TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS

 

  1. Esquema funcional
  2. Recirculación
  3. Parámetros de diseño
  4. Fangos en exceso
  5. Tabla de parámetros de aplicación
  6. Ejemplo de aplicación

 

 

 

1. Esquema funcional
Se trata de un proceso conjunto entre el Reactor Biológico y el Decantador Secundario, desde el cual se recirculan los fangos, imprescindiblemente hacia el Reactor Biológico, a fin de que tenga lugar la formación de flóculos por la acción metabólica de la materia viva.

 

2. Esquema de recirculación

 

3. Parámetros de diseño

 

Carga másica:  Cm = (So · Q ) / (X · VR)   (Kg DBO5/día · Kg MLSS ) siendo


So : Cantidad de DBO5 que entra al Reactor Biológico por unidad de volumen (Kg/m3)
Q : Caudal a tratar (m3/día)

X : Concentración de sólidos en suspensión en el Reactor Biológico (Kg MLSS / m3)
VR : Volumen del Reactor Biológico en m3

 

Carga volumétrica o volúmica:   Cv = Cm · X   (Kg DBO5/día)

 

Necesidad de oxígeno (Oxígeno Necesario; O.N.) : O. N. teórico= d · B + 0,7 · C · M  (Kg O2 /día)  siendo:

O. N. cálculo= O. N. teórico · (Qp/Qm)

d : Demanda de oxígeno en la fase de agitación para el desprendimiento de éste del agua (d está comprendido entre 0,4 y 0,7)  (Kg O2 / Kg DBO5)

B : Cantidad de DBO5 que entra diariamente al Reactor Biológico (Kg DBO5/día)

C : Demanda de oxígeno referido a los microorganismos de los lodos (C está comprendido entre 0,08 y 0,14)  (Kg O2 / Kg DBO5)

M : Cantidad de sólidos en el Reactor Biológico (Kg MLSS)

Qp : Caudal punta entrante al Reactor Biólogico

Qm : Caudal medio entrante al Reactor Biológico


Potencia necesaria de oxigenación: P. N. = P transferida de O2 al agua / 0,65 = (O. N. cálculo) / [2 (Kg O2 / kw · h) · 0,6]

 

Edad del fango: T = X / (ΔX / ΔT) (días) siendo:

X : Concentración de S.S. (Kg MLSS/m3)

(ΔX / ΔT) : Cantidad de microorganismos que se generan por unidad de tiempo o exceso de fangos a añadir a fin de mantener constante en el Reactor Biológico la concentración X (Kg MLSS/ m3 ·día

 

Índice del Molhmann: (I). Se trata del volumen en ml ocupado por 1 gramo de Materia Sólida en Suspensión, después de decantar durante 30´ en una probeta de 1 litro (m3/kg).

 

Recirculación: Cantidad o caudal que se hace pasar por el Reactor Biológico respecto del caudal tratado:

R/Q = (X·I)/(1.000 - X·I) siendo:

X : Concentración de Sólidos en Suspensión en el Reactor Biológico (Kg MLSS/ m3)

I : Índice del Molhmann (m3/kg)

R : Caudal que se hace circular por el Reactor Biológico (m3/día)

Q : Caudal tratado (m3/día)

 

4. Fangos en exceso

Px = 1,1 · Seliminada – 0,04 · X  (Kg/ m3 ·día ) siendo

Seliminada : % DBO5 eliminada por m3 y día

X : Concentración de S. S. En el reactor Biológico (Kg MLSS/ m3)

 

 

5. Tabla de parámetros de aplicación

 

Decantación Primaria

Tipo de proceso

Carga másica

Concentración de sólidos en suspensión en el Reactor Biológico
()

Carga volumétrica
(Kg DBO5/día·m3 )

Rendimiento
(%)

Optativa

Alta carga

1,0

2,5

----

80

Obligatoria

Media carga

0,3

3,3

1,0

90

Optativa

Aireación prolongada

0,1

4,0

----

96

Inexistente

Baja carga

0,05

5,0

----

----

 


6. Ejemplo de aplicación

 

Datos

 

Parámetro

Situación actual

Situación futura

Qdiario (m3/d)

2400

21.000

Qhorario (m3/h)

100

875

Qpunta (m3/h)

160

1400

Qmáximo (m3/h)

250

2000

Carga diaria DBO5 (ppm)

350

300

Carga diaria SS (ppm)

300

275

DBO5 a la salida

£ 25

 

 

 

1)      Criterios de Decantación Secundaria

Caudal

Va (m/h)

Carga de sólidos

(Kg SS/m2/h)

tR (horas)

Carga en vertedero

(m3/h × ml)

Qmedio

£ 0,8

£  2,4

³ 3

£ 5

Qmáximo

£ 1,5

£ 6,0

³ 2

£ 10

 

2)      Demanda de oxígeno del proceso biológico: [OC (Kg O2 / m3 reactor día)= 0,5× Seliminado + 0,1× X ] siendo

Seliminado = DBO5 eliminada por m3 de reactor y día

X = Concentración de MLSS en el reactor en Kg/m3

 

3)      Capacidad de oxigenación de las turbinas en condiciones “standard” de ensayo: 2Kg O2 /Kwh

 

 

 

 

Para la situación actual se quiere funcionar con una línea de tratamiento y sin digestión de fangos y en el futuro con dos líneas y en un proceso de media carga.

