TemaS Sistemas de aireacin. Tcnicas aplicables aldiseo ygestin Juan de Dios Trillo Monstsoriu NDICE 1.INTRODUCCION ..................................................................................................... 1 1.1.FUNCIONES BSICAS DE UNSISTEMA DE AIREACIN ......... ....... .... ..... ........ ... ...... 1 2.NECESIDADES DE OXGENO ENLOSPROCESOS BIOLGICOS............. 3 2.1DEMANDA DE OXGENO DE LA MATERIACARBONOSA ................. ......... .......... .. ... 3 2.1.1MTODOSDECALCULODELADEMANDADEOXGENODELAMATERIA CARBONOSA ............................................. ............................................................................... 4 2.2DEMANDA DE OXIGENO DELAMATERIA NITROGENADA .............. ......... .............. 8 2.2.1MTODOSDECALCULODELADEMANDADEOXGENODELAMATERIA NITROGENADA ................. ....... ....................................... .......................................... .............. 9 2.3COMENTARIO SOBRE LAS BASES DEPARTIDA .. ......... ..................... ...... ...... ... ... ...... 10 2.4 EJEMPLOS DE CLCULO ....... ............... ..... ................................. ... .............................. .... 11 2.5VARIACIONES DELADEMANDA DE OXGENO ................................................. .... ... II 2.5.1VARIACIN TEMPORAL ..................................................... ............... ................... ... ... 12 2.5.2VARIACIN ESPACJAL ............................................ ....... ... .................. .. ...................... 14 2.6ENERGA PARA MEZCLADO ............... .... .. .... ................................................... .............. 18 2.7 NIVEL DE OXGENO DISUELTO ...... ........ .................... ................................................ ... 18 3.TRANSFERENCIA DEOXGENO ...................................................................... 19 3.1INTRODUCCIN ................................................ ...................... ....... ................................ .. . 19 3.2ECUACIN GENERAL DE LA TRANSFERENCIA DE OXGENO ...................... .... ..... 20 3.3 TRANSFERENCIA DEOXGENO EN CONDICIONES NORMALIZADAS (ESTNDAR) ...... ..... ......... .......... ..... ................... ... .............. ...... ..... ......... ......... ..... ...... .. ........ ... . 21 3.3.i EXPRESiONES DE LAEFiCiENCIA DE UN SISTEMADE AIREACIN ...... .. ......... 22 3.3.2 INFORMACIN SUMINISTRADAPORLOS FABRICANTES DE LOS EQUIPOS DE AIREACIN RESPECTO A LAEFICIENCIADE TRANSFERENCIA ................................. 23 3.4 TRANSFERENCIA DE OXGENO EN CONDICIONESDE CAMPO ........ .... ...... .. ... .. .... 24 3.5FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA TRANSFERENCIA DEOXGENO EN CONDICIONES DECAMPO ........ .............................. ...... ................................ ......... ......... ... ... 27 3.6METODOLOGA DE CLCULO DELSISTEMA DE AIREACIN ............................... 28 3.7VALORESCARACTERSTICOSDELOSCOEFICIENTESayaFDELA TRANSFERENCIA ENCONDICIONES DE CAMPO .............. .................. ............... ..... ...... 36 4.SISTEl\1AS DE AIREACIN ........................................................................... 32 4.1AIREADORESSUPERFICIALES ......... .... ... ... ................. .. .. ... ... .... ... .. ... ..... ... .... ... .... .......... 32 4. 1.1AIREADORES DE EJE VERTICAL ................. ..... ..... ................ ........... ... ........... ...... .... 33 4.1.2 AIREADORES DE EJE HORIZONTAL ..... ................ ... .... .......... .................................. 33 4.1.3 AIREADORES DE ASPIRACIN CON ROTOR SUMERGIDO .................................. 34 4.1. 4 EYECTORES .... .......... ................................. ................. ............................................. ..... 34 4.1.5VALORESCARACTERSTICOS DE LATRANSFERENCIADEm1GENO DELOS AIREADORES SUPERFICIALES........................................................................................... 35 4.1.6 CALCULO DE LAPOTENCIA DEL AIREADOR ......................................................... 36 4.1.7 ENERGAPARAMEZCLADO ...................................................................................... 36 4.1.8REGULACINDELAOXIGENACINENLOSSISTEMASDEAIREACIN SUPERFICIAL ........................................................................................................................ 37 4.2 AlREADORES SUBSUPERFICIALES ..... ....................... ............. ........... ......... .... .. ............ 39 4.2.1DIFUSORES POROSOS FiNOS ......... .............. .......... ............ ... ................................... 40 4.2.2CONFIGURACIONES UTILIZADAS ............. ... ..... ... .. ... ........ ....................................... 42 4.2.3FACTORES QUE AFECTAN A LATRANSFERENCIADE OXGENO ....................... 42 4.2.4VALORESCARACTERSTICOS DE LATRANSFERENCIADEOXGENODE LOS AIREADORES SUBSUPERFICIALES ................................................................................... 44 4.2.5 MOTOSOPLANTES .......................... ......... .......... ............ .. .......................... ... ....... ....... . 45 4.2.6 ENERGAPARAMEZCLADO ...... ....... ......... ............................ ... ............ ..................... 49 4.2.7 REGULACIN DE LAOXIGENACIN ...................................................................... .49 5.TCNICAS APLICABLES AL DISEO Y GESTIN DE SISTEMAS DE AIREACIN ......................................................................... ....................................... 51 5.1LIMITACIONESE INSUFICIENCIASDEL SISTEMA METODOLGICO DE CLCULO DESCRlTO ................ ........ .................... ............... ..... ........................... ..... .. ........ ... 51 5.I.}cALCULO DE LA DEMANDA DE OXGENO.................... .... .. .... ......................... ...... 51 5.1.2VARIACIN DE LA DEMANDA DE OXGENO A LO LARGO DELTANQUE ......... 52 5.}.3 SELECCIN DELDIFUSOR ....................................................... ........................ ......... 53 5.}.4 CAUDAL DE AIRE Y SU DISTRIBUCIN ESPACIAL ..... .. ... ...... ...... ... .......... ........ ..... 54 5.2INSUFICIENCIASASOCIADASALAGESTINDEUNSISTEMA EXISTENTE .. .. .. 55 5.3MEDIDA DELATRANSFERENCIA DE OXGENO EN CONDICIONES DE CAMPO .............. ... ......... ....... ................. .... ............................................................. ............. 57 5.3.1DESCRIPCINDELMTODODEANALISISOFF-GASPARAMEDIDASDE CAMPO .. ....... ....... .................................... .. ....... ... ............... ............. ................. ................ ... ... 58 5.3.2 DESCRIPCIN DE LATCNICADE ENSAYO EN COLUMNA ................................ 