Capítulo 6 tratamiento biológico

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente -Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas

Comunidades. Autor: Ing. Claudia Patricia Gómez Rendón - 2012

CAPÍTULO 6. Tratamiento biológico

El tratamiento biológico de las aguas residuales implica actividad biológica para disminuir

la carga orgánica de compuestos orgánicos solubles convirtiendo la materia orgánica

disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos y sedimentables. Para ello se vale de

proceso aerobios, anaerobios, anóxicos y combinados que varían según el tipo de

crecimiento y régimen de flujo.

Lección 26. Lodos activados

Corresponde esta tecnología de tratamiento de agua a un proceso aerobio de crecimiento

en suspensión. El proceso consiste en producir masa activa de microorganismos capaces

de estabilizar de manera aerobia el agua residual. Para ello debe previamente al afluente

del tanque de lodos haberse realizado sedimentación. Dicho tanque, debe estar

completamente aireado (tanque de aireación) para que se dé la mezcla agua –

microorganismos – aire a fin de que los organismos oxiden la materia orgánica a dióxido

de carbono y agua obteniéndose energía como resultado. Posteriormente, la mezcla se

lleva a sedimentación donde los microorganismos floculantes se asientan; el efluente

puede reutilizarse o descargarse. Los lodos del sedimentador secundario tienen dos vías.

La primera se destina para realimentar el afluente mediante recirculación y la segunda se

destina a tratamiento de lodos propiamente dicho (entiéndase estos lodos como residuo).

(Crites & Tchobanoglous, Op.Cit.).

26.1 Criterios de diseño

Criterios de carga. Incluyen la relación alimento/microorganismo (F/M), tiempo medio

de retención celular (TMRC) y la tasa volumétrica de carga. Esta última se relaciona en

detalle en la tabla 25.

Tabla 26. Valores para el diseño de lodos activados

Modificación

del proceso c - d F/M

Lb DBO5/Lb SSVLM

Tasa de carga

volumétrica Lb DBO5/10

3 pie3 -

d

SSVLM .

mg/L

V/Q - h Qr/Q

Flujo de

pistón

convencional

3 - 15 0.2 – 0.6 20 – 40 1000 – 3000 4 – 8 0.25 – 0.75

Mezcla

completa 0.75 - 15 0.2 – 1.0 50 – 120 800 – 6500 3.5 0.25 – 1.0

Aireación

extendida 20 – 40 0.04 – 1.0 5 – 15 2000 – 8000 18 – 36 0.5 – 1.50

Zanjón de

oxidación 15 – 30 0.04 - 0.10 5 – 15 2000 – 8000 8 – 36 0.5 – 1.50

Fuente: Adaptado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 456)

2



El tiempo medio de retención celular es el tiempo que duran los microorganismos en el

tanque de aireación y se expresan mediante la ecuación 26.1

eerw

rc

XQXQ

XV

26.1

Donde:

c = Tiempo de retención celular – días

Vr = Volumen del reactor – m3

X = Concentracción de microrganismos en el afluente SSV – mg/L

Xr = Concentracción de microrganismos en la recirculación SSV – mg/L

Xe = Concentracción de microrganismos en el efluente SSV – mg/L

Qw = Caudal de desechos – m3/s

Qe = Caudal efluente – m3/s

Volumen basado en la relación F/M

)/(

)(

MFX

SQVr o 26.2

Donde:

Vr = Volumen del reactor – Mgal

Q = Caudal afluente – Mgal/d

So = Concentración del sustrato afluente SSV – mg/L

X = promedio de los sólidos suspendidos en el licor mezclado – mg/L

Recirculación de lodos

Para determinar la cantidad de lodo que deben recircularse y mantener así los sólidos

suspendidos en el licor mixto SSLM, es necesario utilizar la ecuación 26.3

XQQXQXQ rrro )()()( 26.3

Donde:

