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Estación Depuradora de Aguas Residuales: Riberia, A Coruña

Gestión y Tratamiento de aguas 2013-2014

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Escuela Técnica Superior de Ingeniería Campus Vida Nombre:

Cristina Uxía Ansede

Javier de Juan Portela

Manuel Pedreira

María Ríos López

Jorge Torres Alvarado

Profesor:

Juan Manuel Garrido

Fecha: 07/04/2014

Resumen Ejecutivo

En el presente documento, se desarrollaron las bases de diseño básicas para la licitación de la construcción y operación de la E.D.A.R Riberia, A Coruña, España. El proyecto contempla el tratamiento de las aguas residuales generadas por una comunidad de 800.000 habitantes. Los parámetros a considerar son los flujos punta, tipos de climas y la interacción con la comunidad (olores, ruidos entre otros).

La E.D.A.R presentada consta de 5 secciones principales, Pretratamiento y tratamiento primario, Reactor Biológico: Unidades, Reactor Biológico: Aireación, Tratamiento Terciario/Desinfección UV y Línea de Lodos.

Los equipos más importantes del proyecto son la línea de desbaste de sólidos, el reactor biológico, la unidad de nanofiltración, el Bioreactor anaerobio, los sedimentadores y los separadores centrífugos.

Objetivos

Objetivo general Plantar las bases de diseño básicas para la licitación de una E.D.A.R en Riberia, A Coruña.

Objetivo especifico Aprender los dimensionamientos básicos de casa una de las secciones de una E.D.A.R. Utilizar tablas y reglas heurísticas propias de diseño en Metcalf & Eddy. Familiarizarse con las normativas y requerimientos en este tipo de proyecto. Transmitir conocimientos desde cada experto al grupo mediante el trabajo en equipo.

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ContenidoResumen Ejecutivo.............................................................................................................................2

Diagrama del proceso........................................................................................................................4

Pre tratamiento y Tratamiento Primario............................................................................................5

Reactor Biológico: Dimensionamiento Unidades...............................................................................6

Reactor Biológico: Diseño Sistema de Aireación................................................................................9

Número de difusores......................................................................................................................9

Características soplantes..............................................................................................................10

Sistema de aeración.....................................................................................................................10

Tratamiento Terciario, y Desinfección UV........................................................................................11

Microfiltración..............................................................................................................................11

Desinfección UV...........................................................................................................................11

Línea de Lodos..................................................................................................................................12

Espesamiento de Lodos: Sedimentador-Clarificador....................................................................12

Estabilización de Lodos................................................................................................................13

Estabilización biológica.............................................................................................................13

Digestión Anaerobia.................................................................................................................13

Filtrado y Secado de Lodos...........................................................................................................15

Manejo de Sólidos............................................................................................................................17

Referencias Bibliográficas................................................................................................................17

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Diagrama del proceso

Imagen 1: Diagrama del proceso E.D.A.D Riberia, A Coruña.Fuente: Elaboración propia

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Pre tratamiento y Tratamiento Primario Como pretratamiento primero nos encontramos con una etapa de debaste,para la eliminación de sólidos en suspensión de mayor tamaño. Se usa un desbaste fino de dos unidades de tamices rotativos autolimpiables,mas uno de reserva con unos 3mm de paso para los sólidos.

Figura 1. Tamiz rotativo Rotofiltro 4050

La figura anterior señala el tipo de equipo de desbaste a utilizar. El tamiz rotativo funciona de tal forma que el agua bruta entra por una tubería,señalada por la figura 1,y se distribuye a lo largo de todo el cilindro que gira a baja velocidad.El líquido pasa a travées de las rendijas del tamiz y las partículas sólidas quedan atrapadas y son conducidas hasta una rasqueta .

La velocidad de paso a través de los tamices queda limitada a 1,50 m/s supuesto una colmatación del 30%. La evacuación de los residuos de los tamices tendrá lugar a través de una tolva de descarga y un tornillo transportador hacia la prensa de detritus y posteriormente se recogerán en un contenedor situado en el propio edificio de servicios.

Además la instalación estará provista de dos líneas de desarenador longitudinal aireado,que elimina la partículas con un tamaño igual o superior a 0,2 mm y un 5% de materia orgánica.

El desarenador se ha desarollado de tal forma que cumpla los siguientes requerimientos:

Un suministro de aire de 8 m/h Una extracción arena-agua de 50cm3/m3

Un tiempo de retención de 5 minutos

El primer paso para el diseño consta en calcular el volumen con la siguiente fórmula:

5Vtanque =

12×Q×t r

Donde se utiliza tanto el caudal punta como el tiempo de retención. El volumen es de unos 76 m 3

aproximadamente.Para determinar las dimensiones del desarenador se ha fijado el parámetro de profundidad dentro de las especificaciones. Se ha señalado una profundidad de 3 m,como la anchura está en relación a la profundidad 1,2 a 1,tenemos un desarenador con una anchura de 3,6 m.

