1 Diseño de LAFA y lechos de secado

Diseño de Lagunas Anaeróbicas de Flujo Ascendente (LAFA)
Parámetros de Diseño de una LAFA a Temperatura de 10 —25 °C
Parámetro
Valor
3
Carga Orgánica Volumétrica, COV, kg DBO5/m -día
0,100—0,350
3
Carga Sólidos Volátiles Volumétrica, CSVV, kg SV/m -día
0,1—0,3
2—4
Tiempo de Retención Hidráulica Teórico, tV/Q, días
Edad de lodos en fosa de fermentación, ΘC, años
0,75—2,0
Velocidad Vertical a Caudal Medio
m/h
<0.0625
m/d
<1.5
Profundidad de la Fosa de Digestión, m
2—5
2
Área por cada entrada de afluente en la fosa, m
1—4
% Remoción de DBO5
60—75
% Remoción de SST
70—80
3
Producción de lodos, kg ST/m agua tratada
0,15—0,25
0,2—0,3
3
Producción de metano, m /kg DBOL removida
(0,375 teóricamente a 20 °C y
1 atm)
1. Volumen de la Laguna
VA 
0,001  Qm  DBO5
COVA
donde
VA
DBO5
Qm
COV,A
=
=
=
=
3
volumen de la laguna, m
concentración en afluente, mg/L
3
caudal promedio, m /día
carga orgánica volumétrica de diseño, kg DBO5/m3-día
2. Verificar la Carga de Sólidos Volátiles Volumétrica
CSVV 
0,001  Qm  SST  FSV
VA
donde
CSVV
SST
FSV
VA
=
=
=
=
carga de sólidos volátiles volumétrica, kg SV/m3-día
concentración en afluente de SST, mg/L
fracción de sólidos volátiles en SST
3
volumen de la laguna, m
Si CSVV sea más grande que 0,3 kg SV/m3-día, recalcule el volumen de la laguna.
3. Tiempo de Retención Hidráulica Teórico
tV / Q 
VA
Qm
donde
tV/Q
=
tiempo de retención hidráulica teórico, días
Nota: El tV/Q tiene que ser suficiente para que la bacteria metanogénica puede crecer en el
sistema, y su tasa de crecimiento es más que 7 días a 25 °C. La única manera de tener las
condiciones para su crecimiento es a través de lagunas anaerobios de flujo ascendente (LAFA).
3. Profundidad
Selecciona la profundidad de la fosa de fermentación de 2-5 m con provisiones de remoción de
lodos cada 1—3 años.
4. Dimensionar la Laguna
Selecciona el pendiente interior de la laguna, las dimensiones de largo y ancho, y después
calcular el volumen y área superficial de la laguna utilizando la ecuación del prismoide.
VA 
p
 As  Ab  4 Am 
6
donde
p
As
Ab
Am
=
=
=
=
profundidad de la laguna, m
área superior, m2
área de la base de la fosa séptica, m2
área paralelo y equidistante entre Ab y As a 0,5 p, m2
Se calculan los áreas con las siguientes ecuaciones:
As  a  l
Ab  a  2  i  p l  2  i  p 
Am  a  i  p l  i  p 
donde
a
l
p
i
=
=
=
=
ancho de laguna, m
largo de laguna, m
profundidad de laguna, m
pendiente interior, horizontal/vertical o i/1
5. Calcular la Velocidad Vertical para el Caudal Medio.
v
Qm
24  AS , FS
donde
ν
Qm
AS,FS
=
=
=
velocidad vertical de diseño, m/h
caudal medio, m3/d
área superior de la fosa séptica de la laguna, m2
Si la profundidad de la fosa séptica, pFS = 0,5 la profundidad de la laguna p:
Si pFS = 0,5p
AS,FS = Am
Si ν > 0.0625 m/h recalcule el volumen y área de la laguna.
6. Acumulación de Lodos en Lagunas Anaerobias y Tiempo para llenar 25% del
Volumen.
Se puede estimar la acumulación con la siguiente ecuación:
VLa  0,00263  Qmed  SST
donde
VL-a
Qmed
SST
=
=
=
tasa de acumulación de lodos, m3/año
caudal promedio, m3/día
concentración de sólidos suspendidos en el afluente, mg/L
El tiempo para llenar 25% del volumen de la laguna con lodos es
t 25% 
0.25  V A
VL  a
Se debería remover los lodos cuando se ocupan 25% del volumen de la laguna.
5. Potencial de Producción de Metano
A. Remoción de DBOL Última y Producción de Metano

0.02C10H19O3 N  0.10H 2 O  0.12CH 4  0.05CO 2  0.018HCO3  0.018NH4  0.0026C5 H 7 O 2 NP0.1
Residuos Orgánicos
Bacteria
-
0.02(201)
4.0 mg
(8.0 mg DBOL
equivalente)
0.12(16)
1.92mg CH4
(7.68mg DBOL
equivalente)
0.018(61)
1.10 mg
0.9 mg CaCO3
1.0 mg DBOL
equivalente
0.24 mg CH4
(0.96 DBOL
equivalente)
0.11mg CaCO3
0.0026(113)
0.29 mg
0.036mg N
0.008mgP
0.04 mg
Rendimiento de Biomasa, Y:
Y
0.29mg Biomasa
0.04 mg Biomasa
0.04 kg Biomasa


