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OTROS PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS:

AERACION PROLONGADA,

DOBLE ETAPA Y PROCESOS SECUENCIALES

Juan Antonio Cortacáns Torre

Contaminación debida a la materia orgánica se retira del agua residual por metabolismo de los microorganismos :

Una parte se transforma en el metabolismo energético con consumo de oxígeno en productos inorgánicos

La otra parte en el metabolismo de síntesis se transforma en biomasa : Flóculos de fangos activos. Flóculos incluyen materia orgánica parcialmente biodegradada o no biodegradada.

Procesos de baja carga (aeración prolongada):

Metabolismo energético es más notorio

Se consume más oxígeno

Se biodegrada incluso la materia orgánica lentamente biodegradable y gran parte de las bacterias formadas.

Procesos de alta carga (etapa A del proceso AB):

Hay una baja biodegradación

Se consume menos oxígeno

Se acumulan en los fangos más partículas orgánicas sin biodegradar y más bacterias.

3

9

Procesos convencionales: Sólo se biodegrada una parte de Xs. Por ello hay numerosas fórmulas empíricas,

Baja carga se biodegrada toda la fracción (previa hidrólisis) . Se puede hacer cálculo muy fiable, previo fraccionamiento del agua residual.

Alta carta (etapa A del proceso AB): Muy baja biodegradación. La materia orgánica se absorbe en el fango. Hay que recurrir a fórmulas empíricas o a datos de plantas similares.

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Objetivo: Conseguir la estabilización del fango dentro del propio reactor biológico.

Consecuencias:

La planta no necesita un proceso de estabilización separada (digestión aerobia o anaerobia)

No es lógico disponer de decantación primaria, en principio

La planta es muy sencilla de diseñar, construir y operar

Unidades de proceso:

Línea de agua: Desbaste – Desarenado-desengrasado – Reactor biológico – Decantador secundario

Línea de fango: Purga de fangos en exceso – Espesador de fangos – Deshidratación

Parámetro de diseño básico para conseguir la estabilización es la edad del fango

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AERACION PROLONGADA

CALIDADES DEL EFLUENTE Y DEL FANGO PRODUCIDO

Al aumentar la edad del fango la concentración de DBO5 o DQO en el efluente disminuye.

Esto se refleja en cualquier modelo sencillo de los procesos biológicos:

La DBO5 de salida en muestra filtrada es normalmente < 5 mg/L

Edad del fango necesaria para la “estabilización” mayor de la necesaria para la nitrificación. Es muy complicado evitar dicha nitrificación.

Lo más razonable es configurar el reactor para conseguir la nitrificación y desnitrificación. Se consumirá menos oxígeno y se evitarán problemas de desnitrificación incontrolada en el decantador secundario.

Estabilidad del fango: Criterio respirométrico SOUR 2 g O2/kg VSS.h

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CONFIGURACIÓN DEL REACTOR

Configuraciones más habituales:

Flujo pistón con tanque anóxico si se desnitrifica

Sistemas en carrusel de diversas formas . Pueden operarse como desnitrificación simultánea o intermitente.

Sistemas en carrusel:

Gran calidad de salida en los casos de desnitrificación

Proliferación de filamentosas por la baja concentración de materia orgánica.

Solución: Disponer selectores previos al reactor principal.

Selector aerobio. Perjudica la desnitrificación.

Reactor anaerobio. Requiere más volumen: Hay que diseñarlo para conseguir la existencia de bacterias acumuladoras de fósforo.

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Esquema flujo-pistón

Esquema carrusel (DN simultánea o intermitente)

23

25

Esquema con reactor anaerobio

Esquema con selector aerobio

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Depuradora de Lorquí

Parámetros de diseño

Parámetro básico: Edad del fango

c 25 . 1,072(12-T) días

No se recomienda bajar de c = 12 días

Cargas másicas correspondientes (12-22ºC): 0,04 a 0,08 kg/kg.dia

Cm es parámetro de comprobación.

Concentración de MLSS: 3,5 a 4,5 kg/m3

IVF favorable: 75-120 ml/g

Tiempo de espesamiento en decantador secundario: 2 – 2,5 h

Rendimiento eliminación DBO5 > 95%. Salida de DBO5 filtrada mínima. Prácticamente la salida sólo depende de fugas del decantador secundario.