60 SISTEMAS DE AIREACIN. TCNICAS APLICABLES AL DISEO Y GESTIN 1. INTRODUCCIN EltratamientobiolgicoconstituyeelncleofundamentaldelaEDAR.Laobtencindelos lmitesdecalidaddelefluenteestablecidosporlalegislacinvigenteimplicalaaplicacin, prcticamente universal,de sistemas detratamiento biolgico. Dentrodelaampliagamadeprocesosdetratamientosbiolgicosdisponiblesparasuaplicacin, enlaactualidady,desdehacevariasdcadas,losprocesosaerobiosdecultivoensuspensin (fangos activadosencualquiera desusvariantes yconfiguraciones), son por razndesueficacia, versatilidad y economa, los de utilizacin mayoritaria en las EDAR. Lapropiaconcepcindeestossistemas(procesosaerobios)implicalanecesidadfundamental, aunquenoexclusiva como se seala ms adelante,desuministrar a aqulloseloxgenonecesario para eldesarrollo del proceso. Bajoelttulogenricodesistemasdeaireacinseincluyenunconjuntodebasesdediseoy tcnicasespecficasdestinadas,primordialmente,asatisfaceresademandadeoxgenoy complementariamente otros requerimientos asociados a esos procesos. I.I FUNCIONES BSICASDEUN SISTEMA DEAIREACIN Lasfunciones bsicas que debe cumplir unsistema de aireacin son las siguientes: l.Suministrareloxgenonecesarioquepermitalastisfaccindelademandaasociadaala materiacarbonosay,adicionalmente,ensucaso,ladelamaterianitrogenadapresenteenel aguaresiduala tratar. 2.Suministrar eloxgenonecesarioparalasatisfaccndelademandaasociadaalarespiracin endgena delcultivo biolgico que constituye elfangoactivado. 3.Aportar laenerga necesariaparaconseguir elmantenimientodecondiciones homogneasen elsenodelreactorbiolgico,deformaquetantoelsustratoaeliminarcomoeloxgeno necesarioparaeldesarrollodelprocesoestnuniformementedistribuidosenaquly,por tanto,fcilmente disponibles para su utilizacin por losmicroorganismos. 4.Mantener unniveldeoxgenodisueltoenlatotalidaddelreactorqueposibiliteeldesarrollo n0l111alde lasreaccionesinvolucradas. Enloque sigue se analizan las necesidades asociadas alas funcionessealadas. 2 2.NECESIDADES DEOXGENO EN LOS PROCESOS BIOLGICOS Elconsumonetodeoxgenopor partedelosmicroorganismospresentesenelreactor biolgico viene definido por lasiguiente expresin: CONSUMO NETO DE OXGENO DEMANDA DE LA MATERIA CARBONOSA Organismos heterotrofos + DEMANDA DELA MATERIA NITROGENADA Organismos autotrofos nitrificantes + APORTE POR DESNITRIFICACION Organismos heterotrofos 2.1DEMANDA DE OXGENO DE LA MATERIA CARBONOSA (1) Defomlasimplificadapuededecirsequeelconceptobsicoasociadoalaeliminacindela demandacarbonosa resideenque eloxigenoasuministrar debe satisfacer lademanda asociadaala sntesisdematerialcelular(crecimientooasimilacin)yalarespiracinendgenadelos microorganismos. Ambasdemandassonfuncindeltiempoderetencincelular(SRT)delsistemaperoconla diferenciaquemientrasquelademandadesintesispresentaunlmitesuperior,detalfomlaque pemlaneceprcticamenteinvarianteapartirdeunvalordeSRTdetemlinado,lademandapor respiracinendgena seincrementa defomlacontinuadehacerloSRT dentrodelintervalonOllllal devaloresdeesteparmetro.EstacircunstanciapuedeserrepresentadaenlaFigura1,dondese ponedemanifiestoquelademandatotaldeoxigenocreceamedidaquecreceelSRT(odecrece F/ M) . 3 o ~ o ~ : ~ '" '" = '" ~ ~ -..... ~ '" ~ ~ SRf---FIGUPV\1. Evoluciondela demandadeoXIg2noenfunciond,1S ~ i 1.6,-----,-' ,.-, ---;,-,-',--.,.-, """;-; ,,--;,-',-"--.,--, 1.6 lA 1.2 1.0 0.8 0.6 OA 02 30C 20'e lo'e , I , I , A:;L!Qresic',:ciurbcna 000/060s =1.5-2.0 SSi/D30s = 0.8-1.2 rrI"'I r 'I DA0.61.0I.S2356lB101520jJ ~ SRf,dias FIGURA2. ConsumoG:oXigenoenfuncionGelSRiy lol::mproturo 2.1.1 MTODOSDECLCULODE LADEMANDADEOXGENODE LAMATERIA CARBONOSA Sonvarioslosmtodosdeclculoquesuelenutilizarseparaelclculodelademandade oxgeno asociada a laeliminacin de la materia carbonosa. Conceptualmente, los mtodos disponibles pueden agruparse endos sistemas generales: l.MTODOSEMPRICOSbasadosenlautilizacinderatios,generalmenteexpresados comokilogramosdeoxgenonecesarioparalaeliminacindeunkilogramodemateria orgnica carbonosa(DBO,oDQO),derivadosdelaexperiencia obtenida alolargodelos aos en numerosasinstalaciones. 2.MTODOSI3ASADOSENLAUTILIZACINDEMODELOSquepemlitenel clculodelademandaapartirdeecuacionesquesimulanlacinticayestequiometrade las reacciones que tienenlugar enelproceso. La demanda deoxgenocalculada por cualquiera delos mtodossealadosesfuncin,por unapartedelSRT delproceso,talcomosehasealadoanterionllente ydelatemperatura yaqueelaumentodeesteparmetrosuponeunincrementodeloscoeficientescinticos asociados a lasreacciones que tienenlugar enelproceso. Esimp0l1antesealar que,entm1nosgenerales,lademandatotaldeoxgenocalculadacon cualquieradelosmtodosesmuysimilar yque, correspondientemente,acudiramtodosmuy sofisticados110proporcionaungradodeprecisinsignificativamentemayor.Porcontra, cuanto mayor eselgrado decomplejidad delmodelo utilizado mayor eslaprecisin en ladetemlinacin delasvariacionestemporalesyespacialesdelademandadeoxgenocuyoconocimientoes primordialparalaadecuacindelsistemadeaireacinalasnecesidadesrealesquesepresentan enelreactor. Enloque sigue seincluye infol111acinrelativa a algunos de los mtodos de clculo sealados. MTODO EMPRICO DEL MANUAL OF PRACTICE 8 (WPCF) (1) Larelacin entrelademandade0, por unidaddeDBOseliminada, elSRT y latemperaturadel licor mezclapara unaguaresidual urbanatpicaviene indicada enlaFigura 2. 4 MTODOBASADOENLOSMODELOSDEECKENFELDERyLAWRENCEy McCARTY Estos dos modelos son,esencialmente iguales, ya que la nica diferencia entre ellos estriba enlos parmetrosutilizadosque,encualquiercasoestnunvocamenterelacionadosentres,conlo cual puede hablarse de unslo modelo. Aefectossimplificatorios,enloquesiguederesumeel mtododeEckenfelder (2)que partede lasiguiente expresin: Necesidad de 0 ,(kgO,lda) = 0, para sntesis + 0, para respiracin endgena. donde: Q(So- S) kgO,ldia = a'x3+b'xVxX 10 (2) a'=coeficienteestequiomtricoquedefinelanecesidaddeoxgenoparasntesis expresadaaefectosdeutilizacinparaelclculo,comokgO,lkgDEO,eliminada (bsicamente funcin de la SRT). Q =caudaldiario a proceso (m'/dia) So =DEO, (mgll) delafluente alproceso S =DEO, (mg/I)soluble enelefluente delproceso b'=coeficiente cinticoque defineeldesarrollodelarespiracinendgena, expresado enkgO,lkg SSLM/da (d") (funcin deSRT y de la T) V =volumen del tanque de aireacin (m'). X =concentracin dellicor mezcla (kglm') Enlatablaadjunta se indicanlosvalores de a'y b' para elrangodevalores habituales de la carga msica delproceso. 5 -. Carga msicaa'b' (\, g DBO,/d/kgSSLM)(\>gO,fkgDBO,J (d-! ) 1,00,500,136 0,70,500,13 1 0,50,500, 123 0,40,530,117 0,30,550,108 0,20,590,092 O, l0,650,066 0,050,660,040 Losvaloresdelcoeficientecinticob'indicadosenlatablasonloscorrespondientespara T=20C. Para otras temperaturas, pueden calcularse utilizandouna expresin de este tipo. b'=b''acr-20) T20X (3) Elvalor de a enelrango de temperaturas de 5 a 35C es del orden de1,029. MTODO DEL WATER RESEARCH CENTER (WRC) (3) Utili za lasiguiente expresin simplificada a partir deunaformulacinsimilar a la de Eckenfelder adoptando valores constantes de a'= 0,75, b'= 0,06 d'!Y unvalor f= 0,75que multiplica a X para tener encuenta lafraccin acti va delfango. 