Procesos de Biopelícula Tradicionales: Lechos Bacterianos y Contactores

PROCESOS DE BIOPELÍCULA TRADICIONALES
Gregorio Berrozpe Ullate
Director Proyectos y Obras Nilsa
2
Índice
1.- INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 5
2.- PROCESOS BIOLÓGICOS ..................................................................................... 6
3.- LECHOS BACTERIANOS ....................................................................................... 7
3.1.- Descripción de los elementos............................................................................ 8
3.2.- Descripción del proceso .................................................................................. 12
3.3.- Tipologías ....................................................................................................... 18
3.4.- Rendimiento del proceso ................................................................................. 19
3.5.- Configuración recirculación ............................................................................. 22
3.6.- Diseño ............................................................................................................. 23
3.6.1.- Pretratamiento .......................................................................................... 25
3.6.2.- Imhoff entrada........................................................................................... 26
3.6.3.- Decantación primaria ................................................................................ 27
3.6.4.- Lecho Bacteriano ...................................................................................... 28
3.6.5.- Decantación secundaria ........................................................................... 32
3.7.- Operación ....................................................................................................... 33
4.- CONTACTORES BIOLOGICOS ROTATIVOS....................................................... 36
4.1.- Línea de agua ................................................................................................. 37
4.2.- Diseño ............................................................................................................. 38
4.3.- Ventajas e inconvenientes .............................................................................. 39
5.- REFERENCIAS ..................................................................................................... 42
3
4
1.- INTRODUCCIÓN
El primer lecho bacteriano se puso en funcionamiento en Inglaterra en 1893. Desde
entonces esta tecnología ha sido comúnmente utilizada en la depuración de aguas
urbanas e industriales, siendo especialmente competitiva en la depuración de
pequeñas poblaciones.
Sirva el ejemplo de la distribución de población según Entidades Locales de Navarra
como muestra de cómo el tamaño de población condiciona la tecnología a utilizar. Del
total de la población navarra el 42,2 % es tratada en una única depuradora, el resto,
hasta el 97 % de la población, se trata en más de un centenar de instalaciones.
La problemática de la depuración en pequeñas poblaciones se centra en la existencia
de un elevado número de pequeñas núcleos muy dispersos, donde la atención con
personal fijo supondría unos gastos de operación inasumibles. Por todo ello, se hace
necesario diseñar depuradoras que funcionen de forma automática, con escasa
presencia de personal, buscando una operativa sencilla y robusta.
En los núcleos pequeños, la fuerte variación de caudales y cargas que se tiene, hace
especialmente recomendables los sistemas biológicos de película fija, frente a los de
película en suspensión. En un sistema de película fija los indeseables efectos del
lavado de la biomasa se producen en mucha menor medida, por lo que las plantas
pueden ser diseñadas para admitir hasta 6 y 7 veces el caudal medio de diseño, valor
muy superior al alcanzado en depuradoras de película en suspensión. En pequeñas
poblaciones, los sistemas de alcantarillado no disponen de una red de pluviales
perfectamente separada, siendo además mucho más pronunciados los picos de
caudal producidos por episodios de lluvia que en grandes poblaciones. Lo mismo se
podría decir de las cargas, donde las variaciones estacionales o los pequeños
incrementos de carga industrial producen grandes fluctuaciones.
Uno de los aspectos fundamentales en la elección del sistema de depuración son los
costes energéticos. En las gráficas adjuntas se puede ver el consumo energético por
m3 de agua tratado donde se ve la apreciable ventaja que ofrecen los lechos
bacterianos.
5
1,20
1,00
Kwh/m3 Tratado
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
200
300
333
2117
Habitantes Equivalentes
5133
Consumo energético Fangos Activos
1,40
Kwh/m3 Tratado
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Habitantes Equivalentes
Consumo energético Lechos Bacterianos
2.- PROCESOS BIOLÓGICOS
Los objetivos que persigue el tratamiento biológico del agua residual son la
coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables y la
estabilización de la materia orgánica. En el caso del agua residual doméstica, el
principal objetivo es reducir el contenido orgánico y, en muchos casos, los nutrientes
tales como el nitrógeno y el fósforo. En la inmensa mayoría de los casos las aguas
residuales domésticas son tratadas mediante tratamientos biológicos.
6
Los principales procesos biológicos utilizados en el tratamiento del agua residual son:
aerobios, anóxicos, anaerobios y una combinación de ellos. A su vez los procesos
biológicos aerobios pueden ser divididos en procesos de cultivo en suspensión, de
cultivo fijo, o combinado de ambos. Dentro de los sistemas biológicos de cultivo fijo se
pueden encontrar: Lechos bacterianos, los Sistemas rotativos de contacto (biodisco) y
los sistemas de lecho móvil (MBBR).
3.- LECHOS BACTERIANOS
El sistema de lecho bacteriano es un sistema de depuración biológica aerobia de
aguas residuales, en el que la oxidación se produce al hacer circular por un medio
soporte, aire y agua residual. La circulación del aire se realiza de forma natural o
forzada, a contracorriente generalmente
Así pues, en los lechos bacterianos o filtros percoladores, el agua percola a través de
una material de relleno. El material de relleno está fijo y sobre él crecen los
microorganismos, formando una biopelícula.
La materia orgánica presente en el agua residual es degradada por una población de
microorganismos adheridos al medio soporte. Dicha materia orgánica es absorbida por
la película biología, en cuyas capas externas es degradada por microorganismos
aerobios. Cuando los microorganismos crecen, el espesor de la película aumenta y el
oxgeno es consumido antes de que pueda penetrar en todo el espesor de la película.
Por tanto, se establece un ambiente anaerobio cerca de la superficie del medio.