Para determinar la longitud se utiliza la siguiente fórmula:

Cuya longitud es de 7 m.

Para hallar el suministro de aire necesario se multiplica la longitud del desarenador por el suministro de aire necesario. Nos da un suministro de aire total de 56 m3/h.

Por último,se estima la cantidad de arena a extraer con la siguiente ecuación:

Cuya cantidad es de proximadamente 2,18 m3/h.

Reactor Biológico: Dimensionamiento Unidades

Esquema del reactor biológico

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Longitud= VolumendesarenadorAnchura∗Profundidad

Volumendearena=Caudal punta∗Cantidadmediadiaria

Anóxico Aerobio

R. externa

R. interna

Este es el esquema que presenta el reactor de la planta EDAR Ribeira. Está formado por un reactor anóxico (sin oxígeno) y uno aerobio (en presencia de oxígeno). El orden debe ser este, ya que en el primero el nitrógeno total se convierte en amoníaco (proceso de amonificación) y en el segundo este amoníaco es necesario, ya que reacciona con el oxígeno para dar nitrato.

N H4+¿+2O 2→NO3

−¿+H 2O+2H +¿¿¿ ¿

También presenta dos recirculaciones de nitrato, una interna entre los reactores y otra externa que viene del decantador hasta el reactor anóxico.

Es importante tener el reactor bien agitado.

Este diseño de proceso se conoce como MLE.

Objetivos

- Eliminación de nitrógeno.

- Eliminación de microorganismos.

Para ello se emplea el método de lodos activos. Un sistema de lodos activados es un proceso

biológico utilizado para la depuración natural de las aguas residuales. El tratamiento general con

lodos activados consiste de dos partes:

- Un tratamiento aerobio de las aguas residuales, en el cual, un cultivo aeróbico de

microorganismos en suspensión oxidan la materia orgánica.

- Un conjunto de procesos de biodegradación (oxidación de la materia orgánica disuelta) y

biosíntesis (producción de nueva biomasa celular) cuya finalidad es la producción de

unclarificado (agua sin materia orgánica en suspensión) bajo en DBO (Demanda Bioquímica de

Oxígeno), SS (Sólidos Suspendidos) y turbiedad.

Estas son los requerimientos del efluente final en mg/L:

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SS 35DBO5 25DQO 125PT 2NT 15NH4+ en el efluente (forma parte de NT) 0,5

Y estas las características que se consiguen en el efluente:

20º C 12 ºCSi 48,20 48,20So,efl 0,28 0,20SST supuestos

10,00 10,00

SSV efl 8,00 8,00Xefl 4,21 4,47Xi, efl 3,79 3,53

So+Xefl 6,26 6,55DBO, efl 3,91 4,09

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Reactor Biológico: Diseño Sistema de Aireación

En este proyecto se ha diseñado un sistema de aeración con difusores y soplantes centrífugas.

Número de difusoresA partir del % SOTE, característico del tipo de difusor, se calcula la OTE específica con la siguiente expresión.

OTE=SOTE .α .F .β .CS−CO2

9,6.Θ(T−20 )

Donde el valor típico para los parámetros son:

Α 0,7F 0,9Β 0,96Cs 9,6 mg/l

Tª 20ϴ 1,024Cagua 2 mg/lSe elige un modelo de difusor de membrana de la serie Sanitaire Gold utilizando una tecnología de aireación con burbuja fina. Para el caso del difusor Sanitaire Gold, el valor del %SOTE es del 35% obteniéndose un OTE (oxigen standard efficiency) del 16%. Con este Valor de OTE, se puede obtener el valor del oxígeno real que se debe aportar mediante:

ΔO2(REAL)=ΔO2

OTE=44 .045kgO2 /d

Y con ello, la cantidad de aire:

Aire=ΔO2

0 ,231=132 ,41KgAire /d=6111m3 /h

A partir de la siguiente gráfica, para un SOTE dado y una altura del agua en el tanque, se obtiene la cantidad de aire por difusor.

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Figura: Soporte de difusor poroso.

Se obtiene un flujo de aire de 14 m3/h.difusor en condiciones normales, pasándolas a condiciones de operación, se obtiene que el flujo de aire normal de 17,1 m3/h.difusor.

