Curso Saneamiento AMH 2014 Sección 2

AMH. CURSO PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Curso

Procesos de Tratamiento de

Aguas Residuales

Septiembre 2014

M.C. Jos de Jess Rodrguez Padilla

[email protected]


Contenido1. Generalidades

2. Objetivos del tratamiento de aguas residuales

3. Tratamiento preliminar

4. Tratamiento primario

5. Tratamiento secundario

6. Tratamiento terciario

7. Desinfeccin

8. Tratamiento de lodos

8.1 Espesamiento

8.2 Estabilizacin

8.3 Desaguado

9. Sistema de lodos activados


9. Sistema de lodos activados


5. Tratamiento secundario

(Tratamientos biolgicos)


Tratamiento secundarioObjetivo: Eliminacin de la materia orgnica disuelta.

Los tratamientos previos (preliminar, primario) slo eliminan contaminantes que se encuentren suspendidos.

No tienen capacidad de eliminar ningn contaminante que est disuelto en agua.

Entre los contaminantes disueltos se incluyen (por lo menos en parte):

Materia orgnica

Nutrientes (nitrgeno y fsforo)

Los tratamientos que usan microorganismos (tratamientos biolgicos) son los ms utilizados para

eliminar estos contaminantes.


Qu son los tratamientos biolgicos?

Tratamientos que utilizan microorganismos para laeliminacin de contaminantes o su conversin encompuestos inocuos.

La gran mayora de los tratamientos son adaptacionesen condiciones controladas de fenmenos que ocurrenen la naturaleza: Aeracin y depuracin de una corriente

Crecimiento de pelculas en rocas

Conversin de materia orgnica en embalses

Transformacin de nitrgeno y fsforo en lagos y pantanos.


Historia Los tratamientos biolgicos son muy antiguos como

procesos formales de tratamiento.

Ao Proceso Ubicacin

1901 Filtro percoldor EE.UU.

1907 Tanque Imhoff Alemania

1913 Lodos activados Inglaterra

1920's Lagunas facultativas EE.UU.

1930's Digestin anaerobiaAlemania,

Francia

1960's Biodiscos Alemania

Pantanos artificiales EE.UU.

Remocin biolgica de nitrgeno EE.UU.

1970's Remocin biolgica de fsforo EE.UU.


Microorganismos involucrados

El principal grupo de microorganismos aprovechadoen el tratamiento es el de las bacterias.


Tratamientos biolgicos

Materia

orgnicaReactor

biolgicoSeparacin

O2 (2)

CO2

Residuos

(lodos)

Efluente

tratado

Nutrientes

(N, P)

Metano (1)

(1) Slo en tratamientos anaerobios

(2) Slo en tratamientos aerobios


Aspectos generales Para el desarrollo adecuado de las bacterias (y con ello

un buen tratamiento del agua residual) se requiere:

Fuente de materia orgnica biodegradable.

Presencia de nutrientes (nitrgeno y fsforo)

Temperatura adecuada (depende del tipo de bacterias)

pH adecuado (cerca de la neutralidad)

Ausencia de sustancias txicas

Medio ambiente adecuado (Ausencia / presencia de oxgeno disuelto)


Aspectos generales

Se aplican desde la descarga de una vivienda hasta la de una gran ciudad.

Contaminantes eliminados:

Materia orgnica biodegradable (uso principal)

Slidos suspendidos (atrapados en flculos biolgicos)

Nitrgeno y fsforo (procesos terciarios)

Microorganismos patgenos (de forma indirecta)

Aplicaciones principales

Tratamiento de agua residual municipal

Tratamiento de agua residual industria de alimentos

Estabilizacin de lodos


Ubicacin de los tratamientos biolgicos

InfluenteTratamiento

preliminarTratamiento

primario

Tratamiento

secundario

Tratamiento

terciario (avanzado)Desinfeccin

Espesamiento

Efluente

tratado

Lodos

estabilizadosEstabilizacinDesaguado

Tratamientos biolgicos


Tratamiento secundario

Los sistemas biolgicos usualmente son los procesos utilizados con este fin.

Adems, los sistemas biolgicos tienen la ventaja adicional de remover slidos suspendidos remanentes (principalmente el proceso de lodos activados).

En la actualidad casi nicamente se utilizan procesos biolgicos en el tratamiento secundario de aguas residuales municipales.


Aspectos generales

Las bacterias no tienen boca!

El material disuelto pasa a travs de su membrana celular.

No pueden procesar directamente material suspendido.

No hay canibalismo.

Todos los tratamientos biolgicos generan residuos.


ClasificacinExisten mltiples formas de clasificar a los tratamientos

biolgicos:

Por el tipo de bacterias involucradas:

Aerobios (Presencia de oxgeno disuelto)

Anaerobios (Ausencia de oxgeno disuelto y nitratos)

Anxicos (Ausencia de oxgeno / presencia de nitratos)

Por la forma como se mantienen a las bacterias en el reactor:

Medio fijo (estn adheridas a superficies)

Medio suspendido (mediante agitacin se evita que sedimenten).


Clasificacin

Por el grado de mecanizacin

Naturales (bajo consumo energa / alta superficie)

Mecanizados (alto consumo energa /baja superficie)

Por la forma de aeracin (sistemas aerobios)

Mecnica superficial

Aeracin difusa

Por el tipo de patrn de flujo

Continuos

Por lote


Sistema de lodos activados

Influente

Tanque de

oxidacin biolgica Sedimentador

secundario

Oxgeno

Efluente

Exceso de lodos

(Purga)

Nutrientes

Recirculacin

de lodos


Sistema de lodos activados


Variables principales en un sistema de

lodos activados

Q0S0N0P0

V

XLM, XvLM, OD

RO2

PxQWXWXvw

QR = R Q0

QeSeXeXve

Nutrientes

c


Variables principales en sistemas de

medio suspendido Influente

Q0 Flujo volumtrico (l/s, m3/s)

S0 DBO5 (mg/l, kg/m3)

