Tratamiento Tratamiento de aguas y aguas residuales
CAPÍTULO 7
LODO ACTIVA ACTIVADO 7.1 Introdu Introducci cción ón Dentro de los tratamientos biológicos biológicos de aguas residualesse incluyen los procesos aerobios y anaerobio anaerobios. s. En este capítul capítuloo se estudia estudia el proceso proceso conocido conocido como lodos o fangos fangos activados así como los modelos matemáticos desarrollados que pueden aplicarse, con pequeños ajustes, a todos los procesos aerobios intensivos en los que la biomasa se encuentra en suspensión. os lodos activados se utili!an para el tratamiento tratamiento de las aguas residuales tanto industriales como como urbanas. urbanas. Este Este proceso tuvo tuvo su origen origen de la observac observación ión reali!a reali!ada da que cuando cuando cualquier agua residual se somete a aireación durante un tiempo, se reduce su contenido de materia materia orgánica, orgánica, formándose a la ve! un lodo floculento floculento constituido constituido por biomasa. "i bien todos todos los tratam tratamient ientos os biológ biológico icoss de aguas aguas residual residuales es con consigu siguen en dismin disminuir uir la D#$%, solamente se logra eliminar significativamente su contenido de nitrógeno y fósforo cuando diseña el proceso para ello.
7.2. Características generales En los lodos activados, la depuración biológica la reali!a una variedad y cantidad grande de microo microorga rganism nismos os que se agrupan agrupan en flócul flóculos. os. Estos microorga microorganis nismos mos transform transforman an la materia materia orgánica orgánica disuelta disuelta en sólidos sólidos sedimentabl sedimentables es que pueden ser ser retirados retirados fácilmente fácilmente mediante la sedimentación secundaria. El flóculo puede considerarse formado en principio como como resulta resultado do del efecto efecto combina combinado do de la activi actividad dad biológ biológica ica y de fuer!as fuer!as física físicas. s. &dicionalmente, se consigue el 'atrapamiento( de sólidos coloidales y en suspensión en los flóculos formados. os microorganismos predominantes en estos procesos son en su mayor parte bacterias )eterótrofas que metaboli!anlos compuestos orgánicosque confieren el carácter carácter contaminante contaminante a las aguas residuales. residuales. & la me!cla que se produce en el reactor de aireación *agua residual y biomasa+ se le denomina licor me!clado. os flóculos biológicos despus de salir del reactor biológico se separan del agua tratada en un sedimentador secundario. a cantidad de flóculos que entran en el sedimentador es muy muy grande por lo que cualquier efecto negativo por sobrecarga )idráulica, cambio de densidad del flóculo, corrientes de convección, o interferencias biológicas facilita el que este flóculo pueda escaparse del sedimentador con el efluente sobrenadante o quede retenido por la contención de flotantes del sedimentador.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
a sedimentación secundaria o clarificación final, se reali!a en sedimentadores circulares o recta rectangu ngula lares res.. 2igu 2igura ra 3.4. 3.4. os os lodos lodos sedim sediment entado adoss son son e5tr e5traí aído doss por el fondo fondo del del sedimentador. 6na fracción de los lodos se considera lodo en e5ceso, y pasan a ser estabi estabili! li!ado adoss en otro otro proceso proceso biológ biológico ico posteri posterior, or, general generalmen mente te anaerobi anaerobioo aunq aunque ue en algunos casos tambin tambin puede ser aerobio, antes de ser secado y dispuesto dispuesto finalmente. finalmente. $tra fracción se recircula )acia la entrada del tratamiento tratamiento biológico. En la figura 3.7 se muestra un diagrama de flujo general del proceso. on la recirculación recirculación se consigue incrementar incrementar la concentración concentración de los microorganis microorganismos mos )asta valores altos con el objetivo de promover mayor intensidad en el tratamiento.8or otra parte, para mantener controlado el proceso proces o )ay que e5traer continuamente parte del lodo del fondo del sedimentador secundario *lodo en e5ceso+. $ sea, que una fracción del lodo de fondo del sedimentador secundario se recircula )acia la unidad de aireación y otra se e5trae.
2igura 3.4 Esquemas de tipos de sedimentadores os tratam tratamien ientos tos biológic biológicos os se reali! reali!an an en varios varios tipos de reacto reactores res biológico biológicos. s. 9stos 9stos pueden presentar apariencias muy diversas *circulares, rectangulares, configuración de canal.. canal...+. .+. 8ara con consegu seguir ir incorpo incorporar rar o5ígeno o5ígeno para los microo microorga rganis nismos mos,, y produci producirr la
Tratamiento de aguas y aguas residuales
necesaria agitación suele )aber agitadores superficiales o inyección de aire por difusión. En este :ltimo caso, los difusores se instalan en el fondo y aportan el aire en forma de burbujas. El aire es captado de la atmósfera por sopladores de gran potencia. 1
111
4 %
1. afuente 2. efuente tratado 3. exceso de lodo
7
11 G
F
I. sedimentador primario II. reactor de aireación III. sedimentador secundario
4. recirculación de lodo 5. lodo del sedimentador primario Las corrientes 3 y 5 van a tratamiento de l odos
2igura 3.7 Esquema de lodo activado con recirculación os procesos de lodo activado son eficientes en la eliminación de materia orgánica disuelta y en suspensión, en dependencia de las características del agua residual a tratar y la variante de proceso empleada. 8ara aguas residuales municipales pueden obtenerse las siguientes eficiencias de tratamiento para un sistema convencional de lodo activado;
Eficiencia en = >? @ >% A% @ >? A? B >%
os sistemas de tratamiento que se basan en los principios que rigen los lodos activados *en general sistemas de biomasa en suspensión+, ocupan un área relativamente pequeña y son muy versátiles. &unque en general su costo es construcción es menor que el de otros tratamientos, tiene la desventaja de tener un relativo alto costo de operación por la necesidad del empleo de aireación.
