PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMÍAS REGIONALES Y DESARROLLO LOCAL
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
CUADERNO TECNOLÓGICO Nº6 Autor: Joseph Charpentier
Experto en saneamiento de aguas residuales, provisto en el marco del contrato con Eptisa de España
Abril de 2014
PROYECTO MEJORA DE LAS ECONOMÍAS REGIONALES Y DESARROLLO LOCAL
Delegación de la Comisión Europea en Argentina Ayacucho 1537 Ciudad de Buenos Aires Teléfono (54-11) 4805-3759 Fax (54-11) 4801-1594 Instituto Nacional de Tecnología Industrial Gerencia de Cooperación Económica e Institucional Avenida General Paz 5445 - Edificio 2 oficina 212 Teléfono (54 11) 4724 6253 | 6490 Fax (54 11) 4752 5919
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Contacto Información y Visibilidad: Lic. Gabriela Sánchez gabriela@inti.gob.ar
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
CUADERNO TECNOLÓGICO Nº6 Autor: Joseph Charpentier
Experto en saneamiento de aguas residuales, provisto en el marco del contrato con Eptisa de España
Abril de 2014
INDICE
1.PRESENTACIÓN............................................................................................................................... 4
2.introducción................................................................................................................................ 6
3. Principio del tratamiento biológico.................................................................................... 7 3.1 Fundamentos............................................................................................................................ 7 3.1.1 Contaminantes 3.1.2 La química del agua (la ”Ventana Biológica ») 3.1.3 El papel imprescindible de las bacterias en el tratamiento biológico 3.2 Etapa aireación........................................................................................................................ 12 3.3 Etapa decantación.................................................................................................................. 14 3.4 Resultado................................................................................................................................. 15
4. Operación del proceso de los lodos activados............................................................ 18 4.1 Parámetros a medir para controlar el proceso.................................................................... 18 4.1.1 Controlar la cantidad y la calidad de la biomasa 4.1.2 Controlar la cantidad del oxígeno suministrado 4.1.3 Controlar el efluente y el afluente 4.2 Control del proceso................................................................................................................. 25 4.2.1 Valores de referencia a obtener 4.2.2 Cómo utilizar los resultados de las medidas para controlar el proceso
5. Dimensionamiento y diseño del Sistema ”Lodos Activados”.................................... 30 5.1 Parte aireación........................................................................................................................ 30 5.1.1 Tanque 5.1.2 Aireadores 5.2 Parte Decantación................................................................................................................... 34 5.3 Otros elementos...................................................................................................................... 37 5.4 Varios diseños......................................................................................................................... 38
6.Problemas operativos........................................................................................................... 46 6.1 Problemas hidráulicos............................................................................................................ 46 6.2 Efluente turbio sin pérdida de biomasa................................................................................ 47 6.3 Presencia de SS en el efluente (flotantes)............................................................................ 50 6.3.1 A causa de burbujas de aire 6.3.2 A causa de burbujas de N2 6.3.3 A causa de burbujas de CH4 6.4 Pérdidas importantes de SS en el efluente - Bulking o abultamiento.............................. 53
7. Eliminación potenciada de los nutrientes..................................................................... 59 7.1 ¿Carencia (falta) o exceso de N o P ?...................................................................................... 59 7.2 Proceso para eliminar N en exceso....................................................................................... 60 7.2.1 Principio para eliminar N en exceso 7.2.2 Diseño, dimensionamiento y operación del proceso 7.3 Procesos para Eliminar P en exceso..................................................................................... 66 7.3.1 Proceso biológico 7.3.2 Proceso quimico
8. Esquemas..................................................................................................................................... 74
9. Fotos............................................................................................................................................. 76
10.Gráficos....................................................................................................................................... 77
11.Tablas............................. ………………………………………………………………………………………………..78
1. presentación
La Unión Europea y el INTI firmaron un convenio de financiación destinado a mejorar la competitividad de las miPyMEs del norte argentino acercando respuestas tecnológicas apropiadas al nuevo entorno productivo industrial. Los responsables de la ejecución del Proyecto ”Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local” son el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), en representación del gobierno nacional, y la Delegación de la Unión Europea en Argentina.
Durante más de medio siglo, el INTI ha construido capacidades profesionales e infraestructura tecnológica de relevancia que lo posicionan hoy como actor importante para aportar innovación tecnológica aplicada a los procesos productivos de toda la economía y para el desarrollo de soluciones industriales que incrementen la productividad y la competitividad de la industria nacional.
Con la ejecución de este proyecto se busca acercar la tecnología y las capacidades técnicas a las regiones de menor desarrollo relativo del país, poniendo a disposición de las miPyMEs y Pymes los medios para satisfacer las demandas de mejora de eficiencia y calidad de sus productos y/o servicios para dar un salto cualitativo en cada una de las provincias del NOA y NEA.
Por tanto, a través de un diagnóstico y evaluación de necesidades tecnológicas hecho en articulación con los gobiernos provinciales, se diseñó un plan de acción sectorial que se implementará hasta el 2015, en cinco sectores industriales determinados como prioritarios: industrialización de alimentos, curtiembre, textil, y metalmecánica junto a la gestión medioambiental como eje transversal a los sectores industriales anteriores.
El proyecto Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local surge como parte de las acciones de vinculación internacional del INTI, en donde la cooperación técnica con organismos públicos y privados del mundo -presentes en el campo tecnológico- favorecen el intercambio de conocimientos como elemento fundamental para el desarrollo industrial local.
En esa dirección, uno de los componentes de este proyecto es la convocatoria de especialistas en diversas temáticas, para cumplir con misiones de trabajo en nuestro país. El objetivo de cada misión es brindar capacitaciones específicas a técnicos de las provincias norteñas, de acuerdo a la especialidad de cada experto, a grupos de trabajo de Centros Regionales de Investigación y Desarrollo así como a Unidades Operativas que conforman la red INTI, y brindar asistencia técnica a las miPyMEs que acompañen el desarrollo de las actividades del proyecto. Además, mantienen entrevistas con actores locales quienes constituyen un recurso esencial y estratégico para alcanzar los objetivos planteados.
La publicación que se dispone a conocer ha sido concebida como resultado de una misión técnica de uno de los expertos intervinientes en este proyecto. Cada experto al finalizar su trabajo en el país, elabora un informe técnico con recomendaciones para el fortalecimiento del sector para el cual fue convocado y que da lugar a la presente producción, editada con el propósito de divulgar los conocimientos a partir de las necesidades
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detectadas y los resultados del intercambio efectivo hecho en territorio, conjugando los basamentos teóricos con la realidad local.
Dra. Graciela Muset Directora del Proyecto Mejora de las Economías Regionales y Desarrollo Local
El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva del autor y en ningún caso se debe considerar que refleja la opinión de la Unión Europea.
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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2. Introducción
El tratamiento biológico de las aguas residuales por los lodos activados se ha impuesto como un tratamiento muy eficaz para depurar las aguas contaminadas, especialmente para eliminar las contaminaciones del nitrógeno y del fosforo. Muy utilizado para el tratamiento de las aguas residuales domésticas, se adapta también para tratar los afluentes industriales en la medida en que éstos son biodegradables, lo que es el caso a menudo.
Este cuaderno tecnológico tiene por objeto por una parte dar una información sobre las bases teóricas y prácticas del funcionamiento y por otra parte dar elementos sobre los aspectos conducta, concepción y dimensionamiento.
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3.Principio del tratamiento biológico
3.1 Fundamentos
3.1.1 Contaminantes
Se distinguen principalmente: La contaminación carbonosa caracterizada por las medidas de la DBO5 (Demanda Biológica de Oxígeno durante 5 días), de la DQO (Demanda Química de Oxígeno) y de los SS (Sólidos Suspendidos). Un vertido excesivo de materias carbonosas en la red hidrográfica natural provoca una disminución de la concentración en oxígeno disuelto, a veces fenómenos de putrefacción. La contaminación nitrogenada caracterizada por el parámetro ”Nitrógeno Global” (NGl) también llamado ”Nitrógeno total” (Nt). NGl o Nt incluye todas las formas de nitrógeno (N orgánico, N-NH4, N-NO2 y N-NO3). NK (N Kjeldahl) incluye solamente N orgánico y N-NH4. Un vertido excesivo de materias nitrogenadas en la red hidrográfica natural puede provocar una disminución de la concentración en oxígeno disuelto y, también, un riesgo de eutrofización (crecimiento intempestivo de algas) La contaminación fosforada caracterizada por el parámetro ”Fósforo total” (Pt). Pt incluye el P vinculado a los compuestos carbonosos y los fosfatos (PO4). Un vertido excesivo de materias fosforadas en la red hidrográfica natural puede provocar un riesgo de eutrofización.
parámetros
concentración media (tiempo seco)
cantidad diaria por un habitante
(≈ 150 l/día)
DBO5 (Demanda Biológica de Oxígeno)
360 mg O2/l
54g DBO5
DQO (Demanda Química de Oxígeno)
800 mg O2/l
120g DQO
SS (Sólidos suspendidos)
360 mg/l
54g SS
NGL (N Global o N total)
80 mg N/l
12g N
Pt (P total)
20 mg P/l
3g P
El valor elegido para uno PE (Población Equivalente) es = 60g DBO 5/día
Tabla 1: Valores de referencia para las aguas residuales domesticas en Francia
Estos valores de referencia son variables según los países (valores de concentración retenidos para la estación de depuración de la ciudad de Tucuman cerca de 2 veces más bajas) y sobre todo para los aguas residuales industriales (DQO ≈ 30.000 mg O2/l para una fabrica de levaduras a Tucuman).
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El concepto de ”Población Equivalente” (PE) se utiliza muy a menudo para indicar la capacidad de tratamiento de una estación de depuración, incluso cuando se traten aguas residuales industriales.
Las aguas residuales domésticas o industriales contienen o pueden contener otros elementos molestos como bacterias patógenas, metales pesados, compuestos carbonosos difícilmente degradables.
3.1.2 La química del agua (la ”Ventana Biológica”)
Se trata de la depuración del agua. La molécula de agua (H2O) puede cortarse de dos maneras, lo que es a la base de 2 nociones importantes:
VENTANA BIOLÓGICA
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1. Acidez y Basicidad
H2O = H+ + OH-
Definición del pH = - log [H+]
La zona privilegiada para la actividad biológica es incluida entre los valores de pH 6 y 8
2. Potencial REDOX
H2O = H2 + 1/2 O2
Definición del rH
rH = - log [pH2]
Definición del potencial de oxidación-reducción (EH) (EH) = (rH – 2 pH)/33.9
La zona de estabilidad termodinámica del agua es incluida: entre los valores de rH = 0 y 41.6 entre los valores de EH = - 0.4 V y + 0.8 V (a pH = 7)
Gráfico 1: Definición de la ”Ventana Biológica”
Es posible medir los valores de pH y EH mediante sondas. Los valores de EH del grafico arriba son expresados en Volt relativamente al electrodo de referencia ”H+/H2”. En las estaciones de depuración se utilizan electrodos de referencia ”AgCl/Ag”. E AgCl/Ag (mV) = E H+/H2 /(mV) – 200 mV.
Todas las reacciones de oxidación y reducción que suceden durante el tratamiento biológico de las aguas residuales son localizadas dentro la ”Ventana Biológica”.
El gráfico 2, que es una ampliación de la ”Ventana Biológica” muestra cómo se sitúan los principales compuestos que están presentes durante el tratamiento biológico. Se observa particularmente que:
• Los compuestos carbonosos son situados en la parte baja de la ventana biológica; están a favor de la mayoría fáciles a oxidar produciendo CO2
• Los compuestos nitrogenados son al contrario situados en la parte más alta de la ventana biológica; requieren un aporte suplementario de oxígeno para elevar el valor de REDOX, lo que representa como contrapartida la garantía de la buena eliminación de la contaminación carbonosa.
• Las reacciones de oxido-reducción de los compuestos fosforados son situadas muy fuera de la ventana biológica. No hay reacción de oxidacion-reduccion del fosforo en la ventana biológica.
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Los compuestos del hierro y del azufre son situados en una zona intermedia; los valores elevados de EH son una garantía de la ausencia de malas olores producidas por H2S, un gas insoluble que es generado y desgasificado en condiciones acidas (pH < 7).