N0 Nitrgeno influente (mg N/l, kg/m3)

P0 Fsforo influente (mg P/l, kg/m3)

Reactor

V Volumen del reactor (m3)

XLM Slidos suspendidos totales (mg/l, kg/m3)

XvLM Slidos suspendidos voltiles (mg/l, kg/m3)

OD Oxgeno disuelto (mg/l, kg/m3)

Sistema general de tratamiento

c Edad de lodos o tiempo de retencin celular (das)



lodos activados Suministro de aire

RO2 Requerimiento de oxgeno (kg O2/hora)

Efluente

Qe Flujo volumtrico (l/s, m3/s)

Se DBO5 soluble (mg/l, kg/m3)

Xe Slidos suspendidos totales (mg/l, kg/m3)

Xve Slidos suspendidos voltiles (mg/l, kg/m3)

Recirculacin

QR Flujo volumtrico (l/s, m3/s)

R Relacin de recirculacin (QR/Q0)



medio suspendido

Purga de lodos

Px Produccin de lodos base seca (kg/da)

Qw Flujo volumtrico de lodos (l/s, m3/da)

Xw Slidos suspendidos totales (mg/l, kg/m3)

Xvw Slidos suspendidos voltiles (mg/l, kg/m3)

Px = Qw Xw


Parmetros bsicos para el

funcionamiento correcto de un

sistema de lodos activados


Necesidades bsicas del tratamiento

El objetivo bsico del proceso es la remocin de

Materia orgnica biodegradable

Remocin de slidos suspendidos

Para lograr este objetivo se requiere:

Mantener una cantidad de bacterias adecuada que consuma la materia orgnica.

Mantener condiciones adecuadas para el desarrollo de las bacterias

Permitir que las bacterias se aglomeren formando flculos biolgicos atrapando los slidos suspendidos.

Permitir la separacin de los flculos biolgicos del agua cuando ya se consumi la materia orgnica.


Factores que afectan el crecimiento

bacterianoLos principales factores que afectan el crecimiento de

las bacterias (y el consumo de materia orgnica) son:

Relacin entre cantidad de materia orgnica (sustrato) y microorganismos (biomasa)

Nutrientes (N y P)

Temperatura

pH

Oxgeno disuelto

Presencia de sustancias txicas


Medicin de materia orgnica La materia orgnica del influente es el alimento (sustrato) de las

bacterias.

La concentracin de materia orgnica (S0) se mide con el parmetro Demanda bioqumica de oxgeno (DBO5).

Como la prueba analtica es muy lenta (5 das) se usa como sustituto el parmetro Demanda Qumica de Oxgeno (DQO).

La DQO tarda 3 horas aproximadamente y es fcil de realizar en un laboratorio de la planta de tratamiento (mtodo de reflujo cerrado).

En el influente se cumple que DQO 2 DBO5(DBO5 0.5 DQO)


Medicin de materia orgnica Valores tpicos en el influente:

DBO5 110 400 mg/l (0.11 0.40 kg/m3)

DQO 250 800 mg/l (0.25 0.80 kg/m3)

Es deseable realizar la prueba de DQO en el influente diariamente o una vez por semana como mnimo.

La misma tcnica se puede utilizar para medir la concentracin de materia orgnica en el efluente (Se).

Nota importante:

En el efluente no se cumple que DQO 2 DBO5.

Se debe obtener una curva que relacione estas variables. Tpicamente DQO 3 5 DBO5.


Medicin de cantidad de

microorganismos La cuantificacin directa de los microorganismos

(biomasa) es difcil:

Las bacterias presentes en los tratamientos biolgicos son muy diversas.

Las tcnicas microbiolgicas son lentas y especficas para cada familia de bacterias.

Como las bacterias transforman el sustrato soluble a biomasa (suspendida) los slidos suspendidos (XLM) son

un indicador de la cantidad de microorganismos.


Medicin de la cantidad de

microorganismos Como hay slidos inertes, se prefiere utilizar los slidos

suspendidos voltiles (XvLM) como el indicador de la cantidad de

biomasa.

Aproximadamente se cumple que XvLM 0.8 XLM Valores tpicos en el reactor biolgico son:

XLM 1,000 4,000 mg/l (1.0 4.0 kg/m3)

XvLM 800 3,200 mg/l (0.8 3.2 kg/m3)

La medicin de XLM y XvLM es factible hacerla en un laboratorio de control de operacin pero es muy tediosa y es fcil cometer errores.

Se usan dos pruebas como medicin indirecta de XLM.

Prueba de sedimentabilidad.

Mtodo de centrifugacin.



microorganismosMtodo de prueba de sedimentabilidad (probeta, cono Imhoff)

Muy simple

Tiempo de prueba : 30 min 45 min

Afectado fuertemente por las caractersticas del lodo (abultamiento, presencia de filamentos, etc.).

Centrifugacin

Requiere equipamiento (centrfuga)

Muy simple

Tiempo de prueba: 15 min

Afectado menos por caracterstica del lodo

Ambos mtodos dan resultados volumtricos (ml/l). Se debe obtener una curva para convertir a resultados msicos (mg/l).



microorganismos Se recomienda medir XLM cada turno o una vez al da como mnimo.

Se recomienda realizar la calibracin cada 15 30 das.

Los mismos mtodos se pueden usar para medir la concentracin de microorganismos en la purga de lodos (Xw, Xvw).

Los valores tpicos en la purga de lodos (y la recirculacin) son:

XLM 8,000 12,000 mg/l (8.0 12.0 kg/m3)

XvLM 6,000 9,000 mg/l (6.0 9.0 kg/m3)


Medicin de slidos suspendidos del

efluente Los mtodos de centrfuga y sedimentacin no se usan para medir

los slidos suspendidos del agua tratada (Xe) debido a las bajas

concentraciones (10 60 mg/l).

Para operacin, resulta simple la medicin de la turbiedad.

La turbiedad nefelomtrica se mide:

Por comparacin visual con estndares

Nefelmetro (mtodo preferido).