Lecho bacteriano de relleno pétreo
7
Conforme la película aumenta de espesor, la materia orgánica absorbida es
metabolizada antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la
superficie del medio filtrante. La consecuencia de no disponer de una fuente orgánica
externa de carbono celular, es que los microorganismos situados cerca de la superficie
del medio soporte se encuentran en la fase endógena de crecimiento, en la que
pierden su capacidad de adherirse a la superficie del medio soporte. En estas
condiciones el líquido a su paso a través del medio arrastra la película y comienza el
crecimiento de otra nueva. Este fenómeno de la pérdida de la película biológica es
fundamentalmente función de la carga hidráulica y orgánica del lecho. La carga
hidráulica origina las velocidades de arrastre y la carga orgánica influye en la velocidad
del metabolismo de la película biológica.
3.1.- Descripción de los elementos
Un lecho bacteriano es un depósito abierto por su zona superior, generalmente
construido en hormigón armado. Resulta especialmente aconsejable desde el punto de
vista constructivo utilizar elementos prefabricados. Estos elementos, dado que el
depósito no va a almacenar agua a presión, no requieren de unas juntas de
estanqueidad especialmente sofisticadas.
Esquema de un Lecho Bacteriano
8
El agua residual se reparte mediante el distribuidor hidráulico de arriba abajo. Esta
distribución se puede hacer mediante un sistema fijo o móvil. La evolución de la
tecnología en este sentido ha dejado en desuso el sistema fijo de reparto dado que no
permite controlar en exceso el proceso. La distribución móvil si permite, por otro lado,
el control del crecimiento de la biopelícula, siempre y cuando se motorice el
distribuidor hidráulico.
Sistema fijo de distribución
Sistema móvil motorizado de distribución
9
El material de relleno debe poseer una elevada área superficial por unidad de
volumen debe ser económico, duradero y que no obstruirse fácilmente. El relleno
puede ser pétreo o plástico. El relleno pétreo se ha venido utilizando desde los
primeros lechos bacterianos. Este tipo de relleno se recomienda para lechos
bacterianos de baja carga, con aguas eminentemente urbanas, es decir sin gran
componente industrial. Las piedras con diámetro inferior a 25 mm no proporcionan
suficiente espacio de poros entre las mismas que permitan la libre fluencia del agua
residual y de los sólidos arrastrados y darán como resultado la obstrucción del medio y
el estancamiento de agua dentro del lecho o en la superficie. La piedras de gran
diámetro evitan el problema de la obstrucción pero no tienen un área superficial
suficiente por unidad de volumen; por ello no pueden soportar una población biológica
tan grande. La uniformidad del tamaño es un modo de asegurar el espacio adecuado
de los huecos. Los lechos bacterianos de relleno pétreo poseen una gran estabilidad.
Características relleno pétreo según BS-1438
El relleno de plástico, se empezaron a utilizar más tarde, sobre todo para aguas muy
cargadas. Su principal ventaja es la elevada superficie por unidad de volumen, así
como un índice de huecos muy alto, por lo que la obstrucción del lecho se presenta
con mayor dificultad. El relleno plástico puede ser ordenado o desordenado. Su uso se
recomienda para aguas con mayor componente industrial, que presentan mayor
biodegradabilidad.
Una vez el agua residual ha atravesado el lecho, es recogida en la parte inferior del
mismo. El material de relleno dispone de un soporte por el que drena el agua, esta
agua a su vez es recogida por un canal perimetral del lecho y conducida hasta una
arqueta de salida.
10
Esquema funcional de un Lecho Bacteriano
El drenaje inferior, se compone por la solera del lecho, el canal de recogida exterior y
el soporte del relleno. El soporte inferior está configurado por rejillas, especialmente
diseñadas, que admiten agua residual y soportan el material de relleno. En lechos de
material pétreo soportan un gran peso por lo que se deberá de tener en cuenta en su
análisis estructural, el porcentaje de huecos deberá ser lo suficiente alto como para
que permita la ventilación necesario del lecho. Se establece como un valor aceptado
un procentaje de huecos de al menos un 50 % de la superficie de la rejilla.
Soporte inferior Lecho relleno piedra
11
Soporte inferior Lecho relleno plástico
3.2.- Descripción del proceso
Se define Carga Hidráulica Superficial (CHS) como:
•
CHS=Q/Sup
•
Q:caudal de entrada al lecho
•
Sup:Superficie del lecho
Se define Sk (Spülkraft, fuerza de lavado)
•
SK=CHS x 1000/(n x 60 x RPM)
•
RPM: revoluciones por minute del distribuidor
•
N: número de brazos por fase
Un elemento fundamental del proceso es la recirculación de agua tratada, la cual se
mezcla con el agua residual de entrada al Lecho Bacteriano. Con la incorporación de
esta recirculación se consigue una distribución más uniforme por toda la superficie del
lecho. Hay que recordar que dado que los microorganismos se encuentran anclados al
material de relleno es fundamental que el agua residual llegue a todo el volumen del
mismo con el fin de favorecer el crecimiento de los microorganismos.
Con la recirculación se consigue diluir, cuando sea necesario, la concentración de
entrada al lecho y por lo tanto con ello alcanzar mayores rendimientos de eliminación
12
de contaminante (la norma ATV A 281 E recomienda diluir hasta una DBO5 de 150
mg/l a la entrada al lecho).
Lograr una CHS lo suficientemente alta (caudal de arrastre) como para desprender las
la biopelícula y evitar así la colmatación del lecho. La aplicación del caudal
recirculación evita los problemas de olores y moscas que de otra forma se podrían
producir.
La recirculación, por otra parte, incrementa la eficiencia y siembra el filtro en toda su
profundidad con una mayor variedad de organismos. La recirculación mejora la
distribución sobre la superficie del lecho, reduce la posibilidad de colmatación, y si es
lo suficientemente alta, ayuda al control de moscas. Por último, incrementa la
eficiencia del proceso al mantener el relleno constantemente en contacto con el agua
residual.
Esquema de recirculación
Se han dado muchas recomendaciones de CHS mínima para conseguir el equilibrio
entre la autolimpieza y el crecimiento de los microorganismos. Para lechos bacterianos
de baja carga la norma ATV-A281 E recomienda valores mayores de 0,4 m3/m2.h para
relleno pétreo y 0,8 m3/m2.h para relleno plástico, para filtro de baja carga.
