1

Descripción de la Respirometría para el control

y mantenimiento de procesos de depuración biológica

de aguas residuales

SSUURRCCIISS SS..LL..

2

Modos de trabajo y medidas

en los respirómetros BM

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Respirómetros BM

La respirometría de los analizadores BM de Surcis, S.L. de última generación (modelos BM-Advance, BM-EVO) se basan en un sistema batch provisto de

recirculación, en donde existen tres modos de ensayo (Estático OUR, Cíclico OUR y Dinámico R).

La bomba de recirculación está provista de tres velocidades y una posición de paro. En el modo estático y cíclico OUR, la recirculación no ejerce

influencia en la medida final (batch). En el modo dinámico R la recirculación funciona ininterrumpidamente y por ello el sistema de medida debe

calibrarse (batch modificado)

En el recinto superior del vaso reactor se sitúa el difusor de aire proporcionando el nivel de oxígeno adecuado que se transfiere al recinto de medida.

Por medio de una placa divisoria, el recinto de medida está protegido de de la influencia de posible burbujas que pudieran influir en el sensor la cabeza

del sensor, así como de la influencia de la aspiración de aire desde la atmósfera por el efecto centrífugo del sistema de agitación. En este recinto, el

sensor de oxígeno realiza las medidas actuales de oxígeno disuelto resultante de la respiración de los microorganismos a lo largo de los ciclos de

medida de cada uno de los modos de ensayo.

El vaso reactor además está dotado de un sistema de atemperación automático por sistema peltier y calefactor integrado en el propio analizador BM.

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El sistema de aireación está dotado de un control en % que permite programar un nivel de oxígeno acorde con el objetivo de la aplicación de

respirometría. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que el modo dinámico R debe calibrarse para cada nivel de caudal de oxígeno.

El BM-Advance, está dotado además de un sensor y control del pH.

El oxímetro manda las señales de las medidas de oxigeno en curso al ordenador en donde, por medio de un programa específico se procesan para llevar

a cabo la generación automática de respirogramas y el cálculo de tasas de respiración, consumo de oxígeno y fracción biodegradable de la DQO. Así

mismo, por medido del programa se auto-generan archivos exportables con sus correspondientes respirogramas.

PC - Software

El ordenador se suministra como parte del sistema al ir ya cargado con el correspondiente programa y adaptado al equipo.

El programa es específico para cada tipo de analizador BM y en el mismo es donde se pueden programar y configurar los distintos modos de ensayo.

La configuración de los ensayos es bastante abierta y flexible a distintas posibilidades, tales como la utilización de fangos con distintas concentraciones

de sólidos, utilización de distintos volúmenes de muestras y modificar coeficientes y factores (con consigna de entrada)

El programa es el responsable, así mismo, de auto-generar archivos de seguridad a lo largo de cada ensayo. Un vez terminado el ensayo, el usuario

puede guardarlo, aprovechando el archivo generado o creando el suyo propio en formato propio del programa o en formato Excel.

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Tipos de ensayo

En la configuración se pueden seleccionar tres modos distintos de trabajo: OUR, OUR Cíclico y R (Tabla 1)

Cada modo de trabajo desarrolla un paquete de medidas específico y, dependiendo de la aplicación, se seleccionaría el modo correspondiente.

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Modo OUR

Se trata de una respirometría batch tradicional, optimizada por un perfecto aislamiento de la atmósfera, y con la capacidad para calcular valores

parciales a distintos niveles de oxígeno disuelto

En un primer paso se fija el oxígeno inicial de referencia Cb.

Durante esta etapa la aireación se mantiene al nivel que el usuario considere más oportuno: siempre teniendo en cuenta que es conveniente dejar

suficiente margen de caída del oxígeno final.

OD (mg/l): Oxígeno Disuelto Cb (mg/l): Oxígeno inicial de referencia a Cs (mg/l): Oxígeno de la pendiente (sin aireación)

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También, se mantiene la recirculación a su nivel máximo, con el fin de que el rápido flujo del fluido aporte una máxima homogeneización y ecualice las

condiciones en todo el conjunto del vaso reactor.

Una vez fijado y memorizado el oxígeno inicial Cb, en el siguiente paso, se para la aireación y la recirculación (pero se sigue agitando

ininterrumpidamente).

El hecho de parar la bomba de recirculación trae consigo el cierre de una membrana que divide el recinto superior del inferior, dejando

automáticamente aislada del exterior el recinto inferior del vaso reactor durante el ensayo de respirometría.

A partir de este momento, automáticamente se empieza a registrar la pendiente de caída del oxígeno (Cs) por consumo del mismo por parte de los

microorganismos como Respirograma del ensayo, que no es otra cosa que el parámetro OUR durante el tiempo que el usuario estime oportuno.

Así mismo, el programa permite determinar valor del OUR parcial a lo largo de la pendiente que se está registrando como Respirograma y una vez

finalizado el ensayo. Esta pendiente es precisamente la velocidad de consumo de oxígeno o tasa de respiración denominada por el programa como

OUR.

RReessppiirrooggrraammaa OODD ppaarraa OOUURR && SSOOUURR eenn mmooddoo OOUURR RReessuullttaaddooss ddeell eennssaayyoo OOUURR -- SSOOUURR

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Cálculos automáticos

OUR = (Cb – Cs) / t

SOUR = OUR / MLVSS

El modo OUR puede funcionar con el propio licor mezcla del reactor biológico, con un licor mezcla equivalente al del proceso confeccionado por el

usuario, con fango en fase endógena, y con fango y una cantidad determinada de muestra (en volumen o en polvo)

Algunas aplicaciones comunes pueden ser las siguientes:

Tasa de respiración endógena

Pulso a la actividad del proceso de depuración

Estimación de la carga másica

NUR (método indirecto)

Determinación de algún parámetro cinético (kd, ..)

..

