I N D I C E      

PROCESOS  DE  TRATAMIENTO  BIOLOGICOS  .....................................................................  2  Microbiología  del  proceso  aerobio  .........................................................................................................................  2  Microbiología  del  proceso  anaerobio  ....................................................................................................................  3  Procesos  unitarios  del  tratamiento  secundario  ................................................................................................  4  Recomendaciones  del  uso  de  los  procesos  biológicos  ...................................................................................  5  

FILTROS  PERCOLADORES  ................................................................................................  5  

BIODISCOS  ......................................................................................................................  8  

PROCESO  DE  LODOS  ACTIVADOS  ..................................................................................  10  Balance  de  masas  en  el  reactor  biológico  .........................................................................................................  10  Fundamentos  para  el  diseño  del  reactor  de  mezcla  completa  con  recirculación  ...........................  11  Balance  de  masa  ..........................................................................................................................................................  13  

Sedimentador  secundario  .......................................................................................................................................  15  Tipos  de  tanques  ..........................................................................................................................................................  15  Sedimentabilidad  del  lodo  .......................................................................................................................................  16  Carga  de  superficie  y  carga  de  sólidos  ...............................................................................................................  16  Profundidad  del  agua  ................................................................................................................................................  17  Reparto  de  caudales  ...................................................................................................................................................  17  Diseño  de  la  entrada  del  tanque  ...........................................................................................................................  17  Ubicación  y  carga  sobre  el  vertedor  ....................................................................................................................  18  Eliminación  de  espuma  .............................................................................................................................................  18  

Elementos  mecánicos  de  los  sistemas  ...............................................................................................................  18          

PROCESOS  DE  TRATAMIENTO  BIOLOGICOS      Los  procesos  biológicos  pueden  clasificarse  en:    1.-­‐  procesos  aerobios  2.-­‐  procesos  anaerobios  3.-­‐  procesos  anóxicos  4.-­‐  anóxicos  combinados  5.-­‐  los  procesos  de  lagunaje      Los  procesos  individuales  se  pueden  dividir,  a  su  vez,  dependiendo  de  si  el  tratamiento  se  lleva   a   cabo   en   sistemas   de   cultivo   en   suspensión,   en   sistemas   de   cultivo   fijo,   o   en  sistemas  resultantes  de  la  combinación  de  ambos.    La   característica  primordial   que  diferencia  dichos  procesos  es   la   forma   como   se  dan,   es  decir   la   forma  en  como  los  microorganismos,  encargados  de   la  degradación  del  material  contaminante,  subsisten  para  dicho  fin.      

Microbiología  del  proceso  aerobio    Antes  que  nada  es  necesario  comprender   la   importancia  de   los  microorganismos  dentro  del  sistema:      EL  PAPEL  CLAVE  DE  LAS  BACTERIAS  ES  DESCOMPONER  LA  MATERIA  ORGÁNICA  PRODUCIDA  POR  OTROS  ORGANISMOS  VIVOS    En  el  reactor,  las  bacterias  aerobias  o  facultativas  utilizan  parte  de  la  materia  orgánica  del  agua   residual,   con   el   fin   de   obtener   energía   para   la   síntesis   del   resto   de   la   materia  orgánica  en  forma  de  células  nuevas.  En  tanto  que  las  bacterias  son  los  microorganismos  que  realmente  degradan  el  residuo  orgánico  del  afluente,   las  actividades  metabólicas  de  otros  organismos  son,  igualmente  importantes  en  el  sistema  de  lodos  activados.      Por   otro   lado,   del  mismo  modo   que   es   importante   que   las   bacterias   descompongan   el  residuo   orgánico   tan   pronto   como   sea   posible,   también   lo   es   el   que   formen   un   floculo  adecuado,  puesto  que  este  punto  constituye  un  requisito  previo  para  la  separación  de  los  sólidos  biológicos  en  la  instalación  de  sedimentación            

Ricardo Garcia� 19/12/2014 23:17Comentario [1]: DEFINIR  EL  CONCEPTO  DE  FLOCULO,  ASI  COMO  EL  PROCESO  DE  SU  FORMACIÓN  

 

Microbiología  del  proceso  anaerobio      En  este  caso  la  conversión  de  la  materia  orgánica  se  produce  en  tres  etapas:    

1. Vía   enzimática   (hidrólisis)   de   los   compuestos   de   alto   peso   molecular   en  compuestos  que  puedan  servir  como  fuentes  de  energía  y  de  carbono  celular.  

 2. Aacidogénesis,   implica  la  conversión  bacteriana  de  los  compuestos  producidos  en  

la   primera   etapa   en   compuestos   intermedios   identificables   de   menor   peso  molecular.  

 3. Y   la   metanogénesis,   supone   la   conversión   bacteriana   de   los   compuestos  

intermedios  en  productos  finales  más  simples,  principalmente  metano  y  dióxido  de  carbono.  

