Tratamientos de fangos


Los lodos contienen todas las sustancias que han sido separadas en las diferentes etapas de la depuración de aguas. 

Los fangos han de sufrir una serie de procesos para facilitar la gestión de los mismos y minimizar el riesgo medioambiental y salud pública. Con estos procesos se intentará conseguir principalmente:

  1. Concentrar los lodos para reducir su volumen 

  2. Estabilizarlos para evitar su putrescibilidad y por tanto evitar los malos olores

  3. Deshidratarlos para conseguir una textura que los haga más fácilmente manejables y transportables.

Los sistemas de tratamiento de fangos se pueden resumir en los siguientes procesos:

 


 

DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN DE LOS FANGOS: ESPESAMIENTO/FLOTACIÓN

La disminución del volumen que ocupan los fangos de una E.D.A.R. es beneficiosa para los siguientes procesos que tienen que sufrir los fangos ya que permitirá aumentar la capacidad de los tanques y equipos necesarios, disminuirá la cantidad de productos químicos, y el calor necesario para los digestores.

Existen diferentes sistemas para conseguir esta disminución de volumen:

1. Espesadores por gravedad

Con este tipo de separadores conseguimos separar la fase sólida de la líquida. El funcionamiento es similar al de los decantadores.

Este tipo de espesadores suelen constar de una cubeta, por lo general cilíndrica fondo cónico. Aparece también un puente móvil donde se sitúan dos brazos con sendas rasquetas, movidos por un motor que acciona el eje central. La función de estas rasquetas es la de concentrar los sólidos y conducirlos a la parte central del fondo cónico, y prodecer a su evacuación. 

El agua entra por la parte central del aparato mediante una campana tranquilizadora, la cual reparte el agua de manera uniforme. Las partículas en suspensión decantan de forma individual o formando flóculos.

Este tipo de espesadores suelen estar tapado para evitar olores.

La solera del espesador debe tener una pendiente mínima del 10%. Existen otro tipo de recomendaciones para el diseño de espesadores que se resumen en la siguiente tabla:

 

Carga de sólidos (kg/m2) Carga hidráulica (m3/m2/h) Tiempo de retención (h) Concentración fango espesado (g/l)
Fangos primarios <130 <1,40 >24 8-10
Fangos activos <35 <0,45 >24 2-3
Fangos mixto <70 <0,90 >24 4-7
F. aireación prolongada <35 <0,45 >24 2-3
F. estabilización aerobia <35 <0,45 >24 2,5-3,5

 

El sobrenadante de salida del espesador irá a la cabecera de la planta de tratamiento.

 

2. Espesadores por flotación

En este espesador también se separa la fase sólida de la líquida, pero a diferencia del método anterior, en los espesadores por flotación los sólidos se concentran en la parte superior. Los fangos en este caso ascienden a una velocidad superior a la de sedimentación. Esto se consigue mediante la introducción de aire. Estas pequeñas burbujas de aire arrastran a las partículas sólidas hacia arriba. Los sólidos acumulados en la superficie del espesador son retirados mediante procesos mecánicos.

Los criterios y recomendaciones en España para el diseño de  estos espesadores se indican en la siguiente tabla:

 

Carga de sólidos (kg/m2) Carga hidráulica (m3/m2/h) Tiempo de retención (h)
Fangos activos <4 <2 >=2
Fangos mixtos <5 <2 >=6

 

Este tipo de tratamiento se suele aplicar para los lodos biológicos, mientras que para los lodos primarios no se suele usar.

En este tratamiento hay que tener en cuenta la relación existente entre el aire aportado y los sólidos que tiene el fango. Por lo general esta relación suele estar entre 0,005 y 0,06 kg de aire/kg de fango.

 

3. Espesamiento por centrifugación

La centrifugación se usa principalmente par ala deshidratación de los lodos, aunque también se utilizan para concentrar los fangos. El principio en le que se fundamenta es en la sedimentación de las partículas sólidas del fango gracias a la fuerza centrífuga que se aplica.

El fango se introduce en de forma continua, concentrándose los sólidos en la zona periférica. El lodo es empujado por un tornillo helicoidal hasta el extremo de la centrífuga. 


 

ESTABILIZACIÓN

La estabilización tiene como objetivos, el reducir los microorganismos patógenos presentes en los fangos de E.D.A.R., eliminar los olores desagradables y eliminar la capacidad de putrefacción.

DIGESTIÓN AEROBIA

Consiste en la degradación biológica de la materia orgánica presente en el agua residual gracias a la actividad microbiológica en condiciones aerobias. 

Los fangos en el reactor deben mantenerse en concentraciones cercanas a 25 g/l y la reducción de la materia volátil debe ser como mínimo del 40%.

El tiempo de retención hidráulico se calcula según la fórmula:

t (días) = volumen reactor (m3)/caudal de entrada (m3/día)

 

Las recomendaciones para España en este sentido se establecen unos tiempos de retención igual o mayores a 15 días para fangos mixtos a temperaturas superiores a 15 º C y para fangos activos más de 12 días.