Q = Caudal afluente – Mgal/d

Qr = Caudal recirculado – Mgal/d

3



Xo = Concentración de SST en el afluente – mg/L

Xr = Concentración de SST en la línea de recirculación – mg/L

X = SSLM en el reactor – mg/L

Producción de lodo

Se obtiene a partir de la ecuación 26.4

cd

obsk

YY

1 26.4

Donde:

Y, Kd = Coeficientes cinéticos

c = Tiempo promedio de retención celular - dias

La tabla 27, muestra la producción de lodo en función del proceso de lodo activado

Tabla 27. Producción de lodo

Proceso de lodo

activado

TRCM – d Producción – Lb células/Lb DQO aplicado

Con sedimentación 1ª. Sin sedimentación 1ª.

Tasa alta (Sin

nitrificación)

0.75 – 2 0.5 – 0.8 0.6 - 0.9

Convencional (sin

nitrificación)

3 – 8 0.4 – 0.6 0.5 – 0.8

Tasa baja (con

nitrificación)

>15 0.3 – 0.5 0.5 – 0.7

Fuente: Tomado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 458)

Requerimiento de oxígeno

Considerando la oxidación carbonácea, nitrificación y desnitrificación se puede calcula el

requerimiento de oxígeno a partir de la ecuación 26.5

ufxo NONOPSS )(86.2)(6.4)42.1()(O Lb 332 26.5

Donde:

So = Concentración del sustrato afluente SSV – mg DQO/L

S = Concentración del sustrato efluente SSV – mg DQO/L

Px = Células producidas que son desechadas – mg/L

1.42 = Factor de conversión para DQO

4



(NO3)f = Cantidad de nitrato que se forma - mg/L

2.86 = Factor de conversión para el oxígeno equivalente a los nitratos

(NO3)u = Cantidad de nitrato utilizado - mg/L

Los constituyentes particulados biodegradables en aguas residuales para el proceso de

lodos activados se reflejan en la siguiente tabla

Tabla 28. Requerimiento de oxígeno

Proceso de lodo

activado

TRCM – d Requerimiento de

oxígeno Lb O2/Lb

DQO aplicado

Tasa alta (Sin

nitrificación)

0.75 – 2 0.6 – 0.8

Convencional (sin

nitrificación)

3 – 8 0.7 – 0.9

Tasa baja

(con nitrificación)

>15 0.8 – 1.1

4.6 – 4.7


26.2 Aireación

El oxígeno requerido se suministra a través de equipos. Diferente son ellos: Mecánicos y

difusores.

26.2.1 Aireación con difusores. Involucra la inyección de aire bajo presión para efectos de

mantener el reactor bien mezclado. Mediante la ecuación 26.6 se obtiene la capacidad de

aire requerido en los sopladores

dOERTO

WQ

aire

oxígeno

airemin/14402

26.6

Donde:

aireQ = Flujo requerido de aire – pie3/min

oxígenoW = Requerimiento de oxígeno – Lb/d

ERTO =Eficiencia real de transferencia de oxígeno

O2 = Porcentaje de fracción de oxígeno por peso – 0.2315

aire = Peso específico del aire (0.075 Lb/pie3 a una atmosfera y 20 °C

Lección 27. Zanjones de oxidación

Este es un proceso de tratamiento de aguas residuales correspondiente a una variación

de los lodos activados. Le es inherente la aireación prolongada. Usa un canal cerrado

con dos curvas para generar allí la aireación y la mezcla.

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Un zanjón típico no incluye sedimentación primaria, solo el canal de aireación,

sedimentación primaria y lechos de secado o tratamiento de lodos como residuo.


