master fangos espesamiento de fangos de edar

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Autor/es: J. Suárez, A. Jácome Fecha: Nov 2007 Asignatura: TRATAMIENTOS AVANZADOS DE DEPURACIÓN

Universidade da Coruña MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA

ESPESAMIENTO DE FANGOS DE

ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES

1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS FANGOS

1.1.- Principales características frente a su evacuación 1.2.- Producción según la línea de agua de la EDAR 1.3.- Características de los fangos

2.- ESPESAMIENTO DE FANGO 2.1.- Objetivo 2.2.- Fundamentos de la sedimentación-espesamiento de suspensiones concentradas 2.3.- Tipos de procesos de espesamiento

3.- ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD 4.- ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN 5.- ESPESADO POR CENTRIFUGACIÓN 6.- ESPESADO POR FILTROS DE BANDA POR GRAVEDAD 7.- ESPESADORES DE TAMBOR ROTATIVO 8.- ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO Y EN LA EXPLOTACIÓN

1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS FANGOS A lo largo de las diferentes etapas que constituyen la línea de agua de la EDAR se van produciendo residuos y fangos, estos subproductos, que constituyen la contaminación que contenía el agua, hay que gestionarlos de forma adecuada. Sus características pueden ser muy variadas (sólidos, semisólidos, líquidos, etc.). La gestión y tratamiento de los fangos generados en los decantadores primarios y secundarios, o en los propios reactores biológicos, que representan el mayor volumen de residuos, se va a realizar en la línea de fangos de la EDAR. La línea de fangos tiene tanta importancia, o más, que la línea de agua. Hoy en día, con todas las variadas estrategias de recuperación energética, la línea de fangos es más comleja que la línea de agua. 1.1.- Principales características frente a su evacuación En la línea de agua hay dos fuentes de producción de fangos: la decantación primaria y el binomio reactor biológico-decantación secundaria. Las principales características de estos fangos son las siguientes:

• El fango contendrá materia orgánica, por lo tanto podrá degradarse (son sumamente inestables y putrescibles).

• Poseen una gran patogeneidad. • Sólo una pequeña parte del fango es materia sólida. La cantidad de agua presente puede

ser del orden del 95% al 97% en fangos primarios, y de hasta el 99% en fangos secundarios, por lo que ocupan un volumen importante.

• Posible presencia de metales pesados por posibles aportaciones de aguas residuales industriales.

• El nitrógeno y fósforo que contienen pueden darle a este cierto valor fertilizante.

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• El poder calorífico de la materia orgánica puede hacer posible o interesante la incineración. Estas circunstancias motivan que la gestión y el tratamiento sea compleja. El objetivo final es modificar las características de los fangos con el fin de tener unas condiciones tales que permitan su manejo, su evacuación y su disposición final óptima, tanto desde el punto de vista sanitario como ambiental. La gestión adecuada de los fangos está estrechamente ligada al proceso de depuración empleado, que determinará las características y propiedades de los lodos y la viabilidad o conveniencia de la alternativa a emplear en la gestión. Este lodo, dependiendo de sus características físico-químicas, puede ser tratado bien como un residuo que hay que disponer adecuadamente o como un recurso susceptible de ser utilizado. Las fases tradicionales que son necesarias para su tratamiento son las siguientes:

• Reducción de volumen para evitar el manejo de grandes volúmenes; es decir, aumentar su concentración. Se realizará mediante una eliminación parcial del agua.

• Estabilización para evitar problemas de fermentación y putrescibilidad. • Conseguir una textura adecuada para conseguir que sean manejables y transportables.

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Posibles procesos unitarios en la línea de fangos

ESPESAMIENTO DESHIDRATACIÓN - ACONDICIONAMIENTO

ESTABILIZACIÓN ESTABILIZACIÓN EVACUACIÓN / USO

GRAVEDAD FLOTACIÓN CENTRIFUGACIÓN FILTRADO

ERAS DE SECADO CENTRÍFUGAS FILTROS DE VACÍO FILTROS BANDA FILTROS PRENSA OTROS

DIGESTIÓN AEROBIA DIGESTIÓN ANAEROBIA COMPOSTAJE ESTABILIZACIÓN CON CAL SECADO AL AIRE

COMPOSTAJE DIGESTIÓN AEROBIA TERMOFÍLICA SECADO TÉRMICO TRATAMIENTO TÉRMICO RADIACIÓN (β, γ ) PASTEURIZACIÓN

APLICACIÓN AL TERRENO VENTA - COMERCIAL VERTEDERO INCINERACIÓN EVACUACIÓN AL MAR

Este documento se va a centrar en la fase de espesamiento, es decir, la fase destinada a reducir el volumen. CONCENTRACIÓN %

0.05 % 1.0 % 5.0 % 30.0 %

100 5 1 0.17VOLUMEN RELATIVO

Sedimentación Espesamiento Deshidratación

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1.2.- Producción según la línea de agua de la EDAR Los lodos presentan una gran variabilidad en su composición, siendo los constituyentes más comunes la materia orgánica, metales y compuestos químicos inorgánicos, así como diferentes microorganismos. La variabilidad de las características del lodo gira en torno a tres aspectos básicos:

• Origen del afluente (urbano, industrial, urbano-industrial,…) • Variaciones estacionales de volumen. • Proceso de depuración del agua (biológico, físico-químico,…).

Fangos primarios: Recordemos que la producción de fangos primarios es:

(%))/(10)/()/()/( 330

30 RgkgmgSSdíamQdíaKgprimariosFangos ⋅⋅⋅= −

En donde: SSo = concentración media de sólidos en suspensión del agua bruta. Q = caudal de tratamiento. R(%) = rendimiento medio de reducción de sólidos en suspensión de la decantación primaria.

siendo los valores de R(%) normales entre 0.60 y 0.75, siempre que no se den situaciones extrañas como:

• Aguas residuales urbanas con alta incidencia de aguas industriales. • Empleo de coagulantes ó floculantes que aumenten la producción de fangos. • Se añadan otros fangos al decantador primario como, por ejemplo, los biológicos.