 La  conversión  de  la  materia  orgánica  y  de  los  residuos  se  lleva  a  cabo  mediante  la  acción  conjunta  de  diferentes  organismos  anaerobios.  Un  grupo  de  microorganismos  se  ocupa  de  la   hidrolización   de   los   polímeros   orgánicos   y   de   los   lípidos   para   formar   elementos  estructurales   básicos   como   los   monosacáridos,   los   aminoácidos   y   los   compuestos  relacionados  con  estos.  Un  segundo  grupo  fermenta  los  productos  de  la  descomposición  para  producir  ácidos  orgánicos  simples.  Un  tercer  grupo  convierte  el  hidrógeno  y  el  ácido  acético,   originado   por   las   bacterias   formadoras   de   ácidos,   en   gas  metano   y   dióxido   de  carbono.    Con   el   objeto   de   mantener   un   sistema   de   tratamiento   anaerobio   que   estabilice  correctamente   el   residuo   orgánico,   los   microorganismos   formadores   de   ácidos   y   de  metano   se   deben   encontrar   en   un   estado   de   equilibrio   dinámico.   Para  mantener   dicho  estado,   el   contenido   del   reactor   deberá   carecer   de   oxígeno   disuelto   y   estar   libre   de  concentraciones   inhibitorias   de   constituyentes   tales   como   los   metales   pesados   y   los  sulfuros.      Además,  el  medio  acuoso  deberá  presentar  valores  de  pH  situados  entre  6.6  y  7.6.      También  deberá  existir  una  alcalinidad  suficiente  para  que  el  pH  del  sistema  no  descienda  por   debajo   de   6.2,   puesto   que   este   punto  marca   el   límite   de   actividad   de   las   bacterias  formadoras  de  metano.      Es  necesario  disponer  de  suficiente  cantidad  de  nutrientes  tales  como  nitrógeno  o  fósforo,  para   asegurar   el   crecimiento   adecuado   de   la   comunidad   biológica.   La   temperatura  también  es  un  parámetro  ambiental   importante.  Los   intervalos  de   temperatura  óptimos  son  el  mesofílico  (30  a  38°  C)  y  el  termofílico  (49  a  57°  C).      

Ricardo Garcia� 19/12/2014 23:27Comentario [2]: ESTE  ES  LA  CONDICIÓN  NECESARIA  PARA  QUE  LOS  PROCESOS  ANAEROBIOS  FUNCIONEN  

Las   ventajas   e   inconvenientes   del   tratamiento   anaerobio   de   un   residuo   orgánico,   en  comparación   con  el   tratamiento  aerobio,   vienen   condicionadas  por  el   lento   crecimiento  de   las  bacterias   formadoras  de  metano.  El   lento  crecimiento  de  estas  bacterias  obliga  a  tiempos   de   retención  mas   dilatados,   para   conseguir   una   adecuada   estabilización   de   los  residuos.   No   obstante,   este   bajo   crecimiento   implica   que   solo   una   pequeña   parte   del  residuo   orgánico   biodegradable   está   siendo   sintetizado   en   forma   de   nuevas   células.   La  mayor  parte  del  residuo  orgánico  se  transforma  en  metano,  que  es  un  gas  combustible  y,  por  ello,  un  producto  final  útil.      Se  pueden  resumir  las  ventajas  y  desventajas  de  ambos  procesos  en  función  del  tiempo  de  retención,  la  generación  de  lodos  de  desecho,  el  control  de  la  temperatura  y  el  control  de  los  microorganismos   responsables  de   la  degradación  en  cada  caso.  Por   lo  cual   se  puede  ver   que   el   caso   de   un   proceso   aerobio   nos   generaría   una   gran   cantidad   de   lodos   de  desecho  que  posteriormente  tendrían  que  ser   tratados  para  su  utilización,  mientras  que  por  otro   lado  el  proceso  aerobio  nos   complicaría  el   control   y  eficiencia  de  este  proceso  puesto  que  no  se  contaría  con  un  sistema  automatizado  para  la  regulación  de  los  medios  propicios  para  la  subsistencia  de  los  microorganismos.      

Procesos  unitarios  del  tratamiento  secundario    Los  procesos  biológicos  se  utilizan  para  convertir  la  materia  orgánica  disuelta  y  finalmente  dividida   en   flóculos   biológicos   sedimentables   y   en   sólidos   orgánicos   que   se   puedan  eliminar  en  los  fangos  de  sedimentación.      La  decantación  primaria  es  muy  efectiva  en   la  eliminación  de   los   sólidos   sedimentables,  mientras  que   los  procesos  bilógicos   son  mas  efectivos  en   la   eliminación  de   compuestos  orgánicos  solubles  o  del  tamaño  de  partículas  coloidales.    No   obstante,   algunos   procesos   como   las   lagunas   aireadas,   lagunas   de   estabilización   y  sistemas   de   aireación   prolongada,   se   proyectan   para   que   funcionen   sin   decantación  primaria.  Los  procesos  biológicos  de  aplicación  más  común  son:    

