TRATAMIENTOS SECUNDARIOSTRATAMIENTOS BIOLÓGICOS

ETAPAS DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Cinética de Fermentaciones

Los sistemas de tratamiento secundario de aguas residuales son procesos de fermentación.

En este proceso una población heterogénea de micro-organismos degrada la materia orgánica presente en el agua.

Así obtiene materia y energía metabólicas para su propagación y mantención de viabilidad.

Por ello resulta conveniente conocer ciertos elementos fundamentales de la teoría de procesos de fermentación.

Cinética de Crecimiento Microbiano

CINÉTICA

Reproducción

Cuantificación

Sólidos Suspendidos Volátiles SSV

Bacterias: Fisión Binaria Levaduras: Yemación Hongos: Crecimiento

Micelial

Tratamientos biológicos

Aerobio Anaerobio Mixto: Anaerobio -

Aerobio

La clasificación de los tratamientos biológicos puede ser según:

1. UTILIZACIÓN DEL OXÍGENO

Biomasa

suspendida

Biomasa adherida

Tratamientos biológicos

2. DISPOSICIÓN DE LA BIOMASA

Mezcla completa (agitados)

Flujo pistón (no agitados)

3. TIPO DE FLUJO

Tratamientos biológicos

Por lotes (batch)

Continua

4. OPERACIÓN

Tratamientos biológicos

Tratamientos biológicos

MATERIA ORGÁNICA EN LAS AGUAS RESIDUALES

NUEVAS PRODUCTOSCÉLULAS FINALES

Tratamientos biológicos

REACTOR AEROBIO(20 ºC)

REACTOR ANAEROBIO

(35 ºC)

Lodo a tratar Lodo estabilizado60 Kg DQO 10 Kg DQO

100 Kg DQO 10 Kg DQO

100 Kg DQO 10 Kg DQO

Electricidad para aireación

Metano31 m3

Calor ElectricidadMáximo 195 KWH Máximo 78 KWH

Tratamientos biológicos

VENTAJAS de los procesos anaerobios frente a los aerobios:

Tratamiento directo de aguas altamente contaminadas a elevadas VCO’s.

< Producción de lodos costo de tratamiento y vertido de éstos.

Producción de gas metano energía útil. No necesita aireación balance energético +. Preservación prolongada de los lodos, en forma activa. Estabilidad y facilidad de re-arranque. Baja necesidad de nutrientes.

Tratamientos biológicos

DESVENTAJAS de los procesos anaerobios frente a los aerobios:

Puesta en marcha delicada. Puede resultar sensible a tóxicos y/o inhibitorios.

de los efluentes a tratar. Recuperación más lenta frente a sobrecarga.

Sistemas de Tratamiento Aerobios

Con biomasa suspendida Sistema de lodos activos Reactor batch secuenciado (SBR) LagunasCon biomasa adherida Filtros percoladores Contactores biológicos rotatorios

Lodos Activos

TanqueOxidación

SedimentadorSecundario

Purgade Lodo

Reciclo de lodos

Efluente

VAfluente

Lodo Activos

Hay muchas variantes de un sistema de Lodos Activos:

Convencional (largo : ancho = 10 : 1)

Mezcla Completa Alimentación escalonada

Lodo Activos Contacto y estabilización Aireación prolongada Zanjas de oxidación Deep Shaft

INFLUENTE ROTOR

Trapezoidal

EFLUENTE

Purga Lodos

Lodos Activos

Lodos Activos

Lodos Activos

Esquema de un Lodo Activo

TanqueOxidación

SedimentadorSecundario

Purgade Lodo

Reciclo

Efluente

V Q+a Q.X,S

QsXsS

Qp Xr

S

a Q.Xr.