Con esto se puede calcular el número de difusores:

Nº difusores= Aire(m3 /h)Airedifusor (m3 /h.difusor )

=358≈360

Características soplantesSe han elegido soplantes centrífugas. Para el cálculo de las presiones de operación en el fondo del tanque se ha utilizado:

P2=Patm+ρ .g .h=1,39atm

Calculando la potencia de la soplante para estas condiciones mediante :

Donde los valores típicos son los siguientes

W(caudal de aire)

2,21 kg/s

R(gases ideales) 8,314 J/mol.KT 293 K

K 1,395 (valor típico centrífugas)N 0,283E 0,8P1 1 AtmP2 1,39 Atm

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Figura: Soplante Centrífuga.

P=(W .R .T )

28 ,97 .n .e[(

P2

Palignl¿ 1 ¿ ¿)n)−1 ]¿

Sistema de aeraciónDifusor de membrana de la serie Sanitaire Gold (Xylem) con tecnología de burbuja fina.

Potencia instalada 28.457 kW Número de unidades 360 unidades

Ef. de trans. oxígeno estándar (SOTE):

35% Potencia instalada 79,6 kW/ difusor

Velocidad de rotación Material de la membrana Poliuretano

Longitud: 700 mm Flujo de aire por disco: 14 m3/hEf. de air. estándar (SOE): 16 %

Caudal necesario de aire 6.111 m3/h Caudal necesario agitación 1,05 m3/h

Tratamiento Terciario, y Desinfección UV

Se propone un sistema de desinfección ultravioleta para el tratamiento del efluente. Este equipo deberá ser capaz de tratar el caudal punta de la EDAR, logrando una desinfección inferior a 500 coliformes total, 100 de colifornes fecales y 100 de estreptococos fecales por cada 100 ml- basado en una media de muestras tomadas durante 30 días para el efluente de la EDAR. El tratamiento consta de una microfiltración y una desinfección ultravioleta.

Microfiltración

El agua de salida de los decantadores del tratamiento secundario se filtrará, utilizando para ello dos unidades de tamiz microfiltro rotativo. Este sistema asegura una concentración de sólidos en el agua tratada menor a 5 ppm (mg/L).

Para esa concentración de sólidos se elige el modelo de filtro Ultrascreen, cuya carga hidráulica es de 39 m3/m2 h. Como ya se ha mencionado el caudal a tratar es el caudal punta, y se utilizarán dos unidades, por lo que el caudal a tratar es la mitad: 907.725 m3/h.

Los cálculos de la superficie de filtración y los datos de los filtros se muestran en el anexo Excel.

Desinfección UV

El sistema de desinfección utilizado será de ultravioleta, ya que el cloro es corrosivo y tóxico y es inestable en presencia de altas concentraciones de materiales con demanda de cloro, por lo que pueden requerirse mayores dosis para lograr una desinfección adecuada. Específicamente, los UV han probado su efectividad en diversos tipos de efluente, requieren menos mantenimiento y son más rentables. Dado que no se precisan reactivos químicos costosos para la desinfección UV, el costo de operación de un sistema UV es significativamente menor que el de la desinfección con cloro.

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Fuente: Trojan, proveedor lámparas UV

Para la desinfección por lo tanto, se utilizarán lámparas ultravioleta de la marca Ozonia, tipo SLP. En el anexo Excel se presentan los cálculos realizados y los datos de las lámparas necesarios.

Línea de Lodos

Espesamiento de Lodos: Sedimentador-Clarificador

La sedimentación es una operación unitaria dentro de los procesos de tratamiento de aguas que tiene como finalidad el remover los sólidos suspendidos que el agua pueda contener.

Los sólidos en suspensión sedimentables son aquellos que por acción de la gravedad se separan del seno del líquido y son arrastrados hacia el fondo del tanque sedimentador, donde pueden ser separados del agua a la cual se desea darle tratamiento para remoción de dichas partículas. Dichos sólidos tienen una densidad mayor a la del líquido donde se encuentran (generalmente agua) y su remoción del agua o líquido a tratar es deseable por razones estéticas y de calidad bacteriológica del agua que se pretende consumir.

Aún y cuando teóricamente deben separarse todas las partículas más densas que el líquido que contiene dichos sólidos, la eficiencia del proceso de remoción es generalmente baja ya que en el proceso de separación están involucrados otros factores como corrientes de turbulencia y de desestabilización de la cama de lodos, etc.

Para el diseño de estas unidades de gravedad, el parámetro a buscar es el área total para la sedimentación. Se eligió un sedimentador circular, en el cual las áreas son aditivas, así el área total puede distribuirse a más de un espesador.