Estabilización fangos: SOUR < 2 g O2/kg VSS.h

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VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO EN COMPARACIÓN CON LOS PROCESOS CONVENCIONALES DE FANGOS ACTIVOS

Ventajas

Esquema de la planta muy sencillo

Menos equipos e instalaciones mecánicas y eléctricas.

Menor necesidad de mano de obra

Gran calidad del agua de salida (en materia orgánica y nitrógeno)

El propio reactor puede servir para almacenamiento de fangos

Menor producción de fangos

Poca incidencia de olores

Inconvenientes

Ocupa más espacio especialmente cuando no sea necesario nitrificar

Puede ser más costosa la obra civil

Más consumo energético

No hay posibilidad de producir energía a través de la digestión del fango

La configuración en carrusel es proclive al bulking

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El proceso A-B consta de dos etapas en serie de fangos activos.

Características básicas:

Estricta separación de las biocenosis de las etapas A y B

Etapa A:

Carga másica muy alta: Hasta 5 kg DBO5/kg MLSS.día en la etapa A

Puede operarse como etapa aerobia o facultativa. Normalmente se opera aeróbicamente (OD ≥ 1 mg/l) y con suficiente biomasa (MLSS ≥ 2000 mg/l).

Etapa B:

Carga volumétrica: Entorno de 1 kg DBO5/m3. día

Carga másica de 0,3 kg DBO5/kg MLSS. Día.

Sólo tiene sentido con digestión anaerobia de los fangos.

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PROCESO AB (ADSORPTION-BIOOXIDATION)

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PRET. D 1 D 2 R 1

FE 1 FE 2

ETAPA A ETAPA B

R 2

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Depuradora de Bejar

RENDIMIENTO DE LA ETAPA A

Variación importante de unas plantas a otras

Valor típico de 50-60% para la reducción de DBO5 en la etapa A

Contenido de oxígeno de 2-3 mg/l.

Consumo energético 0,30-0,35 Kwh/kg DBO5 eliminada

Incrementos de concentración de materia orgánica intermitentes en entrada producen una mayor eliminación: Efecto tampón.

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REACCIÓN A CAMBIOS DE pH Y CARGAS TÓXICAS

Bajadas muy importantes de pH suelen tamponarse en la etapa A. Los efectos negativos no perturbaron a la etapa B

Esta cualidad también se produce con pH básicos

Causa posible: Uniformidad de la población bacteriana de la etapa A – Fundamentalmente microorganismos procariotas

La capacidad tampón se manifiesta también con influentes tóxicos.

Se observa un mecanismo de supervivencia de la biocenosis en base a alta adaptabilidad.

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CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DE PROCESO CONJUNTO

Alta eliminación de DBO5 en la etapa A

Etapa B tiene mucho menos volumen que un proceso convencional.

Puede acceder a la etapa B el 40-45% de la DBO total en lugar del 65-70%.

Hay menor producción de fangos en exceso en la etapa B que en un proceso convencional de igual carga másica.

Causa : Relación SS/DBO5 de entrada a la etapa B es menor que en un proceso convencional.

En cambio en la etapa A tiene lugar una importante producción de fangos en exceso.

Efectos tampón de la etapa A y mayor edad del fango en etapa B: Condiciones de salida más estables.

Reducciones de volumen posibles:

Reducción de volumen del reactor B frente al de una planta convencional

Posible disminución del volumen del decantador final debido a la mejora del IVF observada. 38

PARÁMETROS PRINCIPALES DE DISEÑO

Etapa A

Carga másica: 2 – 5 kg DBO5/kg MLSS.día

Contenido MLSS: 2 – 3 kg/m3

Carga volumétrica: : 6 – 10 kg DBO5/m3.día

Edad del fango resultante: Inferior a 0,5 días

Producción de fangos en exceso: Bastante variable. En general inferior a 1 kg/kg de DBO5 eliminada

Eliminación DBO5: 50-60%

Eliminación SS: En general superior a 80%

Consumo de oxígeno: 0,35-0,50 kg O2/kg DBO5 eliminada

Decantación intermedia: va a Qmed: 1 a 1,5 m/h

va a Qmax: 2 a 2,5 m/h

Etapa B

Según salida de etapa A

Con parámetros convencionales

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VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO A-B FRENTE A UN PROCESO CONVENCIONAL