S

Q,S0

• Estado estacionario• Temperatura y propiedades del fluido constantes• Depuración en el sedimentador secundario

despreciable

• depende de s de acuerdo a Monod• Yx/s es constante• Concentración celular (biomasa activa) se expresa

como SSV• Concentración de sustrato limitante se expresa

como DBO o DQO

SKS

sM

CONSIDERACIONES DEL DISEÑO Y OPERACIÓN

Balance de masa al sistema

Acumulación = Entrada - salida + generación neta

( ) 0=VXk-μ +XQXQ=dtdX

V dppss ··-·-

0

( )dppss k-μ VX=XQ+XQ ···

Kd: coeficiente de descomposición endógena

Ec1

Tiempo de residencia de lodos (c)

Biomasa en reactorc= Velocidad generación neta biomasa

( ) ddc k-μ

1=k-μ VX

VX=θ

··

Ec 2

De Ec. 1 y 2:

rpssc XQ+XQ

VX=θ

···

En estado estacionario la velocidad neta de generación de biomasa es

igual a la velocidad de purga de biomasa

Balance de biomasa al tanque de oxidación

Acumulación = Entrada - salida + generación neta

( ) ( ) 0=VXk-μ +XQα+QXQα=dtdX

V dr ··-··

Ec3

XX

X

r

c

a1

: TRH: Tiempo de Residencia Hidráulico

Balance de sustrato al tanque de oxidación

Acumulación = Entrada - salida - consumo

Ec 4

( ) 0=YVXμ

SQα+Q-SQα+S·Q=dtdS

VS

X0

··- ···

( )S

X0 Y

VXμ=SSQ

··-

( )V·X

SSYQ=μ

0S

X -·

Reemplazando Ec 4 en Ec 2:

( )d

0S

X

dc

kVX

SSYQ=k-μ=θ

1-

·

-

Rearreglando:

( )( )cd

SX0c

θk+1θ

YSSθ=X

·

·-

( )( )cd

SX0c

θk+1X

QYSSθ=V

·

·-

Valores típicos de constante cinéticas para lodos activados en el

caso de aguas residuales domésticas a 20ºC

k=M/YX/S

Constante Unidades

Valor

Intervalo Típico

K d-1 2 – 10 5

Ks mg DBO5/L 25 – 100 60

Ks mg DQO/L 15 – 70 40

Yx/s mg SSV/mg DBO5 0,4 – 0,8 0,6

kD d-1 0,025 – 0,075 0,06

Parámetros de Operación

XVSQ

=ismosMicroorganlimentoA

=MF 0

··

Carga volumétrica aplicada (CV):

VSQ

=CV 0·

F/M:

1. Criterios de carga:

Parámetros de Operación (cont.)

2. Tiempo de Residencia Celular,Өc: Se define como el cuociente entre la biomasa en el tanque y la velocidad de generación de biomasa. Su valor oscila entre los 3 y 14 días.

3. Rendimiento de Producción de lodos, Yx/s: 

Se define como el cuociente entre la velocidad de producción de lodos y la velocidad de remoción de DBO. Este valor se sitúa entre 0.3 y 0.9

4. SedimentabilidadIVL: Índice volumétrico de lodos: Corresponde al volumen de 1 g de materia seca (MS) del lodo activado luego de 30 minutos de sedimentación. (mL/g)

1000MSVIVL lodos

V lodos: volumen de lodos producidos en 1L de muestra a los 30 min, mLMS: masa de sólidos suspendidos totales de la muestra, mg.

Parámetros de Operación (cont.)

Calidad lodos (IVL)

Excelente : 50Buena : 50-100Razonable : 100-150Mala : >150

Fango voluminoso (bulking)

CausasCrecimiento de organismos filamentososBaja contenido de oxígeno disuelto (típico2

mg/L)Deficiencia de nutrientes (N o P)Bajos F/M (org. Filamentosos)Altos F/M (flóculos dispersos pequeños)pH<6,5

5. Requerimientos ambientales (m.o. aerobios)Parámetro ValorpH 6,5 a 8,5Temperatura 10 a 30 ºC

(típico 20ºC)DBO5/N/P 100/5/1Conc. mínima deoxígeno

2 mg/L

T>35ºC se produce deterioro de los flóculos

Parámetros de Operación (cont.)