7. Par!"etros de dise#o $ o%eración De acuerdo a la carga orgánica a la que operen, los procesos de lodo activado se clasifican en sistemas de carga o velocidad baja, media, o alta, en dependencia del valor que presente en parámetros tales como; • • •
tiempo de retención )idráulico *C+ carga orgánica volumtrica *#+ carga de lodo *#+
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
velocidad de reducción de carga volumtrica o de eliminación de D#$ *H#+ velocidad de reducción de carga de lodo o eliminación específica de D#$ *H#+ edad del lodo o tiempo de retención medio celular *C o T<-+
• • •
8ara la definición de los parámetros se )ace uso de la figura 3.F.
0o, "o
*0oM0r + , "m
b , 0r , "e , r
"e
0e , "e
0K , K
2igura 3.F. Esquema de lodo activado para la definición de los parámetros de diseño y operación on el objetivo de simplificar el esquema de la figura 3.F, se )a obviado el sedimentador primario. De acuerdo al esquema; ; volumen del reactor de aireación b; "" en el reactor "e; D#$ soluble en el reactor, entrada al sedimentador secundario, y salida del propio sedimentador, tanto por el sobrenadante como por el fondo 0e I 0o J 0K r I K uando )ay recirculación, la D#$ que alimenta el reactor de aireación *"m+ se calcula a partir de un balance de masa en el punto de confluencia con el afluente, "m =
0 o " o + 0 r " e 0 o + 0 r
L3.4
Tiempo de retención )idráulico El concepto de tiempo de retención no necesita e5plicación, e5ceptuando la necesidad de establecer la diferencia entre el tiempo de retención nominal y real. tiempo de retención real, C
=
D 0o
+
0 r
*d+
tiempo de retención nominal,
L3.7
Tratamiento de aguas y aguas residuales
Ct
=
D
*d+
0o
L3.F
arga orgánica volumtrica a carga orgánica volumtrica es el flujo másico de D#$ que se alimenta al reactor de aireación por unidad de volumen del mismo, #D =
0 o ." o
*Ng.mBF.dB4+
D
L3.G
elocidad de reducción o consumo de la D#$ Es el flujo másico de D#$ eliminado por unidad de volumen de reactor, H# D
=
0 o (" o
J
"e )
D
*Ng.mBF.dB4+
L3.%
arga de lodo a carga de lodo es el flujo másico de D#$ que se alimenta al reactor de aireación por unidad de volumen de reactor y unidad de "", #E
=
0 o ." o D.E
=
#D E
*Ng.NgB4.dB4+
L3.O
elocidad específica de consumo de D#$ o eliminación específica de D#$ Es el flujo másico de D#$ eliminado por unidad de volumen de reactor y unidad de "", H# E =
0 o ( "o
J
D.E
"e )
=
H# D E
*Ng.NgB4.dB4+
L3.3
Edad del lodo a edad del lodo o tiempo de retención medio celular *T<-+ es el tiempo promedio de retención de la biomasa *""+ en el proceso. "e calcula como la relación que e5iste entre los lodos contenidos en el sistema y los lodos que se e5traen, CE
=
lodos en el sistema lodos que se e5traen
*d+
L3.A
Despreciando los lodos de los conductos y los que contiene el sedimentador secundario en comparación con los del reactor de aireación, usualmente se asume que los lodos en el sistema son los contenidos en el reactor de aireación * b+, se calculan multiplicando el volumen del reactor por la concentración de "" en el mismo. b I *.+
L3.>.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
"eg:n el esquema de la figura 3.F, el flujo másico de lodo a e5traer es 0P.P. &demás, si por el sobrenadante del sedimentador secundario 'se escapa lodo,( por ese concepto escaparían del sistema 0e.e Ng.dB4 de lodo. onsiderando lo anterior, los lodos totales que salen del sistema por una u otra ra!ón son, 0K . P M 0e . e
L3.4?
entonces, la edad del lodo se calcula seg:n, CE
D.E 0P E P + 0e Ee
*d+
L3.44
1&.' (cuaciones de dise#o as diferentes e5presiones que se emplean para el diseño de los sistemas de lodos activados se derivan de la llamada ecuación básica *ecuación 3.47+. a ecuación 3.47 se obtiene de un balance de materiales tomando como referencia el esquema de la figura 3.F. 4 C5
=
Q H #5
−
N b
L3.47
donde C; edad del lodo *d+ Q; rendimiento H#; velocidad específica de consumo de D#$ *Ng.NgB4.dB4+ N b; velocidad específica de respiración endógena *dB4+ os valores de Q y N b se pueden encontrar en la literatura. "in embargo, siempre que se pueda, estos deben ser )allados a nivel de planta piloto o laboratorio. $bservando la ecuación 3.7 se aprecia que la misma describe la ecuación de una línea recta con intercepto *BN b+ en el eje de ordenadas cuya pendiente es *Q +. 2igura 3.G. Tal como ya se mencionó, a partir de la ecuación 3.47 se obtienen otras e5presiones de trabajo que permiten diseñar y operar los sistemas de lodos activados.
