Biodiscos, una tecnología para la depuración de pequeños núcleos

PROCESOS
y
SISTEMAS
Biodiscos, una tecnología
para la depuración de pequeños
núcleos de población
Por: Nathalie Schmitt, de Plastique Metal Technologie, y Ricard García Cudinach
y Jordi Dalmau Soley, de Comsa Medio Ambiente
Comsa Medio Ambiente
C/ Calabria, 169, 9ª Planta
08015 Barcelona
Tel.: 932 282 120
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1. Introducción
o existe una tecnología en la
depuración de aguas residuales idónea para cualquier situación. Así la selección de
un esquema de tratamiento debe ser
el resultado de un análisis minucioso
de necesidades y requerimientos,
costes de inversión y explotación, y
factores externos y del entorno. Dentro de este contexto la tecnología de
los biodiscos o proceso RBC tiene
también su espacio, puesto que es un
sistema de tratamiento biológico aerobio de biomasa fija que tuvo sus
inicios a inicios de los años 60 y un
gran auge en su uso en los Estados
Unidos y Japón.
Como cualquier proceso de tratamiento biológico aerobio de biomasa fija, el fundamento del mismo
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N
74
Materia orgánica + O2 + Nutrientes
bacterias
NH4 + O2 + HCO-3 aerobias
TECNOLOGIA DEL AGUA
Figura 1.
(Figura 1) consiste en disponer de
un medio soporte donde se desarrolla una capa de microorganismos
(biofilm) que, en continuo contacto
con el agua residual y el aire, absorben el oxígeno necesario del mismo para metabolizar la materia carbonácea y nitrogenada del agua residual difundida a través del biofilm y de acuerdo a las siguientes
reacciones:
bacterias
aerobias
CO2 + H2O + microorganismos
NO3- + H2O + H+ + microorganismos
Los procesos de biomasa fija
ofrecen un alto rendimiento en eliminación de materia orgánica y nitrogenada que se presenta en forma
soluble (disuelta). La fracción de
materia contaminante en forma coloidal debe ser hidrolizada a compuestos de menor peso molecular
para posteriormente poder difundirse a través del biofilm. La fracción en estado suspendido o la coloidal no hidrolizada será biofloculada y eliminada posteriormente en
forma de sólidos decantables en la
posterior decantación.
1.1. Variables para la
selección de tecnología de
biomasa fija
Son varias las alternativas tecnológicas de biomasa fija disponibles
para su utilización, pero no todas
ellas son aplicables para el caso
particular de la depuración de
aguas residuales domésticas de pequeños núcleos de población, es
decir hasta poblaciones equivalentes de 2.000-3.000 habitantes.
Las principales variables que determinan la selección de la tecnología de biomasa fija son:
Tipología del agua residual a tratar.
Espacio disponible.
Situación de la EDAR y su accesibilidad.
Climatología.
Costes de inversión.
Requerimientos en la eliminación de nutrientes.
Costes de explotación y mantenimiento.
Logística del tratamiento y evacuación de los fangos.
Impacto ambiental.
No todas las tecnologías de biomasa fija son adecuadas para un caso concreto, por lo que es necesario
realizar un análisis técnico/económico de las variables para establecer el esquema de tratamiento más
idóneo. Así el proceso RBC, comúnmente llamado biodiscos, es
una técnica muy adecuada para tratar las aguas residuales urbanas
producidas en los pequeños núcle-
PROCESOS
y
SISTEMAS
os urbanos, o sea las poblaciones
inferiores a 3.000 habitantes equivalentes.
Figura 2.
Los biodiscos PMT
constituyen un
sistema de biomasa
fija para resolver
problemas de aguas
residuales en
pequeños núcleos
miento y, en particular, los ejes
soporte, medio de contacto, rodamientos y grupos de accionamiento.
