UNIDAD03CapítuloLodosActivos2016

UNIDAD III LODOS ACTIVADOS

LODOS ACTIVADOS.OBJETIVO:

El objetivo del tratamiento biológico de aguas residuales es la remoción de la materia orgánica

y de ciertos compuestos inorgánicos por degradación microbiana. Los procesos biológicos

constituyen una aceleración de los procesos naturales de depuración (tratamiento).

El principio básico es el siguiente: Para crecer los microorganismos utilizan la materia

orgánica y nutrientes contenidos en el agua residual como sustrato (comida), transformando

una parte del sustrato en materia celular (Anabolismo) y otra parte en energía, CO2 y H2O

(Catabolismo). Con la parte transformada en energía y gases, se obtiene ya una eliminación

directa de una fracción de la masa contaminante (Aproximadamente el 60-70% en condiciones

aerobias).

Los principales microorganismos involucrados son: Un cultivo heterogéneo de

microorganismos incluyendo bacterias, protozoarios, rotíferos, algas, etc. En la mayoría de los

casos, son siempre las bacterias las que predominan. Las bacterias son principalmente

responsables de la transformación de la materia orgánica. Los rotíferos y protozoarios son

útiles por su participación en la clarificación del agua tratada, consumiendo las bacterias

dispersas.

DESCRIPCION DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS.

El proceso de lodos activados (También llamado de Fangos Activos), es el más utilizado de

todos los procesos biológicos de tratamiento secundario. Siendo su objetivo principal el

remover los compuestos orgánicos y posiblemente el nitrógeno y el fósforo de las aguas

residuales, convirtiéndolos en una suspensión de sólidos biológicos que se pueden separar del

agua por sedimentación.

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Se considera como un proceso de lodos activados, todo aquel que incluye las siguientes

operaciones:

Aireación y mezcla de los microorganismos con el sustrato en un primer tanque de

aireación. La suspensión líquida en el reactor se conoce como licor de mezcla.

Concentración y separación de los flóculos de los sólidos biológicos formados, esta

operación se realiza en un segundo tanque (Sedimentador Secundario) independiente del

reactor de lodos activados.

Recirculación de una parte de los sólidos biológicos concentrados, del sedimentador al

tanque de aireación, para mantener una alta concentración de las bacterias en el reactor,

siendo esta operación clave en el proceso.

Vertido del agua tratada y clarificada (Sedimentada).

Eliminación de los sólidos excedentes producidos diariamente (línea de lodos).

Figura No. 1: Esquema del proceso de lodos activados.

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Siendo la nomenclatura utilizada en el esquema la siguiente:

Q: caudal de agua del efluente a tratar.

Qe: caudal del agua tratada y vertido del sedimentador secundario.

Qw: caudal de la purga de sólidos biológicos con el licor mezclado.

Qr: caudal del flujo de recirculación.

R: tasa de recirculación, R = Qr/Q.

V: volumen del tanque de aireación.

So: concentración de sustrato soluble y biodegradable del influente.

Se: concentración residual de sustrato soluble y biodegradable en el efluente.

Xo: concentración de sólidos biológicos en el influente (despreciable).

X: concentración de sólidos biológicos suspendidos en el licor mezclado.

Xr: concentración de sólidos biológicos suspendidos en el flujo de recirculación.

Xe: concentración de sólidos biológicos suspendidos en el agua clarificada.

Muchos modelos han sido desarrollados para representar el comportamiento del proceso de los

lodos activados. El que se presenta a continuación, que es derivado por McCarty y Lawrence

(1970), es uno de los modelos más utilizados. La hipótesis que acompañan a este modelo son:

a) El sistema funciona en régimen estacionario.

b) El régimen de mezcla en el tanque de aireación es de mezcla completa.

c) Toda la materia orgánica biodegradable del influente es de forma soluble.

d) La concentración de sólidos biológicos en el influente crudo es despreciable.e) El sustrato es el parámetro limitante de la cinética.

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Las expresiones a utilizar para el diseño de este tipo de reactores son las siguientes:

Tiempo de residencia hidráulica, ( d-1 ):

Tiempo de residencia celular o edad de los microorganismos en el tanque de aireación, c

(En unidades, d-1):

Tasa de recirculación del caudal (De lodos), R:

Tasa de carga orgánica: Alimento / Microorganismos, F/M (KgDBO/KgSSV-día):

Tasa de carga Volumétrica, Cv ( KgDBO/m3):

Balance de sólidos biológicos alrededor del conjunto: Tanque de aireación / Sedimentador.

O bien resolviendo para Se:

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Se es independiente de So. Una vez que c es fijado, Se también se fijará y las variaciones de

So se traducen solamente por la aumentación de la masa de sólidos biológicos producidos.

El volumen del reactor se obtendrá:

Constantes cinéticas.