Arriba de cada una de las líneas oblicuas, la forma oxidada es predominante; debajo, la forma reducida es predominante
Compuestos de N
Compuestos de Fe
Compuestos de S Compuestos de C
Compuestos de C
Gráfico 2: Reacciones y compuestos dentro la ”Ventana Biológica”
Compuestos de P
(fuera de la ”VENTANA”, no hay Reacciones REDOX)
La zona privilegiada para los lodos activados es localizada entre EH +200 y + 400 mV; los valores de pH pueden ser entre 6 y 8 sin molestia para la actividad biológica de las bacterias.
Por otra parte, la zona privilegiada para un tratamiento biológico anaeróbico de las aguas residuales es situada entre EH -300 y -100 mV; los valores de pH deben ser entre 6,5 y 7,5 para mantener la actividad biológica de las bacterias. Es posible que ocurran malos olores a causa de los valores bajos de EH.
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3.1.3 El papel imprescindible de las bacterias en el tratamiento biológico
O2 CO2
[C] MATERIAS ORGÁNICAS DISUELTAS
BACTERIAS
1/1000 de micrón
Etapa Asimilación
1 micrón
Etapa Agregación
Tamaño de partícula
Esquema 1: el papel central de las bacterias en un tratamiento biológico
FLÓCULOS BIOLÓGICOS SEPARABLES
1000 micrones
Poros
02
[C]
MATERIAS ORGÁNICAS DISUELTAS (1/1000 de micrón)
Parte externa de la membrana de naturaleza
polisacarídica con propiedades adhesivas
BACTERIA
C02
(1 a 10 micrones)
Formación de partículas (= flóculos) de lodos gracias a las propiedades adhesivas de la pared externa de las bacterias que les permiten aglomerarse
entre ellas y también con los desechos ya presentes
(1000 micrones)
Esquema 2: El funcionamiento de las bacterias
Las bacterias son células ”procaryotes” (sin núcleo con una limite definida). En un tratamiento biológico aeróbico, su funcionamiento parece similar al de todo ser vivo puesto que transforman la materia orgánica en presencia de oxígeno para desarrollarse y reproducirse. Su tamaño (entre 1 y 10 μm.) y su número permite absorber y transformar los contaminantes disueltos de muy pequeño tamaño (1/1000 μm.) en CO2 y sólidos en suspension.
Tienen también la propiedad aglomerarse entre ellas y adherirse a las partículas inertas del medio, creando así flóculos cercano de 1 mm. Es la fase ”aglomeración”. Esta última propiedad permite la separación física del agua clara purificada de los lodos formados por los flóculos.
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Un tratamiento biológico implica 2 etapas: una etapa que consiste en formar los flóculos (etapa aireación) y la etapa separación (etapa decantación), lo que ilustra el esquema siguiente.
Tanque de aireación
Tanque de Sedimentación
Aguas residuales pre tratadas
y posiblemente sedimentadas
Recirculación de barro
Aguas depuradas Eliminación de los lodos en exceso
Esquema 3: Las 2 etapas del tratamiento biológico de tipo ”Lodos Activados”
Comentarios sobre la parte ”Fundamentos” • Se trata de la depuración de las aguas. Todas las reacciones solicitadas con el fin de
eliminar las contaminantes suceden dentro la ”ventana biológica” localizada en el grafico pH-EH. • Las bacterias, de tamaño adecuado (≈ 1 μm), absorben y transforman las moléculas disueltas de las contaminantes; producen una biomasa (flóculos) que se puede separar del agua depurada por decantación. Así esta agua depurada puede ser vertida en la red de las aguas naturales. • Todos los tratamientos biológicos (los lodos activados entre otros) consisten en favorecer el desarrollo de las bacterias, reproduciendo el fenómeno observado en la naturaleza, pero mucho más rápidamente.
3.2 Etapa aireación
Un tanque de aireación es equipado de aireadores para suministrar el oxígeno a las bacterias que colonizan la biomasa. Los 2 procesos más extendidos para suministrar el aire son por una parte los aireadores de superficie y por otra parte los difusores de aire dispuestos sobre el fondo del tanque.
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Fotos 1 y 2: Aireador de superficie (a la izquierda) y difusor de aire (a la derecha)
La aireación de las aguas residuales que residen en el tanque de aireación genera la formación de flóculos debida a las propiedades de las bacterias descritas en el esquema 2 arriba. Para acelerar la formación de estos flóculos, que constituyen la biomasa, la puesta en marcha de una estación de depuración puede ser acelerada por el aporte de lodos de una otra instalación.
Metazoo Rotífera
Protozoo Vorticela
Agua intersticial
Lodo
Lodo
Fotos 3 y 4: Vista de la biomasa al microscopio óptico
Flóculo de lodo
Fotos 5 a 8 : Fotos con un microscopio electrónico de bacterias (bacillos o cocos)
El buen funcionamiento de la etapa aireación consiste en un equilibrio entre 3 elementos:
1. La cantidad de materia orgánicaque constituyen la contaminación, 2. La cantidad de bacterias que son la base de la biomasa 3. La cantidad de oxígeno necesaria para las bacterias con el fin de asimilar las ma-
terias orgánicas
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Comentarios sobre la parte ”aireación”
• La etapa ”aireación” necesita un suministro artificial de oxigeno.
• Este suministro de oxigeno permite desarrollar el numero de bacterias (tamaño ≈ 1 a 5 μm) adecuado a la cantidad de moléculas de contaminantes que deben ser transformadas en gas y biomasa.
• Las bacterias permiten la formación de flóculos (tamaño ≈ 1 mm) y el desarrollo de una fauna (tamaño ≈ 20 a 500 μm) que es posible de ver con un microscopio óptico y electrónico. Los flóculos son separables del agua depurada por decantación.
3.3 Etapa decantación
La separación de los lodos activados (la biomasa) se realiza por gravitación en un tanque, más a menudo de diseño cilíndrico (ver el esquema debajo). Existen también decantadores de diseño paralepipédico; sin embargo los decantadores, equipados de placas inclinadas sumergidas, resultan poco adaptados para la decantación de los lodos activados. Las condiciones de distribución en el decantador de la biomasa que viene del tanque de aireación y de su reanudación en el fondo del decantador son puntos importantes del diseño.
Puente barredor
Decantador Pantalla (clifford)
Recirculación
Llegada de los lodos del tanque de aireación
Esquema 4: Corte del funcionamiento de un decantador cilíndrico
La recuperación del agua depurada en el superficie es un punto también importante que requiere una pantalla delante del vertedero y un barredor de superficie para eliminar las flotantes.
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Pantalla delante del vertedero
Pasarela
Tubo central en hormigón
Pantalla central
Barredor del flotantes
Hacia el pozo a flotantes
Vertedero Ruedas (rodeadas con caucho)
Barredor de fondo
Canal Agua depurada
Esquema 5 y Foto 9: Equipamientos de un decantador cilíndrico
Vertedero
Pantalla
Comentarios sobre la parte ”decantación”
• El decantador funciona de forma continua, lo que supone que los lodos decantados sean concentradas en la parte inferior y eliminadas conforme a la cantidad admitida en el decantador.
• El decantador es proporcionado con equipamientos metálicos como la pantalla cilíndrica a la entrada del efluente para una buena distribución hidráulica, una pantalla delante del vertedero con el fin que los flotantes estén atrapados, un barredor de fondo para facilitar la marcha de los lodos hacia el centro, un barredor de superficie para facilitar la eliminación de las materias flotantes.
3.4 Resultado
El esquema 6 muestra lo que adviene de los contaminantes durante el tratamiento biológico. Las aguas residuales, despejadas de la mayoría de los compuestos carbonosos, nitrógenos y fosforados, pueden ser vertidas en la red hidráulica natural sin molestia para el medio ambiente. Los compuestos carbonosos, nitrogenados y fosforados, eliminados de la fase liquida, son eliminados o en la fase solida (lodos en exceso) o en la fase gaseosa (CO2,N2).
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Aguas Residuales H20, C, N, P
02
N2, C02
Tanque de aireación
Aguas depuradas H20, C, N, P
Tanque de sedimentación
Recirculación de los lodos
Lodos eliminados C, N, P
Esquema 6: Lo que adviene de los contaminantes tras el tratamiento biológico
La tabla 2 muestra la eficacia del tratamiento biológico de tipo ”Lodos Activados” con las aguas residuales domesticas.
parámetros DQO (mg O2/l) DBO5 (mg O2/l) SS (mg SS/l) TN (mg N/l) TP (mg P/l)
afluente 800 360 300 80 20
efluente 120 a 30 30 a 5 30 a 5 60 a 5 15 a 0.5
Tabla 2: Eficacia del tratamiento de tipo ”Lodos Activados”
% de eliminación 85 a 95 90 a 98 90 a 98 25 a 95 25 a 95
Los valores de concentración del efluente varían según el diseño y el dimensionamiento de las plantas de tipo lodos activados (eliminación potenciada de los nutrientes o no).
Atención: las aguas residuales industriales pueden tener una parte de DQO no biodegradable mucho más importante que las aguas residuales domésticas (aguas residuales de fábrica de levaduras por ejemplo). Se aconsejará mucho medir en laboratorio esta parte de DQO no biodegradable antes de hacer un proyecto de estación de depuración.
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Comentarios sobre la parte ”resultado” El agua despejada, quitada de la mayoría de los elementos contaminantes (C, N, P), puede ser vertida en la red hidrográfica natural. Los contaminantes contenidos en el afluente (C, N, P) son: • descargados en la atmósfera en forma de gas no o poco contaminante (CO2, N2) • o evacuados con los lodos en exceso que pueden ser reciclados en forma de fertilizantes si
una valorización agrícola es posible.
Comentarios sobre la parte ”Principio del tratamiento biológico” • El tratamiento de tipo ”Lodos Activados” incluye dos etapas (aireación y decantación).
Todas las reacciones suceden dentro de la ”Ventana Biológica” del gráfico ”pH-EH”; el papel de las bacterias es esencial.
• El buen funcionamiento de la etapa aireación requiere 1. Un afluente sin compuestos tóxicos para las bacterias 2. Un diseño y volúmenes de tanques que permiten el desarrollo de las bacterias aptas a la
eliminación de las contaminantes (C, N, P) 3. Condiciones de aireación y gestión de los lodos adecuadas
• El buen funcionamiento de la etapa decantación requiere 1. Un diseño adaptado y un volumen de tanque bien dimensionado 2. Caudales del afluente conformes a los valores de diseño 3. Lodos aptos a decantar (sin bacterias filamentosas)
• Los contaminantes contenidos en el afluente (C, N, P) son: 1. descargados en la atmósfera en forma de gas no o poco contaminante (CO2, N2) 2. o evacuados con los lodos en exceso y reciclados en forma de fertilizantes si existe una
valorización agrícola
Atención: La depuración de las aguas (fase líquida) no debe hacerse en detrimento de la calidad del aire (fase gaseosa) ni de la calidad de los suelos (fase sólida)
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4. Operación del proceso de los lodos activado
4.1 Parámetros a medir para controlar el proceso
Como se ha dicho anteriormente, un funcionamiento eficiente de los Lodos Activados es basado sobre un buen equilibrio entre la contaminación que debe ser eliminada, la biomasa y el oxígeno suministrado. Por lo tanto, las medidas a realizar tienen 3 objetivos:
1: controlar la cantidad y la calidad de la biomasa SS o ST (Sólidos Totales) de la biomasa del tanque de aireación VC (Volumen Corregido) después de 30 minutos de decantación = Volumen leído en la probeta de 1 litro X factor de dilución IB (Indice de Barros) = VC 30 minutos expresado en ml/l dividido por los SS o ST ex-
presados en g/l) Altura de el agua clara en el clarificador
2: controlar la cantidad del oxígeno suministrado Prueba o análisis de NH4+ y NO3- del efluente Concentración en O2 de la biomasa Potencial REDOX de la biomasa
3: controlar el afluente y el efluente Medidas de caudal y tomas de muestras a la entrada y a la salida Medidas de DQO, DBO5, SS, N y P en un laboratorio equipado Prueba de limpidez del efluente (disco blanco en el clarificador) DQO del efluente
4.1.1 Controlar la cantidad y la calidad de la biomasa
Sólidos Totales (ST) y Sólidos Totales Volátiles (STV) Estos parámetros pueden ser medidos sin filtración o centrifugación antes de la aná-
lisis de biomasa con los aparatos de las fotos 10 a 13 debajo. Las etapas de las medidas son las siguientes:
Tomar 50 ml de biomasa Estufa 110°C Peso seco para determinar los ”Sólidos Totales” (ST)
Sólidos Totales Horno 550 °C Peso para determinar los ”Sólidos Totales Minerales” (STM)
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ST – STM = STV (Sólidos Totales Volátiles)
Copelas
Estufa
Balanza
Horno
Fotos 10 a 13: Aparatos para medir los ST y STV
Sólidos Suspendidos (SS) y Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV) Estos parámetros necesitan una filtración o una centrifugación antes de la análisis de biomasa con los aparatos de las Fotos debajo. Las etapas de las medidas son las siguientes: Tomar 50 ml de biomasa filtración o centrifugación Estufa 110°C Peso seco para determinar los ”Sólidos Suspendidos” (SS) SS Horno 550 °C Peso para determinar los ”Sólidos Suspendidos Minerales” (SSM) SS – SSM = SSV (Sólidos Suspendidos Volátiles) Los SS pueden ser también medidos con una sonda sumergida en la biomasa, conectada a un aparato que da directamente la concentración de los SS expresada en g/l.