Profundidad = 1.2 a 1.8 m

Paredes = laterales con inclinación a 45°

Velocidad del agua = 0.30 m/s

Velocidad de operación

de los cepillos = 60 – 110 RPM

Sumergencia = 5 – 30 cm

Tasas de transferencia

de oxigeno = 1.5 – 10 Kg O2/m-h

Número de aireadores = usualmente 2

La tabla 29, indica algunos parámetros adicionales para el diseño de zanjones de

oxidación

Tabla 29. Parámetros de diseño zanjones de oxidación

Parámetro Valor

Relación A/M – kg DBO/kg SSV- d 0.1 – 0.3

Carga orgánica volumétrica – g DBO/m3- d 200 - 1200

SSLM – mg/L 2000 - 6000

Edad de lodos – d 20 - 30

Tiempo de aireación – h 12 - 36

Relación de recirculación % 25 - 75

Profundidad – m 1 – 1.5

Sumergencia de los cepillos – cm 18

(para cepillos de 1.07 m de diámetro)

Longitud de los cepillos m 0.3 – 4.5

(para cepillos de 70 cm de diámetro)

Velocidad de los cepillos – RPM 60 - 95

Relación ancho zanjón/longitud de cepillo 1.5 – 2.8

Relación volumen zanjón/longitud de cepillo 150 – 200

Fuente: Tomado de (Romero R., J., 2005; pág 509)

El volumen del reactor se consigue mediante la utilización de la ecuación 26.2

Lección 28. Filtros percoladores

Corresponde este sistema a proceso aerobio de película bacterial adherida, es decir los

microorganismos están adheridos al lecho. Cuentan con una clasificación, es decir pueden

de película adherida no sumergida, adherida y crecimiento en suspensión y adherido

sumergido. Para el primero el exponente de ellos es el filtro percolador, entre tanto a los

segundos; corresponden los biofiltros y los últimos son lechos de crecimiento de flujo

ascendente.

6



Los filtros percoladores consisten en hacer pasar el agua a través de un medio granular

grande alcanzando tamaños entre 2 y 4 pulgadas. Sin embargo, para mejorar la eficiencia

del tratamiento, se han desarrollado medios nuevos de plástico.


Tabla 30. Criterios de diseño para filtros percoladores

Elemento Baja carga Carga

intermedia

Carga alta Carga alta

Medio filtrante Piedra/desechos Piedra/desechos Piedra/desechos Plástico

Tamaño – pulg 1 - 5/2 - 5 1 - 5/2 - 5 1 - 5/2 - 5 24X24X48

Superficie

específica 12 - 30 12 - 30 12 - 30 24 - 60

Espacio vacío -

% 40 – 55 40 – 55 40 – 55 92 - 97

Carga hidráulica

Gal/pie2 -min 0.02 – 0.06 0.06 – 0.16 0.16 – 0.64 0.2 – 1.20

Tasa carga

orgánica

Remoción de

carbono Lb

DBO5/103 pie3-d

5 – 25 15 – 30 30 – 80 50 - 200

Profundidad -

pie 6 - 8 6 - 8 6 - 8 10 - 40

Relación de

recirculación 0 0 – 1 1 – 2 1 - 4


28.2 Diseño criterio NCR

Es el método más comúnmente usado para el diseño de filtros percoladores. Pueden ser

de una (1) o dos (2) etapas. Para ello se utilizan las ecuaciones 28.1 a 28.3

VF

WE

1

1

0561.01

100 28.1

Donde:

E1 = Eficiencia de remoción de DBO para procesos a 20 °C, incluyendo recirculación

y sedimentación - %

7



W1 = Carga de DBO al filtro – Lb/d

F = Factor de recirculación

R = Relación de recirculación

Qr = Caudal de recirculación

Q = Caudal de agua residual

210/1

1

R

RF

28.2

VF

W

E

E2

1

2

1

0561.01

100 28.3

E2 = Eficiencia de la remoción de la DBO para un filtro de segunda etapa a 20 °C,

incluyendo recirculación y sedimentación - %

W1 = Carga de DBO al filtro en la segunda etapa – Lb/d

Lección 29. Lagunas

Los sistemas de tratamiento de aguas residuales que utilizan lagunas de estabilización

para la degradación de la materia orgánica no solo actúan como tal sino que también

son perfectos tanques de sedimentación si se tiene en dimensiones suficientes. (Imhoff,

1979).