Para el diseño de los reactores de lodos activados, es necesario contar con las constantes de

diseño cinéticas, por ello es recomendable obtenerlas en el laboratorio a base de pruebas en

modelos prototipos, como una alternativa, cuando NO se tengan datos se pueden utilizar los

recomendados por diferentes autores, mismas que pueden servir como una estimación. (Ver

Tablas No. 1 y No. 2); aunque siempre es recomendable obtener a dichas constantes, ya que

cada tipo de agua presenta variaciones particulares con respecto a dichas constantes.

Valores de la constante:

Coeficiente: Unidad: Rango: Típico:

k d-1 2 – 10 5

Ks mgDBO5/lt 25 –100 60

mgDQO/lt 15 – 70 40

Y mgSSV/mgDBO5 0.4 – 0.8 0.6

Kd d-1 0.025 –0.075 0.06

Tabla No. 1 Valores típicos de constantes cinéticas para aguas residuales, según: Metcalf & Eddy,

1991.

Tipo de agua Residual k Y Kd aMunicipal (Urbana) 0.017 – 0.03 0.73 0.075 0.52

Refinería 0.074 0.49 – 0.62 0.10 – 0.16 0.40 – 0.77

Química y Petroquímica 0.0029 – 0.018 0.31 – 0.72 0.05 – 0.17 0.31 – 0.76

Cervecería. – 0.56 0.10 0.48

Farmacéuticas. 0.018 0.72 – 0.77 - 0.46

Pastas kraft y Blanqueado. – 0.50 0.08 0.65 – 0.8

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Tabla No. 2 Parámetros Biocinéticos típicos de distintas aguas residuales, según: Ramalho, 1993.

Necesidades de oxígeno en el reactor.

El consumo de oxígeno dentro del reactor de lodos activados es una de los principales factores

que son necesarios para el diseño; existen diferentes métodos para estimar la cantidad de

oxígeno que se requiere en el proceso. Para el proceso de tratamiento de lodos activados, se

puede utilizar la siguiente ecuación general, derivada del balance de consumo de sustrato y de

la stequiometría de reacción del oxígeno.

Donde:

Q O2 = Necesidad total de oxígeno en el reactor (Kg O2 / día)

Q = Caudal a tratar (m3 /día)

So = DBO5 influente del agua residual a tratar.

Se = DBO5 efluente del agua residual tratada.

f = Factor de conversión de la DBO5 en DBO última (0.70 a 0.90)

P X = Masa seca de lodos extraídos diarios del tanque de aireación.

1.42 = Coeficiente stequiometrico.

4.57 = Coeficiente stequiometrico de la reacción de nitrificación.

No - Ne: Diferencia de concentración de nitrógeno Kjendahl entre el influente y el

efluente debido a la nitrificación.

La estimación de la cantidad de oxígeno se realiza de manera empírica usando reglas de

simplificación que establece la necesidad de oxígeno para todos los tipos de lodos activados

1,500 ft3O2/lbDBO5 (93.5 m3O2/Kg DBO5), excepto por el proceso de aireación prolongada

para el cual se requiere 2,000 ft3 O2/lb DBO5 (125 m3O2/ Kg DBO5).

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Figura No. Aireadores superficiales tipo turbina.

Figura No. Aireadores superficiales tipo turbina.

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Figura No. Aireación por difusores.

Para transformar a las condiciones reales de operación, tanto por la altura, temperatura, tipo de

agua a tratar, saturación, etc.; se debe considerar la ecuación de transferencia de oxígeno para

condiciones normalizadas (N), misma que se anota a continuación:

Donde:

= Oxígeno transferido al agua residual. Oxígeno transferido al agua tipo.

Usar: = 0.80 – 0.90

CSW = Valor del oxígeno de saturación del agua residual en mg/lt calculada por la

expresión: CSW = (CSS)P.

= Valor de oxígeno de saturación del agua residual., valor de = 0.90 – 0.97 Valor del oxígeno de saturación del agua tipo.

CSS = Valor del oxígeno de saturación del agua tipo, en función de la temperatura.

Valor obtenido de tablas (Ver tabla 9-8, pag.38).

P = Presión Barométrica en la ubicación del sistema de tratamiento.

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Presión barométrica a nivel del mar.

CL = Concentración de oxígeno a mantener en las aguas residuales, normalmente se

toma CL = 2.0 mg/lt.

CS = Valor del oxígeno de saturación de las aguas residuales a 20 °C y una atmósfera

de presión. Utilizar CS = 9.17 mg/lt.

T = Temperatura del agua residual (°C).

Se considera que para cada marca de equipos de aireación, estos utilizan un rendimiento en

Kg O2/Kw(H.P.)-hora. Dividiendo el valor N por dicho rendimiento se obtendrá la potencia

necesaria del equipo o turbina (Ver tablas de los equipos en los anexos)

Necesidades de los microorganismos.

Para realizar la función de degradación, se requiere mantener condiciones favorables para los

microorganismos. Los parámetros que afectan a la actividad microbiana y el diseño de los

sistemas de lodos activados se presentan a continuación.

a) Temperatura.

Afecta a la actividad microbiana así como la transferencia de oxígeno. Los efectos de la

temperatura sobre las constantes cinéticas y de transferencia de oxígeno sigue la ley de

Arrehenius dada a continuación:

KT2 = Constante cinética o de transferencia de gas evaluada a la temperatura T2.