• Proceso  de  lodos  activados  

• Lagunas  aireadas  

• Filtros  percoladores  

• Biodiscos  

• Estanques  de  estabilización  

   

Ricardo Garcia� 20/12/2014 16:30Comentario [3]: ESTO  IMPLICA  QUE  ÉSTE  TIPO  DE  REACTOR  TIENE  UN  TIEMPO  DE  RETENCION  ALTO  Y  EN  CONSECUENCIA  EL  VOLUMEN  Y  TAMAÑO  DE  LOS  TANQUES  AUMENTA  

Ricardo Garcia� 19/12/2014 23:40Comentario [4]: NOTESE  QUE  LOS  PROCESOS  UNITARIOS  DE  TRATAMIENTO  SON  FUNCIÓN  DEL  TAMAÑO  DE  LAS  PARTICULAS  DE  LOS  CONTAMINANTES  

 

Recomendaciones  del  uso  de  los  procesos  biológicos    En   plantas   de   grandes   dimensiones   se   suele   adoptar   el   proceso   de   lodos   activados   o  alguna  de  sus  muchas  variantes;  los  estanques  de  estabilización  se  usan  principalmente  en  instalaciones  de  pequeño  tamaño.      Los   proceso   de   lagunas   aireadas   y   estanques   de   estabilización   son   recomendables   para  plantas  de  tratamiento  de  menor  tamaño.        

FILTROS  PERCOLADORES    El   proceso   de   tratamiento   mediante   filtros   percoladores   se   encuentra   dentro   de   los  procesos   aerobios   de   tratamiento   de   cultivo   fijo,   los   cuales   se   emplean,   normalmente,  para   eliminar   la   materia   orgánica   que   se   encuentra   en   el   agua   residual.   También   se  pueden  utilizar  para  llevar  a  cabo  procesos  de  nitrificación.    Los   filtros  percoladores   son  un  medio  o  elemento  permeable  en  el   cual   se  adhiere  y  da  lugar   al   crecimiento   de  microorganismos,   que   deben   su   crecimiento   al   contacto   con   el  agua  residual  y  el  oxigeno.  El  medio  filtrante  suele  estar  formado  por  piedras,  o  diferentes  materiales  plásticos  de  relleno.  La  profundidad  del  lecho  varía  en  cada  diseño,  los  valores  característicos  oscilan  entre  los  0.9  y  2.5  metros.    El  agua  residual  llega  a  los  filtros  por  la  parte  superior,   la  cual  se  distribuye  mediante  un  distribuidor   rotario.   Los   filtros   incluyen   un   sistema   de   drenaje   inferior   para   recoger   el  líquido  tratado  y  los  sólidos  biológicos  que  se  hayan  separado  del  medio.      El  líquido  recogido  pasa  a  un  tanque  de  sedimentación  en  el  que  se  separan  los  sólidos  del  agua   residual.   En   la   práctica,   se   recicla   una   parte   del   líquido   recogido   en   el   sistema   de  drenaje  inferior  o  del  efluente  del  tanque  de  sedimentación,  para  diluir   la  concentración  del   agua   residual   que   entra   en   el   sistema   y   para   mantener   la   humedad   de   la   película  biológica      La  materia  orgánica  se  degrada  por  la  acción  de  la  población  de  microorganismos  adherida  al  medio.   La  materia  orgánica  del   líquido  es  adsorbida  en   la  película  biológica,  en  cuyas  capas   externas   se   degrada   bajo   la   acción   de   los  microorganismos   aerobios.   Cuando   los  microorganismos  crecen,  aumenta  el  espesor  de  la  película  y  el  oxígeno  se  consume  antes  de  que  pueda  penetrar  en  todo  el  espesor  de  la  película.  por  lo  tanto,  en  la  proximidad  de  la  superficie  del  medio,  se  crea  un  ambiente  anaerobio.      

Ricardo Garcia� 27/12/2014 17:13Comentario [5]: NOS  DEBEMOS  REFERIR  AL  MEDIO,  COMO  EL  MATERIAL  SOBRE  EL  CUAL  SE  GENERARA  LA  PELICULA  BIOLOGICA  

Conforme   la   película   aumenta   de   espesor,   la  materia   orgánica   adsorbida   se  metaboliza  antes   de   que   pueda   alcanzar   los   microorganismos   situados   cerca   de   la   superficie   del  medio   filtrante.   La   consecuencia   de   no   disponer   de   una   fuente   orgánica   externa   de  carbono   celular   es   que   los   microorganismos   situados   cerca   de   la   superficie   del   medio  filtrante  se  hallan  en  la  fase  de  crecimiento  endógena,  en  la  que  pierden  su  capacidad  de  adherirse  a  la  superficie  del  medio.  