Material de filtración
Tubas
CopFeilltarso
Estufa
Fotos 14 a 17: Aparatos para medir los SS y SSV
Balanza
CentrifuHgaodrnoora
Con el fin de controlar la cantidad de biomasa, se miden más frecuentemente los STV (medida más simple) o los SS (medida más precisa). La diferencia entre los dos resultados son las materias disueltas (MD) que no tienen ninguna actividad biológica. Para ciertas aguas residuales industriales, con concentraciones elevadas de materias disueltas, es necesario medir los SS.
STV-SS = Materiales Disueltas (MD)
Con el fin de dimensionar el volumen del tanque de aireación se utiliza el parámetro SSV que es el más representativo de la acción de las bacterias
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VC 30 e IB Estos parámetros permiten evaluar la cantidad de biomasa (VC30) y su aptitud a de-
cantar (IB). El protocolo de las medidas es así: Poner 1 litro de biomasa en una probeta y dejar sedimentar durante 30 mm. Tras 30
minutos, leer el volumen (ml) de biomasa en el fondo de la probeta El ”V30” (Volumen tras 30 mn) es expresado en ml/l
¡Atención! Si el volumen leído es superior a 300 ml, el resultado no es utilizable. Será necesario
realizar una dilución previa de la biomasa de 1/2, 1/4, 1/8, antes de empezar la fase de decantación.
El ”VC 30” (Volumen Corregido tras 30 mn) = Volumen leído X factor de dilución (2,4,8) es expresado en ml/l
El valor del VC30 permite calcular el ”Indice de Barro” (IB) El Índice de Barro, expresado en ml/g, es el criterio que caracteriza la aptitud a decantar de la biomasa
Foto 18: Test de decantación de los lodos en una probeta transparente de 1 litro
Nivel de lodo en el decantador o altura de la capa del agua clara (cm o m)
Existen 3 posibilidades para evaluar la altura de la capa de agua depurada: 1. Sumergir un tubo flexible lastrado hasta la interfaz agua-lodos;
después, desatascar la extremidad del tubo para activar un efecto sifón 2. Sumergir un disco blanco hasta la interfaz agua-lodos y extraer de un golpe seco 3. Utilizar un sonar 4. Utilizar una sonda conectada a un medidor de los SS que permi te detectar su presencia.
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Tubo flexible lastrado
Sonar
Medidor de los SS
Disco Blanco
Pantalla
Llegada de los lodos
Lecho de lodo
Esquema 7: 3 Modalidades para medir la altura de la capa del agua depurada Esta medida es especialmente útil en caso de mala decantación de los lodos.
4.1.2 Controlar la cantidad del oxígeno suministrado
Concentraciones de NH4 y NO3 del agua depurada Pueden ser medidas muy simples gracias a los tests de tipo ”tiretas” como indicado
debajo:
Esquema 8 y 9: Protocolos de los tests ”tiretas” NH4 y NO3
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Estos test, muy simples a realizar, permiten ajustar el suministro del oxígeno gracias al grafico debajo. El suministro optimo es obtenido cuando las concentraciones de NH4 y NO3 del efluente son las más pequeñas e iguales (zona del ”punto critico”).
[N.NH4] efluente [N.NO3] efluente
40 mg N/l
Efluente de mala calidad
Turbiedad de naturaleza
coloidal
Efluente de buena calidad
GAS N2
Efluente de mala calidad
Turbiedad debido a los SS
NO3
NH4
10 mg N/l
A
BC
DE
F
Punto crítico
Adición de oxígeno mediante aireadores
Gráfico 3: Gráfico NH4 y NO3 con el ”Punto Critico”
Fotos 19 y 20: Test NH4 o NO3 y sonda NO3
Esta manera de evaluar la cantidad de oxígeno a suministrar a la biomasa es muy útil y pertinente para las estaciones de tipo ”baja y media carga” (la reacción de nitrificación debe ser posible) y si el nitrógeno no falta al afluente. En los otros casos, se aconsejará de utilizar principalmente las medidas de REDOX o del oxígeno disuelto.
Medidas y grabaciones de O2 y REDOX Las medidas y grabaciones de Potencial REDOX y Oxígeno disuelto ayudan a ajustar el
suministro de oxígeno a las necesidades del oxígeno
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43 2
1
+ 220 mV
Aireación
Desaparición de NO3-
Curva REDOX 0 mV
Desaparición de NH4+
+ 500 mV + 400 mV + 300 mV + 200 mV
Curva 02
HORAS
16 H
15 H 14 H
13 H 12 H
11 H 10 H
9H
Gráfico 4: Grabaciones REDOX y Oxígeno disuelto
2 mgO 2/l 1 mgO 2/l 0 mgO 2/l
Fotos 21 y 22: Sondas REDOX y Oxígeno
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
23
4.1.3 Controlar el efluente y el afluente
DQO del efluente con un kit DQO (mg O2/l) y Transparencia del efluente con un disco blanco (cm)
Medida de la DQO del efluente con un kit DQO
(mg O2/l)
Medida de la transparencia del efluente con un disco blanco (cm)
Tubos con reactivos
Disco blanco
Aguas depuradas
Comparador para la lectura del resultado
Bloque para calentar
durante 2 horas
Lecho de lodo
Foto 23: Kit de medida para la DQO
Esquema 10: Medida de la transparencia
El control del proceso exige también el conocimiento 1. del caudal y de la composición del afluente 2. de la conformidad del efluente
Las condiciones de las medidas del caudal (características del canal de medida y del flujómetro), las condiciones de toma y de conservación de las muestras son fijadas en Francia por la regulación y la guía ” Autovigilancia”.
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Foto 24: Canal de medida del caudal con el flujo metro y tomador de muestras
Comentarios sobre la parte ”parámetros a medir” 1. Es posible medir los parámetros esenciales del tratamiento mediante pruebas o análisis
que requieren poco equipo y capacitación; estos parámetros incluyen: ➢• La cantidad y calidad de la biomasa ➢• La cantidad de oxígeno a suministrar ➢• Las características del efluente
2. Las medidas de los flujos y de la calidad de los afluentes y efluentes son impuestas por los reglamentos; los análisis se llevan a cabo en un laboratorio con un equipo más sofisticado
4.2 Control del proceso
4.2.1 Valores de referencia a obtener
El Operador debe obtener los valores que corresponden al mejor funcionamiento del proceso y hacer correctamente todos los ajustes para garantizar el cumplimiento del objetivo de calidad exigido para el efluente. Las frecuencias de las medidas y operaciones de explotación, las modalidades para ajustar los parámetros y las consignas de explotación deben figurar en un documento que ayudara el Operador a asegurar cada día el buen funcionamiento de la instalación.
Parámetros de control
Valores
ST (Sólidos totales) STV/ST (% de materia orgánica) MD (Materias Disueltas) SS (Sólidos Suspendidos) SV/SS (% de materia orgánica) VC 30 (Volumen Corregido 30 mn)
4 a 7 g ST/l 60 a 80 % 0.5 a 1 g MD/l 3 a 6 g SS/l 65 a 85 300 a 1000 ml/l
IB (Índice de Barro)
O2 disuelto en la biomasa (por término medio en caso de una aireación “todo o nada” o “todo o poco”)
100 a 200 ml/g SS Entre 1 y 2 mg/l
Potencial REDOX de la biomasa (Referencia AgCl/Ag) Caudal de recirculación de los lodos
Entre - 50 y + 250 mV
Entre 100 y 200 % del caudal del afluente
Tabla 3: Valores de referencia para el proceso
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Parámetros de control NH4 efluente (Amoniaco)
NO3 efluente (Nitrato) Disco Blanco (Transparencia) Altura de la capa del agua clara en el decantador DQO efluente pH del afluente las aguas residuales Caudal y flujo de los afluentes y efluentes (Concentración y flujo)
Tabla 4: Valores de referencia para el efluente
Valores
< 5 a 25 mg N/l (según el objetivo)
< 5 mg N/l 60 a 120 cm
≥1m < 100 mg O2/l
Entre 6 y 8 Conformes a los valores nominales de la instalación
Los valores indicados en la tablas aquí arriba son los generalmente observados para un funcionamiento estándar de una estación de depuración de tipo ”Lodos Activados”. Si las aguas residuales contienen por ejemplo importantes cantidades de cloruros, la concentración en materias disueltas podrá ser muy superior a 1 g MD/l. Igualmente, en caso de bulking, el IB será muy superior a 200 ml/g
4.2.2 Cómo utilizar los resultados de las medidas para controlar el proceso
Cuidado: hay que entender la diferencia entre ”Parámetros de funcionamiento” y ”Consignas de funcionamiento” (ver las definiciones en la página siguiente)
El control del proceso requiere que el Operador haga, para cada una de las etapas del tratamiento, elecciones pertinentes de estado de funcionamiento de los aparatos (manual, control al tiempo o a un captador, etc.) y determinan los valores de ajuste que van a garantizar el mejor funcionamiento posible de la instalación Son los ”Parámetros de funcionamiento”.
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ETAPA Rejillas Desengrasador aireado
Tomador de muestras
Tanque de aireación
Extracción de los lodos en exceso
EQUIPAMIENTO Barredor automático
PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO
El barredor arranca y detiene con el bombeo del afluente
OPERACIONES DE EXPLOTACIÓN
Limpieza una vez por semana
Barredor y aireador del desengrasador
Funcionamiento continuo del barredor
Los aireadores arrancan y detienen con el bombeo del afluente
Limpieza (aspiración de aire de los aeradores: el barredor) 1 vez por semana
Tomador de muestras del afluente
Duración de la extracción : 24 H
Volumen afl./ impulso: cada 1 m3
Número de impulsos: 2
Volumen tomado/ impulso: 50 ml
Limpiar cada semana el tubo de exacción y los flacones de recogida, así como el canal del afluente
Controlar 1 vez/ semestre la producción real de las extracciones y reajustar el tomador si necesario
Realizar una extracción al día
Extracción de los lodos en exceso
Ver consigna de funcionamiento ”SS BA”
Aireación
Ver consigna de funcionamiento ”Aireación BA”
Barredor
Funcionamiento continuo
Bomba de recirculación
120 m3/h o alrededor 150% del caudal de afluente (funcionamiento continuo de una bomba)
Tabla 5: Ejemplo de recomendaciones para los ”Parámetros de funcionamiento”
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Algunos parámetros de funcionamiento, especialmente sensibles, deben modificarse más a menudo según la evolución del tratamiento Son las ”Consignas de funcionamiento”.
