CÁLCULOS BÁSICOS PARA PARA OPERACIÓN PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES (PTAR) CANELONES
RECOPI LADO Y ADAPT ADO POR:
José Abefase Supervisor De Producción
ENERO 2012
IT2
1.1. CÁLCULOS BÁSICOS Y CONTROL DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ACTIVADOS En el presente capítulo se presentan los cálculos básicos de rutina para el control del proceso de lodos activados, los cuales deberán quedar debidamente registrados en las planillas de seguimiento y control incluidas en el Anexo 1. Es importante resaltar que los cálculos aquí detallados se realizarán en base al valor de SST y no a los SS, que estrictamente es el valor de SS que interviene en la asimilaci!n y degradaci!n de la materia orgánica "masa biol!gica activa#. Este criterio se basa en que el valor de SST es de más sencilla y rápida determinaci!n para el operario, y en que la relaci!n SS$SST tiene un valor aproximadamente constante para este tipo de proceso y agua residual del tipo dom%stico, situándose en el rango de &.'(&.). Así, la adopci!n de los SST como parámetro de control resulta adecuado y su*iciente para una operaci!n satis*actoria del sistema, pudiendo a*ectarse dic+o valor por el *actor antes mencionado de &.'(&.) para obtener el valor de SS. gualmente, dic+o rango debería veri*icado y calculado con cierta periodicidad para descartar incurrir en un error.
-
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1.2. Cálculo de la recirculación de lodos El caudal de recirculaci!n de lodos se determina asumiendo un estado estacionario del sistema, es decir que no existe acumulaci!n ni p%rdida de lodos "masa biol!gica# en el mismo. Esto se expresa mediante la siguiente expresi!n, que resulta de realizar un balance de s!lidos en el reactor despreciando los SS en el a*luente bruto
SST Reac∗( Q+ Q R ) = SST Sed∗Q R
En donde, SST ℜ ac
/ S!lidos Suspendidos Totales en los reactores, en mg$l "rango 0&&& a &&&
mg$l# SST Sed
/ S!lidos Suspendidos Totales en el sedimentador, en mg$l "rango )&&& a
1-&&& mg$l# Q / 2audal a*luente a la planta
Q R
/ 2audal de recirculaci!n "bombas de recirculaci!n de lodos#
Al cociente Q = R Q R
lo llamaremos relaci!n de recirculaci!n R , y sustituyendo en la ecuaci!n anterior, se llega a la siguiente expresi!n SST Reac R = SST Sed 1 + R
3e donde se despe4a el valor de 5, la 6nica inc!gnita de la misma. 7or tanto, para su determinaci!n es necesario conocer el valor de SST en los reactores y Sedimentadores.
0
En caso de recircular el valor de 5 obtenido, se tenderán a mantener los valoresIT2de SST en reactores utilizados para el cálculo, es decir se mantendrá el estado estacionario en lo que re*iere a los lodos en el sistema. El caso de recircular un valor menor, la concentraci!n de SST en el reactor tenderá a disminuir8 por el contrario, en caso de recircular un valor superior, la concentraci!n de SST en el reactor tenderá a aumentar. Esta decisi!n deberá complementarse a su vez con el valor de la relaci!n 9$:, de modo de mantener el mismo dentro de los rangos usuales para este tipo de proceso "lodo activado en la modalidad de aireaci!n extendida#.
;
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Ejemplo 1 Sean los siguientes valores SST Reac= 3000 mg / l SST Sed =8000 mg / l Q=150 m 3 / h
Sustituyendo en la ecuaci!n R 3000 = = 0.375 1 + R 8000
3espe4ando obtengo R=
SST Reac SST Sed − SST Reac
=
3000
8000 −3000
=0.6
R= 0.6
Entonces el caudal de recirculaci!n es Q R = R∗Q=0.6∗150 m 3 / h=90 m 3 / h
<
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1.3. Cálculo de la recirculación de licor mezcla =a *unci!n de la recirculaci!n de licor mezcla o de denitri*icaci!n, es retornar a la zona an!xica del reactor los nitratos *ormados en la zona aerobia, los cuales son >respirados? y convertidos a nitr!geno gaseoso. =a e*iciencia de denitri*icaci!n está muy asociada a la cantidad de nitrato que es recirculado a la zona an!xica, seg6n la siguiente *!rmula Y N O 3=
( R + r ) ( 1+ R + r )
En donde Y NO 3
/ E*iciencia máxima te!rica de remoci!n de nitratos
R / 9racci!n de recirculaci!n de lodo
r / 9racci!n de recirculaci!n de licor mezcla para denitri*icaci!n
3e la ecuaci!n anterior, la inc!gnita generalmente viene dada por la *racci!n de recirculaci!n de licor mezcla r, ya que la *racci!n de recirculaci!n de lodo viene dada por el cálculo realizado en el punto anterior, mientras que la e*iciencia de remoci!n de nitratos viene dada por la concentraci!n de nitr!geno en el a*luente "@T / @itr!geno 4ed+al Total# y la máxima concentraci!n admisible en el e*luente seg6n los requerimientos de diseBo "@ total#.