 

 MEDIO  O  ELEMENTO  PERMEABLE  

 

   

ESQUEMA  GENRAL  DEL  FUNCIONAMIENTO  DEL  PROCESO  

 

 SISTEMA  DE  ALIMENTACIÓN  SUPERIOR  DEL  FILTRO  PERCOLADOR  

   

   

FILTRO  PERCOLADOR      

BIODISCOS    El   proceso   de   tratamiento   mediante   biodiscos,   es   también   conocido   como   reactor  biológico  rotativo  de  contacto,  y  consiste  en  una  serie  de  discos  circulares  de  poliestireno,  o  cloruro  de  polivinilo,  situados  sobre  un  eje,  a  corta  distancia  unos  de  otros.  Los  discos  están  parcialmente  sumergidos  en  el  agua  residual  y  giran  lentamente.    En  el  funcionamiento  de  un  sistema  de  este  tipo,  los  crecimientos  biológicos  se  adhieren  a  las  superficies  de  los  discos,  hasta  formar  una  película  biológica  sobre  la  superficie  mojada  de  los  mismos.    La  rotación  de  los  discos  pone  a  la  biomasa  adherida  en  contacto,  de  forma  alternada,  con  la  materia  orgánica  presente  en  el  agua  residual  y  con  la  atmósfera,  para  la  absorción  del  oxígeno.  La  rotación  del  disco   induce   la  transferencia  de  oxígeno  y  mantiene   la  biomasa  en  condiciones  aerobias.  La  rotación  también  es  el  mecanismo  de  eliminación  de  exceso  de   sólidos   en   los   discos   por  medio   de   los   esfuerzos   cortantes   que   origina   y   sirve   para  mantener  en  suspensión  los  sólidos  arrastrados,  de  modo  que  puedan  ser  transportados  desde  el  reactor  hasta  el  clarificador    

   

   

SISTEMA  DE  BIDISCOS  

 PROTECCIÓN  A  LOS  BIODISCOS  PARA  MANTENER  A  TEMPERATIRA    

ADECUADA  A  LA  BIOMASA  QUE  SE  GENERA    

 EJE  DE  APOYO  DEL  MEDIO  DE  SUSTENTO  Y  BIOMASAS  ADHERIDAS  

     

PROCESO  DE  LODOS  ACTIVADOS    Éste   se   basa   en   la   producción   de   una   masa   activada   de   microorganismos   capaz   de  estabilizar  un  residuo  orgánico  por  vía  aerobia.  En  la  actualidad  existen  muchas  variantes  del   proceso   convencional,   aunque   todas   ellas   conservan   el   mismo   principio   de  funcionamiento.    El  residuo  orgánico  se  introduce  en  un  reactor,  donde  se  mantiene  un  cultivo  bacteriano  aerobio   en   suspensión.   El   contenido   del   reactor   se   conoce   con   el   nombre   de   “líquido  mezclado”.  En  el  reactor,  el  cultivo  bacteriano  lleva  a  cabo  la  conversión  de  acuerdo  a  las  siguientes  ecuaciones:    OXIDACIÓN  Y  SÍNTESIS    

Materia  orgánica  +  O2  +  nutrientes  →  CO2  +  NH3  +  C5H7NO2  +  otros  productos  finales    RESPIRACIÓN  ENDOGENA    

C5H7NO2  +  5  O2  →  5CO2  +  2H2O  +NH3  +  energía    A   pesar   de   que   la   reacción   de   la   respiración   endógena   conduce   a   la   formación   de  productos   finales   relativamente   sencillos   y   al   desprendimiento   de   energía,   también   se  forman  algunos  productos  orgánicos  estables.    Al   cabo   de   un   período   determinado   de   tiempo,   la  mezcla   de   las   nuevas   células   con   las  viejas  se  conduce  hasta  un  tanque  de  sedimentación  para  su  separación  del  agua  residual  tratada.  Una  parte  de  las  células  sedimentadas  se  recircula  para  mantener  en  el  reactor  la  concentración  de  células  deseada,  mientras  que  otra  parte  se  purga  del  sistema.    

Balance  de  masas  en  el  reactor  biológico    El  balance  de  masa  lo  podemos  definir  como  la  cuantificación  de  los  materiales  que  entran  y   salen   de   una   unidad   de   procesamiento,   siendo   en   este   caso   el   elemento   que   nos  interesa  cuantificar  la  cantidad  de  solidos  suspendidos  totales  (SST).  Este  dependerá  de  la  forma  de  tratar  el  agua,  para  lo  cual  hay  varias  modalidades:    

• Procesos  de  mezcla  completa  sin  recirculación  

• Procesos  de  mezcla  completa  con  crecimiento  en  suspensión  y  recirculación  

• Procesos  de  mezcla  completa  de  flujo  en  pistón  con  crecimiento  en  suspensión  y  

recirculación  

 

