Centro de Estudios Hidrográficos XXXIII Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras CEDEX. Noviembre de 2015 TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE FANGOS ACTIVOS: ASPECTOS GENERALES Y PROCESOS CONVENCIONALES Enrique Ortega de Miguel Área de Tecnología del Agua Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX PROCESO DE FANGOS ACTIVOS • En proceso utiliza una masa activa de microorganismos en suspensión capaz de reducir la materia orgánica. Centro de Estudios Hidrográficos • Proceso seguro, muy experimentado, flexible y con buenos rendimiento de depuración. • Puede entenderse como la transposición de los procesos de autodepuración de las aguas continentales, a un sistema industrial • Puede eliminar únicamente la materia carbonada o adaptarse para eliminar los nutrientes. • Objetivos de esta clase Centro de Estudios Hidrográficos ESQUEMA DE UN PROCESO DE FANGOS ACTIVOS MICROORGANISMOS (Flóculos) Reacciones de síntesis COHN + O2 + Nutrientes + Energía + bacterias CO2 + NH3 + C5H7NO2 Reacciones de respiración endógena C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energía Centro de Estudios Hidrográficos Reactor biológico Decantación secundaria COMPOSICIÓN DE LOS FLÓCULOS • Análisis microscópico del fango activo Centro de Estudios Hidrográficos • Componentes a) Biológicos: Bacterias (95% de la biomasa), hongos, protozoos y metazoos b) No biológicos: Partículas orgánicas y partículas inorgánicas 1-10 micras 30-100 micras c) Productos exocelulares: Importante: Glycolax, polímero segregado por bacterias heterótrofas. • Características del flóculo - Fortaleza, superficie y decantabilidad - Equilibrio entre bacterias floculantes y filamentosas Varios centímetros COMPONENTES BIOLÓGICOS Floculantes Bacterias (1-10 µm) Centro de Estudios Hidrográficos Filamentosas Paramecio Hongos Protozoos (10-300 µm) (Fragelados, amebas y ciliados) Metazoos (helmintos y rotíferos 100-1.000 µm-) FUNCIONES DE LOS FLÓCULOS Centro de Estudios Hidrográficos • Dar soporte físico a las reacciones biológicas • Incluir partículas no biodegradables • Facilitar la separación sólido-líquido • Para ello debe conseguirse un flóculo suficientemente compacto, con alta superficie específica y alta sedimentabilidad Centro de Estudios Hidrográficos FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OXIDACIÓN BIOLÓGICA • Características del sustrato • Nutrientes • Temperatura • Tóxico e Inhibidores NUTRIENTES Centro de Estudios Hidrográficos Necesidades de nutrientes para procesos de fangos activos • 43 g de N / kg DBO5 eliminado • 8 g de P / kg DBO5 eliminado Valores normales en aguas residuales PARÁMETRO g/h/día Concentración (mg/l) DBO5 60 150-250 NTK 10-14 40-70 N-NH4 6-8 15-20 Fósforo 2-5 4-15 TEMPERATURA Centro de Estudios Hidrográficos kT = k20 · Ʃ (T-20) Eckenfelder Siendo: kT : Velocidad de reacción a T ºC k20 :Velocidad de reacción a 20 ºC Ʃ : coeficiente actividad-temperatura T : temperatura en ºC PROCESOS Fangos activados Lechos bacterianos Lagunas de aireación Ʃ 1,00 – 1,04 1,02 – 1,04 1,06 – 1,90 Centro de Estudios Hidrográficos TÓXICOS E