Como norma sencilla se recomienda para aguas urbanas en lechos de plástico estar
en el entorno de 0,6 m3/m2.h y para lechos de piedra en el entorno de 0,06 m3/m2.h,
para lechos de piedra se suele usar el concepto de carga hidráulica volumétrica que
suele rondar los 50 m3/m3.d.
La recirculación debe de poder regularse en caudal y poder ajustarse en función del
caudal de entrada a la planta. De esta forma ante episodios de lluvia, se debe de tener
13
la posibilidad de cerrar la recirculación con el fin de posibilitar la entrada de todo el
caudal admisible en el proceso biológico.
La recirculación debe asegurar, por otro lado, un riego constante de agua sobre el
relleno que lo mantenga siempre húmedo. Esta recirculación debe asegurar, a su vez,
un riego continuo incluso durante la noche donde la entrada de agua residual
disminuye considerablemente, sobre todo en pequeñas poblaciones.
Otro elemento a tener en cuenta el distribuidor hidráulico, que es el encargo de
repartir toda el agua por la superficie del lecho bacteriano. Este distribuidor debe de
poder regular su velocidad con el fin de ajustar el Sk a las necesidades concretas de la
planta. Sk tiene unidades de lluvia (mm), por lo que se podría definir como la cantidad
de lluvia (agua residual) que se repartiría por unidad de superficie de lecho por cada
pasada del brazo.
Distribuidor hidráulico
En general valores bajos de Sk, poca lluvia por pasada, llevan a un estado de
crecimiento microbiológico, y valores altos a un proceso de lavado. Esto se produce
porque con un aumento Sk el riego funciona como una cortina de agua que favorece el
desprendimiento de la biopelícula del lecho. La norma ATV-A281 E recomienda
valores de Sk entre 4 y 8, para filtros de baja carga, con lo que se asegura un
14
equilibrio entre el crecimiento y el de desprendimiento de biopelícula. Si se requieren
lavados sistemáticos de la película del lecho, dado que nos encontramos con filtros de
alta carga, se suele recurrir a ciclos de lavado, generalmente diarios, en los que
durante un periodo de tiempo se varía la velocidad del distribuidor para alcanzar Sk
más altos. Valores habituales de lavado en filtros muy cargados puede ser 100 y
mayores.
En la tabla adjunta se pueden ver valores de Sk en diferentes plantas depuradoras de
Estados Unidos
Detalle anclaje distribuidor
Detalle Motor Distribuidor
15
Design of Municipal Wastewater Treatment Plants. Water Environment Federation (WEF)
and American Society of Civil Engineers (ASCE)
16
Ventilación. La existencia de una circulación adecuada de aire es de fundamental
importancia para el funcionamiento apropiado de un lecho bacteriano. Los principales
factores responsables de la ventilación en un lecho abierto por su parte superior son la
ventilación natural y la acción del viento. En el caso de la ventilación natural, las
fuerzas causantes de la circulación del aire son la diferencia de temperaturas entre el
aire ambiente y el aire existente en el interior de los huecos del relleno. Si el agua
residual está más fría que el aire ambiente, el aire de los huecos se enfriará y la
dirección del flujo será descendiente. Si el aire ambiente es mas frío que el agua
residual, el flujo será ascendente. En muchas zonas hay periodos, especialmente
durante el verano, en que esencialmente no se produce flujo alguno de aire a través
del lecho bacteriano, ya que las diferencias de temperatura son despreciables. Para
diferencia de temperatura entre el aire ambiente y el agua residual de menos de 2-3 ºC
pueden detener la ventilación natural.
Ventana salida drenaje lecho. Ventilación natural
La ventilación natural es la razón principal por la que se limita la altura de relleno en
lechos bacterianos. En lechos de relleno pétreo suele estar en 2,5-3 m la altura
máxima de relleno y en relleno plástico entre 4 y 5. Con este relleno se han alcanzado
alturas de 6 y hasta 10 m, pero no resulta recomendable.
Las ventanas de ventilación en la parte inferior de los lechos de plástico deben
suponer el menos un 5% de su superficie transversal, para facilitar la entrada de aire.
17
En caso de lechos bacterianos de relleno pétreo se recomienda un área de al menos
un 15 % de su superficie transversal (Manual WEF, 1992)
Si se diseña el lecho bacteriano con las recomendaciones anteriores, no se hará
necesaria una ventilación forzada, muy poco habitual en lechos bacterianos aplicados
a aguas urbanas.
3.3.- Tipologías
Los lechos se pueden clasificar en función de la carga orgánica de acuerdo con los
límites establecidos por la EPA:
Baja carga
menor de 0.4 kg DBO5/m3.día
Media carga
entre 0.4 y 0.6 kg DBO5/m3.día
Alta carga
entre 0.6 y 1.6 kg DBO5/m3.día
De Desbaste
mayor de 1.6 kg DBO5/m3.día
Lechos de baja carga. Son lechos relativamente sencillos y de funcionamiento
sumamente seguro, que produce una calidad estable del efluente, sin perjuicio de que
el afluente sea de naturaleza cambiante. Generalmente, se mantiene una carga
hidráulica constante. En la mayoría de los lechos de baja carga, solamente existe una
película biológica apreciable en una profundidad de 0,6 a 1,2 m de la parte superior del
relleno. Como resultado, en las partes inferiores de lechos pueden desarrollarse
bacterias autótrofas nitrificantes que oxidan el amoníaco a las formas de nitrato y
nitrato. Si la población de nitrificantes está suficientemente bien establecida, y si las
condiciones climáticas y las características del agua residual son favorables, un lecho
de baja carga funcionando correctamente puede proporcionar no solo una buena
eliminación de DBO, sino también una efluente altamente nitrificado.
