Biodiscos y CBR

TECNOLOGÍAS NO CONVENCIONALES

6.- BIODISCOS Y CBR (CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS)

Consiste en una serie de discos, los cuales suelen tener 3 m de diámetro y 1.5 m de espesor que giran en torno a un eje horizontal con separaciones de 20-25 mm. El eje se sitúa dentro de un recipiente lleno de agua, de forma que la parte sumergida de los discos sea de un 40%, de manera que cuando este en funcionamiento y empiece a rotar queden expuestos sucesivamente al aire y al agua residual. Los discos giran lentamente entre 1-4 rpm. Sobre el soporte se ira formando una película biomasa bacteriana, que cuando se encuentre expuesta al aire tomara oxigeno, y cuando se encuentre sumergida cogerá cogerá nutrientes del agua residual. Se estima estima que el el 95% de la biomasa activa que esta en el sistema se halla adherida, y el resto se encuentra en suspensión. El espesor de la película oscila entre 0.2 y 3 mm, dependiendo de la concentración de sustratos, si esta es baja o alta respectivamente. El crecimiento de biopelícula continua hasta que llega un momento en que no llega oxígeno a las capas mas profundas, entonces se produce el desprendimiento de la capa bacteriana, quedando un lodo en suspensión que se extrae mediante clarificadores secundarios. Después del desprendimiento comenzara la formación de una nueva película. Así indefinidamente. El agua de los CBR tiene que cumplir unos requisitos, 1- No debe contener contener grasas ni ni SS para lo cual cual debe pasar previamente por un pretratamiento y una decantación primaria. 2- Tampoco puede contener elementos tóxicos o inhibidores de los procesos biológicos. 3- La contaminación contaminación tiene tiene que ser biodegradable. biodegradable. I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 177


Entre las ventajas e inconvenientes de los CBR hay que destacar las siguientes: Ventajas: -No requiere personal especializado para el mantenimiento que controle las constantes del proceso. -No es necesario controlar el oxígeno disuelto en el depósito de tratamiento, ni la concentración del licor de mezcla. -El nivel de ruidos es bajo. -No existen olores ni aerosoles. -Las dimensiones de los depósitos de oxidación son menores que los utilizados por otros procesos, y debido a esto, los costes de instalación se abaratan considerablemente. -El rendimiento del proceso es más estable en épocas frías debido al hecho de permanecer cubiertos los tanques. -El consumo energético es muy reducido y a igualdad de resultados, comparado con un sistema de fangos activos, el consumo resulta ser la tercera parte. -Sencillez de funcionamiento. -Buena respuesta ante tóxicos. -No es necesario la recirculación de fangos del decantador secundario a la zona biológica. Inconvenientes: -Alto gasto de inversión inicial. -Necesidad de material soporte inicial.

DISEÑO DE BIODISCOS Para el diseño de biodiscos se pueden tener en cuenta los siguientes modelos: a)

SHULZE:

dS/dt = -K`S; S/S0=10-k`



log(S/S0)=-K.(A/Q)



donde: I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 178


K: ( m-2.m3.d-1) constante de Schulze. A: Superficie total del soporte. Q: Caudal tratado en ( m 3.d-1 ) S0 Carga del agua a tratar ( mg DBO.l -1 ) b)

KORNEGAY Y ANDREWS: Q ( S0 – S 1 ) = C.A.(S 1 / ( K S + S 1 ))

donde: C = La capacidad máxima de depuración (g DBO.m -2.d-1) KS = Constante de saturación del biofilm ( mg DBO.l -1) c)

ECKENFELDER: Q/A(S0 – S 1) = K.S1

donde: K: Constante de conética del modelo de Eckenfelder. d)

PÖPEL: A=(0.022Q(S0 – S i)1.4) / Si0.4

donde: S0: Carga de DBO inicial (g/m 3). Si: Carga de DBO en el efluente deetapa i (g/m3). A: Superficie (m2), Q: Caudal (m3/día). e)

HANSFORD: S=QS0/ (Q+Q0(1+b11+b12/(1+K1))+KL AS(K1/(K1+1)))

donde: K1: Constante adimensional del modelo de Hansford. AS: Superficie sumergida (m2). KL: Coeficiente de transportes líquido/biofilm (m.d -1) b11 y b 12 : Elementos de la matriz para valorar la evolución de la DBO con el giro del tambor. PREDISEÑO:

I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 179


A nivel de anteproyecto puede dimensionarse el sistema en función de la carga orgánica y carga hidráulica. Son valores medios: - Carga orgánica entre 0.03 – 0.15 kg DBO u/m 2.d. considerando la

superficie total. - Carga hidráulica 0.2 m 3/m2.d - Tiempo de retención > 0.5 h por etapa. ; > 1.5 – 3.0 h. en total.