INHIBIDORES Valores límite de sustancia jnhibidoras en procesos biológicos (EPA-430/9-76-017) ASPECTOS RELEVANTES DEL PROCESO Centro de Estudios Hidrográficos • Parámetros característicos del proceso • Importancia de la Carga Másica y de la Edad de fango • Volumen del reactor biológico • Necesidades de aireación • Producción de fangos en exceso • Necesidades de recirculación • Condiciones funcionales del reactor biológico • Decantación secundaria PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL PROCESO Centro de Estudios Hidrográficos Carga másica (Cm) Kg DB 05 / día Cm Kg fango en reactor Edad del fango (Θc) días Θc = Kg MLSS en reactor Kg Fangos exceso/día Determinan el rendimiento y la calidad del efluente Determinan la producción específica de fangos en exceso PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL PROCESO Centro de Estudios Hidrográficos Concentración de SS en el reactor (gr/L) Tiempo de retención hidráulica (horas) TRH: V / Q Rendimiento (%) So - Se R So REDUCCIÓN DE LA DBO5 EN FUNCIÓN DE LA Cm Y LA EF (IMHOFF) Centro de Estudios Hidrográficos Aeración prolongada Convencional o media carga Etapa A (Proceso AB) Centro de Estudios Hidrográficos CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS CARGA MÁSICA (Kg . DBO5/Kg. MLSS día) EDAD FANGO (Días) RENDIMIENTO ELM. DBO5 (%) Alta Carga >0,4 <4 <70% Media Carga 0,2<Cm <0,4 4-8 85-92% Nitrificación a temp. Elevadas Baja Carga 0,07 < Cm < 0,2 10-20 Muy Baja Carga (Aireación prolongada) <0,07 > 20 90-95% Se produce nitrificación 90-95 Estabilización del fango Cm = ----------------------------(Kg MLSS = V x M) DBO5 = ------------------------------------------Km x DBO5 ENTRADA + -------------------------------Cm Y1 RENDIMIENTO M(g/l) x Cm x 1.000 SOL RELACIÓN DEeflELIMINACIÓN DE DBO5 DBO5 SS EFL = S.S. x f (Cm) 100% REDUCCIÓN DBO5 (%) Centro de Estudios Hidrográficos VALORES DE DISEÑO (So 150 - 280 p.p.m.) 90% 80% 70% 5 4 3 2 1 0,5 0,4 0,3 CARGA MÁSICA Cm 0,2 0,1 0,05 COMPROBACIÓN DE LA DBO5 DEL EFLUENTE, EN FUNCIÓN DE LA CARGA MÁSICA DBO5 total = DBO5 soluble + DBO5 en S.S. Centro de Estudios Hidrográficos DBO5 soluble (mg/l) = DBO5 entrada al reactor (mg/l) -------------------------------------------------Km . DBO5 entrada reactor 1 + ---------------------------------------X . Cm . 1.000 : DBO5 en S.S. (mg/l) = S.S. efluente . f(Cm) Siendo: X = Concentración MLSS (mg/l) y Km= Factor de eliminación de DBO5 en días-1 Factor eliminación DBO5 Km ºC 120 5 180 f(Cm) Cm 10 0,8 Cm 1/2 0,5 360 20 0,58 0,5 720 30 Centro de Estudios Hidrográficos RELACIÓN ENTRE LA CARGA MÁSICA Y LA EDAD DE FANGO CARGA MASICA (Cm) EDAD DEL FANGO (días) 1,00 0,8 0,80 1,1 0,60 1.7 0,50 2,2 0,40 3,0 0,30 4,5 0,20 7,7 0,15 11,0 0,10 20,0 0,07 25,0 Fuente: DEGREMONT EDAD MINIMA DEL FANGO, EN DÍAS, EN FUNCIÓN DEL GRADO DE DEPURACIÓN Y DEL TAMAÑO DE LA PLANTA. Normativa alemana (ATV-A131 ) Centro de Estudios Hidrográficos Depuración proyectada Temperatura de dimensionamiento Tamaño de la planta Hasta 20.000 h-e Más de 100.000 h-e 10º C 10º C Sin nitrificación Con nitrificación. Con eliminación de nitrógeno VD/VAT = 