En definitiva, siendo esta una
tecnología ampliamente utilizada
en países como Estados Unidos, Japón o Suiza, entre otros muchos, la
experiencia en nuestro país no fue,
en algunos casos, lo suficientemente contrastada como para poder ser
utilizada adecuadamente. No obstante, dada la necesidad de buscar
procesos y tecnologías adecuadas
para resolver el problema de la depuración de pequeños núcleos de
población, frecuentemente los biodiscos, aplicados correctamente,
representan una respuesta fiable,
compacta y sencilla con elevados
rendimientos en la eliminación de
DBO5, sólidos en suspensión y nitrógeno amoniacal.
2. Biodiscos PMT
Dentro de estas tecnologías
Comsa Medio Ambiente cuenta
con los biodiscos PMT. Se trata de
una tipología de módulos RBC
concebidos para resolver la problemática del tratamiento de aguas residuales de pequeños núcleos de
población.
2.1. Fundamentos
Los biodiscos constituyen un
sistema de biomasa fija, donde los
microorganismos responsables de
la conversión de materia orgánica a
materia celular están fijados a un
medio soporte constituido por discos. La materia celular tiene un peso específico mayor que el del agua
y, por tanto, puede eliminarse fácilmente por sedimentación en un decantador anejo y compacto de tipo
lamelar (Figura 2).
El biodisco PMT está constituido por un conjunto de discos de polipropileno 2 o 3 m de diámetro (última realización en Francia de 3,9
m), ensamblados en un eje macizo
horizontal de acero inoxidable cromado (con 90 mm de diámetro para
discos de 2 m, 120 mm para discos
de 3 m y 150 mm para superiores a
3 m), formando un conjunto cilínTECNOLOGIA DEL AGUA
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1.2. Variables significadas
en el diseño
Los tecnología de los biodiscos
empezó a aplicarse en España a
mediados de los años 80, obteniendo una cierta difusión durante una
década. No obstante, el desconocimiento de su tecnología y criterios
de diseño conllevó a un buen número de fracasos y, en definitiva, a
un cierto desprestigio.
Las causas de la poca implementación de esta tecnología fueron:
El desconocimiento generalizado de los criterio de diseño, es
decir, la utilización de parámetros de carga orgánica e hidráulica excesivos, faltos de superficie, sobrecarga de los módulos y,
en definitiva, mala calidad en el
efluente tratado.
La asimilación de los parámetros de diseño a los utilizados en
otros países donde la tecnología
sí estaba siendo utilizada con
éxito, pero donde las características del agua residual responden a aguas brutas más diluidas.
Cierto desconocimiento en la selección del esquema idóneo de
tratamiento. Es decir, se calificaron a los biodiscos como una
tecnología blanda y se combinaron con etapas de idéntica categoría como el lagunaje, sin valorar suficientemente la incidencia
de estas tecnologías.
No se contempló cómo resolver
adecuadamente la problemática
y logística del tratamiento y evacuación de los fangos producidos. Tampoco se tuvo en cuenta
el impacto de sobrecarga orgánica que representaba el reciclo a
cabecera de EDAR de sobrenadantes de digestión o espesadores.
Aún siendo conceptualmente los
biodiscos un equipo sencillo, su
construcción es suficientemente
compleja para asegurar una total
fiabilidad mecánica del equipa-
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PROCESOS
y
SISTEMAS
te tiene características distintas a
las de diseño. Si en los procesos de
fangos activados puede modificarse la recirculación, el aporte de aire
o la purga de fangos, con un biodisco estas variables no están disponibles. Por lo tanto su diseño y el cálculo del área necesaria debe efectuarse rigurosamente.
Ya que obviar estos condicionantes fue uno de los grandes errores que se cometieron cuando esta
tecnología llegó a nuestro país, los
criterios que se deben tener en
cuenta hoy son: tipología del tratamiento primario a utilizar, carga orgánica de diseño, influencia de la
temperatura y línea de fangos.
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Figura 3.