Modo OUR cíclico

Se trata así mismo de un modo de trabajo batch secuencial tradicional, que está optimizado así mismo por una medida perfectamente aislada de la

aspiración del aire de la atmósfera que pudiera tener lugar por efecto centrífugo del sistema de agitación.

Durante el ensayo se van ejecutando secuencialmente ensayos OUR de forma automática. Para ello, además de la configuración propia del ensayo, en

el oxímetro se programa un punto alto y otro bajo de consigna, con el fin de que el ensayo se mueva entre ambos. De este modo, se parta de un nivel

de oxigenación determinado por el usuario hasta alcanzar el punto de consigno alto; tan pronto se alcance este nivel, la aireación y bomba se paran

para determinar el OUR & SOUR correspondiente; alcanzando el punto de consigna bajo, aireación y bomba arrancan de nuevo y el oxígeno disuelto

empieza a subir; y así sucesivamente se va repitiendo el ciclo hasta para el ensayo.

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El programa genera el correspondiente respirograma de los valores de oxígeno y calcula de forma independiente cada uno de los valores OUR & SOUR

RReessppiirrooggrraammaa OODD ppaarraa OOUURR && SSOOUURR eenn mmooddoo CCíícclliiccoo RReessuullttaaddooss ddeell eennssaayyoo ccíícclliiccoo

El modo OUR cíclico puede funcionar con el propio licor mezcla del reactor biológico, con un licor mezcla equivalente al del proceso confeccionado por el

usuario, con fango en fase endógena, y con fango y una cantidad determinada de muestra (en volumen o en polvo)

En algunas aplicaciones el modo OUR cíclico puede ser una alternativa al modo R dinámico.

Algunas aplicaciones que se pueden llevar a cabo con este modo pueden ser las siguientes:

DQO eliminada en el licor-mixto hasta la respiración endógena

Tasa de nitrificación para un determinado rango de OD

Estudio de la evolución del proceso a lo largo del tiempo

Análisis de las necesidades de oxígeno a lo largo del tiempo

Nitrificación: RN, AUR, µA, qN, TRCmínima, ..

Determinación de parámetros cinéticos

..

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Modo R

Se trata de un sistema optimizado de respirometría del tipo LFS, según clasificación del organismo Water Association (IWA): en donde se trabaja en

fase líquida (L) en modo dinámico (F) en condiciones sistema abierto con oxigenación permanente (S), provisto de circuito de recirculación.

En líneas generales, el sistema de medida puede seguir considerándose como un sistema batch con reactor de mezcla completa en donde la aireación y

recirculación se mantienen activas durante todo el ensayo. De este modo en el recinto inferior se crea un oxígeno resultante de las características del

conjunto global que el sensor de oxígeno está midiendo de forma continuada.

Para el ensayo R se necesita fango activo (F) sin carga orgánica ni amónica (a ser posible fango en fase endógena) y una cantidad determinada de

muestra (M).

El ciclo del ensayo R transcurre en dos etapas:

F: Fango activo en respiración endógena o básica (nivel de oxígeno Cb estable) M: Muestra OD (mg/l): Oxígeno Disuelto Cb (mg/l): Oxígeno inicial de referencia a nivel de saturación Cs (mg/l): Oxígeno final Rs (mg/l.h): Tasa de respiración exógena

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En la primera etapa se utiliza solamente fango activo (F) libre de carga.

En esta etapa se fija y almacena en memoria el oxígeno de referencia o línea base (cb)

Una vez determinada la línea base (cb), el programa nos da la orden para que se añada la muestra a analizar (M)

De este modo el fluido que en un principio era solo fango (F) ahora pasa a estar constituido por fango más muestra (F + M)

Tan pronto empieza a reaccionar la muestra añadida con el fango activo el oxígeno inicial empezará a descender (Cs) como señal de que se está

llevando a cabo una oxidación biológica (salvo que no exista materia biodegradable) y automáticamente empezará a generarse un respirograma con los

valores de la tasa de respiración por oxidación del sustrato (Rs: respiración exógena) Así mismo, automáticamente se calcula el oxígeno consumido

(OC) a lo largo del tiempo y la fracción biodegradable de la DQO (en caso de que esté calibrado para ello)

El modo R, al tratarse de un tipo de respirometría aireada, necesita trabajar con un factor de calibración del sistema de medida, ligado al coeficiente

específico de transferencia de oxígeno. Por esta razón, el software está acondicionado con los correspondientes offsets de calibración (frs1, frs2, frs3)

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Cada factor de calibración (frs1, frs2, frs3) se corresponde con cada velocidad de recirculación en el reactor

La tasa de respiración dinámica que se mide en este modo de trabajo es directamente la tasa de respiración exógena (Rs), que depende

exclusivamente de la demanda de oxígeno provocada por el sustrato.

El software BM calcula de forma automática es tasa de respiración exógena del siguiente modo:

Rs = frs * ft * (Cb-Cs)

Rs (mg/l.h): Tasa de respiración exógena frs: factor de calibración ft : Factor dinámico se determina en fábrica y depende del caudal de la bomba y volumen de la zona inferior del vaso reactor Cb (mg/l): Línea base oxígeno inicial que corresponde al estado de respiración endógena

Cs (mg/l): oxígeno resultante de la oxidación del sustrato

La integración de las Rs nos determina el oxígeno consumido OC:

OC (mg/L) = fd ∫ Rs.dt

OC (mg/L): Oxígeno consumido acumulado fd = [factor de dilución] * [extrapolación a unidades de mg/l]

La ventaja que adquiere el modo R dinámico es que, una vez calibrado, los ensayos pueden llevarse de forma muy rápida con la utilización de pequeñas

cantidades de muestra.