Ventajas

Con menor volumen, mejor rendimiento conjunto en eliminación de materia orgánica

Menor consumo de oxígeno

Incremento de producción de gas

Menor sensibilidad frente a cargas tóxicas y cambios de pH y puntas de carga

Buen IVF en ambas etapas

Muy buena nitrificación en etapa B

Muy adecuado para alta relación DBO5/N o DQO/N

Desventajas

Proceso más complejo de controlar que el convencional

Es fundamental un seguimiento minucioso de la etapa A: Difícil por su baja edad del fango

Puede ser necesario reducir el rendimiento de la etapa A en caso de desnitrificación

Problemas para conseguir buena salida de Ntotal

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CONCEPTOS BASICOS DEL PROCESO SBR

Se usa el proceso de fangos activos.

El proceso de depuración y la separación del fango tienen lugar en el mismo tanque

El nivel de agua sube en el tanque por introducción del agua a tratar.

El agua tratada se extrae directamente del tanque de forma intermitente.

46

47

SALIDA DE AGUA AIRE

Vmax

V R

Vmin

SALIDA DE

FANGOS

MEZCLADOR (OPCIONAL)

REACTOR SBR PREALMACENAMIENTO (OPCIONAL)

SECUENCIA DE FASES DURANTE UN CICLO

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FANGOS

El rendimiento y la estabilidad del proceso SBR es función de los siguientes parámetros:

Duración del ciclo.

Secuencia de las fases de proceso individuales

Duración de las fases unitarias del proceso.

Relación de intercambio de volumen (relación entre el volumen introducido o retirado y el volumen del reactor = VER o fA)

Edad del fango

La llegada de caudales de agua residual es variable

Se puede trabajar con ciclos de duración constante: En cada ciclo se tratan volúmenes de agua residual diferentes

Llenado máximo constante: La duración de los ciclos será variable.

50

51

Depuradora de Apraiz

VARIANTES EN LA ALIMENTACION DEL AGUA RESIDUAL

Hay tres variantes fundamentales:

Carga continua con agua residual (duración de la carga = duración del ciclo).

Carga intermitente de instalaciones sin almacenamiento previo. Requiere al menos dos reactores SBR.

Carga intermitente de instalaciones con almacenamiento previo.

53

Planta con carga contínua

54

Planta con carga intermitente sin prealmacenamiento

55

FIG.6: Esquema del ciclo de una Planta SBR del tipo “carga intermitente sin prealmace_ namiento” (Ejemplo con 2 reactores).

TANQUE 1

DIAGRAMA DE TIEMPOS

LLENADO

MEZCLA

AERACION

SEDIMENTACION

DIAGRAMA DE TIEMPOS

LLENADO

MEZCLA

AERACION

SEDIMENTACION

TANQUE 2

SIN MEZCLA

FIG.6: Esquema del ciclo de una Planta SBR del tipo “carga intermitente sin prealmace_ namiento” (Ejemplo con 2 reactores).

TANQUE 1

DIAGRAMA DE TIEMPOS

LLENADO

MEZCLA

AERACION

SEDIMENTACION

DIAGRAMA DE TIEMPOS

LLENADO

MEZCLA

AERACION

SEDIMENTACION

TANQUE 2

SIN MEZCLA

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Planta con carga intermitente con prealmacenamiento

FORMAS DE OPERACIÓN.

Combinación de:

Control de ciclos:

Duración de ciclo constante.

Volumen de llenado constante.

Variantes de alimentación del proceso :

Carga continua.

Carga alternativa de varios tanques.

Carga intermitente, de una vez, a partir de un prealmacenamiento.

Carga en varias veces (aquí en dos) a partir de un prealmacenamiento.

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Esquemas de operación con duración de ciclo constante

Son más sencillos de diseño y operación.

58

CONFIGURACION GENERAL DE LA PLANTA

Reactores SBR

No tienen una forma constructiva especial. Profundidad: 4 - 7 m.

Aeración / Soplantes

Con difusores o aereadores superficiales flotantes.

Para nitrificación y desnitrificación, debe ser posible desconectar la aeración en las fases de desnitrificación

Adecuado: Uso de difusores de membrana o aeradores con eyectores.

Diferencias con los procesos convencionales:

variabilidad de la altura del agua

secuencia temporal de varias fases de aeración en un mismo ciclo.