76
drico que gira lentamente sobre su
eje horizontal y sumergido en un
40% dentro del licor mezcla.
Los microorganismos presentes
en el agua se adhieren a los discos
formando una película de biomasa
(biopelícula) con concentraciones
de sólidos en suspensión de hasta
30.000 mg/l. Esta elevada concentración de microorganismos permite alcanzar altos rendimientos con
tiempos de retención mínimos y sin
necesidad de recirculación de fangos. La configuración responde a
un reactor de flujo pistón, es decir,
que una partícula de fluido atraviesa el reactor y lo abandona en la
misma secuencia en que otra se introduce en él. En dicho flujo pistón
existe un equilibrio dinámico entre
la velocidad del crecimiento de la
biomasa y la velocidad de desprendimiento del exceso de ella.
Mediante el movimiento giratorio del módulo, la película de microorganismos alterna su contacto
con el agua residual a tratar y con el
oxígeno del aire. Cuando la película está en contacto con el aire, absorbe el oxígeno del mismo; mienTECNOLOGIA DA ÁGUA
tras que cuando está sumergida absorbe el contenido en materia soluble a degradar (Figura 3).
El exceso de biomasa y la materia en suspensión biofloculada
abandonan la última etapa de la
unidad de biodiscos junto con el
agua tratada. Los sólidos en suspensión mantienen su densidad en
el licor mezcla y abandonan el proceso RBC con una concentración
similar a la del influente, entre 150
y 300 mg/l. Por lo tanto, la carga de
sólidos al decantador secundario es
baja y de aquí la idoneidad de la utilización de un decantador tipo lamelar.
Debe tenerse en cuenta que debido al continuo crecimiento de la
biomasa y a la elevada concentración de sólidos en el sistema, no se
precisa la recirculación de fangos
como en el proceso de fangos activos u otros sistemas de depuración.
2.2. Criterios de diseño
Simplificando, puede enunciarse que el RBC es un sistema de ‘piñón fijo’ o en el que hay pocas variables flexibles cuando el influen-
2.2.1. Tratamiento
primario
El esquema idóneo de la línea de
agua de una EDAR con biodiscos
recomienda la utilización de un tratamiento primario, básicamente
por dos motivos:
Eliminar la fracción de DBO 5
asociada a sólidos en suspensión.
Actuar como tanque pulmón y
laminador de sobrecargas que
permitan al biodisco trabajar con
valores de carga lo más constantes posibles.
No obstante, para EDARs de pequeño tamaño una solución muy
ventajosa es la de disponer de un
tanque Imhoff o fosa séptica que
actúa a la vez de decantador primario y solventa la problemática de
los fangos (ver apartado esquemas
de tratamiento). Debe valorarse
también la posibilidad de instalar
un decantador primario estático como alternativa a los anteriores.
2.2.2. Carga orgánica de
diseño
La línea de tratamiento por biodiscos es muy simple, pero en cambio tiene una cierta rigidez operativa. Ello implica que su diseño debe
contemplar todas aquellas variables de carácter interno (sobrecargas, reciclos de sobrenadantes o
deshidratación, aportes industria-
les, etc.) y externos (climatología,
estacionalidad, etc.) de tal modo
que la respuesta del sistema sea la
exigida. Es por ello que el criterio
de diseño, es decir la carga orgánica a seleccionar, es el parámetro
que determinará el correcto funcionamiento del sistema. Los criterios
de diseño del área necesaria de los
Tabla 1
Efluente
Carga orgánica
kgs DBO5/día m2
(T > 13 °C)
Sin nitrificación
DBO5 < 25 mg/lt
< 10
Con nitrificación
y DBO5 < 15 mg/lt
<5
y
SISTEMAS
ment Works, norma BS 6297
(1988) recomienda que cuando
se requiera un tratamiento completo, es decir un efluente con
SS < 30 mg/l y DBO5 < 20 mg/l,
la carga específica en las superficies giratorias de la zona biológica debe ser de 5 gr DBO 5/m 2
en agua pretratada.