Tratamiento de aguas y aguas residuales
1 *) +
/)
, 2igura 3.G. Determinación e5perimental de los valores de Q y N b 8roducción y concentración de biomasa onocer la cantidad de biomasa *""+ que se producirá en un proceso de lodos activados reviste singular importancia, ya que para mantener el sistema en estado estacionario, los "" que deben e5traerse diariamente *0K.K+ deben ser igual a lo que se produce. De la ecuación 3.47 puede obtenerse, L3.4F
H E b = Q H # v − N b E b
donde H b; "" producidos *Ng.mBF.dB4+ "i es el volumen del reactor, la cantidad total de biomasa que se produce diariamente se estima, 8#
=
H E b . D
*Ng.dB4+
L3.4G
8or otro lado, tambin a partir de la ecuación 3.47, se puede calcular la concentración necesaria de "" para determinadas condiciones de trabajo, E b =
Q C5 H " C (4 + N b C 5 )
L3.4%
donde b; concentración de "" necesarios para que se cumplan las condiciones impuestas *mg.B 4 + H"; "o @ "e , diferencia entre la D#$ del afluente y el efluente *mg.B4+ C; tiempo de retención )idráulico *d+
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
7.0 endi"iento + 3 $ rendi"iento o-ser4ado +o-3 El trmino de rendimiento *Q+ de la ecuación 3.47 es teórico, pues no toma en consideración la muerte endógena. uando el tiempo de retención medio celular es pequeño, baja edad del lodo, la diferencia entre Q y el rendimiento real u obserbado, Qob, es pequeña, y puede considerares que Q ≈ Qob . "in embargo a medida que aumenta la edad del lodo, el proceso endógeno es más pronunciado, y una parte de la biomasa que se forma, muere. En esta situación, la diferencia entre Q y Qob puede llegar a ser notable para muy altas edades de lodo. El rendimiento observado *Qob+ es el rendimiento de biomasaRsustrato del sistema considerando la muerte endógena, Qob
=
Q
L3.4O
4 + N b C 5
& partir de la ecuación 3.4O, y teniendo en cuenta el concepto de rendimiento, la producción de biomasa tambin puede calcularse, 8# I Qob.H".0
L3.43
a influencia de la edad del lodo sobre el valor del Qob puede apreciarse en la figura 3.%.
+o-
edad del lodo 2igura 3.% 1nfluencia de la edad del lodo sobre el Qob
Tratamiento de aguas y aguas residuales
Ejemplo 3.4 6na planta depuradora que opera bajo el principio de lodos activados seg:n el esquema de la figura 3.F, debe tratar diariamente 7 7%? mF de un agua residual que tiene una D#$ de G7% mg.B4 para obtener un efluente con G7,% mg.B4 de D#$. a instalación opera bajo las siguientes condiciones; N bI ?,4 dB4
Q I ?,%
tiempo de retención )idráulico; C I O ) edad del lodo; C I % d Determine el flujo a e5traer *0K+ si se desea que la concentración de "" de la corriente de e5tracción sea de 7 A?? mg.B4. "olución; & travs de la corriente de e5tracción )ay que evacuar cada día una cantidad de sólidos igual a la que crece. 8or lo tanto, 0K.K I 8# donde 8# son los Ng.dB4 de "" producidos de acuerdo con la ecuación 3.43, 8# I Qob.H". 0 por otro lado, Qob
Q
=
(4 + N b .θ E ) ,
=
?,FF ,
*ec. 3.4O+
calculando Qob Qob
=
?,%
(4 + ?,4.%)
sustituyendo en la ecuación 3.43,
8# I ?,FF.*FA7,%+.7 7%?. 4?BF I 7AG Ng.dB4 o sea, que 0K.K I 7AG Ng.dB4 teniendo en cuenta que se desea que K I 7 A?? mg.B4 el flujo 0K que se necesita e5traer es 4?4,G mF.dB4
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
Ejemplo 3.7 8ara el ejemplo anterior, considere que la edad del lodo es de F? días. ompare la producción de biomasa en ambos casos. "olución; "i la edad del lodo es de F? d, el rendimiento observado será Qob I ?,47%. "ustituyendo en la ecuación 3.43 la producción de biomasa será, 8# I 4?3,O Ng.dB4. Tal como se aprecia, para una edad del lodo de F? d la producción de biomasa es menor que para % días de edad del lodo. "e cumple que mientras mayor es la edad del lodo, menor es la producción de biomasa Ejemplo 3.F alcular la concentración de "" que es necesario que e5ista en un reactor de 4 %?? mF de volumen efectivo, para tratar F ??? mF.dB4 de un agua residual cuya D#$ es 7%? mg.B4 y obtener A?= de eliminación de D#$. as condiciones de operación son las que se detallan; N b I ?,4 dB4
Q I ?,%%
C I 3 d
&u5ílese del esquema de la figura 3.F. "olución; E b =
"eg:n la ecuación 3.4%
Q C E ( H") C (4 + N b C E )
como )ay recirculación, H" I "m B "e "m
C
=
=
0 o "o 0
o +
D 0o
+
0 r
0 r " r
+
0 r
=
=
4 %?? G %??
F ??? . 7%? + 4 %?? .%?