18
La cantidad de fangos que generan es baja y existe menos riesgo que en otros de
aparición de olores o de atascamiento. Los espesores de la biopelícula son pequeños,
lo que permite utilizar medios soportes de mayor superficie específica, aunque el
índice de huecos sea menor (relleno pétreo).
Lechos de media carga. El riesgo de obstrucción es mayor, siendo necesario
mantener una carga hidráulica suficiente para arrastrar el exceso de biomasa, por ello
en estos lechos cobra una gran importacia la regulación de la recirculación. La
recirculación del afluente alrededor del lecho, salida lecho entrada a lecho, da como
resultado el retorno de organismos viables. Se ha observado que este método de
operación mejora, con frecuencia, la eficiencia del tratamiento. La recirculación evita la
obstrucción del filtro y reduce los problemas derivados del olor y de las moscas.
Lechos de alta carga. Requieren de una segunda etapa para alcanzar una calidad del
efluente aceptable.
Lechos de desbaste se emplean normalmente como un pretratamiento o etapa previa
a un lecho.
En el rango de pequeñas poblaciones lo habitual es diseñar los lechos bacterianos en
el rango de baja carga, por su sencillez y eficiencia. En plantas depuradoras con más
requerimientos se suele recurrir a dobles etapas de lechos bacterianos, que además
dotan de una gran seguridad al sistema. En estos casos, si el falla el bombeo al primer
filtro el agua automáticamente pasa al segundo.
3.4.- Rendimiento del proceso
Existen numerosas fórmulas que simulan el proceso de los lechos bacterianos, todas
ellas basadas en formulaciones empíricas realizadas a partir de mediciones reales en
diferentes depuradoras en funcionamiento. Por citar algunas podemos tener:
•
Fórmula NRC: resultado del estudio de plantas en servicio en instalaciones
militares estadounidenses. El estudio se realizó sobre 34 lechos bacterianos de
relleno pétreo. Resulta interesante el grafico donde se puede ver el rendimiento
de eliminación en DBO5, frente a la carga orgánica volumétrica, función
también del ratio de recirculación. Como se puede apreciar el lecho bacteriano
19
rinde menos cuanto más cargado está, y aumenta su rendimiento si se
aumenta la recirculación.
Relación carga orgánica eliminación DBO5, Desing of Municipal Wastemater Plantas WEF
•
Manual Británico, realizado sobre lechos de relleno plástico tanto ordenado
como desordenado
•
Formula de Velz
•
Formula de Echenfelder
•
Fórmula de Germain. Esta fórmula se utiliza sobre todo para relleno plástico
Le: Salida mg/l DBO5 ,Lo: Entrada mg/l DBO5, KT: Constante (funcion de la
temperatura y el tipo de agua), D: Altura del filtro (m), Qe: Caudal de entrada (l/seg),
sin recirc., A : Superficie del filtro, n: Coeficiente hidráulico del relleno (0,5), Ɵ:
Función temperatura ambiente, T: Temperatura del agua
20
Ɵ: 1,025 Temperatura ambiente mayor de 25 ºC, 1,035 Temperatura ambiente menor
de 25 ºC
K
Type of wastewater
k value (l/s)0.5/m2
Domestic
0.210
Fruit canning
0.181
Meat packing
0.216
Refinery
0.059
Sugar processing
0.351
Textile mill
0.107
Los rendimientos indicados en la tabla, se consiguen trabajando con cargas orgánicas
bajas (menores de 0,3 Kg DBO5/m3.d), y elevadas recirculaciones, (CHS en el entorno
a 0,6 m3/m2/d)
Parámetro
% reducción
Efluente final (mg/l)
Sólidos en suspension
85-95
15-35
DBO5
85-95
15-25
DQO
80-90
60-120
N-Nh4+
60-80
6-12
N
30-35
30-40
P
10-35
6-90
Rendimientos medios de una instalación de Lechas Bacterianos. Manual para la
implantación de sistemas de depuración en pequeñas poblaciones CEDEX
21
3.5.- Configuración recirculación
Existen diferentes configuraciones de recirculación, a continuación se reflejan tres
posibles disposiciones, sobre un lecho de una etapa.
configuración recirculación a)
configuración recirculación b)
configuración recirculación c)
Como norma general es preferible que la recirculación pase por una decantación
previa a volver al lecho bacteriano. Eliminar los sólidos en suspensión del flujo de
entrada al lecho favorece el correcto funcionamiento.
El esquema de recirculación a) es el más comúnmente utilizado en la actualidad. El
agua se recircula de la salida del lecho bacteriano a la arqueta de carga al decantador
primario. En el diseño del decantador primario es necesario tener en cuenta el caudal
de recirculación a la hora de su dimensionamiento.
22
Con este esquema y si el lecho funciona a baja carga y se activan las bacterias
nitrificantes, se alcanzan buenos valores de desnitrificación en el decantador primario.
En este caso se utiliza el decantador primario como zona anóxica.
En el esquema de recirculación b), el agua se dirige de la salida del lecho bacteriano al
pozo de bombeo del propio lecho. Esta recirculación se suele utilizar como apoyo a la
a) en los casos en los que sea necesario más recirculación y no sea posible
sobrecargar más el decantador primario.
En la recirculación c) el agua se conduce de la salida del decantador secundario al
bombeo de entrada al lecho. Esta disposición obliga a dimensionar el decantador final
teniendo en cuenta este aumento de caudal.
3.6.- Diseño
En el diseño de una estación depuradora de aguas residuales de lechos bacterianos
se debe de perseguir en todo momento la robustez y sencillez del sistema. En este
tipo de depuradoras pequeñas donde disponer de personal fijo supondría unos sobre
costes inasumibles, el diseño de la instalación cobra especial importancia.