 

SE PIDE:

a)      Calcular los reactores biológicos en las dos situaciones (uno en la situación actual y dos en el futuro)incluyendo la capacidad de oxigenación necesaria de manera que el reactor que se construya ahora sea válido para el futuro duplicando la instalación.

b)      Dimensionar el decantador secundario de modo que duplicándolo en el futuro sean adecuadas sus dimensiones para el caudal futuro.

c)      Croquizar las instalaciones y los puntos de extracción de fangos indicando las instalaciones actuales y las futuras.

 

Solución

 

a)      Cálculo de los reactores biológicos

 

Situación futura

Datos de cálculo por línea

 

Q medio = (21.000 m3/día) / 2 líneas = 10.500 m3/día = 437,5 m3/día

 

Se considera la existencia de una hipotética Decantación Primaria que permitiera la eliminación de la DBO5 sedimentable, esto es, el 40% aproximadamente, de esta carga contaminante. Por tanto, la carga diaria de que deberá ser objeto de Tratamiento Secundario es:

 

6.300 kg/día × (1-0,4) /2 líneas = 1.890 kg DBO5 / día

 

Por tratarse de un proceso de Media Carga (ver enunciado), los parámetros del Tratamiento Biológico serán:

C másica = (0,3 kg DBO5 / día ) / (Kg M.L.S.S.)

X =3,3  kg M .L. S. S. / m3

C volumétrica = 1 kg DBO5 / m3× día

 

Situación actual

A partir de estos datos, puede obtenerse el volumen del Reactor Biológico por aplicación de la siguiente fórmula:

V R.B. = (So × Q) / (X × C másica), siendo (So × Q) la carga diaria que llega al Reactor Biológico, ya obtenida anteriormente e igual a 1.890 kg DBO5

Por tanto, resulta:

V R.B. =(1.890 kg DBO5 / día) / (3,3  kg M .L. S. S. / m3× 0,3 kg DBO5 / día) = 1.890 m3

 

La altura del Reactor Biológico es un parámetro de diseño que estará en torno a los 3,5 metros si bien queda su elección a criterio del Proyectista.

 

En cuanto a la superficie del Reactor Biológico, ésta será (volumen / altura)= 1,890 m3/3,5 m = 540 m2 = (longitud x ancho) = 2 a x a  =2a2 => a =16,4 m; longitud = 2 a = 32,8 m

 

Necesidad de oxígeno

 

[OC (Kg O2 / m3 reactor día)= 0,5× Seliminado + 0,1× X ] siendo

Seliminado = DBO5 eliminada por m3 de reactor y día

X = Concentración de MLSS en el reactor en Kg/m3

 

Por tanto,

 

Seliminado = (300 –0,4 × 300 – 25) × (10-6/10-3)× 437,5 m3/h× 24 h/día / 1.890 kg DBO5= 0,86 kg DBO5 eliminada por m3 de reactor y día

X = 3,3  kg M .L. S. S. / m3

de donde resulta:

O.C. teórico = 0,5× 0,86 + 0,1× 3,3 = 0,76 Kg O2 / m3 reactor × día

 

O.C. real = C punta × (O.C. teórico) × Vol. Reactor Biológico = (1.400 / 875) × 0,76 × 1.890 = 2.298 Kg O2 / 2.298 Kg O2/día

 

La potencia necesaria para aportar la cantidad de oxígeno necesaria para el Tratamiento Biológico será (*):

 

P = [2.298 / (2 Kg O2 / Kw× hora )] / (0,65 × 24) = 73,65 Kw

 

(*): Se considera una capacidad de oxigenación de las turbinas en condiciones “standard” de ensayo de 2 Kg O2 / Kw× hora.

 

Situación futura

Por indicarse que NO se incluye Digestión de Fangos, podríamos concluir que el proceso no incluye tampoco Tratamiento Primario. Por tanto, para el cálculo del Reactor Biológico, no se considerará la reducción de la carga de DBO5 sedimentable:

 

Carga diaria de DBO5 /línea =(840 Kg / día) /1 línea = 840 Kg / día

 

Se tiene:

 

Vol. Reactor Biológico = 1.890 m3,  por lo que resulta un valor para C volumétrica =

 

C volumétrica = (Kg DBO5) al Reactor Biológico / Vol. Reactor Biológico = 0,44 Kg DBO5 / m3 × día

 

El valor obtenido para C volumétrica  permite seleccionar el Tratamiento biológico apropiado (Aireación Prolongada, en este caso, para la cuál los valores medios de los  parámetros serían, conforme a la tabla incluida en el desarrollo teórico:

C másica = (0,11 kg DBO5 / día ) / (Kg M.L.S.S.)

