otros procesos de fangos activos: aeracion...
TRANSCRIPT
1
OTROS PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS:
AERACION PROLONGADA,
DOBLE ETAPA Y PROCESOS SECUENCIALES
Juan Antonio Cortacáns Torre
Contaminación debida a la materia orgánica se retira del agua residual por metabolismo de los microorganismos :
Una parte se transforma en el metabolismo energético con consumo de oxígeno en productos inorgánicos
La otra parte en el metabolismo de síntesis se transforma en biomasa : Flóculos de fangos activos. Flóculos incluyen materia orgánica parcialmente biodegradada o no biodegradada.
Procesos de baja carga (aeración prolongada):
Metabolismo energético es más notorio
Se consume más oxígeno
Se biodegrada incluso la materia orgánica lentamente biodegradable y gran parte de las bacterias formadas.
Procesos de alta carga (etapa A del proceso AB):
Hay una baja biodegradación
Se consume menos oxígeno
Se acumulan en los fangos más partículas orgánicas sin biodegradar y más bacterias.
3
9
Procesos convencionales: Sólo se biodegrada una parte de Xs. Por ello hay numerosas fórmulas empíricas,
Baja carga se biodegrada toda la fracción (previa hidrólisis) . Se puede hacer cálculo muy fiable, previo fraccionamiento del agua residual.
Alta carta (etapa A del proceso AB): Muy baja biodegradación. La materia orgánica se absorbe en el fango. Hay que recurrir a fórmulas empíricas o a datos de plantas similares.
14
Objetivo: Conseguir la estabilización del fango dentro del propio reactor biológico.
Consecuencias:
La planta no necesita un proceso de estabilización separada (digestión aerobia o anaerobia)
No es lógico disponer de decantación primaria, en principio
La planta es muy sencilla de diseñar, construir y operar
Unidades de proceso:
Línea de agua: Desbaste – Desarenado-desengrasado – Reactor biológico – Decantador secundario
Línea de fango: Purga de fangos en exceso – Espesador de fangos – Deshidratación
Parámetro de diseño básico para conseguir la estabilización es la edad del fango
19
AERACION PROLONGADA
CALIDADES DEL EFLUENTE Y DEL FANGO PRODUCIDO
Al aumentar la edad del fango la concentración de DBO5 o DQO en el efluente disminuye.
Esto se refleja en cualquier modelo sencillo de los procesos biológicos:
La DBO5 de salida en muestra filtrada es normalmente < 5 mg/L
Edad del fango necesaria para la “estabilización” mayor de la necesaria para la nitrificación. Es muy complicado evitar dicha nitrificación.
Lo más razonable es configurar el reactor para conseguir la nitrificación y desnitrificación. Se consumirá menos oxígeno y se evitarán problemas de desnitrificación incontrolada en el decantador secundario.
Estabilidad del fango: Criterio respirométrico SOUR 2 g O2/kg VSS.h
21
CONFIGURACIÓN DEL REACTOR
Configuraciones más habituales:
Flujo pistón con tanque anóxico si se desnitrifica
Sistemas en carrusel de diversas formas . Pueden operarse como desnitrificación simultánea o intermitente.
Sistemas en carrusel:
Gran calidad de salida en los casos de desnitrificación
Proliferación de filamentosas por la baja concentración de materia orgánica.
Solución: Disponer selectores previos al reactor principal.
Selector aerobio. Perjudica la desnitrificación.
Reactor anaerobio. Requiere más volumen: Hay que diseñarlo para conseguir la existencia de bacterias acumuladoras de fósforo.
22
Esquema flujo-pistón
Esquema carrusel (DN simultánea o intermitente)
23
25
Esquema con reactor anaerobio
Esquema con selector aerobio
26
Depuradora de Lorquí
Parámetros de diseño
Parámetro básico: Edad del fango
c 25 . 1,072(12-T) días
No se recomienda bajar de c = 12 días
Cargas másicas correspondientes (12-22ºC): 0,04 a 0,08 kg/kg.dia
Cm es parámetro de comprobación.
Concentración de MLSS: 3,5 a 4,5 kg/m3
IVF favorable: 75-120 ml/g
Tiempo de espesamiento en decantador secundario: 2 – 2,5 h
Rendimiento eliminación DBO5 > 95%. Salida de DBO5 filtrada mínima. Prácticamente la salida sólo depende de fugas del decantador secundario.