CONSIGNA DE FUNCIONAMIENTO
AIREACIÓN AIREACIÓN (sobre tiempo) (sobre REDOX)
AIREACIÓN (sobre O2 disuelto)
Extracción de lodos en exceso
Objetivo
Reducción Medio de control
NH4 efluente < 5 mg N/I NO3 efluente < 5 mg N/I
NH4 efluente < 3 mg N/I NO3 efluente < 3 mg N/I
NH4 efluente <3 mg N/I NO3 efluente < 3 mg N/I
SS entre 4 y 6 g/I
Kit de medidas Kit de medidas Kit de medidas Medida NH4 et NO3 NH4 et NO3 NH4 et NO3 de los SS
Frecuencia de control
Cada día
Cada día
Cada día
2 vez/semana
Media de acción
Temporizador
Límite REDOX
Límites O2 disuelto
Temporizador
Consigna
Valor de consigna
Entre 8 y 16 horas/día
Límite alto: alrededor de 200 MV; Límite bajo alrededor de 0 MV
Límite alto: alrededor de 2 mg O2/I; Límite bajo alrededor de 0 mg O2/I
Alrededor de 1 hora/día
Medio de control
Contador del Grabación
tiempo
REDOX
Grabación O2
Contador de tiempo
Frecuencia de control
Cada día
Cada día
Cada día
Cada día
Acción en caso de incumplimiento del objetivo
Aumentar o disminuir la duración de aireación de 30 mn/día
Aumentar o disminuir los dos límites de 5 mV
Aumentar o disminuir el límite alto de 0.2 mg/I
Aumentar o disminuir la duración de bombeo de 5 mn/día
Tabla 6: Ejemplo de recomendaciones para las ”Consignas de funcionamiento”
Los ”Parámetros de funcionamiento” corresponden a los ajustes que no necesitan frecuentes cambios. Estos son muy numerosos en una estación de depuración (ver la tabla 5).
Las ”Consignas de funcionamiento” corresponden a los ajustes de los parámetros del funcionamiento que deben ser modificados a menudo según los resultados de las medidas realizadas (1 a 5 veces cada semana según la importancia de la instalación). Estas consignas deben ser de pequeño número y reservadas a los parámetros sensibles del funcionamiento, tales como la concentración de la biomasa, el suministro del aire, la adición de reactivos, etc. (ver en la tabla 6 los modelos de consignas de funcionamiento relativos a las funciones ”Aireación” y ”Extracción de los lodos en exceso”).
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Comentarios sobre la parte ”control de proceso” • Para medir las características de la biomasa, del suministro del aire y de la calidad del
efluente existen análisis simples que se pueden hacer en la estación de depuración. • Para cada parámetro medido existen valores de referencia que corresponden a un buen
funcionamiento del proceso • Las consignas de funcionamiento precisan las acciones a hacer en caso que el objetivo no
está logrado. • Para cada estación de depuración el operador debe tener un documento donde están
mencionados los parámetros y las consignas de funcionamiento.
Comentarios sobre la parte ”operación” El buen funcionamiento de una planta de LA requiere: 1. Medios de análisis para medir las características del afluente y del efluente, los parámetros
del proceso (biomasa, suministro del aire, etc.) 2. Documentos que precisan todas las acciones a hacer cada día para garantizar el buen
funcionamiento del proceso 3. Agentes capacitados a la interpretación de las medida
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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5. Dimensionamiento y diseño del Sistema ”Lodos Activados”
5.1 Parte aireación 5.1.1 Tanque
El volumen del tanque de aireación es determinado por el criterio de Carga Másica.
Los SSV (Sólidos Suspendidos Volátiles) representan la biomasa activa, la actividad real de las bacterias (ver el apartado 4.1.1). El valor de concentración utilizado es generalmente 3.5 g SSV/l.
Se distinguen tres opciones de ”Carga Másica” según que se contemple: 1. La eliminación de la contaminación carbonosa y nitrogenada 2. La eliminación de la contaminación carbonosa esencialmente 3. La eliminación parcial de la contaminación carbonosa
Los tratamientos más convencionales son del tipo ”Baja Carga” y ”Media Carga”. El tratamiento de tipo ”Alta Carga” es utilizado a veces como un pretratamiento.
3 Opciones Baja Carga Media Carga Alta Carga
Tabla 7: 3 Opciones de Carga Másica
SSV 3.5 g SSV/l 3.5 g SSV/l 3.5 g SSV/l
CM ≈ 0.1 kg DBO5/dia/kg SSV ≈ 0.3 kg DBO5/dia/kg SSV 0.8 a 2 kg DBO5/dia/kg SSV
Aguas Crudas Pretratadas
Lodos activados baja carga (LA BC)
TA
SP
(Tanque
SS
de Aireación)
Aguas Depuradas
Lodos activados alta o media carga (LA AC o MC)
Aguas
Crudas
SP
TA
SS
Pretratadas
Aguas Depuradas
Esquemas 11 y 12: Lodos activados ”Baja Carga” y ”Media o Alta Carga”
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Los lodos activados ”Baja Carga” son caracterizados por un tanque de aireación mayor, lo que les permite eliminar la contaminación nitrogenada además de la contaminación carbonosa y también la estabilización de los lodos. El decantador primario (SP) está generalmente ausente para evitar un tratamiento de estabilización de los lodos depositados en este tanque.
Los lodos ”Media o Alta Carga”, caracterizados por un tanque de aireación menor, requieren un complemento de mineralización de los lodos activados; estos están generalmente mezclados con los del fondo del decantador primario (SP) antes del tratamiento de estabilización.
El criterio de la edad de los lodos es importante ya que el tiempo de replicación de las bacterias nitrificantes es más largo que el de las bacterias que participan en la degradación de la contaminación carbonosa.
Masa de SS (kg SS) = Volumen del Tanque x Concentración en SS Masa de SS en exceso (kg SS/día) = 0.5 a 1 kg SS/kg DBO5 eliminado Se requiere una edad de lodos superior a 15-20 días para garantizar una eliminación potenciada de la contaminación nitrogenada. Esta edad de los lodos se obtiene generalmente si se respeta el criterio de la carga másica. Atención: en ciertos casos (escasos), la producción de lodos en exceso sera muy superior a 1 o muy inferior a 0.5 kg /kg DBO5 eliminado, lo que va a influenciar el valor de edad de los lodos. El tiempo de retención hidráulico es calculado mediante la fórmula abajo descripta. Su valor depende de la concentración del afluente. Es cercano a 1 día en caso de baja carga para un efluente del cual la concentracion en DBO5 ≈ 400 mg DBO5/l.
Valores Alta o media carga Baja carga
Edad de los Lodos ≤ 5 – 10 dias ≥ 15 - 20 dias
TRH* ≤ 0.4 dia ≥ 0.8 dia
Tabla 8: Valores de referencia de ”EL” y de ”TRH” (DBO afluente = 360 mg/l)
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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5.1.2 Aireadores
Los aireadores más utilizados son: • Aireadores de superficie (turbinas rápidas o lentas, aireadores tipo cepillas) • Compresores o sopladores con difusores dispuestos en el fondo del tanque
La eficiencia de los aireadores es caracterizada por el AEB (Aporte Especifico Bruto de oxígeno) medido en kg de O2 disuelto en agua limpia/kWh consumido. La eficacia de difusión del oxígeno puede también ser evaluada por el porcentaje de oxígeno efectivamente disuelto en agua limpia con relación al oxigeno inyectado. AEB y Rendimiento de difusión de O2 son valores que debe dar el proveedor de material (aireadores o difusores de aire).
EQUIPAMIENTO
Aireador de superficie tipo ”Aireadores Lentillas”
Aireador de superficie tipo ”Aireadores Rápidas”
Aireador de superficie tipo ”Cepillos”
Difusión de aire con ”Burbujas Medias”
Difusión del aire con ”Burbujas Finas”
DIFUSION DE O2 EN AGUA LIMPIA (AEB en kg O2/kWh)
1.2 a 1.9
0.8 a 1.5 1.3 a 2 0.8 a 1.3 2a3
% de O2 DISUELTO EN AGUA limpia
0.5 a 0.15 0.2 a 0.3
Altura de agua (m) 3.5 a 4.5
3.5 a 4.5 3.5 a 4.5 4a7 4a7
Tabla 9: Eficiencia de los aireadores
Foto 25: Turbina rápida
Foto 26: Turbina lenta
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Foto 27: Aireador tipo ”cepillo”
Foto 28: Difusores tipo ”tubo”
Foto 29: Agitador
Foto 30: Difusores tipo ”plato”
Cálculo de la cantidad de O2 que los aireadores deben ser capaces de disolver efectivamente por hora en agua limpia:
• A Hl = Aporte Horario de O2 en agua limpia • a’ = 0.7 kg O2/kg DBO5 a tratar • Le = Flujo de DBO5 diario a tratar (kg DBO5/dia) • (Ne-Ns-Nl) = N entrada – N salida – N lodos es decir el flujo de Nitrógeno a oxidar
(si eliminación potenciada de N exigida) • 2.85 kg O2/kg N a oxidar cada dia • h = 14 (horas durante las cuales llega la mayor parte de la contaminación) • b’ = 0.06 kg O2/ kg SSV (coeficiente aplicado a la cantidad de biomasa en el tanque) • Sa = Biomasa en el tanque de aireación (kg SSV) • a = factor correctivo ”licor mixto/agua limpia” (≈ 0.8 para las aireadores de superficie;
≈ 0.6 para los difusores de aire)
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Dimensionamiento de los aireadores: 1. Calculo de la Potencia de los aeradores de superficie : P(kw) = AHc/SEB
2. Cálculo del caudal de aire soplado por los difusores : Caudal de aire = AHc/RO x xa x pρ
RO = Rendimiento de disolución de O2 en agua limpia = 5 a 30 % xa = Proporción de 02 en el aire = 20 % p = Masa volumétrica de O2 = 1.43 kg/m3
Atención: no olvidar que la puesta en suspensión de la biomasa debe ser correctamente asegurada (> 30 W/m3 en caso de aireadores de superficie). Los Agitadores son utilizados a veces como complemento de aireacion por difusion de aire.
Comentarios sobre la parte ”aireación” • Los equipamientos de aireación tienen 2 papeles:
1. Suministrar suficientemente de O2 a las bacterias a cada instante del día 2. Asegurar la puesta en suspensión de la biomasa • Ajustar el funcionamiento de estos equipamientos es capital para: 1. Obtener la calidad del efluente exigida 2. Optimizar el consumo de energía
5.2 Parte Decantación
Se deben tener en cuenta los siguientes parámetros: • La velocidad ascensional • La velocidad de distribución • La velocidad de alimentación • La profundidad en periferia • La longitud del vertedero • La velocidad del raspador
Esquema 13: Corte de un decantador secundario La superficie del tanque de decantación es determinada por el criterio de Velocidad Ascensional, que se calcula mediante la siguiente formula.
Pero no solo se tiene en cuenta este criterio para un buen funcionamiento del decantador. Se deben tener en cuenta además los criterios siguientes:
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valores de referencia Velocidad ascensional Velocidad de la distribución Velocidad de la alimentación Velocidad en la tubería de alimentación Profundidad en la periferia Velocidad en el vertedero
valores 0.2 a 0.5 m/h 0.5 a 5 cm/s 1 a 10 cm/s 0.5 a 1.5 m/s
> 2.5 m < 3 a 5 m3/h.m
Tabla 10: Valores de referencia para la decantación secundaria
La velocidad ascensional debe tener en cuenta la aptitud de los lodos a decantar, medida por el VC30 (Volumen Corregido tras de 30 min. de decantación). Valores bajos de velocidad ascensional (≈ 0.2 m/h) son aconsejadas para el tratamiento de ciertas aguas residuales industriales.
Gráfico 5: Relación entre la velocidad ascensional y el VC30
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Comentarios sobre la parte ”sedimentación” • El diseño cilíndrico es el más frecuente y muy adecuado para la sedimentación de la
biomasa, pero existen también decantadores paralelepipédicos. Atención, la utilización de placas sumergidas plantea problemas con la sedimentación de la biomasa. • La velocidad ascensional es la característica más importante; ella debe tener en cuenta la aptitud de la biomasa a decantar. • Otras características de diseño son también muy importantes tal como la profundidad a la periferia, la velocidad de distribución y la velocidad de alimentación de la biomasa en el centro del sedimentador, la altura sumergida de la pantalla en el centro del sedimentador, etc. • El caudal de recirculación de los lodos debe estar entre 100 a 200 % del caudal del afluente y quedar tan regular como sea posible.
5.3 Otros elementos
Una estación de depuración incluye también otros elementos muy importantes: 1. Un tanque entre el tanque de aireación y el decantador para atrapar las espumas 2. Un tanque para almacenar los flotantes atrapados en la trampa de espumas y en
la superficie del decantador 3. Un tanque de recirculación de los lodos para controlar el caudal de recirculación 4. Un tanque anoxico y/o aerobio para eliminar mejor N y P biológicamente 5. Un tanque de FeCl3 para eliminar mejor P químicamente 6. Un tanque de ”contacto” para prevenir el desarrollo de bacterias filamentosas
Esquema 14: Estación de depuración con los elementos complementarios
Localizado entre el tanque de aireación y el decantador, la trampa de las espumas permite atrapar una gran parte de flotantes y eliminar las burbujas de aire, lo que ayuda a un buen funcionamiento del decantador.