Las normas noruegas editadas
por la Norwegia State Environmental Protection Agency incluye los siguientes criterios de carga específica para plantas de
contactores rotativos (Tabla 3).
Reducción de DBO5 < 85%
Tabla 3
Tabla 1. Criterios de carga orgánica de diseño
de los biodiscos.
biodiscos se especifican en la Tabla 1.
Estos criterios de diseño basados en la experiencia se ajustan
plenamente a las distintas normativas existentes y a datos bibliográficos, tal como se relaciona a continuación:
‘Ingeniería de Aguas Residuales’,
de Metcalf & Eddy (Tabla 2).
La British Standard Code of
Practire for Small Sewage Treat-
Tipo de tratamiento
Carga orgánica
(gr DBO5/m2. día)
Secundario
< 13
Nitrificación
<7
Tabla 3.
La norma alemana A-135
(04.83) ‘Fundamentals for the
designing of singlestage drippers
and biological disks with connection capacities of more than
1.000 population equivalences’,
editada por la ATV, da unos valo-
Tabla 2
Parámetros de diseño.
(Temperatura agua residual > 13 ºC)
Nivel de tratamiento
Elim. DBO5 Con nitrificación
Carga hidráulica
m3/m2 día
0,08 – 0,16
0,03 – 0,08
Carga orgánica
DBO5 soluble
DBO5 total
gr/m2 día
gr/m2 día
3,5 – 10
10 – 17
2,5 – 7,0
7,5 – 14,5
Máx. carga orgánica en 1ª etapa
DBO5 soluble
DBO5 total
gr/m2 día
gr/m2 día
20 – 30
40 – 60
Tiempo retención hidráulica
horas
0,7 – 2
1–4
DBO5 Sol. Efluente
mg/l.
15 – 30
7 – 15
N-NH3 efluente
mg/l.
Tabla 2. Criterios generales de diseño.
<2
res orientativos, siempre que se
cumplan unas determinadas condiciones entre las que se pueden
citar las siguientes:
➢ Por cada m2 de superficie giratoria de crecimiento de
biomasa debe haber de 4 a 6
litros de agua en el tanque de
alojamiento del contactor.
➢ La carga específica de DBO5
en el primer contactor no debe superar con agua residual
fresca un valor de 60 gr/m 2
día y con agua en condiciones sépticas un valor de 40
gr/m2 día.
➢ Para conseguir rendimientos
mayores del 85%, en el escalón biológico, deben disponerse 3 contactores en serie y
para un rendimiento del 90%
colocarse al menos 4 en serie.
➢ Los valores de la carga específica que se admiten, cumpliendo las condiciones citadas, son de 8 gr DBO5/m2 día
para cumplir las condiciones
mínimas de vertido y de 4 gr
DBO5/m2 día en caso de nitrificación.
Se puede consultar también la
norma ATV-a 122E.
La Hoja de Instrucciones Nº II 69 del Bayrisches Landesamt Für
Wasserwirtschaft, cuyas recomendaciones se encuentran en la
Tabla 4.
Y, por último, la Figura 4, que
señala una típica curva de diseño de un fabricante de Estados
Unidos correspondiente a aguas
residuales de origen doméstico
en ese país.
Se observa que para una DBO 5
total de 300 mg/l y salida a 20 ppm,
lo que equivale para un agua típicamente doméstica 140 mg/l de
DBO5 soluble influente, una carga
hidráulica de 0,048 m3/m2 día que a
la concentración soluble de 140
mg/l equivale a una carga orgánica
total en DBO 5 soluble de 6,7 gr
DBO5 soluble/m2 día, o el equivalente a 14 gr DBO5 total/m2 día de
agua bruta pretratada.