Estabilización fangos: SOUR < 2 g O2/kg VSS.h
30
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO EN COMPARACIÓN CON LOS PROCESOS CONVENCIONALES DE FANGOS ACTIVOS
Ventajas
Esquema de la planta muy sencillo
Menos equipos e instalaciones mecánicas y eléctricas.
Menor necesidad de mano de obra
Gran calidad del agua de salida (en materia orgánica y nitrógeno)
El propio reactor puede servir para almacenamiento de fangos
Menor producción de fangos
Poca incidencia de olores
Inconvenientes
Ocupa más espacio especialmente cuando no sea necesario nitrificar
Puede ser más costosa la obra civil
Más consumo energético
No hay posibilidad de producir energía a través de la digestión del fango
La configuración en carrusel es proclive al bulking
31
El proceso A-B consta de dos etapas en serie de fangos activos.
Características básicas:
Estricta separación de las biocenosis de las etapas A y B
Etapa A:
Carga másica muy alta: Hasta 5 kg DBO5/kg MLSS.día en la etapa A
Puede operarse como etapa aerobia o facultativa. Normalmente se opera aeróbicamente (OD ≥ 1 mg/l) y con suficiente biomasa (MLSS ≥ 2000 mg/l).
Etapa B:
Carga volumétrica: Entorno de 1 kg DBO5/m3. día
Carga másica de 0,3 kg DBO5/kg MLSS. Día.
Sólo tiene sentido con digestión anaerobia de los fangos.
32
PROCESO AB (ADSORPTION-BIOOXIDATION)
33
PRET. D 1 D 2 R 1
FE 1 FE 2
ETAPA A ETAPA B
R 2
34
Depuradora de Bejar
RENDIMIENTO DE LA ETAPA A
Variación importante de unas plantas a otras
Valor típico de 50-60% para la reducción de DBO5 en la etapa A
Contenido de oxígeno de 2-3 mg/l.
Consumo energético 0,30-0,35 Kwh/kg DBO5 eliminada
Incrementos de concentración de materia orgánica intermitentes en entrada producen una mayor eliminación: Efecto tampón.
36
REACCIÓN A CAMBIOS DE pH Y CARGAS TÓXICAS
Bajadas muy importantes de pH suelen tamponarse en la etapa A. Los efectos negativos no perturbaron a la etapa B
Esta cualidad también se produce con pH básicos
Causa posible: Uniformidad de la población bacteriana de la etapa A – Fundamentalmente microorganismos procariotas
La capacidad tampón se manifiesta también con influentes tóxicos.
Se observa un mecanismo de supervivencia de la biocenosis en base a alta adaptabilidad.
37
CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS DE PROCESO CONJUNTO
Alta eliminación de DBO5 en la etapa A
Etapa B tiene mucho menos volumen que un proceso convencional.
Puede acceder a la etapa B el 40-45% de la DBO total en lugar del 65-70%.
Hay menor producción de fangos en exceso en la etapa B que en un proceso convencional de igual carga másica.
Causa : Relación SS/DBO5 de entrada a la etapa B es menor que en un proceso convencional.
En cambio en la etapa A tiene lugar una importante producción de fangos en exceso.
Efectos tampón de la etapa A y mayor edad del fango en etapa B: Condiciones de salida más estables.
Reducciones de volumen posibles:
Reducción de volumen del reactor B frente al de una planta convencional
Posible disminución del volumen del decantador final debido a la mejora del IVF observada. 38
PARÁMETROS PRINCIPALES DE DISEÑO
Etapa A
Carga másica: 2 – 5 kg DBO5/kg MLSS.día
Contenido MLSS: 2 – 3 kg/m3
Carga volumétrica: : 6 – 10 kg DBO5/m3.día
Edad del fango resultante: Inferior a 0,5 días
Producción de fangos en exceso: Bastante variable. En general inferior a 1 kg/kg de DBO5 eliminada
Eliminación DBO5: 50-60%
Eliminación SS: En general superior a 80%
Consumo de oxígeno: 0,35-0,50 kg O2/kg DBO5 eliminada
Decantación intermedia: va a Qmed: 1 a 1,5 m/h
va a Qmax: 2 a 2,5 m/h
Etapa B
Según salida de etapa A
Con parámetros convencionales
41
VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PROCESO A-B FRENTE A UN PROCESO CONVENCIONAL
Ventajas
Con menor volumen, mejor rendimiento conjunto en eliminación de materia orgánica
Menor consumo de oxígeno
Incremento de producción de gas
Menor sensibilidad frente a cargas tóxicas y cambios de pH y puntas de carga
Buen IVF en ambas etapas
Muy buena nitrificación en etapa B
Muy adecuado para alta relación DBO5/N o DQO/N
Desventajas
Proceso más complejo de controlar que el convencional
Es fundamental un seguimiento minucioso de la etapa A: Difícil por su baja edad del fango
Puede ser necesario reducir el rendimiento de la etapa A en caso de desnitrificación
Problemas para conseguir buena salida de Ntotal
42
CONCEPTOS BASICOS DEL PROCESO SBR
Se usa el proceso de fangos activos.