La norma UNE-EN 752 establece el caudal que una estación depuradora debe de
tratar. En sistemas unitarios, la mayoría en nuestro entorno, se debe asegurar antes
de alivio un caudal para pequeñas poblaciones entre 5 y 8 veces el caudal de tiempo
seco. Este hecho es una de las principales razones por las que una planta de lechos
bacterianos es muy adecuada para pequeñas poblaciones. Con una planta de fangos
activados tradicional el ratio de caudal admitido con respecto al caudal en tiempo seco
es como mucho unas 3 veces, muy inferior al requerido por la norma, sin embargo con
lechos bacterianos se admite sin problemas estos rangos de hasta 5 y 8 veces del
caudal medio en tiempo seco.
En una instalación de lechos bacterianos se hace necesario disponer de un
pretratamiento y una decantación primaria, previo al lecho. Posteriormente se instalará
el decantador final. Así pues, la línea de agua habitual de una instalación de una sola
etapa es:
•
Pretratamiento: bombeo entrada (si se requiere), tamizado, desarenado
23
•
Decantación primaria
•
Lechos bacteriano
•
Decantación final
Los fangos biológicos son bombeados al decantador primario, y de este se conducen
hacia espesamiento y almacenamiento. En depuradoras pequeñas, los fangos son
recogidos periódicamente y transportados a depuradoras mayores donde son tratados.
Como se ha comentado, en estas instalaciones los costes de operación se deben de
tener muy en cuenta en el diseño de la planta, por ello, donde sea posible, se buscará
la ubicación idónea donde no sea necesario el bombeo de entrada. Este punto
habitualmente es el más delicado desde el punto de vista de operación, y donde más
dedicación se requiere, por otro lado un fallo del bombeo de entrada significa que no
funcione toda la depuradora por lo que eliminar este punto asegura que ante cualquier
eventualidad de fallo eléctrico, el agua residual al menos alivie al medio receptor
habiendo pasado por el decantador primario.
En depuradoras mayores se dispone de un sistema de doble etapa de lechos
bacterianos. En este caso si falla el bombeo al primer lecho el alivio de este bombeo
se conduce hasta el bombeo del segundo.
Con el fin de dotar además de un adecuado nivel de seguridad a la instalación, se
duplican los equipos básicos de la depuradora como pueden ser las bombas de
entrada y las bombas a lecho bacteriano.
Por otro lado y con el fin de simplificar la instalación, en estaciones depuradoras más
pequeñas (menores de 1.000 habitantes equivalentes), se integra el pretratamiento y
la decantación primaria
y se instala un Imhoff de entrada, que además sirve de
almacenamiento de fangos.
Como medida de seguridad final, y en las depuradoras pequeñas que no sea
aconsejable la instalación de un segundo lecho bacteriano, se puede disponer de
lagunas finales o humedales de control y afino.
24
3.6.1.- Pretratamiento
El primer elemento de la planta depuradora es el pretratamiento. Como se ha
comentado es prioritario buscar ubicaciones que eviten el bombeo de entrada, dado
que es el punto más conflictivo de la depuradora.
El bombeo de entrada se construye habitualmente en hormigón armado y viene
equipado con al menos dos bombas, preferiblemente sumergibles. El accionamiento
de las bombas se hace por diferencia de nivel. En este punto es fundamental duplicar
los equipos con el fin de dotar de mayor seguridad a la instalación. El volumen del
pozo de bombeo se debe de diseñar para un número máximo de 9-10 arranques/hora
de las bombas en la situación más desfavorable.
Habitualmente el segundo elemento del pretratamiento es el tamizado, es
recomendable utilizar tamices auto-limpiantes, con una luz de paso de 5 mm y lavado
de residuo.
El desarenador, suele ser el tercer elemento y dispondrá de extracción automática de
arena, a su vez dispondrá de aireación que mantenga en suspensión la materia
orgánica, con el fin de que la arena extraída sea lo más limpia posible.
Detalle Pretratamiento
25
3.6.2.- Imhoff entrada
Como se ha comentado en el entorno de las poblaciones menores de 1.000 habitantes
equivalentes es recomendable simplificar el pretratamiento disponiendo de un tanque
Imhoff. A este Imhoff es fundamental poder llegar por gravedad sin necesidad de
bombeo de entrada, de esta forma ante cualquier posible fallo eléctrico de la bomba a
lecho bacteriano el agua, al menos, pasa por el Imhoff antes de ser vertida en el río.
Parámetro
Valores recomendados
Carga hidráulica superficial (m3/m2.h)
menor 1,35 a Q punta
Tiempo retención (h)
mayor 2 a Q punta
Retirada fangos
Cada 6 meses
Parámetros de diseño Imhoff
Detalle Imhoff
26
3.6.3.- Decantación primaria
La decantación primaria habitualmente tiene forma cilíndrica acompañando al puente
decantador. Se construye en hormigón armado y suele tener una altura a nivel de
pared de 3,25 m.. El agua residual entra a través de la tubería de carga y se distribuye
desde el pilar central. Una vez ha decantado el agua, se recoge por el canal perimetral
y llega hasta la arqueta de salida, de aquí el agua va al bombeo al lecho bacteriano.
Los fangos son recogidos del fondo de la poceta del decantador, a través de una
arqueda adosada al decantador donde se dispone de una bomba. Esta bomba
conduce los fangos hasta la zona de espesamiento y almacenamiento de fangos.
Los parámetro de dimensionamiento coinciden con los de la decantación secundaria.
Aunque en un principio la decantación primaria es menos restrictiva es muy
conveniente por operación disponer de decantadores iguales, esto simplifica y unifica
la posterior operación: equipos, recambios, etc.
Detalle decantador
Parámetro
Valores recomendados
Carga hidráulica superficial (m3/m2.h)
menor 1 a Q punta
Tiempo retención (h)
mayor 2 a Q punta
Carga sobre vertedero (m3/m.h)
menor de 15
27
3.6.4.- Lecho Bacteriano
El lecho bacteriano consta de tres elementos fundamentalmente, el bombeo al lecho,
le lecho propiamente dicho y la arqueta de salida que servirá para realizar la
recirculación.
