filtro biologico
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F ILTROS B IOLOG IC1S
Guillermo Valencia Montoya, PhDjtProfesor Asociado y 0ccano, Division de Ingcnieri.oUuiversidad del Valle, (((ili, COLO(!BI4
FILTROS BIOLOGICOS
El proceso de filtracion biologice puede defiuirse como un sistema de lechos de distintoe waterieles sobre los cuales se vierten de une maue- ra continua o iutermitente las aguaa residuales.Al percolar por e1 lecho de material granular las agues residuales entrao ea coutacto con las peliculas de limo biologico que creceo sobre la superficie del material.En el lecho se mantienen condicionee aer6bicas mediante e1 flujo de aire atraves del lecho, el cual ea inducido por loe gradientes de temperatura existentes entre la remperatura del aire en el lecho y la temperarura ee- biental.Ocasioualmente es neceeario forzar la ventilecion del lecho, para lo cual se pueden emplear equipos similares a los extractoree de aire.
A medida que las aguae reaiduales y el aire fluyen e crav4s del lecho, el lieo biologico hace uso de ellos para obteuer de los compuestos organicos la euergia uecesaria para aus procesos vivieutes, material y energia para sinterizar nueve masa celular, el oxfgeno uecesario para las reacciones de ozidacion bioquimica y los nutrientea indiapensables para la sintesis celular.Como reeulLado, al igual que en los otros procesos biolo- gicos de tratamiento de aguas residuales, se logra la remoci6n de la materin organica eediante su converaiou a maaa celular, CO2 Y 0.La acumulacionde crecimieuto biologico sobre la superficie del wedio que consriruye ellecho tiene un limite, al cabo del cual ae desprende y es arrastrado con e1 eflueute del filtro percolador.Por ral razon se requiere como complemeno de este procso biologico un sedieentador secundario donde ae remuevan las peliculas biologicas que se deaprenden del lecho.
CONS 1DERAC ZOLIES GE.TIERALES
Los filtros percola4ores convenciouales son unidedes ea laa cualesel lecho esta constituido por roces o cantos rodados con diametroa eotre ] y 10 cm.En los ultimos quiuce anos se ha hecho popular el uso de medios pla&ticos, los cuales brindan rmyor superficie de contacto para el creci- miento biologico y tienen un menor peao especifico, lo cual penmire la cons- truccion de filrros de mayor profundidad.
Este ripo de proceso de tratamiento ha eido bastaute utilizado por municipalidades con poblacion entre 2000 y ]0,000 habitantes y por indus- rrias con una poblacion equivalente similar.Los coatoa de inversion iuicial y de operacion son bajoe, lo rual los hace bastaute atractivos.Su operacioz es bastanre simple cuando se le compara cou otros procesos fi-sico-quimicos o biologicos de tratamiento de aguas residueLes, Lo que impii- oa que no se requiere personal alramente calificado para controlar su ope- raciou.
La eficiencia de todo e1 sistmma de filtration biologica puede variar entre un 60 y un 8]Z, dependiendo de las caracteristicas de las a@uas residuales, de laa carges hidraulica y organica que se le apliqueu
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al filrro percolador.Sou pues uni4ades de treteeiento que puedex eer uti- lizadas cuxndo le capaci4ad efectiva de asimilecion de conraxizacion que tenga una corriente perxita rales oiveles de eficieocia del tratwoiento biologico.
A.Cosfiguracion
La forma de orgaDizar la setuencia entre lee distintas unidadea que componen el eietexe varla xucho con los dietintoB diaeta4orea, cade uno de los cualee reclamm que sn disefo provee mejoree resulfadoe.Quizs el ele- mento mes ixportante en la configuraciou de l&e dietintae unidedes del pro- ceso ee que el disefio hidreulico brinde euficiente flexibilidad para veriar las direccionee de los flujoe en tal fonme qoe una vez conatruida la plenta se puedan corregir cou relativa facilided loe problexee de operecioo que se preaenten.Eu la figur& l ae preeenren laa forx&s zaB coeunes de organiza- cion de lee uni4a4es tanto pera filtros de una etape como p&re filtroe de dos etepae.