KT1 = Constante cinética conocida a la temperatura T1.

1.00 a 1.08 para los procesos de lodos activados (Típicamente 1.04)

= 1.04 a 1.12 para lagunas aireadas (Típicamente 1.08)

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Por lo tanto la temperatura es una variable de diseño. Los valores de constantes cinéticas que

se utilizan deben ser elegidos respecto a la temperatura local.

b) Efectos del pH:

Se considera que el valor óptimo para la remoción de la DBO por los lodos activados: 6.5 -

7.5

c) Compuestos tóxicos:

La presencia de ciertos compuestos orgánicos e inorgánicos en las aguas puede causar la

inhibición de las reacciones o ser tóxica para los microorganismos: metales, compuestos

químicos industriales, etc.

d) Nutrientes:

Un balance adecuado de nutrientes es necesario tan para el crecimiento bacteriano como para

la formación de flóculos biológicos que sedimenten bien. Los elementos más críticos son el

nitrógeno (N) y el fósforo (P).

Las necesidades de nutrientes para las bacterias se evalúa en las siguientes proporciones

DBO/N/P = 100/5/1. Los sistemas que funcionan en la zona de alta c requieren menos de

nutrientes en el agua debido al reciclaje de P y N que resulta de la auto-oxidación.

e) Oxígeno disuelto:

Para la remoción de DBO, una concentración mínima de 2 mg/lt debe ser mantenida en el

reactor de aireación en condiciones normales de carga. En las condiciones de carga en punta,

la concentración de O2 mínima aceptable es de 0.5 mg/lt. Si se busca también una

nitrificación, el oxígeno debe ser mantenido a 2 mg/lt o más en todas las condiciones.

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Las constantes cinéticas del diseño de los reactores de lodos activados se presentan en los

anexos proporcionados.

BASES DE CONTROL Y DISEÑO DE LOS PROCESOS DE LODOS ACTIVADOS.

Primero se anotan dos de las ecuaciones más importantes derivadas de la cinética de los lodos

activados:

Del punto de vista teórico la primera ecuación permite determinar el tiempo de residencia

celular c que se requiere para obtener la calidad (Se) del efluente que se busca, si se conocen

los parámetros cinéticos. En seguida, con el conocimiento de c se puede determinar el

volumen del reactor con la segunda ecuación, suponiendo un valor de concentración de licor

mezclado (X). Este procedimiento de diseño es el que se ejemplifica en los procesos de

nitrificación para los cuales los parámetros cinéticos están muy bien documentados. Sin

embargo, en el caso de que se trata de la DBO carbonosa con un proceso de lodos activados,

la selección del tiempo de residencia celular, en la práctica, se basa más en la experiencia que

en las condiciones cinética. Típicamente se selecciona un c relativamente alto, comparado a

lo necesario sobre la base de la cinética, para asegurarse de la formación de flóculos

biológicos de buena calidad respecto a la sedimentación. Los valores del tiempo de residencia

celular que se escoge en la práctica varían de 3 a 5 días en el verano y de 15 días en el

invierno. En los casos donde se busca una estabilización de los lodos en el proceso, los valores

de c que se escoge son más altos.

Como la base de diseño, se utiliza entonces la experiencia para fijar c en un valor que da la

oportunidad a los microorganismos de llegar a una cierta estabilización y también de

conseguir una buena calidad de flóculos.

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Buscando los mismos objetivos que justifican la elección práctica de c, existen algunos

diseñadores que prefieren a la carga F/M. Uno de los intereses que presenta F/M como criterio

es la disponibilidad de información que permitan justificar la elección de un valor dado.

Una vez que se escoge el valor del parámetro de diseño, es necesario conocer como mantener

o variar estos valores para controlar el proceso durante su funcionamiento. Siendo los tres

parámetros de control los siguientes:

El tiempo de residencia celular

La tasas especifica de consumo de sustrato,

El factor de carga F/M

Como se ha mencionado, una vez que el tiempo de residencia celular es fijado, se puede

calcular el volumen del reactor a partir de la segunda ecuación se puede escribir como sigue:

Para calcular el volumen del reactor (V) se requiere fijar el valor de la concentración de

sólidos suspendidos en el licor mezclado (X) como SSML o SSVLM así como los parámetros

cinéticos Y y K d.

No se puede tomar cualquier valor de X debido al hecho de que la concentración de SSVLM

que se puede mantener en el reactor depende de la concentración del lodo recirculado que

puede producir el sedimentador secundario. Se puede obtener valores realistas de X en base a

unas pruebas de sedimentación en laboratorio o en planta piloto. Los valores de X que se

emplean en general varían entre 1,500 y 3,000 mg/lt SSVLM. El valor más frecuente es de

2,500 mg/lt SSVLM. En las tablas de criterios estándares de diseño, los rangos de X que se

recomiendan varían entre 1,000 - 10,000 mg/lt SSVLM, según la variante del proceso de

lodos activados.

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NITRIFICACIÓN.