Ricardo Garcia� 20/12/2014 0:11Comentario [6]: ESTAS  REACCIONES  QUÍMICAS,  REPRESENTAN  LA  DESCOMPSOCIÓN  DE  LA  MATERIA  EN  ELEMENTOS  MENOS  COMPLEJOS  QUE  SE  PUEDEN  SEPARAR  CON  MAYOR  FACILIDAD  

Ricardo Garcia� 20/12/2014 0:18Comentario [7]: A  ESTA  MEZCLA  DE  CELULAS  SE  LE  CONOCE  COMO  BIOMASA  SUSPENDIDA.  CABE  MENCIONAR  QUE  ESTE  PROCESO  NECESARIAMENTE  REQUIERE  DE  UN  SEDIMENTADOR  SECUNDARIO  

Siendo  este  último  el  que  desarrollaremos  en  el  presente  documento.   La   características  distintiva  de  este  sistema  es  el  sistema  de  recirculación,  el  cual  radica  en  que  el  régimen  hidráulico   del   reactor   es   de   naturaleza   de   piston.   En   un  modelo   verdadero   de   flujo   de  pistón  todas  las  partículas  que  entran  en  el  reactor  permanecen  el  mismo  tiempo,  algunas  de   las   partículas   pueden   atravesar   el   reactor  más   veces   debido   a   la   recirculación,   pero  mientras  están  en  el  reactor  permanecen  el  mismo  tiempo.    En   el   flujo   pistón   se   alcanza   a   valores  muy   bajos   de   número   de   reynolds,   esto   sucede  cuando  se  excede  el  esfuerzo  de  cedencia  verdadero,  el  flujo  comienza  en  la  forma  de  un  tapón   sólido,   por   lo   que   la   distribución   de   velocidades   es   igual   en   toda   la   sección  hidráulica   trasversal   del   reactor.   La   concpeción   del   sistema   se   muestra   en   el   siguiente  esquema:    

 En  donde:    QO  =  es  el  caudal  del  afluente  Q  =  caudal  de  salida  del  tanque  de  aireación  QR  =  caudal  recirculado  QE  =  caudal  efluente  QW  =  caudal  de  desecho  de  lodos  

XO   =   concentración   de   sólidos   suspendidos  totales  (SST)  en  el  afluente  XR   =   concentración   de   SST   en   la   línea   de  recirculación  XE  =  concentración  de  SST  en  el  efluente  

 Los  caudales  se  expresan  en  m3/s,  l/s,  m3/d,  y  las  concentraciones  SST  en  mg/l    

Fundamentos  para  el  diseño  del  reactor  de  mezcla  completa  con  recirculación    En   los   sistemas   de   mezcla   completa   el   líquido   contenido   en   el   reactor   deberá   estar  mezclado  completamente  (biomasa  –  agua  residual),  en  éste  tipo  de  sistemas  el  tanque  de  sedimentación   secundario,   es   una   parte   integral   del   sistema;   ya   que   en   este   sitio   se  separan   los   componentes  mezclados   en   el   reactor,   esto   para   su   posterior   recirculación,  siendo  esto  una  parte  integral  del  proceso  de  lodos  activados.  El  tanque  de  sedimentación  sirve   como   depósito   desde   el   que   se   recirculan   los   sólidos   para   mantener   una  concentración  adecuada  de  ellos  en  el  tanque  biológico.      El   sistema   de   depuración   de   agua   residual   por   lodos   activados   requiere   de   dos   partes  fundamentales,   reactor   biológico   y   un   sistema   de   separación   de   sólidos;   el   modelo  cinético  necesita  la  consideración  de  dos  hipótesis  adicionales:  

Ricardo Garcia� 27/12/2014 1:36Comentario [8]: LOS  MODELOS  CINÉTICOS  COMPRENDEN  EL  ANÁLISIS  DETALLADO  DEL  CRECIMIENTO  BACTERIANO,  ES  DECIR  ESTUDIAR  LAS  VARIABLES  QUE  INVOLUCRAN  SU  CRECIMIENTO,  TIEMPO  DE  MADUREZ,  Y  MUERTE    

 1. La  estabilización  biológica  de  los  residuos  se  produce  únicamente  en  el  reactor  

 2. El  volumen  utilizado  al   calcular  el   tiempo  de   retención  de   lodos  del   sistema  solo  

debe  considerar  el  volumen  del  reactor    De   acuerdo   a   lo   anterior,   se   parten   de   las   siguientes   definiciones:   el   tiempo  medio   de  retención  hidráulica  del  sistema  (TRHS),  se  define  como:    

𝑇!"# =𝑉!𝑄 =

𝑉! + 𝑉!𝑄  

En  donde:    VT  =  volumen  del  sistema  Vr  =  volumen  del  reactor  biológico  Vs  =  volumen  del  tanque  de  sedimentación  Q  =  caudal    El  tiempo  medio  de  retención  hidráulica  en  el  reactor  (𝑇!")  se  define  como:    

𝑇!" =𝑉!𝑄  

 El   tiempo   medio   de   retención   de   lodos   en   el   reactor   se   define   como   la   masa   de  microorganismos  del  reactor  dividida  por  la  masa  diaria  de  microorganismos  purgada  del  sistema:    

𝜃! =𝑉! + 𝑋

𝑄!! 𝑋! + 𝑄!𝑋!  