B.Claeificacion
Origizalaente los filrros percoladores eran disefsdos basadoa enunas cargea hi4raulic&B y organices que produjeran una rexoci6n del 80 - 90] de la DBOj del afluenre.Poeteriorzente la pr8ctica fue introducieudo variaciones tazto e la carga hidraulica co:ro a l& orgesice y ez la actuali- dad loe eietea)as de filtros percola4orea pueden cl&aificerae coioo filtros
alta y filrroa percoladorea de raee super alta.
varian
Filtroe percoladores convencionales o de tasa beja
Eete tipo de unidadea se diee a para recibir cergae organicas qucentrede DBO/dia/ade filtro.
hL4rulica puede fluctuar eutre 9000 y 38,000 n'/die/ha de soperficie delfiltro.En general este tipo de filtroe no utiliza recirculacion para manrener uua cerga hidraulica conBtante y le dosificacion del agua residualse reeliza mediante bombaa de suocion cou control de nivelea, o tanques de dosificacion con aifones en los cuales ee alrmceee un promedio de 2 - 10 minutos del doble del caudal dierio promedio.Este tipo de dosificacion suele resultar intermitenre y presenter problemaa de operacion durante las horas de la noche cuando el caudal es muy bejo.Si el periodo entre las dosificacionee es muy lergo se pueden preaentar problmmas de secamientodel lino, con lo cual se deteriora bastante la eficiencia del filtro.Se recomienda que eatos periodos secos na sean Bayorea de l - 2 horas.Si se provee recirculacion ae puede aumentar la eficiencia del filtro.
Este tipo de filtros se conatruye uormelxente con piedras de canto rodado de 5 - 10 cus de diametro y con profundidades que oecilan entre1.5 y 3.0 m.En 1s mayoria de laa unidades que cuxplen tales ceracteris-ticae aolo l& porci6n superior del lecho (loe prioeroa 0.8 - l] ') tieneuu recubrimieoto biol6gico considerable.Como consecuencia de esto, la
Uua Etapa
Dos etapae
la
la
la
la
Leyenda5 Re to mo de todoR Recirculacion
[a
2a
2a
Filtro percolador Clarificador iutermedio Sedimentador fiual
Figura l - Diagramas de flujo tipicos para liltros percoladoresde una y dos etapas
parte inferior del filtro puede eBtar poblado por organiexoB autotrofos nitrific&doree que convierten el aeoniaco a nitratoe, lograudose asi uu buen grado de nitrificacion en el sisteaa.
Piltros de tasa intemaedia
Las cargas hidraulicas y organicas que se eplican a loe filtros couveucionales pueden aumentarse uu poco ein que e1 proceao global re- duzca su eficiencia en la remocion de mmteria org4nica de uua rmnera con- siderable.En eare tipo de unidedes ya no se preeente fecilxente la ni- trificacion, y eu ocasionee se suele inuudar el lecho por el ezcesivo crecimiento biologiCo el cual obstruye el flujo del egua residual.Esta situacion puede remediarse utilizandO un medio filtrante de mm vor diametroLas cargas organic s que ae le aplican al filtro pueden variar 240 y480 g de DBO/dia/mlas cargas h ldraul tea s entre 38, 000 y 90, OOO nidia/ha, considerando la recirculaci6n, la cual se usa frecuentemeute euesre tipo de filtros.
Filtros de tasa alta
Eu este tipo de filtros se incrementan considerablezente lss cargns orgaoicae hidraulica que se ap]ican al lecho, con lo cual su eficienciaen la remociou de materia orgauica es mao baja y no se llega a presenterla nitrificacion.Se laa suele utilizar como uuidadee de primera etaywanres de otros procesos biologicoa o antes de filrros percoladores de segunda etapa.Laa profundidades del lecho son por lo general menoros (de l - 2 m),ysiempre se uiliza la recirculacion para garanizai una hid aulica constante.Las cargas organicas variau entre 0.5 y i.0 kg
DBO/dia/mha .
de lecho y ias cargas tidraulicas enre
100,000 y 300,000 m'/Jia/
Filtros de tasa super alta
Con la aparicion en el mercado de material filtraute plasrico conuna alta superficie de contacfo, se conenzo a investigar la poaibilidad de incrementar considerablemsnte laa cargas hidraulica y orgauica que se le podian imponer a los filtros biologicos.Ademas, Laa caracteristicasfisicas del medio fiirrante permitian variar laa condiciones esrructuraiee de diseno, hacieudo posible aumentar la profundidad de los lecfios.Como
resultado se tieneu eo operacion unidades a las coales se les
puede aplicar
unas cargas orgauicas que varian entre cargas hidraulicas entre 20 y 60
1.6 kg de DBO /d 1a/m'c ipo de f Alt ros percola
doree se puede urilizar para el tratamienro de aguas residuales con altos valores de la DBO y como unidades de rratamieuto preliminar antes de otrosProceaoa biologicos.Pueden diseharae para profuudidadea eutre 8 y 13 merros.