La nitrificación consiste en la oxidación del ión amoniaco en nitritos (NO2), por la acción de

las bacterias del género nitrosomas seguidas por una oxidación de los nitritos en nitratos

(NO3), por bacterias del género nitrobacter.

La nitrificación es un mecanismo biológico aerobio, llevado a cabo por las bacterias que

utilizan el CO2 como fuente de carbono y el amoniaco como fuente de energía. En este caso,

se considera que la concentración de oxigeno disuelto (O.D.) tiene que ser mayor que 2.0

mg/lt en los reactores de nitrificación.

De forma general se puede expresar lo anteriormente anotado en forma de expresión química

como:

CINÉTICA DE LA NITRIFICACIÓN.

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La cinética del crecimiento de las bacterias nitrificantes sigue la ecuación de Monod, donde se

considera al amoniaco como sustrato limitante. La expresión general es:

N = Tasa especifica de crecimiento bacteriano, ( d-1).

N, max = Tasa especifica máxima de crecimiento bacteriano, ( d-1).

N = Concertación de nitrógeno amoniacal, ( mg/lt).

KsN = Constante de saturación, (mg/lt).

En condiciones óptimas, el valor de N, max a 15° C es aproximadamente de 0.48 d-1, mientras el

de la constante KsN es típicamente de 1.4 mg/lt.

En las condiciones reales, los valores corregidos de de N, max y KsN son respectivamente

dados por las siguientes ecuaciones:

Término para la corrección de concentración.

Término para la corrección por temperatura.

Término para la corrección por pH.

= Tasa máxima de crecimiento en condiciones reales, (d-1).

= Tasa máxima de crecimiento en condiciones óptimas, (d-1).

= Constante de saturación corregida, (mg/lt).

O.D. = Concentración de Oxigeno disuelto efectivo en el reactor de nitrificación, (mg/lt).

= Constante de saturación de oxígeno, (mg/lt).

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pH = pH efectivo en el reactor.

T = Temperatura en el reactor (°C).

Habitualmente, la fracción de bacterias nitrificantes en los procesos convencionales de lodos

activados, dedicados a la remoción de materia orgánica es pequeña, debido al hecho de que,

las condiciones de operación no favorecen el crecimiento de los microorganismos

nitrificantes. Si se modifican las condiciones de operación (Tiempos de detención más largos)

se puede desarrollar las condiciones nitrificantes, además de la remoción de la DBO5. En este

caso, el proceso de lodos activados puede ser operado y clasificado como un proceso

combinado (Dique de oxidación).

Se puede obtener una estimación de la fracción de biomasa nitrificante en el proceso de lodos

activados de la siguiente manera:

fN = Fracción de masa de bacterias nitrificantes respecto a la biomasa total.

YN = Rendimiento de las bacterias nitificantes.

Y = Rendimiento de las bacterias en la remoción de DBO5.

No y So = Concentraciones de Nitrógeno amoniacal y materia orgánica en el influente,

(mg/lt).

N y S = Concentraciones de Nitrógeno amoniacal y materia orgánica en el efluente, (mg/lt).

BASES DE DISEÑO DE LOS PROCESOS DE NITRIFICACIÓN.

Estos procesos tienen la misma configuración y los mismos diagramas de flujo que los

procesos convencionales de lodos activados para la remoción de materia orgánica. Por lo que

también se aplica la misma cinética de crecimiento bacteriano y de consumo de sustrato, así

como el balance de masas, desarrollados para el proceso de lodos activados convencional.

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Los procesos de nitrificación de lodos activados pueden diseñarse, basándose en el

criterio de tiempo de detención celular (c).

Aunque, el procedimiento para la elección del valor de c, cuando se trata de nitrificación, es

diferente a la metodología empleada para la remoción de la DBO5. El procedimiento que se

utiliza para fijar a c, en un proceso de nitrificación es el siguiente:

a) Se calcula el tiempo de detención celular mínimo (c min ), para mantener las bacterias

nitrificantes en el reactor.

b) Se calcula el c de diseño, multiplicando a c min , por un factor de seguridad. Valores

de 2.0 a 3.0 que se emplean para asegurarse que no se produzca arrastre de amoniaco.

La expresión que se ha establecido para el tiempo de detención celular es:

Es pertinente, que se corrija la constante de respiración endógena , en función de la

temperatura, utilizando la ecuación de Arrehenius dada a continuación:

= Constante cinética evaluada a la temperatura T2.

Kd = Constante cinética evaluada a la temperatura T2, (Comúnmente Kd20 = 0.05)

= 1.08 a 1.10 para los procesos de nitrificación.

El tiempo de detención celular que se obtiene es por lo tanto más alto que el que suele

emplearse en el caso del proceso convencional de lodos activados.