=
G %?? A)
/ C=
"ustituyendo en la ecuación 3.4%, b I >4F mg.B4
A 7G
=
=
?,7% d
4AF mg.B4
0r I ?,% 0o
Tratamiento de aguas y aguas residuales
7.5 Variantes del %roceso de lodos acti4ados En los :ltimos O? años )an sido desarrolladas, a partir de su concepción original, diferentes variantes para el proceso de lodos activados, para dar respuesta a circunstancias especiales. as variantes responden a la carga de operación y al rgimen de flujo que prevalece en el reactor de aireación. "eg:n la carga, los sistemas de lodo activado se diferencian en • sistemas de baja carga o baja velocidad • sistemas de carga media o velocidad media • sistemas de alta carga o alta velocidad En la tabla 3.4 se resumen las principales características de las diferentes variantes. "in embargo, en la práctica debe tenerse en cuenta que los límites de los valores en cada caso no son precisos. Tabla 3.4. Diferentes variantes del proceso de lodo activado *los parámetros de carga están e5presados como D#$% y sólidos suspendidos volátiles, ""+ ariantes "istemas de baja carga "istemas de carga media "istemas de alta carga
#v *Ng.mBF.dB4+ ?,4 @ ?,F ?,% @ 4,% > 4,%
#5 *Ng.NgB4.dB4+ ?,?% @ ?,4? ?,7 @ ?,% > ?,%
S5 *d+ > 7% F @ 4% < F
S *)+ 7G B 37 G @ 47 4B7
3.O.4 "istemas de baja carga os sistemas de baja carga tambin son llamados de aireación e5tendida. 8or su alto tiempo de retención )idráulico, son concebidos para tratar pequeños vol:menes de aguas residuales de origen domstico o industrial * G ??? mFdB4+. En estos sistemas el lodo en e5ceso *0K+ es muy pequeño, debido a las altas edades de lodo que se emplean para promover la o5idación de la biomasa que se produce durante la síntesis. a producción de lodo *base seca+, puede llegar a ser tan baja como ?,7 Ng.*Ng D#$ eliminado+B4.El consumo de o5ígeno es elevado en comparación con los sistemas convencionales, casi 4,% veces mayor que la D#$ aplicada. En la práctica estos sistemas se diseñan como unidades compactas en rgimen de me!cla completa o como canales de o5idación con predominio de flujo pistón.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
3.O.7 "istemas de carga media Estos son los sistemas de lodo activado más frecuentemente empleados y pueden diseñarse con rgimen de flujo de pistón o de me!cla completa. os sistemas de me!cla completa tienen la ventaja de amortiguar los efectos de las variaciones de las concentraciones de entrada al tanque de aireación y disminuir, dentro de ciertos límites, las posibles consecuencias de la presencia de sustancias tó5icas. omo desventaja sobre el flujo pistón se puede destacar el posible predominio de organismos filamentosos sobre las bacterias formadoras de flóculos y las dificultades que eso representa para la sedimentación secundaria. os lodos producidos *base seca+, son apro5imadamente ?,% Ng.*Ng D#$ eliminado+B4. os lodos procedentes de un sistema de carga media necesitan ser estabili!ados antes de su secado. 3.O.F "istema de alta carga En los sistemas de alta carga o alta velocidad, los niveles de carga son muy superiores a los de un proceso convencional. on ello generalmente se obtiene un tratamiento parcial que es usado como etapa preliminar de otro más completo. a carga de lodo puede llegar )asta 4,% B F,% Ng.NgB4.dB4. on estas cargas e5iste un crecimiento elevado de microorganismos y el lodo producido tiene menos tendencia a la formación de flóculos que los sistemas de carga media, lo que es perjudicial para la etapa de separación. a producción de lodo *base seca+ puede ser de 4 Ng. *Ng D#$ eliminado+B4, o mayor, y posee una elevada actividad. &l igual que en los sistemas convencionales, los lodos necesitan ser estabili!ados antes de su secado. 3.O.G
Tratamiento de aguas y aguas residuales
os procesos de flujo pistón encuentran un amplio uso en las plantas de tratamiento municipales en el tratamiento de grandes vol:menes de aguas residuales. 2igura 3.O. aire afluente
"e
TV de aireación
0K , K
2igura 3.O. Esquema de reactor de flujo pistón convencional Tienen la ventaja sobre los de me!cla completa, que son menos proclives a la formación de organismos filamentosos. El afluente y los lodos recirculados son alimentados por un e5tremo de un reactor largo y angosto, usualmente de O a4? m de anc)o y de F? a4?? m de largo, con una profundidad efectiva entre G y % m. El reactor está equipado con dispositivos de aireación, y a medida que el licor fluye a lo largo del reactor, disminuye la D#$, y por lo tanto tambin la demanda de o5ígeno. 3.O.G.F &ireación graduada omo modificación del esquema básico de los reactores de flujo pistón, se introduce la intensificación de la aireación a la entrada y su reducción progresiva a lo largo de la longitud del reactor, obteniendo un mayor aprovec)amiento de la capacidad de aireación instalada. Este sistema se conoce como 'aireación graduada(. 2igura 4?.3.
afluente
"e
TV de aireación
0K , K
2igura 3.3 &ireación graduada en un sistema de flujo pistón 3.O.G.G &ireación escalonada Uo obstante la ventaja que ofrece la aireación graduada en cuanto alempleo racional de la aireación, el uso de la capacidad del reactor en trminos de eliminación de D#$ por unidad de volumen de reactor puede ser baja a la salida del proceso. 8ara un mejor uso de la capacidad disponible, se puede introducir el afluente en varios puntos a lo largo del reactor, en la variante conocida como 'alimentación escalonada( o 'carga escalonada(.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
os sistemas trabajando en rgimen de alimentación escalonada representan una mejora sobre los sistemas convencionales de flujo pistón, debido a que se logra una distribución más uniforme de la demanda de o5ígeno en toda la etapa de aireación. 2igura 3.A. a demanda de o5ígeno aumenta en cada punto de entrada y disminuye )asta que el licor me!clado llegue al siguiente punto. El proceso puede considerarse como intermedio entre flujo pistón y me!cla completa aire afluente
TV de aireación
"e
0K , K
2igura 3.A &limentación escalonada en el sistema convencional 3.O.G.% anales o !anja 8asveerde o5idación a !anja 8asveer de o5idación es un sistema de aireación particularmente apropiado para los procesos de aireación e5tendida. onsiste en un estanque de aireación en forma de !anja anular continua, de 4 metro de profundidad efectiva de líquido, con uno o más dispositivos de aireación superficial, y flujo lineal a lo largo de la !anja. 2igura 4?.>.