Este modo de ensayo está especialmente diseñado para calcular automáticamente el valor de la fracción rápidamente biodegradable de la DQO

(DQOrb) y degradable (DQOb) a partir del valor del oxígeno consumido (OC) y coeficiente estequiométrico (YH)

DQOrb = OCrb / (1-YH)

DQOb = OCb / (1 – YH)

YH: Coeficiente del rendimiento de crecimiento de la biomasa heterótrofa

Mediante la utilización de muestra de agua residual soluble (decantada y filtrada a 0,45 micras), la DQOb adquiere el valor de DQOrb (fracción

rápidamente biodegradable de la DQO)

Posee además la facultad de obtener, para cada uno de los tiempos registrados en el respirograma, los valores en curso de la tasa de respiración (Rs),

oxígeno consumido (OC) y fracción biodegradable de la DQO (DQOb)

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RReessppiirrooggrraammaa OOCC –– RRss eenn mmooddoo RR RReessuullttaaddooss ddeell eennssaayyoo RR

Loe respirómetros BM son sistemas abiertos

Los respirómetros BM son sistemas abiertos y flexibles. Por esta razón el número de aplicaciones no es (ni debe ser) limitado y el propio usuario, bajo

ciertas directrices, puede diseñar sus propios ensayos y aplicaciones.

En cualquier caso, siempre se puede consultar a SURCIS para un soporte especializado en Respirometría.

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Ensayos de Respirometría

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Resumen de los parámetros medidos o calculados desde ensayos de Respirometría BM

1. Tasa de consumo de oxígeno Página

OURm

mg O2/l,h OUR medio 10

UNFED SOUR mg O2/gSSV.h

SOUR del fango efluente 19-20

FED SOUR mg O2/gSSV.h

SOUR del fango afluente 20

OURend

mg O2/l,h OUR en fase endógena 21

2. Fracciones de la DQO y Biodegradabilidad

DQOrb (SS) mg/l

DQO rápidamente biodegradable 23-24

DQOb (CS) mg/l

DQO biodegradable 25

DQOlb (XS) mg/l

DQO lentamente biodegradable 25

DQOi mg/l

DQO inerte 26

B %

Biodegradabilidad 26

3. Parámetros cinéticos

3.1. Biomasa heterótrofa

YH.O2

mg O2/mg DQO Coeficiente de rendimiento por oxígeno 28-29

YH.O2

SSV/DQO Coeficiente de rendimiento por SSVLM 29

qrb mg DQO/mg SSV.d

Tasa específica de utilización de la DQO soluble biodegradable Valores: máximo, medio y final

30

KS

(mg/l) Constante de saturación de sustrato 31

µH

(d-1) Tasa de crecimiento actual de la biomasa heterótrofa 32

µH.max

(d-1) Tasa de crecimiento máxima 32

3.2. Biomasa autótrofa

YA (mg O2/mg N-NH4)

Coeficiente del rendimiento por oxígeno 32-33

KOD Coeficiente de semisaturación de oxígeno

33

XA mg/l

Concentración de biomasa nitrificante 34-35

qN mg N-NH4/mg SSVA.d

Tasa específica de utilización de amonio 35

qN.max mg N-NH4/mg SSVA.d

Tasa específica máxima de utilización de amonio 35

µA

(d-1) Tasa de crecimiento actual de la biomasa autótrofa 35

µA.max

(d-1) Tasa de crecimiento máxima de la biomasa autótrofa 35

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4. Características de la biomasa

4.1. Proceso sin nitrificación

qb

mg DQO/mg SS.d

mg DBO/mg SS.d

Tasa específica de utilización de la DQO biodegradable Valores: máximo, medio y final

37

Ub

mg DQO/l.h mg DBO/l.h

Tasa de utilización de la DQO biodegradable Valores: máximo, medio y final

37

4.1. Proceso con nitrificación-desnitrificación

AURr mg N-NH4/l.h

Tasa de nitrificación requerida para un rendimiento suficiente de la nitrificación a distintos niveles de OD

38

DQOr mg/l

DQO requerida para el proceso de desnitrificación 39

5. Toxicidad

FC Factor de carga – Síntomas de toxicidad

41

I %

Tanto por ciento de toxicidad vs referencia 42-44

6. Tasa de consumo de nitrógeno

5.1. Nitrificación

SN mg N-NH4/l.h

Concentración de amonio a nitrificar 46

AUR mg N-NH4/l.h

Tasa de nitrificación al OD actual 47

SAUR mg N-NH4/gSSV.d

Tasa de nitrificación específica al OD actual 47

AURmax mg N-NH4/l.h

Tasa de nitrificación máxima al OD actual 48

SAURmax mg N-NH4/gSSV.h

Tasa de nitrificación específica máxima al OD actual 48

5.2. Desnitrificación

NUR mg NO3 –N/l.h

Tasa de desnitrificación estimada 48-49

SDNR mg N-NO3/gVSS.d

Tasa de desnitrificación específica estimada 49

7. Análisis de la suficiencia de los equipos de aireación

AOR Kg O2/h

Requerimiento actual de oxígeno 51

kLa h-1

Coeficiente de transferencia de oxígeno 51

SOTR k O2/h

Transferencia de oxígeno en condiciones estándat 52

SOTE

% Eficiencia de la transferencia de oxígeno en condiciones estándar 52

OTRp Kg O2/h

Tasa de transferencia de oxýgeno en proceso 52

Tablas de utilidad 53

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1. Tasa de consumo de oxígeno OUR & SOUR

18

1. Tasa de consumo de oxígeno (OUR) y tasa específica de consumo de oxígeno en el licor mezcla

(SOUR)

En el respirómetro BM se realiza de forma automática la medida de la tasa de respiración total y parcial de un licor-mixto previamente preparado,

dando como resultado los parámetros OUR & SOUR.

En las pestañas correspondientes de configuración del ensayo se programan los sólidos volátiles y temperatura (se configurará también el valor del pH

en el modelos BM-Advance)

Configuración de un ensayo OUR .SOUR

Se inicia el ensayo desde un valor OD suficientemente alto para poder analizar la pendiente de caída del oxígeno desde el momento en que cese la

aireación. A lo largo del tiempo se van obteniendo los valores OUR & SOUR, los cuales se pueden ver gráficamente por medio del respirograma del

parámetro seleccionado (OD, OUR, SOUR,..) y de forma tabular en los Detalles de resultados.