El proceso de depuración y la separación del fango tienen lugar en el mismo tanque
El nivel de agua sube en el tanque por introducción del agua a tratar.
El agua tratada se extrae directamente del tanque de forma intermitente.
46
47
SALIDA DE AGUA AIRE
Vmax
V R
Vmin
SALIDA DE
FANGOS
MEZCLADOR (OPCIONAL)
REACTOR SBR PREALMACENAMIENTO (OPCIONAL)
SECUENCIA DE FASES DURANTE UN CICLO
48
FANGOS
El rendimiento y la estabilidad del proceso SBR es función de los siguientes parámetros:
Duración del ciclo.
Secuencia de las fases de proceso individuales
Duración de las fases unitarias del proceso.
Relación de intercambio de volumen (relación entre el volumen introducido o retirado y el volumen del reactor = VER o fA)
Edad del fango
La llegada de caudales de agua residual es variable
Se puede trabajar con ciclos de duración constante: En cada ciclo se tratan volúmenes de agua residual diferentes
Llenado máximo constante: La duración de los ciclos será variable.
50
51
Depuradora de Apraiz
VARIANTES EN LA ALIMENTACION DEL AGUA RESIDUAL
Hay tres variantes fundamentales:
Carga continua con agua residual (duración de la carga = duración del ciclo).
Carga intermitente de instalaciones sin almacenamiento previo. Requiere al menos dos reactores SBR.
Carga intermitente de instalaciones con almacenamiento previo.
53
Planta con carga contínua
54
Planta con carga intermitente sin prealmacenamiento
55
FIG.6: Esquema del ciclo de una Planta SBR del tipo “carga intermitente sin prealmace_ namiento” (Ejemplo con 2 reactores).
TANQUE 1
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO
MEZCLA
AERACION
SEDIMENTACION
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO
MEZCLA
AERACION
SEDIMENTACION
TANQUE 2
SIN MEZCLA
FIG.6: Esquema del ciclo de una Planta SBR del tipo “carga intermitente sin prealmace_ namiento” (Ejemplo con 2 reactores).
TANQUE 1
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO
MEZCLA
AERACION
SEDIMENTACION
DIAGRAMA DE TIEMPOS
LLENADO
MEZCLA
AERACION
SEDIMENTACION
TANQUE 2
SIN MEZCLA
56
Planta con carga intermitente con prealmacenamiento
FORMAS DE OPERACIÓN.
Combinación de:
Control de ciclos:
Duración de ciclo constante.
Volumen de llenado constante.
Variantes de alimentación del proceso :
Carga continua.
Carga alternativa de varios tanques.
Carga intermitente, de una vez, a partir de un prealmacenamiento.
Carga en varias veces (aquí en dos) a partir de un prealmacenamiento.
57
Esquemas de operación con duración de ciclo constante
Son más sencillos de diseño y operación.
58
CONFIGURACION GENERAL DE LA PLANTA
Reactores SBR
No tienen una forma constructiva especial. Profundidad: 4 - 7 m.
Aeración / Soplantes
Con difusores o aereadores superficiales flotantes.
Para nitrificación y desnitrificación, debe ser posible desconectar la aeración en las fases de desnitrificación
Adecuado: Uso de difusores de membrana o aeradores con eyectores.
Diferencias con los procesos convencionales:
variabilidad de la altura del agua
secuencia temporal de varias fases de aeración en un mismo ciclo.