2igura 3.>. anal de o5idación con sedimentación secundaria as versiones más compactas de los procesos de lodos activados tienen las etapas de aireación y sedimentación combinadas en una sola unidad. 2iguras 3.4? y 3.44. a sección
Tratamiento de aguas y aguas residuales
de sedimentación está montada concntricamente alrededor de la sección de aireación de me!cla completa.
2igura 3.4?. 6nidad compacta de lodo activado. &ireación y sedimentación en un solo reactor
2igura 3.44. Esquema de reactor compacto de lodo activado
7.7 e6ueri"iento de nutrientes a formación de biomasa y las buenas propiedades de sedimentación de un lodo pueden verse afectadas si el nitrógeno y fósforo no están presentes en cantidades suficientes. $tros muc)os elementos tambin son necesarios para el metabolismo, pero en concentraciones tales que raras veces están en dficit. De acuerdo con la fórmula empírica aceptada para la biomasa %W3 U$7, el contenido de nitrógeno de la biomasa producida es de 47,F =. 8or otra parte, a medida que disminuye la carga orgánica o aumenta la edad del lodo, e5istirá una acumulación de residuos celulares no biodegradables y cuyo contenido de nitrógeno y fósforo es de 3 = y 4 =
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
respectivamente. 8or tanto el nitrógeno y el fósforo necesarios dependen de la edad del lodo. Uo obstante, como promedio se acepta una relación de materia orgánica y macronutrientes *D#$;U;8+ para procesos aerobios, de 4??; % ; 4. El nitrógeno es asimilado por la biomasa principalmente en forma de amonio *UWGM+, aunque tambin lo )ace en forma de nitrato * U$F X +. El nitrógeno orgánico contenido en el agua residual como proteína o aminoácidos, debe ser previamente )idroli!ado para que se transforme en amonio y est disponible para la biomasa. El fósforo debe estar en forma de ortofosfato para que sea utili!ado para la síntesis celular. 8or lo tanto, los complejos inorgánicos y orgánicos, del fósforo deben )idroli!arse previamente.
7.8 Pro-le"as en la se%aración de los lodos en los sedi"entadores secundarios 8or muy eficiente que el proceso biológico que tiene lugar en el reactor, si posteriormente no se logra una buena eficiencia en la separación de los sólidos producidos, la eficiencia total del sistema no será buena. a carga de lodo a la que trabaje el sistema influye en las características de sedimentación del lodo formado. argas muy altas o muy bajas dificultan la formación de buenos flóculos que faciliten la separación. 8ara ser retenidas en una planta de tratamiento los microorganismos tienen que ser capaces de formar un flóculo sedimentable o ser atrapados dentro de l. "in embargo en ocasiones no se forma el flóculo deseado para que e5ista una buena sedimentación. as causas más comunes de una separación poco eficiente son; • • • •
crecimiento disperso abultamiento de los lodos *bulNing+ formación de flóculos de punta de alfiler *pin point+ formación de espuma
Tratamiento de aguas y aguas residuales
2igura 3.47 Tipos de lodo y principales características 3.A.4 recimiento disperso El crecimiento disperso es debido a que no se produce la biofloculación de los microorganismos, dando lugar a un efluente turbio. 8uede tener su origen en varias causas. Entre las más comunes se encuentra la entrada al reactor biológico un 'golpe de carga orgánica(. 3.A.7 &bultamiento de los lodos El abultamiento de los lodos no tiene una causa :nica. 8uede presentarse por un e5ceso de polímeros e5tracelulares que ocasiona que las clulas se encuentren dispersas en una masa de material e5tracelular, dando lugar a un lodo viscoso con malas propiedades de sedimentación y compactación. El abultamiento tambin puede ser debido al predominio de los microorganismos filamentosos sobre los formadores de flóculos. Esta estructura filamentosa mantiene los flóculos separados, )aciendo que la sedimentación y la compactación sean deficientes. En casos muy severos, la manta de fangos puede sobrepasar la altura del vertedor del clarificador, saliendo stos con el efluente. a causa del abultamiento debido a los organismos filamentosos puede estar tanto en las características de las aguas residuales como en los parámetros tecnológicos. os sustratos fácilmente degradables como carbo)idratos contribuyen al predominio de organismos filamentosos, así como tambin lo )ace la baja concentración de o5ígeno y de nutrientes.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
3.A.F 2ormación de flóculos de punta de alfiler Estos flóculos diminutos aparecen como resultado de un fallo en la macroestructura del flóculo debido a la ausencia o a una proporción e5cesivamente baja de bacterias no filamentosas. 6na agitación e5cesiva en el reactor de aireación puede ser causa de que los flóculos se destruyan, dando lugar a flóculos pequeños que son arrastrados con el efluente. 3.A.G 2ormación de espuma a formación de espuma com:nmente está asociada a presencia de dos tipos de organismos filamentosos; Uocardia spp y -icrot)ri5 parvicella. &mbos tienen superficies celulares muy )idrofóbicas, situándose en la superficie de las burbujas de aire, estabili!ando las burbujas y formando espumas que ascienden a la superficie donde tienden a acumularse formando una capa espesa de color marrón. 3.A.% Yndice de -o)lman Desde un punto de vista eminentemente práctico, las características de sedimentación y espesamiento de los lodos activados se e5presan en trminos del Yndice de -ol)man o Yndice olumtrico de odos *1+. Este parámetro indica la aptitud de los lodos para la decantación. En la medida que el valor del 1 sea mayor, las características de sedimentabilidad de los lodos serán menores. De acuerdo con el Yndice olumtrico de odo estos pueden clasificarse en; odos normales 1 < 4?? mgB4 odos ligeros 1 I *4?? @ 7??+ mgB4 odos abultados 1 > 7?? mgB4
El 1 es el volumen en m ocupado por cada gramo de sólido suspendido despus de dejar sedimentar durante F? minutos 4 litro de lodo, en una probeta. &unque la clasificación de los lodos de acuerdo con el índice volumtrico se corresponde con el comportamiento que usualmente presentan estos, debe tenerse tambin presente que el valor de este indicador es función de la concentración de los lodos. 3.A.O
Tratamiento de aguas y aguas residuales
"i los sólidos sedimentados permanecen muc)o tiempo en el fondo del sedimentador sin ser e5traídos, puede iniciarse su descomposición anaerobia, con desprendimiento de gases que al ascender arrastran los sólidos )acia la superficie. a flotación tambin puede ser originada por el desprendimiento de U7, en aquellos casos en los que se está obteniendo un efluente nitrificado. omo en el sedimentador e5isten condiciones anó5icas, el nitrato puede reducirse dando lugar a la formación del U7, que en su ascenso arrastra partículas de sólidos sedimentados previamente.