0,05 R (kgO,/kg DBO,) = 0,75 +--'--CMxp (4) dondeCMeslacargamsicadelproceso,expresadaenkgDBO/dfkgSSLMy(p)el rendimiento de eliminacin de la DBO,total , expresadoentanto por uno. Esta expresin se considera vlida dentro delintervalo O, l:5 CM:5 0,5. MTODO DE LA ATV (ATV-Standard A-l3 I ) (4) Utili zalaexpresingeneral: G 1 donde: kgO,/kg DBO, =a + b'Hxe (T-15)xYHxSRT !+bHxe (T-15)xSRT a =demanda de oxgeno para sntesis (kgO,/kg DBO,) (5) b' H=coeficientedelademandadeoxgenopararespiracinendgena(d' )dela fraccin activa delfango b. =tasa dedesaparicin de microorganismos por endognesis (d -) y H =coeficiente de crecimiento (kg MS/kg DBO,) que alparticulmizarlaparalos siguientes valores: (a= 0,5;b'H= 0,24;b= 0,08;Y= 0,6;e = 1,0n) seobtienelaexpresinquefiguraenla citada publicacin: 0144 x SRT xJ.on(T-15) OV='+0,5(kg 02/kg DBOe)(6) cI+SRT x0,08xJ.on(T-15) MODELO ACTIVATED SLUDGE N"!(IAWPRC) (S) Es unmodelo avanzado en elque lamateria orgnica presenteenelaguaresidualessubdividida endiversasfraccionesy donde elconcepto aplicado para elclculodelademandadeoxgeno se basaenelestablecimiento deunbalance delautilizacin de aqulydelademanda que sale del sistema en elefluente y lapurga de fangos. Elproblemaasociadoalautilizacindeestemodeloresideenlanecesidaddegenerarla infommcin suficiente sobrelosparmetros estequiomtricos ycinticosdelproceso ysobre los constituyentes delagua residuaL Enausencia deesainfoll11acinespecfica para cadaaguaresidualy proceso, esposibleacudir a valorcs dc litcratura, aunque,cncstccaso,laprccisin delmodclo nocssubstancialmcntc mayor que ladelosmtodos precedentes. 7 2.2 DEMANDA DE OXIGENO DE LA MATERIA NITROGENADA Laeliminacindematerianitrogenadaenelreactorbiolgicotienelugarmediantetresprocesos bsicos: 1.Nitrificacin:conversinbiolgicadel NH; presenteenelafluenteaformasoxidadas(NO; y NO,). La demandadeoxgenoparalarealizacindelasreaccionesdeoxidacin-reduccin quetienen lugar en este proceso se estima estequiomtricamente en 4,57kgO,por kilogramode nitrgeno-nitratofomJado. 2.Asimilacin:incorporacindeNH;alamasacelulardelosmicroorganismos(tanto heterotrofosresponsablesdelaeliminacindelamateriacarbonosacomodelosheterotrofos responsablesdela desnitrificacin biolgicay delosautotrfosresponsablesdelanitrificacin) en su condicin de nutriente necesario para elcrecimiento celular. Esimportante sealar quelaconversindelNH; quetienelugarenelprocesodenitrificacin nosuponeunaeliminacinrealdelcontenidodeloscompuestosdenitrgenodelafluentesino nicamenteunatransformacin(delaformaNIr; aNO,yNO,) Por contra,laasimilacins que supone unaverdadera eliminacin de nitrgeno por raznde sudesaparicin delsistemava la purga de fangosdelmismo. 3.Desnitrificacin:conversinbiolgicaencondicionesanxicasdelNO,fom1adopreviamente en elproceso de nitrificacin a gas nitrgeno y xidos de nitrgeno. Elprocesodedesnitrificacin contribuye areducir lademandatotaldeoxgeno delsistemapor razndequelareduccinde NO,anitrgenogasque tienelugar en aqulimplicaelconsumo de unafraccindelademandacarbonosa presente.La reduccin delademanda de oxgeno que seproduceenelprocesosecalcula,estequiomtricamente,en2,86kgdeO, por kilogramode nitrgeno-nitrato reducido. Deacuerdoconloexpuesto,lademandadeoxgenoasociadaaprocesosnihificantesya nitrificantes-desnitrificantes eslasiguiente: 8 Procesos nitrificantes donde: _4 ',--5_7 _x--'Q::....x_ N:;---_N_O-,,3-,-f kg Ida = ,103 N-NO] f= nitratos f0l111ados,expresadosenmg/l de N-NO] Q = caudal diario a proceso (m]/da). Procesos ntrfican tes-desnitrificantes 4,57xQx N-N03f kg O/da =3- 2,86 x Q x N-NO], - 10 donde: (7) N-NO],= nitratos reducidos enelsistema por conversin a nitrgeno-gas, expresados enmg/L (8) 2.2.1 MTODOSDECALCULODE LADEMANDADEOXGENODE LAMATERIA NITROGENADA Def0I111asimilar alosealadorespectoalclculodelademandadelamateriacarbonosa,tambin esposiblelautilizacindediversosconceptosparaelclculodelademandadelamateria nitrogenada. Partiendodelapremisadeque,por vasimplificada,lasdemandasdeoxgenoexpresadasen(7)y (8)tienenunabaseexclusivamenteestequiomtnca,losdiversosmtodosdeclculodifieren, exclusivamente,enlaadopcindesupuestosmsomenosprecisososimplificadosparala detemlinacindelamasadenitratosf0l1l1ados(N-NO],)enelprocesodenitrificacin,locual implicaelestablecimiento delamasade NKT del efluente queesoxidable y de lafraccindeNKT queesinCOll'orado alfangoy quenoescedido nuevamentealsistema va l sis celular o por retomo de lquidosresiduales procedentes deprocesos detratamiento de aqul. Enloquesiguesedescriben,someramente,losmtodosutilizados,enordendemenoramayor complejidad de los supuestos depallida. 9 MTODO! Se basa ensuponer que la totalidad del NKT presente enelafluente alproceso es nitrificable. Estaes una hiptesis conservadora que,lgicamente, conduce a una sobreestimacin de la demanda deoxgeno.Suutilizacinpuedeestar justificadacuandosecarecedeinformacinfiablesobreel contenido de NKT delagua a tratar. MTODO 2 Se basa en suponer que latotalidad del N-NH, presente enelafluente alproceso esnitrificable. Continua siendo una hipo tesis conservadora, aunque enmenosgrado queenelmtodo1. ElconceptoaplicadoenestemtodoresideenelsupuestosimplificatoriodequelafraccindeN-NI', incorporada defangoes igual a lade N-orgnico biodegradable presente en elafluente. MTODO 3 Se basaenrealizar unbalance demasas de todoslos compuestos denitrgeno queensus diferentes fraccionesestnpresentesenelafluente,delasfraccionesincorporadasalmaterialcelular queson eliminadas del sistema y delcontenido enelefluente. Laaplicacinprecisadeestemtodorequiereunacaracterizacinprofundadelafluenteydelas constantes estequiomtricas y cinticas delproceso. Elmodelo activated sludge N 1 mencionado previamente constituye una base terica avanzada para lautilizacin de este mtodo. 2.3COMENTARIO SOBRE LASBASESDE PARTIDA Hastaaqu,se han presentadolosconceptos bsicos ylos mtodosdisponibles para elclculode la dcmandatotal deoxgeno delsistema. Unaspectoquequedaporcomentareselrelativoalasbasesdepartidaocargascontaminantes (materia carbonosa y nitrogenada) a considerar enlos clculos. 10 Elmtodomssimplista,ydesafortunadamentedeusomsextendido,sebasaensuponer quela cargacontaminante querecibeelreactor eslacontenida en elagua bruta afluente ala planta menos aquellasfraccioneseliminadasenlasoperacionesoprocesosunitariospreviosaltratamiento biolgico (normalmente decantacin primaria). Elmtodo ms precisoy que msfielmenterefleja larealidad, estener en cuenta que, adems de las cargas contaminantes calculadas anterionnente, alproceso afluyen otTasque seencuentran presentes enloslquidosresidualesqueseproducenenprocesosposteriores,fundamentalmenteenel tratamientodelfango,yquesonrecicladosacabezadelaplantayquepuedenrepresentar incrementosdeDBO"MESy]\TKTque, enunaplantabiengestionadapuedensituarsedentrodel intervalo del 5-8% delascargas contaminantes correspondientes en elagua bruta. Parala estimacin de las cargas de los lquidos residuales vease lareCerencia (6). Comoresumenpuedesealarse queuna buenaprcticaresideenlaadopcindeunincrementodel ordendel5-8%delaconcentracindelaguabrutadelosparmetTosDBO"MESyN-NH4 para tener en cuenta elefecto sealado. 