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1.1. OUR medio representativo del proceso (OURm)

Este OUR se lleva a cabo con un licor-mixto representativo de la demanda de oxigeno media del proceso.

OUR medio desde distintos puntos del proceso

Para ello se debe confeccionar un licor mixto (LM) de muestras recogidas desde distintos puntos del proceso en momento/s representativo del día y

mezcladas de forma homogénea.

OUR medio por licor-mezcla equivalente

1. Se confeccionarán dos licor-mezcla con volúmenes equivalentes a los caudales de entrada y salida del proceso:

LM1 = muestra integrada de agua de entrada a biológico + fango de recirculación

LM2 = muestra integrada de agua de salida de biológico + fango de recirculación

2. Se mezclarán LM1 y LM2 en un mismo recipiente, mezclándolos de forma homogénea

LM = LM1 + LM2

3. Con LM se llevará a cabo un ensayo OUR.

1.2. SOUR del fango efluente (UNFED SOUR) Se trata de un test primario en donde podemos hacer una rápida valoración del estado del fango, dependiendo del tipo de proceso y sus condiciones.

20

La muestra de fango se recoge del final del proceso, o bien se confecciona una mezcla equivalente (caudal afluente a reactor / caudal f. recirculación) a

partir de una muestra integrada del efluente de la decantación secundaria y del fango de recirculación. En caso de que se trate de la mezcla

confeccionada, tanto fango de recirculación como muestra deberán airearse al menos 30 minutos antes de mezclarse.

Valoración de UNFED SOUR

Tabla guía (valores habituales) Valoración primaria

Carga Másica F/M

DBO/SS.d

TRC d

UNFED SOUR Referencia mg O2/g.h

> 0.4

2 - 4 6 - 18

0.2 < F/M < 0.4

4 - 10 4 - 15

0,07 < F/M < 0.2

10 - 30 3 - 12

< 0,07

10 - > 30 2 - 6

El modo de entender la referencia de la tabla consiste en considerar que, en un mismo proceso, el UNFED SOUR se situará dentro del rango de la tabla.

Este valor será la verdadera referencia para el proceso y normalmente su valor no debe variar en +/- 3 unidades.

1.3. SOUR del fango afluente (FED SOUR)

Se lleva a cabo un ensayo OUR & SOUR del fango afluente.

21

1.4. OUR en respiración endógena (OURend)

Se refiere a un OUR en respiración endógena que se consigue después de que el fango haya sido sometido a una aireación prolongada para eliminar

restos de sustrato. El tiempo de aireación puede estar entre las 12 y 24 horas; pero en los procesos de aireación prolongada, con rendimiento

suficiente, el tiempo de aireación puede ser tan solo de 2 a 4 horas. En cualquier caso, es importante reconocer la respiración endógena, cuando el

valor del oxígeno se mantiene más o menos estable con el fango aireándose en el reactor del respirómetro.

Valoración de la respiración endógena (OURend)

Tabla guía (valores habituales)

SSVLM (mg/l)

OURend (mg/l.h)

1000

2 – 3.5

1500

3.2 – 5

2000

4.2 – 6.8

2500

5.3 – 8.5

3000

6.3 - 10

3500

7.3 - 12

4000

8.5 – 13.5

4500

9,5 – 15.3

Si el valor del OURend da sensiblemente por debajo del rango habitual puede serdebido a que existe

una baja concentración de biomasa activa

Las posibles causas de estos estados son las siguientes:

1. El proceso esté operando con una carga másica excesivamente baja (a la biomasa le falta

alimento)

2. Las condiciones actuales (T, OD, pH) del proceso no permiten el desarrollo de su plena

actividad, pudiendo repercutir en la reproducción normal de la biomasa.

3. Déficit de nutrientes.

4. Algún tóxico pudo haber liquidado un porcentaje importante de biomasa activa (o la está

liquidando)

22

2. Fracciones de la DQO y Biodegradabilidad

23

2. Fracciones de la DQO y Biodegradabilidad referida a la actividad actual del fango activo

La fracciones de la DQO corresponden a las del diagrama siguiente:

Si el caso lo require, también se pueden determinar la DQO soluble inerte (SI) y la DQO particulada inerte (XI)

La metodología para la determinación de las fracciones de la DQO se desarrolla según los reconocidos principios de Ekama et al. 1986; Spanjers and Vanrolleghem, 1995.

El perfil de la biodegradabilidad se calcula en base al porcentaje de cada fracción en la DQO total.

2.1. DQO rápidamente biodegradable (SS: DQOrb)

Está asociada a la DQO realmente soluble biodegradable.

Se obtiene mediante un ensayo R desde un muestra de agua residual soluble del influente al reactor

El ensayo se lleva a cabo con 1 litro de fango activo en fase de respiración endógena. El volumen de muestra de agua residual (Vm) a analizar suele

estar entre 30 y 50 ml.

24

Configuración de un ensayo R para la DQOrb

Respirograma de valores simultáneos de DQOrb, OC y Rs Resultados

25

2.2. DQO biodegradable (DQOb)

Está asociada a la DQO biodegradable total.

Se obtiene mediante un ensayo R desde un muestra de agua residual del influente al reactor sin filtrar

Del mismo modo que para la DQOrb, el ensayo se lleva a cabo con 1 litro de fango activo en respiración endógena y mismo volumen de muestra.

Así mismo, el respirograma correspondiente tendría características similares a las de la DQOrb (normalmente con valores superiores)

Si el caso lo requiere, se puede utilizar el método alternativo basado en la medida de la eliminación biológica de la DQO utilizando el modo Cíclico con

tiempo suficiente para llegar a respiración endógena.