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Los valores normales en la concentración de unos fangos primarios son de 20.000 a 70.000 mg/L, es decir del 2 al 7% (el peso específico del fango puede aproximarse a 1 Kg/L). Los fangos primarios liberan el agua fácilmente de su constitución y espesan bien. Su contenido en humedad varía entre el 95% y el 99%. Tienen marcadas características abrasivas, tamaño y forma de partícula muy variable y potencial Z muy variable. Fangos procedentes de un tratamiento físico-químicos. La cantidad de fangos producidos en el tratamiento físico-químico es superior a la producida en la sedimentación simple, especialmente si se utiliza cal como reactivo. Del mismo modo, el tipo de coagulante y floculantes empleados influyen notablemente en la cantidad y carácterísticas del fango producido. Esto es debido a que la mayor reducción de sólidos en suspensión eliminados y también en la formación de ciertos compuestos a partir del coagulante utilizado. La mayor parte de dicho coagulante pasa a formar parte de los sólidos del fango. Teóricamente la cantidad de subproductos que se producen podría ser calculada por estequiometría. La utilización de cal da la máxima producción de fangos, pero, por el contrario sus características de concentración, espesamiento y deshidratación son óptimas. La coagulación con sales de aluminio produce un fango muy diluido, poco concentrable por espesamiento por gravedad y de difícil deshidratación (podría ser aconsejable la flotación). Si se utilizan sales de hierro el fango de nuevo es poco concentrable, aunque bastante mejor que cuando se utilizan sales de alumnio con sales de hierro. Son fangos de color oscuro, rojizo si se emplean sales de hierro. El olor puede ser desagradable, aunque no tanto como el de los primarios. Su velocidad de descomposición es algo menor que la de los primarios. Los rendimientos medios de reducción de sólidos, referidos a aguas residuales urbanas, son lo siguientes:

Reactivos Reducción de DBO5 Reducción de SS Polielectrolitos 50-60% 65%-75% Sales metálicas (hierro, aluminio)

65-75% 80%-90%

Producción de fangos en procesos físico-químicos (WEF Practice Manual nº 8)

SIN REACTIVOS

Ca(OH)2 Al2(SO)4·14H2O FeCl3

Dosis de reactivo - 250 (150-500)

154 (75-250)

84 (35-150)

Agua residual SS (mg/L) 250 250 250 250 Fangos primarios SS del agua residual (mg/L) 125 (R 50%) 187 187 187 SS por reactivos (mg/L) -- 250 43 55 PRODUCCIÓN TOTAL (mg/L) 125 437 230 242 Relación 1 3.50 1.84 1.94 Fangos secundarios 100 37 37 37 Relación total 1 2.10 1.20 1.25

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Las dosis de polímero catiónico son del orden de 2-5 mg/L y las de polímeros aniónicos y no iónicos son del orden de 0.25 a 1 mg/L. Fangos biológicos La producción de fangos secundarios o biológicos es algo más difícil de analizar que la producción de tratamientos primarios, ya que en este caso el fenómeno es físico y biológico. Los sumandos a tener en cuenta en la producción de fangos secundarios son los siguientes:

• Cantidad de materia orgánica eliminada ó transformada en microorganismos (según el factor de síntesis Y).

• Respiración endógena de los microorganismos (funciones vitales propias, consumen sus propias reservas y reducen su biomasa).

• Acumulación de sólidos en suspensión no degradables (inorgánicos ó también de naturaleza orgánica).

• Sólidos en suspensión que salen en el efluente (el rendimiento del decantador secundario no es el 100%)

Factores que influyen sobre la producción de fangos:

• Sobre la cantidad de fango biológico que se produce influyen la edad del fango (tiempo de retención celular, TRC) y la carga másica (CM). Como se recordará, el tiempo de retención celular se define como el tiempo medio de estancia de las células en el proceso. Conocida la cantidad de fango biológico en el sistema y la masa de fangos que se purga diariamente se puede calcular el TRC dividiendo ambos (se suele despreciar la cantidad de fango que se pierde en el efluente). Si se revisa la relación existente entre TRC y carga másica:

1TRC

Y CM Kd= ⋅ −

En los procesos biológicos de baja carga los tiempos de retención celular son altos (aireación prolongada, p.e.), lo que implica que la extracción de fangos es pequeña y, por lo tanto, su producción. Al contrario sucede con procesos de alta carga, en que la edad del fango es baja, ya que la extracción del mismo es grande y, por tanto, su producción.

• En un proceso biológico la aparición de bacterias nitrificantes se da a partir de TRC

superiores a diez días, es decir, en procesos de media y baja carga. Por lo tanto en los procesos de nitrificación la producción de fangos será pequeña pero, sin embargo, hay que considerar el aumento de producción de biomasa por la oxidación de la materia orgánica nitrogenada (0.15 mg de fango por cada mg de nitrógeno eliminado).

• La composición del agua residual bruta también influye en la producción de fangos ya que

aguas con mayor tasa de síntesis, Y, producirá más fangos, y viceversa. Las aguas residuales industriales suelen tener una tasa menor.

• La concentración de oxígeno en el reactor también influye. Con bajas concentraciones de

OD se incrementa la producción de fangos en los procesos biológicos. Con oxígeno puro disminuye la producción. En cualquiera de los dos casos la producción de fangos es independiente para valores superiores a 2 mg/L de OD en el reactor.

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• La temperatura es un factor importante en la producción de fangos. A temperaturas inferiores de 15º la producción de fangos aumenta y no se aprecian diferencias a temperaturas mayores. La producción desciende bruscamente a partir de 40º C.