Formulas de Diseño:

1) Calculo Área Clarificador:

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H y=[SSV ]0∗H

[SSV ]fA superficie=

Q0

vmaxvmax=

H−H y

τ

2) Calculo Área espesador con H y :

A superficie=Q0∗tH Cargade Sólidos=

Q0∗[SSV ]0A superficie [ Kg sólidos /diaSuperficiem2 ]Carga Superficie:C Hg=

Q0

A superficie [ m3

m2∗dia ]

3) Elección de Área Final

Elegir Área superficial más grande.

Dados de Proceso

Carga Hidráulica 1,2 [m3/m2*h] N° Unidades 2 -

Resguardo mínimo 0,5 m Area 1120 m2Volumen contacto 316 L Radio 18,9 m2

Carga sólidos 30 [Kg/m2*dia]

Qo (F9) 4872 m3/h Qe (F14) 3240 m3/h[ssv]o 13,79 Kg/m3 [ssv]e 3 Kg/m3

Qp (F10) 1632 m3/h Velocidad 1 m/s[ssv]p 35 Kg/m3 Altura 0.6 m

Estabilización de Lodos

Tiene como objetivo controlar que la materia orgánica presente no entre en putrefacción (evitar la generación de malos olores y la atracción de vectores) haciendo un tratamiento del lodo tendiente a obtener un producto con características adecuadas para ser dispuesto sin generar daño al medio ambiente ni crear condiciones de enfermedad. Hay una amplia variedad de método que incluyen procesos biológicos y químicos.

Estabilización biológica

Este tipo de estabilización reduce la masa total de sólidos a disponer, lo cual permite, de esta manera, minimizar los costos de transporte y dispersión. Y, disminuye el contenido de materia orgánica fácilmente biodegradable, con el objetivo de minimizar la posibilidad de generación de

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olores por putrefacción de la materia que pudiera estar presente. Puede ser por digestión aerobia o anaerobia.

Digestión Anaerobia

Es un proceso complejo y ocurre en ausencia de oxígeno, donde la materia orgánica es transformada en biomasa y compuestos inorgánicos, en su mayoría volátiles, como: CO2, CH4, NH3, H2S etc.

En este sistema anaerobio en el que ingresan polímeros naturales y en ausencia de compuestos inorgánicos (NO3, SO4, iones férricos o inorgánicos), la degradación ocurre en cinco etapas: empieza por la hidrólisis y fermentación (en la presencia de enzimas), después la acetogénesis y deshidrogenacíon (con las bacterias no metanogénicas o formadoras de ácidos), luego la acetogénesis, en seguida la metanogénesis a partir de acetato y al final metanogénesis a partir de hidrógeno y anhídrido carbónico.

La utilización de este método tiene algunas ventajas, como: buena destrucción de sólidos volátiles (40-60%), costos operacionales netos bajos si metano fuera utilizado, amplia aplicabilidad y buena reducción de patógenos, ya como desventajas, hay: requiere operadores entrenados, lenta recuperación después de un problema, sobrenadante posee alta carga en DBO, SST y NH3, puede generar malos olores, altos costos de inversión etc.

Los cálculos empiezan dimensionando el digestor anaerobio. Que de acuerdo con la tabla 10-20 del libro de Metcalf & Eddy, Tercera edición.

Un estanque anaerobio posee:

Tamaño de estanque: 2000 – 8000 m2

Profundidad: 2.4 – 4.8 m Temperatura óptima: 30ºC

En primero caso es necesario calcular la cantidad de sólidos solubles volátiles destruidos, con base en la ecuación:

SSV eliminados (% )=13.7∗ln (TRS )+18.9

De acuerdo con este adjunto de la tabla abajo.T (ºC) TRSminimo (d) TRSdiseño (d)18 11 2824 8 2030 6 1435 4 1040 4 10

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Consideramos la temperatura de 35ºC y calculamos el SSVeliminados paraTRSminimo y para TRSdiseño.

SSV eliminados (% )=13.7∗ln (TRSminimo )+18.9=37.89 %

SSV eliminados (% )=13.7∗ln (TRSdiseño )+18.9=50.44 %

Ahora tenemos que calcular la tasa de producción de biomasa, con base en la ecuación:

PX=Y∗(DQOe−DQOS )∗Q

1+kd f bTRS

Donde:

Y : Coeficiente de productividad de biomasa (gSSV/gDQOeliminado)DQOe : Demanda química de oxígeno de entrada (gDQO/m3)DQOs : Demanda química de oxígeno de salida (gDQO/m3)Q : Caudal liquido (m3/d)Kd: Coeficiente de decaimento (d-1)Fb : Fracción biodegradable de biomasaTRS : Tiempo de retención de sólidos (d)

Luego,

PX=0.03∗(330.5−125 )∗55944

1+(0.006∗( 125330.5

)∗10)=337241.76[ g SSVd ]

PX=14.05[ Kg SSVh ]En seguida tenemos que calcular el valor de la producción de metano, con base en la ecuación:

V C H 4=0.35∗((DQO e−DQO s )∗Q−1.42∗P x)

V C H 4=0.35∗( (330.5−125 )∗55944−1.42∗337241.76 )=3856163[m3

d ]Por final, tenemos que calcular los requerimientos energéticos.