lt.tONSlDERACIONES IEORICAS
El mecauisno de remocion de la materia organica en un filtro biolo- gico es similar al mecanismo eu un sistema de lodos acrivados.Una frac - cion del liquido percola rapidamente a traves del lecho y la fraccion rema- nente lo hace eas lentamenre.La remocion de la materia organica serealiza por coagulacion, floculacion y sedimentacion del material en suspen-sion sobre la auperficie del medio filtrante y por bio-absorciou.El mncerial orgauico soluble es abaorbido por los microorgeniaeos.De lo ante- rior se desprende que el tiexpo de reaidencia de las aguas residuales eu el interior del filtro es uu parametro del cual depeode la eficiencia de la unidad eu la remocion de materia organica.Este tiempo de residencia esta logicamente relacionado con le carga hidraulica aplicada al filrro.El oxigeno del aire y lo& nutrientes que coutengan las aguas residuales son tambien absorbidoo por los microorganismos de la pelicula biologica de limo, dcsde la cual se desprendeu hacia el agua C2 y los demas productos de laoxidacion biologica.En la figura 2 se ilustra esquematicamente este proce-
Profuudidad efectiva de la pelicule de
'R- COOH
|'igura 2 - Represeutaci6n csquematica de un filtro percoladoin operacion.
- 6 -
A. Teorla de la remoci6n de marsria ord&uice es filtros biologicoa
D une xanera similar al proceeo de lodoe ectivedoe, y4exea procesoe aerobicos de trateeiento de agueB reaiduales, le eficiencie de los filtros percoladores en la remocion de l& zxteria orgenica eet& relacionede con la cantidad de oiicroorgeuiemos que est4u trabejando en el proceeo y con el tiempo de contecto eutre loe eicroorganiaroe y les aguas reeiduelee.De acuerdo con eato y euponiendo que taxbi4n le utilizeci6n de la mmteriaorgauica por los microorganisaos eigue ux& reeccioa cuya tasa es de primerorden, se puede entoncee expreser la remocion de xateria organica de lasiguiente manera. (4). (no)
Se_So
e-kt
donde
Se y So= materia organica eu el efluente y afluente, reapecriva-,B ,o Cko fi i ndaaadt- minute dco ta to
La anterior ecuaci6u et aplicable cuaedo las carga6 organicas apli- cadas al filtro biologico son bajae y las caracteristicea del agua residual poco complejas.
El rieepo de detencion o de contacto entre el egua rcsidual y laa peliculas de lieo biologico del filtro viene dado por la eiguiente expresiou
donde
t= riempo de contacto, horas D= profundidad del filtro, m-auda/hC-on tantpot
La constante C y el exponente n izcorporan los efectos del area superficial deL medio y de la viecoaidad del liquido y varian con el ripo de mcdio filtrante.Algunos estudios teoricos indican que n es aproximeda- mentc igual 0.333 para flujo laminar, y a 0.667 para flujo turbulento (12) alguuas iuvestigaciones aobre diversos tipos de medioa filcrantes indican que ( 1 11 :
donde
C'=constaa[e=auperficie eepecifica del nedioB=exponente
Pare esferea,canros rodadoe, y material plasrico Polygrid siu re- cubrimiento de lino, e1 valor de C' ee de 0.70 y el valor de m ea igual a 0.75.(l1) Estos valorea varian para otro tipo de medios filtrantea.El exponenten dela ecuecion 2 ee he obeervado que diaminuye cuaudo la auper- ficie especificadel medio dieeinuye.Las ecuacionee 2 y 3 se pueden combinar de donde resulta:
la cual ee uma ecuacion pera el tiexpo de detencion o de conraco emrreel medio filtraure y el agua residual valida para cualquier tipo 6e medio.Es precieo advertir, ain embargo, que la presencia de la pelrcula biologica puede aumenrar considerablemente el tiempo de contactopor lo cual es couvenieute detemminar dicho tiempo cuaudo el medio ya tiene recubrimiento.
Cuando las aguas residualee preseuran cierras carecterisricas de complejidad, que recardan la reacci6n de oxidacion biotogica, es posible representar marematicamente la cinetica de la reacciou por la siguiente ecuaciou:
(5)
La anterior ecuaciou puede aplicarse a1 diaeno de loe filtros per- coladores ai se cumpleu las aiguieutea coudiciones:
-La superficie eapecifica debe permanecer coustente, lo cual se cmmple pare un eiemo medio filtrante, pero varfa para los dis- riutos tipos de eedio.