0,2 = 0,3 = 0,4 = 0,5 Con estabilización de fangos incluida la eliminación de nitrógeno 12º C 5 12º C 4 10 8,2 8 6,6 12,5 14,3 16,7 20,0 10,3 11,7 13,7 16,6 10,0 11,4 13,3 16,0 8,3 9,4 11,0 13,2 25 Desaconsejado Siendo VD: Volumen para desnitrificación y VAT: Volumen total del reactor EDAD MINIMA DEL FANGO, EN DÍAS, EN FUNCIÓN DEL GRADO DE DEPURACIÓN Y DEL TAMAÑO DE LA PLANTA. Normativa alemana (ATV-A131 ) Centro de Estudios Hidrográficos Plantas con nitrificación Θc N : SF x 3,4 x 1,103(15-T) SF (Factor de seguridad): 1,8 ( 20.000 h-e) 1,45 (100.000 h-e) Plantas con nitrificació-desnitrificación Θc N-D : SF x 3,4 x 1,103(15-T) x _____1_____ 1 – (VD / VAT) días Plantas con estabilización aerobia de fangos Θc EST : 25 x 1,172(12-T) días Siendo VD: Volumen para desnitrificación y VAT: Volumen total del reactor CÁLCULO VOLUMEN REACTOR b) A partir de la Carga Másica Centro de Estudios Hidrográficos Cm = kg DBO5 entrada/día V (m3) . X (kg/m3) a) A partir de la Edad del Fango: θC = V (m3) . X (kg/m3) PE (kg/día) E = Edad del fango (días) Cm = Carga másica V = Volumen del reactor (m3) X = Concentración MLSS en cuba aireación (kg/m3) PE = Producción de fangos en exceso (kg SS/día) Concentración (mg/L MLSS) Media Carga 2.500-3.500 Aireación Prolongada 3.500-4.500 PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO Centro de Estudios Hidrográficos Factores que inciden en la producción de los fangos en exceso Carga Másica o Edad del Fango DBO5 eliminada Concentración de MLSS en el reactor Relación SS / DBO5 en el afluente al reactor biológico Temperatura PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO Centro de Estudios Hidrográficos Fórmula convencional FE = a.DBO5 elim - b.SST Siendo: FE: Kg fangos en exceso producidos/dìa DBO5 elim: Kg DBO5 eliminado /día SST: Kg MLSS en el reactor Coeficiente a: 0,6-1,5 días-1 Coeficiente b: 0,03-0,15 días-1 PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO Centro de Estudios Hidrográficos Fórmula de Huisken Pe = 1,2 x Cm0,23 + 0,5(B-0,6) Siendo: Pe : Producción específica de fangos (Kg fangos en exceso producidos/Kg DBO5 eliminado Cm:carga másica B: Relación SS/DBO5 en el influente PRODUCCIÓN FANGOS EN EXCESO NORMA ALEMANA ATV-A 131) Pe (Kg. SST/Kg. DBO5) = 0,75 + 0,6 . B - [ 0,136 . 0,75 . θC . FT 1 + (0,17 . θC . FT) ] Centro de Estudios Hidrográficos Siendo: Pe = Producción específica de fangos (Kg. SST/Kg. DBO5 eliminada) 0,75 =Coeficiente de producción referido a la DBO5 0,6 = Fracción de SS no biodegradable (si no hay datos concretos) B = Relación entre concentraciones de SST/DBO5 en el influente al reactor FT ( función de la temperatura ) = 1,072(T-15) θC = Edad del fango en días. Producción específica de fangos en kg SST/kg DBO5 SST/DBO5 Edad del fango en días 4 8 10 15 20 25 0,4 0,79 0,69 0,65 0,59 0,56 0,53 0,6 0,91 0,81 0,77 0,71 0,68 0,65 0,8 1,03 0,93 0,89 0,83 0,80 0,77 1,0 1,15 1,05 1,01 0,95 0,92 0,89 1,2 1,27 1,17 1,13 1,07 1,04 1,01 NECESIDADES DE RECIRCULACIÓN Centro de Estudios Hidrográficos Qr . Xr + Q . XO = (Qr+ Q) . X Siendo: Qr = Caudal de fangos recirculados (en m3/h) Q = Caudal de