Existen diversas fórmulas, utilizadas extensamente, que permiten realizar un cálculo de la cantidad de fango o del fango en exceso. A continuación se presentan algunas de ellas.

• Fórmula de Huisken Es función de la carga másica:

23.02.1 CMPe ⋅= Siendo Pe la producción específica de fangos (Kg de fango por cada Kg de DBO5 eliminada).

• Fórmula de Eckenfelder SeSvbSLeaSP imb −⋅+−+⋅+= ´´min

Siendo:

Smin = Kg de materia inorgánica que entra en el reactor diariamente (kg/día).

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a´= Coeficiente que representa la fracción de DBO5 eliminada que es sintetizada a nuevo fango biológico. Su valor oscila entre 0.49 y 0.64. Le = DBO eliminada en el proceso (Kg/día). Snobio = Sustancias orgánicas no biodegradables en el reactor (Kg). b´= Coeficiente que representa la proporción de respiración endógena, expresada en una fracción por día. Su valor oscila entre 0.05 y 0.085. Sv = Kg de materia volátil (SSVLM) en el reactor. Se = Sólidos en suspensión que salen en el efluente (Kg/día).

• Fórmula Metcalf-Eddy:

TRCKdYPe⋅+

=1

Siendo Y y Kd el coeficiente de síntesis (oscila entre 0.4 y 0.8) y el de respiración endógena (oscila entre 0.04 y 0.075).

La materia orgánica de los fangos biológicos está parcialmente descompuesta, son de color marrón oscuro, con un olor a tierra húmeda. El contenido de humedad está comprendido entre el 98 y el 99.5%. Son difíciles de concentrar. Tienen características lubrificantes, formados por flóculos de escasa cohesión. Gran septicidad y demanda inicial de oxígeno. El porcentaje de volátiles (%, SSV/SS) en el fango es un factor importante a tener en cuenta para fijar el posible posterior tratamiento. Los fangos primarios tienen un porcentaje de volátiles del orden del 75% y los secundarios, si proceden de un proceso de alta carga del orden de 80 al 85%, y los de baja carga del orden del 70% o inferiores. 1.3.- Características de los fangos Se pueden distinguir cuatro tipos de características.

• Sedimentabilidad: Es un parámetro físico de suma importancia, que caracteriza la facilidad, o no, de la separación entre las fases sólida y líquida de un fango. Un ensayo de sedimentabilidad consiste en tomar una muestra de fango, en una probeta de un litro, la cual se mezcla de forma homogénea y se deja sedimentar durante cierto tiempo. Un ensayo que caracteriza la sedimentabilidad de un fango es el denominado Índice Volumétrico del Fango (SVI), que representa el volumen en mL que ocupa un gramo de fango sedimentado, al cabo de media hora, en una probeta de un litro. Se ha comprobado que los fangos sedimentan bien a partir de SVI menores de 100.

Actualmente se empieza a utilizar el SSVI, ó “stirred sludge volume index”, que intenta evaluar la sedimentabilidad evitando el efecto pared del método tradicional.

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• Distribución del agua en el fango: El agua presente en el fango se encuentra en cuatro

formas (ver figura): libre, coloidal, intercelular y capilar. El agua libre puede separarse del fango por gravedad ya que no está asociada a los sólidos. Para eliminar el agua coloidal y capilar se necesita un acondicionamiento químico previo al empleo de medios mecánicos. Para eliminar el agua intercelular se debe romper la estructura que la contiene, esto se lleva a cabo mediante tratamiento térmico.

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Agua intercelular

Agua intercelular

Agua capilar

Agua coloidal

Agua libre

Formas en las que está presente el agua en el fango 2.- ESPESAMIENTO DE FANGO 2.1.- Objetivo Los fluidos que se van retirando de la línea de agua dan origen a la línea de fango de la EDAR. Esta línea está formada por etapas de tratamiento entre las que se encuentran los espesadores. El objetivo de los espesadores es separar las dos fases (sólido y agua) de forma efectiva, aumentando las concentraciones de sólidos, de manera que los volúmenes sean menores y la manipulación y disposición final sea más fácil. La reducción de volumen es beneficiosa para los procesos siguientes, tales como la digestión, la deshidratación, secado y combustión, ya que reduce los volúmenes y equipos necesarios, la cantidad de reactivos para su acondicionamiento, así como la cantidad de calor requerida por los digestores, o la cantidad de combustible a utilizar en cualquier otra proceso; reduce los equipos necesarios para la deshidratación y mejora su eficacia. En algunos proyectos la línea de fango está separada, incluso varios kilómetros, de la línea de agua, por lo que la reducción de volúmenes significa la reducción de tuberías y equipos de bombeo. 2.2.- Tipos de procesos de espesamiento La tipología de las unidades de espesamiento de fangos están directamente relacionadas con las características de los fangos a tratar. Los factores físicos, químicos y biológicos del fango influyen de manera determinante en la aplicación de uno u otro sistema de espesamiento, así como en las condiciones de operación de los mismos. Principales factores que influyen:

• Tamaño y forma de las partículas sólidas • Viscosidad y temperatura, • Septicidad y el oxígeno disuelto • Carga eléctrica natural o potencial Z • Tendencias de biofloculación • Agua ocluida

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Los anteriores son los factores físicos y bioquímicos que determinan el uso de un sistema u otro de espesamiento. Muchos fangos son fluidos no newtonianos, es decir, exhiben propiedades plásticas ó pseudoplásticas. Los procesos típicos son:

• Espesador por gravedad. • Espesador por flotación. • Centrífugas. • Filtro-tamiz de banda. • Filtroo-tamiz de tambor rotativo.

