloques es rectangular generalmente
y tienen ranuras en su cara superior igual a un 20 por ciento de su superficie, y siempre
inferior a la dimensión mínima del árido. Se constituye así un falso fondo de canales
que comunican con el canal de salida y con conductos de ventilación, garantizando así
la circulación del aire. Fig. 8-32.
Fig. 8.32. Sistema recolector.
6. TIPOS DE LECHOS BACTERIANOS
6.1.
CLASIFICACIÓN
SEGÚN
DIVERSOS
CRITERIOS
Los lechos bacterianos pueden clasificarse atendiendo a aspectos funcionales o a
aspectos constitutivos. Así pueden hacerse las siguientes clasificaciones:
A) Atendiendo a la recirculación.
· Sin recirculación. Altura lecho 1,80-3,00 m, llegando a lechos de 4,00 m.
· Con recirculación, de decantación secundaria a decantación primaria.
En este lecho, se usa un proceso que incluye recirculación y una alta carga hidráulica de
aplicación a un lecho de poco espesor. Los lodos del tanque de sedimentación
secundaria son generalmente muy ligeros, y pueden recircularse continuamente al
tanque de sedimentación primaria, donde se concentran juntos los dos tipos de lodos,
para su bombeo posterior al digestor.
Altura de lechos de 0,90-1,90 m.
·
Con recirculación de salida
Altura de lechos de 1,80-3,00 m.
·
Con
recirculación
de
Altura de lechos de l,50 -2,50 m.
del
lecho
decantación
a
entrada
secundaria
a
del
propio
lecho
lecho.
bacteriano.
B) Atendiendo a la carga. Tabla 8-8.
Tabla 8.8 CLASIFICACIÓN DE LECHOS POR CARGA.
C) Por el material.
Podría clasificarse el material: De árido, de material plástico, de materiales especiales.
Igualmente podrían clasificarse por la dimensión del árido, o por la superficie
específica.
D) Por la construcción.
Forma: Circulares o Rectangulares.
Aislamiento: Abiertos y Cubiertos.
Fig. 8.33. Lecho rectangular.
E) Según la ventilación.
· Natural.
· Ventilado.
F) Según la forma de trabajo.
· Lechos normales.
· Lechos sumergidos o fluidificados.
Fig. 8.34. Lecho cubierto.
G) Según la movilidad del material soporte.
· Lechos fijos.
· Lechos fluidificados.
· Biodiscos.
· Biocilindros.
6.2. DISPOSICIÓN O EMPLAZAMIENTO DE LOS LECHOS BACTERIANOS
Distintos encadenamientos de los lechos pueden deducirse de los esquemas siguientes:
Fig. 8.35. Diversos esquemas de situación en plantas depuradoras con lechos
bacterianos
Se pueden ver a continuación otros esquemas de emplazamientos en plantas
depuradoras con lechos bacterianos.
Fig. 8.36. Lechos bacterianos de dos etapas.
Fig. 8.37. Máximo rendimiento en lechos bacterianos de dos etapas (ARCHER y
ROBINSON).
Fig. 8.38. Instalación combinada de lechos bacterianos y fangos activados.
Fig. 8.39. Instalación combinada fangos activados y lechos bacterianos.
7. PROBLEMAS DE LOS LECHOS BACTERIANOS
7.1. PUESTA EN MARCHA
En la puesta en marcha se precisan más de ocho días para formar la película biológica.
Las causas pueden ser:
· Insuficiencia de carga orgánica. Para paliar el efecto, se puede reducir la recirculación.
· Vertidos industriales que modifiquen el pH e inhiban el crecimiento microbiano. Debe
corregirse el pH, por ejemplo con cal, y en todo caso evitar que se sigan produciendo
dicho tipo de vertidos.
7.2. DESAPARICIÓN DE LA PELÍCULA BIOLÓGICA DE UNA FORMA
BRUSCA
La causa será un vertido ácido o tóxico puntual. El remedio a aplicar será un lavado
enérgico del lecho, y volver a iniciar el ciclo.
7.3. ENCHARCAMIENTO DE LA SUPERFICIE DEL LECHO
Las causas pueden ser:
· Mala granulometría del medio poroso. Se hace inevitable su sustitución.
· Excesiva carga orgánica. Para paliar el efecto sólo queda el remedio de no tratar todo
el caudal, o de aumentar la recirculación.
· Poca efectividad en la eliminación de fangos en el decantador primario.
· Excesiva cantidad de biomasa en el interior y la superficie del lecho. Para evitarla, se
suele recurrir a dorar las aguas antes de la entrada, para producir la muerte de parte de la
biomasa, y un lavado enérgico para su retirada. En un caso extremo se para el filtro y se
deja secar.
7.4. OLORES
La causa es la entrada en funcionamiento preferente de las bacterias anaerobias o
facultativas por falta de aireación. La solución seria aumentar la aireación, pero como es
imposible ya que depende factores climatológicos que influyen en la temperatura del
agua y del aire, se recurre a aumentar la recirculación o cloración, con riesgo de
eliminar la biomasa.