agua residual a tratar (en m3/h) X = Concentración de MLSS en el reactor (en Kg/m3) Xr = Concentración de fangos recirculados (en Kg/m3) De lo anterior se deriva: X + Q . X = Xr Q . X = Xr - X Qr Qr => Qr / Q = X / (Xr – X) Valores normales Xr 6-8 g/l en decantadores con rasquetas 5-6 g/l en decantadores de succión Q Xo V X Qr Xr NECESIDADES DE RECIRCULACIÓN Centro de Estudios Hidrográficos Recomendaciones: Capacidad real de recirculación: a) procesos de media carga: 75- 100% de Qr/Q; b) Procesos de baja carga: 100- 150% de Qr/Q Modulación del bombeo (Mínimo: 2 unidades con 50% Q MEDIO + 1 unidad de reserva Inclusión de medida de caudal Sistema de control del caudal de bombeo (temporizadores programables / variadores de frecuencia) NECESIDADES DE AIREACIÓN • Nivel de O2 disuelto 0,5-2,0 mg/L Centro de Estudios Hidrográficos • Consumo teórico de O2 Consumo = O2 para síntesis + O2 para respiración endógena Kg O2/día = a . DBO5 elim + b . SST a: f (Cm) entre 0,4 y 0,7 b: f (Cm) entre 0,04 y 0,13 • Consumo de O2 en condiciones reales (coeficiente de transferencia) • Necesidades medias horarias • Necesidades punta • Capacidad de aireación necesaria CONDICIONES FUNCIONALES DEL REACTOR BIOLÓGICO Centro de Estudios Hidrográficos • Reparto homogeneo del caudal: vertederos fijos, vertederos móviles, válvulas de control, etc. • Equirrepartición del caudal de recirculación • Medida de caudal del afluente a cada línea y en la recirculación • La configuración hidráulica debe garantizar variaciones de lámina de agua < 30 mm. • Profundidad reactor: 4-9 m (aireación difusión) y 3-5 m (aireación mecánica) • Guarda hidráulica: a) aireadores difusión > 0,5 m; b) aireadores mecánicos > 1,0 m • En caso de vertedero de salida ¿se necesita un sistema deflector? CONDICIONES FUNCIONALES DEL REACTOR BIOLÓGICO Centro de Estudios Hidrográficos • Sistema de drenaje en cada cuba, cuidando la resistencia de los tabiques intermedios • Control de ruidos molestos • Regulación automática del aire en función del oxígeno disuelto • Sistema de control de espumas Centro de Estudios Hidrográficos CONDICIONES FUNCIONALES DEL REACTOR BIOLÓGICO Vertedero de salida de un reactor biológico Centro de Estudios Hidrográficos CONDICIONES FUNCIONALES DEL REACTOR BIOLÓGICO Cabina de insonorización de las soplantes de aireación DECANTACIÓN SECUNDARIA Centro de Estudios Hidrográficos TIPOS DE DECANTADORES Decantadoresa circulares Decantadores rectangulares Decantadores lamelares DECANTACIÓN SECUNDARIA Centro de Estudios Hidrográficos Decantador circular de rasquetas V max. perimetral: < 120 m/h Pendiente de la solera: 4-10% Rasquetas de fondo extraibles (L max: 2 m) Centro de Estudios Hidrográficos Decantador circular de rasquetas Centro de Estudios Hidrográficos DECANTADOR SECUNDARIO VERTEDERO DECANTADOR Centro de Estudios Hidrográficos DECANTACIÓN SECUNDARIAS Pozo de recogida de sobrenadantes Centro de Estudios Hidrográficos DECANTADOR DE SUCCIÓN Decantadores con D > 35 m: succión; Con D > 45 m succión diametral Centro de Estudios Hidrográficos DECANTADOR DE SUCCIÓN Centro de Estudios Hidrográficos Decantador