Se debe hacer una curva que relacione las unidades de turbiedad (UTN) con las unidades de slidos suspendidos (mg/l).

En forma muy aproximada

Xe 2.4 Turbiedad Xe en mg/l y Turbiedad en UTN.

Se recomienda medir diariamente Xe por el mtodo de turbiedad.


Cmo se modifica XLM en el reactor? Es deseable poder modificar los slidos suspendidos (XLM) en el

reactor biolgico.

XLM se modifica al modificar la relacin de recirculacin (R).

Si R aumenta XLM aumenta.

Si R disminuye XLM disminuye.

Aumentar XLM Disminuir XLM

Aumentar la remocin de DBO5. Evitar sobrecarga del sedimentador

Propiciar la nitrificacin. Inhibir / disminuir la nitrificacin

Mejorar la aglomeracin de los slidos. Evitar lodo flotante en el sedimentador

Asegurar la estabilizacin de los lodos

purgados.

Reducir problemas de lodo abultado

Aumentar la edad de lodos (c) Disminuir la edad de lodos (c)

EFECTOS DE MODIFICAR XLM


Retiro de exceso de lodos (purgado) Todos los sistemas de lodos activados producen residuos (lodos).

Si no se retiran, se acumulan en el reactor biolgico y sobre todo en el sedimentador secundario.

Se deben retirar con regularidad del sedimentador secundario para evitar la acumulacin, riesgo de arrastre y/o generacin de gases.

Se debe medir el nivel de lodos en el sedimentador. Usualmente se establece entre 0.5 m y 1.0 m de manto de lodos.


Retiro de exceso de lodos (purgado)

Si se excede el nivel prefijado, se debe hacer un retiro (purgado) de los lodos.

Se recomienda realizar el purgado de lodos una vez por turno o mnimo una vez por da.

Se debe medir el flujo volumtrico (QW) y la concentracin (XW) de los lodos purgados.


Oxgeno disuelto (OD) Las bacterias aerobias toman el oxgeno que requieren

a partir del oxgeno disuelto en el agua.

La carencia de oxgeno disuelto inhibe a las bacterias aerobias y permite el desarrollo de condiciones anxicas

o anaerobias.

Aerobio: Presencia de oxgeno disuelto (OD)

Anxico: Carencia de oxgeno disuelto pero presencia

de nitratos (NO3-).

Anaerobio: Carencia oxgeno tanto disuelto como en

nitratos.


Oxgeno disuelto (OD) Las bacterias responsables de eliminar la materia

orgnica en lodos activados son aerobias.

Si OD < 0.5 mg/l no hay condiciones aerobias.

Si OD < 1 mg/l se favorece el crecimiento de bacterias aerobias filamentosas que no sedimentan fcilmente.

Si OD > 3 mg/l no hay algn beneficio. Hay un consumo de energa innecesario en el sistema de aeracin.

Es una de las principales variables a monitorear.

Normalmente se busca que el OD se encuentre entre 1 y 3 mg/l.

La energa para aeracin de reactores biolgicos y digestores aerobios es el principal costo de operacin de las plantas de

tratamiento.


Control del Oxgeno disuelto (OD) El oxgeno es suministrado al reactor biolgico por medio

de:

Aeradores mecnicos superficiales

Sistemas de aeracin difusa (sopladores / difusores).

El OD se modifica:

Arrancando / parando equipos de aeracin (Control ON OFF)

Variando la velocidad de rotacin de los motores de aeradores o sopladores.

Variando la apertura de vlvulas en la succin o descarga de sopladores.


Medicin del Oxgeno disuelto (OD) El oxgeno disuelto

se mide:

Mtodos qumicos (Winkler / Azida de

sodio)

Sondas electroqumicas

Sondas de medicin de luminiscencia.

Mtodo Observaciones

Mtodo ms lento (30 min - 1 h)

Fcil cometer errores

Medicin directa en campo

Tiempo de respuesta (30 s - 1 min)

Necesidad de reponer soluciones qumicas

Tecnologa probada

Medicin directa en campo

Tecnologa ms reciente

No requiere soluciones qumicas

Tiempo de respuesta (1 min)

Se deben remplazar componentes cada ao

Ms caro

Qumico (Winkler /

Azida de sodio)

Sonda electroqumica

(polarogrfica)

Sonda de

luminiscencia


Nutrientes La frmula simplificada de una bacteria es: C5H7NO2

si se desea incluir el fsforo, la frmula es: C60H87O23N12P

Adems se necesitan trazas de otros elementos (S, K, Ca, Na, Cl, etc.)

C50%

O20%

N14%

H8%

P3%

S1%

Otros4%

Elemento Smbolo Composicin

Carbono C 50%

Oxgeno O 20%

Nitrgeno N 14%

Hidrgeno H 8%

Fsforo P 3%

Azufre S 1%

Otros Otros 4%


Nutrientes Los principales nutrientes son N y P.

Los requerimientos aproximados de N y P son:

DBO5 : N : P 100 : 5 : 1

Cuando se requiere adicionar N o P las fuentes ms frecuentes son:

N : urea o sales de amonio

P : cido fosfrico o fosfato de sodio

El resto de los elementos rara vez son limitantes en los tratamientos biolgicos.


Nutrientes En las descargas municipales habitualmente hay exceso de N y P.

Dependiendo del uso y del cuerpo receptor pueden ser necesario removerlos.

En las aguas residuales industriales es frecuente que haya limitacin de N. El fsforo es menos frecuente debido a que todos

los detergentes lo contienen.

Se recomienda revisar peridicamente (una vez al mes como mnimo) los valores de N y P en el influente al reactor biolgico (N0y P0) o con ms frecuencia (semanal) si la planta est diseada

para eliminar alguno de ellos.


Temperatura El intervalo ptimo es 15 - 25 C para las bacterias aerobias.

El crecimiento de microorganismos prcticamente es nulo para

T < 0 C o T > 40 C.

En el intervalo 0 - 25 C la velocidad de crecimiento aumenta con la temperatura.