El bombeo a lecho, mayoritariamente se construye en hormigón armado. Dado que
es un elemento crítico de la depuradora hay que disponer una bomba en reserva. El
bombeo a lecho debe de estar diseñado para asegurar un bombeo continuo, lo que se
consigue mediante la disposición de un variador de frecuencia asociado a un medidor
de nivel en el pozo de bombeo. Así pues el variador hará que ante situaciones de
bombeo bajo, poca afluencia de agua al pozo, la frecuencia de trabajo sea baja, y por
lo tanto se bombee menos agua. Lo contrario ocurre con pozo de bombeo alto. Si no
hay posibilidad de disponer de este sistema de variador-medidor de nivel, se puede
conseguir una cierta regulación disponiendo varias bombas funcionando a diferentes
niveles de altura.
Con la regulación asociada a la variación de frecuencia y la disposición de
recirculación se asegura que el lecho bacteriano esté regado en todo momento,
incluso en momentos de muy poca entrada de agua a la depuradora, como puede ser
el periodo nocturno.
Bombeo a lecho bacteriano. Dos bombas
28
El lecho bacteriano, es un elemento habitualmente circular y construido en hormigón
armado, abierto en su parte superior. Desde el punto de vista constructivo la
instalación de elementos prefabricados facilita el proceso de construcción, haciéndolo
rápido y seguro. La solera del fondo dispone una pendiente de al menos un 2 %, por
donde discurre el agua una vez ha percolado.
El parámetro fundamental en el diseño del lecho bacteriano el volumen de relleno a
utilizar. Ya se han comentado la diferencia en la utilización de relleno pétreo y de
plástico. Como norma general los lechos bacterianos de relleno pétreo alcanzan una
altura entre 2 y 3 metros, y los de relleno plástico de entre 4 y 5 metros. Esta limitación
de altura viene dada por la necesidad de ventilación natural, como ya se comentó. A
su vez hay una limitación estructural de las rejillas inferiores en los lechos de relleno
pétreo.
Parámetro
Valores recomendados
Carga orgánica (kg DBO5/m³.d)
0,2 – 0,4
Carga hidráulica (m³/m².h)*
mayor 0,4 (relleno de piedras)
mayor 0,8 (relleno de plástico)
Altura de relleno (m)
2-3 m (relleno de piedras)
4-5 m (relleno de plástico)
Recirculación (Qr/Q)**
1-3
Recomendaciones para el diseño de Lechos Bacterianos de baja carga
* Referido al caudal máximo con recirculación (Qmax + Qr)
** Referido al caudal medio (Qm,h)
Parámetros de diseño Lechos bacterianos de baja carga ATV-A281E
Existe una gran diferencia en el dimensionamiento de lechos de relleno pétreo y de
plástico. En pequeñas poblaciones en muy recomendable dimensionar los lechos en
baja carga, dada su sencillez y robustez de operación. Como se ha comentado en
lechos de relleno pétreo se utilizan en aguas eminentemente urbanas con poca
incidencia de aguas industriales. En estos casos, y si se requiere nitrificación del
lecho, se puede tomar como valor de referencia una carga orgánica de 40 gr DBO5
(f)/m3.día, siendo la DBO5 (f) la que pasa por el filtro de 0,45 micras. En el caso de
diseñar lechos de relleno plástico se puede tomar como valor 100 gr DBO5 (f)/m3.día.
29
Teniendo en cuenta estos dos valores y los valores recomendados de altura de lecho,
pronto se puede ver la gran necesidad de especio que es necesario en un filtro de
relleno pétreo. Para eliminación exclusiva de materia carbonácea estos valores se
pueden aumentar.
Sección lecho bacteriano relleno piedra
El distribuidor hidráulico, es un elemento metálico, que puede ser fabricado en
acero galvanizado o acero inoxidable. Su misión fundamental es repartir el agua en la
superficie del lecho. Dispondrá de un variador de velocidad para regular su velocidad
de giro. El agua es bombeada desde el bombeo a lecho al interior del distribuidor.
Desde la cámara central el agua se distribuye por los brazos y sale por los agujeros
dispuestos en la parte inferior de los mismos. El distribuidor dispone habitualmente de
dos fases, el agua hasta un caudal fijado pasa por la primera fase (2 brazos), y a partir
de ese caudal pasa a la segunda fase (2 brazos).
Parámetro
Valores recomendados
Diámetro agujero
18-20-22 mm
Velocidad agujero
mayor 3,5 m/s
Velocidad. brazo
menor de 0,7 m/s
30
Detalle distribuidor hidráulico
Como se puede apreciar en la imagen los agujeros no se distribuyen equidistantes,
sino que es necesario realizar un cálculo para que cada agujero riegue la misma área
del lecho, por lo que los agujeros más alejados del centro se encuentran a menor
distancia entre ellos que los situados en la zona central.
El moto reductor del distribuidor dispondrá de un variador de frecuencia que permite
regular la velocidad de giro del equipo. Con ello se ajusta el Sk de trabajo del lecho,
parámetro fundamental en la operación.
La arqueta de salida de lecho, es la encargada de recibir el agua proveniente del
canal perimetral de recogida. En esta misma arqueta se ubica el dispositivo de
recirculación. La recirculación se realiza a través de una tubería a presión que
conduce el agua desde la salida del lecho hasta la arqueta de carga al decantador
primario, o hasta el bombeo al propio lecho, según el caso.
El sistema de recirculación, de forma general, consta de una válvula manual y otra
motorizada. Con la válvula manual se regula el caudal deseado de recirculación. La
válvula motorizada cierra la recirculación en momentos de gran afluencia de agua a la
depuradora, sobre todo en episodios de lluvia. Esta maniobra se realiza en función de
la altura de agua en el pozo de bombeo a lecho.
31
Esquema de recirculación
3.6.5.- Decantación secundaria
El decantador secundario es el último elemento antes de que el agua sea vertida al
medio receptor. Se construye en hormigón armado y suele tener una altura a nivel de
pared de 3,25 m.. El agua residual entra a través de la tubería de carga y se distribuye
desde el pilar central. Una vez ha decantado el agua, se recoge por el canal perimetral
y llega hasta la arqueta de salida, de aquí el agua va al bombeo al lecho bacteriano.