7.5. MOSCAS EN EL LECHO
La proliferación de moscas Psychoda en las sombras, se debe a un excesivo crecimiento
del número de sus larvas en el interior del lecho. La vida de esta mosca es de 5 a 7 días
dependiendo de la temperatura.
Una solución para eliminarías es inundar la superficie del lecho, disminuyendo el
intervalo de pasada de brazos de riego, con lo cual se evita la salida de la mosca, y en
todo caso procediendo a eliminarías con insecticida.
7.6.
FORMACIÓN
DE
ESPUMAS
EN
CANALETAS
DE
RECOGIDA
La causa fundamental es la presencia de elementos tenso-activos (detergentes) no
biodegradables. Se agrava el problema en el caso de aguas muy alcalinas, o con la
introducción de vertidos en condiciones anaeróbicas. Para la eliminación de espumas se
recurre a instalar pulverizadores de agua a presión, en las zonas de acumulación, o
también a la utilización de productos antiespumantes, vertidos antes del paso del agua
por el lecho bacteriano. Esta última solución, al igual que la anterior, no elimina la
causa y además introduce un producto nuevo que puede ser incrementar la
microcontaminación.
7.7. FORMACIÓN DE HIELO EN EL LECHO
Las bajas temperaturas del aire ambiente pueden llegar a helar el lecho. Un período
continuado de días a menos de cinco grados bajo cero pueden llegar a inutilizarlo. A
temperaturas mayores, una forma de evitarlo es cerrar parcialmente la entrada de aire
frío con lo cual se puede mantener a la temperatura del agua residual. Hay que dejar
siempre por lo menos una abertura que sea equivalente al 1% de la sección del lecho.
8. PARÁMETROS DE DISEÑO
Para diseñar correctamente un lecho bacteriano, es preciso conocer el papel y la
importancia de los parámetros que van a condicionar el diseño del lecho bacteriano,
según la función que se le asigne en el conjunto de la planta depuradora.
8.1. PARÁMETROS BIOLÓGICOS
Los parámetros fundamentales biológicos son:
·
La
magnitud
de
la
demanda
bioquímica
de
oxigeno
(D.B.O).
· La aireación para mantener y desarrollar la vida aerobia, sea esta aireación conseguida
de forma natural o forzada.
8.2. PARÁMETROS FÍSICOS
Los parámetros físicos resultan ser, a fin de cuentas, un conjunto de condicionantes que
influyen directamente en el rendimiento de la depuración a obtener con el empleo de los
lechos bacterianos.
La D.B.O.5 eliminada, en el paso del agua residual a través del lecho, depende de la
naturaleza del agua a tratar, de las características del lecho y del material de relleno.
Se consideran a continuación los principales factores que influyen en el rendimiento de
este sistema.
8.2.1. Tiempo de retención
El tiempo de retención en el medio filtrante viene dado por la siguiente fórmula, según
HOWLAND, para agua limpia:
ts =a· H (v/g)1/3 (AV/Q)2/3
Donde:
ts = Tiempo medio de retención (horas).
H = Altura del lecho (m).
Q = Carga hidráulica ( m3 /m2 · h).
A/V = Superficie específica del material (m2 /m3 ).
a = Constante que depende del material del lecho y de la estructura de la película.
v = Viscosidad cinemática del material (m/s2 ).
Para un material de relleno, cuya superficie específica queda fijada por un diámetro de
árido adoptado, A/V es constante.
Según BLOODGOOD, el tiempo de retención en el lecho viene dado por:
t=C H· d5/3/Q2/3
Donde:
Q ( m3 /m2 · h).
H (m).
d, diámetro del árido (m).
C, constante.
Para GREY y LERNER
t = 2 · H / Q0,75
8.2.2. Temperatura del agua y del aire
El fenómeno de la aireación natural, fue estudiado por HALVORSON, SAVAGE y
PIRET (Sevage Works Journal, 1936, 8, 888), quienes llegaron a relacionar la diferencia
de temperatura, entre el aire y agua con el caudal y dirección del aire, formulando una
ley lineal del siguiente tipo:
Qa = K (TL - Ta - T)
siendo:
Qa = Caudal de aire en m3 /m2 · d.
TL = Temperatura del agua en el interior del lecho en ºC.
Ta = Temperatura exterior del aire en ºC.
T = Constante de 2ºC para lechos convencionales.
K = Constante del lecho.
Para una diferencia de temperatura TL - Ta = 6ºC, el caudal de aire garantizado es de 18
m3 /m2 · h
El esquema de la circulación del aire puede verse en la figura 8-40, deducido de la
fórmula
Va=0,075 (Ta-TL)-0,15
siendo Va = Velocidad del aire (en m/min).
Fig. 8.40. Circulación del aire en un lecho.
HALVORSON determinó que era necesaria una corriente de 0,3 m/minuto para que se
realizara una buena oxigenación. Por tanto, las diferencias de temperatura ideales serán,
las superiores a + 6 ó a -2º. En el intervalo definido por estos valores la aireación es
deficiente y por tanto se pueden producir fenómenos de anaerobiosis.