Efecto de la temperatura

2020

TT rr

rT : Velocidad de reacción a T ºC

r20 : Velocidad de reacción a 20ºC

: Coeficiente de actividad-temperatura (Típico para lodos activados: 1,04)

T : Temperatura, ºC

Transferencia de Oxígeno

Existen diversas formas de realizar la airea- ción, incrementándose la eficiencia mediante la utilización de oxígeno en vez de aire.

  Para calcular el requerimiento de oxígeno, una de las relaciones más usadas es la fórmula de Eckenfelder:

DO2 = K1 * DBO + K2 * SST

donde DO2 es la demanda de oxígeno y K1 y K2 son constantes cuyos valores comunes son 0.53 y 0.15

Requerimientos de oxígeno

Requerimiento

de oxígeno

Flujo másico de DQO utilizado

Flujo másico transformado en biomasa

-=

rpOA XQYSSQN 20

YO2: 1,42 kg O2/kg SSV

Requerimientos de oxígeno

Requerimiento

de oxígeno

Flujo másico de DBO utilizado (DBOu)

Flujo másico transformado en biomasa

-=

rpOA XQYSSQN 20

DBO5 = 0,68 DBOu

Requerimientos de oxígeno

SSQkgDBOkgON A 052 /5,2

Otros:

s

Tst

CCC

NEOTEO )20(

2

2

a

EO2T: Eficiencia de transferencia de oxígeno en terrenoEO2N: Eficiencia de transferencia de oxígeno en condiciones normales (20ªC, 1 atm)a: Razón entre el KLA de aguas servidas y el de agua limpia: Razón entre concentración de saturación de oxígeno para agua residual y limpiaCst: Concentración de oxígeno saturado en condiciones de terrenoC: Concentración de oxígeno deseada en el agua: Coeficiente de correción por temperatura, 1,024Cs: Concentración de oxígeno saturado en condiciones normales (20ºC , 1 atm)T: Temperatura agua resdual, ºC

Otros (cont.):

Valores de a:Difusores burbuja gruesa: 0,4 – 0,8Difusores de burbuja fina: 0,4 – 0,9

Valores de :Rango: 0,7 – 0,98Típico para aguas residuales: 0,95

EO2N: EO2N = *H

: % transferencia de oxígeno de cada difusor/m.c.a.

H : altura reactor

m.c.a. =m de columna de agua

Eficiencia de Transferencia de Oxígeno

EFICIENCIA DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO DIFUSOR FLEXDISC - ENVIROQUIP

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

0 1 2 3 4 5 6

CAUDAL DE AIRE, Nm3/h

TR

AN

SFE

RE

NC

IA D

E

OX

IGE

NO

, %/m

.c.a

.

m.c.a. =m de columna de agua

Caudal total de aire

TEOairemkgairekgairekgONQ A

aire2

32 )/(205,1)/(232,0

100

Nº difusores = caudal aire requerido / caudal difusor

Parámetros típicos de lodos activados

Modalidad c ,d F/MKg DBO5Aplicada/kgSSVLM· d

CargavolumétricaKg DBO5aplicada/m3· d

SSVLM, mg/L , h a

Convecional 5-15 0,2-0,4 0,32-0,64 1.500-3.000 4-8 0,25-0,75Mezclacompleta

5-15 0,2-0,6 0,8-1,92 2.500-4.000 3-5 0,25-1

Aireaciónextendida

20-30 0,05-0,15 0,16-0,40 3.000-6.000 18-36 0,5-1,5

Alimentaciónescalonada

5-15 0,2-0,4 0,64-0,96 2.000-3.500 3-5 0,25-0,75

Aireación dealta carga

5-10 0,4-1,5 1,6 4.000-10.000 2-4 1-5

Oxígeno puro 3-10 0,25-1 1,6-3,2 2.000-5.000 1-3 0,25-0,5Nitrificaciónde etapaúnica