Los fangos son recogidos del fondo de la poceta del decantador, a través de una
arqueda adosada al decantador, donde se dispone de una bomba. Habitualmente,
esta bomba conduce los fangos biológicos hasta la arqueta de carga al decantador
primario, donde decantan y son enviado a espesamiento y almacenamiento.
Desde el punto de vista de dimensionamiento, es conveniente por facilidad posterior
de operación, mantener dimensiones y geometría de la decantación primaria. De este
modo, se simplifica la posterior operación.
Parámetro
Valores recomendados
Carga hidráulica superficial (m3/m2.h)
menor 1 a Q punta
Tiempo retención (h)
mayor 2 a Q punta
Carga sobre vertedero (m3/m.h)
menor de 15
32
3.7.- Operación
Fundamentalmente la operación de los lechos bacterianos va dirigida a mantener los
valores de carga hidráulica superficial (CHS) y Sk que se han dado como referencia.
En este punto es importante llevar un control de la carga orgánica del lecho para ver si
es necesario ir variando los valores de CHS y Sk.
Con altas carga orgánicas, tal vez sea necesario periodos de lavado de película. Estos
periodos se suelen hacer diariamente durante la noche, y se realizan variando la
velocidad de giro del distribuidor para alcanzar Sk altas y por lo tanto que se produzca
un desprendimiento de la biopelícula. Con esto se consigue que no se alcance un gran
espesor de biopelícula que podría disminuir el rendimiento del lecho, o incluso
obstruirlo si el crecimiento fuese descontrolado.
Labores de mantenimiento rutinarias:
•
Limpieza de agujeros del distribuidor
•
Engrase del rodamiento
Labores de mantenimiento extraordinarias:
•
Ajuste de la verticalidad del eje central. Con un nivel se comprueba la altura del
extremo de un brazo cualquiera a lo largo de una vuelta completa. Se corrige la
horizontalidad con los grados de libertad del codo silleta.
•
Ajuste de la horizontalidad de los brazos. Con un nivel se comprueba la altura
de varios puntos de cada brazo y se ajusta su horizontalidad con los tensores.
Todos los brazos de ajustarán al mismo plano horizontal.
Problemas más frecuentes:
•
Se deslizan los brazos alternativamente: Comprobar que llega caudal de
agua suficiente al filtro y no se quedan bolsas de aire en los brazos del
distribuidor. Una posible solución es aumentar recirculación, si esto no es
posible se pueden tapar algunos agujeros para que el agua se mantenga
constante en los brazos.
•
Los brazos van más bajos en un sector del lecho:
33
o Posible pérdida de verticalidad del eje central del lecho. Se necesita
ajustar el eje.
o Comprobar que no rozan los centradores en el sector donde bajan los
brazos. Si el problema no cesa, posible rotura del eje central.
•
Problemas de decantación: Habitualmente si hay problemas de decantación
secundario se puede deber a una deficiencia en la biopelícula, el soporte no es
el adecuado, o hay un exceso de carga. En otras ocasiones se debe a una
deficiente operación del lecho bacteriano apareciendo condiciones anaerobias
en el lecho que hace que decante peor.
•
Exceso de moscas: Se suele deber a una fuerza de lavado baja, es decir un
Sk bajo. Solución: Aumentar Sk
•
Cambio estacional: Sobre todo en primavera hay un fuerte desprendimiento
de biopelícula y pudiendo verse comprometido el rendimiento del lecho.
•
"Caracolillas": Este problema se da sobre todo en el desprendimiento
estacional, en lechos muy maduros y con un nivel de cadena trófica elevado.
Puede producir problemas de atascamiento en las conducciones aguas abajo:
carga al decantador y en las recirculación. Es un problema de difícil solución, y
requiere unas labores intensas de limpieza.
"Caracolillas" en el canal perimetral del lecho.
34
Variables que afectan al proceso
•
Temperatura: Es un factor muy importante a la hora de dimensionar un filtro,
ya que las cinéticas aumentan con la temperatura según la ecuacion. de
Arrhenius. De 10 ºC a 20 ºC se duplican las cinéticas.
•
La evaporación del agua, se produce un enfriamiento del agua a su paso a
través del lecho. Se han llegado a medir hasta 5 o 6 ºC.
•
El enfriamiento del agua conlleva un calentamiento del aire. Este
calentamiento produce una corriente de aire ascendente en los filtros por efecto
“chimenea”.
•
Temperatura: En invierno es interesante minimizar recirculaciones para
disminuir evaporación y minimizar el enfriamiento del agua.
•
pH. Como es sabido una variación del pH en el agua de entrada al lecho
produce una inhibición de la actividad microbiológica que lleva a un descenso
del rendimiento.
Inhibición pH 1
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
Curva inhibición pH
Este efecto también se puede ver en la curva OUR-pH, donde se ve que la tasa
de respiración (OUR: velocidad del consumo de oxígeno para un determinado
periodo), establece su mayor nivel en un entorno de pH 7-8.
Por lo tanto si se detecta una bajada de rendimiento del lecho, es necesario
investigar el pH a la entrada del lecho.
35
4.- CONTACTORES BIOLOGICOS ROTATIVOS
Los Contactores Biológicos Rotativos (CBR) son sistemas de tratamiento de las aguas
residuales,en los que los microorganismos se hallan adheridos a un material soporte,
que gira semisumergido (aproximadamente el 40% de su superficie) en el agua a
depurar.
Al girar lentamente (1-2 rpm), el soporte expone su superficie alternativamente al agua
y al aire. Sobre el soporte se desarrolla, de forma natural y gradualmente, una película
de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato la materia orgánica soluble
presente en el agua residual y, que toma el oxígeno necesario para su respiración del
aire atmosférico, durante la fase en que el soporte se encuentra fuera del agua.