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Una vez que se ha fijado c para el diseño, el volumen del reactor se obtiene de la misma

manera, y con las mismas ecuaciones establecidas para los sistemas de lodos activados

convencionales, para ello tenemos las expresiones siguientes:

Con

Con XN = fN X

Parámetros Unidades Rango Valores Típicos

N, max, 15 °C d-1 -- 0.48 2

N, max, 20 °C d-1 0.30 – 0.50 3 ---

KsN mg/ lt N – NH4 0.20 – 5.00 1.40 2

YN mg SSV/ mg N – NH4 0.04 – 0.29 0.15 2

KN d-1 0.30 – 3.00 1.00 2

kdN d-1 0.03 – 0.06 0.05 2

Ko2 mg/lt O2 0.10 – 2.0 3 0.20 – 0.40 3

1.0 2

1.30 1

Fuentes: 1 Metcaft & Eddy, 1995. 2 WEF manual of practice No. 8. 3 Benefield & Randall, 1980.

Tabla No. 3 Constantes cinéticas típicas para los procesos de nitrificación.

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DESNITRIFICACIÓN:

La desnitrificación es un proceso anóxico, en el cual los nitritos y nitratos que resultan de la

fase de nitrificación se convierten en gas nitrógeno. La desnitrificación es realizada por

bacterias de tipo facultativo heterotrofo que utilizan los nitritos y nitratos como receptor de

electrón en lugar del oxígeno.

Debido al hecho de que el agua llega al proceso de desnitrificación es “pobre” en sustrato de

carbono, se requiere generalmente una fuente externa de carbono para conseguir la

desnitrificación. El metanol ha sido el suplemento más utilizado.

El oxígeno es un parámetro crítico en la desnitrificación, ya que la desnitrificación se obtiene

solamente en condiciones anóxicas, donde las bacterias facultativas no tienen otra posibilidad

que utilizar los nitritos y nitratos como receptor de electrones.

CINÉTICA DE LA DESNITRIFICACIÓN.

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Diferentes modelos han sido utilizados para obtener la cinética de la desnitrificación, siendo

las más utilizadas: El modelo de Monod, modelo empírico que relaciona la carga F/M vs c y

el modelo de orden cero respecto a los nitritos. Del modelo de orden cero se establece la

expresión cinética siguiente:

-rDN = Tasa de desnitrificación o de consumo de nitratos (mg NO3 /lt-día).

X = Concentración de la biomasa (mg SSV / lt).

K = Constante cinética (d-1 o bien en mg NO3 / mg SSV- día).

Ahora, considerando el modelo de lodos activados en un reactor de mezcla completa, el

balance de sustrato alrededor del tanque anóxico, permite establecer que:

Q = Caudal del agua.

V = Volumen del reactor de mezcla completa.

No = Concentración de nitritos a la entrada del proceso de desnitrificación.

Ne = Concentración residual de nitritos a la salida del proceso.

Combinando las dos ecuaciones anteriores, se obtiene la expresión de K en función de los

parámetros operacionales del proceso.

Fuente de carbono Tasa de desnitrificación

Kg NO3 – N/ kg SSV -día

Temperatura, en °C.

Metanol. 0.21 – 0.32 25

Metanol. 0.12 – 0.90 20

Agua residual. 0.03 – 0.11 15 – 27

Metabolismo endógeno. 0.017 – 0.048 12 – 20Fuente: Metcaft & Heddy, 1995.

Tabla No 4 Diferentes valores de K publicados en la literatura.

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La temperatura y la concentración de oxígeno disuelto en el reactor anóxico constituyen los

dos principales parámetros que influyen sobre el valor efectivo de K, para realizar las

correcciones se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:

Kcorr = Valor corregido de K.

K = Valor conocido de K, a 20 °C.

T = Temperatura efectiva de diseño, °C.

O.D. = Concentración de oxígeno disuelto en el reactor anóxico (mg/lt).

La producción de biomasa (Cantidad de lodos) y la necesidad de carbono se estima a partir de

las siguientes expresiones empíricas:

Px = Masa de lodos producidos por día (mg./.día).

Mc = Masa de metanol o equivalente en carbono a añadir a las aguas por día (mg./.día).

Q = Caudal en el proceso ( lts / día).

Nao = Concentración de nitratos en el influente, ( mg/lt).

Nio = Concentración de nitritos en el influente, ( mg/lt).

O.D. = Concentración de oxígeno Disuelto en el reactor anóxico, ( mg / lt).

El conocimiento de K permite llevar a cabo el diseño de un proceso de desnitrificación en

lodos activados.

MÉTODO ALTERNATIVO DE DISEÑO DEL PROCESO DE DESNITRIFICACIÓN.

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Cuando se trata de un proceso de desnitrificación completamente separado y configurado

como el proceso de lodos activados, las ecuaciones y balances de masas desarrollados en ese

capítulo siguen siendo válidas. Como alternativa, el diseño de desnitrificación separada puede

entonces ser realizado de la misma manera que para los procesos de lodos activados. En el

caso, el procedimiento de diseño basado en el criterio de tiempo de detención celular será

exactamente idéntico a la metodología empleada para el proceso de nitrificación. Se fija el

valor de cmin y multiplicándolo por un factor de seguridad. En la tabla No. 5 se presentan

valores típicos que se utilizan para el diseño del proceso de desnitrificación:

Valor

Coeficente unidades Intervalo Típico.

max d-1 0.30 – 0.90 0.30

Ks NO3 – N , mg/lt 0.06 – 0.20 0.10

Y Mg NO3 –N / mg SSV 0.40 – 0.90 0.80

Kd

qdn

d-1

mgNO3-rem/mgSSVLM-día

0.020 – 0.08

0.019 – 0.033

0.064

0.025

Tabla No. 5 Coeficientes cinéticos de diseño para el proceso de desnitrificación.