Prcticamente todas las aguas residuales municipales del pas tienen una temperatura superior a 10 C por lo que la temperatura

no es un factor crtico.


Temperatura

Se recomienda revisar cada turno la temperatura en el influente y en el reactor biolgico:

Las descargas industriales con frecuencia tienen temperatura elevada.

La reaccin de nitrificacin es muy sensible a la temperatura. A mayor temperatura es ms fcil que ocurra.

La transferencia de oxgeno en el reactor biolgico disminuye a mayor temperatura.


pH El intervalo ptimo para las bacterias aerobias es 6 - 8.

Las bacterias dejan de desarrollarse si pH < 5 o pH > 10 .

Las aguas residuales municipales tienen un pH cercano a 7.

Las aportaciones industriales pueden afectar el pH.

El pH debe vigilarse siempre en la entrada a las plantas de tratamiento.

Se sugiere revisarlo una vez por turno.


pH En procesos biolgicos con tiempos largos puede ocurrir la

nitrificacin (conversin de nitrgeno amoniacal a nitratos).

La nitrificacin consume alcalinidad. Puede bajar el pH en el reactor biolgico o en el digestor aerobio.

En caso de requerirse, se adiciona cal (o sosa) para ajustar el pH.


Sustancias txicas Inhiben o detienen el crecimiento bacteriano.

Los causantes pueden ser diversos:

Metales pesados (Cr+6, Hg, Cd)

Orgnicos (fenol, hidrocarburos clorados, plaguicidas)

La relacin DBO5 : DQO del influente puede ayudarnos a detectar problemas de toxicidad.

La estrategia ms utilizada es detectar el origen de la toxicidad y evitar su incorporacin al alcantarillado municipal.


Medicin de caudal Para determinar las condiciones de operacin se necesita medir el

caudal de las siguientes corrientes:

Caudal influente (Q0) (l/s) o (m3/da)

Caudal de recirculacin (QR) (l/s) o (m3/da)

Caudal de purga (QW) (l/s) o (m3/da)

Es deseable contar con medidores automticos, con totalizacin.

Para la evaluacin de las condiciones de operacin se usan principalmente los promedios diarios.


Edad de lodos

(tiempo de retencin celular)Edad de Lodos o Tiempo de retencin celular (c)

c [=] das

Representa el tiempo promedio que duran los microorganismos en el sistema.

El parmetro que mejor mide lo que sucede en un sistema de lodos activados es la edad de lodos.

Se usa c tanto para diseo como para control de la operacin.

w

LM

w

LMLMc

XvQw

XvV

XQw

XV

Px

XV


Objetivo de tratamiento * Edad de lodos (c)

das

Factores que afectan

c

Remocin de DBO5 disuelta 1 - 2 Temperatura

Conversin de DBO5 particulada 2 - 4 Temperatura

Floculacin de microorganismos en el

reactor biolgico1 - 3 Temperatura

Nitrificacin completa 3 - 18Temperatura

(fuerte efecto)

Remocin biolgica de fsforo 2 - 4 Temperatura

Estabilizacin de lodos biolgicos 20 - 40 Temperatura

EDAD DE LODOS REQUERIDA PARA DISTINTOS OBJETIVOS DE TRATAMIENTO

* Para tratamiento de aguas residuales domsticas


PRINCIPALES TIPOS DE PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

Tipo de reactor Edad de lodos (c)

das

Objetivo de proceso Slidos suspendidos

reactor (XLM)

mg/ld

Tiempo de retencin

(V/Q0)

horas

R = QR/Q0

%

Alta tasa 0.5 - 2.0 Remocin parcial de la

DBO5 del influente

200 - 1,000 1.5 - 3.0 100 - 150

Convencional 3 - 6 Remocin completa

de la DBO5 del

influente

1,000 - 3,000 4.0 - 8.0 25 - 75

Nitrificacin 5 - 10 Nitrificacin completa 1,000 - 3,000 6.0 - 15.0 25 - 75

Aeracin extendida 20 - 40 Produccin de lodo

estabilizado

2,000 - 4,000 15.0 - 30.0 50 - 150

Zanja de oxidacin 20 - 40 Produccin de lodo

estabilizado

2,000 - 4,000 15.0 - 30.0 50 - 150


Edad de lodos

Ejemplo de clculoDatos

Volumen del reactor (V) = 1,000 m3

Slidos suspendidos reactor (XLM) = 3,000 mg/l

Flujo de purga de lodos (QW) = 100 m3/da

Slidos suspendidos purga (XW) = 9,000 mg/l

Clculo

c = [ (1,000 m3) (3,000 mg/l) ] / [ (100 m3/da) (9,000 mg/l) ]

c = 3.33 das

w

LM

w

LMLMc

XvQw

XvV

XQw

XV

Px

XV


Modificacin de la edad de lodos

En todas las plantas es deseable poder modificar la edad de lodos.

La forma de hacerlo es modificando la recirculacin de lodos (QR).

Si QR aumenta R aumenta XLM aumenta c aumenta.

Si QR baja R baja XLM baja c aumenta.

Los cambios en el sistema tardan varias horas o inclusive das.


Modificacin de la edad de lodos

En todas las plantas es posible modificar la edad de lodos, pero hay limitantes para los cambios:

El volumen del reactor (V) est fijo.

El caudal influente (Q0) est definido exteriormente.

Si QR aumenta mucho (y por consiguiente XLM) se dificulta el trabajo del sedimentador secundario.

Si QR aumenta podemos hacer completa la nitrificacin. Esto aumenta las necesidades de aeracin. Se debe revisar si la

planta tiene capacidad adecuada para el suministro de aire.


ndice volumtrico de lodos (IVL) Es una prueba que se realiza en los lodos para determinar si

sedimentan correctamente.

Se toma un litro de lodo activado del reactor biolgico en una probeta o cono Imhoff.

Se deja sedimentar por 30 45 minutos y se mide el volumen final de lodos (Vf) en ml.

Se mide la concentracin inicial de slidos en la muestra (XLM).