Las lagunas de estabilización contienen principalmente algas y bacterias en suspensión, el

oxígeno liberado por estas (las algas) a través de la fotosíntesis es usado por las

bacterias para la descomposición aeróbica de la materia orgánica.

29.1 Factores de influencia

Fotosíntesis, pH, profundidad, nutrientes, sedimentos de lodos, vientos, oxígeno disuelto,

radiación solar, temperatura, entre otros son factores determinantes para el diseño y

operación de los sistemas lagunares. La figura 25 muestra el proceso de tratamiento en

una laguna

8



Figura 25. Proceso de tratamiento en una laguna

Tomado de (Romero R., J., 1994; PÁG 120)

29.2 Modelos de diseño

Según Romero R., J., 1994, son principios para el diseño de lagunas de estabilización los

siguientes:

Escaso dinero disponible para el tratamiento de aguas residuales

Las lagunas de estabilización constituyen procesos de tratamiento biológico más

confiable por su resistencia máxima a cargas de materiales orgánicos

Lagunas en serie son más eficientes y por tanto más económicas

Las lagunas primarias tienen como propósito la remoción de la DBO5, coliformes y

sólidos suspendidos

Las lagunas secundarias tienen como propósito la remoción de la DBO5, coliformes

Las lagunas terciarias remueven esencialmente la remoción de coliformes fecales

9




Tabla 31. Criterios de diseño lagunas

Parámetro Tipo de laguna

Aeróbica Aeróbica Anaerobia Facultativa Maduración

tasa baja tasa alta

Área - ha <4 0.2 – 0.8 0.2 – 0.8 0.8 – 4 0.8 - 4

Tiempo de

retención - d

10 - 40 4 - 6 20 – 50 5 - 30 5 - 20

Profundidad – m 0.9 – 1.2 0.3 – 0.45 2.4 – 5 1.2 – 2.4 0.9 – 1.5

COS DBO5

kg/ha-d

65 – 135 90 – 180 220 – 560 56 – 202 ≤17

SST efluente –

mg/L

80 – 140 150 – 300 80 – 160 40 – 60 10 - 30

Fuente: Tomado de (Romero R., J., 1994; 141)

29.4 Lagunas aerobias

Conocidas también como lagunas de oxidación. Aplicando los estudios de Oswald, la

producción de oxígeno por las algas, es función de la energía solar y se puede calcular

mediante la ecuación 29.1

FSO 28.0 29.1

Donde:

O = Producción de oxígeno – Kg O2/ha –d

F = factor de oxigenación

S = Radiación solar – cal/cm2 – d

El factor de oxigenación F, representa la relación entre la masa de oxígeno producido y

la DBOU a satisfacer. (se obtiene por gráfica). La radiación solar es función de la

localización geográfica, elevación y condiciones meteorológicas (se obtiene por tabla).

La carga orgánica superficial se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:

)(10 DBOUdCOS 29.2

Donde:

COS = Carga orgánica superficial – kg DBO/ha – d

d = Profundidad de la laguna – m

= Tiempo de retención – d

DBOU = DBO última – mg/L

10



10 = Factor de conversión de mg/L a kg/ha – d

Igualando la producción de oxígeno se obtiene la ecuación 29.3

)(

028.0DBOU

FSd

29.3

29.5 Lagunas facultativas

Se pueden diseñar con base en reactores de mezcla completa y cinética de remoción de

DBO de primer orden como el modelo de Marais, carga orgánica, entre otros.

29.5.1 Modelo de mezcla completa y cinética de primer orden – Marais

Supone que las partículas del fluido afluente son dispersadas a través de toda la masa

de agua.