2.4EJEMPLOS DE CLCULO EnelapndiceIseincluyenunosejemplosdeaplicacindelosmtodosdeclculoexpuestos previamenteparaladeteIlllinacindelasdemandasdeoxgenodelasmateriascarbonosay nitrogenada. 2.5VARIACIONES DE LA DEMANDA DE OXGENO Lademandadeoxgenoestimadaconcualquieradelomtodosprecedentesproporcionaelvalor mediodiariooelvalormediohorariodelademanda.Sinembargo,lascargascontaminantes afluentesalsistemanosonconstantessinoquevarianeneltiempo,bienseaporquelohacenlas concentracionesdecontaminanteso,loscaudalesafluenteso,comnmente,ambosparmetros conjuntamente.Porotraparte,puedenproducirsevariacionesespacialesdelosparmetros definitOliosdelproceso,segnsealaconfiguracinhidrulicadelreactor,quedanlugara variaciones correspondientes puntuales dela demanda de oxgeno a lolargodeaqul.Endefintiva, 11 alahoradeestablecer lademandadeoxgenodediseodeunsistemaesprecisotenerencuenta dos tipos de variaciones. 2.5.1VARIACIN TEMPORAL Incluye,tantolaestacional,odelargaduracin,comolahorariaodecortaduracin (variacin horaria a lolargo delda). VariacilIEstaciollal Conrelacinalavariacinestacional,esevidentequeelsistemadebeproyectarseparala pocadelaoenquelademandadeoxgenoseamximapor razndelasmayorescargas contaminantes afluentes o por la estrategia de funcionamientoseleccionada. Ejemplosdeestavariacinestacionalloconstituyen,enloquehacereferenciaalascargas contaminantes,aglomeracionesurbanasqueexperimentancrecimientosestacionales importantes,obienEDARSquepuedenrecibircargascontaminantesdeintensidadvariable asociadas a vertidos de industrias de actividad marcadamente estacional. Asimismo,unavariacinestacionalimportantepuederesidirenlacircunstanciadequela EDARprevealanitrificacinestacional(durantelapocadealtastemperaturas)delNKT afluente,locual impone una demanda estacionalimportante. VariacilIHoraria Lavariacinhorariadelademandaalolargodeldaestasociadaalapropiavariacin horariadelascargascontaminantes,cuyoconocimientoexigeunabuena caracterizacindel perfilhorario de las concentraciones de contaminantes y de los caudales del agua bruta. La cuantificacindelavariacinhorariapresentaaspectoscomplejosya que,por unaparte, noessencillo caracterizar de fom1aprecisa alafluentey por otra,hay que tener en cuenta que lasvariacioneshorariasdelademandadeoxgenoquese producecomoconsecuencia delas correspondientesdelacargacontaminantevienenlaminadasporque:1)elprocesopresenta unainercia queimpidesuadaptacininstantnea a variacionesinstantneas,2)se produce un fenmenodealmacenamientocelulardemateriaorgnicadurantelosperodosdepunta,lo 12 cualatenalademandainstantneadeoxgenoy3)elreactorejerceunciertoefectode regulacin de las cargas contaminantes. Unmtodoaproximadoy,porloexpuestoanteriormente,conservadordeestimacindela demanda punta horaria correspondientealaeliminacin delamateriacarbonosa se basa en suponerquelafraccindelademandaasociadaalarespiracinendgenaesconstante, independientemente delavariacin horaria quese produzca de lacarga contaminante y que la demandapuntadesntesisesproporcionalalapuntadecontaminacinhorariaestimada ( Qpunta x DBOspunta ) Qmedio x DBOSmedio. Porejemplo,enunaplantaoperadaconunSRT = 5dasconunaguaurbanatpica,lademanda media deoxgenoexpresadaenkg O,lkgDBO, es delorden de 0,9, dondeunafraccindelorden de 0,56 esdebida a lasntesis y de0,34 a la respiracin endgena. Sila punta decaudalrespectoalcaudalmedio horarioesde1,6 y ladeDBO, esde1,4, lapunta de contaminacin respecto a lamedia seria1,6 x 1,4 = 2,24Y la demanda punta de oxgeno seria: Con loque: kg O,lkg DBO, punta =2,24 x 0,56 + 0,34 =1,59 Demanda punta Demanda media 1,59 -=176 09', Comopuedeobservarse,conesteprocedimientosimplificadoseobtienequeunavariacinrelativa horariamximadecontaminacinde2,24suponenicamenteunavariacinrelativahorariadel consumo deoxgeno de1,76 (78,5%). Paralaestimacindelademanda punta horaria paralaeliminacindelamaterianitrogenada se puedeadoptar elcriteriodequeaqullaser proporcionalalafraccinnitrificablequesepresente durante elperiodo de punta de contaminacin y que puede variar dentro de unintervalo delorden de 1,5a 2,5veces elvalor medio, adoptndose valores mayores cuanto menor sea elSRT del proceso. 13 2.5.2VARIACIN ESPACIAL Ladistribucinespacialdelademandadeoxgenoenunreactor,dependedelaconfiguracin hidrulica del mismo y de ladelproceso adoptado. Evidentemente,enunreactordemezclacompletaidealnoseproduciriavariacinespacialdela demanda de oxgeno por definicin propia delproceso. PorcontTa,cuantomsseaproximelaconfiguracindelreactoraladeunflujoenpistnmayor ser la variacin espacial. Enlaactualidad,existeunatendencia bastantemarcadaalaadopcindeconfiguraciones prximas alflujoen pistn, especialmente enplantas detamao medio y grande, por razn de las ventajas que proporciona encuantoalamejoradelaeficienciadelosprocesosnitrificantesyalestablecimiento decondicionesdecarcterselectorquecontribuyenapaliarlosefectosqueparticipanenel desarrollo de bacterias filamentosas (bulking filamentoso). Enestoscasosesmuyimportanteestimarlavariacinespacialdelasdemandascarbonosay nitrogenada,conobjetodeestablecerlosvalorescorrespondientesacadazonadelreactory dimensionarlosequiposdeaportedeoxgenodeacuerdoconesadistribucinyaque,deotra manera, se puede incurrir endeficiencias dificilmente subsanables a posteriori. Comosehasealadoanteriormente,elmtodomsprecisoparalaestimacindelavariacin espacialdelademandadeoxgenoeslautilizacindemodelosdesimulacindelproceso.Sin embargo,lautilizacinprecisadeestosmodelosescaraydificultosadebidaalosproblemas asociadosalestablecimientodeloscoeficientesestequiomtricosycinticosquepennitanel calibrado correcto delmodelo. Enconsecuencia,enausenciadeesainformacinesprecisoacudiradatosprocedentesdela experienciaobtenidaenotrasinstalaciones demedida de la respirometria dellicor mezclaenfomla delatasade consumo de oxgeno(OUR)expresadaenmg O, consumidos por horaylitrodelicor mezcla (mg O/lIh) a lolargo de losreactores. Estainf0l1l1acinhapeIlllitidoestablecerlaspautasgeneralesdelavariacinespacialdela demanda de oxgeno enlos ll1llinos siguientes: 14 Demanda carbonosa Lademandadeoxgenoasociadaalasntesisdisminuyegradualmentealolargodelreactordesde la entrada a lasalida delmismo. La demanda asociada a larespiracin endgena permanece prcticamente a lolargodelreactor. Demanda nitrogel1ada Lademandanitrogenadasepresentadefomlaprcticamenteconstantealolargodelreactorhasta queseproduceunefectoreductoraldisminuirlaconcentracindeN-NH4+disponiblequeejerce unefectolimitante delproceso. EnlaFigura 3semuestraesquemticamentelaevolucintericadelademanda deoxgenodeun reactor denujo enpistn. o ~ ~ ~ -0"",-g'::::::" ~E 0-u ~ Demandonitrogenol;J;do;----_______-=::j ~ e s i s Respiracionendog;;no Longitud derecclor-FIGURA3. Evolucioncualitativadelademandodeoxigenoo lolargo deunreactorconconfigurociondeflujoenpistan Evidentemente, lavariacin espac ial delasdemandas esfuncindelascaractersticas especficas de cadaplanta y,enconsecuencia, noes posible proporcionar informacin precisa sobre aqulla. Noobstante,enloquesigue,seincluyen,unoscomentariossobrelaconfiguracindelnujoen pistn y datos lpieosdelavariacinespacialdelademanda. 