V0 = 1,000 ml

XLM = mg/l

Vf = ml

t = 30 min

LM

f

X

V1000IVL

IVL [=] ml/g


ndice volumtrico de lodos (IVL)

Ejemplo de clculoDatos

Slidos suspendidos reactor (XLM) = 3,000 mg/l

Volumen sedimentado final (Vf) = 400 ml

Clculo

IVL = [ (1000) (400) ] / (3,000)

IVL = 133.3 ml/g

LM

f

X

V1000IVL



Interpretacin Mide el volumen (en ml) que ocupa 1 g de slidos sedimentados

(base seca).

Entre menor se el IVL mejor ser la sedimentabilidad de los lodos.

IVL (ml/g) Caractersticas de sedimentacin

< 100 Excelente

100 - 150 Normal

> 150 Mala



Interpretacin Si el IVL es bueno y el efluente presenta turbiedad alta entonces

hay un problema en el sedimentador secundario.

Si el IVL es malo el problema est en el reactor biolgico, pero las causas pueden ser mltiples:

Reactor en proceso de arranque

Mala floculacin de los lodos

OD insuficiente

Problemas de nutrientes

Crecimiento de bacterias filamentosas

Intensidad de mezcla muy alta


ORGANISMOS FILAMENTOSOS


Produccin de lodos

Se observa que al aumentar tiende a disminuir la produccin de lodos.

Generalmente se utiliza la siguiente expresin:

Yobs Relacin neta de produccin de lodos

(kg SSV/kg DBO5)

Yobs depende del valor de c y si hay o no tratamiento

primario (ver grfica anexa).

0.8

P P

)S(SQYP

v

v

x

x

e00obsx


Produccin de lodos


Requerimiento de oxgenoEl requerimiento de oxgeno se debe a dos motivos:

Remocin de materia orgnica (RO2 carbonceo)

O2 requerido = 1 - 1.2 DBO5 removido

Oxgeno requerido en nitrificacin (RO2 nitrificacin)

O2 requerido = 4.6 nitrgeno convertido a nitratos

La nitrificacin es importante para c > 7 das y despreciable para c < 3 das.

Requerimiento total (RO2 total)

RO2 total = RO2 carbonceo + RO2 nitrificacin


Sedimentador secundario


Sedimentacin secundaria

Variables bsicas de diseo

Las variables principales que afectan el desempeo de

un sedimentador son:

Carga hidrulica superficial

Carga superficial de slidos

Profundidad del sedimentador




Carga hidrulica superficial (qh)

qh = Qe /As [m3/m2/da]

Qe Flujo (medio o mximo) del lquido

clarificado [m3/d]

As rea superior del sedimentador [m2]

Entre menor sea la carga superficial, mayor oportunidad de sedimentar tendrn las partculas.



Variables bsicas de diseoCarga superficial de slidos (Cs)

Cs = (Q0 + QR) XLM / As [kg/d/m2]

Q0 Flujo (medio o mximo) que entra al

tratamiento secundario [m3/d]

QR Flujo (medio o mximo) de recirculacin [m3/d]

XLM Concentracin de slidos en el reactor

biolgico [kg/m3]

As rea superior del reactor [m2]




Entre menor sea la carga superficial de slidos existe menor tendencia al arrastre.

Tanto la carga hidrulica y la carga de slidos se deben evaluar en las condiciones de flujo medio y de flujo

mximo.




Profundidad

El efecto de la profundidad es aumentar la seguridad de la operacin.

Entre ms profundo sea el sedimentador, menor posibilidad hay de afectar el manto de lodos.

Usualmente se desea que el manto de lodos sea de aproximadamente 1 m.


Medio Pico Medio Pico

Lodos activados (excepto

aeracin extendida)16 - 32 40 - 50 90 - 140 < 230 3.6 - 6.0

Lodos activados aeracin

extendida8 - 16 24 - 32 23 - 115 < 165 3.6 - 6.0

Biofiltros 16 - 24 40 - 50 70 - 115 < 190 3.0 - 4.5

Biodiscos 16 - 32 40 - 50 90 - 140 < 230 3.0 - 4.5

Carga hidrulica (qh)

(m3/da/m2)

Carga de slidos (Cs)

(kg/da/m2)Tratamiento secundarioProfundidad

(m)





No parece haber diferencia en la eficiencia de separacin de los sedimentadores circulares y

rectangulares.

Se recomienda limitar el dimetro de los sedimentadores circulares a 50 m.

A dimetros mayores su comportamiento se ve afectado, principalmente por accin del viento.


Aspectos varios de sedimentadores

secundarios En sistemas con dos o ms unidades, es muy importante

la correcta distribucin del flujo.

Una mala distribucin puede:

Sobrecargar una unidad.

Corrientes o canalizaciones

Resuspensin del lodo

En la entrada del flujo al sedimentador debe procurarse:

disipar la energa del influente

distribuir uniformemente el flujo

minimizar las perturbaciones al manto de lodos

promover la floculacin


Aspectos varios de sedimentadores

secundarios

En los sedimentadores circulares la entrada se realiza a travs de un pozo aquietador.

Algunos diseos incluyen un pozo floculador que mejora la disipacin de la energa y favorece el mezclado.

En sedimentadores rectangulares la distribucin del influente se realiza mediante diversos puertos de

entrada.


Biofiltros


Biofiltros



un biofiltro son:

Carga orgnica volumtrica



Biofiltros

Variables bsicas de diseoCarga orgnica volumtrica (CV)

CV = (Q0 S0) / V [kg/d/m3]

Q0 Flujo medio que entra al tratamiento

secundario [m3/d]

S0 Concentracin de DBO5 influente

al biofiltro [kg/m3]

V Volumen del medio [m2]

Entre menor sea la carga orgnica volumtrica, mayor ser la eficiencia de tratamiento.


Biofiltros



qh = (Q0 + QR)/As [m3/m2/da]

Q0 Flujo medio influente [m3/d]

QR Flujo de recirculacin [m3/d]

As rea transversal del biofiltro [m2]

Entre mayor sea la carga superficial, mayor ser el mojado del medio, mejorando la eficiencia de tratamiento.


