Reactor metanogénico de flujo ascendente para aguas residuales municipales Ver: - Chernicharo (Serie IWA) - http://www.gtz.de/gate/ gateid.afp - Wiegant et al (2001) - Black and Veatch 2015-2 Taller de diseño de plantas para tratamiento de aguas residuales Dr. Óscar González Barceló Dr. Simón González Martínez Posgrado en Ingeniería, UNAM Corte de reactores anaerobios UASB Salida de biogás Influente ▼ ▼ Δh ▼ ▼ Δh Separación Efluente Campana: separación de fases Zona de transición Deflector Lecho fluidizado de lodos anaerobios Diseño de UASB con separador de biogás parcialmente por encima de la superficie del líquido y por lo tanto el volumen de biogás se somete a presión atmosférica. Con esta alternativa se facilita el acceso al reactor para inspección, mantenimiento o trabajos de reparación (gate Information Service / gtz). 2015-2 Taller de diseño de plantas para tratamiento de aguas residuales Dr. Óscar González Barceló Dr. Simón González Martínez Separador de biogás sumergido para UASB Sello hidráulico Ventajas: - Se reduce el peligro de corrosión para construcciones de acero Disponibilidad de todo el reactor para sedimentación de sólidos Con el biogás a mayor presión se facilita su conducción Si el biogás se inflama se protege al reactor de peligro de explosión gate Information Service / gtz, PO Box 5180, 65726 Eschborn, Germany Phone: +49 (0)6196 / 79-3094, Fax: +49 (0)6196 / 79-7352, Email: [email protected], Internet: http://www.gtz.de/gate/ gateid.afp Diseño modular de UASB (Wiegant, Khan, Schaapman) Domo - gas Nivel del agua Canaleta efluente Campana Apertura altura α Ancho colector Ancho total traslape Deflectores Soportes Puntos de entrada Fuente: 4 Dimensiones de módulos para UASB Parámetro Simbología Fracción de aperttura AP plate projection PP ecuación AP = AW/TW b + b2 4 a c PP = 2a Donde, a = tg a · (1+ 2AP ) b= HRTsz Vup 1 AP 2 H11 + AP c = AP H1 H w H w HRTsz Vup 1 AP CW= 2PP + Hw gas collector width CW total width TW collector height CH 2 PP + Hw 1 AP CW= PP·tga plate size PW PW= PP·cosa TW = NOTA. TW: Ancho total de campana de gas (m); AW: ancho de apertura (m); Vup: velocidad ascendente de diseño (m/h); HRTsz: TRH de diseño en zona de sedimentación (h); H1: altura de agua arriba de conexión de placas colectoras de campana hasta el domo de gas (m); HW: ancho de domo de gas (m); PW: tamaño de a placa de campana (m) W.M. Wiegant*, A Khan**, P Khan** and J.E. Schaapman* 2001. MODULAR DESIGN OF UASB PLANTS FOR DOMESTIC WASTEWATER IN HARYANA STATE, INDIA 5 Diseño modular de UASB (Wiegant, Khan, Schaapman, 2001) Diseño GLSS Sanhour 468 cm + espesores Espesor 180 cm 36 cm 180 cm 36 cm Canaletas Campanas LGSS Apertura Apertura 83 cm 83 cm 52° (mín) 62.6 cm 48.5 cm 67.1 cm Deflectores 10.5 cm 41.5 cm 52.0 cm 10.5 cm 41.5 cm 52.0 cm 36 cm TRH yTRS (Wiegant, et al., 2001) Para aguas residuales domésticas: -El diseño de los compartimientos de un UASB se basan en los criterios del diseño hidráulico, la velocidad superficial del biogas o el tiempo de retención de sólidos (TRS). -A medida que crece la concentración de SST en el influente el criterio limitante es el tiempo de residencia hidráulica (TRH) en vez del TRS. -La DQO del agua residual municipal es relativamente baja para un reactor anaerobio entonces la velocidad superficial del biogas no es un parámetro crítico para el diseño. 7 SST, TRH y altura (Wiegant, et al., 2001) La altura mínima del reactor es de 4.5 m, la altura adecuada está en función de los SST del influente y de la velocidad ascendente del flujo. Temperaturas por encima de 20°C disminuyen el requerimeinto de altura. Para lograr mayores concentraciones de SST, la altura debe incrementarse. Ver figura. Velocidad ascendente 24°C; TRS = 31 d 18°C; TRS=45d Figura: Altura mínima de UASB para aguas residuales domésticas en función de SST en las mismas y de su temperatura. Para retener los sólidos la variable limitante es realmente la velocidad ascendente en vez del TRH. 8 Chernicharo, Serie IWA, Anaerobic Diseño del reactor UASB para tratamiento de agua residual municipal Número de tubos de entrada: ND = A/AD A = área de piso en el fondo del reactor (m2) AD = área de influencia por tubo (m2) (densidad de puntos de entrada) 1.5 < AD < 3 m2/tubo (2< AD 3 < m2/tubo) . Seleccionar menor área de influencia para sitios con descenso de temperaturas en invierno. 