Para obtener la concentración del efluente de la laguna se utiliza la siguiente ecuación:

82

600

dC 29.4

La constante de remoción de la DBO se obtiene con la ecuación 29.5

35

35

T

T KK 29.5

1

1

C

C

K

O 29.6

Donde:

K = Constante de reacción de primer orden – d-1

Co = Concentración de la DBO en el afluente – mg/L

C = Concentración de la DBO en el efluente – mg/L

La ecuación 29.6 permite determinar la laguna facultativa primaria y secundaria. Cuando

se calcula la secundaria, la concentración afluente es el valor de la salida de la DBO de

la laguna primaria y la concentración efluente es el valor determinado por la norma de

vertimiento impuesta o calidad esperada en mg/L.

11



29.6 Lagunas de maduración

Se calculan para remover carga de contenido microbiológico. La reducción de coliformes

fecales en lagunas anaerobias, facultativas y maduración se calcula según la siguiente

expresión:

b

O

K

NN

1 29.7

Donde:

N = Número de CF/100 ML del efluente

No = Número de CF/100 ML del afluente

Kb = Constante de remoción de primer orden

Las constantes, varían según el tipo de laguna como se muestra en la tabla 30.

Tabla 32. Constantes Kb para remoción de coliformes

Ecuación Kb, 20 Modelo

Kb,t = 2.60 (1.19)T-20 2.60 d-1 Mezcla completa

Kb,t = 1.41 (1.40)T-20 1.41 d-1 Mezcla completa – laguna primaria

Kb,t = 3.27 (1.59)T-20 3.27 d-1 Mezcla completa – laguna secundaria

Kb,t = 1.10 (1.075)T-20 1.10 d-1 Flujo pistón

Kb,t = 0.41 (1.15)T-20 0.41 d-1 Flujo pistón – laguna primaria

Kb,t = 0.36 (1.25)T-20 0.36 d-1 Flujo pistón – laguna secundaria

Fuente: Tomado de (Romero R., J., 1994; pág 163)

29.7 Lagunas anaerobias

Se caracterizan por albergar cargas orgánicas altas y no poseer zonas aerobias excepto

en la superficie. Se usan como lagunas primarias para aguas residuales domésticos. La

profundidad oscila entre 2.5 y 5 m.

29.7.1 Criterios de diseño

Carga orgánica volumétrica:

Permite utilizar la siguiente ecuación de diseño:

1005.16 TCOV 29.8

Donde:

COV = Carga orgánica volumétrica – g DBO /m3-d

T = Temperatura de diseño - > 10 °C

Modelo de Vincent:

12



Supone mezcla completa y temperatura del agua de 20 °C

11

1

KC

C

CC

n

o

o 29.9

Donde:

C1 = DBO efluente – mg/L

Co = DBO afluente – mg/L

= Tiempo de retención hidráulico – d

K = Constante de remoción de la DBO – 6.0 d-1

n = Exponente = 4.8

Luego

n

o

o

C

CK

C

C

11

11 29.10

Lección 30. Biodiscos

En las dos últimas décadas, los biodiscos se han consolidado en los países más

desarrollados como una de las tecnologías más notables en el tratamiento de aguas

residuales e industriales. En la actualidad hay cerca de 10.000 instalaciones en todo

el mundo, especialmente en Europa. Japón y Estados Unidos. La figura 26 muestra el

biodisco tipo.

Figura 26. Biodisco tipo Tomado. Congreso aneiap 2000

13



La película biológica está fijada sobre discos colocados sobre un eje horizontal que los

hace girar lentamente. Dicho eje, se encuentra en el tanque que contiene el agua residual

quedando la mitad sumergida; cuando giran los discos, la película biológica queda

expuesta alternadamente entre el agua residual y el aire atmosférico.

Los discos tienen diámetro de 0.6 a 3 m y espesor entre 0.7 y 15 mm, ubicándose en

bloques de 20 discos y a una distancia de 2 cm sobre ejes de hasta 7 m de longitud. En

una cuba o caja de soporte, pueden ubicarse cuatro (4) bloques de discos, solo con dos

(2) se obtiene una eficiencia de remoción de 85%.