7.9 O:ígeno necesario En los sistemas de lodos activados el suministro de o5ígeno tiene dos objetivos. El principal de ellos es el de satisfacer las necesidades para el desarrollo de las funciones metabólicas de los microorganismos aerobios. El segundo, promover la agitación necesaria para mantener en suspensión los flóculos de lodos. a determinación de la necesidad de o5ígeno en los procesos de lodos activados constituye una etapa importante en las actividades de diseño y evaluación de una instalación de tratamiento. En la medida que se cono!ca la cantidad de o5ígeno que es necesario para un proceso dado, se estará en mejores condiciones de seleccionar el equipamiento adecuado para suministrarlo. El metabolismo aerobio es independiente de la concentración de o5ígeno disuelto cuando sta es superior a un valor considerado como crítico, apro5imadamente entre ?,7 y 7,? mgB4. 8or debajo de este valor crítico la velocidad de las reacciones metabólicas aerobias se ven limitadas. a velocidad de consumo de o5ígeno en los sistemas de lodo activado o en general en aquellos en los que la biomasa está en suspensión, puede representarse por la siguiente ecuación empírica; r E = Q′ H#E + b
L3.4A
donde r E
=
r E b
L3.4>
H#; velocidad específica de consumo de D#$ *ecuación 4?.3+ *Ng.NgB4.dB4+ r; velocidad de consumo de o5ígeno * mg B4dB4+ r 5; velocidad específica de consumo de o5ígeno *Ng.NgB4.dB4+ b; sólidos suspendidos volátiles en el licor me!clado *""-+ *mg B4+ Q ′; Ng $7 consumido *Ng D#$ eliminado+B4 b; Ng$7 consumido *Ng "" autoo5idado.d+B4 ∆ "; "o B "
*mg B4+
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
θ; tiempo de retención )idráulico *d+
a ecuación 3.4A puede e5presarse tambin tomando como base la D0$. alores típicos de Q ′ y b se reportan en la tabla 3.7. Tabla 3.7. alores típicos de Q ′ y b #&"E D#$% D0$ D0$ D0$
Q′ *Ng Ng B4+ ?,%? ?,G? ?,73 ?,F%
b *d B4+ ?,?F B ?,4? ?,F B ?,4F ?,44 ?,?A
T18$ DE
os coeficientes Q ′ y b pueden ser calculados a escala de laboratorio. El valor de r 5 depende en gran medida de la actividad de la biomasa. 8or ejemplo, para residuales teneros tratados mediante lagunas aireadas, se )an obtenido valores de velocidad específica de respiración * r 5 + de 4,GF Ng Ng B4d B4 y ?,3> Ng Ng B4d B4 para uno y tres días de edad de lodo respectivamente. 8ara la fase de respiración endógena se acepta como intervalo de valor de la velocidad específica de consumo de o5ígeno el comprendido entre ?,4% y ?,%? Ng Ng B4 d B4. El requerimiento mínimo de aire aplicado por Nilogramo de D#$ alimentado al reactor de aireación es función de las características del sistema en particular. En todos los casos es recomendable garanti!ar una concentración mínima de o5ígeno disuelto de 7 mg B4. En ausencia de otra información que permita )acer estimados más precisos sobre la necesidad de o5ígeno, puede asumirse que para la eliminación de la D#$ carbónica en procesos convencionales de lodos activados, es necesario utili!ar apro5imadamente un mínimo de 4,4 Ng $7 por cada Ng de D#$% aplicado. 8ara sistemas de aireación e5tendida el requerimiento de o5ígeno puede tomarse apro5imadamente como 4,A Ng de $7 por cada Ng de D#$% que se aplique. 8or otro lado, partiendo de consideraciones teóricas, la necesidad de o5ígeno puede ser determinada a partir de la D#$u del agua residual y de la cantidad de biomasa que diariamente se e5trae del proceso. a demanda teórica de o5ígeno para la eliminación de las sustancias carbonosas contenidas en el agua residual puede calcularse mediante la relación, Ng $7dB4 I *NgdB4 D#$u total utili!ado+ B 4,G7 *NgdB4 biomasa e5traída+
L3.7?
Tratamiento de aguas y aguas residuales
En la e5presión anterior )a sido considerado que 4,G7 es el equivalente de o5ígeno de la biomasa, asumiendo que la fórmula empírica de sta es % W 3 U $ 7. De acuerdo con esto, N g$ 7 d
−
4
0 ( "? =
" ) 4?