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Esquema 15: corte de una trampa para espumas
Foto 31: vista de una trampa
Comentarios sobre la parte ”elementos secundarios”
• Estos tanques suplementarios responden a necesidades especificas:
1. Un tanque con las bombas de recirculación (indispensable para controlar la regularidad del caudal de recirculacion).
2. Un tanque para atrapar una parte de los flotantes antes de la etapa de decantación, completado por un tanque suplementario para almacenar las espumas atrapadas (aconsejado para todas las instalaciones)
3. Un tanque anoxico para las estaciones que deben eliminar los compuestos nitrogenados.
4. Un tanque anaeróbico para las instalaciones que deben eliminar los compuestos con fósforos biológicamente.
5. Un tanque de FeCl3 para las instalaciones que deben eliminar químicamente los compuestos con fósforos.
6. Un tanque de contacto para las instalaciones sensibles al fenómeno de bulking
5.4 Varios diseños
Configuración la más simple con un tanque de aireación ”completamente mezclado”. La ausencia de la decantación primaria y la realización de un tanque de aireación dicho
”completamente mezclado” es un medio de reducir el coste de inversión de la instalación para los ”Lodos Activados Baja Carga”.
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Esquema 16: Configuración con un tanque ”completamente mezclado”
Configuración con eliminación potenciada de los compuestos nitrogenados Se adjuntan un tanque anoxia delante del tanque de aireación y una recirculación in-
terna para mejorar la desnitrificación.
Esquema 17: Configuración con un tanque anoxia
Configuración con eliminación potenciada biológica de los compuestos fosforados Se adjunta un tanque al inicio del tratamiento para asegurar una alternancia entre
condiciones anaerobia y aerobia que favorecen el desarrollo de los bacterias capaces de almacenar el fosforo.
Esquema 18: Configuración con tanques anoxia y anaerobia
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Configuración con eliminación potenciada de los compuestos nitrogenados y fosforados En la configuración debajo descripta, la eliminación del fosforo esta potenciada por la
adición de FeCl3 y las condiciones aeróbicas y anóxicas que son realizadas en el tanque de aireación (esto es lo más convencional).
Esquema 19: Configuración sin tanques anoxia Estación de depuración (capacidad = 120 000 PE) con eliminación potenciada de los compuestos nitrogenados sin tanque anoxia separado
volumen del tanque de aireación. evoluciones tecnológicas
Difusores de aire
Proceso MBBR ”Moving Bed Bio Reactors”
Membrana MBR ”Membranes Bio Reactors”
ventajas
Profundidad del tanque multiplicada por 2
Superficie al suelo dividida por 2
Mismo volumen
Biomasa multiplicada por 2
Superficie al suelo dividida por 2
Volumen dividido por 2
Concentración de la biomasa multiplicada por 4
Superficie al suelo dividida por 4
Volumen dividido por 4
Tabla 11: Evoluciones tecnológicas de los Lodos Activados
Configuración contacto-estabilización Los lodos recirculados están estabilizados antes de volver al tanque de aireación. Esta
configuración (no extendida) está aplicada en caso de aguas pobres en nutrientes y susceptibles de causar problemas de sedimentación.
Foto 32: Vista de la estación de depuración
Equipamientos para limitar la superficie y el volumen de los tanques Ciertas evoluciones tecnológicas permiten reducir la superficie ocupada al suelo y el
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Esquema 20: Configuración ”contacto-estabilización”
Configuraciones de un tanque de aireación de ”Flujo Pistón” La configuración ”flujo pistón” intenta crear un gradiente de carga másica como forma
de anticipar el riesgo de desarrollo de bacterias filamentosas.
Proceso RBS (primera opción) El proceso RBS (Reactor Batch con Secuencias) es caracterizado por la ausencia de un tanque dedicado a la etapa decantación.
Fase 1: Alimentación
Esquema 21: Configuración ”flujo pistón”
En esta opción, la configuración ”RBS” consiste en alternar las etapas Aireación y Sedimentación en el mismo tanque
Esta primera opción implica una variación del nivel del agua en el tanque aireado
Fase 2: Aireación
Fase 3: Decantación y descarga
Esquema 22: Otra configuración ”flujo pistón”
Esquema 23: proceso RBS con variación de nivel en el tanque de aireación Proceso RBS (segunda opción) Fase 1: Alimentación en el primer tanque
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Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Esta segunda opción no implica ninguna variación de nivel del agua en los tanques aireados, pero incluye tres tanques con funciones similares
Fase 2: alimentación en el tercer tanque
Fase 3: alimentación en el segundo tanque
Tanques ”combinados” Este diseño es caracterizado por un solo tanque con una parte ”aireación” y otra parte
”sedimentación”, sin equipamiento mecánico para controlar la recirculación de los lodos. Esta técnica ha sido completamente abandonada a causa de su falta de fiabilidad.
Esquema 24: Proceso RBS sin variación de nivel en el tanque de aireación
Proceso RBS (tercera opción)
Esta tercera opción implica una variación del nivel del agua en el tanque de aireación, pero permite una alimentación continua del afluente en la primera zona del tanque de aireación
Esquema 25: Proceso RBS con alimentación continua en afluente
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Esquema 26: Corte de tanques combinados”
Comentarios sobre la parte ”varios diseños” • Existen numerosas configuraciones posibles de Lodos Activados para eliminar las
contaminantes C, N, P • Las configuraciones clásicas (tanque de aireación y sedimentación separados) son aun las
más utilizadas. • Las configuraciones clásicas mejoradas con materiales suspendidos o membranas y el
proceso RBS se están extendiendo, especialmente para las aguas industriales. • Ciertas configuraciones tales como ”Contacto-Estabilización” o ”Tanques combinados” no
están frecuentes o completamente abandonados.
Comentarios sobre la parte ”dimensionamiento y diseño” • La obligación de eliminar nitrógeno y fósforo condujo al abandono de los lodos activados
fuerte y media carga en favor de los lodos activados baja carga que es el proceso más eficaz para eliminar las contaminaciones N y P. • Es el proceso más frecuente en Francia y Europa para las plantas > 2000 PE • Sus principales limites son el consumo de energía, la superficie ocupada al suelo, la gestión de la aireación y de los lodos, el mantenimiento de los equipamientos • Hay evoluciones técnicas con, en particular, la utilización de membranas en lugar de una decantación secundaria (especialmente en caso de reutilización o desinfección del agua)
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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6. Problemas operativos
La capacidad de entender y resolver un problema de funcionamiento de los Lodos Activados supone que las condiciones de un buen funcionamiento sean conocidas, especialmente:
• Las características normales de la biomasa • Las características de un buen suministro de O2 • Las características del efluente a obtener • Las características de las aguas residuales a tratar • Las características para una buena sedimentación
Ver los valores de referencia indicados en las tablas 3 y 4 del apartado 4.2.1 Ver los valores de referencia indicados en la tabla 9 del apartado 5.1.2
6.1 Problemas hidráulicos
¿Son las condiciones hidráulicas de funcionamiento conformes a los criterios de diseño del sedimentador? (Ver la tabla 10 del apartado 5.2). Atención a los caudales excesivos y a las sacudidas hidráulicas generadas por arranques y paradas intempestivos de las bombas de recirculación.
La capacidad de sedimentación no depende solamente de los caudales, sino también de la aptitud de la biomasa para sedimentar, caracterizada por el Volumen Corregido (ml/l) y el Índice de Barro (IB). Ningún lodo no decanta de la misma manera, especialmente los lodos que provienen del tratamiento de aguas residuales industriales:
• Valores de VC = 1000 a 1500 ml/l pueden considerarse como normales para aguas industriales.
• Los sedimentadores con láminas (placas sumergidas) no son recomendados para separar la biomasa del agua depurada.
Otras anomalías son susceptibles de dañar la separación lodos-agua: 1. Presencia de burbujas de aire a la superficie del sedimentador ver la trampa
de espumas 2. Sacudidas importantes de caudal ver el funcionamiento de la recirculación 3. Orificios de alimentación demasiado pequeños o localizados demasiado abajo
ver la concepción del sedimentador 4. Ausencia o diámetro demasiado pequeño o inmersión demasiado grande de la
pantalla de distribución ver la concepción del sedimentador 5. Profundidad Insuficiente en periferia ver la concepción del sedimentador 6. Pendiente insuficiente en el fondo del sedimentador ver la concepción del se-
dimentador 7. Velocidad excesiva o mal estado del barredor de fondo verificar el equipamiento 8. Inmersión excesiva de la pantalla antes del vertedero verificar el equipamiento
Comentarios sobre las problemas hidráulicOs • Antes de buscar causas químicas o biológicas de un mal funcionamiento, hay que examinar
las posibles anomalías hidráulicas que pueden dañar la buena sedimentación de los lodos. • Ciertas anomalías hidráulicas son susceptibles de causar problemas biológicos tales como:
- El mal estado del barredor produciendo la acumulación de lodos sobre el fondo del tanque que fermentan y suben a la superficie en forma de aglomeraciones de lodos.
- La estadía prolongada de los lodos en el sedimentador puede generar una mala decantación de los lodos (bulking)
- La parada prolongada de la recirculación puede causar la pérdida de biomasa con el agua depurada.
6.2 Efluente turbio Sin pérdida de biomasa
Primer caso, la biomasa no está destruida.
Gráfico 6: Relación entre la Velocidad Ascensional (VA) y el Volumen Corregido 30 mn (VC30)
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Esquema 27: observación de un problema de agua turbia (biomasa no destruida)
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Las pruebas y análisis permiten de confirmar la causa y aportar la solución adecuada.
CAUSA PROBABLE
Resultados de las observaciones, pruebas y análisis
Acción
SUMINISTRO INSUFICIENTE DE AIRE O CARGA EXCESIVA DE CONTAMINANTES
DBO5 y DQO alta del efluente Olor anormal del tanque de aireación
NH4 efluente muy alto Ausencia de NO3 en el efluente Transparencia del efluente muy baja Poco O2 en el tanque de aireación Concentración normal de los SS en la biomasa pH de las aguas crudas y depuradas normal Aumentar el suministro de O2 en el tanque de aireación
Tabla 12: Resultados de los tests y acción posible
Segundo caso, la biomasa está destruida o eliminada
Esquema 28: Observación de un problema de agua turbia (biomasa destruida o eliminada)
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Los pruebas y análisis permiten de confirmar la causa y aportar la solución adecuada.
CAUSAS PROBABLES
Resultados de las observaciones, pruebas y análisis
Acción
BIOMASA INSUFICIENTE
DBO5 y DQO altos del efluente Olor normal del tranque de aireación NH4 efluente muy alto
Ausencia de NO3 en el efluente Transparencia del efluente muy baja Mucho O2 en el tanque de aireación Biomasa eliminada pH normal de las aguas Disminuir o cesar las extracciones de lodos
TÓXICOS EN LAS AGUAS CRUDAS
DBO5 y DQO altos del efluente Olor normal del tranque de aireación NH4 efluente muy alto
Ausencia de NO3 en el efluente Transparencia del efluente muy baja Mucho O2 en el tanque de aireación Biomasa destruida pH variable de las aguas Suprimir la contribución de tóxicos
Tabla 13: Resultados de los tests y acción posible
Comparación entre una floculación normal y una ausencia de floculación La ausencia de floculación, llamada también «Pin Point Floc», (foto izquierda) significa que la fase «aglomeración» de las bacterias no ocurre, lo que impide una floculación normal (foto derecha). La ausencia de floculación puede provenir de: • Una destrucción de los flóculos biológicos (tóxicos) • Un aporte demasiado bajo de contaminantes, insuficiente para favorecer el desarro-
llo de las bacterias y de los flóculos biológicos.