Para determinar el volumen de aireación en un lecho ventilado, debe tenerse en cuenta
que 1 m3 de aire tiene 280 g de oxígeno y que la transferencia en lechos puede estimarse
en un 5%.
8.2.3. Naturaleza del material de contacto
El
tipo
de
material
utilizado
define
parámetros
fundamentales
como:
· Superficie específica.
· Altura de la película.
· Índice de huecos.
En el apartado anterior, al hablar de materiales, se dieron estos datos para lechos
constituidos con áridos dependiendo del diámetro utilizado, que preferentemente se fija
entre 4 y 6 cm, pudiéndose establecer capas diferenciadas de distintos diámetros,
colocadas en diámetro creciente al crecer la altura del lecho.
Tabla 8-9
Una comparación de cargas de funcionamiento, rendimientos y energía consumida se
resume en la Tabla 8-9 para tres sistemas:
· Lecho bacteriano funcionando a mínimo rendimiento.
· Fangos activos de alta carga.
· Aireación prolongada.
8.2.4. Parámetros de carga
8.2.4.1. Carga hidráulica
Se expresa en m3 de agua aplicada por m2 de superficie del lecho. Esta carga es la que
condiciona la velocidad de paso a través del material, y por lo tanto el tiempo de
retención, que es el factor del que depende, en condiciones normales, la eliminación de
la DBO, y el rendimiento del sistema. Por ello éste es un parámetro fundamental para el
control del funcionamiento.
8.2.4.2. Superficie específica
La superficie recubierta por las membranas bacterianas, o superficie regada por m3 de
lecho filtrante, depende del tamaño de los elementos utilizados en su construcción.
Se obtiene así este parámetro como cociente de la superficie de los áridos por m3 . Este
se relaciona con el tiempo de retención de las aguas en el lecho.
8.2.4.3. Carga Volúmica
Este
parámetro
indica
los
Kg.
de
DBO
por
m3
de
material
filtrante.
8.2.4.4. Recirculación
La recirculación de una parte del efluente, ya sea al decantador primario, o al lecho
bacteriano directamente, es un método que se ha extendido mucho, como medio de
mejora del rendimiento del proceso. Efectivamente, la recirculación cumple los
siguientes objetivos:
a)Efectúa una dilución del influente, reduciendo el efecto que pueda producirse de una
sobrecarga instantánea.
b)Reduce la tasa de crecimiento de la película biológica por el mismo efecto de
dilución.
c) Produce un mayor arrastre de las partes no activas de la película biológica,
procurando un contacto más efectivo de ésta con el influente.
d) Tiende a procurar una distribución vertical más uniforme de la película.
e) Se produce un aumento de rendimiento, como consecuencia del hecho de que el agua
a tratar ya no pasa solamente una vez por el sistema, sino que, dependiendo del
porcentaje de recirculación, hay una cierta parte de aquélla que pasa una vez, otra que
pasa dos veces, otras tres, etc.
Se define como coeficiente de recirculación al cociente:
r = QR / Q
siendo:
r = coeficiente de recirculación
Q = caudal de agua residual entrado en la planta.
QR = caudal recirculado.
Se denomina factor de recirculación al número de veces que la materia orgánica pasa
por el lecho. Este factor viene dado por:
F=(1+r)/(1+0,1r) 2
En la Tabla 8-10 se relacionan el coeficiente de recirculación, el número de veces que
una partícula de agua pasa por el lecho y el factor de recirculación.
Tabla 8-10
8.2.4.5. Rendimientos
El National Research Council (USA) ha establecido, para aguas residuales de tipo
urbano, la curva reflejada en el gráfico Fig. 8-41, que relaciona la carga volúmica
aplicada a un hecho con el rendimiento o reducción posible de la DBO 5.
En función de la recirculación y de la DBO5 de salida de los decantadores primarios
pueden obtenerse las DBO 5 de salida del proceso de lechos bacterianos, según la tabla
siguiente:
Fig. 8.41. Rendimiento de los lechos respecto a carga aplicada.
El N.R.C., para aguas urbanas, ha dado las siguientes fórmulas para establecer el
rendimiento de los lechos bacterianos. Son ecuaciones que relacionan la eficiencia del
lecho con la carga hidráulica y la orgánica específica. Son expresiones empíricas
obtenidas del estudio del comportamiento de plantas reales.
Con un lecho en etapa única:
E1 = 1 / (1 + 0,443 · SQRT(W/V · F))
E1 = eficiencia de la eliminación de DBO para el proceso, incluyendo recirculación y
sedimentación.
W = carga de DBO al lecho, en kg/día.
V = volumen del medio filtrante en m3
F = factor de recirculación.
Con lechos bacterianos en dos etapas:
E2 = 1 / (1 + (0,443 / (1 - E1)) · SQRT(W'/V2 · F))
siendo:
E2 = eficacia de la eliminación de DBO en la segunda fase del proceso.
W'= (1-E1)W.
V2 = volumen de lecho en segunda fase, en m3 .