−
−
F −
f
4,G7 8#
L3.74 donde 0; flujo de agua residual afluente *mF.dB4+ "o y "; D#$% afluente y efluente *mg.B4+ 8#; biomasa producida *NgdB4+ f; relación entre D#$% y D#$u
7.1& ;u"inistro de o:ígeno elocidad de transferencia de o5ígeno a velocidad de transferencia de o5ígeno puede e5presarse mediante la ecuación 3.77 d dt
=
< = [ N a ( Z s, m − ) 4,?7 t
−
7?
L3.77
donde d dt
I <; velocidad de transferencia de o5ígeno *mg.B4 )B4+
N a; coeficiente global de transferencia de o5ígeno *)B4+ s,m; concentración de saturación promedio a la temperatura de trabajo y a una profundidad que es igual a la mitad de la altura del tanque de aireación mg B4 [
=
Z
=
N a del medio N a del agua limpia s, K s
s,K; concentración de saturación de o5ígeno del agua residual *mg.B4+ s; concentración de saturación de o5ígeno en agua limpia *mg.B4+ os valores de β suelen variar entre ?,3 y ?,A como consecuencia de las variaciones de la solubilidad del o5ígeno debido a la presencia de sales, sólidos suspendidos y sustancias tensoactivas.
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
El valor de α puede no ser constante y variar durante el proceso que tiene lugar en el bioreactor. En la tabla 3.F se reportan valores típicos de α para diferentes implementos de aireación. Tabla 3.F.alores típicos de α I"%le"ento de aireación Difusor de burbuja gruesa Difusor de burbuja fina Eyector de aereación &ereador superficial Turbinas
Valor ti%o ?,A% ?,%? ?,3% ?,>? ?,A%
En estado estacionario las condiciones de trabajo deben ser tales que la velocidad a la que se adiciona el o5ígeno sea igual a la velocidad que se consume * < I r +, entonces; r I α N a *β sm B +. 7G
L43.7F
r; velocidad de transferencia de o5ígeno *mg.B4.dB4+ N a; *)B4+ sm y ; *mg.B4+ Ejemplo 3.G 6n reactor aerobio de 7,% m de altura efectiva tiene un sistema de aireación por difusión con un coeficiente de transferencia de o5ígeno N a I F )B4 a la temperatura de trabajo. "i se conoce que; a concentración de saturación a la altura media del líquido, s,m I A,A mg.B4/ [ I ?,A% y Z I ?,A, calcule la velocidad de transferencia de o5ígeno cuando el o5ígeno disuelto en el reactor es de a+ G mg.B4 b+ 4 mg.B4 "olución De acuerdo con la ecuación 3.77, d dt
=
< = [ N a ( Z s, m
−
) 4,?7 t
−
7?
como el valor del coeficiente de transferencia está dado a la temperatura de trabajo, F ) B4 a+
=
N a .4,?7 t
−
7?
para $D I G mg.B4
Tratamiento de aguas y aguas residuales
< = ?,A% . F ( ?,A? . A,A
−
G)
< I 3,3 mg..)B4 b+
para $D I 4 mg.B4.)B4
< I 4%,G mg.B4.)B4 puede apreciarse el incremento notable del o5ígeno transferido en un caso y otro dependiendo del gradiente de concentración Ejemplo 3.% "e dispone de un reactor de 773 mF y F m de volumen y altura efectivos respectivamente, y una concentración de sólidos suspendidos volátiles *""+ de %??? mg.B4, para tratar A>7 mF.dB4 de un agua residual que tiene una D0$ de %?? mg. B4 y una temperatura media de 7A\. "e dispone de la siguiente información; s,m7A\ I >,?3 mg.B4 / [ I ?,A% / Z I ?,A? / Q] I ?,73 / b I 4 Estime el coeficiente de transferencia que se requiere para disponer del o5ígeno necesario que permita lograr una reducción del 3%= de la D0$ inicial y una concentración de o5ígeno disuelto en el reactor de al menos 4 mg.B4. "olución as condiciones de trabajo deben ser tales que la velocidad de transferencia de o5ígeno sea al menos igual a la velocidad de consumo. a velocidad específica de consumo de o5ígeno puede estimarse utili!ando la ecuación 3.43, r E = Q′ H#E + b
Q] I ?,73 / H# E r E
=
=
4,?A Ng . Ng
( %?? − 47%) ?,7% . %??? 4
−
.d
=
?,F Ng . Ng
4
−
.d
4
−
. b
I4
4
−
a velocidad de consumo de o5ígeno por unidad de volumen y por )ora se calcula, r = r E . % .
4 4 4 m F 4? O mg . . . 773 7G 4? F Ng
r I ?,>> mg..)B4
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
a velocidad de transferencia debe ser al menos igual a la de consumo obtenida *?,>> mg..)B4+ -ediante la ecuación 3.77 puede estimarse el N a necesario. r = [ N a ( Z s, m ?,>>
=
−
) 4,?7 t
−
7?
?,A% N a ( ?,A? . >,?3 − 4) 4,?7 7A
−
7?
El coeficiente de transferencia que se requiere es N a I ?,4O )B4 a7A\
7.11 (6ui%os de aireación El equipamiento para producir aireación que más com:nmente es utili!ado puede clasificarse en • sistemas de aire difundido • sistemas de aireación mecánica El sistema de aireación debe ser capa! de transferir o5ígeno al licor me!clado a una velocidad equivalente al pico de requerimiento de o5ígeno, e5presado como flujo másico por unidad de volumen de reactor de aireación *Ng $7.mBF.)B4+. El nivel superior de transferencia de o5ígeno para los dispositivos de aireación está comprendido entre 3? y 4?? Ng $7.mBF.)B4 6na manera de e5presar la eficiencia de los sistemas de aireación es a travs de la apacidad de Transferencia *U+ ^Ng $7*NP)+B4_.