Agitación
Con fases anóxicas o anaeróbicas: Prever una agitación independiente de la aeración.
Pueden ponerse mezcladores flotantes: Pueden destruir una eventual costra de fangos flotantes.
61
CONFIGURACION GENERAL DE LA PLANTA
Dispositivo de salida del agua tratada
Garantizar la salida en el menor tiempo posible del volumen de rellenado elegido:
En general entre el 10-50% del volumen total del reactor.
Tiempos de salida: 30 - 90 minutos.
Dispositivo de salida:
Flotante o controlado automáticamente en posición
En instalaciones pequeñas puede ser fijo
Tiene que ser reparable sin vaciar el tanque
Tipo 1: El más habitual
Tipo 2: Apertura al nivel mínimo del agua. Se usa para plantas pequeñas.
62
Tipo 1 Tipo 2
DIMENSIONAMIENTO
Puede realizarse:
En base a parámetros obtenidos “in situ” a partir de ensayos en planta piloto
Mismas bases de los utilizados en el diseño de plantas convencionales
Tener en cuenta las características específicas del proceso SBR
Características específicas del proceso SBR a determinar o fijar
Configuración de la planta: Número de reactores y Disposición o no de prealmacenamiento
Volumen mínimo de llenado (VR,mim) y máximo
Volumen rellenado y retirado en cada ciclo V (m3) que será distinto para tiempo seco y de lluvia 65
Secuencia y duración de las fases del ciclo (en horas) Ejemplo en el en entorno habitual de carga continua
tc - Duración del ciclo
tR – Duración fase de reacción
tD – Duración fase de desnitrificación
tBIOP – Duración fase de eliminación biológica de fósforo
tN – Duración fase de nitrificación (o aeración)
tSED – Duración fase de sedimentación
tSAL – Duración fase de salida de agua depurada
tSTILL – Duración fase de reposo
tF – Duración fase de llenado
tR = tC – tSED – tSAL – tBIOP – tSTILL (a decidir si se utiliza)
8 h
5 h (tD + tN = 5)
Según cálculo
1
Según cálculo
1 h
1 h
0 h
Carga continua
8 – 1 – 1 – 1 – 0 = 5
Parámetros específicos SBR
Relación de “intercambio de volumen” (fA) (En la literatura anglosajona: VER = Volumetric Exchange Rate) : Relación entre el volumen retirado de agua durante un ciclo V y el volumen del reactor con llenado final (VR). Ese parámetro (fA) y la duración del ciclo (tC) son parámetros que se influencian mutuamente:
Relación de recirculación
Tiempo medio de permanencia de los fangos (x)
Edad del fango activa (c): Determinada por las reacciones biológicas .Se determina con los mismos criterios que en el proceso de fangos activos convencional (En base a un balance de nitrógeno).
Carga másica operativa
66
minR
AVV
V
V
Vf
R
cA
V
Qtf
)d(FE
SSTVn
FE
SSTVn
d
RR
d
minminX
)d(t
t
c
Rxc )d(
t
t
FE
SSTVn
t
t
FE
SSTVn
c
R
d
RR
c
R
d
minminc
)d.kg/kg(t
t
SSTVn
CC
R
c
RR
DBO,d
DBO,m
VR
Vmax
Vmin
Llenado máximo max,R
maxcmax,A
V
Qtf
V
Vmin
Ejemplo de ponencia
Masa fangos necesaria en FA convencional: 900 x 10 = 9000 kg
VR =2570 m3 (2 x 1285 m3) con MLSS = 3,5 kg/m3
67
Qd = 3600 m3/d = 150 m3/h Qmax = 250 m3/h CdDBO5 = 1080 kg/d c = 10 días Fangos en exceso = 900 kg/d
Cálculo FA convencional con N-DN
SBR Ciclo: tc = 8 h N + DN = 5 h
x = 10 x 8/5 = 16 días
Masa de fangos: 9000 x 8/5 = 14400 kg
Vmin = 14400/5 = 2880 m3
Vmax = 2880 + 8 x 250 = 4880 m3
Relación de recirculación = 2,4 (2280/1200)
SBR Ciclo: tc = 12 h N + DN = 9 h
x = 10 x 12/9 = 13,3 días
Masa de fangos: 9000 x 12/9 = 12000 kg
Vmin = 12000/5 = 2400 m3
Vmax = 2400 + 12 x 250 = 5400 m3
Relación de recirculación = 1,33 (2400/1800)
40,04880
2000
V
Vf
R
max,A
294,0150x82880
1200f min,A
55,05400
3000
V
Vf
R
maxmax,A
43,0150122400
15012min,
x
xfA
Al aumentar la duración del ciclo aumenta la proporción de fases activas y hace falta menos masa de fangos en el sistema. fA aumenta y se deteriora la calidad de salida.