2.3. DQO lentamente biodegradable (DQOlb : XS)

La diferencia entre la DQOb y DQOrb nos daría el valor de la DQOlb:

DQOlb (mg/L) = DQOb - DQOrb

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2.4. DQO inerte (DQOi)

Se trata de la DQO no-degradable (refractaria)

Se calcula por la diferencia entre la DQO total y la DQOb:

DQOi (mg/L) = DQO – DQOb

2-5. Biodegradabilidad referida a la actividad del fango activo

Dentro de un marco global, la Biodegradabilidad se determinará por el porcentaje de DQOb en la DQO total.

B: Biodegradabilidad (%) = 100 * DQOb / DQO

La biodegradabilidad se completará con el cálculo de los distintos porcentajes del resto de fracciones de la DQO en la DQO total.

27

3. Parámetros cinéticos

28

3. Determinación de los principales parámetros cinéticos

3.1. Parámetros cinéticos en biomasa heterótofa 3.1.1. Coeficiente estequiométrico del rendimiento de crecimiento de la biomasa heterótrofa relativa a la demanda de oxigeno (YH)

El coeficiente de rendimiento de formación de biomasa heterótrofa es el parámetro estequiométrico representativo del crecimiento de la biomasa

Determinación de YH,O2 desde acetato sódico

Para ello, Se disuelven 400 mg de acetato en 1 litro de agua destilada (o 200 mg en 1/2 litro de agua destilada) y se determina la DQO de esta solución

(DQOac)

DQOac debe estar entre 270 y 320 mg/l

Los volúmenes normalmente utilizados son 50 ml de la solución en 1000 ml de fango endógeno.

Cuando el respirograma llega de nuevo a su línea base se da por hecho que el acetato, al ser rápidamente biodegradable, se ha eliminado (oxidado) en

su totalidad.

29

YH.DQO se calcula con la siguiente expresión matemática:

YH.O2 = 1 - OCac / DQOac YH,O2: Coeficiente específico de rendimiento de la biomasa heterótrofa (mg DQO{bact.} / mg DQO {soluble}

YH relativo a la concentración de sólidos volátiles

YH,VSS = YH.O2 / fcv

fcv = DQOrb {bact.} / VSS = 1.42 (valor típico más utilizado) YH,VSS: Coeficiente del rendimiento de crecimiento de la biomasa heterótrofa relativo a la concentración de sólidos volátiles (mg SSV / mg DQOs)

3.1.2. Y observada (Yobs)

Yobs = YH.VSS / (1 + Kd * TRC)

YH.obs (MLVSS/DQO): YH observada Kd (d

-1): Tasa de decaimiento de la biomasa en su fase endógena (Kd ≈ 0.06 – Valor típico) TRC (d-1):Edad del fango Fuente: Cicek, 2001; Macomber, 2005

30

3.1.3. Fracción MLVSS por día, oxidada durante la respiración endógena (Kd)

SOURend = OURend / SSVLM

Pasaremos las unidades de SOURend a Kg O2/Kg.d:

SOURend (mg/g.h) x 24/1000 = SOURend (Kg O2/ Kg.d)

Kd = SOURend / fvc Kd (d-1): Fracción de biomasa total de MLVSS por día oxidada en la respiración endógena fvc = 1.42 Fuente: "Tratamiento de Aguas Residuales" R.S. Romalho 1991

3.1.4. Tasa de utilización y específica del sustrato orgánico soluble biodegradable (U, q)

Para la determinación de utilización de sustrato (U) y específica (q) llevamos a cabo un ensayo R con una muestra integrada soluble recogida del

afluente al reactor biológico (añadiendo ATU, en caso de nitrificación)

Mediante estas medidas se determina la velocidad de remoción de la DQO rápidamente biodegradable (DQOrb)

El software BM calculará el valor medio, máximo y final de estos parámetros de forma automática. Estos valores se obtienen bajo condiciones de de

máxima oxigenación y por lo tantos hay que corregirlos aplicando la constante de semi-saturación de oxígeno disuelto (KOD)

Urb = U * [OD / (KOD + OD)]

qrb = q * [OD / (KOD + OD)] U: Valor de la tasa de utilización del sustrato (mg DQOs/h), en el respirograma q: Valor de la tasa específica de utilización del sustrato (DQOs/SSV.d) KDO ≈ 0,2 → cuando OD medio en el reactor del proceso es < 2 ppm

KOD = 0 → cuando OD > 2 ppm

OD = Valor medio del oxígeno disuelto en el proceso.

31

3.1.5. Constante de semisaturación con un solo ensayo R de substrato soluble (KS) (Método desarrollado por Surcis)

Llevaremos a cabo un ensayo R con agua residual soluble típica para la determinación completa de la DQOrb. Una vez realizado el ensayo abrimos el

respirograma y, haciendo uso del puntero del PC sobre la gráfica, averiguamos el valor de q y el de la DQOrb pendiente en los puntos máximo (S1) y

mitad (S2)

Ks = (q1 – q2) / [(q2 / S2) – (q1 / S1)]

Ks: Constante de semisaturación por sustrato soluble biodegradable (mg/l) q1: q correspondiente al valor máximo en el respirograma q2: q correspondiente a 1/2 del valor máximo en el respirograma S1: DQOrb pendiente de eliminar desde que se alcanza el valor máximo (mg/l) S2: DQOrb pendiente de eliminar desde que se alcanza ½ del valor máximo (mg/l)

32

3.1.6. Tasa crecimiento actual y máxima de la biomasa heterótrofa

μH = YH.VSS * 24 * (U / XH) - Kd

μH.max = μH * (KS + S) / S

U: Tasa actual de utilización del sustrato (mg DQOs/h) XH: Concentración de MLVSS activos (mg/l) S: DQOrb actual (mg/l)

3.2. Determinación de los principales parámetros cinéticos de la metabolización en biomasa autótrofa

3.2.1. Coeficiente estequiométrico de rendimiento del crecimiento de la biomasa autótrofa (YA)

Determinación de YA referida a la demanda de oxígeno por medio de un ensayo R

Para esta determinación haremos uso de un ensayo R y cloruro de amonio, en condiciones equivalentes.