Ejemplo 2
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Sean los siguientes valores NKT Afluente =50 mg / L
N Total efluente ( NE ) =15 mg / L Q =150 m 3 / h
Q R =90 m 3 / h
=os datos son los obtenidos en el E4emplo 1, que corresponde a una recirculaci!n de lodos R= 0.6 . =a e*iciencia requerida viene dada por YNO 3=
NKT – NE ( 50 −15 ) = =0.7 NKT 50
Entonces se requiere una e*iciencia de remoci!n del '&C. 3espe4ando r de la ecuaci!n anterior, se tiene
(¿)− R =
1−YNO 3 0,7
( 1−0.7 ) r=
−0.6 =1.73
YNO 3
¿
r =1.73 Qr =1.73∗Q =260 m 3 / h .
Siendo Qr BDN en
el caudal de recirculaci!n del licor mezcla, por lo que debemos regular las
130 m 3
/h
cada una, ya que el sistema de recirculaci!n de licor mezcla es
independiente para cada reactor a di*erencia de la recirculaci!n de lodos.
'
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1.4. Cálculo del Índice Volumétrico de Lodos (IVL) El Dndice olum%trico de =odos " IVL # es un indicador de las características de sedimentabilidad del lodo producido en el tratamiento. El mismo se calcula mediante el cociente entre el resultado del ensayo del 2ono m+o** "tiempo de 0& minutos, en ml$l# y los
SST Reac
"en g$l#.
El índice se expresa en ml$g, y la calidad del lodo se eval6a de acuerdo a la siguiente escala
IVL< 90 ml / g −excelente sedimentailidad 90 < IVL < 150 mL / g −uena sedimentailidad
IVL> 150 mL / g− malascondiciones de sedimentailidad
Ejemplo 3 Sean los siguientes valores 5esultado !ono Imhoff =120 ml / l SST Reac =3000
mg =3.0 g / l L
7ara estos valores, se calcula IVL=
120
2omo el
3
=40 mL / g "
IVL< 90 ml / g , entonces el lodo generado tiene excelentes características de
sedimentabilidad.
)
1.5. Cálculo de la relación !" (alimento!microor#anismos)
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=a relaci!n # / $ constituye un m%todo sencillo y práctico de controlar el proceso de tratamiento, ya que manteniendo este parámetro dentro de los rangos indicados / generados a trav%s de la experiencia /en teoría no debería de +aber inconveniente alguno. =a relaci!n # / $ se expresa en Kg%&O / SSV . 5
7ara el proceso de lodos activados en la modalidad de aireaci!n extendida, como lo es el caso de la 7TA5 2anelones, el rango de variaci!n de este parámetro se sit6a en el orden de 0.05 – 0.15 ! %&O5 "!SSV. En el tratamiento de aguas residuales dom%sticas la carga orgánica a*luente su*re mínimas variaciones diarias y estacionales8 la concentraci!n de
%&O5
en el a*luente es del
orden de 1)< / -0- mg$l 7or tanto, la variable a modi*icar por parte del operador responsable viene dada por la
¿ concentraci!n de SS en el reactor, mediante las operaciones de recirculaci!n " Q R
y
purga de lodos ( Q ' ) . 3e este modo, adoptando una base temporal diaria por razones de practicidad, se puede calcular la carga orgánica a*luente así como los SS promedio existentes en el sistema, calculando así el *actor # / $ para cada día.