Agitación

Con fases anóxicas o anaeróbicas: Prever una agitación independiente de la aeración.

Pueden ponerse mezcladores flotantes: Pueden destruir una eventual costra de fangos flotantes.

61

CONFIGURACION GENERAL DE LA PLANTA

Dispositivo de salida del agua tratada

Garantizar la salida en el menor tiempo posible del volumen de rellenado elegido:

En general entre el 10-50% del volumen total del reactor.

Tiempos de salida: 30 - 90 minutos.

Dispositivo de salida:

Flotante o controlado automáticamente en posición

En instalaciones pequeñas puede ser fijo

Tiene que ser reparable sin vaciar el tanque

Tipo 1: El más habitual

Tipo 2: Apertura al nivel mínimo del agua. Se usa para plantas pequeñas.

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Tipo 1 Tipo 2

DIMENSIONAMIENTO

Puede realizarse:

En base a parámetros obtenidos “in situ” a partir de ensayos en planta piloto

Mismas bases de los utilizados en el diseño de plantas convencionales

Tener en cuenta las características específicas del proceso SBR

Características específicas del proceso SBR a determinar o fijar

Configuración de la planta: Número de reactores y Disposición o no de prealmacenamiento

Volumen mínimo de llenado (VR,mim) y máximo

Volumen rellenado y retirado en cada ciclo V (m3) que será distinto para tiempo seco y de lluvia 65

Secuencia y duración de las fases del ciclo (en horas) Ejemplo en el en entorno habitual de carga continua

tc - Duración del ciclo

tR – Duración fase de reacción

tD – Duración fase de desnitrificación

tBIOP – Duración fase de eliminación biológica de fósforo

tN – Duración fase de nitrificación (o aeración)

tSED – Duración fase de sedimentación

tSAL – Duración fase de salida de agua depurada

tSTILL – Duración fase de reposo

tF – Duración fase de llenado

tR = tC – tSED – tSAL – tBIOP – tSTILL (a decidir si se utiliza)

8 h

5 h (tD + tN = 5)

Según cálculo

1

Según cálculo

1 h

1 h

0 h

Carga continua

8 – 1 – 1 – 1 – 0 = 5

Parámetros específicos SBR

Relación de “intercambio de volumen” (fA) (En la literatura anglosajona: VER = Volumetric Exchange Rate) : Relación entre el volumen retirado de agua durante un ciclo V y el volumen del reactor con llenado final (VR). Ese parámetro (fA) y la duración del ciclo (tC) son parámetros que se influencian mutuamente:

Relación de recirculación

Tiempo medio de permanencia de los fangos (x)

Edad del fango activa (c): Determinada por las reacciones biológicas .Se determina con los mismos criterios que en el proceso de fangos activos convencional (En base a un balance de nitrógeno).

Carga másica operativa

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minR

AVV

V

V

Vf

R

cA

V

Qtf

)d(FE

SSTVn

FE

SSTVn

d

RR

d

minminX

)d(t

t

c

Rxc )d(

t

t

FE

SSTVn

t

t

FE

SSTVn

c

R

d

RR

c

R

d

minminc

)d.kg/kg(t

t

SSTVn

CC

R

c

RR

DBO,d

DBO,m

VR

Vmax

Vmin

Llenado máximo max,R

maxcmax,A

V

Qtf

V

Vmin

Ejemplo de ponencia

Masa fangos necesaria en FA convencional: 900 x 10 = 9000 kg

VR =2570 m3 (2 x 1285 m3) con MLSS = 3,5 kg/m3

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Qd = 3600 m3/d = 150 m3/h Qmax = 250 m3/h CdDBO5 = 1080 kg/d c = 10 días Fangos en exceso = 900 kg/d

Cálculo FA convencional con N-DN

SBR Ciclo: tc = 8 h N + DN = 5 h

x = 10 x 8/5 = 16 días

Masa de fangos: 9000 x 8/5 = 14400 kg

Vmin = 14400/5 = 2880 m3

Vmax = 2880 + 8 x 250 = 4880 m3

Relación de recirculación = 2,4 (2280/1200)

SBR Ciclo: tc = 12 h N + DN = 9 h

x = 10 x 12/9 = 13,3 días

Masa de fangos: 9000 x 12/9 = 12000 kg

Vmin = 12000/5 = 2400 m3

Vmax = 2400 + 12 x 250 = 5400 m3

Relación de recirculación = 1,33 (2400/1800)

40,04880

2000

V

Vf

R

max,A

294,0150x82880

1200f min,A

55,05400

3000

V

Vf

R

maxmax,A

43,0150122400

15012min,

x

xfA

Al aumentar la duración del ciclo aumenta la proporción de fases activas y hace falta menos masa de fangos en el sistema. fA aumenta y se deteriora la calidad de salida.