Fotos 33 y 34: Ausencia de floculación (foto izquierda) y floculación normal (foto derecha)
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Comentarios sobre los casos de efluente turbios sin pérdida de SS 1. Suministro insuficiente de O2, exceso de contaminantes a tratar, concentración
insuficiente de la biomasa, presencia de tóxicos en el afluente son los casos mas frecuentes encontrados para explicar la turbiedad del efluente. 2. Para acelerar la formación de los flóculos (puesta en marcha de una planta), se pueden añadir lodos de una otra instalación en el tanque de aireación 3. En ciertos casos, especialmente cuando se tratan aguas industriales, se puede observar un efluente turbio o coloreado a causa de: • Tintas o colores no biodegradables (imprentas, tintorerías,…) • Partículas arcillosas (ya presentes en el afluente) • Otros…
6.3 Presencia de SS en el efluente (flotantes)
6.3.1 A causa de burbujas de aire
Casos graves de espumas ligeras y blancas (foto debajo) o pesadas y marrones (foto arriba) pueden ocurrir y provocar desbordamientos fuera de los tanques. Las espumas alcanzan volúmenes importantes debido a las propiedades tensioactivas de detergentes o materias grasas.
Para ciertas aguas residuales industriales, el fenómeno puede ser muy grave y muy dañino, porque las espumas, muy ligeras, pueden ser transportadas por el viento. Si el aumento de la concentración de la biomasa no basta para eliminar el problema, es necesario entonces:
• Añadir productos ”anti espumantes” en el afluente para disminuir las molestias hasta que la causa esté determinada
• Cambiar la naturaleza (elegir detergentes biodegradables) y disminuir la cantidad de los detergentes utilizados por el industrial.
Casos de las espumas marrones - Causas y soluciones Este fenómeno es causado por la presencia de materias grasas en las aguas residua-
les que tienen un efecto tensioactivo. Se observa con frecuencia cuando el afluente no ha sido suficientemente desgrasado previamente.
Para evitar estas espumas se aconseja implementar: • Un desgrasador eficiente antes del tanque de aireación • Una trampa de espumas entre el tanque de aireación y el sedimentador
En caso de aguas residuales industriales con concentraciones elevadas en grasas (mataderos por ejemplo), es necesario de potenciar la eliminación de las materias grasas implementando una etapa de flotación antes del tanque de aireación
Bacterias a menudo asociadas con el fenómeno de espumas marrones:
Esquema 29: Observación de un problema de espumas en la probeta y a la superficie del decantador Fotos 35 y 36: Espumas marrones y pesadas (foto arriba) y espumas blancas y ligeras (foto debajo)
Casos de las espumas blancas - Causas y soluciones Este fenómeno es causado por la presencia de detergentes en las aguas residuales y
se observa con frecuencia a la puesta en marcha de una estación de depuración. Sin embargo, disminuye normalmente con el aumento de la concentración en biomasa.
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Fotos 37 y 38: Bacterias filamentosas llamadas ”Nocardia” (ramificadas y no demasiado largas)
6.3.2 A causa de burbujas de N2 Un exceso de aire en el tanque de aireación, puede dar lugar a un fenómeno de desni-
trificacion en los lodos que están en el decantador; esta desnitrificacion genera el gas N2 que aligera los lodos y hace subirlos a la superficie del decantador.
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Esquema 30: Observación de un problema de desnitrificación en la probeta y en el decantador Fotos 39: Aglomeraciones de lodos a la superficie del decantador
Desnitrificación en el decantador - Causas y soluciones Este fenómeno es causado por un exceso de suministro de aire en el tanque de airea-
ción que produce una cantidad demasiado importante de NO3 (ver el gráfico NH4 y NO3 con el ”Punto Critico” al apartado 4.1.2). Estos nitratos se desnitrifican en el decantador (condiciones de anoxia en la biomasa) produciendo el gas N2 que hace subir aglomeraciones de lodos a la superficie del decantador. Se pueden observar aglomeraciones de lodo a la superficie del decantador, hasta una capa. En cambio no se ve ningún flotante a la superficie del tanque de aireación lo que permite distinguir este problema de desnitrificación del fenómeno de las espumas marrones.
La solución (muy simple) consiste en ajustar el suministro del aire según el gráfico NH4-NO3, en la zona del punto crítico.
Fotos 40 a 42: Observaciones del fenómeno de desnitrificación
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6.3.3 A causa de burbujas de CH4
A causa de problemas del tanque o equipamiento, los lodos pueden permanecer un tiempo prolongado en el fondo del decantador y fermentar, produciendo el gas CH4, que causa la subida de unas aglomeraciones de lodos negros hacia la superficie del decantador.
Esquema 31: Observación del fenómeno de fermentación en el fondo del decantador Fotos 43 y 44: Aglomeraciones de lodos negros a la superficie del decantador
Fermentaciones en el decantador - Causas y soluciones Este fenómeno es causado por la fermentación de aglomeraciones de lodos sobre
el fondo del decantador; esta fermentación genera el gas metano que aligera los lodos y hace subirlos a la superficie del decantador en forma de aglomeraciones que pueden ser grandes; hay, al menos, dos casos posibles:
• La pendiente del fondo no es suficiente o la superficie no permite el deslizamiento de los lodos (caso de decantadores sin barredor de fondo)
• El barredor de fondo se ha dañado y no cumple su función (caso de los decantadores equipados de un barredor de fondo)
Se ven aglomeraciones de lodos negros en la superficie del decantador que dañan la calidad del efluente a causa de la pérdida de sólidos suspendidos.
La solución consiste en controlar (y reparar) el estado del fondo del decantador y/o el estado del barredor de fondo.
6.4 Pérdidas importantes de SS en el efluente - Bulking o abultamiento
La separación de los lodos activados y del agua clara puede resultar muy difícil en el decantador a causa de un desarrollo muy importante de bacterias filamentosas, causando pérdidas masivas de sólidos suspendidos con el efluente.
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Esquema 32: Observación del fenómeno de bulking en la probeta y en el decantador Fotos 45 a 47: Observación de lo que sucede en la probeta
El desarrollo muy importante de bacterias filamentosas dentro y entre los flóculos les impide acercarse y decantar (en la probeta y el decantador), causando el vertido de la biomasa con el efluente y su mala calidad.
Relación entre bacterias filamentosas y mala decantación: La capacidad de los lodos a decantar se mide con el ”Índice de Barro” (mililitros ocupados por 1 gramo de sólidos suspendidos de los lodos tras 30 minutos de decantación en una probeta de 1 litro) • Si 50 < Índice de Barro (IB) < 200 : decantación buena • Si 200 < Índice de Barro(IB) < 400 : decantación media • Si 400 < Índice de Barro (IB) < 600 : decantación mala
En caso de crisis aguda, el índice de Barro (IB) puede superar 1000 ml/g SS. Hay numerosos tipos de bacterias filamentosas que pueden desarrollarse en los lodos; las más observadas son ”Microthrix Parvicella”, ”021 N”, ”Thiotrix”, ”Sphaerotilus natans” etc. La gravedad del problema depende de la cantidad de bacterias y de su rigidez (el tipo ”021N” es particularmente dañino)
Bacteria filamentosa llamada ”Microthix Parvicella” Los filamentos son curvos y bastante flexibles; presentan un aspecto de ”spaghetti
con bolognese” como aparece en la foto de la derecha tomada con un microscopio electrónico. Esta bacteria genera decantaciones malas (índice de barro ≈ 300 a 500 por lo general), pero no catastróficas. Las pérdidas de lodos pueden ser evitadas si la velocidad ascensional en el decantador ≈ 0,2 a 0,4 m/h.
Fotos 48 y 49: Biomasa sin bacterias filamentosas (a la izquierda) y con bacterias filamentosas (a la derecha)
Las bacterias filamentosas, a causa de su rigidez, impiden a los flóculos acercarse y decantar normalmente en la probeta o el decantador. El volumen ocupado por los lodos en la probeta o en el decantador no se reduce; se habla de ”Abultamiento” o ”Bulking”. El agua intersticial, que se puede ver a la superficie del decantador, es de muy buena calidad a causa de un efecto ”filtración” del lecho de lodos.
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Fotos 50 a 52: Observaciones de Microthrix parvicella con microscopios óptico y electrónico
Bacteria filamentosa llamada ”021N” Caracterizados por células separadas y de forma discoidal (ver la foto del medio), los
filamentos son muy rígidos. Esta bacteria puede generar decantaciones catastróficas (ÍB > 1000). Las pérdidas de lodos no pueden ser evitadas aunque la velocidad ascensional en el decantador sea ≈ 0,2 a 0,4 m/h.
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Fotos 53 a 55: Observaciones de bacterias ”021N” con microscopios óptico y electrónico
Causas de bulking: Este fenómeno de proliferación de las bacterias filamentosas es causado por muchas
cosas relativas a los 3 elementos que pueden influenciar el desarrollo de ciertas bacterias a costa de otras bacterias:
LOS 3 ELEMENTOS
La biomasa = la población de las bacterias
O2 = la respiración de las bacterias
Los contaminantes (C, N, P) = la alimentación de las bacterias Tabla 14: Búsqueda de los causas de bulking
CAUSAS POSIBLES
Atención a los traslados masivos de la biomasa del tanque de aireación hasta el sedimentador a causa de paradas prolongadas de la recirculación de caudales
excesivos de las aguas crudas.
Atención a los problemas de aireadores y de regulaciones O2 o REDOX.
Atención a la presencia de materias grasas que dañan los intercambios de O2 en la biomasa
Atención a las variaciones brutales de llegadas de compuestos carbonosos
y a las carencia de nutrientes
Causas Este gráfico ilustra la influencia de la carga del agua en los alrededores de los flóculos
sobre el desarrollo de las bacterias filamentosas o normales. Esto es la razón por la cual se aconseja crear zonas de alta carga al inicio del tratamiento y buscar un efecto ”pistón”.
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Gráfico 7: Relación entre la concentración de materia orgánicaalrededor de los flóculos y el desarrollo de bacterias normales o filamentosas
Las soluciones preventivas son las siguientes: • Determinar y controlar las llegadas de afluentes no domésticas (convenios de ver-
tido en el alcantarillado) • Prever tratamientos adaptados para los efluentes que presentan riesgos (tanques
ecualizadores si posee variaciones de flujo, flotación en caso de aguas muy grasas, adición de N y/o P en caso de carencia de N o P, etc.)
• Pensar en puntos de diseño de la estación de depuración (trampas de espumas; tanque de contacto, efecto ”pistón”)
• Controlar la concentración de biomasa en el tanque de aireación y el nivel de lecho de lodos en el sedimentador (extracción, recirculación)
• Controlar la concentración de O2 en el tanque de aireación
A veces, ajustar correctamente no es suficiente, entonces se pueden implementar soluciones curativas.
Las soluciones curativas son las siguientes: • Químicas: Adición controlada de cloro a la biomasa; esta receta se utiliza muy fre-
cuentemente porqué es fácil de implementar; esto requiere controlar bien la tasa de tratamiento y la calidad del efluente. • Biológicas : Crear un efecto contacto o pistón antes del (o al inicio) tanque de aireación. • Químicas - Físicas : Adición de reactivos que pueden mejorar la floculación (sales de hierro o aluminio, polímeros orgánicos) • Físicas: Adición de productos que pueden hacer más pesados o modificar los flóculos (talco, carbonato, cal,…)
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Comentarios sobre la parte ”problemas operativos”
• Entender los problemas operativos supone primero conocer bien las condiciones del buen funcionamiento en términos de operación.
• Los problemas de bulking son en general los más difíciles a resolver; se presentan en tratamientos de aguas residuales domesticas, pero los casos más complicados se encuentran en tratamientos de aguas residuales industriales.
7. Eliminación potenciada de los nutrientes
7.1 ¿Carencia (falta) o exceso de N o P ?
Definición de la carencia (falta) y exceso de nutrientes de un afluente Los compuestos de N y P son necesarios para eliminar la contaminación carbonosa.
Se considera que la necesidad de nitrógeno es igual a DBO5/20 y que la necesidad de fósforo es igual a DBO5/100.
Se deriva la relación: DBO5/N/P = 100/5/1.
Si las cantidades de nitrógeno son inferiores a DBO5/20 en el afluente, hay insuficiencia de nitrógeno (= falta) para eliminar la contaminación carbonosa. Si las cantidades de nitrógeno son superiores o muy superiores a DBO5/20, hay exceso de nitrógeno en el afluente; hay que entonces eliminar este exceso de N por otro proceso que el inducido por la eliminación de la contaminación carbonosa.
Si las cantidades de fósforo son inferiores a DBO5/100 en el afluente, hay insuficiencia de fósforo (= falta) para eliminar la contaminación carbonosa. Si las cantidades de fósforo son superiores o muy superiores a DBO5/100, hay exceso de fósforo en el afluente; hay que entonces eliminar este exceso de P por otro proceso que el inducido por la eliminación de la contaminación carbonosa.