 En  donde:    𝑄!!  =  tasa  de  purga  de  lodos  desde  el  caudal  de  recirculación  𝑄!  =  caudal  del  líquido  efluente  de  la  unidad  de  separación  𝑋!  =   concentración   de   microorganismos   en   el   efluente   de   la   unidad   de   separación   de  solidos  𝑋!  =  concentración  de  microorganismos  en  la  línea  de  recirculación  de  lodos  X  =  concentración  de  microorganismos  en  el  reactor  Vr  =  volumen  del  reactor  biológico        

Balance  de  masa    El  planteamiento  de  un  balance  de  masa,  sobre  microorganismos,  para  un  reactor  de  flujo  continuo  puede  expresarse  como:      

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑑𝑒  𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑑𝑒  𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑙𝑜𝑠

𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠  𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

=

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑑𝑒  𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠

𝑞𝑢𝑒  𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛  𝑎𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

−

𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑑𝑒𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠

𝑞𝑢𝑒  𝑠𝑎𝑙𝑒𝑛  𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

+

𝐶𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜  𝑛𝑒𝑡𝑜  𝑑𝑒

𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑙𝑜𝑠

 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

 

 𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑐𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑛𝑒𝑡𝑜  𝑛𝑒𝑡𝑜  

 𝑑𝑋𝑑𝑡 𝑉! = 𝑄𝑋! − 𝑄!𝑋 +  𝑄!𝑋! + 𝑉!  (𝑟!"#$)  

 Donde   rneta   es   la   tasa   de   crecimiento   bacteriano,   la   cual   se   define   con   la   siguiente  ecuación:    

𝑟!"#$ = −𝑌𝑟!" − 𝑏𝑋    En   la  ecuación  anterior  si  substituimos   la   tasa  de  crecimiento  bacteriano,  y  se  considera  que  la  concentración  de  biomasa  en  el  afluente  es  nula  y  que  prevalecen  condiciones  de  flujo  estable  (dX/dt  =  0),  se  tiene  lo  siguiente:    

𝑄!  𝑋 + 𝑄!𝑋  !𝑉!  𝑋

= −𝑌𝑟!"𝑋 − 𝑏  

 El  inverso  del  tiempo  medio  de  retención  de  lodos  esta  representado  en  el  termino  de  la  izquierda:    

1𝜃!= −𝑌

𝑟!"𝑋!

− 𝑏  

La  tasa  de  utilización  de  substrato  se  determina  mediante  la  siguiente  ecuación:    

𝑟!" = −𝑄𝑉!

𝑆! − 𝑆 = −𝑆! − 𝑆𝑇!"

 

 En  donde:    (So  –  S)  =  cantidad  de  substrato  utilizada  (mg/l)  So  =  concentración  de  substrato  en  el  afluente  (mg/l)  S  =  concentración  de  substrato  en  el  efluente  (mg/l)  𝑇!"  =  tiempo  de  retención  hidráulica  (d)  

 La   concentración   de   microorganismos   en   le   reactor   Xa   se   calcula   con   la   siguiente  expresión:    

𝑋! =𝜃!𝑇!"

𝑌 𝑆! − 𝑆1+ 𝑏𝜃!

 

 La  concentración  del  substrato  en  el  efluente  es:    

𝑆 =𝑘 1+ 𝜃!𝑏

𝜃! 𝑌𝑞 − 𝑏 − 1  

 La   producción   de   lodos   observada   en   un   sistema   de   recirculación   se   calcula   con   la  siguiente  expresión:    

𝑌!"# =𝑌

1+ 𝑏𝜃!  

 La  producción  diaria  de  lodo  de  purga  se  determina  con  la  siguiente  expresión:    

𝑃! = 𝑌!"#   𝑆! − 𝑆  𝑄    El   sistema   debe   tener   medios   de   control   por   medio   de   los   cuales   se   mantengan   los  microorganismos   que   depuran   el   agua   dentro   del   sistema,   para   ello   se   analiza   un  concepto   denominada:   relación   alimento   –   microorganismos   (F/M),   el   cual   se   define  mediante  la  siguiente  expresión:    

𝐹 𝑀 =  𝑆!