Caractersticas de diseo Tasa baja o

estndar

Tasa intermedia Alta tasa Alta Tasa Desbaste

Tipo de empaque Roca Roca Roca Plstico Plstico

Carga hidrulica superficial qh

(m3/da/m2)1 - 4 4 - 10 10 - 40 10 - 75 40 - 200

Carga orgnica volumtrica CV

(kg DBO5/da/m3)

0.07 - 0.22 0.24 - 0.48 0.4 - 2.4 0.6 - 3.2 > 1.5

Tasa de recirculacin

(R = QR/Q0)0 0 - 1 1 - 2 1 - 2 0 - 2

Presencia de moscas Muchas Variable Pocas Pocas Pocas

Desprendimiento de biomasa del

medioIntermitente Intermitente Continuo Continuo Continuo

Profundidad, m 1.8 - 2.4 1.8 - 2.4 1.8 - 2.4 3.0 - 12.2 0.9 - 6.0

Remocin DBO5 (%) 80 - 90 50 - 80 50 - 90 60 - 90 40 - 70

Nitrificacin Completa Parcial Nula Nula Nula

CLASIFICACIN HISTRICA DE BIOFILTROS


MEDIOS UTILIZADOS EN BIOFILTROS

Roca Plstico, flujo vertical Plstico, flujo vertical

Plstico, flujo cruzado Madera Plstico, medio

aleatorio


Medio Tamao

cm

Peso

kg/m3rea especfica

m2/m3Espacio vaco

%

Roca (pequea) 2.5 - 7.5 1,250 - 1,450 60 50

Roca (grande) 10.0 - 13.0 800 - 1,000 45 60

Plstico (convencional) 61 x 61 x 122 30 - 80 90 > 95

Plstico (alta superficie

especfica)61 x 61 x 122 65 - 95 140 > 94

Plstico (medio aleatorio) Variable 30 - 60 98 80

CARACTERSTICAS DE MEDIOS USADOS EN BIOFILTROS


Unidades ValorParmetro

(mg/l)

Valor

DBO5 15 - 30

SST 15 - 30

kg DBO5 /(m3 da) 0.1 - 0.3 DBO5 < 10

g N /(m2 da) 0.2 - 1.0 N amoniacal < 3

Tratamiento terciario

nitrificacing N /(m2 da) 0.5 - 2.5 N amoniacal 0.5 - 3

Remocin parcial DBO5

(desbaste)kg DBO5 /(m

3 da) 1.5 - 4.0 Remocin DBO5 40% - 70%

Remocin DBO5 y

nitrificacin

Aplicacin

Carga Calidad efluente

Tratamiento secundario kg DBO5 /(m3 da) 0.3 - 1.0

CRITERIOS DE DISEO PARA BIOFILTROS DE MEDIO PLSTICO

Se recomienda una carga hidrulica 40 m3/(da m2)


Biofiltros

Ventilacin

El aire que requieren las bacterias puede suministrarse por:

Ventilacin natural

Ventilacin forzada (recomendada)

Ventilacin forzada

Flujo de aire: 0.3 (m3/min)/m2 de rea transversal.


Biodiscos


Biodiscos



los biodiscos son:

Carga orgnica superficial



Biodiscos

Variables bsicas de diseoCarga orgnica superficial (CS)

CS = (Q0 S0) / As [kg/d/m2]

Q0 Flujo medio que entra al tratamiento

secundario [m3/d]

S0 Concentracin de DBO5 influente

a los biodiscos [kg/m3]

As rea total de los biodiscos [m2]

Entre menor sea la carga orgnica superficial, mayor ser la eficiencia de tratamiento.


Biodiscos



qh = Q0/As [m3/m2/da]


As rea total de biodiscos [m2]

Entre mayor sea la carga superficial, mayor ser el mojado del medio, mejorando la eficiencia de tratamiento.


BIODISCOS


Remocin de

DBO5

Remocin de

DBO5 y

nitrificacin

Nitrificacin

Carga hidrulica superficial (qh) (m3/da)/m2 0.08 - 0.16 0.03 - 0.08 0.04 - 0.10

Carga orgnica superficial (Cs) (g DBO5/da)/m2 8 - 20 5 - 16

Carga orgnica superficial (Cs)

mxima en primer etapa(g DBO5/da)/m

2 24 - 30 24 - 30

Carga superficial de nitrgeno (g N/da)/m2 0.75 - 1.5 1 - 2

DBO5 efluente mg/l 15 - 30 7 - 15 7 - 15

N amoniacal efluente mg/l < 2 1 - 2

Nivel de tratamiento

Parmetro Unidades

CRITERIOS DE DISEO DE BIODISCOS


Biodiscos Los biodiscos se construyen en tamaos fijos.

Las dimensiones estndar son:

Dimetro: 3. 5 m (12)

Longitud: 7.5 m (25)

rea superficial

Estndar: 9,300 m2 / biodisco

Alta densidad: 13,900 m2 / biodisco

Otros parmetros:

Sumergencia: 35% - 40%

Potencia motor: 5 7.5 hp / biodisco

Velocidad de rotacin: 1 2 rpm


Biodiscos El diseo consiste en:

Calcular el rea total de biodiscos.

Calcular el nmero de biodiscos requerido.

Calcular el arreglo de los biodiscos (nmero de unidades en serie y en paralelo.


Espesamiento

por gravedad


Espesamiento por gravedad



los biodiscos son:

Carga superficial de slidos


Tipo de lodos alimentado



Variables bsicas de diseoCarga superficial de slidos (CS)

CS = (Q0 X0) / As [kg/d/m2]

Q0 Flujo medio que entra al espesador

por gravedad [m3/d]

X0 Concentracin de slidos suspendidos

[kg/m3]

As rea superior de espesadores [m2]

Entre menor sea la carga superficial de slidos, mayor ser la eficiencia de tratamiento.





qh = Q0/As [m3/m2/da]


As rea superior de espesamiento [m2]

Entre mayor sea la carga superficial, mayor ser el riesgo de arrastre de slidos y menor la oportunidad de espesamiento.