15 Elflujoenpistnenunreactorsecaracterizaporelcoeficientededispersinaxial(D)yel nmerode dispersin axial (N) cuya expresin es(7): D N=- (9) uL donde: D = coeficiente de di spersin axial (m'lh) u = velocidad longitudinal media delflujo(m/h) L = longitud delreactor (m) Desuncoeficientequeslopuedemedirseinsitumediantetrazadores,aunquesehadesarrollado unaaproximacinemphicarepresentadaporlasiguienteexpresinquepuedeserutilizadapara clculos estimativos (8): D =3,118 X W' x AO,,,(lO) donde: W= anchura tildelreactor (m) A = caudalde aire sumini stradoalreactor por unidad de volumen (m'/min/l O'm') Los valores caracteristicos deDson los siguientes: o = Oflujopistnideal D = 00flujode mezcla completa ideal N< 0,2flujoen pistn N > 4,0flujode mezcla completa Conociendolademandade oxigenoy elcaudaldeaireasuministrar,es posible estimar elvalor de Ny comprobar las caractetisticas dela configuracin prevista para elreactor. Otraaproximacinalproblemasepuederealizarutilizandolasiguientefm1Ulaempitica desaITolladapor elWaterRcscarchCenter deGranBretaaqueproporciona elnmerodetanques enserieequivalentes a unreactor niconocompartimentado (3): 16 N __7,4LQ( I+R) WH(11) donde: N=nmero detanques en serie equivalentes L = longitud delreactor (m) Q = caudal afluente (m'/s) R =relacin de recirculacin delfango(tanto por uno) W=anchura delreactor (m) H =profundidad delreactor (m) Lautilizacindeestafl111Ulapelmiteobtenerunaaproximacinalaconfiguracinhidrulicadel reactor.Engeneral,elnmeromnimodetanquesenserieaconsiderarparapodersuponeruna cierta aproximacin a unflujopistn es de 3. Por ejemplo, simediante laflmulaanterior se obtienen que Nes delorden de 3,unaaproximacin a la di stribucin espacialde lademanda sela lasiguiente: Demanda carbonosa Sntesis:suponer que 2/3delademandade sntesisse produceen elprimer tercio delreactor y el 1/3 restante en el segundo. Respiracin endgella:sesupone que es constante a lolargo delreactor, con valor de1/3por cada tercio deltanque. Demanda nitrogenada:suponer que es constante alolargo de los dos primerostercios del reactor (40% por tercio) y que el20% restante se presenta en elltimo tercio. Paraunaguaresidualurbanatpicayunreactor dimensionadoparaunSRT delordende4-5das, los supuestos adoptados conducilan a lasiguiente variacin espacialdela demandatotal(carbonosa + nitrogenada): Primer tercio:45-55 % Segundotercio:25-35% 17 Tercer tercio:15-25 % 2.6 ENERGA PARA MEZCLADO Laenerganecesariaparaelmantenimientodecondicioneshomogneasenelreactorpuedeser suministradapor elpropiosistemadeaireacinoporunsistemaindependienteocomplementario deaqul. Losvalorescaracteristicosdeenergademezcladodelosdiversossistemasdeaireacinutilizados en la prctica vienen indicados enelapa11adocorrespondiente a los mismos. 2.7NIVEL DEOXGENO DISUELTO Losnivelesmnimoscaracteristicosdeoxgenodisueltoamantenerenlacubadeaireacinpara garantizar la efectividad de los procesos biolgicos son los siguientes: Procesos no ntrificantes A carga media:1,0 - 2,0 mg/l A carga contaminante punta:2:0,5mg/l Procesos nitrificantes Siempre 2:2,0 mgll No obstante,losequiposdeaireacindebendimensionarse para mantener encondicionesdepunta delademandaconcentracionesdeoxgenodisueltode2,0mg!lindependientementedeltipode proceso de que se trate. 18 3. TRANSFERENCIA DEOXGENO 3.1INTRODUCCIN Una vez calculadas lasdemandas de oxgeno delproceso defangos activados (diaria, media horaria, puntahorariayvariacinespacial),elsiguientepasoeseldimensionamientodelsistemade aireacin que satisfaga tales demandas. Elobjetivofundamentaldetodosistemadeaireacinestransferir oxgenoalli cor mezcla deforma que el oxgeno disuelto por esa accin pueda ser utilizado por los microorganismos en las reacciones involucradas en el proceso. Bsicamente,lacasitotalidaddelossistemasdeaireacinutilizadosenlaprcticasefundamentan entransferir oxgeno al licor mezcla a pariir delexistente enelaire.Excepcionalmente, lossistemas denominados de oxgeno puro se basan enelaporte directo de gas oxgeno alsistema. Dejandoaparteestesistema cuyautilizacinenEDARSestmuy pocoextendida,conrelacinal restodesistemasesposibleestablecerunaprimeraclasificacinatendiendoalamaneraen que se realiza la transferencia de oxgeno segn se indica en elCuadro 1. CUADRO 1.CLASIFICACIN GENERAL DE LOS SISTEMAS DE AIREACIN SISTEMA DE TRANSFERENCIA DE O,AL LICOR MEZCLA AIREACINA PRESIN ATMOSFJUCAA PRESIN> A TMOSFJUCA Transferenciadeoxgenodelaire ambientealmedioacuosopor fomJacinyexposicindegotas SUPERFICIAL delquidoalaireatmosfricoy atrapamientoturbulentodeaIre con fomlacin de burbujas. SiempreseproduceunapequeaTransferenciadeoxgenodesde transferenciadeO,enlaburbujas generadaspor inyeccin SUBSUPERFlCIAL O superficiedelmedioacuosoendeaire almedio acuoso. SUMERGIDO contacto conel aire ambiente. Suentidadestanpequeiiaque no se contabiliza. 19 Endefinitiva,elfenmenofundamentalqueseproduceentodosistemadeaireacineselde transferenciagaseosadesdeelairealafaseacuosa.Enloquesiguesepresentaunainformacin bsica sobre latransferencia de oxgeno a un medio acuoso. 3.2 ECUACIN GENERAL DE LA TRANSFERENCIA DE OXGENO Latasadetransferenciadeoxgenodesdeunafasegaseosaaotraacuosavienedescritaporla siguiente ecuacin: donde: dC dt tasadevariacindela concentracindeoxgenodisueltoenelmedioacuoso(tasa de-= transferencia) (kglhlm'). KLa=coeficiente volumtrico medio aparente de transferencia (bol). Cro= concentracinmediadesaturacindeoxgenodisueltoenelmedioacuosotrasun tiempo de aireacin infinito (kg/m'). C =concentracin media de oxgeno disuelto enel medio acuoso (kg/m'). Deacuerdoconestaexpresin,lamasadeoxgenotransferidoporunsistemadeaireacinaun reactor de volumen V(m') ser lasiguiente: OTR (kgO,lh) =KL a . V . (Cro- C)(13) donde: OTR =Tasa de transferencia de oxgeno delsistema de aireacin almedio acuoso (kg O,Ih). Elvalor delaOTR deunsistema deaireacinconstituye elaspectofundamentaly caracteristico de aqulyeslabase paraelclculodelequipamientonecesarioparagarantizar elfuncionamientodel proceso. 20 1 Evidentemente,entrelosfactoresquedefinenlaOTR,KLayCro'dependen,ademsdeotras variables, de las caracteristicas especficas delmedio acuoso.Comoquiera que las caractensticas del aguaresidualsonsiempredistintasparacadacasoparticular,esimposibledisponerdevalores representativosde KL a yCro'para cada agua residualpor loqueen laprctica,lacuantificacin de laOTRdeunsistemadeaireacinserealizaenunascondicionesnormalizadasdeformaqueel valorobtenidopuedeser utilizadocomoreferenciaparacadacasoparticular conlassalvedadesy correcciones que se describen ms adelante. 