Ejemplo $
IT2
Sean los siguientes valores Qm
2audal medio diario
F 1<& m0$+
2oncentraci!n media a*luente
%&O5
F -<& mg$l "tomamos -<& para simpli*icar los
cálculos# SSV Reac
F ;&&& mg$l "; g$l#
olumen total del sistema "reactor an!xico y aerobio# F <&&& m0 "aprox. -<&& m0 cada reactor#. El total de s!lidos suspendidos volátiles "carga de s!lidos suspendidos volátiles# en el sistema !SSV
=
SSV Reac
* Vol del sistema
CSSV = 4000 * 5000 / 1000 = 20.000 Kg SSV =a carga orgánica a*luente diaria %&O5 (por día) CDBO = 150 * 24 * 250 / 1000 = 900 kg
7or tanto, la relaci!n # / $ = 900/20000 = 0.045 kg %&O5 /kgSSV
alor que se encuentra en el límite in*erior del rango especi*icado. Estrictamente, si se considerase solamente los SS "&.'(&.) SST#, el valor de 9$: sería de &.&< (&.1<. 7ara tener un valor de # / $
en el punto medio del rango especi*icado en t%rminos de
SS, es decir de &.1& kgDBO5/kgSSV , la carga de s!lidos del sistema debería ser de CSSV = 900/0.10 = 9000 kgSSV lo cual equivale a una concentraci!n de SSV Reac
= 9000 * 1000 /5000 = 1800 mg/l .
7or tanto, en caso de que el operador desee alcanzar esta condici!n de *uncionamiento deberá reducir la concentraci!n de SST en los reactores, aumentando la purga de lodos y disminuyendo la recirculaci!n
1&
IT2 5especto a la carga orgánica, no +ay que olvidar aquella aportada por los camiones
barom%tricos, la cual puede incrementar la carga orgánica a*luente en el orden de 1& a -
11
IT2
1.#. Cálculo del %olumen de lodo a pur#ar El cálculo del volumen de lodos a purgar se realiza *i4ando la edad del lodo, o tambi%n tiempo de retenci!n celular, que es el tiempo de residencia medio de las bacterias en el sistema. Este valor viene dado por la siguiente expresi!n
V ∗SST Reac
qC F Q (∗SST Sed En donde qC / Tiempo medio de retenci!n celular, igual a -< días de acuerdo a proyecto V / olumen del sistema, igual a <&&& m0 SST Reac
/ S!lidos Suspendidos Totales en los reactores, en mg$l "rango 0&&& a &&&
mg$l# SST Sed
/ S!lidos Suspendidos Totales en el sedimentador, en mg$l "rango )&&& a 1-&&&
mg$l# Q (
/ 2audal diario de purga de lodos
3e la ecuaci!n anterior se deduce que el tiempo medio de retenci!n celular viene dado por el total de SS existentes en el sistema, dividido la tasa de remoci!n de los mismos, igual al producto del caudal de purga
Q (
por la concentraci!n de
SST Sed
. Así, *i4ada la edad
de lodo de acuerdo a los criterios de proyecto, en este caso -< días, y conocidas las variables V ,
SST Reac
y
SST Sed
se despe4a el valor del
Q (
, caudal diario de purga
de lodos. Este procedimiento se detalla en el e4emplo <. Itra *orma de estimar el caudal de purga diario es mediante el *actor 9$:, procurando mantener el mismo constante respecto a cierto valor, y estimando la producci!n observada de lodo en *unci!n de la carga orgánica removida. 7ara este tipo de sistemas, la producci!n de SST ❑ en *unci!n de la carga orgánica removida es del orden de &.; / 1 KgSS/Kg
%&O5
REM, pudi%ndose estimar por tanto la producci!n diaria de lodos.
1-
IT2 7urgar una cantidad de lodos in*erior a la producci!n registrada, conduce a un incremento
de SS "lodos# en el sistema8 por el contrario, purgar un cantidad de lodos superior a la producci!n registrada, conduce a una disminuci!n de lodos en el sistema. Este m%todo es iterativo, en el sentido de que si se asume en primera instancia un valor de producci!n de lodos in*erior al que ocurre realmente, se detectará un incremento en la concentraci!n de SS en el sistema, y viceversa, lo cual se irá a4ustando y puliendo a medida que se gana experiencia en la operaci!n de la planta. Este procedimiento se detalla en el e4emplo . Ejemplo & Sean los siguientes valores SST Reac
F 4000 mg/l (4 g/L)
V / olumen del sistema, igual a 5000 m3 "aprox. 2500 m3 cada reactor#. SST Sed
F 10000 mg/l (10 g/L)
qC F 25 d 3espe4ando el valor de Q '
V ∗ SST Reac
F )! ∗SST Sed F (5000 * 4000)/(25 d * 10000) F80 m3 /d
el caudal de lodo a purgar diariamente del sistema a e*ectos de mantener la edad de lodo indicada y las concentraciones de
SST indicadas.