Espesamiento por gravedad Dimensiones:

Dimetro: 20 m

Profundidad til: 2.0 3.5 m

Poco utilizados para espesamiento de lodos secundarios procedentes de lodos activados.

Muy utilizado para lodos primarios, lodos de biofiltros y mezcla de primarios y secundarios

Riesgo de generacin de olores si T > 22 C

Recuperacin de slidos: 90% - 95%


Entrada Espesado

Separado

Primario 2 - 6 5 - 10 100 - 150 15 - 31

Lodos activados 0.5 - 1.5 2 - 3 20 - 40 4 - 8

Aeracin extendida 0.2 - 1 2 - 3 25 - 40

Biofiltro 1 - 4 3 - 6 40 - 50

Biodisco 1 - 3.5 2 - 5 35 - 50

Combinado

Primario + lodos activados 0.5 - 1.5 4 - 6 25 - 70 6 - 12

Primario + biofiltros 2 - 6 5 - 9 60 - 100

Primario + biodisco 2 - 6 5 - 8 50 -90

Concentracin lodo

%Tipo de lodosCarga de slidos

kg SST /da /m2Carga hidrulica

(m3/da)/m2

PARMETROS DE DISEO ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD


Mesa de espesamiento


Mesa de espesamiento



las mesas de espesamiento:

Carga de slidos

Carga hidrulica

Consumo de polmero


Mesas de espesamiento La capacidad de las mesas est definido por el ancho de banda.

Es indispensable la adicin de polmero.

Es indispensable adicin de agua limpia para lavado de telas.

Se disean frecuentemente para 8 o 16 horas de operacin por da.

Parmetro Valores

Ancho de banda 0.5 - 3.0 m

Carga hidrulica 800 (l/min)/m

Carga de slidos 200 - 600 (kg/h)/m

Recuperacin de slidos 90 - 98%

Dosis de polmero 3 - 7 kg/ton base seca

Flujo agua de lavado 1.3 (l/s)/m

60 m H2O


Digestin aerobia


Digestin aerobia

Los lodos se mantienen durante 15 20 das en condiciones aerobias mediante aeracin.

Como no hay recirculacin, c = = V/Q0 Se usa tanto aeracin difusa como mecnica superficial.

Es importante verificar los criterios de energa para mezcla.

El lodo producido no debe generar olores.

Nota:

En EE.UU. la normatividad requiere una edad de lodos de 40 das. Importante que los diseos no sean muy sobrados para Mxico.


Parmetro Unidades Valor Notas

Edad de lodos

(c = = V/Q0)

das 15 - 20 La norma NOM-004 requiere

20 das en total

Carga de SSV (kg/da)/m3 1.6 - 4.8

Requerimiento de oxgeno

DBO5 en lodo primario kg O2/kg DBO5 des. 1.6 - 1.9 Destruccin 30% - 50%

SSV en lodo secundario kg O2/kg SSV des. 2.3 Destruccin 30% - 50%

Energa para mezcla

Aeracin mecnica W/m3 20 - 40

Aeracin difusa (m3/min)/m3 0.02 - 0.04

OD a mantener en digestor mg/l 1 - 2

Reduccin de SSV % 30 - 50 Depende de destruccin en

procesos previos

PRINCIPALES PARMETROS DE DISEO. DIGESTIN AEROBIA


Tanque digestor

tr = V/Q = 15 20 dasAire

Lodos a

estabilizar Lodos

estabilizados

ESQUEMA PROCESO DE DIGESTIN AEROBIA

Notas:

Se recomienda que la concentracin de lodos en el influente sea 4% para no afectar la aeracin.

Se debe mantener el oxgeno disuelto entre 1 y 3 mg/l. Se debe vigilar el pH entre 6.5 y 8. Puede bajar por nitrificacin. Aadir

cal en caso necesario.


EJEMPLOS DE DIGESTIN AEROBIA


Desaguado

tipo

Filtros banda


Criterios de diseo

Filtros banda


los filtros banda son:

Carga de slidos

Carga hidrulica

Tipo de lodos alimentado

Consumo de polmero


Filtros banda La capacidad est definida por el ancho de banda.

Valores de ancho de banda varan de 0.5 m a 3.0 m.

Es indispensable la adicin de polmero.

Es indispensable adicin continua de agua para lavado de telas.

Muchos diseos incluyen una mesa por gravedad para espesamiento de lodo muy diluido.

Frecuentemente se disean para 8 a 16 horas de operacin/da.


Tipo de lodo Concentracin

influente

Carga hidrulica

(l/s)/m

Carga de slidos

(kg/h)/m

Dosis polmero

(kg /1000 kg slido)

Concentracin

efluente

No estabilizado

Primario crudo 3 - 7 1.8 - 3.2 360 - 550 1 - 4 26 - 32

Lodo activado 1 - 4 0.7 - 2.5 45 - 180 3 - 10 12 - 20

Primario + lodo activado 3 - 6 1.3 - 3.2 180 - 320 2 - 8 20 - 28

Primario + biofiltro 3 - 6 1.3 - 3.2 180 - 320 2 - 8 23 - 30

Digerido anaerbicamente

Primario 3 - 7 1.3 - 3.2 360 - 550 2 - 5 24 - 30

Lodo activado 3 - 4 0.7 - 2.5 45 - 135 4 - 10 12 - 20

Primario + secundario 3 - 6 1.3 - 3.2 180 - 320 3 - 8 20 - 25

Digerido aerbicamente

Primario + lodo activado sin

espesar1 - 3 0.7 -3.2 135 - 225 2 - 8 12 - 20

Primario + lodo activado

espesado4 - 8 0.7 - 3.2 135 - 225 2 - 8 12 - 25

Estabilizacin alcalina 3 - 6 1.3 - 3.2 180 - 320 2- 8 20 - 28

PARMETROS DE DISEO DE FILTROS BANDA

Flujo de agua de lavado: 2.5 (l/s)/m de ancho de banda @ 60 m H2O


Remocin de nitrgeno


Remocin de nitrgeno (N)

Los efluentes municipales normalmente contienen ms nitrgeno que el que usan los microorganismos del tratamiento secundario.