A continuación se procede a analizar cada uno de ellos. 3.- ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD

3.1.- Fundamentos de la sedimentación-espesamiento de suspensiones concentradas Cuando en el seno del líquido tenemos concentraciones elevadas de partículas empiezan a surgir interferencias entre las mismas y no se pueden aplicar los principios de la decantación libre. Se diferencian, entonces, tres tipos de sedimentación:

a) Sedimentación de partículas floculantes: Este tipo de sedimentación se presenta cuando las concentraciones son bajas ([SS] por debajo de 300-500 mg/L). b) Sedimentación zonal: Se presenta cuando tenemos concentraciones intermedias de sólidos ([SS] entre 300-5000 mg/L). c) Sedimentación por compresión: Se presenta cuando las concentraciones de sólidos son muy altas ([SS]>5000-10000 mg/L). Se denomina también espesamiento.

La sedimentación zonal se produce en suspensiones con concentraciones de sólidos superiores a 300-500 mg/L. Las partículas interfieren una con otras y sedimentan conjuntamente. Desde el comienzo la interacción es tan fuerte que afecta a las partículas más finas. Si se deja reposar un agua con una concentración de sólidos suspendidos similar a la anteriormente citada en una probeta, se observa que en la parte superior aparece una zona de agua clara, en la que el rendimiento de eliminación ha sido muy elevado. Se forma una especie de manto que va descendiendo, apareciendo una interfase diferenciada entre el fango decantado y el agua clarificada. Este tipo de sedimentación es típico de suspensiones floculadas o coaguladas.

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Inicialmente toda la suspensión tenía una concentración uniforme y la altura de la interfase era h0, como aparece en la figura siguiente. Durante una primera fase, del proceso, A-B, la interfase desciende a velocidad constante, existe una decantación frenada de la interfase sólido-líquido. Conforme va pasando el tiempo aparece una zona de desaceleración, zona definida como B-C. En la zona C-D se produce una compresión del fango.

A

B

C D

h

tfondo

DECANTACIÓN FRENADA

TRANSICIÓN

COMPRESIÓN

Ensayo de Fitch. Sedimentación zonal

En la zona clarificada el rendimiento es del orden del 90%. Las partículas han sido arrastradas y apenas quedan algunas en suspensión. En concentraciones menores el rendimiento era bastante menor. Cuanto más elevada es la concentración menor es la velocidad de descenso de la interfase. La velocidad de sedimentación va a depender de la concentración y de las características de las partículas. Para el diseño de un decantador de este tipo el principal parámetro va a ser la velocidad ascensional (Q/Sh), pero se suele limitar también el TRH. En la zona inferior de la sedimentación zonal existe sedimentación por compresión. La concentración de sólidos es muy elevada. A partir de concentraciones superiores a 5000 ó 10000 mg/L la sedimentación es de este tipo. El peso de las partículas es soportado por las que están más al fondo.

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Los parámetros de diseño de este tipo de sedimentación son la velocidad ascensional, que no debe arrastrar a los SS, y la CARGA DE SÓLIDOS. Se entiende por carga de sólidos al cociente entre el flujo sólido que entra al decantador (Kg SS/hora) y la superficie horizontal del mismo. Sus unidades son Kg/(m2·h). Este último parámetro es fundamental a la hora de conseguir elevadas concentraciones finales. Debido a la variabilidad de las características de la sedimentabilidad y capacidad de espesamiento de las suspensiones cuando se presentan los fenómenos de sedimentación zonal y sedimentación por compresión, es importante la realización de ensayos. Basándose en los datos deducidos a partir de ensayos en columnas de sedimentación el área necesaria para sedimentación o para espesamiento puede deducirse empleando dos técnicas diferentes. El primer método emplea los resultados obtenidos en el ensayo de sedimentación simple (bach), mientras que el segundo, conocido como el método del flujo de sólidos, se emplean los datos procedentes de una serie de ensayos de sedimentación realizados con diferentes concentraciones de sólidos. La determinación de la carga de sólidos en un espesador debe realizarse teniendo en cuenta tres factores:

1.- superficie necesaria para la clarificación-sedimentación; 2.- superficie necesaria para el espesamiento; 3.- tasa de extracción de fangos.

La superficie necesaria para el espesado de fangos se determina por el método de Talmadge y Fitch. Se llena una columna de altura Ho con una suspensión de sólidos de concentración uniforme Co. Con el paso del tiempo, al ir sedimentando la suspensión, la interfase se va desplazando hacia abajo, siguiendo la curva de la figura siguiente. La velocidad de descenso de la interfase se corresponde con la pendiente de la curva en cada instante de tiempo. Según este método, el área crítica para el espesado viene dada por la siguiente expresión:

u

u

HtQ

A⋅

=

En donde: A = Superficie necesaria para el espesado de los fangos, m2. Q = Caudal de entrada (m3/s). Ho = Altura inicial de la interfase en la columna, m. tu = tiempo necesario para alcanzar la concentración de fangos deseada en el fondo del tanque, en segundos.

La concentración crítica que controla la capacidad de manipulación del fango del depósito se presenta en la concentración C2, cuando la interfase se halla a la altura H2. Este punto se determina prolongando, hasta la intersección, las tangentes a las regiones de compresión y de sedimentación floculenta de la curva de descenso de la interfase y trazando a continuación la bisectriz del ángulo formado por ambas rectas. El tiempo tu se puede determinar mediante el siguiente procedimiento:

1.- Se traza una línea horizontal a la profundidad Hu correspondiente a la profundidad a la que todos los sólidos se encuentran a la concentración deseada para el fango del fondo del depósito, Cu. El valor de Hu se determina por medio de la siguiente expresión:

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u

oo

CHC

Hu⋅

=

2.- Se traza la tangente a la curva de sedimentación en el punto C2. 3.- Para determinar el valor de tu se traza la recta vertical que pasa por el punto de intersección de las rectas trazadas en los pasos 1 y 2. La intersección de esta recta con el eje de los tiempos proporciona el valor de tu.