3.44.4 &ire difundido os sistemas de aire difundido están constituidos por difusores sumergidos en el agua, las líneas o tuberías conductoras de aire, los sopladores o compresores, y su equipamiento au5iliar. #ásicamente se conocen dos tipos de difusores; los que producen burbujas pequeñas a partir de un medio poroso y aquellos que utili!an tuberías )oradadas o alg:n otro dispositivo para producir burbujas grandes o medianas. Todos estos implementos son muy diversos en dependencia de los fabricantes. 2igura 3.4F. 8ara reactores rectangulares los difusores se distribuyen a ambos lados y en toda la longitud del tanque de aireación. 2igura 3.4G. omo elemento práctico puede señalarse que para mantener una me!cla adecuada, el anc)o del tanque de aireación debe ser apro5imadamente
Tratamiento de aguas y aguas residuales
el doble de su profundidad. Este anc)o puede duplicarse si además se concibe una línea central de unidades de difusión. Tambin puede apuntarse que la ubicación de los difusores debe ser tal que los puntos de salida del aire deben estar unos de otros a una distancia comprendida entre 4% y 3% cm.
2igura 3.4F. 1mplementos para la aireación mediante aire difundido os difusores de burbuja fina se construyen de granos de sílice u ó5ido de aluminio. $tras unidades son tubos recubiertos de diversos compuestos como nylon, dracón y saran. El diámetro de la burbuja suele estar comprendido entre 7 B 7,% mm. Estas unidades se diseñan para lograr un flujo de aire por unidad de F B 7A mF)B4 en condiciones estándar *8 I 4?4,F N8a, 7? ? +. os difusores no porosos originan burbujas de )asta 7% mm de diámetro. Estas burbujas grandes son la causa de que estos difusores presenten menor rendimiento que los porosos, pero por otro lado presentan las ventajas de tener menor costo, y menos necesidades de mantenimiento y de limpie!a de aire. a aireación mediante difusores es recomendada fundamentalmente para profundidades de líquido en el reactor entre 7,% y %,? m y valores de velocidades de consumo de o5ígeno inferiores a 4 mg B4min B4.
2igura 3.4G. Distribución de los difusores. ista de planta
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
3.44.7 &ireación mecánica os aireadores mecánicos pueden ser superficiales o sumergidos, y ambos a su ve!, de eje vertical o de eje )ori!ontal. En los aireadores mecánicos el o5ígeno se toma de la atmósfera. Way modelos de aireadores mecánicos sumergidos, las turbinas, en los que además se introduce aire por la parte inferior del reactor de aireación. 2igura 3.4%.
2igura 3.4%. &ereadores superficiales
os aireadores superficiales rompen la superficie del líquido mecánicamente, creando una interfase gasBlíquido en forma atomi!ada de pequeñas gotas de agua y burbujas de aire. &demás el volumen total de líquido circula y se me!cla de manera tal que el agua o5igenada se reempla!a continuamente por líquido de otras !onas. os aireadores superficiales de eje vertical pueden montarse sobre una estructura rígida o sobre flotadores. os de eje )ori!ontal tienen su origen en los aereadores Vessener de cepillo y )oy se fabrican de diferentes tipos. 2igura 3.4O. a transferencia de o5ígeno ocurre a travs de la acción de vórtice y por la e5posición a la superficie de grandes vol:menes de agua atomi!ada. 8ara los implementos de eje vertical, la cantidad de o5ígeno transferido al líquido es función de la potencia. os aireadores superficiales se utili!an cuando la velocidad de consumo de o5ígeno del sistema está en el intervalo de O? a %% mgB4) @4. 8ara mayores velocidades de consumo se recomienda el empleo de aireadores de turbina.
Tratamiento de aguas y aguas residuales
&ireador en reposo
&ireador en operación 2igura 3.4O. &ireador superficial de cepillo en un canal 8asveer
/I/LIO<A=ÍA 4. )amy. < -. Ed. *7??F+ &rc)ivos de 1ngeniería #ioquímica. ol 11. &vances en #iotecnología &mbiental Tratamiento de AO+. 2undamentos Teóricos de &lgunos 8rocesos para la 8urificación de &guas A>+. -craK Will %. Droste, <.. *4>>3+.T)eory and 8ractice of Pater and PasteKater Treatment. Ed. `o)n Piley and "ons, 1nc. O. EcNenfelder, P.P. *4>A>+. 1ndustrial Pater 8ollution ontrol. Ed. -craKBWill #ooN ompany. 3. EcNenfelder, P.P. and -usterman, `.. *4>>%+. &ctivated "ludge Treatment of 1ndustrial PasteKater. Ed. Tec)nomic 8ublis)ing ompany 1nc. A. Wernánde!, &. *4>>O+. Depuración de &guas
-ennde! / .". 0uiró!/ E. 1!quierdo
>. `enNins, D. -anual on t)e auses and ontrol of &ctivated "ludge #ulNing and 2oaming. eKis 8ub. 7nd Ed. 4?. ee, . . and ")un D. . *7??3+. WandbooN of Environmental Engineering alculations, Ed. -craKBWill ompanies 44. -ennde!, . y 8re! $, `. *7??3+. 8rocesos para el Tratamiento #iológico de &guas >O+ PasteKater engineering Treatment, Disposal and A>+. Design alculations in PasteKater Treatment. Ed. E. 2.U. "pon.