Como fue el caso de la nitrificación, una etapa clave para fijar c en la desnitrificación,

consiste en corregir el valor de max, para tomar en cuenta los efectos de las diferentes

variables de funcionamiento y condiciones ambientales en el proceso.

A continuación se ejemplifica de manera básica el diseño de un sistema de tratamiento de

aguas residuales sanitarias, mediante un proceso de lodos activados.

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DISEÑO DE SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS MUNICIPALES.LOCALIDAD: COATEPEC HARINAS.MUNICIPIO: COATEPEC HARINAS.ESTADO: MEXICO.SISTEMA UTILIZADO: LODOS ACTIVADOS (DIQUE DE OXIDACIÓN).

DATOS DE PROYECTO:

Caudal medio . ......................………...................... 13.25 l.p.s. = 0.01325 m3/seg.DBO5 .................................................................... 220 mg/lt.DQO ..................................................................... 382 mg/lt.SST ..................................................................... 185 mg/lt.SSV ..................................................................... 142 mg/lt.Nitrógeno total …………...................................... 35 mg/lt.Alcalinidad ……................................................. 250 mg/lt.Temperatura Media Anual …….…….................. 16 ° C.Altitud .................................................................... 2,260 M.S.N.M.Presión barométrica.................................................. 570.24 mm de Hg.

REQUERIMIENTOS EN EL EFLUENTE (PROMEDIO):

DBO5 .................................................................... 30 mg/lt.SST ....................................................................... 40 mg/lt.Nitrógeno total ....................................................... 15 mg/lt.NH4 – N ................................................................. 2 mg/lt.NO3 – N .................................................................. 10 mg/lt.Fósforo total ...….................................................... 5 mg/lt.Oxígeno disuelto ................................................... 2 mg/lt.

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PARAMETROS Y FACTORES DE DISEÑO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO:

Factores de rendimiento: Y = 0.60 mg SSV/mg DBO5 (De tabla No. 1 y 2)

Tasa de Abatimiento endógeno: Kd = 0.06 d-1 (De tabla No. 1 y 2)

Tasa de remoción de DBO5: KS = 60 mg/lt DBO (De tabla No. 1 y 2)

Coeficiente de velocidad media de reacción: k = 5 d-1. (De tabla No. 1 y 2)

Tiempo de detención celular: c = 30 días. (De tabla No. 6 y 7)

Concentración de SSML (Aireación Prolongada): SSLM = 4,500 mg/lt. (De tabla No. 6 y 7)

Alcalinidad residual = 100 mg/lt como CaCo3 para mantener pH > 7.2

Alcalinidad requerida = 7.14 mg Alcalinidad/ mg NH4 –N oxidada.

Alcalinidad producida = 3.0 mg Alcalinidad/ mg NO3 –N reducido.

Factor de seguridad para nitrificación = 2.5

Factor de corrección de temperatura: = 1.08.

Tasa de reacción de la DBO : k1 = 0.20 d-1 para una temperatura de 20 ° C.

Oxigeno para nitrificación = 4.50 mg O2/mg NH4 – N oxidado.

Oxigeno disponible = 2.60 mg O2 / mg NO3 – N reducido.

CALCULOS HIDRAULICOS.

1° Calculando la DBO Soluble:

La DBO del efluente está compuesta de DBO5 soluble y de DBO en forma de

microorganismos. Asumiendo que el 70% de los SST son SSV (La expresión que representa a

los microorganismos es C5H7 NO2), se ha demostrado que la DBO5 de los microorganismos es

1.42 mg DBO5 /mg SSV.

Corrigiendo la constante de reacción de la DBO5 para la temperatura mínima:

kt = k1(T-20) Si se considera: = 1.08

kt = 0.20X1.08(16-20) = 0.1470 d-1

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DBO soluble = 14.48 mg/lt.

2° Obtención del volumen del Reactor:

La expresión para obtener el volumen de reactor es:

X V = 1,512’509,760 mg SSV

Como se ha considerado una concentración de SSML = 4,500 mg/lt.; para el 70% volátil,

tendremos:

X = 4,500 X 0.70 = 3,150 mg LMSSV/lt.

El volumen del reactor será:

Vol1 = 480,161.83 lts. = 480.16 m3.

El tiempo de retención hidráulico será:

24


= 36,238 seg = 10.07 horas.