H

TIEMPO

SEDIMENTACIÓN FLOCULENTA

COMPRESIÓNALT

UR

A D

E IN

TER

FASE

Ho

H1

C2H2

t2

Hu

tu 3.2.- Criterios de diseño de espesadores por gravedad El espesamiento por gravedad se realiza en un tanque de diseño similar al de un tanque de sedimentación convencional. Normalmente se emplea un tanque circular. El fango diluido es conducido hacia una cámara de alimentación central y comienza a sedimentar y a compactarse en la parte inferior. El fango espesado se extrae del fondo del tanque y el líquido clarificado, que se extrae por la parte superficial, normalmente por vertederos perimentrales, se envía a cabecera de planta o al primario. Los mecanismos convencionales de recogida de fango consisten en rasquetas de fondo muy robustas. El puente normalmente es fijo. La tracción de las rasquetas es central. La estructura sumergida en la que se apoyan las rasquetas dispone también de unas varillas verticales (piquetas) que remueven lentamente el manto de fango y permiten que se abran canales que dejen salir el agua y la compactación se vea favorecida.

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El diseño adecuado de un decantador por gravedad implica tener en cuenta las posibles sobrecargas y el posible desarrollo de condiciones sépticas. Los parámetros de diseño principales son la velocidad ascensional y la carga de sólidos. Las velocidades ascensionales oscilan entre 16 y 36 m3/m2.día. En la tabla siguiente se presentan concentraciones típicas de fangos sin espesar y espesados y cargas de sólidos para espesadores por gravedad.

Concentraciones típicas de fangos sin espesar y espesados y cargas de sólidos para espesadores por gravedad

CONCENTRACIÓN DEL

FANGO, %

CARGA DE SÓLIDOS

CARGA HIDRÁULICA

TIPO DE FANGO SIN ESPESAR ESPESADO Kg/m2.día m3/m2.h

Por separado: Fango primario 2 - 7 5 - 10 90 - 140 0.6 – 1.20 Fango lecho bacteriano 1 - 4 3 - 6 40 - 50 ---- Fangos activos 0.5 - 1.5 2 - 3 10 - 40 0.20 – 0.40 Fangos aireación prolongada 0.2 - 1.0 2 - 3 24 - 40 0.20 – 0.40 Fangos de F+Q con sales metálicas --- 3 - 4 15 - 25 ----- Conjuntamente: Fango primario y lecho bacteriano 2 - 6 4 - 9 60 - 100 ----- Fango primario y fangos activos 2 - 5 2 - 8 25 - 49 0.40 – 0.70

Los tiempos de retención hidráulica varían entre 24 y 36 horas. No se suelen utilizar reactivos para mejorar el espesado. Los factores que determinan el funcionamiento de una unidad de espesamiento por gravedad se citan a continuación:

• Origen y características de los fangos. • Naturaleza de la floculación. • Influencia en el proceso de los sólidos retornados en el rebose. • Carga de sólidos sobre el espesador. • Tiempo de retención de sólidos en la zona de espesamiento. • Profundidad del manto de fangos. • Tiempo de retención hidráulico. • Forma y pendiente del espesador. • Inducción de velocidades originada por la purga. • Caudal de purga. • Sistema de alimentación.

La unidad principal puede tener un diámetro que puede oscilar entre los tres y los 30 metros; su altura recta varía entre los dos y los cinco metros. La pendiente en el fondo varía entre el 10% y el 25%. Los espesadores de diámetro inferior a 5 metros, y con fondo en tolva (inclinación mayor de 45º y menor de 60º) no llevan sistemas de raquetas.

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El grupo de accionamiento consiste en un motorreductor unido a un tren de espesamiento. La velocidad periférica del tren de espesamiento puede oscilar entre los 4 y los 6 m/min. El par necesario (m x Kg) se puede calcular a partir de la expresión siguiente:

T K= ⋅Φ2 Donde la constante K varía con la naturaleza del fango y el diámetro del espesador, según la tabla siguiente:

TIPO K D (m) Primario 11 3 - 24 Biológico 4 3 - 15 Mezcla 7 3 - 21

El cono de compactación está dotado con unas paletas de amasado que evitan la excesiva compactación estática de los fangos. Las conducciones de descrga deben de ser de diámetro elevado para evitar problemas de atascamiento. En una situación extrema se puede almacenar fango hasta la mitad del espesador.

TRHfangoVol

Qf= 2

Para la evacuación de los caudales aportados al espesador se dispone de un vertedero perimetral que conduce el agua hacia cabecera de planta. En los cálculos podemos considerar que, en una situación extrema la mitad del decantador está llena de fango espesado a la concentración máxima.

El efluente del espesador se recircula a cabecera de planta, aunque la concentración de SS que arrastra debe ser pequeña. Con el valor de Qagua se calcula la superficie necesaria a partir de la velocidad ascensional. Con la carga de sólidos se calcula también la superficie necesaria. La mayor superficie será la superficie de diseño.

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Puede ser aconsejable el instalar un sistema automático de elevación de rasquetas, para arrancar el espesador, sobre todo después de una parada prolongada. Una vez el mecanismo ha alcanzado su velocidad nominal se procede a introducir automáticamente las rasquetas. La extracción de fango desde la poceta central se puede realizar mediante válvulas o bien por aspiración directa mediante bombas. El sistema de extracción debe de tener la posibilidad de hacerse de forma temporizada. Incluso puede ser necesario que la toma pueda realizarse a distintos niveles. Para evitar problemas de olores a menudo se procede a cubrir al espesador mediante cubierta estanca. Esta puede ser fija o bien desmontable. Esta última es más aconsejable ya que se facilita el mantenimiento. Para mejorar la concentración de fango se mantiene un manto de fango en la parte inferior del tanque. Se relaciona el volumen de fango almacenado con el extraido diariamente; la relación puede variar entre 0.5 y 20 días, siendo los valores más bajos los usados en épocas de calor. El espesor de manto de fango suele oscilar entre 0.6 y 2.5 metros. 4.- ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN

La flotación en aguas residuales se utiliza, y se ha utilizado históricamente, para la eliminación de materias flotables, es decir, materias sólidas y/o líquidas de densidad inferior a la del agua. El perfeccionamiento de este tratamiento ha conducido al proceso de flotación por aire disuelto que además es capaz de eliminar, por flotación, sólidos de densidad superior a la del agua. El proceso de flotación por aire disuelto (proceso FAD), consiste en la creación de microburbujas de aire en el seno del agua residual, las cuales se unen a las partículas a eliminar formando agregados capaces de flotar (densidad del conjunto menor que la del agua). La mayor o menor facilidad para que se produzca la flotación es función de los siguientes factores:

• Afinidad del aire a la partícula: Para que se lleve a cabo la flotación de partículas sólidas más densas que el agua, es preciso que la adhesión de las partículas a las burbujas de aire sea mayor que la tendencia que aquéllas tienen a establecer contacto con el agua. Por lo tanto, las partículas hidrófilas tendrán menos afinidad a las burbujas de aire que las partículas hidrófobas.

• Densidad de la partícula: La flotación es más fácil en partículas con densidad muy

próxima a la del agua. Cuanto mayor sea la densidad, mayor será la cantidad de aire que debe adherirse a ella para poder provocar la flotación.

• Diámetro de la partícula. Cuanto mayor sea el diámetro es necesario más aire adherido

a la partícula.

Por otra parte el tamaño de la burbuja de aire afecta de modo importante a la eficacia de la flotación, por diversos motivos:

• El rendimiento de la adherencia de las burbujas a las partículas es función del tiempo

que dichas burbujas se mantienen en la suspensión y la oportunidad de contactos con dichas partículas. Por lo tanto, cuanto menor sea el diámetro de las burbujas, menor

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será la velocidad ascensional de las mismas y mayor tiempo de retención tendrán. Así por ejemplo, una burbuja de 20 micras de diámetro tiene una velocidad ascensional de 1 milímetro por segundo, mientras que una de 1 milímetro de diámetro tiene una velocidad del orden de los 100 milímetros por segundo.

• Cuanto mayor es el tamaño de la burbuja mayor será la necesidad del caudal de aire a

introducir para conseguir una equipartición en el tanque de flotación. • El tamaño de las burbujas influye en la turbulencia en el tanque, produciendo mayor

turbulencia a mayor tamaño, reduciendo la eficacia de la flotación.

La creación de microburbujas en el proceso FAD se realiza a través de los siguientes pasos: a) Presurización de un flujo de agua. b) Disolución de aire en dicho flujo, sobresaturándolo, respecto a condiciones normales de presión. c) Despresurización a presión atmosférica, con lo que el exceso disuelto por encima del de saturación se libera en forma de microburbujas.

El flujo de agua utilizado para el fin anterior puede ser todo el caudal afluente, una parte de dicho caudal o agua ya tratada por el proceso (efluente). Se tienen así los tres tipos de proceso FAD utilizables, que respectivamente se denominan de flujo total, de flujo parcial y de flujo recirculado. Cada uno de ellos tienen sus ventajas e inconvenientes. Así, mientras que el último proceso (FADR) utiliza un flujo de agua tratada, con lo que se optimiza el diseño y mantenimiento del sistema de presurización-sobresaturación, aumenta el caudal a tratar aumentando de esta forma las dimensiones del sistema de flotación. En espesamiento de fango es la técnica recomendada.

La utilización más efectiva de los espesadores por flotación se consigue con los fangos en exceso de los tratamientos biológicos de biomasa suspendida (fangos activos, aireación prolongada, procesos de nitrificación, etc.) ya que los flóculos tienen un escaso peso específico y débiles características de compactación. Las concentraciones mayores de fango parecen obtenerse cuando el fango bruto está diluido. Se aprecia cierta influencia en el espesamiento del fango con el tiempo de retención celular en el reactor biológico.

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El diseño se realiza en base a experiencias con fangos de características similares. La posibilidad de dosificar reactivos (polielectrolito, p.e.) debe ser considerada en la fase de ensayos, sobre todo por la posibilidad de poder adaptarse el sistema a sobrecargas. El diseño de unidades de espesamiento por flotación está sujeto a la interferencia de múltiples factores que afectan al rendimiento y, por tanto, a la concentración de salida. La concentración de salida puede oscilar entre en 3% y el 6%, incluso entre EDARs con iguales líneas de tratamiento. Entre los factores que afectan al rendimiento de estas unidades se pueden citar: tipo y características de la alimentación, carga hidráulica y carga de sólidos, la relación entre el aire introducido y los sólidos a flotar, la concentración de sólidos en la alimentación y el acondicionamiento de los mismos mediante la introducción de coagulantes-floculantes. El parámetro fundamental en la flotación es el que relaciona el aire utilizado y los sólidos en la alimentación, la relación A/S. Este parámetro regula el rendimiento obtenido junto con la concentración de materia en suspensión en el efluente y la velocidad ascensional de la materia flotante. Los valores recomendados para el diseño son entre 0,01-0,06 kg aire/kg fango (algunas referencias indican hasta 0,10). La relación entre aire a aplicar y fango a flotar se establece mediante la siguiente fórmula:

( )p

a

CPfs

FangoAire 13.1 −⋅⋅⋅

=

En donde:

A = Cantida de aire aplicado, kg/d. S = Cantidada de sólidos presentes, kg/d. sa = Solubilidad del aire, cm3/L. Varía con la temeperatura. f = Fracción de aire disuelto a presión P, generalmente vale 0.5. P = Presión absoluta, atm. Cp = Concentración de sólidos en el fango, mg/L

En el caso en que exista se presurice agua recirculada, la fórmula a aplicar es:

( )QC

RPfsFangoAire

p

a

⋅⋅−⋅⋅⋅

=13.1

En donde: R = caudal de recirculación (m3/d) Q = Caudal de alimentación (como líquido mezcla), m3/d.