3.3TRANSFERENCIADEOXGENOENCONDICIONESNORMALIZADAS (ESTNDAR) LaOTRdeunsistemadeaireacinsemideenensayosllevadosacaboenunascondiciones normalizadas y de acuerdo con unprotocolo perfectamente definido (9). Las condiciones derealizacin delensayo estndar para elclculo dela OTR son lasindicadas enel Cuadro 2. CUADRO 2.DEFINICIN DE LAS CONDICIONES NORMALIZADAS P ARl\1ETROCONDICIONES NORMALIZADAS MEDIO ACUOSOAgua de la redde abastecimiento TEMPERATURA DEL MEDIO ACUOSO20 oC(USA);10C (Europa) PRESIN A TMOSFRlCA1,0 atmsfera OXGENO DISUELTO0,00 mgll TEMPERATURA DEL AIRE20C HUMEDADRELATIVADELAIRE36% (Sistemas subsuperficiales) Elensayo realizado proporcionalos siguientes valores: Cro',o(Cro'a20oC)(sistemas sumergidos) 21 Elvalor dela OTR de un sistema de aireacin encondiciones estndar se suele denominar SOTRcw (S por standard y cw por agua limpia entem1inologa anglosajona) y tiene elsiguiente valor: (14) LosfabricantesdelosequiposdeaireacinproporcionanlosvaloresdeC" ""20'KLa20 ySOTRcw paralasdiferentesconfiguracionesadoptadasparacadaensayo(geometradeltanque,tipode aireador,potenciaespecficaaplicada,sumergenciaydensidaddedifusores,disposicindelos difusores, etc .. ). 3.3.1 EXPRESIONES DE LA EFICIENCIA DE UN SISTEMA DE AIREACIN Como se haindicadoanteriomlente,elensayoencondiciones nomlalizadas proporciona elvalor de laSOTRcIV, en kilogramos de oxgenotransferdo por hora por elsistemadeaireacin,elcuales la expresin de lacapacidad de transferencia o deoxigenacin del mismo en aquellas condiciones. Enlaprctica,lacapacidaddetransferenciasesueleexpresar,pormediodelossiguientes parmetros: AIREACIN SUPERFICIAL Tasa o capacidad de transferencia (kg O/h) Eficienciadeaireacin(kgO,IkWhabsorbido).ElvalordelaSAEsecalcula mediante lasiguientes expresin: AIREACIN SUMERGIDA SOTR(cw)(kg02 I h) SAE()-CIV- Pab(kW) Tasa o capacidad detransferencia (kg O/h). Algunosfabricantesdedifusoresproporcionanestevalor referidoalasumergencia delosmismos,expresadocomogramosdeO,transferidoporhorapormetrode sumergencia (grO/h/m). Eficiencia de transferencia ('lo). 22 Es la relacin entre la masa de oxgeno transferido por elsistema y la existente en el airealimentadoalmismoencondicionesnormales(20oC,760mmdepresiny 36% de humedad relativa). El valor de la SOTE(,w) se calcula mediante la siguiente expresin:(15) Masa de oxgeno transferidoSOTR(cw)(kg02 /h) SOTE()=x100 =x100 CIVMasa de oxgeno alimentadoQ(Nm3 / h)x0,277(kg02 / Nm3 ) donde: Q:caudal de aire en condiciones nOllnales alimentado alsistema de aireacin (Nm'/h). 0,277:contenido de oxgeno en elaire en condiciones n0l111ales(kg O/NmJ). 3.3.2 INFORMACIN SUMINISTRADAPOR LOS FABRICANTES DE LOS EQUIPOS DE AIREA CIN RESPECTO ALA EFICIENCIA DE TRANSFERENCIA AlREADORES SUPERFICIALES Lainformacinreferenteaaireadoressuperficialessesuelepresentarpormediodecurvas caractensticasdelosmismosdeltipodelaindicadaenlaFigura4,endondeserepresentala eficiencia de transferenciaSAEcw (kg O,IkWh),lacapacidad detransferencia SOTRcw (kg O/h) y la potencia absorbida en eleje P(kW) enfuncin de lasumergencia deldispositivo de aireacin. AIREACIN SUMERGIDA DIFUSORES POROSOS Lainfom13cin referenteadifusores porosos sueleincluir los datos correspondientes alaeficiencia detransferenciaSOTEcw(nomlalmenteexpresadosen%paraunasumergenciadadaoen%por metrodesumergencia)en[uncindelcaudalnomlaldeaireaplicadopor difusor.Dependiendode ladisposicindelosdifusoreseneltanque,losgrficossuelenincluir unafamiliadevaloresde la SOTEcw, fundamentalmente clasificadas en funcinde la densidad de difusores. Adicionalmente,proporcionaninformacinsobrelasprdidasdecargaqueseproducenenel sistemaensucondicininicialnuevaadiferentescaudalesdeairenormalaplicadopordifusor. p ~ -= "" ~ = ------~ ~ '" o ~ = c. C. ., u ~ := ....., '" -< V> c.n ~ -~ SOIRcw -10O+10Hc.cl.l FIGURA4. Eficiencia deaireacian (SAEcw),capacidaddetransferencia(SOTR cw) y potencioabsorbida(P)deunoturbinasuperficiallento,segunlo sumergencia 60 SS 50 45 40 :;; SOi[ (W( ~ j lO 25 20 IS 10 525 ~ ~ lJ5 ~ .. e le' 2 "" 250 ~ ~ 12S o -I ; I I o0.5 --kJ _1 I -9M 1---J I I III , I I II I I I II I I I I I 1 , III 1522.SlJ.S Caudal deaire/ difusor(NM3/hr) 1 I e,1 I I -I l 'j . ~ ~ Jl 4.SS Eficiencia de(Jirccion StE,,(Kg02 N,;,) l ~5 ~~ ~ s l l s ---- Densidad25% Eficienciadetransferencia enfunciondelcaudal ---- Densidad2,5%ceaire normal pordifusor,sumergencioy densidaddedifusores - --'----j --- j --I II Di fusertcr;ficioI - ---L -- ----I SOlomerledif usor I -k , - - -,-+ I Solamente orifi cioIdecontrol I - - ~- - r -! - -II o2l Caudaldeairenormal /difusor(Nml/h) Perdidasdecargodel dif usorenfunciendel caudeldeaire FIGURA5. Curvastipicasdeef icienciay perdidadecargaendifusoresporososfinos En laFigura 5 se muestran unos grficos tpicos para difusores porosos de disco. OTROS TIPOS Lainfommcinesvariable,enfuncindeltipodedispositivodequesetrate,aunque,engeneral, suelenproporcionar curvas que relacionanlaeficiencia conelcaudaldeaire,lavelocidadde giroy lasumergencia delaireador. Esmuyimportantesealarquelosdatossuministradosporlosfabricantescorresponden, exclusivamente,alosresultadosobtenidosenlascondicionesestndarsealadasyconunas configuracionesespecficasyque,por lotanto,nopuedenser utilizadosindiscriminadamentepara condiciones diferentes y,especialmente, paraelmedioacuosoenquetienelugar laaireacinenlas EDARS,esdecir,ellicormezcladelreactor,sinefectuarlascorreccionesquesecomentanenlo que sIgue. 3.4 TRANSFERENCIA DE OXGENO ENCONDICIONES DE CAMPO Eltmlinocondicionesdecampoenglobatodaaqullasquesepresentanenunreactorenunas circunstancias dadas.Elloimplicalas condiciones particularesdelos parmetTosfisicosambientales (temperatura,presin,humedaddelaire)ylasdellicormezcla(temperatura,oxgenodisueltoy constituyentesespecficos)ylasdelreactor(tipoycargadeproceso,geometria,configuracin hidrulica, di sposicin del sistema de aireacin). Estascondicionesdefuncionamientorealimponenunconjuntodecorreccionessobrelos parmetTosconocidosquedefinenlatransferenciadeunsistemadeaireacinencondiciones estndar. EnelCuadro 3seresumenlosfactoresprincipalesqueinlluyensobrelosparmetrosmedidosen ensayos nOllllalizados. 24 CUADRO 3.COEFICIENTES DE CORRECCIN PARA EL PASO DE LA TRANSFERENCIA DE OXGENO EN CONDICIONES ESTNDAR A CONDICIONES DE CAMPO COEFICIENTE DE CORRECCIN a p e REFLEJA LA INFLUENCIA DE -...... , . . Caractersticasdelaguade proceso Caractersticasdelaguade proceso Temperatauradelaguade proceso SOBRE K,a C",' (C,) KL3 EXPRESIN ' . ~ . - ~~ j ~ - ,. ~;: i:.. KLa(pw) = KLa(cw) 13 = e",.