La carga de sólidos volátiles por m3 de digestor se denomina carga de trabajo y según aumenta la carga de trabajo, disminuye la reducción de sólidos volátiles. En España se recomiendan cargas iguales o inferiores a 3 kg de sólidos volátiles por m3 de digestor para fangos mixtos y de 2 kg de sólidos volátiles por m3 de digestor para fangos activos.

En este tipo de digestión hay que tener en cuenta la cantidad de oxígeno que tenemos que suministrar al digestor, ya que la cantidad de oxigeno consumida determina la cantidad de sólidos volátiles destruidos. Se estima que se necesitan 2 kg de oxígeno por kg de materia volátil destruida más 1,8 kg de oxígeno por cada kg de DBO5 del fango primario.

Este método permite una importante reducción de sólidos volátiles (aunque la digestión anaerobia consigue una reducción mayor), se consiguen reducidas concentraciones de DBO del sobrenadante obtenido, se minimizan los problemas de olores en el producto digerido y se obtiene un producto de gran calidad y valor desde el punto de vista agrícola. El inconveniente que presenta es que es un método muy costoso.

 

Los factores que afectan a este proceso son:

  • Tiempo de retención: cuanto mayor sea el tiempo el retención mayor será la reducción de los sólidos volátiles.

Relación tiempo de retención-reducción de volátiles

Tiempo de retención 1 2 3 4 6 7 8
Reducción de materia volátil (%) 5 10 17 24 29 33 40

 

  • Temperatura: El rendimiento en la reducción de los sólidos volátiles disminuye con las bajas temperaturas. Para minimizar estos efectos se puede aumentar la cantidad de sólidos, aumentando así también el tiempo de retención y mejorando el rendimiento del sistema. Esto hay que tenerlo en cuenta a a hora de diseñar la cuba para las peores condiciones de temperatura para un rendimiento de volátiles fijo.

 

  • Necesidades de oxígeno y de mezcla: La cantidad de oxigeno que tenemos que suministrar se determina en función de los sólidos volátiles destruidos. Se estima que la transformación de la materia carbonada a agua y amoniaco requiere 1,42 kg de oxígeno y la nitrificación necesitado un aporte adicional de 0,56 kg de oxígeno, resultando un total de 2 kg de oxígeno por kg de materia volátil destruida.

 

 

DIGESTIÓN ANAEROBIA

La digestión anaerobia es la degradación de la materia orgánica de los fangos en condiciones de anoxia. Las reacciones que se producen en esta degradación liberan energía además de liberar al medio metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Este tipo de digestión trascurre en diferentes fases que se describen a continuación:

  1. Fase de hidrolí

En esta etapa se rompen los enlaces de las grandes moléculas gracias a las enzimas que excretan las bacterias hidrolíticas.

  1. Fase Ácida:

En esta fase actúan bacterias facultativas que transforman los compuestos orgánicos presentes en el fango en ácidos orgánicos de bajo peso molecular, esto produce al finalizar esta etapa el pH descienda.

  1. Fase Acetogénica:

Esta fase la realizan las bacterias acetogénicas, las cuales sueltan al medio acetatos y CO2.

  1. Fase Metanogénica:

Etapa realizada gracias a las bacterias metanogénicas, las cuales forman metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). Estas bacterias tienen un crecimiento lento provocando que su metabolismo sea limitante en el proceso del tratamiento de los fangos mediante digestión anaerobia.

 

Los sistemas de digestión anaerobia se clasifican en: baja carga, alta carga, contacto anaeróbico y por separación de gases.

En este proceso hay que tener en cuenta una serie de factores tales como el pH, la temperatura (10-60ºC), la agitación y calentamiento, la alimentación de fango y el tiempo de retención del mismo (el tiempo de retención en España para la digestión primaria, se recomienda que sea igual o superior a 15 días, mientras que para el digestor secundario debe ser igual o mayor a 5 días) y la producción de gas

El digestor anaerobio suelen tener forma cilíndrica con la parte superior e inferior de forma cónica. La parte superior se denomina cúpula. Estos digestores presentan un sistema de agitación, mezclado y rompecostras. 

 

 

ESTABILIZACIÓN QUÍMICA

Oxidación con cloro

Es la oxidación química del fango mediante la aplicación de una dosis elevada de cloro. Se realizan en reactores cerrados y necesita un periodo de retención bastante corto.

 

Estabilización con cal

Se añade cal al fango en dosis tales para mantener el pH 12 durante el tiempo suficiente como para asegurar la eliminación o reducción de organismos patógenos presentes en los fangos.

Este tipo de estabilización se suele usar:

- Como sistema complementario de estabilización  durante los periodos en que las instalaciones de otros sistemas (como la digestión o la incineración) están fuera de servicio.

- Como sistema complementario a los procesos de digestión cuando hay una cantidad de fangos mayor a la cantidad prevista en el diseño de las instalaciones.

- En plantas de pequeño tamaño donde una inversión y la consiguiente explotación de las instalaciones de otro sistema de estabilización no resulten rentables.