X =4,0  kg M .L. S. S. / m3

C volumétrica = 0,44 kg DBO5 / m3× día)

 

Se comprobar, a continuación, la validez del valor del aporte de oxígeno obtenido para el Tratamiento Biológico en la situación futura:

 

Seliminado = (350 – 25) × (10-6/10-3)× 100,0 m3/h× 24 h/día / 1.890 kg DBO5= 0,413 kg DBO5 eliminada por m3 de reactor y día

 

Por tanto:

 

O.C. teórico = 0,5× 0,42 + 0,1× 4,0 = 0,61 Kg O2 / m3 reactor× día < 0,76 Kg O2 / m3 reactor× día

 

por lo que el Vol. Reactor Biológico es suficiente también la situación futura.

 

b)      Dimensionamiento del Decantador Secundario.

 

Situación futura por línea

 

Q media = 437,5 m3/h

Q máximo = 2.000 m3/h / 2 líneas = 1.000 m3/h

           

Superficie del Decantador Secundario

 

Por velocidad ascensional:

Q medio => S = 437,5 m3/h / 0,8 m/h = 547 m2

Q máximo =>S = 1.000 m3/h / 1,5 m/h = 667 m2

 

Por carga de sólidos

Q medio => S =(437,5 m3/h)× (3,3 Kg M.L.S.S./m3) / 2,4 Kg M.L.S.S ./ m3 = 601 m2

Q máximo =>S =(1.000 m3/h)× (3,3 Kg M.L.S.S./m3) / 6,0 Kg M.L.S.S ./ m3 = 550 m2

 

Por tanto, la superficie sería el máximo de los valores obtenidos, esto es, 667 m2. Por tanto, el diámetro del Decantador Secundario resulta ser:

667 m2 =P × D2/4 => D » 29 metros

 

Altura del Decantador Secundario

Q medio => Vol. Decantador Secundario. = (437,5 m3/h )× (3 horas)= 1.312,5 m3

Q máximo => Vol. Decantador Secundario. = (1.000 m3/h)× (2 horas)= 2.000 m3

Por tanto, la altura sería la correspondiente al máximo de los volúmenes obtenidos, esto es:
H mínima =Vol. Máximo / Superficie mínima  = 2.000 m3 / (P × 292 / 4 m2) » 3 metros
 
Carga en vertedero

Q medio => q medio =(437,5 m3/h) / (2P × 29 / 2 m2) = 4,80 m3/ h × ml < 5 m3/ h × ml

Q máximo => q máximo =(1.000 m3/h) / (2P × 29 / 2 m2) = 10,97 m3/ h × ml > 10 m3/ h × ml

 

Se deduce de los datos obtenidos en la comprobación que el dimensionamiento no sería compatible con el límite para  la carga en vertedero obtenida a caudal máximo. La solución consiste en disponer un vertedero doble.

 

Situación actual por línea

 

Comprobación de los parámetros de funcionamiento

 

Velocidad ascensional

Q medio => V ascensional = (100 m3/h) / (P × 292 / 4 m2) = 0,15 m / h < 0,8 m/h

Q máximo = V ascensional = (250 m3/h) / (P × 292 / 4 m2) = 0,38 m / h < 1,5 m/h

 

Por tanto, el dimensionamiento en cuanto a la velocidad ascensional, es válido.

 

Tiempo de retención

 

Q medio => T retención =2.000 m3  / (100 m3/h) = 20 h >3 horas

Q máximo => T retención =2.000 m3   / (250 m3/h) = 8 h >2  horas


Por tanto, el dimensionamiento en cuanto al tiempo de retención, es válido.

 

Carga en vertedero

 

Q medio => q medio =(100 m3/h )/ (2P × 29 / 2 m2) = 1,097 m3/ h × ml < 5 m3/ h × ml

Q máximo => q máximo =(250 m3/h)× (2P × 29 / 2 m2) = 2,74 m3/ h × ml < 10 m3/ h × ml

 

Por tanto, el dimensionamiento en cuanto a la carga en vertedero, es válido.

 

Carga de sólidos

 

Q medio => S =(100 m3/h)× (4 Kg M.L.S.S./m3) / 2,4 Kg M.L.S.S ./ m3 = 167 m2 < 667 m2 (Superficie de Decantación Secundaria obtenida para la situación futura )

Q máximo =>S =(250 m3/h)× (4 Kg M.L.S.S./m3) / 6,0 Kg M.L.S.S ./ m3 =167 m2 < 667 m2 (Superficie de Decantación Secundaria obtenida para la situación futura)

 

 

De lo anterior se deduce que el proceso de Decantación Secundaria en la situación actual puede resolverse con un decantador de las siguientes características:

 

Diámetro = 29 metros
Altura = 3 metros
Tipo de vertedero: Doble