Para ello y con el fin de evitar un ensayo excesivamente largo, prepararemos una solución de 200 mg de cloruro de amonio en 1 litro de agua destilada.

El ensayo R se llevará a cabo desde un fango activo en fase de respiración endógena o básica, añadiendo 50 ml de la solución de cloruro de amonio y lo

dejaremos hasta su completa oxidación.

33

YA,DQO = 4,57 – OCN / SN YA,DQO: Coeficiente de rendimiento del crecimiento de la biomasa autótrofa (mg O2/mg N-NH4) OCN: Oxígeno consumido en la nitrificación del ensayo de respirometría (mg/L) SN = 200 * 0,26 = 52 (mg N-NH4/L) 0,26 = factor para pasar el cloruro de amonio a nitrógeno amoniacal

YA referido a concentración de biomasa

YA,VSS = YA,COD / 1,42 YA,VSS: YA referido a los VSS (mg VSSA / mg N-NH4) ≈ 0,1 (valor habitual, por defecto)

3.2.2. Coeficiente de semisaturación de oxígeno

Se calcula a partir de los resultados de las tasas de respiración máximas en un ensayo R y un ensayo cíclico, mediante la adición de una concentración

de cloruro de amonio equivalente (1mg ClNH4 = 0,26 mg N-NH4)

KOD = OD (RsN – OURN) / RsN RsN: Tasa de respiración por nitrificación a saturación de oxígeno (mg / l.h) – Modo R OURN: Tasa de respiración por nitrificación a oxígeno inferior a 2,5 ppm (mg N-NH4 / l.h) – Modo cíclico OD (mg/l): Valor OD máximo en el OURN

Respirograma Rs para la determinación de RsN Respirograma OUR cíclico para la determinación del OURN

34

3.2.3. Concentración de biomasa autótrofa activa (XA)

Método por respiración endógena

Obtenemos la concentración de biomasa autótrofa activa a partir de dos ensayos OUR de la respiración endógena:

OURN.end = OURend – OURend.H OURend: Tasa de respiración endógena total OURend.H: Tasa de respiración endógena de la biomasa heterótrofa, con adición de dosis de allil-tiourea (ATU), como inhibidor de la biomasa autótrofa.

Respirogramas OUR superpuestos para el cálculo del OURN.end

XA = 24 * OURN.end / (fcv * bA) XA: Concentración de biomasa autótrofa (mg/l) OURN.end: Tasa de respiración endógena de la biomasa autótrofa (mg/l.h) fCV: Oxygen uptake per unit of autotrophic biomass = 1.42 (O2/XA) bA: Tasa de decaimiento de la biomasa autótrofa en respiración endógena = 0.17 * 1.029T-20 (d-1) (Melcer, 2003) Respirometry for Environmental Science and Engineering – James G. Young & Robert M. Cowan. 2004

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XA por tabla de referencia DBO/NTK

XA = FN * MLVSS XV: Concentración de los sólidos volátiles totales (mg/l)

DBO/NTK

0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9

FN

0.35 0.21 0.12 0.083 0.064 0.054 0.043 0.037 0.033 0.029

Metcalf & Eddy. 1995

Nota importante

Esta tabla también se puede utilizar para valorar la coherencia de XA obtenida por otros métodos.

El parámetro de valoración es la FN que se calcula con el valor obtenido de XA

FN = XA / MLVSS

En el caso de que FN se sitúe por debajo del valor de referencia de la tabla no indicaría que el valor actual de la concentración de biomasa autótrofa es

demasiado bajo; por esta razón, la actividad nitrificante puede ser inferior a la normal. Por el contrario, un valor igual o superior al de referencia,

representaría una buena actividad nitrificante.

3.2.4. Tasa de utilización del amonio actual y máxima (qN, qN.max)

qN = AUR * 24 / XA

qNmax = AUR.max * 24 / XA

qN: Tasa de utilización actual de sustrato en nitrificación (mg N-NH4 / mg SSVA.d) qNmax: Tasa de utilización máxima de sustrato en nitrificación (mg N-NH4 / mg SSVA.d)

3.2.5. Tasa de crecimiento actual y máxima de la biomasa autótrofa (µA, µA.max)

µA = YA,VSS * qN

µAmax = YA,VSS * qN.max

µA: Tasa de crecimiento actual de la biomasa autótrofa (d-1) µAmax: Tasa de crecimiento máxima de la biomasa autótrofa (d-1)

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4. Características de la biomasa

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4. Características de la biomasa para el dimensionamiento del proceso

4.1. Proceso sin nitrificación

4.1.1. Tasa de utilización de sustrato global en procesos sin nitrificación

Por medio de un ensayo R, se utilizará el parámetro U y q (punto 4.5.) del agua residual influente al reactor biológico (sin filtrar)

Respirogramas de la tasa de utilización de la DQOb

Las unidades de los valores máximo, medio y final de q se pueden transformar a DBO y MLSS con el fin de valorar la carga másica.

qb (mg DBO/mg SS.d) = q (mg DQOb/mg VSS.d) * (DBO/DQOb) * (VSS/MLSS) * [OD / (KOD + OD)]

La U nos indica la velocidad de remoción de la DQOb y por lo tanto puede estar ligado al TRH del proceso.

Ub (mg DBO/l.h) = q (mg DQOb/mg VSS.d) * (DBO/DQOb) * [OD / (KOD + OD)]

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4.2. Proceso con nitrificación-desnitrificación

Los parámetros que se describen a continuación corresponden a un proceso de nitrificación con un rendimiento suficiente en donde el nivel de Amonio

medio del efluente (SNe) se mantiene en el rango exigido.