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Esquema 33: ¿Dónde pasan N y P en un tratamiento biológico?
N afluente = N efluente + N lodo en exceso + N2 gas P afluente = P efluente + P lodo en exceso
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Cuando hay exceso de nitrógeno en el afluente, este exceso de nitrógeno es eliminado por nitrificación-desnitrificación en forma de gas N2. No es posible aumentar la proporción de nitrógeno en los lodos (N = 5 a 7 % de las materias secas).
Cuando hay exceso de fósforo en el afluente, no es posible eliminar este exceso en la atmósfera en forma de gas. En cambio, contrariamente al nitrógeno, es posible aumentar la proporción de fósforo en los lodos.
Aplicación de esta definición a un efluente doméstico Ver la composición del efluente presentada a la tabla 1 del apartado 3.1.1 de este
documento. • Parte de nitrógeno eliminada con la contaminación carbonosa: 360/20 = 18 mg/l • Concentración de NGl del afluente: 80 mg/l • Entonces un exceso de 80 - 18 = 62 mg/l a eliminar en forma de gas N2 por nitrificación-desnitrificación • Parte de fosforo eliminada con la contaminación carbonosa: 360/100 = 3.6 mg/l • Concentración en Pt del afluente: 20 mg/l • Entonces un exceso de 20 – 3.6 = 16.4 mg/l a eliminar (biológicamente o químicamente) en forma de Pt o PO4 en los lodos en exceso.
Comentarios sobre la parte ”Carencia (falta) o Exceso de N o P” • Si N < DBO5/20 o P < DBO5/100 hay carencia (falta) de N o P. Hay riesgo de problemas
con el tratamiento biológico (desarrollo de bacterias filamentosas). La composición de las aguas residuales debe ser reequilibrada por adición de N o P compuestos • Las cantidades de N o P que necesitan un tratamiento especifico pueden ser calculadas así: - N = N afluente - N efluente - N utilizado para eliminar C (DBO5/20) - P = P afluente - P efluente - P utilizado para eliminar C (DBO5/100) • Si no hay objetivos de calidad para N o P del efluente, no se necesita ningún tratamiento especifico de N o P.
7.2 Proceso para eliminar N en exceso
7.2.1 Principio para eliminar N en exceso
Reacciones de nitrificación y desnitrificación para alcanzar N2 Para eliminar N en la forma de gas N2, se necesita una secuencia de reacciones de
nitrificación (oxidación) y desnitrificación (reducción). La fase ”nitrificación” exige un suministro de O2 y una edad de lodo importante para favorecer el desarrollo de las bacterias ”Nitrobacter”. La fase ”desnitrificación” exige la ausencia de O2 y una fuente de carbono para reducir NO3 en N2.
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Aerobia
(presencia de O2 disuelto y NO3)
(sin OA2n; cooxniaNO3) Anaerobia
(ausencia de O2 disuelto y NO3)
Períodos con aireación del proceso de ”Lodos Activados”
Períodos sin aireación del proceso de ”Lodos Activados”
Períodos sin aireación del proceso de ”Lodos Activados”
Gráfico 8: Zonas aerobia, anoxia y anaerobia dentro la ”Ventana Biológica”
Estos estados están caracterizados por la presencia o la ausencia de O2 o NO3 • El suministro de O2 hace subir el valor REDOX de la biomasa. • En ausencia del suministro de O2, la presencia de materia orgánicahace disminuir el
valor REDOX
Las medidas en línea de Potencial REDOX y de oxígeno disuelto permiten visualizar los 3 estados en la biomasa durante un ciclo de aireación.
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Las fases 1 y 2 (presencia de O2) corresponden al estado ”aerobia”. La fase 3 (ausencia de O2 y presencia de NO3) corresponde al estado ”anoxia”. La fase 4 (ausencia de O2 y de NO3 corresponde al estado ”anaerobia”.
4
Desaparición de NO3-
3
2
1
+ 220 mV
Aireación
Curva REDOX 0 mV
Desaparición de NH4+
+ 500 mV + 400 mV + 300 mV + 200 mV
Curva 02
HORAS
16 H
15 H 14 H
13 H 12 H
11 H 10 H
9H
2 mgO 2/l 1 mgO 2/l 0 mgO 2/l
Gráfico 9: Visualización de los periodos aerobia, anoxia y anaerobia mediante una grabación REDOX
Comentarios sobre el principio del proceso El tratamiento para potenciar la eliminación de N consiste en una secuencia de periodos aerobia y anoxia con:
1. Una sucesión de reacciones de oxidación y reducción 2. Un suministro de aire para aumentar el potencial REDOX y nitrificar 3. Una fuente de carbono (la materia orgánicade los lodos o del agua intersticial) para bajar el
potencial REDOX y desnitrificar 4. Una edad de lodo > 15 a 20 días para favorecer el desarrollo de las bacterias nitrificantes 5. Un pH incluido entre 6 y 8 6. Una temperatura > 5 a 10 °C
7.2.2 Diseño, dimensionamiento y operación del proceso Diseño del proceso
Esquema 34: Diseño de una instalación para una eliminación potenciada del nitrógeno La alternancia de las fases ”aerobia” y ”anoxia” puede hacerse en un único tanque si
los equipamientos de aireación permiten garantizar correctamente las fases ”anoxia” en este tanque (funcionamiento de tipo ”todo o nada” o ”todo o poco” de los aireadores)
Un tanque suplementario, localizado al inicio del tratamiento, y una recirculación suplementaria de los lodos serán necesarios si los equipamientos de aireación no permiten garantizar correctamente las fases ”anoxia” (funcionamiento continuado de los aireadores) en un único tanque.
Este tanque suplementario separado se aconsejará si la cantidad de N en exceso, que debe ser eliminada, es muy importante. Tamaño de los tanques
El tamaño de los tanques es determinado por el criterio de ”Carga Másica”, tal como se define debajo:
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CM ≈ 0.1 kg DBO5/kg SSV-día, SSV ≈ 3.5 kg/m3, V tanque anoxia ≈ 1/5 del tanque de aireación
Edad de Lodos y Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) • Una ”Edad de Lodos” suficiente es necesaria para el desarrollo de las bacterias de la nitrificación (Nitrobacter). • El ”TRH” es un criterio secundario variable según la concentración de las aguas crudas.
Comentarios sobre el dimensionamiento de los tanques
• El volumen del tanque de aireación o de los tanques (si un tanque ”anoxia” separado es realizado) es determinado por el criterio de la Carga Másica (0.1 kg DBO5/m3.dia)
• La edad de los lodos depende del volumen del tanque de aireación (o de los tanques), de la concentración en SSV en los lodos (≈ 3.5 g/l) y de la producción diaria de lodos en exceso (generalmente entre 0.5 y 1 kg SS /kg DBO5 eliminado). Una edad de los lodos > 15 a 20 días es necesaria para un buen desarrollo de las bacterias nitrificantes.
• El ”TRH” es un criterio secundario variable según la concentración del afluente (≈ 1 día para aguas residuales domesticas cuya concentración es de DBO5≈ 360 mg O2/l)
Calculo del suministro del O2 La fórmula del cálculo del Aporte Horario de O2 en agua clara (AHc) debe incluir el flujo
de N a eliminar.
Ne = N entrada (contenido en el afluente) Ns = N salida (contenido en el efluente) Nl = N lodos (eliminado con los lodos en exceso) (Ne-Ns-Nl) representa el flujo de N en exceso a nitrificar y desnitrificar 2.85 = la cantidad de O2 necesitada para nitrificar y desnitrificar (kg O2/kg N) h = el número de horas durante las cuales llega la mayor parte del flujo a tratar
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El cálculo de la potencia eléctrica de los equipamientos se hace como se ha indicado en el apartado 5.1.2.
• Cálculo de la Potencia de los aireadores de superficie :
P(kw) = AHc/SEB
• Cálculo del caudal de aire a enviar en los difusores :
Caudal de aire = AHc/RO x xa x pρ
RO = Rendimiento de disolución de O2 en agua clara = 5 a 30 % xa = Proporción de 02 en el aire = 20 % p = Masa volumétrica del aire = 1.43 kg/m3
Agitación de la biomasa: Potencia para la agitación del tanque anoxia > 5 a 10 W/m3 Potencia para la agitación del tanque aerobia > 30 a 35 W/m3
Medios para ajustar el suministro del aire: El suministro del aire se puede ajustar de 3 modos: • aumentar o disminuir manualmente la duración de aireación con la ayuda de un contador del tiempo (en caso de aireador de superficie) • aumentar o disminuir manualmente la cantidad del aire enviado (en caso de difusores) • aumentar o disminuir las limites de los regulaciones O2 o REDOX
Fotos 56 y 57: Sondas REDOX (a la izquierda) y O2 disuelto (a la derecha)
Regulaciones O2 o REDOX son indispensables cuando las llegadas de contaminantes a tratar sean muy variable en el tiempo.
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Comentarios sobre los equipamientos y el control del proceso • Caudal de las recirculaciones:
- 100 a 200 % del caudal del afluente para la recirculación clásica - 0 à 400 % del caudal del afluente para la recirculación interna según el nivel de calidad del
efluente observado • Suministro del aire:
- Aproximarse al punto crítico del grafico NH4-NO3 (este grafico es tambien una seguridad para optimizar la eliminación de los compuestos carbonosos y fosforados).
- En caso de llegadas de contaminantes muy variables (aguas residuales industriales por ejemplo), regulaciones O2 o REDOX son necesarias para adaptar el suministro del aire a cada momento del día.
Comentarios sobre la eliminación de N por Nitrificación-Desnitrificación El proceso de eliminación de N por Nitrificación y Desnitrificacion, que permite obtener una calidad del efluente muy buena, exige:
• Un tanque de Aireación de gran tamaño para asegurar una edad de los lodos que favorece el desarrollo de las bacterias nitrificantes.
• Un suministro suplementario de O2 para nitrificar, aunque la utilización del grafico NH4NO3 permita recuperar la energía procurada por la desnitrificación
• Otros procesos pueden ser utilizados en casos muy particulares, como: 1. Desgasificación de NH3 (si la concentración en NH4 es muy elevada) 2. Proceso de nitrificación parcial sobre los retornos de los digestores antes del tanque de aireación.
7.3 Procesos para Eliminar P en exceso
Hay dos procesos para potenciar la eliminación de P: un proceso biológico y un proceso químico.
Los dos procesos consisten en enriquecer los lodos en exceso con compuestos fosforados (P no se puede eliminar en la forma de gas). El proceso de eliminación biológico de P hace aumentar la concentración de P en los lodos en exceso de 1,5 a cerca de 4,5 % de las materias secas de los lodos en exceso. El proceso de eliminación químico de P hace aumentar la concentración de P en los lodos en exceso hasta cerca de 10 % de las materias secas de los lodos en exceso.
7.3.1 Proceso biológico
La eliminación biológica de P no implica ninguna reacción REDOX, sino que esta es influenciada por condiciones REDOX como se muestra en el grafico 10.
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Gráfico 10: Migraciones de P y K según las evoluciones del potencial REDOX
Si la curva negra de REDOX aumenta (aerobia), las curvas azul de P y gris claro de K disminuyen. P y K migran dentro de las bacterias y son incluidos en los SS.
Si la curva negra de REDOX disminuye (anaerobia), P y K migran fuera de las bacterias y contaminan el agua intersticial
Para eliminar P biológicamente, se necesita una alternancia de condiciones aerobia y anaerobia, que favorece el desarrollo de bacterias especificas (Acinetobacter entre otros) capaces de almacenar gránulos de polifosfatos.
Esquema 35: Mecanismo para favorecer las bacterias especificas
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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La alternancia de las fases aerobia y anaerobia favorecen el desarrollo de bacterias (Acinetobacter) capaces de almacenar 3 veces más de P que las bacterias ordinarias.
Foto 58: Lodos con acumulación de gránulos de polifostatos dentro de las bacterias
Foto 59: Lodos sin acumulación de gránulos de polifoisfatos dentro de las bacterias
Foto 60: Composición de los gránulos
Para controlar la alternancia de las fases ”aerobia” (O2 + NO3), ”anoxia” (No O2 sino NO3) y ”anaerobia” (ni O2, ni NO3), los diseñadores aplican un(os) tanque(s) suplementario(s) con biomasa y una (o dos) recirculación(es) suplementaria(s).