Influencia de fA en la salida de nitratos (Igual ejemplo anterior)

Entrada NTK = 60 mg/l Salida NT = 15 mg/l

DBO5 = 300 mg/l

Balance nitrógeno NTK entrada : 60

Toma biomasa: - 15 (5% DBO5)

Fugas: - 2

Nitrógeno a nitrificar (SNH4,N ) = 43 mg/l

Nitrógeno a desnitrificar = 43 – 13 = 30 mg/l

SNO3,sal = SNH4,N x V/(V+Vmin) = SNH4,N x fA

Ciclo 8 h: SNO3,sal = 0,294 (fA) x 43 mg/l = 12,6 mg/l Cumple

Ciclo 12 h: SNO3,sal = 0,43 (fA) x 43 mg/l = 18,5 mg/l No cumple

La relación Vmin/V equivale a la relación de recirculación de fangos activos convencional. Con ciclo de 8 h: 2,4 y con ciclo de 12 h: 1,33

Al aumentar fA aumenta SNO3,sal. Soluciones: 1) Disminuir fA bajando duración de ciclo

2) Dos cargas (Esquema 4 figura anterior)

3) Intercalar fases anóxicas 70

Contenido nitratos = 0 (Requiere DBO5/NTK adecuado. En este caso lo es.)

V V

Vmin

tDN tN

Relación SNO3,D/DBO5 = 30/300 = 0,10

Consecuencias pácticas que se deducen del ejemplo de dimensionamiento

Al aumentar la duración del ciclo

Disminuye la masa de fangos necesaria en el sistema (más porcentaje de tiempo activo respecto al total) pero puede aumentar el volumen total (o no) porque hay que prever espacio para todo el caudal que llega en el ciclo

Aumenta fA y disminuye la “relación de recirculación” Vmin/∆ V y la salida de nitratos es más alta

Se puede “aprovechar con criterio” la fase final de sedimentación y extracción de fangos como fase anóxica (sin mezcla) La salida de nitratos será menor

Se puede reducir la fase anóxica inicial y lograr un periodo anaerobio (eliminación biológica de fósforo)

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Demanda y suministro de oxígeno

Demanda total: Se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales

Demanda puntual puede ser mayor: Periodo en que se ejerce la demanda de oxígeno es menor

Considerar las distintas profundidades de inyección en cada situación.

Producción de fangos en exceso

La misma que en un proceso convencional

En cada ciclo: Al final del mismo se debe extraer la masa de fangos

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Comparativa FA convencional - SBR

Global: No hay diferencias esenciales ni en costos ni en calidades obtenidas

Proceso biológico Similar

FAC – Secuencia de procesos espacial

SBR – Secuencia de procesos temporal

Ausencia decantación secundaria en SBR

Consumo oxígeno Igual. Instalación mayor capacidad horaria en SBR.

Peor eficiencia de transferencia en SBR

Fangos en exceso: Igual

Costos:

Obra civil: Más económico SBR

No hay decantación primaria

Mayor VR – No hay decantación secundaria

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Equipos y control: Más costoso SBR en control

Equilibrado en equipos

Más capacidad aeración en SBR

Menor equipamiento mecánico (Decantación 2ª)

Obra civil y control: Se complica y encarece en SBR con caudales

máximos muy altos

Volúmenes y superficie: Menor en SBR

Puede ser decisivo en algunos casos

Calidad del efluente: Igual en ambos casos con dimensionamiento adecuado

Eliminación biológica de P: Peor en SBR

Con buenas relaciones DBO5/NTK en entrada puede hacerse pequeñas variaciones de proceso en SBR para conseguir mejorar la calidad de salida de nitratos e incluso P

Operación de la planta: Más complejo en SBR

Necesidad de personal más especializado y software de operación especial

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