En caso de que se requiera disminuir o aumentar la concentraci!n de
SST Reac
, se
deberá aumentar o bien disminuir el caudal de purga, respecto del calculado. Estos cambios es importante realizarlos en *orma gradual, por e4emplo en caso de aumentar o disminuir el caudal de purga, +acerlo en un porcenta4e no mayor al -
10
Ejemplo '
IT2
Sean los siguientes valores 2audal medio diario
Qm
F 150 m3/h (42L/s)
2oncentraci!n media a*luente %&O5 F 250 mg/l 2oncentraci!n media e*luente %&O5 SST Reac
F 30 mg/l F 4000 mg/l (4 g/l)
V / olumen del sistema, igual a 5000 m3 "aprox. 2500 m3 cada reactor#. SST Sed
F 10000 mg/l (10 g/l)
9actor # / $ F 0.045 kg %&O5 /kgSS
=a carga orgánica a*luente es !%&O a
F 250 * 150 * 24 / 1000 = 900 kg/d ,
mientras que la carga orgánica e*luente es !%&O e
= 30 * 150 * 24 / 1000 = 108 kg/d .
Así la carga orgánica removida es de !92 kg/d. Asumiendo una producci!n de
SS
de 0.! kgSS/Kg"#$5 removido "valor medio del
rango in*ormado#, la producci!n diaria se sit6a en 554 kgSS/d . (31! % !92 kgSS/d) sería el rango de producci!n diario de lodos#.
7ara el valor de
SST Sed
F 10000 mg/l (10 g/L) , desde donde succionan las bombas
de purga de lodos, el rango de caudales de purga de lodos es de 32 a 79 m3/d . En caso de no realizar la purga calculada, el nuevo valor del *actor resulta # / $ F 900/ (20000 & 554) F0.0438 kg"#$5/kgSS .
2omo se mencionara anteriormente, este proceso es iterativo y se a4usta a medida que se gana experiencia en la operativa de la planta.
1;
IT2
1<
IT2
1.$. Cálculo del caudal de la oma dosiicadora de pol*mero 2omo se mencionara en el capítulo correspondiente, la operaci!n de des+idrataci!n de lodo requiere la coordinaci!n de las bombas dosi*icadoras de polímero, las bombas de purga de lodos y el *iltro de bandas. 2ada uno de estos equipos tiene distinta capacidad de procesamiento o bombeo máxima, por lo cual +abrá un equipo que será el limitante a la +ora de programar la tarea de des+idrataci!n, y condicionará la operaci!n de los restantes equipos involucrados. =a dosis de polímero se encuentra comprendida en el rango de 2.5 -5 kg polím!o / "### kgSS' mientras que las concentraciones de preparaci!n de la soluci!n de polímero se encuentran en el rango de #." $ #.3% &" a 3 kg po! m3' .
1
Ejemplo +
IT2
Sean los siguientes valores Q (
F 80 m3/d "calculado de acuerdo a los puntos anteriores#
Tiempo de operaci!n de des+idrataci!n de lodos F 8 horas 2oncentraci!n de la soluci!n de polímero. c F 0.15 (1.5 kg por m3)
3osis !ptima de polímero % (oli
F 4 kg polímro/1000 kgSS
SST Sed
F 10000 mg/l (10 g/l)
=a carga de s!lidos a purgar es CSS F 80 * 10000/1000 = 800 kgSS/d El caudal de purga, seg6n las ) +oras asignadas a la operaci!n es Q (
F 80 / 8 = 10 m3/h ,
:ientras que la carga +oraria de s!lidos resulta de CSS( = )##/) = )# kgSS/. =a dosis +oraria de polímero a aplicar resulta igual a D+( F 4 * 80/1000 = 0.32 kg polímro /hora . 7ara la concentraci!n de la soluci!n del 0.15, el caudal de soluci!n a aplicar resulta Q% ( oli
F 0.32/0.15 = 213 l/h (3.55 l/m+).