75 mm < diámetro tubo entrada < 100 mm 10 cm < altura sobre piso de extremo de salida < 15 cm Extremo de descarga de tubos: V salida de tubos > 40 cm/ s a través de: 1.Pivote con diámetro > 50 mm 2.Ventana hacia costados de 40 mm alto x 25 mm ancho 9 Chernicharo, Serie IWA, Anaerobic Campanas y deflectores: Traslape 10 – 15 cm 1.5 m < sumergencia de campanas < 2 m Ángulo con horizontal: 50 a 60 ° Velocidad entre apertura de campana y deflector: 2 – 2.3 m/h Compartimiento para sedimentación Velocidad de sedimentación: < 0.6-0.8 m/h TRH: 1 – 2 h Canaletas para colección de efluente clarificado: Sumergencia de plantilla (fondo): 20 a 30 cm Mampara para espumas: Sumergencia: 20-30 cm Altura sobre nivel del agua: 20 cm 10 Chernicharo, serie IWA Ver figura Volumen en funcion de DQO Para agua municipal: Si DQO < 5000 mg/l entonces V = Q • TRH 2.5 < Carga orgánica < 3.5 kgDQO/m3·d 0.5 < v ascendente < 0.7 m/h Para lodo floculento: 1 < carga orgánica < 3 kgDQO/m3·d TRC > 30 d: En función de TRH y por lo tanto en funcion de v ascendente 0.5 < v ascendente < 0.7 m/h TRH mínimo de 4.8 h con VHL = 5 m3/d/m3; para 20°C : 6h < TRH < 9 h Eficiencia de remoción de DBO = 100 (1-0.7trh0.5), TRH en horas 11 Valores típicos de diseño (Noyola) Diseño del reactor UASB para tratamiento de agua residual municipal para temperatura por encima de 20°C •TRH: 6 a 8 horas •Carga orgánica: 1.5 a 2 kg DQO/m3·d (no es un parámetro limitante) •Altura: 5 a 6 metros •Velocidad de flujo ascendente: 0.6 a 0.8 m/h •Densidad de los puntos alimentación: 1 por cada 2 a 4 m2. 12 Resultados típicos en la aplicación de reactores UASB para el tratamiento de agua residual municipal (Noyola) (Temperatura del agua residual 20° C o más) • DBO efluente: 40 a 60 mg/l • DQO del efluente: 120 a 160 mg/l • SST efluente: 40 a 60 mg/l • Remoción de DBO: 75 a 85% • Remoción de DQO: 70 a 80% • Remoción de Coliformes Fecales: 1 unidad log • Remoción de huevos de parásitos: hasta el 100% 13 Recomendaciones de Black and Veatch Pretratamiento a través de cribas finas con 3 mm de apertura para evitar obstrucción de tubos distribuidores del influente. Coronas de distribución de infuente en vez de cajas rectangulares, con tubos perforados de bajada de aguas. Control de sólidos flotables por método Bucaramanga (vertido de espumas sobrenadantes) en combinación con campanas colectoras de mayor magnitud (descartando la campana superior) Salida de efuente a través de orificios sumergidos en vez de vertedores para evitar arrastre de sólidos flotables. Tubería de colección final de gas con diámetros mayores de 150 mm. Salida para drenado de lodos en zona central del tanque. Preveer control de corrosion y emisiones de olores en sobrenadante y áreas de salidas. 14 Experiencias de Black and Veatch Cuando el lecho alcanza 2 m se procede a la purga, que dura aproximadamente 5 a 6 h y se realiza en promedio una vez por semana. Se abren tres válvulas para la purga de sólidos: - Una válvula a 1.5 m sobre el fondo - Dos válvulas que drenan del fondo del tanque Velocidad de sedimentación, para diseño de apertura entre deflectores, entre 2.8 y 3 m/h. Velocidad ascendente dentro del reactor de 0.75 m/h TRH pico de 6 h. Notas de Black and Veatch sobre separadores gas-líquido-sólidos eficientes - Mejoran la sedimentación de sólidos suspendidos en la zona por encima del separador (regresan las bacterias requeridas para el proceso) - Disminuyen SST en el efluente - El espacio por encima de los separadores compensa la expansión del lecho por picos de cargas hidráulicas - Evitan que el biogás alcance la zona de sedimentación lo que produciría turbulencia, disminuirá la eficiencia y se lavarían sólidos. 15 Dimensiones y parámetros básicos de reactores UASB h = 5.80 m vQmedio = 0.75 m h Salida de biogás Datos por reactor UASB: A piso = 10.05 m Q == 180 m 3 d ▼ 2 = 2.1 l Δh ▼ ▼ ▼ Δh Separación 0.66 m 5.80 m s Campana: separación de fases 0.67 m Deflector Efluente Zona de transición TRH = 7.7 h V = 58.29 m 3 v = 0.75 m/h Influente Qmedio = 180 m3/d Lecho fluidizado de lodos anaerobios