𝑇!"  𝑋      

   Los   valores   típicos   de   los   coeficientes   cinéticos   para   el   proceso   de   lodos   activados   se  muestra  a  continuación:    

Coeficiente   Unidad  para  SSV  Valores  para  20  º  C  

Rango   Típico          Y   VSS  mg/  DBO5  mg   0.400  –  0.800   0.60  

b   1/d   0.025  –  0.075   0.06  

K   DBO5  mg/l   25.0  –  100.0   60.0      

Sedimentador  secundario    La   función   de   éste   proceso   unitario   es   la   de   separar   los   lodos   activados   del   líquido-­‐  mezcla.  Esta  separación  de  sólidos  es  el  último  paso,  antes  de  la  descarga  requerida  para  la  producción  de  un  efluente  estable,  bien  clarificado,  y  con  bajo  contenido  en  DBO,  DQO  y  sólidos  totales.    La   mayor   parte   de   las   teorías   expuestas   para   la   sedimentación   primaria   siguen   siendo  aplicables  a  los  tanques  de  sedimentación  secundaria.  Las  características  particulares  del  efluente   del   reactor   biológico,   líquido-­‐mezcla   de   gran   cantidad   de   sólidos   floculentos,  requieren  de  diseños  especiales  en  esta  etapa  del  proyecto,  debido  a  que  se   forma  una  capa  de  lodo  de  profundidad  variable.    Para  diseñar  correctamente  los  tanques  de  sedimentación  secundaria  se  deben  tomar  en  cuenta  los  siguientes  factores:    

• Tipos  de  tanques  

• Características  de  sedimentabilidad  de  los  lodos  en  relación  con  las  necesidades  de  

espesamiento  para  la  correcta  operación  de  la  planta  

• Cargas  de  superficie  y  cargas  de  sólidos  

• Profundidad  del  agua  

• Reparto  del  caudal  

• Diseño  de  la  entrada  de  agua  

• Ubicación  y  carga  sobre  el  vertedero  

• Eliminación  de  espumas  

   

Tipos  de  tanques    Los   tipos  de   tanques  de  sedimentación  secundaria  más  empleados  en  el   tratamiento  de  agua  residual  son  los  tanques  circulares  y  rectangulares.  En   los  tanques  rectangulares  se  recomienda  que  la   longitud  total  del  tanque  no  exceda  de  10  a  15  veces  su  profundidad    Los  tanque  circulares  tienen  diámetros  de  entre  10-­‐40  m,  teniendo  en  cuenta  que  el  radio  no  debería  exceder  en  5  veces  la  profundidad  del  agua  en  la  periferia  del  tanque.  Existen  dos   tipos   de   tanques   circulares:   alimentación   central   y   alimentación   periférica.   Ambos  utilizan   mecanismos   rotatorios   para   transportar   y   evacuar   el   lodo   del   fondo   del  clarificador.      

Sedimentabilidad  del  lodo    Las  características  de  sedimentación  de  los  lodos  pueden  variar  temporalmente  debido  a  cambios   en   la   cantidad   y   peso   específico   de   los   sólidos   suspendidos   que   escapan   a   la  sedimentación   primaria.   Es   necesario   adoptar   criterios   de   proyecto   conservadores   que  eviten   el   escape   ocasional   de   sólidos   del   lodo.   El   índice   de   volumen   de   lodos   se   utiliza  como  medida  de  las  características  de  sedimentabilidad  del  lodo      En  un  tanque  de  sedimentación  secundario,  existe  un  flujo  constante  de  sólidos  en  sentido  descendente.   Dentro   del   tanque,   el   flujo   de   sólidos   descendente   se   produce   por   la  sedimentación   por   gravedad   y   por   el   transporte   de  masa   debido   al   caudal   extraído   del  fondo,  el  cual  se  bombea  y  recircula.  En  cualquier  punto  del  tanque,  el  flujo  de  masa  de  sólidos  originado  por  la  sedimentación  por  gravedad  (SFg)  se  calcula  como      

𝑆𝐹! = 𝑘  𝐶  𝑉    En  donde:    SFg  =  flujo  de  sólidos  por  acción  de  la  gravedad  (Kg/m2  *  h)  k  =  1/1000  C  =  concentración  de  sólidos  (mg/l)  V  =  velocidad  de  sedimentación  de  los  sólidos  (m/h)    Utilizando   el   valor   del   flujo   de   sólidos   límite,   la   superficie   necesaria   deducida   con   un  balance  de  masas  se  puede  expresar  de  la  siguiente  manera:      

𝐴 =1+ 𝛼  𝑄  𝐶!

𝑆𝐹!1 1000    𝑔 𝑘𝑔  

 En  donde:    A  =  área  transversal  (m2)  Q  =  caudal  volumétrico  que  entra  al  tanque  de  sedimentación  (m3/d)  C0  =  concentración  de  sólidos  en  el  cauda  de  entrada  al  tanque  de  sedimentación  (g/m3)  SFL  =  flujo  de  sólidos  límite  (kg/m2  *  d)  𝛼 = 𝑄! 𝑄  relación  de  caudal    

Carga  de  superficie  y  carga  de  sólidos    Las   condiciones   de   operación   que   pueden   ocurrir   en   el   sistema   pueden   producir  diferentes  cantidades  de  sólidos  cuando  existen  variaciones  en  los  caudales,    las  cargas  de  superficie   de   diseño   se   deben   basar   en   las   condiciones   de   caudal   punta.   Las   cargas   de  superficie  se  pueden  calcular  dividiendo  el  flujo  del  caudal  entre  la  superficie  del  tanque.    