La cantidad de aire captado durante la fase de emersión del rotor, debe ser suficiente
para cubrir el consumo por parte de los microorganismos de la biopelícula durante la
fase de inmersión y para mantener las condiciones aerobias en el recinto que alberga
al rotor. El crecimiento de la biopelícula continúa hasta que llega un momento en que
su espesor es tal (unos 5 mm), que se ve muy dificultada la difusión de oxígeno y
sustrato hasta las capas bacterianas más profundas, produciéndose en estas zonas
fermentaciones y burbujeo gaseoso. En estas condiciones, el esfuerzo cortante,
36
producido por la rotación del soporte en el seno del líquido, es suficiente para producir
su desprendimiento.
Los CBR operan bajo cubierta para evitar daños en la biomasa adherida a los rotores
por la acción de los agentes atmosféricos (heladas, lluvias), y para preservarla en caso
de averías electromecánicas, que detengan el giro del rotor.
Esquema Contactor Biológico Rotativo
4.1.- Línea de agua
La línea de agua de una depuradora de CBR se puede resumir en:
•
Pretratamiento
•
Decantación primaria
•
CBR
•
Decantación secundaria
En depuradoras de poca entidad, por debajo de los 1.000 hab equivalentes, el
pretratamiento y la decantación primaria puede ser sustituida por un tanque Imhoff,
que servirá de decantación y de almacenamiento de fangos.
37
Línea de agua CBR
4.2.- Diseño
Los parámetros de diseño descritos en la tabla adjunta se basan fundamentalmente en
la norma ATV-DVWK-A 281E (2001), complementada con otras aportaciones (Metcalf
& Eddy, 2000).
Parámetro
Valor
< 40 g DBO5/m2.d
Carga orgánica en primera etapa
Carga hidráulica:
– Eliminación DBO5
≤ 0,15 m3/m2.d
≤ 0,07 m3/m2.d
– Nitrificación
Superficie específica del CBR:
– Eliminación DBO5
110 m2/m3
200 m2/m3
– Nitrificación
Biodiscos
Sólo eliminación de DBO5 (no nitrificación)
Carga orgánica total:
– 2 etapas
– 3-4 etapas
Número mínimo de etapas:
– Para DBO5 en efluente entre 15 y 25 mg/l
– Para DBO5 en efluente entre 15 y 15 mg/l
≤ 8 g DBO5/m2.d
≤ 10 g DBO5/m2.d
2 etapas
3 etapas
Para eliminación de DBO5 y nitrificación
Carga orgánica total:
–3 etapas
– 4 etapas
≤ 8 g DBO5/m2.d
≤ 1,6 g NTK/m2.d
≤ 10 g DBO5/m2.d
38
Otros tipos de CBR
Sólo eliminación de DBO5 (no nitrificación)
≤ 5,6 g DBO5/m2.d
≤ 7 g DBO5/m2.d
2 etapas
3-4 etapas
Para eliminación de DBO5 y nitrificación
Carga orgánica total:
–3 etapas
≤ 5,6 g DBO5/m2.d
≤ 1,1 g NTK/m2.d
≤ 7 g DBO5/m2.d
≤ 1,4 g NTK/m2.d
– 4 etapas
Tabla diseño CBR Manual pequeñas depuradoras CEDEX
CBR Ochagavia (Navarra)
4.3.- Ventajas e inconvenientes
Ventajas
•
Bajos requisitos de superficie para su implantación, al igual que las Aireaciones
Prolongadas y los Lechos Bacterianos, y mucho menores que las Tecnologías
Extensivas.
39
•
Bajo consumo energético y bajo coste de explotación, en comparación con las
Aireaciones Prolongadas.
•
Explotación relativamente simple (más sencilla que en el caso de la Aireación
Prolongada, ya que no precisa de recirculación de fangos, control del nivel de
oxígeno disuelto, medición de la concentración de sólidos en el reactor, etc.).
•
Buen comportamiento ante la presencia de tóxicos, al alternar la biomasa su
contacto con las aguas residuales y con la atmósfera.
•
Facilidad de construcción gradual. Al tratarse de un proceso de construcción
modular se puede efectuar la ampliación gradual del mismo en función de las
necesidades de depuración.
•
Bajo nivel de ruidos por la escasa potencia instalada.
•
Al estar generalmente ubicadas las unidades de CBR en recintos cubiertos, se
mantiene una temperatura más elevada en el agua a depurar, por lo que los
rendimientos se resienten menos en los períodos fríos.
Inconvenientes
•
Costes
de
implantación
elevados
debido
el
coste
de
los
equipos,
principalmente de los propios contactores.
•
Generación de fangos sin estabilizar.
•
Menos flexibilidad que los procesos de fangos activados, por lo que responde
peor ante variaciones respecto a las condiciones de diseño.
•
Instalación mecánica relativamente compleja y cierta dependencia de la
empresa fabricante por ser sistemas patentados.
•
Frente a los sistemas extensivos, cuentan con equipos electromecánicos que
requieren mantenimiento y consumen energía.
40
El sistema CBR presenta menor versatilidad que los Lechos Bacterianos, por lo que es
menos eficaz para adaptarse a situaciones de variación de caudal y carga.
Este sistema presenta gran dependencia del fabricante a la hora de solventar averías
del equipo. Las averías que presentan son muy costosas de reparar, requiriendo
además de la disposición de grúa, gatos de izado, etc.
Reparación CBR Santesteban (Navarra)
41
5.- REFERENCIAS
•
Ingeniería Sanitaria. Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas
residuales. Metcalf-Eddy
•
Design of Municipal Wastewater Treatment Plants. Water Environment
Federation (WEF) and American Society of Civil Engineers (ASCE)
•
STANDARD ATV-DVWK-A 281 E, Dimensioning of Trickling Filters and
Rotating Biological Contactors.
•
Manual para la implantación de sistemas de depuración en pequeñas
poblaciones. Ministerios de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino
(España).
•
UNE-EN 752 . Sistemas de desagües y de alcantarillado exteriores a
edificios.
42