-El medio debe rener un recubrimiento uniforme de limo biologico, lo cual no siempre se cuxple, eapecialxente en el caso de filtroa con piedras de canto rodado.En ral caso la ecuacion debe modi- ficarse paratener en cuente la variacion del recubrimiento con la profundidad del lecho.
Combiuando las ecuacioues 4 y 5 y suponiendo que la cantidad de microorganismos presenter eu el lieo toral del filtro es directamente proporcional ase obtiene la aigoiente ecuacion de 4iseio:
sl"l + EA D/Q
16)
ta anterior eCuacion con alguuas variaciones en loa valoreo de los uxponenres es bastante utilizada para e1 dieeho de filtros percoladores. ('J), (12), (29)
Cuando se requiere recircular el efluente, entonceo la conceutracionde materia organica en el liquido que se eutrega al filtro vieue dada por:
donJe
Sa + NSe
Sa, Se y So-concentracion de materia organica en el afluente, efluente y mezcla respectivamenre, mg/l
N=R/Q=caudal
recirculado m'/s
J=caudal que entra a la planta, m'/s
Cuando hay recirculacion el valor de So que ae usa en la ecuacion6 dcbo ser el quc rcsulta de aplicar la ecuacion 7.Al aplicar la ecuacion6 a los datos de operacion de varias plantas de liltros percoladores parael rratumiento dc aguas resiJuales domesticas, se puede obtener una graficasimilar a la figura 3.[1 valor 0.67, exponente de la profundidad, resultade una correlacion multiple de la informacion publicada.
Efecto 4e factores ambientales
Varios actores anbientales afecran el funcionaxieuto de los filtros percoladores, al igual que a los otros procesos biologicos de tratamieuto de aguas residueles.Loa compuestos toxicos deben ser reeovidos de las aguas residuales entes de aplicarlae a los filtros percoladorea.Los uiveles de
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2 5
1 01 5Z 02 50. 6 7Figura 3 - Correlacion de Informacion sobreoperacion de filtros percoladores
tolerancie de los uicroorganiemos eon sixilares a los que ae encuenrranpara el ceso de loa lodos activados.
La eficieucia del filtro en la reeoci6n de xateria org4nica (DBO, DQO, COT) tambin se ve afecteda considerebleeente por loe caxbios en la temperatura.DiBrintos investigadores han reportado que le eficienciadel filtro eu le remocion de la DBO varla eegun la aiguiente ecuacion:(IS), (16), (25)
donde
Eg- eficieucia a la temperature T
z- eficieucia a 20t0= factor de influeucia de la temperatura- 1.035 - 1.041
En lee zonas templadas el efecto de la teeperatura aebientaly del agua residual es bestante notorio. (18) El efecto de la temperaturadel aire durante los meses deinvierno es especialmente severo en los filtros de tasa alta debido al efecro enfrianre del caudal recirculado. Las aguas residuates crudas llegau generaleente a una temperatura mas alta y se enfrian durante el rratazienco.El uso de coberrura de loa filros, apareuteuente no elimina el problexa. (2g)
III.CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEBO DE FILTROS PERCOLAOORES
Los filtros percoladores ae han diaefiado rradiciouelmente a partir de varias ecuacioues de diseno desarrolladas a lo largo del riempo, mediante esudios de laborarorio y correlacioues de los datos de operacion.Algunas de estas ecuaciones solo son aplicables en circuustancias similares a las existences para lae condiciones especificas a partirde las cuales fueron desarrolladas.Siexpre y cuando sea posible es recomeudable la realizacion de eatudios a uivel piloto para investigarla tratabilidad del deseCho y verificar la aplitabilidad del modelo maremarico al oaso especifico en consideracion.El desarrollo teorico anterior sirve bastante para este proposito y puede generarse facilmente en e1 laboratorio le informmcion necesaria para las distintas constantes.
A.Ecuaciones de diseno
has ecuac:tones de diseno de I:i1cros b:io1og1coa que iiiaa coaiunmen ce se utilizan son 18s ecuaciones deaarrolladae por el N8tionel Research Council de los EstadoS Unidos por loa Ten Starsa Standards, por Velz,por Eckenfelder y por Galler y Gotaas. (9), (10), ?13),zg)
Ecuaciones del National Research Council
Las ecuaciones del ARC aon el reaultado de un analisis detenidode los daroe operativos de un gran nuxero de plantes de filrros percoladorea ubicade en inetelaciones wilitarea norteamericanas. Baaado en dicho eatudio el ARC recomienda el uso de laa aiguientea ecuaciones para el calculo dela eficieucia de filtros biologicoa:
Para filtroe de uue sola etapa
E;=
0 5
( 9)
Para filtros de dos erapae
donde
E=% de eficiencia en le remocion de DBO en la 1 etapa inclu-yendo el clarificador.