La solubilidad del aire en el agua es la siguiente:

Temperatura (ºC) sa (cm3/L) 0 28.8

10 23.5 20 20.1 30 17.9

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En el caso de recirculación presurizada los valores habituales de R oscilan entre el 50 y el 150%. El tiempo de retención hidráulica en el calderín de presurización es, normalmente, superior a 3 minutos, y la presión de trabajo suele oscilar entre 4 y 7 kg/cm2.

Cargas de sólidos típicas para flotación por aire disuelto

CARGA DE SÓLIDOS (Kg/m2.h) CONCENTR. %

TIPO DE FANGO SIN ADICIÓN DE

REACTIVOS

CON ADICIÓN DE

REACTIVOS

Fango primario < 260 3.5 - 4 Fango activo 98 – 146 Hasta 290 2.5 – 4.5 Lechos bacterianos 68 - 98 Hasta 220 Mezcla primario y fango activo 25-75% 80 -120 Hasta 220 5.5 – 6.5 50-50% 90 – 190 Hasta 220 6 – 7.5 75-25% 130 - 200 Hasta 220 6.5 - 8 Primario y lecho bacteriano 98 - 146 Hasta 290

La carga hidráulica varía en función de se hay adición de floculante o no. Cuando no hay floculación la carga hidráulica varía entre 0.45 y 3 m/hora. Con lodos floculados se llega a valores entre 1 y 5 m/hora. En cualquier caso no se deben superar los 5 m/h. La recuperación de sólidos es elevada, del orden de 85%. Utilizando polielectrolito se puede llegar a concentraciones del 6-8% y recuperación de sólidos hasta 95%. Los valores de tiempo de retención hidráulica normalmente adoptados en este tipo de instalaciones oscilan entre 20 y 80 minutos (normalmente mayor de1 hora). El índice volumétrico de fangos afecta al rendimiento del flotador de manera importante, debiendo considerarse la adición de polielectrolito si su valor supera los 200 cm3/g. En general, y para una instalación determinada, cuanto mayor sea el índice volumétrico de fangos menor será la concentración obtenida.

Valores elevados de carga de sólidos producen problemas de operación, al obligar a aumentar la velocidad de barrido de la capa de fangos, pudiendo aparecer también problemas de sedimentación. Las variaciones en la concentración de sólidos en la alimentación, que puede oscilar para fangos activos entre 5 y 10 g/L, puede producir interferencias en la velocidad de flotación. Es recomendable llevar a cabo la purga del reactor biológico en lugar del decantador secundario, al ser la concentración de la alimentación menor y más constante. Las dimensiones aconsejadas son las siguientes:

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• Tanques rectangulares: Longitud máxima de 10 metros. Anchura máxima de 3 metros. Relaciones 3<ancho/largo<5.

• Tanques circulares: Diámetro máximo de 6 metros. • La altura para ambas configuraciones se situa entre 1,5 y 2,5 metros.

Los espesadores por flotación, al estar el agua saturada en aire, tienen menos tendencia a sufir descomposiciones anaerobias y, en consecuencia, a generar malos olores. 5.- ESPESADO POR CENTRIFUGACIÓN

Las centrífugas se utilizan tanto para espesar fangos como para deshidratarlos. Su aplicación se suele limitar al espesado de fangos biológicos. Los dos principales tipos de centrífugas empleadas actualmente son la centrífuga de camisa maciza y la centrífuga de cesta. La centrífuga de camisa maciza consiste en una camisa maciza dispuesta horizontalmente, con un extremo de forma troncocónica. El fango se alimenta a la unidad de forma continua y los sólidos se concentran en la periferia. Un tornillo helicoidal, que gira a una velocidad ligeramente distinta, desplaza el fango acumulado hacia el extremo troncocónico, donde se produce una concentración de sólidos adicional previamente a la descarga. En condiciones normales el espesado por centrifugación se puede llevar a cabo sin adición de polímeros. Sin embargo los costes energéticos y de mantenimiento del proceso pueden ser importantes. Este proceso es interesante en plantas medias y grandes, con poco espacio y en donde se dispone de mano de obra cualificada, o en plantas con fangos difíciles de espesar con otras técnicas. Es frecuente que el rendimiento de las centrífugas se cuantifique por el porcentaje de captura, definido como:

( )( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−⋅−⋅

−=CrCcCsCsCcCrcapturaPorcentaje 1_

En donde:

Cr = concentración de sólidos en el agua resultante del proceso, rechazo ó centrado, mg/L, en %.

Cc = concentración de sólidos en la torta, mg/L, en %. Cs = concentración de sólidos en el fango alimentado, mg/L, en %

El correcto funcionamiento de este tipo de unidades depende de:

PARÁMETROS OPERACIONALES CARACTERÍSTICAS DEL FANGO Velocidad del tambor Velocidad diferencial tambor/sinfín Altura radial de la lámina de agua Caudal o carga hidráulica Concentración o carga de sólidos Uso de polímero

Tamaño del flóculo Consistencia del flóculo Viscosidad IVF Sólidos volátiles (%) Edad del fango

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Dependiendo de la combinación de estos factores el marco de funcionamiento queda definido por los siguientes rangos:

PARÁMETRO VALORES Concentración fango entrada (%) 0.3 – 1.5 Concentración espesado (%) 3 - 10 Eficiencia de captura (%) 50 - 97 Consumo de polímero (kgP/TmMS) 0 - 5

Motor

Alimentacióndel fango

Agua Fangodeshidratado

6.- ESPESADO POR FILTROS DE BANDA POR GRAVEDAD El origen de este sistema son los filtros banda de deshidratación. Los equipos consisten en una banda que se desplaza sobre unos rodillos accionados por un motor de velocidad variable. El fango se acondiciona con polímeros, y se conduce a una cámara de distribución-alimentación situada en el extremo de la unidad. Ésta cámara se emplea para distribuir uniformemente el fango uniformemente en toda la anchura de la banda móvil, mientras el agua escurre a través de la misma y el fango se conduce hacia el extremo de descarga. Durante el recorrido sobre la banda una serie de cuchillas cortan y forman surcos en el fango, permitiendo que el agua liberada pase a través de la banda. Una vez eliminado el fango espesado, la banda pasa por un ciclo de lavado.