TECNOLOGIA DEL AGUA
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PROCESOS
77
PROCESOS
2.2.3. Efecto de la
temperatura
La temperatura afecta al proceso
RBC al igual que a cualquier otro
tipo de tratamiento biológico.
Cuando la temperatura es inferior a
13 ºC, el rendimiento del proceso
se ve afectado tal como refleja la
Figura 5.
y
SISTEMAS
Tabla 4
VALORES DE SALIDA
ALCANZABLES
PARÁMETROS
UNIDAD
TAMAÑO PLANTA
Grupo I
Grupo II
Grupo III
Valores de salida alcanzables
Valores de control
ppm. DBO5
30/45
25/35
20/30
20/30
En muestra mezcla (24/2 h)
ppm. DQO
130/180
110/160
100/140
100/140
Nitrificación
Parcial
Nitrific.
Biodiscos
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2.2.4. Línea de
tratamiento de fangos
Con respecto a este punto sólo
mencionar que debe tenerse en
cuenta el impacto de sobrecarga
orgánica que pueden suponer el
reciclar a cabecera de la EDAR
los sobrenadantes de digestores,
espesadores, y posibles filtrados
de deshidratación, cuando los hubiere.
Asimismo, debemos contemplar también en el caso de utilización de un tratamiento primario tipo tanque Imhoff o fosa séptica, el
impacto de sobrecarga y septicidad que conlleva dicha etapa frente a una unidad de biodiscos, problemática que se soluciona tomando unos márgenes de seguridad en
el momento del diseño.
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2.3. Características
constructivas
Se relacionan a continuación las
principales características constructivas de los biodiscos PMT (Figura 6):
Material de los tanques: polipropileno (resistente al UV para las
versiones semienterradas).
Material de los discos: polipropileno.
Cubierta de poliéster de fibra de
vidrio.
Ejes en acero inoxidable cromado, macizos. Existen tres versiones: 90 mm de diámetro para los
discos de 2 m de diámetro; 120
mm para los discos de 3 m; y 150
mm para los discos superiores a
3 m.
Diámetro de los discos de 2 y 3
m (hasta 3,9 m).
Espesor de discos de 2 mm.
Distancia entre discos de 17mm.
TECNOLOGIA DEL AGUA
Carga superficial
gr DBO5/m2.d
≤14
≤10
≤5
Carga en 1er grupo de discos
gr DBO5/m2.d
≤40
≤30
≤20
Tabla 4.
Figura 4.
Figura 5.
PROCESOS
y
SISTEMAS
Figura 6.
Figura 7.
2.4. Esquemas de
tratamiento
Los biodiscos PMT han sido
concebidos para tratar pequeños
núcleos de población, hasta 3.000
habitantes. Por ello todo el esfuerzo focalizado en su concepción debe complementarse con una correcta selección del resto de etapas que
configurarán la EDAR.
Como en cualquier instalación,
se requiere de un desbaste y tamizado que deberá preceder al tratamiento primario para eliminar la
fracción de carga orgánica asociada
a los sólidos en suspensión.
En el caso de que la EDAR objeto de diseño esté relativamente cerca de otra EDAR dotada de unidad
de secado de fangos. Los fangos
producidos deberán almacenarse y
pseudodigerirse para periódicamente ser transferidos (esquema 1
y 4 de la Figura 7).
Para pequeñas instalaciones, el
esquema óptimo es la utilización
de un tanque Imhoff que actúa por
un lado de decantador primario y
por otro de digestor frío de los
fangos producidos dotándose así
a la EDAR de línea de agua y de
fangos. En función del diseño del
tanque Imhoff, los fangos ya estabilizados se deberán evacuar 2 o 3
veces al año para su disposición o
secado (esquema 2 de la Figura
7).
Como alternativa, puede dotarse
a la EDAR de un pequeña unidad
de almacenamiento y secado de
fangos. Incluso esta última puede
consistir en una unidad móvil.