(pw)es(pw) Coo (cw)es(cw) (T-ZO)= KLaT(pw) KLaZO(pw) OBSERVACIONES .... .' Elfactorex estinOuenciadopornumerosasvariables.Lasms importantes son lassiguientes: Naturalezadeloscontaminantesdelaguaresidual,especialmente los tcnsoactivos. Tipo de sistemadeaireacin. Potenciaespecifica aplicada (\V/m'). Geometradeltanque. Tamao delaburbuja(en aireacin subsupcrficial). Carga detrabajo delreactor. Caudal deaire(en aireacin subsuperficial). Elfactor apuede variar segnlascondicionesespecificas entre 0,2 y 1,0 o incluso> 1,0 (aireadores superficiales). ElfactorPesfuncin dela salinidad del aguade proceso. Sepuedecalcular apartir detablasqueproporcionanlosvaloresde Cs en funcin del contenido en cloruros o delasalinidad delagua de proceso. En aguas residualcs municipales sucle varar entre 0,95 y1,0. Elfactore estainfluenciadoporeltipodeaireador,geometradel tanque y nivel deturbulencia. Su valor suele variar entre1,008 y1,047. Elvalor tpico utilizado en los clculos es1,024. tTemperaturadelaguade Cro *CsT(cw) ElfactortreflejaladisminucindeCrooC,alaumentarla Coo T(pw) proceso (C,) = *-temperatura. Cco20(pw)- Cs20(cw) Suvalorsecalculaapartirdelastablasnonnalizadasde concentracin deODa presin atmosfrica a diversastemperaturas. QPresinatmosfrica Cro TABLASElfactorQreflejaladisminucindeCrooC,conlapresin ambiental (C,) atmosfrica (nonnalmente la altitud del lugar). Su valor se obtiene de tablas nonnalizadas. FColmataciny/odeterioroKLaex real = exxFLacolmatacin de undifusor puede originarse por: (difusores porosos) deldifusor Efectosexternos,debidos a lascaracteristicasdelaguadeproceso. Puedeproducirseporprecipi tacindecompuestosinorgnicoso fornlacin de peleulas biolgicas en lacara externa del difusor. Efectosinternos,debidoala presenciadepartculasenelairede alimentacin (polvo, aceite, otrosslidos). El deterioro puede ser debidoa: Ataquedecompuestosdelaguadeproceso(difusoresde membrana). Ataquedecomponentesdelairedesuministro,bsicamenteel ozono (difusores de membrana). I Acciones mecnicas (sobrctcnsiones)en difusores demembrana. ElvalordeFsueledisminuirconeltiempodeservicioyes susceptible de recuperacin por limpieza delosdifusores. Por definicin, en undifusor nuevo F = 1. Los valores caractersticos deF son del orden de 0,8- 0,85. -* Adaptado parcialmente de la ReferenciaI Laaplicacindeloscoeficientesdecorreccinindicadosalaecuacindelatransferenciaen condicionesestndar proporcionaelvalor delaOTRpw(pw por aguadeprocesoenterminologa anglosajona)otransferenciadeoxgenodeunsistemadeaireacinencondicionesde campoy,a partir de aqul elde la OTEpw correspondiente. AIREADORES SUPERFICIALES OTRpw (kgO,lh) =KLa"x8IT20)xax(tf3QCsoo-C)xV(16) donde: Cs,,:eslaconcentracindesaturacindeoxgenodisueltoenaguadeabastecimientoa 20Cyquepuedeserobtenidadirectamentedelastablasnormalizadas correspondientes. AIREADORES SUBSUPERFICIALES OTRpw (kgO,lh) = KL a"xaIT''')xaxFx(t f3Q. C ~ 2 0- C) X V(17) donde: C ~ 2 0 :eslaconcent racinmediadesaturacindeoxgenodisueltoatiempodeaireacin infinito, obtenida apartir de las mediciones efectuadas en elensayo estndar. Comopuedeobservarse,lasdiferenciasentreambasexpresionesresidenenelfactorF (colmatacin/deterioro)adicionalyespecficoparaelcasodeaireacincondifusoresporososyen los valores delas concentraciones desaturacin deloxgenodisuelto,CS20 para aireacin superficial yC ~ 2 0para subsuperficial. Larazndeutilizarvaloresdistintosdelasconcentracionesdesaturacinparalosdostipos genricosdesistemasdeaireacinresideenqueenlaaireacinsuperficiallatransferenciase reali zaapresin ambiente que es muy prxima ala atmosfrica,mientras que en lasubsuperficial, latransferenciasellevaacabodesdeburbujascuyogasqueseencuentraaunapresinabsoluta supetior (laambiental-1- prdidasdecarga enelsistemadeaporte-1- ladelacolumnadelquido existente sobre ella). 25 I CONCENTRACINDESATURACINDEOXGENODISUELTOENAGUAEN FUNCINDELATEMPERATURAYCONTENIDOENCLORUROSAPRESIN ATMOSFRICA CONCENTRACiN OD (mg/l) CLORUROS (mgll)CLORUROS (mg/l) Temp. oCO5.00010.000Tcmp. oCO5.00010.000 0.014,6213,7312,8921,08,918,468,02 1.014,2213,3612,5522,08,748,307,87 2.013,8313,0012,2223,08,588,147,73 3.013,4612,6611,9124,08,427,997,59 4.013,1 112,3411 ,6125,08,267,857,46 5.012,7712,0211,3226,08,117,717,33 6.012,4511 ,7311 ,0527,07,977,587,20 7.012, 1411 ,4410,7828,07,837,447,08 8.011,8411,1710,5329,07,697,326,96 9.011,5610,9110,2930,07,567,196,85 10.011,2910,6610,0631,07,437,076,73 11.011,0310,429,8432,07,316,966,62 12.010,7810, 189,6233,07,186,846,52 13.010,549,969,4134,07,076,736,42 14.010,3 19,759,2235,06,956,626,31 15.010,089,549,0336,06,846,526,22 16.09,879,348,8437,06,736,426,12 17.09,679,158,6738,06,626,326,03 18.09,478,978,5039,06,526,225,93 19.09,288,798,3340,06,416,125,84 20.09,098,628, 17 FACTORDECORRECCINDELACONCENTRACINDESTURACINDE OXGENO DISUELTO EN AGUA SEGN LA ACTITUD Altitud (m) I C I Altitud (m) I C I Altitud (m) I C I Altitud (m) I C 200,9984200,9528200,90914400,845 400,9954400,9508400,90714800,841 600,9934600,9488600,90415200,837 800,9914800,9468800,90215600,834 1000,9885000,9439000,90016000,830 1200,9865200,9419200,89817000,820 1400,9845400,9399400,89618000,810 1600,98 15600,9379600,89419000,801 1800,9795800,9359800,89220000,792 2000,9776000,93210000,890 2200,9756200,93010400,886 2400,9726400,92810800,882 2600,9706600,92611200,877 2800,9686800,92411 600,873 3000,9667000,92212000, 869 3200,9637200,91912400,865 3400,9617400,91712800,861 3600,9597600,91513200,857 3800,9577800,91313600,853 4000,9548000,91 114000,849 26 I Como seha sealado,CS20 puedeobtenerse directamente detablas nonmalizadas como las adjuntas altexto.Porcontra,C'_20esunvalorcaractersticodelensayorealizadoenagualimpiayque puede ser obtenido del fabricantedelequipo deaireacin. EnlaFigura6(10)seincluyeelrangodevalorestpicosdeC*_20obtenidosenensayos normalizadoscondifusoresdemembranaperforadadetipodiscoytubularparadiversas sumergencl as . Comopuedecomprobarse,mientrasqueC"_20tieneunval orunvocode9,092mg/ l, C*_20vara aproximadamente desde 9,6 a12,5mgllenel intervalo de profundidades ylos difusores indicados. 12.5 11.5 C*0020(mgjl) 10.5 9.5 1111 V lomayorportede105puntos /correspondeno: defectivo= 0.4x sumergencio /. ~ V / 2VI/1 /. / / /, '+ YI // l ' V / o23456759 Sumergencio delosdifusores(m) FIGUP.A6. ValoresdeC*0020enfunciondelosumergencio poro difusores porososfinosdediscoy detubo 3.5 FACTORESQUEINFLUYEN SOBRELA TRANSFERENCIADEOXGENOEN CONDICIONES DE CAMPO Losfactoresqueinfluyensobrelatransferenciadeoxgenoencondicionesdecamposonmuy numerosos y de alguno dc ell ostodava noscposeeinformacin suficientemente slida. 27 En elCuadro 4 se presenta, de[onna resumida, elconjunto defactoresfundamentalesqueafectan a latransferenciadeoxgeno,agrupadoscomofactoresquesonfuncindelaconfiguracindel sistema,factores operacionales y factoresque dependen de las caractersticas delagua de proceso. CUADRON4FACTORESQUEINFLUYENSOBRELATRANSFERENCIADE OXGENO (1) FACTOR FUNCINDELACONFIGURACiNDEL SISTEMA Rgimendeflujo Geometra deltanque FUNCiN DE LAOPERACIN DEL PROCESO Tiempoderetencincclular/nitrificacin Carga rnsica Concentracindeoxigeno disuelto FUNCiN DE LAS CARACTERSTICAS DELAGUA RESIDUAL Caractersticas delagua residual Temperatura dellicor mezcla E J E ~ P L ODE LAINFLUENCIA SOBRE LATRANSFERENCIA DE OXGENO Lostanques conconfiguracinhidrulicadeltipodeflujoenpistntienen, engeneral,mayoreficienciadetransferenciadeoxgenoquelosde alimentacinescalonada. Lostanquesdepocalongitudymuchaanchurapresentanmenos variacionesde uFa lolargodelosmi smos queaqullosenquebrelacin longitud/anchuraesalta. Losprocesosquefuncionancontiempoderetencincelularaltotienen mayor transferencia deoxgeno, Losprocesosnitriiicantestienenmayortransferenciadeoxigenoquelos quenonitriiican. Elaumentodelvalordelacargamsicadisminuyelatransferenciade oxigeno. Alaumentarlaconcentracinde00enellicormezcla,aF(SOTE) disminuye. Elaumentodeagentesqueinterfierenconlatransferencia,talescomolos tensoactivos(amenudoasociadosa incrementosdela080) dalugara la disminucindelatransferencia deoxgeno. Alaumentar latemperaturadellicormezclase incrementalatransferencia de oxigeno. 3.6 METODOLOGA DE CLCULO DEL SISTEMA DE AIREACIN La metodol?ga a seguir para elclculo del sistema de aireacin esla indicada en eldiagrama 1. En elApndiceIse incluyen ejemplos de clculo. 28 DIAGRAMA1: METODOLOGIADECALCULODESISTEMASDEAIREACION II