Influencia de fA en la salida de nitratos (Igual ejemplo anterior)
Entrada NTK = 60 mg/l Salida NT = 15 mg/l
DBO5 = 300 mg/l
Balance nitrógeno NTK entrada : 60
Toma biomasa: - 15 (5% DBO5)
Fugas: - 2
Nitrógeno a nitrificar (SNH4,N ) = 43 mg/l
Nitrógeno a desnitrificar = 43 – 13 = 30 mg/l
SNO3,sal = SNH4,N x V/(V+Vmin) = SNH4,N x fA
Ciclo 8 h: SNO3,sal = 0,294 (fA) x 43 mg/l = 12,6 mg/l Cumple
Ciclo 12 h: SNO3,sal = 0,43 (fA) x 43 mg/l = 18,5 mg/l No cumple
La relación Vmin/V equivale a la relación de recirculación de fangos activos convencional. Con ciclo de 8 h: 2,4 y con ciclo de 12 h: 1,33
Al aumentar fA aumenta SNO3,sal. Soluciones: 1) Disminuir fA bajando duración de ciclo
2) Dos cargas (Esquema 4 figura anterior)
3) Intercalar fases anóxicas 70
Contenido nitratos = 0 (Requiere DBO5/NTK adecuado. En este caso lo es.)
V V
Vmin
tDN tN
Relación SNO3,D/DBO5 = 30/300 = 0,10
Consecuencias pácticas que se deducen del ejemplo de dimensionamiento
Al aumentar la duración del ciclo
Disminuye la masa de fangos necesaria en el sistema (más porcentaje de tiempo activo respecto al total) pero puede aumentar el volumen total (o no) porque hay que prever espacio para todo el caudal que llega en el ciclo
Aumenta fA y disminuye la “relación de recirculación” Vmin/∆ V y la salida de nitratos es más alta
Se puede “aprovechar con criterio” la fase final de sedimentación y extracción de fangos como fase anóxica (sin mezcla) La salida de nitratos será menor
Se puede reducir la fase anóxica inicial y lograr un periodo anaerobio (eliminación biológica de fósforo)
71
Demanda y suministro de oxígeno
Demanda total: Se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales
Demanda puntual puede ser mayor: Periodo en que se ejerce la demanda de oxígeno es menor
Considerar las distintas profundidades de inyección en cada situación.
Producción de fangos en exceso
La misma que en un proceso convencional
En cada ciclo: Al final del mismo se debe extraer la masa de fangos
72
Comparativa FA convencional - SBR
Global: No hay diferencias esenciales ni en costos ni en calidades obtenidas
Proceso biológico Similar
FAC – Secuencia de procesos espacial
SBR – Secuencia de procesos temporal
Ausencia decantación secundaria en SBR
Consumo oxígeno Igual. Instalación mayor capacidad horaria en SBR.
Peor eficiencia de transferencia en SBR
Fangos en exceso: Igual
Costos:
Obra civil: Más económico SBR
No hay decantación primaria
Mayor VR – No hay decantación secundaria
74
Equipos y control: Más costoso SBR en control
Equilibrado en equipos
Más capacidad aeración en SBR
Menor equipamiento mecánico (Decantación 2ª)
Obra civil y control: Se complica y encarece en SBR con caudales
máximos muy altos
Volúmenes y superficie: Menor en SBR
Puede ser decisivo en algunos casos
Calidad del efluente: Igual en ambos casos con dimensionamiento adecuado
Eliminación biológica de P: Peor en SBR
Con buenas relaciones DBO5/NTK en entrada puede hacerse pequeñas variaciones de proceso en SBR para conseguir mejorar la calidad de salida de nitratos e incluso P
Operación de la planta: Más complejo en SBR
Necesidad de personal más especializado y software de operación especial
75