3. Conclusión
Los biodiscos PMT fueron concebidos como una solución a la
problemática de la depuración de
las aguas residuales de pequeños
núcleos de población, campings,
resorts, estaciones de esquí, bases
de vida (campamentos), etc., con el
objetivo de dar una respuesta posiTECNOLOGIA DEL AGUA
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Grupo motorreductor Sew Usocome.
Decantador lamelar, compacto.
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PROCESOS
80
tiva a la propia problemática de dichos núcleos (Figura 8).
Como conclusión final se deben
citar las principales ventajas de la
utilización de los biodiscos, que
son:
Flexibilidad para trabajar a caudales inferiores a los de diseño,
en cuya situación se comportan
aumentando la calidad del agua
tratada.
Simplicidad, rapidez de montaje
y bajos costes de inversión, ya
que se tratan de unidades compactas reactor-decantador, de
construcción integral en material plástico, enteramente cubiertas y que requieren poca
obra civil.
Bajo mantenimiento y control
del proceso debido a que no es
necesario efectuar recirculación
alguna de fangos biológicos, tal
como ocurre en una unidad de
fangos activos o en los filtros
biológicos. El mantenimiento se
ciñe únicamente a la vigilancia
periódica de los grupos de accionamiento.
Mínimo consumo energético de
las tecnologías actualmente
existentes en el tratamiento de
aguas residuales: lodos activos
con difusores de burbuja fina o
turbinas superficiales, filtros
biológicos, canales de oxidación, etc. Los biodiscos presentan el menor consumo energético.
Desaparición de problemas de
taponamiento debido a las fuerzas constantes aplicadas sobre la
biomasa que hacen que se produzca el desprendimiento del
exceso producido, evitándose
así la aparición de zonas anaerobias, malos olores y, por lo tanto,
pérdida de eficacia. Este es un
problema típico en el sistema de
depuración por filtros biológicos donde se produce con mucha
facilidad el taponamiento del
medio.
Mínima pérdida de carga producida únicamente por la disposición de un vertedero de salida.
TECNOLOGIA DA ÁGUA
y
SISTEMAS
Figura 8.
Facilidad de construcción gradual. Al tratarse de un proceso
de construcción modular se facilita la ampliación gradual del
mismo en función de las necesidades de depuración.
Reducción del espacio y volumen necesarios.
Ausencia de malos olores. La
humidificación constante de la
biomasa evita la formación de
malos olores que, a su vez, queda protegida y aislada del exterior gracias a la cubierta.
Reducción de la contaminación
atmosférica. Al no provocar la
dispersión del agua en el aire, se
elimina la formación de aerosoles y los problemas de contaminación atmosféricos asociados.
Esta característica es importante
en instalaciones situadas en el
interior de núcleos urbanos o en
industrias de alimentación.
Construcción integral contra la
corrosión gracias al material
constructivo del módulo y de sus
partes internas.
4. Bibliografía
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Aerobic Fixed-Growth Reactors.
[2] Design Information Rotating
Biological Contactors. Wastewater Research Division EPA,
Cincinnati, Ohio.
[3] Metcalf & Eddy. Ingeniería de
Aguas residuales. Tratamiento,
vertido y reutilización.
[4] García Cudinach, R. La tecnología de los RBC. Contactores
Biológicos Rotativos. Tecnología del Agua, núm. 46.
[5] García Cudinach, R. El proceso
ARBC, un gran avance. Tecnología del Agua.
[6] García Cudinach, R. El proceso
RBC y las recomendaciones de
la EPA. Tecnología del Agua,
núm. 93.
[7] García Cudinach, R. Proceso
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Sumergidos: Tercera Generación de Biodiscos. Tecnología
del Agua, núm. 126.
[8] Esquemas de Depuración en
Pequeños y Medianos Núcleos
de Población. Tecnología del
Agua, núm. 167.
[9] Recommended Design Criteria
For Rotating Biological Contactors. Department of Environment & Natural Resources
South Dakota.