Eg=Z de eficieocia en la 2a etapa iucluyeodo el clarificadorWcarga org4nica aplicada a la aerapa, lb de DBO/dia&iniucluir recirculacion carga organica aplicada a la 2a etepa, lb de DBO/dia, sinincluir recirculacion.
Ffactor de recirculacion para cualquiera de
Rcaudal recirculado/caudal del afluenteV=volumen del filtro eu cada etapa, acre-pies
las etapas -
(1+O.lR)'
Las ecuaciouea del NRC tienen baatantes limitaciones pues fueron desarrolladas para plantaa que tratan aguas reaiduales con caracteriaticas diferentes a las domesticaa.Dichaa ecuaciones a4emas desprecian el efecco de la oarga hidraulica comparada cou la carga orgauica, no tienen eu cuenta la temperatura y presuponen una configuracioz del sietema con clarificadorinternedio entre los dos filtros.Las ecuaciones predicen valores que puedcnestar cercanoa a los correctos (volumen y eficiencia) cuaudo no hay recircula- cioJi, oo hay cambios en la temperature y las cargas orgaoicas aplicadas alfiltro son relativamente altas.
2.Ecueciou de Velz
Quizes el prieer intenro en forxuler eetexaticaxezte el proceao biol6gico que ocurre en un filtro percola4or fue el realizedo por Velz. (30)Su ecuacion perte 4e conaideracionee teorice8 eobre la rexoci6n de le materia organica por los microorgeniseoe.Le cantided d microorgepiBBOa La hace propose:tonal a la pcofund idad del lecho.Por cone:igu:rent.e , laecuaciou de Velz relaciona la DBO rexanenre con la profundidad del filtro:
donde
S=concenrraci6n total de DBO removible, mg/lS=concentrecion removida a la profundidad D, mg/lD-profund:idad , metrosK=constante de reaccion
La concentracion de DBO removible significa para Velz la fracciou maxima de la DBO aplicada que es posible remover para una carge hidraulica daJa.La ecuacion de Velz tiene utilidad cuando no oe considera recircula-
Ecuaciou de Caller y Gotaas
Esta ecuacion se derivo de un estudio eobre le inforxacion de ope- racion de ua grau numero de plautas. Se incorporo entre dicl:a inEoroecion la carga hidraulica, la texperatura, la profundidad del filtro y el efecto dc la recirculacion. Por analisia de regreeion se obtuvo la siguieute
(11)
donde43560
0.280.15iT
S o -DBO 4el efluente sin clarificar, mg/lS. =DBO del aflueute al filtro, mg/l
i-caudal del aflueute, milloues de galones por dia, mgdr-caudal recirculado, mgda-radio del filtro, piesT -remperarura del agua residual, C
La ecuacioa de Geller y Goteae predice adecuadamente la eficiencia y el volueen 4e los filtros percoladoree ouen4o ee usa recirculacion.
A. Ecuaci6n de Eckenfelder
La ecuacion de Rckenfelder ee el reeultado de numerosos estudiosde laboratorio y de analiais de infommcion de plautas eu operacion.Tienecomo punro de partida loa earu4ios de Howlend, (17) de Sctulze,(26) y los propios estudios de Eckeufelder, HcGebe y O'Gonnor.Dicha ecuecion tienela gran ventaja que permite obtener en el leboratorio los veloree de los parametros K y n, con los cualea eo facrible eodelar mms fielmenre lae condiciones particularesdelmediofiltrante y de aguae residuales que se debeu tratar en la unidad prototipo.En la literatura aparecen ecuacioues similares a la ecuacion que solo se diferencian en los valores de [y u,y que en ocasiones incorporan uu exponente:a para la profundidad D.Estevalor flucrua entre 0.67 y 1.0 y depende de que la pelicula de limo biolo- gico este uniformemente distribuida en toda la profundidad del filtro.Cuando la distribucion es uniforme m tieoe el valor de 1.0; de lo contrario,su valor es menor de 1 . O .( 12) , (27)
En general el procedimieuto correcto para el diaeRo de una planta de filtros biologicos e6 realizar uu esrudio de tratabilidad de las aguas residuales coq unidades pilotos y obtener en el estudio los valores de los parametros que se deben usar para e1 diaeusionamiento de la plaura proto- tipo.
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