8.0mg DBOL Removida mg DBOL Removida kg DBOL Removida
Rendimiento de Metano:
A 20 °C y 1 atm:
nRT 1 mol  (0.082 L - atm/mol-  K)  (273  20  K)
PV  nRT ; V 

 24.03 L/mol
P
1 atm
 1 mol 
Producción de CH 4
0.36 L CH 4
0.36 m 3 CH 4
(24.03 L/mol) 
 0.24 g CH 4 

g DBOL Removida
g DBOL Removida kg DBOL Removida
 16 g 
A 20 °C y 0,65 atm (3820 m):
nRT 1 mol  (0.082 L - atm/mol-  K)  (273  20  K)
PV  nRT ; V 

 37,5 L/mol
P
0,64 atm
 1 mol 
Producción de CH 4
0.56 L CH 4
0,56 m 3 CH 4
(37,5 L/mol) 
 0.24 g CH 4 

g DBOL Removida
g DBOL Removida kg DBOL Removida
 16 g 
B. Valor Calorífico de Metano
A 20 °C y 1 atm:
1.0 m3 CH4 = 35,800 kJ = 9.94 kWh = 8,556 kcal
Generación de Electricidad a 20 °C y 1 atm :
1.0 m3 CH4 = 9.94 kWh*(0.35)*(0.9) = 3.13 kWh
6. Diseño de Lechos de Secado de Lodos para Lagunas Anaeróbicas
A. Tiempo de Secado
i). Lechos al Aire Libre

ST 
p o  1  o 1  DS 
 ST 
f 

td 
K C ET0  P n
1)
donde
td
po
STo
STf
DS
KC
ET0
P
( K C ET0  P) n
=
=
=
=
=
=
=
=
=
tiempo de secado de lodos, meses
profundidad inicial de lodos, m
concentración de sólidos totales inicial expresada como decimal
concentración de sólidos totales finales expresada como decimal
fracción de agua removido por drenaje expresada como decimal (~0.5)
coeficiente de evapotranspiración de la superficie de los lodos (0.6—1.0)
evapotranspiración de referencia, m/mes
precipitación, m/mes
evapotranspiración neta de los meses contiguos considerados, n, m/mes
ii). Lechos con Techos

ST 
p o  1  o 1  DS 
 ST 
f 

td 
K C ET0  P n
2)
B. Profundidad de Lodos Después del Secado
 ST
p f  po   o
 SF
 f




3)
Donde
Pf
= profundidad final de lodos, m
C. Número de Aplicaciones
N
t PO
td
4)
Donde
N
t PO
td
=
=
número de aplicaciones por año
periodo de operación, días/año
=
tiempo de secado, días
D. Volumen de Lodos para el Lecho de Secado
i) Volumen Total por Año
VLa  0,00263  Qmed  SST
5)
ii) Volumen por Aplicación
VL  N 
VL  D
N
6)
Donde
VL  N
=
volumen de lodos por aplicación, m3
E. Área de Lecho de Secado
ALecho N 
VL  N
p0
Donde
ALecho N =
área de total de lecho de secado, m2
7)
F. Carga a los Lechos:
C Lechos 
M LD
0.160  Q  SST

ALecho N
ALecho N
C Lechos
=
8)
carga de lodos, kg/m2-año (rango de 60—120 kg/m2-año)
VI. Volumen de Lodos Secados por Año
Vf 
Vf
M LD
 H 2O  GEL  D  ST f
=
9)
volumen de lodos secos, m3/año
Ejemplo de Diseño de Una Laguna Anaeróbica
Cochabamba, Bolivia:
Q = 3,785 m3/d
T = 20 °C
Afluente DBO5 = 200 mg/L
Afluente SST = 200 mg/L
Véase la Hoja Electrónica para Solución
Metano para Cocinar:
Per cápita requisitos: 0.2-0.3 m3/d
 Población Servida 
280 m 3 CH 4 / d
 1.121 personas
0.25 m 3 / capita - d
Generación de Electricidad


Energía Eléctrica  (280 m 3 CH 4 / d)  2.2 kWh/m 3  617 kWh / d
7. Diseño de Lechos de Secado de Lodos
A. Tiempo de Secado
i). Lechos al Aire Libre

ST 
p o  1  o 1  DS  0.15m1 - 0,07 (1  0,5)
 ST 
f 

 0,20 
td 

 0,487 meses  14,6 días
K C ET0  P n
0,100 m/mes
Nota: El valor de (KCET0 -- P)n = 0.100 m/mes es de los datos de página 7.
B. Profundidad de Lodos Después del Secado
 ST
p f  po   o
 SF
 f

  0,15 m   0,07   0,05 m

 0,20 

C. Número de Aplicaciones
t
120 d
N  PO 
 8,2
td
14,6 d
D. Volumen de Lodos para el Lecho de Secado
i) Volumen Total por Año
VLa  0,00263  Qmed  SST  0,00263  (3,785 m 3 /d)  (200 mg/L)  1.991 m 3 / año
ii) Volumen por Aplicación
VL  N 
VL  D 1.991 m 3 / año

 242,6 m 3 / aplicación
N
8,2
E. Área de Lecho de Secado
ALecho N
VL  N 242,6 m 3 / aplicación


 1.618 m 2
p0
0,15 m
F. Carga a los Lechos:
C Lechos 
0.160  Q  SST 0,160  (3.786 m 3 / d)  (200 mg/L)

 74,9 kg/m 2 - año
ALechoN
1.618 m 2