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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 23:17 Comentario [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 23:27 Comentario [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  

   

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Lagunas  aireadas  

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Filtros  percoladores  

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Biodiscos  

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Estanques  de  estabilización  

Ricardo Garcia 20/12/2014 16:30 Comentario [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 23:40 Comentario [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 17:13 Comentario [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  

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

 

Ricardo Garcia 20/12/2014 0:11 Comentario [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 0:18 Comentario [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 1:36 Comentario [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:     𝑉! 𝑉! + 𝑉! 𝑇!"# = =   𝑄 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:     𝑉! 𝑇!" =   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:     𝑉! + 𝑋 𝜃! = !   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:      

   

𝐶𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜   𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑑𝑒 𝑛𝑒𝑡𝑜  𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑  𝑑𝑒    𝑑𝑒  𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 − +   𝑑𝑒  𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑠𝑚𝑜𝑠 = 𝑞𝑢𝑒  𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛 𝑞𝑢𝑒  𝑠𝑎𝑙𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜  𝑑𝑒  𝑙𝑜𝑠  𝑎𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎  𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠  𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑙í𝑚𝑖𝑡𝑒𝑠  𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙  𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎

𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝑐𝑟𝑒𝑐𝑖𝑚𝑖𝑛𝑒𝑡𝑜  𝑛𝑒𝑡𝑜   𝑑𝑋 𝑉 = 𝑄𝑋! − 𝑄! 𝑋 +   𝑄! 𝑋! + 𝑉!  (𝑟!"#$ )   𝑑𝑡 !

  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  ! 𝑟!" = −𝑌 − 𝑏   𝑉!  𝑋 𝑋   El  inverso  del  tiempo  medio  de  retención  de  lodos  esta  representado  en  el  termino  de  la   izquierda:     1 𝑟!" = −𝑌 − 𝑏   𝜃! 𝑋! La  tasa  de  utilización  de  substrato  se  determina  mediante  la  siguiente  ecuación:     𝑄 𝑆! − 𝑆 𝑟!" = − 𝑆 −𝑆 =−   𝑉! ! 𝑇!"   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:     𝜃! 𝑌 𝑆! − 𝑆 𝑋! =   𝑇!" 1 + 𝑏𝜃!   La  concentración  del  substrato  en  el  efluente  es:     𝑘 1 + 𝜃! 𝑏 𝑆=   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:     𝑆! 𝐹 𝑀 =       𝑇!"  𝑋       Los   valores   típicos   de   los   coeficientes   cinéticos   para   el   proceso   de   lodos   activados   se   muestra  a  continuación:     Valores  para  20  º  C   Coeficiente   Unidad  para  SSV   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  

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Cargas  de  superficie  y  cargas  de  sólidos  

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Profundidad  del  agua  

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Reparto  del  caudal  

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Diseño  de  la  entrada  de  agua  

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Ubicación  y  carga  sobre  el  vertedero  

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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:       1 + 𝛼  𝑄  𝐶! 𝐴= 1 1000    𝑔 𝑘𝑔   𝑆𝐹!   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     Sedimentación   después   del   proceso   de   lodos  activados  

3

2

Carga  de  superficie  (m /m )   Media   Punta       0.678  –  1.356  

1.695  –  2.035  

Carga  de  sólidos  (kg/m2  *  h)   Media   Punta      

Profundidad   (m)    

3.90  –  5.85  

3.60  –  6.00  

9.76  

  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