4.2.1. Tasa de nitrificación requerida (AURr)

AURr = AUR * (SN – SNr) / (SN – SNe)

AURr: Tasa de nitrificación requerida (mg N-NH4/l.h) AUR: Tasa de nitrificación actual (mg N-NH4/l.h) al OD en curso SN: Nitrógeno amoniacal medio de entrada a biológico (mg N-NH4/l) SNr: Nitrógeno amoniacal medio que se requiere en el efluente del proceso (mg N-NH4/l) SNe: Nitrógeno amoniacal actual medio en el efluente

Variación del AUR a distintos OD manteniendo el TRC

Cuando el AUR << AURr podrá realizarse un estudio del su valor a distintos niveles OD (manteniendo un pH y un TRC coherentes)

AUR (OD) = AUR’ * OD / (KOD + OD)

Variación de la edad del fango manteniendo el OD

La coherencia de este parámetro operativo debe pasar por mantener los niveles actuales de OD, Temp. Y pH

TRC = 1 / (24 * AURr * YA,VSS / XA)

Gráfica guía del TRV vs MLSS a distintas Temp.

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DQO requerida (DQOr) en el agua residual afluente a la zona anóxica de desnitrificación

OC = 2,86 * [N-NO3]

OC: Oxígeno consumido para la desnitrificación (mg/L)

DQOrbr: OC / (1 – YH)

DQOrbr: DQO soluble biodegradable requerida para la desnitrificación en el afluente a zona anóxica (mg/L)

DQOr = (DQO/DQOrb) * DQOrbr

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5. Toxicidad

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5. Análisis de la posible toxicidad

5.1. Síntomas de toxicidad Los principales síntomas de toxicidad se resumen en los siguientes puntos:

1. Análisis del factor de carga: FC = FED OUR / UNFED OUR

FED OUR: OUR del fango afluente, o de la mezcla del afluente compuesto con fango de recirculación en proporción equivalente a caudales. UNFED OUR fango del fango efluente, o de la mezcla del efluente del clarificador con fango de recirculación en proporción equivalente a caudales.

FC Diagnóstico

FC ≥ 1 Carga inhibitoria o tóxica

1 < CF < 2 Bajo rendimiento o muy baja carga

2 < FC < 5 Buen rendimiento & Carga normal

FC > 5 Sobrecarga

2. YH.02 inferior a 0,4

3. OUR endógeno muy por debajo de su rango habitual.

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Valoración de la respiración endógena (OURend)

Tabla guía (valores habituales)

SSVLM (mg/l)

OURend (mg/l.h)

1000

2 – 3.5

1500

3.2 – 5

2000

4.2 – 6.8

2500

5.3 – 8.5

3000

6.3 - 10

3500

7.3 - 12

4000

8.5 – 13.5

4500

9,5 – 15.3

5.2. Análisis de la toxicidad de efecto rápido por acumulación progresiva de volumen de muestra

El procedimiento se basa en la realización de un solo ensayo de respirometría dinámica R por cada una de las muestras con la siguiente secuencia:

1. Comprobación de fango en respiración endógena – Determinación de la línea-base

2. Adición de una sobredosis de acetato sódico

3. Creación de un nivel alto de referencia sobre una base de tasa de respiración máxima (Rs.max)

4. Adición progresiva de dosis de la solución de muestra

5. Análisis de las variaciones de la Rs vs la Rs.max de referencia

6. Cálculo de niveles de toxicidad del volumen acumulado de muestra / en 1 litro de fango + solución añadida.

Si el valor del OURend da sensiblemente por debajo del rango habitual puede serdebido a que existe

una baja concentración de biomasa activa

Las posibles causas de estos estados son las siguientes:

5. El proceso esté operando con una carga másica excesivamente baja (a la biomasa le falta

alimento)

6. Las condiciones actuales (T, OD, pH) del proceso no permiten el desarrollo de su plena

actividad, pudiendo repercutir en la reproducción normal de la biomasa.

7. Déficit de nutrientes.

8. Algún tóxico pudo haber liquidado un porcentaje importante de biomasa activa (o la está

liquidando)

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Respirograma con adición progresiva de muestra problema para la determinación de toxicidad

I (%) = 100 * (1 – Rs.max saturación / Rs)

5.2. Análisis de la toxicidad de efecto lento por confección de varios licor-mixto con distintas relaciones muestra/fango

Aquí comparamos la actividad de un compuesto estándar de referencia en dos fangos en fase de respiración endógena: Uno de referencia y otro con

la/s mezcla/s de agua/s problema.

LM referencia: Agua destilada + [acetato sódico ó ClNH4] + Fango Fango endógeno

LM muestra/s: Agua r. problema + Fango Fango endógeno

44

Respirogramas superpuestos de distintos LM con muestras problema vs LM de referencia

I (%) = 100 * (1 – Rs.max LM m. / Rs.max LM ref.)

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6. Tasa de consumo de nitrógeno

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6. Tasa de consumo de nitrógeno

6.1. Nitrificación 6.1.1. Concentración de amonio a nitrificar (SN)

Debido al proceso de la amonificación, parte del nitrógeno orgánico pasa a la forma de nitrógeno amoniacal. Por lo tanto, el amonio a nitrificar se

calcula desde el NTK eliminado del que sustraemos el nitrógeno que corresponde a la síntesis celular.

SN = = NTKO - NOe - SNe

SN: Concentración de amonio que actualmente se está nitrificando (mg N-NH4/l.h)

NTKO: Nitrógeno Total Kjeldahl en afluente a reactor biológico (mg N/l) ≈ 0.9 NT (en caso de que solo se analice el NT en la planta)

NOe: Nitrógeno orgánico soluble en efluente ≈ 1 a 2 (mg N/L)

SNe: Amonio en efluente (mg N-NH4/l.h) Fuente: Activated sludge treatment of industrial wastewater – W.W. Eckenfelder. 1995

6.1.2. Tasa de nitrificación a saturación de oxígeno (AUR’)

Se determina mediante un ensayo R de respirometría, utilizando cloruro de amonio con una concentración de amonio equivalente y a las mismas

condiciones medias de temperatura y pH que las del proceso real.