8-20 0,1-0,25(0,05-0,2)a

0,08-0,32 2.000-3.000 6-15 0,5-1,5

Nitrificaciónen etapasseparadas

15-100 0,05-0,2(0,04-0,15)a

0,05-0,14 2.000-3.500 3-6 0,5-2

c: tiempo retención de lodos; : TRH, a: factor de recirculacióna:kg NKTaplicada/SSVLM·d; NKT: Nitrógeno Kjeldahl total

REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL (para la eliminación de

C)

LlenadoAfluente

Degradaciónbiológica

DecantaciónVaciadoefluente

Purga lodos(Opcional)

AireAire

REACTOR DISCONTINUO SECUENCIAL

LAGUNAS

AEROBIAS

AIREADAS

FACULTATIVAS

ANAEROBIAS

LAGUNAS

Parámetro Aerobia Aireada Facultativa

Anaerobia

Profundidad (m) 0.18 – 0.3 1.6 – 4.5 0.6 – 1.5 2.4 – 3.0

TRH (días) 2 – 6 2 -10 7 – 30 30 – 50

Carga DBO (kg/Há/d) 100 – 225 - 22 – 56 336 – 790

Remoción DBO (%) 80 – 95 85 – 99 75 – 85 50 – 70

Algas (mg(L) 100 0 10 - 50 0

PARÁMETROS DE DISEÑO DE LAS LAGUNAS

LAGUNA FACULTATIVA

FILTROS PERCOLADORES

Llamados filtros aerobios, filtros percoladores o biofiltros. En realidad son reactores de lecho fijo con la masa

microbiana inmovilizada sobre la superficie de un soporte sólido, generalmente piedras.

Se piensa erróneamente que la depuración se debe a un proceso de filtración y no por una transformación biológica.

El problema es que se operan a velocidades de dilución mayores a las adecuadas, obteniendo eficiencias de depuración menores.

El agua es alimentada por goteo o por aspersión sobre el lecho, el cual no está inundado por lo que se requiere aireación adicional.

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

El tamaño de los orificios debe ser tal que evite la filtración.

La masa microbiana (bacterias principalmente, hongos algas y protozoos), se adhiere a la superficie del soporte.

Luego del biofiltro es necesario un sedimentador, para la masa microbiana que se desprende del soporte.

Si el reactor tiene una altura superior a los 3 m, se producen problemas estructurales al usar piedras comunes.

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

FBC FAC Carga Hidráulica 1 - 4.5 x 103 10 - 4.5 x 103 (m3/día)

Carga orgánica 1 - 3.3 3.3 - 16.5 (Kg DBO/m3 día)

Altura (m) 1.8 - 3.0 1 - 2.5

Recirculación 1:1 - 4:1

Insectos alto bajo

Desprendimiento esporádico permanente y cte. de lodos

Operación sencilla más compleja

Para nitrificación muy nitrificante alta nitrificación si (s/amonio) la carga es pequeña

FILTROS PERCOLADORES (cont.)

Los de alta carga pueden ser: Una Fase Sedim. 1io. Filtro Sedim. 2io. Dos Fases S1 F1 F2 S2

CONTACTORES BIOLÓGICOSO BIODISCOS

Consiste en una serie de discos circulares situados sobre un eje, a corta distancia unos de otros.

Están parcialmente sumergidos en el agua

residual y giran lentamente en el seno de la misma

Los m.o. se adhieren a la superficie de los

discos La rotación de los discos permite a los m.o.

estar en contacto con la materia orgánica, cuando están sumergidos, y con el aire

La rotación también permite eliminar el exceso de m.o. por los esfuerzos cortantes que se originan, manteniéndose en suspensión los sólidos arrastrados. Así, son transportados desde el reactor hasta el sedimentador secundario La gran cantidad de m.o. adheridos permite resistir mejor las sobrecargas hidráulicas y orgánicas.

CONTACTORES BIOLÓGICOSO BIODISCOS (cont.)

Esquema típico de RBCs para el tratamiento secundario

Flujo paralelo al eje

Flujo perpendicular al eje

Alimentación escalonada

Alimentación graduada