3° Obtención del volumen del Reactor para la desnitrificación:

a) Obtención de los sólidos biológicos (Cantidad de lodos producidos):

La expresión para obtener la cantidad de lodos producidos es:

PX = Q (YOBS (SO - Se) + ZIO - Z NO )

Siendo: y

ZIO = Fracción inerte de los Sólidos Suspendidos influentes = Xinf Q = (SSTi – SSVi)Q

ZNO = Valor efluente de los SST = Xefluente Q = (SSTefleunte)Q

ZIO = (SSTi – SSVi)XQ = ( 185 – 142 ) X 13.25 X 86,400 = 49’226,400 mg/dia.

ZNO = (SSTefleunte)Q = ( 40 ) X 13.25 X 86,400 = 45’792,000 mg/dia.

=

= 53’851,392

mg/día

Px = 53.85 kg/día.

Como se considera que el 12.4% de la producción de sólidos Biológicos, es la cantidad de

Nitrógeno total Kendal requerido al día, la cantidad para nuestro caso es:

NTOTAL Kendal = 0.124 X 53.85 kg/día = 6.68 kg/día.

25


Esto representa:

= 5.83 mg/lt de NTK,

Es decir se requiere 5.83 mg/lt de Nitrógeno total Kendal, en el influente, mismo que es

utilizado para la síntesis. Entonces, el nitrógeno que debe ser oxidado es.

NH3 – N oxidado = N influnte – N T – NH4-N.

NH3 – N oxidado = 35 mg/lt – 5.83 mg/lt – 2.0 mg/lt = 27.17 mg/lt.

El valor de desnitrificación es entonces:

Desn. requerida = NH3 – N oxidado - NO3 – N.

Desnitrificación requerida = 27.17 mg/lt - 10 mg/lt. = 17.17 mg/lt.

b) Cálculo de la alcalinidad:

La alcalinidad producida durante la remoción carbonacea de la DBO, es aproximadamente de

0.10 mg de alcalinidad producida por mg de DBO5 removida.

Alcalinidad residual = Alcalinidad – Alcalinidad requerida X NH3–N oxidado +

Alcalinidad producida X Desnitrificación requerida + 0.10X (SO – S)

Alcal. residual = 250 mg/lt - 7.14X27.17 mg/lt + 3.0X17.17 mg/lt + 0.10 (220 –14.48)

Alcalinidad residual = 128.07 mg/lt > 100 mg/lt.

La cual es suficiente para mantener el pH por arriba de 7.20 mg/lt.

Ahora, calculando el volumen y tiempo de detención requerido para la desnitrificación,

considerando la expresión siguiente, para corregir por temperatura:

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qdn = qd(T-20)

Tomando el valor de qdn de la tabla No. 5, de la página No. 20 de los apuntes, tenemos:

qdn = 0.020X1.08(16-20) = 0.01470 mgNO3 – reducida /mgSSVLM – día.

qdn = 0.01470 kgNO3 – reducida /kgSSVLM – día.

Los NO3 – N, a ser reducidos:

NO3 – N reducidos = 17.17 mg/lt X 13.25X86,400 = 19`656,216 mg/día.

NO3 – N reducidos = 19.66 kg/día.

Los SSVLM, requerido para desnitrificación, se obtienen mediante la expresión:

Sustituyendo valores:

= 1,337.16 kgSSVLM.

El volumen requerido para desnitrificación es:

= 424,494.46 lts.

Vol2 = 424.50 m3.

4° Obtención del volumen de diseño de Reactor de lodos activados:

El volumen total del reactor de lodos activados (Dique de oxidación), será de:

27


Vol. diseño = Vol1 + Vol2 = 480.16 m3 + 424.50 m3 = 904.66 m3.

Proponiendo un tirante en h = 2.50 m; el área necesaria para el reactor será:

= 361.86 m2

Como se considera un reactor tipo carrusel con dos canales, proponiendo las siguientes

dimensiones:

Radios de las áreas semicirculares: r = 5.00 m.

Ancho de los canales rectos: a = 5.00 m.

Número de canales = 2 canales.

Área total de estas áreas: ASUP = 342.08 m2

LCR= 28.33 m.

Se toma la longitud del canal recto = 28.35 m.

5° Revisión para las constantes de diseño de Lodos Activados:

a) Tiempo de detención:

28


= 68,276.23 seg

= 18.97 horas.

El rango para la aireación prolongada es: = 18 - 36 horas (De la Tabla No. 7, página 36).

Por lo que este parámetro es correcto.

b) Calculando la relación F/M:

= 0.088 KgDBO/KgSSV-día

= 0.088 KgDBO/Kg SSVLM-día.

El rango para la aireación prolongada está entre: F/M = 0.05 - 0.15 KgDBO/Kg SSVLM-día,

(De la Tabla No. 7, página 36), por lo que este parámetro es correcto

c) Calculando la carga volúmica (C.V.):

= 278,398.51 mgDBO/m3-día

C.V. = 0.28 Kg DBO / m3-día.

El rango para la aireación prolongada es: C.V. = 0.16 - 0.40 Kg DBO / m3-día., (De la Tabla

No. 7, página 36), por lo que se considera correcto.