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Respirograma Rs por adición de cloruro de amonio para la determinación de RsN

AUR’ = RsN / 4.57

AUR’: AUR en condiciones de oxígeno máximo (mg N-NH4 / l.h) 4,57: mg of O2 necesarios para la oxidación de cada mg de N-NH4

6.1.3. Tasa de nitrificación al OD actual (AUR, SAUR)

AUR = AUR’ * OD / (KOD + OD)

AUR): AUR en condiciones de un determinado OD (mg N-NH4 / l.h) KOD: Coeficiente de semi-saturación de oxígeno ≈ 0.5 (valor habitual, por defecto) OD: Oxígeno disuelto medio con que se desarrolla el proceso

SAUR = 24 * AUR / MLVSS

SAUR: Tasa específica de nitrificación actual (mg N-NH4 / g SSV.d)

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6.1.4. Tasa de nitrificación máxima (AURmax, SAURmax)

La tasa de nitrificación máxima es un parámetro que vamos a utilizar para el cálculo de la tasa de crecimiento máxima de la biomasa autótrofa y para el

cálculo de la edad del fango mínima para la nitrificación.

El procedimiento se basa en aplicar la ecuación de Monod hacienda uso de un valor por defecto de la constante de semi-saturación de sustrato (KN) desde

una tabla guía y de la constante de semisaturación por oxígeno (KOD).

AURmax = AUR * SN / (KN + SN)

KN: Constante de semisaturación por subatrato ((mmgg//ll NN--NNHH44)) SN: Concentración de amonio a nitrificar ((mmgg//ll NN--NNHH44))

SAURmax = 24 * AUR / MLVSS

SAUR: Tasa específica de nitrificación actual (mg N-NH4 / g SSV.d)

6.2. Desnitrificación

6.2.1. Tasa de desnitrificación estimada (NUR)

Para el desarrollo de esta aplicación se necesita llevar a cabo un ensayo OUR con fango recogido del inicio del proceso de desnitrificación en zona

anóxica en las mismas condiciones de temperatura y pH.

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Respirograma OUR del fango del inicio del proceso de desnitrificación

NUR [mg NO3 –N/(l.h)] = OURDN / 2,86 Fuente: E.CHOI and R.DAEHWAN. 2000. Korea University - W.W. Eckenfekder & J.L. Musterman – 1995

Desde aquí calculamos la tasa específica de desnitrificación (SDNR)

SDNR [mg N-NO3/(gVSS.d)] = 0,024 * NUR / VSS

La valoración de SDNR puede realizarse por comparación con los valores de la siguiente tabla de referencia:

Fuente: Long Island Sound Training – Nitrogen Removal - 2003 (EPA)

50

7. Análisis de la suficiencia de los equipos de aireación

51

7. Análisis de la suficiencia de los equipos de aireación instalados

7.1. Requerimiento actual de oxígeno (AOR)

AOR = OURm * V AOR: Requerimiento actual de oxígeno (kg O2/h) OURm = OUR medio en el reactor biológico a 20ºC (kg/m3.h) V: Volumen del reactor biológico aerobio (m3)

El análisis comparativo del AOR con el parámetro WO2.max nos puede empezar a dar una ligera idea para la confección de un criterio primario sobre si la

aireación que se está suministrando es o no suficiente WO2 max = QA.max* YR

QA.max: Caudal de aire máximo del sistema de aireación (Nm3/h) YR: Concentración de oxígeno en aire = 0,299 (kg O2 /m

3)

7.2. Caudal de aire necesario en el reactor biológico aerobio

QA = AOR / YR

7.3. Coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa)

Se lleva a cabo la medida del UNFED OUR de una muestra integrada del licor-mezcla del final del proceso a la temperatura en curso.

Con este valor, se calcula el valor correspondiente de la KLa en curso.

KLa = UNFED OUR / (Cst – C)

KLa: Coeficiente global de transferencia de oxígeno (h

-1)

Cst: Valor del oxígeno disuelto a nivel de saturación a la temperatura actual C: Valor del oxígeno disuelto actual en el punto de muestreo del licor-mezcla del que se ha realizado el ensayo de respirometría

KLa20 = KLa * θ(T-20)

KLa: Coeficiente global de transferencia de oxígeno a 20ºC (h-1) Θ = 1024

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7.4. Tasa de transferencia de oxígeno en condiciones estándar (SOTR)

SOTR = KLa20 * Cst20 * V

SOTR: Tasa de transferencia de oxígeno en condiciones estándar (kg O2/h) Cst20: Valor del oxígeno disuelto a nivel de saturación a 20ºC = 9,3 mg/l (a 1 atm) V: Volumen zona aerobia reactor (m3)

7.5. Eficiencia de la transferencia de oxígeno en condiciones estándar (SOTE)

SOTE = 100 * SOTR / WO2

SOTE: Eficiencia de la tasa de transferencia de oxígeno en condiciones estándar (%) WO2 = QA* YR

QA: Caudal de aire medio del sistema de aireación (Nm3/h) YR: Concentración de oxígeno en aire = 0,299 (kg O2 /m

3)

7.6. Eficiencia de la transferencia de oxígeno en proceso (OTEp)

K = θ(T-20) (β * Cst - C) / Cst

20

β: Corrección por solubilidad del oxígeno en el agua residual = 0.95 θ = Corrección por temperatura = 1024

OTEp = α * SOTE * K

SOTEP: Eficiencia de la tasa de transferencia de oxígeno en proceso (%)

7.7. Tasa de transferencia de oxígeno en proceso (OTRp)

OTRp = α * SOTR * K

OTRp: Tasa de transferencia de oxígeno en condiciones de proceso (kg O2/h)

Para el análisis de la suficiencia del sistema de aireación actual AOR vs OTRp

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7.8. Tablas de utilidad

54

SURCIS, S.L.

Tel. 932 194 595 / 652 803 255

surcis@surcis.com / eserrano@surcis.com

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