f/ClOOB OXlGEJlOCffilA1IIIlS T -' I II I.1. I II DDJ;,';D.I, OS7ii8\.OO11 I f J $e I 1'::I lDJ?[?,.Ii\):,ACQ!iCfliT?JDCti

ESP"'" O< LICOR00m:::I1TE T;U.s Csr(CI) O('ID/h) 1.0 L...___--'Potencia Neta Absorbida (Eje) Potencia absorbida =Potencia neta xed xem En elApndice1 se incluye unejemplo de clculo. 4.1.7 ENERGA PARAlIfEZCLADO Laenerganetaaplicadaaunreactordivididaporelvolumendelmismosesueledenominar potencia especfica y se expresa, nonnahnente, enW/m'. Paramantenerensuspensinlamateriaslidaenellicormezclaserequiereunapotenciade agitacincapaz deimprimir alas partculas slidasunavelocidad mnima, suficiente para que no decanten(entre 0,25y 0,30 m/sg).La potencia mnima de agitacin varia segn la densidad de las partculasslidas,lageometradelrecintodeaireacinyelsistemadeaireacinempleado. N0I111almenteest comprendida entre15y 30 W/m'. Enprocesosbiolgicosdemediayaltacarga,lapotenciamnimadeagitacinesinferiorala potencianecesariaparalaoxigenacin.Enlosprocesosdebajacarga(aireacinprolongada),la 36 1 potencia mnima demezclado puede ser superior, por loque en estos procesos esimportante tener encuenta estacircunstancia. 4.1.8 REGULACINDELAOXIGENACINENLOSSISTEMASDEAIREACIN SUPERFICIAL Eloxgenotransferidoporunsistemadeaireacindebeadaptarselomximoposibleala demandadeoxgenoqueencadamomentoexisteenelprocesodetratamiento,defomlaqueel niveldeoxgeno disueltoenelrecintodeaireacin noseamuy bajoonulo,loquesupondra una perturbacinenelproceso,niexcesivamenteelevado,porquecomportaraungastosuperfluode energa. Elcontroldelaregulacindela oxigenacin puede realizarse segn dos procedimientos: Por temporizacilIdelful/ciol/amiel/to delos aireadores Esunprocedimiento prmariobasadoenlaexperienciaadquiridaenlaexplotacindelaplanta, queimplica elestablecimiento de unos intervalos horarios en los que se comprueba quela marcha deundetem1nadonmerodeaireadores inferior a latotalidaddelosexistentes pennite mantener unas condiciones en elproceso que, aparentemente, no afectana la calidad delefluente. Elcasoextremoest representado por elfuncionamientoen rgimendetodoo nada deun reactor que consta de unsolo aireador. Por col/trol de! oxgel/o disuelto existel/te el/e! reactor Eselprocedimiento ms adecuado y quese basa enestablecer unasconsignas defuncionamiento segn unnivelmnimo y otro mximodeoxgeno disueltoen el reactor. Este sistemaimplica lainstalacin enel reactor desondasdemedidadeoxgeno disueltoy de un sistemaautomatizadodecontrolyregulacinquecomparalosvaloresmedidosconaqullas con losestablecidosenlasconsignasyque,enfuncindeestacomparacin,actamodulandoel funcionamiento delosgmpos motosoplantes. Enlaactualidad,conlasalvedaddeplantasdemuypequeotamao,eselsistemadecontrol utilizadoenlasEDARS. 37 Sloexistendosvariablessobrelasquesepuedeactuarparamodificarlacapacidadde oxigenacin de los aireadores superficiales: lavelocidad degiroy la profundidad deinmersin. Se pueden adoptar cuatrodisposiciones: Marcha y parada delos aireadores. Marcha a dosvelocidades. Variacin continua delavelocidad. Variacin delainmersin del aireador. Laregulacinmediantemarchayparadadelosaireadores,eslamssencillayeconmica.Es unaregulacinbrusca(todoonada)peroquepuedesereficaz,dependiendodelnmerode aireado resinstalados en elrecinto deaireacin. Enlaregulacindedosvelocidadesseutilizanmotoresdedoblevelocidad.Esunaregulacin msfinaquelaanteriorperotambinmscara.Enestossistemashayquecomprobarquela potenciaabsorbidaenvelocidadbaja,quequedareducidaaaproximadamente1/3dela correspondiente a alta velocidad, sea superior a la mnima deagitacin. Laregulacindevelocidadvariablerequiereelusodemotoresconvariadordefrecuencia, controlados automticamente. Suempleoesmuy reducido debido a sualtocoste. Laregulacinmediante variacindelainmersindelaireador se realizamodificando laalturade lalminadeaguaconvertederosregulables.Laeficaciadeestesistemaestrelacionadaconla respuesta,encuanto a capacidad deoxigenaciny aportacinespecfica, que presente elaireador frentea una variacin de inmersin, que esmuy diferente segn el tipo deaireador. Laeleccindelsistemaderegulacindependerdelarelacincoste-beneficio,delsistemade aireacinutilizado, y delas condiciones previsibles deexplotacin. Laregulacindeloxigenodisueltoenelrecintodeaireacinesmssencillaenunprocesode mezclacompletaqueenunodeflujopistn,debidoaqueenelprimercasolademandade oxgenoesprcticamentelamismaentodoelvolumen,mientrasqueenelsegundovariaalo largodelrecinto. 38 4.2 AIREADORES SUB SUPERFICIALES EnelcuadroG seresumenlastipologasdelosaireadoressubsuperficialesquesehanvenido utilizando hastalafecha,incluyendounacualificacin delos mismoscon relacina sueficiencia detransferencia deoxgeno y una breve descripcin desuscaracteristicas bsicas. CUADROG.TIPOLOGAS DE SISTEMAS DE AIREACIN SUBSUPERFICIALES (6) TIPO Poroso fino Placa Domo Disco Tubo Otros dispositivos Tubo esttico Eyectorescon inyeccin de aire Aspiracin Tubo enU Eficiencia de transferencia Alta Alta Alta Moderada a alta Baja Moderada a alta Baja Alta Caractersticas bsicas Placasceramtcascuadradas instaladassobresoportesfijosoen la solera deltanque Difusorescermicosconformade domoinstaladossobrelas conduccionesdedistribucin ubicadas enelfondodeltanque. Discosceramtcosrgidoso flexiblesdemembranaporosa instaladosenlasconduccionesde distribucinubicadasenlasolera deltanque. Difusor enformadetubodemedio cermicorgidoodeplstico flexibleodegomasinttica instaladosenlastubenasde distribucin. Tuboverticalinstaladoenelfondo deltanquequefuncionacomo airlift. Dispositivoquedescarga,atravs deunaboquillasituadacercadel fondodeltanque,unamezclade airecomprimidoylquido bombeado. Bombadehliceinclinada instaladaenlasuperficiedel tanquequeaspiraaireyliberabajo lasuperficieunamezcladeairey agua. Descargadeairecomprimidoenel tramodescendentedelosreactores tipoDeep Shaft. 39 Losaireadoressubsuperficialesdeusoprcticamentemayoritariosonlosdeltipodedifusores porosos finos. Delrestodesistemasindicados en elcuadro6,lostubosomezcladores estticossehanutilizado eventualmenteenalgunasplantasaunqueentrminosgenerales,estossistemastienen rendimi entos bastantes inferiores alosdelosdifusores porososfinos. 4.2.1 DIFUSORES POROSOS FINOS Enelpasadosehabanempleadodiversostiposdedifusoresquesediferenciabanpor eltamao delaburbuja producida yquebsicamente seclasificaban en: Difusores deburbuja gruesa (6mm < Dimetro