 

Cantidad de Ca(OH)2 necesaria para mantener el pH por encima de 12 durante 30 minutos

 

Concentración de sólidos (%)

Dosis de cal,

Kg Ca(OH)2/ton sólidos secos

Tipo de fango

Intervalo

Valor medio

Intervalo

Valor medio

Primario

3-6

4,3

60-170

120

Exceso de fango activado

1-1,5

1,3

210-430

300

Mezcla digerida por vía aerobia

6-7

6,5

140-250

190

Líquido de fosas sépticas

1-4,5

2,7

90-510

200

 

 


 

ACONDICIONAMIENTO

ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO

Se utiliza para la coagulación de la materia sólida a la vez que se libera mucha agua de los fangos.

Los productos más utilizados en el acondicionamiento químico son los polielectrolitos, aunque también se usa cloruro férrico, cal, sulfato de alúmina, entre otros.

 

ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO

Se trata de un calentamiento de los fangos a una temperatura de 160-210 ºC, produciéndose el cambio de estructura de los fangos con una gran cantidad de materia orgánica. 


 

DESHIDRATACIÓN

La deshidratación disminuye el contenido de agua de los fangos disminuyendo así el volumen de los lodos para el transporte y la manejabilidad de los mismos. El destino de los fangos determinará el grado de deshidratación y el método utilizado para este fin.

Con la deshidratación se consigue:

  • Disminuir los costes de transporte de lo los lodos al disminuir el volumen del fango.

  • Mejora la manejabilidad de los lodos.

  • La deshidratación suele ser necesaria antes de la incineración ya que se consigue aumentar el poder calorífico al disminuir la humedad,.

  • La deshidratación es necesaria si el fango se destina a compostaje.

  • Para evitar los olores que puedan derivarse de los lodos se realiza la deshidratación.

  • La deshidratación es necesaria si el lodo va a ser evacuado a vertedero ya que evitamos la formación de lixiviados.

 

ERAS DE SECADO

Las eras de secado son capas de materiales drenantes dispuestas de forma vertical en un receptáculo. El fango se hace pasar sobre estas capas de grava o arena produciéndose el filtrado y la deshidratación de los lodos por evaporación. Esta evaporación dependerá de las condiciones climáticas de la zona, los días de exposición de los lodos y las características del lodo.

El material drenante suele estar formado por por capas de 10 cm de arenas sobre una capa de grava de 10-20 cm, colocando una red de tuberías en la parte inferior para recoger el agua que volverá a ser tratada en la E.D.A.R. La capa de arena debe reponerse cada cierto tiempo ya que se pierden arenas en el proceso de filtrado y recogida de los lodos.

Este método se utiliza para poblaciones de 20.000 habitantes o inferiores. El inconveniente que presenta este proceso es la gran superficie de terreno que se requiere.

 

FILTRO BANDA

Es un sistema de alimentación continua de fango, donde se realiza también un acondicionamiento químico, generalmente con polielectrolitos.

En los filtro banda primero se produce un drenaje por gravedad y después se hace pasar al fango por una aplicación mecánica de presión para que se produzca la deshidratación, gracias a la acción de una telas porosas.

Es un método barato, ya que no necesita una gran inversión inicial, los costes de mantenimiento y explotación son bajos y la instalación representa un bajo consumo energético.

 

FILTRO PRENSA

Los filtros prensa constan de una serie de placas rectangulares verticales dispuestas una detrás de otra sobre un bastidor. Sobre las caras de estas placas se colocan telas filtrantes, generalmente de tejidos sintéticos. El espacio que queda entre dos placas, en su parte central hueca, es el espesor que adquirirá la torta resultante. Este espesor puede oscilar entre 15-30 mm.

La superficie de los filtros prensa puede ser de hasta 400 m2, y la superficie de las placas de 2 m2. Y suelen estar formados por más de 100 placas.

El proceso de filtrado varía entre 25 horas, dependiendo de la duración de las diferentes etapas que pasamos a enumerar a continuación:

  • Llenado

  • Filtrado

  • Descarga

  • Limpieza

Con este proceso se consigue una estanqueidad del 35-45%, según las características del lodo a tratar.

Se utiliza en depuradoras de más de 100.000 habitantes y se necesita personal especializado y cualificado para su mantenimiento y explotación.

 

CENTRIFUGADORA

La centrifugadora es un tambor cilindro-cónico de eje horizontal que se fundamenta en la fuerza de centrifugación para la separación de la fase sólida del agua.

Hay dos tipos de centrifugación en la deshidratación de los lodos. Una de ellas es la centrifugación contra corriente, donde los sólidos y el líquido circulan en sentido contrario dentro del cilindro. El otro tipo de centrifugación es la equicorriente donde la fracción sólida y la líquida discurren en el mismo sentido.

 

SECADO TÉRMICO

Con este sistema se consigue extraer el agua embebida de los fangos gracias a la evaporación de la misma. El secado térmico puede ser por secado directo o indirecto.

En el primer caso se utilizan gases calientes que se ponen en contacto con el fango a deshidratar , obteniéndose una sequedad de hasta un 90%.

En el secado térmico indirecto el medio calefactor es una pared secadora, similar a un intercambiador de calor, obteniéndose sequedades menores que por el método anterior, de un 60-70%.

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