El esquema 36 muestra la corte de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente con las diferentes zonas ”anaerobia”, ”anoxia” y ”aerobia” separadas. Se ven también las diferentes recirculaciones de los lodos.
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Esquema 36: Corte de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente
Misma configuración representada en plano, con tanques ”anaerobia” y ”anoxia” separados. La presencia de un tanque ”anoxia” es necesaria cuando las condiciones ”anoxia” no sean suficientes en el tanque de aireación.
Esquema 37: Ejemplo 1 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente
El tanque ”anoxia” puede no existir si las condiciones de anoxia son suficientes en el tanque de aireación (suministro del aire de tipo ”todo o nada” o ”todo o poco”).
Esquema 38: Ejemplo 2 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente
Tratamiento de aguas residuales con lodos activados
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Misma configuración con un tanque de aireación de tipo ”zanjones de oxidación”, particularmente adecuado para generar buenas condiciones ”anoxia”.
Esquema 39: Ejemplo 3 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente
Comentarios sobre el proceso biológico para eliminar P El proceso biológico de eliminación de P en exceso:
• Exige al menos un tanque suplementario (TRH ≈ 2 a 3 horas) para asegurar las condiciones ”anaerobia” (ni O2, ni NO3)
• Exige un control perfecto de los fenómenos de nitrificación y desnitrificación en el tanque de aireación
• Exige tratamientos de lodos en exceso que no causan retornos de P al inicio de la instalación
• No exige ni suministro suplementario de aire ni reactivo químico Pero, este proceso no puede eliminar más que la cantidad de P ≈ DBO5/35; esta es la razón por la cual se asocia a menudo con el proceso químico para cumplir con objetivos más ambiciosos en términos de calidad del efluente.
7.3.2 Proceso quimico
El proceso químico consiste en precipitar PO4 por adición de un reactivo metálico, como sales de hierro o aluminio. El reactivo más a menudo es el Cloruro Férrico (FeCl3).
Reacciones: Fe3+ o Al3+ + PO43- FePO4 o AlPO4
FePO4 o Al PO4 precipitan y son eliminados con los lodos en exceso. Estos precipitados contribuyen a aumentar la masa de lodos en exceso producida. La proporción de masa de P puede alcanzar 10 % de las materias secas de los lodos.
Este proceso químico permite eliminar casi la totalidad de P y puede ser asociado al proceso biológico.
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REACTIVOS
Reactivo
Estado % en masa de Fe o Al Masa volumétrica (Kg/I) Concentración (kg Fe o Al/m3) Precipitados formados Razon molar Fe o Al/P Razon masico Fe o Al/P 1 g Fe o Al produce 1 g P eliminado produce
CLORURO FÉRRICO
FeCI3 Líquido
14
CLORO SULFATO FÉRRICO FeSO4CI Líquido
12.5
SULFATO FÉRRICO FeSO4 Sólido
1.4 a 1.5 1.2 a 2.0
200
150 a 250
FePO4,Fe(OH)3
1
1.81
2.7 g FePO4 o 1.9 Fe(OH)3
4.87 FePO4
SULFATO
SODIO
DE ALIMINIO ALUMINATO
Al2(SO4)3 Líquido
Na2O, AI2O3
Líquido
4a5
7a9
1.2 a 1.3
1.4
50 a 65
10 a 13
AIPO4, AI(OH)3
0.87 4.5 g AIPO4 o 2.9 Al(OH)3
3.94 g AIPO4
Tabla 15: Características de los diferentes reactivos posibles
Esquema 40: Localizaciones posibles del añadido de FeCl3
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En general el aporte es realizado en el tanque de aireación, pero a veces tiene lugar antes del sedimentador secundario con el fin de ayudar la sedimentación de la biomasa.
Equipamientos: Los equipamientos son: • Un tanque para almacenar el reactivo suministrado de forma líquida. Este tanque está colocado en una cuenca de hormigón para la seguridad. • Una caja que contiene 2 bombas volumétricas para ajustar la inyección del reactivo. El funcionamiento de estas bombas está controlado por un temporizador.
Esquema 41: Instalación con eliminación potenciada de N y P (con los procesos biológico y químico)
Tasa de tratamiento para el objetivo ”eliminación de 80 % de P” (1.25 moles de Fe/ moles de P a eliminar)
Para un afluente domestico que contiene 20 mg P/l: 20 x 0.8 x 1.25 x 56/31 x 1450/200 = 260 g Reactivo Comercial/m3 afluente
Producción suplementaria de lodos en exceso para el objetivo ”eliminación de 80 % de P” (1.25 moles de Fe/moles de P a eliminar)
Para un afluente domestico que contiene 20 mg P/l: 20 x 0.8 x [(1) x 151/31 + (1.25-1) x 107/31] = 92 g Materias Secas/m3 afluente Lo que representa cerca de 25 a 30 % de los lodos en exceso
COMENTARIOS SOBRE EL PROCESO QUÍMICO PARA ELIMINAR P El proceso químico de eliminación de P:
• Permite alcanzar fácilmente una concentración de P del efluente inferior a 2 mg P/l o una remoción > 80 %, cualquiera que sea la concentración de P del afluente.
• Es fácil de implementar en una planta, pero es costoso en reactivos y gestión de los lodos en exceso
Foto 61: Tanque de reactivo con las bombas volumétricas
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8. Esquemas
• Esquema 1: El papel central de las bacterias en un tratamiento biológico • Esquema 2: El funcionamiento de las bacterias • Esquema 3: Las 2 etapas del tratamiento biológico de tipo ”Lodos Activados” • Esquema 4: Corte del funcionamiento de un decantador cilíndrico • Esquema 5: Equipamientos de un decantador cilíndrico • Esquema 6: Lo que adviene de los contaminantes tras el tratamiento biológico • Esquema 7: 3 modalidades para medir la altura de la capa del agua depurada • Esquema 8 y 9: Protocolos de los tests ”tiretas” NH4 y NO3 • Esquema 10: Medida de la transparencia • Esquemas 11 y 12: Lodos Activados ”Baja Carga” y ”Media o Alta Carga” • Esquema 13: Corte de un decantador secundario • Esquema 14: Estación de depuración con los elementos complementarios • Esquema 15: Corte de una trampa para espumas • Esquema 16: Configuración con un tanque ”completamente mezclado” • Esquema 17: Configuración con un tanque anoxia • Esquema 18: Configuración con tanques anoxia y anaerobia • Esquema 19: Configuración sin tanque anoxia • Esquema 20: Configuración ”contacto-estabilización” • Esquema 21: Configuración ”flujo pistón” • Esquema 22: Otra configuración ”flujo pistón” • Esquema 24: Proceso RBS sin variación de nivel en el tanque de aireación • Esquema 25: Proceso RBS con alimentación continua en afluente • Esquema 26: Corte de tanques combinados” • Esquema 27: Observación de un problema de agua turbia (biomasa no destruida) • Esquema 28: Observación de un problema de agua turbia (biomasa destruida) • Esquema 29: Observación de un problema de espumas en la probeta y a la superficie
del decantador • Esquema 30: Observación de un problema de desnitrificación en la probeta y en
el decantador • Esquema 31: Observación del fenómeno de fermentación en el fondo del decanta-
dor • Esquema 32: Observación del fenómeno de bulking en la probeta y en el decantador • Esquema 33: ¿Donde pasan N y P en un tratamiento biológico? • Esquema 34: Diseño de una instalación para una eliminación potenciada del
nitrógeno • Esquema 35: Mecanismo para favorecer las bacterias especificas • Esquema 36: Corte de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente • Esquema 37: Ejemplo 1 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente • Esquema 38: Ejemplo 2 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente
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• Esquema 39: Ejemplo 3 de una instalación diseñada para eliminar P biológicamente • Esquema 40: Localizaciones posibles del añadido de FeCl3 • Esquema 41: Instalación con eliminación potenciada de N y P (con los procesos bio-
lógico y químico)
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9. Fotos
• Fotos 1y2: Aireador de superficie (a la izquierda) y difusor de aire (a la derecha) • Fotos 3 y 4: Vista de la biomasa al microscopio óptico • Fotos 5 a 8: Fotos con un microscopio electrónico de bacterias (bacillos o cocos) • Foto 9: Equipamientos de un decantador cilíndrico • Fotos 10 a 13: Aparatos para medir las ST y STV • Fotos 14 a 17: Aparatos para medir las ST y STV • Foto 18: Test de decantación de los lodos en una probeta transparente de 1 litro • Fotos 19 y 20: Test NH4 o NO3 y sonda NO3 • Fotos 21 y 22: Sondas REDOX y Oxigeno • Foto 23: Kit de medida para la DQO • Foto 24: Canal de medida del caudal con el flujo metro y tomador de muestras • Foto 25: Turbina rápida • Foto 26: Turbina lenta • Foto 27: Aireador tipo ”cepillo” • Foto 28: Difusores tipo ”tubo” • Foto 29: Agitador • Foto 30: Difusores tipo ”plato” • Foto 31: Vista de una trampa • Foto 32: Vista de la estación de depuración • Fotos 33 y 34: Ausencia de floculación (foto arriba) y floculación normal (foto debajo) • Fotos 35 y 36: Espumas marrones y pesadas (foto arriba) y espumas blancas y lige-
ras (foto debajo) • Fotos 37 y 38: Bacterias filamentosas llamadas ”Nocardia” (ramificadas y no dema-
siado largas) • Fotos 39: Aglomeraciones de lodos a la superficie del decantador • Fotos 40 a 42: Observaciones del fenómeno de desnitrificación • Fotos 43 y 44: Aglomeraciones de lodos negros a la superficie del decantador • Fotos 45 a 47: Observación de lo que sucede en la probeta • Fotos 48 y 49: Biomasa sin bacterias filamentosas (a la izquierda) y con bacterias
filamentosas (a la derecha) • Fotos 50 a 52: Observaciones de Microthrix parvicella con microscopios óptico y
electrónico • Fotos 53 a 55: Observaciones de bacterias ”021N” con microscopios óptico y electró-
nico • Fotos 56 y 57: Sondas REDOX (a la izquierda) y O2 disuelto (a la derecha) • Foto 58: Lodos con acumulación de gránulos de polifostatos dentro de las bacterias • Foto 59: Lodos sin acumulación de gránulos de polifoisfatos dentro de las bacterias • Foto 60: Composición de los gránulos • Foto 61: Tanque de reactivo con los bombas volumétricas
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10. Gráficos
• Gráfico1: Definición de la ”Ventana Biológica” • Gráfico 2: Reacciones y compuestos dentro la ”Ventana Biológica” • Gráfico 3: Gráfico NH4 y NO3 con el ”Punto Critico” • Gráfico 4: Grabaciones REDOX y Oxigeno disuelto • Gráfico 5: Relación entre la velocidad ascensional y el VC30 • Gráfico 6: Relación entre la Velocidad Ascensional (VA) y el Volumen Corregido 30 mn
(VC30) • Gráfico 7: Relación entre la concentración de materia orgánicaalrededor de los flócu-
los y el desarrollo de bacterias normales o filamentosas • Gráfico 8: Zonas aerobia, anoxia y anaerobia dentro la ”Ventana Biológica” • Gráfico 9: Visualización de los periodos aerobia, anoxia y anaerobia mediante una
grabación REDOX • Gráfico 10: Migraciones de P y K según las evoluciones del potencial REDOX
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11.Tablas
• Tabla 1: Valores de referencia para las aguas residuales domesticas en Francia • Tabla 2: Eficacia del tratamiento de tipo ”Lodos Activados” • Tabla 3: Valores de referencia para el proceso • Tabla 4: Valores de referencia para el efluente • Tabla 5: Ejemplo de recomendaciones para los ”Parámetros de funcionamiento” • Tabla 6: Ejemplo de recomendaciones para las ”Consignas de funcionamiento” • Tabla 7: 3 opciones de Carga Másica • Tabla 8: Valores de referencia de ”EL” y de ”TRH” (DBO5 afluente ≈ 360 Mg DBO5/l) • Tabla 9: Eficiencia de los aireadores • Tabla 10: Valores de referencia para la decantación secundaria • Tabla 11: Evoluciones tecnológicas de los Lodos Activados • Tabla 12: Resultados de los tests y acción posible • Tabla 13: Resultados de los tests y acción posible • Tabla 14: Búsqueda de los factores favorables • Tabla 15: Características de los diferentes reactivos posibles
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