Se identifican como principales ventajas el bajo consumo de energía, fácil operación y

mínimo mantenimiento.


Tabla 33. Valores recomendados para diseño de biodiscos

Valores recomendados

Disminución de la DBO5 - % 80 90 95

Número de etapas 2 >3 >4

Área superficial – m2/hb 1 2 3

Fuente: Tomado de (GTZ, Cooperación Técnica República Federal Alemana, 1991; pág 619)

Los discos comerciales, tienen la siguiente área superficial:

Discos de 2 m de diámetro= As= 5.9 m2

Discos de 3 m de diámetro= As= 13 m2 GTZ, Op. Cit., pág 619

Cálculo de área necesaria para el disco:

A

om

B

QSA

* 30.1

Donde:

A = Superficie necesaria del disco – m2

Som = DBO afluente – mg/l

Q = Caudal de diseño – L/s

BA = Carga superficial DBO5 – kg/m2 - d

Para la carga superficial de la primera etapa menor a 60 gr/m2 –d para ARD

Para la carga superficial de la segunda etapa menor a 40 gr/m2 –d para AR

en degradación

Luego:

14



BA = 8 gr/m2 –d para condiciones mínimas o para menos de 500 personas como

población a servir

BA = Para completar la nitrificación: 4 gr/m2 –d

Se debe corregir el volumen del agua calculado cuando se esperan variaciones de caudal

o de carga de DBO5. La tabla 34, presenta el factor de corrección.

Tabla 34. Factor de corrección en función del caudal

Personas Factor de corrección para q (m3/min)

>10000 1

10000 – 5000 1.1. a 1.2

5000 – 1500 1.2 a 1.3

1500 – 400 1.3 a 1.5

<400 1.5

Fuente: Tomado de (GTZ, Cooperación Técnica República

Federal Alemana, 1991; pág 620)

Luego el caudal corregido es igual a

corrección defactor *qcorregido q 30.2

Volumen de la unidad

Se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:

meLDVB 232.0 30.3

Donde:

VB = Volumen de la unidad – m3

D = Diámetro del disco – m

L = Longitud entre los discos de una etapa y las paredes externas - m

m = Número de discos en el eje

e = Espesor de los discos - m

Número de revoluciones

Mediante la utilización de la ecuación 30.4

h

R

Q

V

Dn 9.0(

37.6 30.4

15



Donde:

n = Número de revoluciones de los discos por minuto. Se alcanzan siempre qie

haya suficiente desarrollo bacterial. Para ello:

Diámetro = 2; n debe ser mayor a 2.05 rev/min

Diámetro = 3; n debe ser mayor a 1.368 rev/min Datos tomados de GTZ, Op. Cit. Pág

621

qh = Caudal afluente – m3/h

Tiempo de contacto

B

h

V

QT

24* 30.5

Donde:

T = Tiempo de contacto – adimensional

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Referencias Bibliográficas Crites & Tchobanoglous. (2000). Sistemas de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y descentralizados (Vol. I). McGraw-Hill Interamericana, S.A. Imhoff, K. (1979). Manual de saneamiento de poblaciones (Segunda ed.). España: Ediciones Rosario. Gómez R., C. (2012) Módulo Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas Comunidades. Bogotá – Colombia, Escuela de Ciencias Agrarias, Pecuarias y de Medio Ambiente, Ingeniería Ambiental, ECAPMA, UNAD. Romero R., J. (1994). Acuitratamiento por lagunas de estabilización. Bogotá: Escuela Colombia de Ingeniería. Webgrafía Congreso ANEIAP 2000. Recuperado el 12/08/2012 de http://aneiapuninorte.jimdo.com/inicio/historia/

http://aneiapuninorte.jimdo.com/inicio/historia/

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