Energia producida=Calentar corriente de entrada+ pérdidas calor reactor+generar eletricidad

Calefaciónde la corriente deentrada=m∗c p∗∆T

Pérdidasde calor=U∗A∗∆T

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Filtrado y Secado de Lodos

Los centrifugadores se encargan de la separación de las partículas mediante fuerza de aceleración gravitacional que se logra gracias a una rotación rápida. Este proceso puede provocar la sedimentación o suspensión de las partículas o puede conseguir la fuerza necesaria para la filtración a través de algún tipo de filtro.

La aplicación más común es la separación de sustancias sólidas a partir de suspensiones altamente concentrados. Si se usa de esta manera para el tratamiento de las aguas residuales se consigue la deshidratación y creación de sedimento mas o menos consistente dependiendo de la naturaleza del lodo tratado, y la aceleración en concentrar o aumentar el grosor de lodo poco concentrado.

- Contenido en sólidos en torta: 10-35%- Dosis polímero: 1-4 kg/t de SS- Consumo de energía: 2-6 kWh/m3

- Eficiencia: 85-98 %

Variables de ajustes en su funcionamiento

Velocidad del carcaza Velocidad diferencial del bowl con el tornillo Profundidad del depósito de procesos (placas) Profundidad de colación del tubo de alimentación Caudal de proceso m3/h.

La principal ventaja del centrifugador es la posibilidad de remover sólidos separados en zonas de separación especificas de manera continuada. Existen otras ventajas del uso de los centrifugadores como que se puede utilizar para un mayor rango de usos potenciales, además de su continua operación, la posibilidad de aceptar grandes rangos de concentraciones de alimentación al sistema, y la disponibilidad para una gran variedad de capacidades del flujo de alimentación al sistema.

Deshidratador Centrifugo 1F12 652 m3/h F16 958 m3/h

F12 M Sol. 51408 kg/h F16 M Sol. 5712 kg/h% solidos 78 0,78 % solidos 6 0,06

Deshidratador Centrifugo 2F13 500 m3/h F17 151 m3/h

F13 M 46267,2 kg/h F17 M Sol. 571,2 kg/h% solidos 98 0,98 % solidos 4 0,04

Flujo de Agua a RecircularF19 1110 m3/h Eficiencia 90%

F19 M Sol. 6283,2 kg/h Unidades 2

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F19 M Agua 105136 kg/h% solidos 6 0,06

Tabla de eficiencias en diferentes operaciones.

Manejo de Sólidos

El manejo de los sólidos resultantes se realiza durante 6 horas al día, 5 días a la semana. Y se prevé un almacenamiento medio de 15 días de producción. Por ende los valores a considerar son:

Balances para gestión de sólidosF13 M 46267,2 kg/h F13 M 2776 ton/ 15 dias

F13 M Agua 944 kg/h F13 M Agua 57 ton/ 15 dias% solidos 98 0,98 Masa total 2833 ton/ 15 dias

Altura silo 3 Metros 1 camion 20 tonVolumen silo 763 m3 Frecuencia 9 Camion/dia

Referencias Bibliográficas

Calidad de Agua – Tratamiento de Lodos – Guia Ambiental. Conocimiento y Medioambiente. Disponible en < http://www.guiaambiental.com.ar/conocimiento-calidad-de-agua-tratamiento-lodos.html> en 25/03/2014.

Estabilización de los lodos generados en el tratamiento de aguas residuales. Disponible en < https://www.u-cursos.cl/ingenieria/2005/2/.../81187> en 25/03/2014.

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Tratamiento de fangos. Disponible en < http://www.miliarium.com/Proyectos/Depuradoras/Fangos/Tratamientos.asp#Estabilizacion> en 25/03/2014.

Metcalf & Eddy, Cuarta edición, Capitulo 14.

Anexo 21 Planta E.D.A.R.

http://trojanuv.com/es/aplicaciones/aguas-residuales/conversi%C3%B3n-de-cloro-a-desinfecci%C3%B3n-uv

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