   La  carga  de  superficie  es  equivalente  a  una  velocidad  de  flujo  ascensional.      

Tipo  de  tratamiento  

Carga  de  superficie  (m3/m2)   Carga  de  sólidos  (kg/m2  *  h)   Profundidad  Media   Punta   Media   Punta   (m)  

           Sedimentación  después   del  proceso   de  lodos  activados  

0.678  –  1.356   1.695  –  2.035   3.90  –  5.85   9.76   3.60  –  6.00  

 

Profundidad  del  agua    La   profundidad   de   agua   de   un   sedimentador   secundario   se   suele   medir   en   los   muros  perimetrales  de  los  sedimentadores  circulares.  La  profundidad  es  un  factor  que  afecta  a  la  eficiencia  en  la  eliminación  de  sólidos  y  en  la  concentración  de  lodos  de  recirculación.  Los  tanques   de   mayor   profundidad   presentan   la   ventaja   de   una   mayor   flexibilidad   de  explotación   y   un  mayor  margen   de   seguridad   frente   a   cambios   en   el   proceso   de   lodos  activados.      

Reparto  de  caudales    En  los  casos  en  los  que  las  capacidades  de  los  diferentes  tanques  no  son  iguales,  el  caudal  se  debe  repartir  proporcionalmente  a  las  áreas  superficiales  de  los  diferentes  tanques.  Los  métodos  de   reparto  de  caudales  a   los   tanques  de   sedimentación   secundaria   incluyen  el  uso  de  vertedores,  válvulas  de  control  de  caudal,  reparto  por  simetría  hidráulica,  y  control  mediante  compuertas  u  orificios  de  alimentación      

Diseño  de  la  entrada  del  tanque    La   entrada   del   agua   en   el   tanque   a   gran   velocidad   puede   aumentar   la   formación   de  corrientes   de   densidad   y   la   resuspensión   del   lodo   sedimentado,   provocando   un  rendimiento  poco  satisfactorio  del   sedimentador.  Los  dispositivos  de  entrada  de  agua  al  tanque   deben   disipar   la   energía   del   agua   entrante,   distribuir   uniformemente   el   flujo,  eliminar  las  corrientes  de  densidad  y  minimizar  las  perturbaciones  a  la  capa  de  lodos.  En  los   tanques   de   sedimentación   circulares   se   coloca,   al   centro   del   sedimentador,   una  campana  difusora  la  cual  recibe  el  flujo  entrante  y  tiene  como  funciones  principales  la  de  disipar  la  energía  del  mismo  y  además  distribuirlo  en  toda  el  área  superficial.  El  tamaño  de  dicha  campana  difusora  no  debe  ser  inferior  al  25  %  del  diámetro  del  tanque.        

Ubicación  y  carga  sobre  el  vertedor    La  ubicación  óptima  de  los  vertederos  para  la  obtención  de  un  efluente  bien  clarificado  se  situa   entre   las   dos   terceras   partes   y   las   tres   cuartas   partes   de   radio   medido   desde   el  centro.   Las   cargas   sobre   vertedero   empleadas   en   tanques   de   grandes   dimensiones   no  deben  superar  los  375  m3/m  lineal*día  a  caudal  máximo.    

Eliminación  de  espuma    Generalmente,   en   los   sedimentadores   secundarios   se   produce   muy   poca   espuma.   No  obstante,  se  pueden  presentar  situaciones  en  las  que  aparecen  materias  flotantes  que  se  deben  eliminar.   Los  equipos  de   recogida  de  espumas   incluyen   las  cajas  de   flotantes  con  rampa  de  rascado,  el  canal  desnatador  rotativo  solidario  del  puente  y  tuberías  ranuradas.      

Elementos  mecánicos  de  los  sistemas    El   ambiente   aerobio   en   el   reactor   se   consigue   mediante   el   uso   de   difusores   o   de  aireadores  mecánicos,  que  también  sirven  para  mantener  el  líquido  mezcla  en  estado  de  mezcla  completa.  Se  adjuntan  algunas  imágenes  que  muestran  éstos  elementos    

 DIFUSOR  

     

 TANQUE  RECTANGULAR  CON  AAREGLO  DE  DIFUSORES  

 OBSERVE  LA  INTERCONEXIÓN  QUE  TIENEN  LOS  DIFUSORES  Y  LAS  ORILLAS  

REDONDEADAS  DEL  TANQUE          

 

 TANQUE  CON  DIFUSORES  Y  ALIMENTACIÓN  CENTRAL  

 

 TANQUE  DE  AIREACIÓN  O  REACTOR  BIOLOGICO  DE  CULTIVO  BACTERIANO  EN  

SUSPENSIÓN.  PROCESO  DE  LODOS  ACTIVADOS