Esto provoca que el efluente contenga concentraciones altas de N, a menos que se disee la planta especficamente para removerlo.

N junto al fsforo (P) son los principales responsables de la contaminacin a largo plazo de lagos y presas (eutroficacin).

La norma NOM-001 fija 15 mg N total/l para cuerpo tipo C.

El mtodo ms usado consiste en tratamiento biolgico para eliminacin de N.


Formas qumicas del nitrgeno

En el influente el N generalmente est formado por:

N orgnico (N Kjeldahl) Norg 30 40% total

NH4+ (N amoniacal) Namon 60 70% total

Nota: Norg + Namon se conoce como N total Kjeldahl (NTK)

En el efluente, adems puede haber

NO2- (N de nitritos) Nnitritos < 1 mg/l

NO3- (N de nitratos) Nnitratos es muy variable

Nota: Norg + Namon + Nnitritos + Nnitratos se conoce como N total


Transformaciones del NNitrificacin

En un tratamiento secundario normalmente todo el Norg se convierte a Namon.

Si la edad de lodos es suficiente en un reactor aerobio el Namon se transforma en Nnitratos. Esto se conoce como nitrificacin.

NH4+ + O2 NO2

- + H+ (reaccin lenta)

NO2- + O2 NO3

- + H+ (reaccin rpida)

NOH4+ + O2 NO3

- + H+

Se requiere una edad de lodos (c > 5 7 das) para que la nitrificacin sea completa.

Puede ocurrir en lodos activados, biofiltro o biodiscos si la edad de lodos es suficiente.


Notas sobre la nitrificacin

Las bacterias que hacen la nitrificacin son distintas de las que consumen la materia orgnica.

Las bacterias nitrificantes no consumen carbono orgnico. No compiten por la materia orgnica (DBO5).

Las bacterias nitrificantes consumen oxgeno. S compiten por el oxgeno disuelto con las bacterias que consumen la materia

orgnica.

Se requiere 4.6 kg O2/kg N nitrificado.

La nitrificacin libera iones H+. Esto produce un consumo de alcalinidad y puede bajar el pH del reactor.

La nitrificacin es muy sensible a la temperatura. Se acelera en condiciones de verano.

La nitrificacin no elimina el N del agua. Slo cambia la forma qumica del N.


Transformaciones del NDesnitrificacin

Las bacterias que consumen la materia orgnica en lodos activados, biofiltros, biodiscos requieren una fuente de oxgeno.

La forma ms til de oxgeno es el oxgeno disuelto (OD).

En caso de ausencia de OD las bacterias pueden tomar el oxgeno contenido en los nitratos. Esto se conoce como desnitrificacin.

Materia orgnica + NO3- + H+ CO2 + H2O + N2 (reaccin

(OD 0 mg/l)

La presencia de Nnitratos y ausencia de OD se denomina condiciones

anxicas.

Se requiere una tiempo de retencin de 2 4 h para que la desnitrificacin sea completa.


Notas sobre la desnitrificacin

Las bacterias que hacen la desnitrificacin son las mismas que consumen la materia orgnica.

Las bacterias que hacen la desnitrificacin s consumen carbono orgnico. No compiten por la materia orgnica (DBO5).

Esto se transforma en un ahorro de oxgeno para la remocin de la materia orgnica.

Se ahorran 2.8 kg O2/kg N de nitratos que se desnitrifican.

La nitrificacin y la desnitrificacin no pueden ocurrir simultneamente.

La desnitrificacin s elimina el N del agua liberndolo como N gas.

La desnitrificacin requiere de una fuente de materia orgnica y de condiciones anxicas.


Remocin biolgica de nitrgeno (N) Todo proceso biolgico consta de dos etapas

Una etapa aerobia (xica) para hacer la nitrificacin

Una etapa anxica para hacer la desnitrificacin

Ambas etapas se pueden realizar en medio suspendido (ej. Lodos activados) como en medio fijo (ej. Biofiltros).

Uno de los tratamientos ms usados es el A/O (anxico / xico) de medio suspendido.

Otros sistemas incluyen varias etapas xicas y anxicas alternadas.

Es indispensable asegurar la mezcla del reactor anxico sin introducir aire.


Sistema A/O

Influente

Reactor

Aerobio (xico) Sedimentador

secundario

Oxgeno

Efluente

Exceso de lodos

(Purga)

Recirculacin

de lodos

Reactor

Anxico

Recirculacin interna


Criterios de diseo sistema A/OReactor aerobio (xico)

Edad de lodos (c) > 5 7 das

Requerimiento O2 1 1.2 kg/kg DBO54.6 kg/kg N nitrificado

Slidos suspendidos (XLM) 2,000 3,000 mg/l

Oxgeno disuelto (OD) 1 3 mg/l

Recirculacin de lodos (R) 0.5 1.0

Reactor anxico

Tiempo de retencin () 2 4 h

Slidos suspendidos (XLM) 2,000 3,000 mg/l

Oxgeno disuelto (OD) < 0.1 0.2 mg/l

Recirculacin interna (RI) 2.0 - 4.0


Reactor biolgico por lotes (SBR)

Llenado

Reaccin aerobia

Sedimentacin

Descarga

Purga de lodos

Aire

S

No

No

No

20 min

120 min

20 min

15 min

5 min

Reaccin anxica 120 min No

Mezcla

S / No S / No

S

S / No

No

No

No


Bibliografa Wastewater Engineering. Treatment and Reuse

Metcalf & Eddy

4ta edicin

Editorial McGraw-Hill

Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996

Diario Oficial de la Federacin







Curso Saneamiento AMH 2014 Sección 2

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