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Este tipo de fangos se ha utilizado con fangos brutos y digeridos y requiere la adición de polímeros. Parámetros de diseño:

TIPO DE FANGO CARGA DE SÓLIDOS (kg MS/m.h.)

CONCENTRACIÓN (%)

Mixto primario y biológico 30 -40 6 – 8 Aireación prolongada 20 – 30 3 – 5 Fango coagul+flocul. Con sales metálicas

5 - 15 2 - 5

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7.- ESPESADORES DE TAMBOR ROTATIVO Consiste en un sistema de acondicionamiento del fango biológico (incluyendo la alimentación de polímero), y unos tamices cilíndricos rotativos. El fango se mezcla con el polímero en el tambor de mezcla y acondicionamiento y, a continuación, el fango pasa a una serie de tamices rotativos que separan los sólidos floculados del agua. El fango espesado sale por un extremo de los tambores, mientras que el agua se filtra a través de los tamices. Se consiguen espesamientos de fangos biológicos del orden de 3-4% con la adición de polímeros. Las ventajas de este tipo de sistemas es su bajo mantenimiento, el bajo consumo energético y el reducido espacio necesario.

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ROTAMAT-HUBER

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ALFA-LAVAL

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ECOMAC

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8.- ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO Y EN LA EXPLOTACIÓN Según la procedencia de los fangos los procesos unitarios aplicables pueden acotarse como se indica a continuación:

TÉCNICA TIPO DE FANGO FRECUENCIA DE USO Y ÉXITO OBTENIDO

GRAVEDAD Primario Uso tradicional. Muy buenos resultados.

GRAVEDAD Primario y biológico Utilizado en plantas pequeñas.Resultados satisfactorios. Concentraciones de fangos entre 4 y 6%. En plantas grandes no aporta ventajas.

GRAVEDAD Biológico No aconsejado. Concentraciones bajas, del orden del 2-3%

FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO

Primario y biológico Uso limita. Resultado similar a espesadores de gravedad. En las plantas pequeñas se suele tender a usar espesamiento por gravedad.

FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO

Biológico Uso común. Buenos resultados. Concentraciones de fango entre 3.5 y 5%.

CENTRÍFUGA DE CAMISA MACIZA

Biológico En aumento. Buenos resultados. Concentraciones entre 4-6%.

FILTRO DE BANDA POR GRAVEDAD

Biológico En aumento. Buenos resultados. Concentraciones entre 3-6%.

ESPESADOR DE TAMBOR ROTATIVO

Biológico Uso limitado. Resultados excelentes. Concentraciones entre 5-9%.

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En el caso de que se traten conjuntamente fangos de diferente naturaleza es conveniente su homogeneización previa, con el fin de que la alimentación al espesador se lo más constante posible. La operación de los espesadores es relativamente simple, si se compara con otras unidades. Sin embargo, su correcta explotación es de una extremada importancia por el impacto que puede presentar tanto en las unidades aguas abajo como aguas arriba. En espesadores de gravedad: Reglas básicas:

• Respetar la carga hidráulica de funcionamiento con carácter puntual, y no medio. • Respetar la carga de sólidos de funcionamiento, con carácter puntual y no media. • Controlar y regular el lecho de fangos, procurando que este sea alto, pero sin interferir en

las líneas de corriente. • Procurar por todos lo medio que no se recirculen sólidos.

Resumen de problemas de funcionamiento en sistema de espesado de fangos.

PROBLEMAS CAUSAS ASOCIADAS POSIBLES SOLUCIONES Baja o infrecuente purga

Aumentar frecuencia y/o caudal de purga.

Olores sépticos o ascenso del lecho de fangos

Excesivo tiempo de retención hidráulica

Disminuir tiempo de retención.

Alta carga hidráulica Disminuir el volumen extraido del sistema

Mucha frecuencia o caudal alto de purga.

Disminuir caudal de bombeo afluente.

Baja concentración de espesado

Cortocircuitos Instalación de baffles Pérdidas de fango en secciones localizadas del vertedero

Desnivel en vertederos Mantenimiento

Acumulación de fango muy denso

Agitación del fango cercano al colector con lanzas de agua a presión.

Objetos caídos, incluso del propio sistema

Mantenimiento

Aumento de par del sistema de barrido

Fangos cementados con arenas

Revisar el funcionamiento del desarenado.

Atascamiento de fangos en tuberías de impulsión

Muy alta concentración Revisión de apertura total de válvulas, desatascado con agua a presión y disminución de concentración por aumento de purgas.

Irregularidades y abultamiento en vertederos

Biopelículas Limpieza con agua a presión.

Alta carga hidráulica Disminuir el caudal afluente. Pérdida de fangos continua en todo el vertedero Alta carga de sólidos Disminuir concentración afluente

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En la flotación: En fangos biológicos de recirculación, es decir, de alta concentración, se da con frecuencia una alta dificultad de flotación. Las soluciones que se usan para paliar este fenómeno son una disminución de concentración por dilución, la adición de polímeros floculantes, o el cambio de alimentación a directa desde los reactores biológicos. En general, lo problemas que aparecen son debidos a una incorrecta dosificación del aire.

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master fangos espesamiento de fangos de edar

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