6° Obtención de la cantidad de lodos producidos en el reactor de Lodos Activados:

29


En el punto 3, inciso a) se ha obtenido la cantidad de lodos que se producen en el reactor de

lodos, la cual es:

PX = 53’851,392 mg/día = 53.85 kg/día.

Como se ha considerado el 70% de SSV, se tiene entonces:

PX = 53.85 / 0.70 = 76.93 Kg SSV/día. = PX = 76.93 Kg SSV/día.

7° Obtención de las necesidades de oxígeno en el reactor de Lodos Activados:

La expresión para obtener la necesidad de oxígeno en el reactor de lodos activados es:

Se considera: f =

Siendo : kT = k1(T-20) Como se ha considerado: = 1.08

kt = 0.20X1.08(16-20) = 0.1470 d-1

f =

f = 0.5205

No = 35 mg/lt.

Ne = 17.17 mg/lt.

La obtención de las necesidades de oxígeno son:

QO2 = 456’244,012 mg O2 /día

QO2 = 456.24 Kg O2 /día

30


QO2 = 19.01 Kg O2 /hora.

Para transformar a las condiciones reales de operación, se debe considerar la ecuación de

transferencia de oxígeno para condiciones normalizadas, misma que se anota a continuación:

Donde:

Na = 19.01 KgO2/hora.

= 0.85

CSW = CSS P

= 0.95

Temperatura media = 16 °C.

CSS = 9.95 mg/lt. Tabla No. 8 Pag. No. 38 (Apuntes curso).

Para una altitud del sistema de tratamiento igual a 2,260 M.S.N.M., de la tabla 9 de la página

39 de las notas del curso:

PTRATAMIENTO = 570.24 mm de Hg. (Interpolando).

PATMOSFERICA = 760 mm de Hg.

CSW = (0.95X9.95X0.7503) = 7.09 mg/lt.

CL = 2.0 mg/lt.

CS = 9.17 mg/lt. Ver Pagina. No. 7, apuntes del curso.

KgO2/hr

N = 44.47 KgO2/hr.

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De las tablas de los fabricantes se obtiene el equipo a utilizar, en el sistema de tratamiento de

lodos activados.

Si se consideran colocar equipos de aireación de 5 H.P., y la transferencia promedio de

oxígeno de estos equipos es (Según las tablas proporcionadas por los fabricantes, ver página

37, Figura No. 7):

Ooxígeno =1.10 Kg O2 / Kw - hora. Transformando a H.P. los Kwatts, tenemos que:

1H.P. = 0.746 Kwatts.

1 Kw = 1.341 H.P.

= Ooxígeno = (1.10)X(0.746) = 0.82 Kg O2 / H.P. – hora

Ooxígeno = 0.82 Kg O2 / H.P. – hora

La transferencia total será:

Transferencia de oxígeno por equipo = (5 H.P.) X 0.82 Kg O2 /H.P.- hora = 4.10 Kg O2 /hora

No. de equipos = = = 10.84 equipos.

No. de equipos a utilizar = 12.0 equipos.

Se toman 12 equipos de 5 H.P.

Si se consideran equipos de 7.5 H.P., Qoxigeno = 0.783 Kg O2 / H.P. – hora

Transferencia de oxígeno por equipo = (7.5 H.P.) X 0.783 KgO2 /H.P.- hora = 5.88 KgO2 /hora

No. de equipos = = = 7.60 equipos.

No. de equipos a utilizar = 8.0 equipos.

32


Se toman 8 equipos de 7.50 H.P.

Para este caso se consideran tomar los equipos de 7.50 H.P.

8° Obtención del caudal de purga de los lodos del reactor para controlar el tiempo de

detención celular:

La expresión de la purga de lodos del reactor es:

Considerando:

X = XR

Xe = 40 mg/lt, como la cantidad de SSLM utilizados en el Reactor es del orden

de 4,500 mg/lt, se considera a Xe como cero, por lo que Xe = 0 mg/lt

= 30.15 m3/día.

QW = 30.15 m3/día.

33


Figura No. 2 Diagrama del proceso de lodos activados.

Figura No. 3 Detalle de un dique de oxidación.

34


Figura No. 4 Reactor de lodos Activados (Tipo carrusel).

Figura No. 5 Detalle de los aireadores en un reactor de lodos activados.

35


Figura No. 6 Esquemas de las formas que pueden considerarse en el diseño de los reactores de

lodos activados, independientes a las rectangulares o cuadradas.

36


Tablas No. 6 y 7 Parámetros de diseño de los reactores de lodos activados.

37


Figura No. 7 Rendimiento de la transferencia de oxígeno.

Figura No. 8 Profundidad de operación mínima / máxima de los aireadores.

Figura No. 9 Zona de mezcla completa (Distancia de separación de los aireadores).

38


Tabla No. 8 Valores del oxigeno de saturación, que depende de la temperatura ambiente del

lugar.

39


Tabla No. 9 Valores de la presión barométrica, a diferentes alturas sobre el Nivel del Mar.

40


Tabla No. 10 Valores de la transferencia de oxigeno con respecto a los HP del equipo

seleccionado (Aireador superficial). Aqua – Aerobic, Systems, Inc.

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