circular de succión Sifón, con sistema automático de cebado SEDIMENTABILIDAD DEL FANGO Factores que influyen en la sedimentabilidad: a) Puntas de caudal; b) Temperatura; c) cambios en la concentración de los MLSS; d) nivel O2 disuelto; e) composición flóculos; f) vertidos industriales Centro de Estudios Hidrográficos INDICE VOLUMÉTRICO DE FANGOS: Volumen ocupado por un gramo de MLSS tras sedimentar 30 min. en probeta de 1 litro IVF = ml de sólidos sedimentados en licor mezcla x1000 mg/l de sólidos en suspensión en el licor mezcla VALORES ESTANDAR DE IVF (Norma ATV-A 131) SVI (l/kg) Tipo de tratamiento Agua fundamentalmente urbana Agua con alto contenido de vertidos industriales Sin nitrificación 100 –150 120 – 180 Con nitrificación y desnitrificación 100 – 150 120 – 180 Con estabilización de fangos 75 - 120 100 – 150 Centro de Estudios Hidrográficos ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO • Parámetros característicos: carga superficial y carga de sólidos • Superficie y calado del decantador • Aspectos constructivos: reparto del caudal, diseño de la entrada, ubicación y carga sobre los vertederos PARÁMETROS DE DISEÑO DECANTACIÓN SECUNDARIA Carga de sólidos (m3/m2·h) (Kg. SS/m2·h) Valor medio Tipo de proceso Centro de Estudios Hidrográficos Carga superficial Valor máximo Valor medio Valor máximo Procesos de media carga ≤ 0,71 ≤ 1,4 ≤2,5 ≤4,5 Procesos de baja carga (aireación prolongada) ≤0,5 ≤0,9 ≤1,8 ≤3,2 1. En procesos de nitrificación –desnitrificación < 0,6 Cálculo de la superficie de decantación: Mediante la Carga Superficial Superficie (m2) = Caudal (m3/h) Carga superficial (m3/m2. h) Mediante la carga de sólidos Superficie (m2) = Sólidos a la entrada (Kg. SS/h Carga de sólidos (Kg. SS/m 2. h) PROFUNDIDAD O CALADO EN EL DECANTADOR Centro de Estudios Hidrográficos Recomendaciones EPA sobre profundidad decantadores Diámetro Calado recomendado Calado mínimo <12 m 3,30 m 3,00 m 12 a 21 m 3,60 m 3,30 m 21 a 30 m 3,90 m 3,60 m 30 a 42 m 4,20 m 3,90 m > 42 m 4,50 m 4,20 m DISEÑO DECANTADOR SEGÚN NORMATIVA ATV-A-131 nguen 4 zonas funcionales, (ATV-131) Siendo: rificación, h1 volumétrica de fangos - qSV: Carga (≤ 650mezcla l/m2.h para efluente ≤20 mg/l paración agua-fango, h2y Centro de Estudios Hidrográficos - CSV: Volumencon comparativo macenamiento, objetofango, de cuando decanta 30 min: M x SVI (ml/l) ner el rendimiento del proceso - qA: Carga hidráulica superficial iológico, en caso de lluvia y qSV / C S = Qmax / qA qA = qSV / CSV h2 = SV (m/h) red unitaria, h3 de recirculación de - RV: Porcentaje fangos y barrido, h4 pesamiento h3 = - M: Concentración MLSS (g/l) - tE:las Tiempo de espesamiento (h) a para todas alturas referidas obtener conc. sólidos DSTF en el fondo el radio (o longitud de flujo), del decantador : tE: ( DSTF . SVI / 1.000)3 Clarificación h 1 0.5 m h4 = 0,5 x qA x (1+RV) 1 - CSV/1.000 Separación 0,45 x qSV x (1+RV) 500 Almacenamiento M x qA x (1+RV) x tE DSTF Espesamiento HTOTAL (>3 m) = h1 (>0,5 m) + h2 (0,5 h) + h3 (1,5 h) + h4 (0,5 h) a volumétrica de fangos a no sobrepasar, siendo 450 l/m2/h, ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DEL DECANTADOR SECUNDARIO CAMPANA DEFLECTORA Centro de Estudios Hidrográficos Dw: 0,20-0,30 D / H1: 1/3 del calado CALADO DECANTADOR CD: 3-4 metros UBICACIÓN Y CARGA EN VERTEDERO UV: 25% – 30% del radio Carga: 4-6 m3/m2.h (a Q medio) 8-12 m3/m2.h (a Q max.) Corrientes de densidad Centro de Estudios Hidrográficos DECANTADOR SECUNDARIO CON DOBLE VERTEDERO Centro de Estudios Hidrográficos PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA Centro de Estudios Hidrográficos EDAR DE MONTE ORGEGIA (ALICANTE) Centro de Estudios Hidrográficos EDAR DE LA ALMOZARA (ZARAGOZA) CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA Obtiene altos rendimientos de elimin. de DBO5 y SS (≥90%) Centro de Estudios Hidrográficos Si queremos eliminar nutrientes, es necesario aumentar considerablemente el volúmen del reactor Generalmente se incluye una decantación primaria previa. Los fangos en exceso no salen estabilizados. Estos fangos más los primarios, después de un proceso de espesamiento, se estabilizan usualmente mediante una digestión anaerobia. El caudal punta a tratar no debe superar dos veces el cauda medio Intervalo de población: > 30.000 h-e (con digestión aerobia) > 50.000 h-e (con digestión anaerobia) CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA Centro de Estudios Hidrográficos Explotación compleja. Necesidad de personal especializado Proceso seguro, con flexibilidad limitada a las variaciones de caudal y carga Consumo energético: 1,0-1,2 kWh/DBO5 eliminada Costes de inversión:100-180 €/h-e Costes de explotación explotación: 5-15 €/h-e/año Centro de Estudios Hidrográficos PROCESOS DE MEDIA CARGA: PARAMETROS DE DIMENSIONAMIENTO • Rendimientos DBO5 / SS 85-95% REACTOR BIOLÓGICO • Carga Másica • Edad del fango • Concentración MLSS • Tiempo de retención • Indice Volumétrico de Fangos • Demanda teórica de O2. • Recirculación de fangos 0,20–0,40 4–6 días 2.500–3.500 mg/l 4-6 horas 100-150 0,8-1,0 kg O2/kg DBO5 eliminada 75-100% Qr/Q • Producción de fangos biológicos DECANTACIÓN SECUNDARIA Carga superficial, a Q medio Carga de sólidos, a Q medio Calado en vertedero Carga vertedero, a Q medio -Con D1ª: 0,8-0,9 kg MS/kg DBO5 eliminada -Sin D1ª: 1,0-1,2 kg MS/kg DBO5 eliminada < 0,7 m3/m2.h (tendencia; < 0,6) < 2,4 kg MS/m2.h > 3,0 m < 6 m3/ml.h Centro de Estudios Hidrográficos CONTROL DE UN PROCESO DE FANGOS ACTIVOS CONTROL DE UN PROCESO DE FANGOS ACTIVOS AGUA RESIDUAL A TRATAR Centro de Estudios Hidrográficos Caudal (m3/día) Curva horaria de caudal Caudal punta (m3/h) Carga: DBO5, SS, DQO (mg/l y kg/día). Nutrientes: NT y PT (mg/l y kg/día). Temperatura (ºC) Estudio de vertidos a colectores Centro de Estudios Hidrográficos ESQUEMA CON LOS ELEMENTOS DE CONTROL MAS IMPORTANTES DE FANGOS ACTIVOS 1) Características del agua bruta y del efluente; 2) Condiciones reactor biológico; 3) Condiciones aireación: 4) Funcionamiento decantación secundaria; 5) Recirculación de fangos; 6) Fangos en exceso Centro de Estudios Hidrográficos Centro de Estudios Hidrográficos MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN [email protected]