En el caso de la 7TA5 2anelones, las capacidades máximas de los equipos son las siguientes ( Jombas de purga de lodos Q (
F 10.8 m3/h (3l/s)
1'
IT2
( Jombas de dosi*icaci!n de polímero Q% (oli
F ,.! l/m+ (400l/h)
( 9iltro de bandas carga +idráulica C( = 14 m3/h ( valor de proyecto# y carga de s!lidos CSS = 85 kgSS/h "especi*icaci!n de proyecto#, Tomándose la más restrictiva de las dos condiciones. 2omo se puede ver en el e4emplo, los valores obtenidos para una duraci!n de la tarea de purga de lodos de ) +oras no superan las capacidades máximas de los equipos. Si por el contrario, se dispusiera realizar la tarea de purga de lodos en +oras, los valores que se obtienen son los siguientes ( 2arga +oraria de s!lidos resulta de CSS( = 800/, = 133 kgSS/h ( 2audal de purga de lodos "y carga +idráulica del *iltro de bandas# Q (
= 80/, = 13.3 m3/h
( 3osis de polímero D+ol, = 4 * 133/1000 = 0.532 kg polímero $+ora lo cual para una concentraci!n de la soluci!n del &.1
= 0.532/0.15 = 355 l/h (, l/m+)
En este caso, la limitante en la capacidad de procesamiento de lodo viene dada por el caudal de la bomba de purga de lodos " Q (
= 10.8 m3/h#, así como en la carga de
s!lidos al *iltro de bandas "CSS( = 85 kgSS/h #. @o obstante, en este 6ltimo caso, el encargado en base a la experiencia generada durante la operaci!n del equipo determinará el punto de *uncionamiento !ptimo en *unci!n de la calidad del lodo des+idratado.
1)
1.%. Cálculo de la oma dosiicadora de solución de cloruro érrico
IT2
=a dosi*icaci!n de la soluci!n de cloruro *%rrico se realiza en *unci!n de la concentraci!n de *!s*oro "7# a*luente a la planta, la concentraci!n de *!s*oro máxima admisible establecida por pliego, el caudal de entrada y las características de la soluci!n comercial empleada. 7ara las aguas residuales dom%sticas, la concentraci!n de *!s*oro se mantiene aproximadamente constante en el entorno de < a 1& mg$l8 estos valores pueden ser menores en el caso de eventos de lluvia o en %pocas de excesiva in*iltraci!n. 7or su parte, la concentraci!n máxima admisible establecida en el pliego es de 1 mg$l =a dosis de cloruro *%rrico "9e2l0# por de*ecto, en ausencia de valores de laboratorio, será de < veces la concentraci!n de *!s*oro que se desea remover "relaci!n +ierro 9eKK K$*!s*oro igual a <#. =a dosis !ptima se determinará mediante ensayos de laboratorio al líquido residual crudo a*luente a la planta. En el caso de las soluciones de cloruro *%rrico comercial "9e2l0# disponibles en el mercado, las mismas generalmente presentan las siguientes características ( 7ureza en el rango de 0(;-C, esto es 0 a ;-g de 9e2l0 por cada 1&& g de soluci!n. ( 3ensidad de la soluci!n 1.; g$ml "1.; Lg$l#
1
Ejemplo ,
IT2
Sean los siguientes valores 2audal medio diario
Qm
F 150 m3/h (42l/s)
2oncentraci!n a*luente de - = 9 mg/l 2oncentraci!n e*luente admisible de - F 1 mg$l 3ensidad de soluci!n de cloruro *%rrico 1.; g$= "1.;g$ml# 7ureza de la soluci!n de cloruro *%rrico ;&C 5elaci!n de dosi*icaci!n Mierro $ 9!s*oro "9e$7# igual a < 2audal máximo de la bomba dosi*icadora H F 1' l$+ =a concentraci!n de - a remover - .E" F / 1 F ) mg$l. =a dosis de cloruro *%rrico "puro# a aplicar es /osis eCl F 8 * 5 = 40 mg/l agua residual. =a dosis de soluci!n de eCl3 al ;&C a aplicar es /osis0olución F 40 / 40% = 100 mg/l "&.1 g soluci!n$l agua residual#, El volumen de la misma V 0olución F 0.1/1.4 = 0.0715 ml soluci!n$l agua residual. El caudal de soluci!n a dosi*icar resulta Q% #e!l 3
F $2 l!s +1& 3' 4 1, l!5
El caudal como porcenta4e del caudal máximo de la bomba dosi*icadora resulta por tanto *Q F 1,!1+1 4 '3&6
-&