En el cálculo de los biodiscos y biocilindros se emplea el parámetro de la (SDBO), o DBO soluble, como base de la formación de la película biológica en biodiscos y biocilindros. La DBO no soluble se elimina en el decantador primario y en los flóculos formados en el reactor biológico y eliminados en la decantación secundaria. Se considera como (SDBO) la DBO no eliminable por filtración. Normalmente para aguas urbanas las aguas de entrada tienen una (SDBO) del orden del 35-40% de la DBO y las aguas decantadas un 50-55% de la DBO. Los biodiscos pueden utilizarse igualmente para la eliminación de nitrógeno, precisándose primero una reducción de la DBO a valores inferiores a 30 mg/l, precisando igualmente 7.14 mg de alcalinidad por cada mg de Nitrógeno amoniacal eliminado. El incremento de lodo producido en el reactor biológico debido a la utilización del substrato, puede considerarse como SS = 0.96 ((SDBO) E – (SDBO)S). Cuando exista la posibilidad de vertidos industriales, deberá tenerse en cuenta las substancias que puedan inhibir el proceso. Así habrá que considerar los valores de las siguientes tablas. SUSTANCIAS INHIBIDORAS Sustancias que pueden inhibir la reducción de la DBO Amoniaco Cobre Mercurio Arsénico Cianuros Niquel Boro Hierro Plata Cadmio Plomo Cinc Cromo(tri o texa) Magneso Fenoles



SUSTANCIAS INHIBIDORAS DE NITRIFICACIÓN Concentración de sustancias que pueden inhibir la nitrificación Substancia mg/l Substancia mg/l Cromo(hexal) 0.2 Niquel 0.025 Cobre 0.05 Sulfatos 500.0 Cianuros 0.3 Cinc 0.1 Plomo 0.5 Fenol 5.0 Magnesio 50.0 2-dinitro Fenol 150.0

Como consideraciones generales para el dimensionado, deberá intentarse regular los caudales y las cargas, buscando una situación de funcionamiento con valores medios, lo que permitirá reducir las dimensiones de la depuradora. La carga orgánica se puede basar también sobre el caudal medio diario, a menos que la relación entre la punta y la media sea superior a 2.5, o se mantengan por periodos superiores a las dos horas. DIMENSIONADO DE LOS BIODISCOS De la ecuación de conservación del sustrato, en condiciones de régimen, se tiene: Q.S=QS0-RC.A donde: Q = Caudal del proyecto (m 3/d) S0= Concentración del sustrato en entrada (mg/l) S= Concentración del sustrato en salida (mg/l) Rc= Sustrato específico consumido (g/m 2.d) A= Superficie de los rotores (m2) a)

Tratamiento para eliminación de DBO:

Siendo en la expresión anterior: S 0=(SDBO5)E en entrada S=(SDBO 5)S en salida Se tiene: A=(Q(S0-S).Tc.P)/Rc



Donde se han incorporado dos factores: - Para tener en cuenta la repercusión de la temperatura se ha

introducido un factor Tc. - Para tener en cuenta el estado de aireación de las aguas residuales, se introduce un factor P.

Para calcular Rc, (g/m2.d) de (SDBO5) eliminado, en el caso de aguas urbanas domésticas o similares, se utiliza la ecuación de Monod. Así se tiene: Rc = 19.4.S/(15.1+S) Siendo S la (SDBO5)S Con otro tipos de aguas será necesario hallar la cinética de la reacción mediante pruebas de laboratorio. Para el cálculo de T cs e puede considerar la siguiente ecuación: Tc = 1.0537 (12.7-T) Válida para temperaturas a los 12.7ºC. Para temperaturas iguales o superiores los 12.7ºC, Tc=1 siendo T la temperatura en ºC. Para el cálculo de P se toma: P=1; para aguas no tratadas previamente o pretratadas aeróbicamente. P=1.5; para aguas tratadas anaeróbicamente (fosas sépticas). En los procesos por biodisco o biocilindro convendría establecer cuatro fases, colocando módulos diferenciados o tabicando. Es conveniente en consecuencia prever una distribución en etapas. A la primera etapa podrá aplicarse una carga específica inferior a 24.4 g/m 2.d .A la segunda etapa podrá aplicarse una carga específica inferior a 12.4 g/m 2.d, teniendo presente que la eliminación durante la primera etapa se puede calcular aproximadamente en el 60% de la /SDBO5)E. b)

Eliminación de la DBO y nitrógeno amoniacal:

Entrando en la ecuación de conservación, se tiene: Q.S = Q.S 0 – R N.AN S 0 = (NH 4+)E S = (NH4+)S



Se tiene: AN = (Q(S 0-S).TN)/RN Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce un factor TN. Para el cálculo de R N, (g/m2.d) del NH4+ eliminado se utiliza una fórmula que tiene en cuenta la cinética que depende de (NH 4+)E y de (NH 4+)S RN = (NH 4+)S.(NH4+)E / ( (NH 4+)E+(NH4+)S+0.05(NH4+)E(NH4+)S) Para el cálculo de T N se utiliza la fórmula siguiente: TN = 0.7.T/(T-4.13) Válida para valores de T (en ºC) inferiores a 12.7ºC; para valores de T iguales o superiores a 12.7ºC , T N es igual a 1. La superficie AN así determinada, es complementaria de la superficie necesaria para reducir la (SDBO5)S a un valor inferior a 15 mg/l. La superficie total necesaria para la eliminación de DBO y del nitrógeno amoniacal será: Atot = A + A N En el tratamiento del nitrógeno es interesante subdividir A T en etapas, con un mínimo de cuatro. c)

Desnitrificación:

Sustituyendo en la ecuación de conservación: Q.S = Q.S0 – R D.AD

donde S0 = (NO 3 – N) E S = (NO3 – N) S Se tiene: AD = (Q(S 0-S).TD)/RD



Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce un factor TD. La carga específica R D (g/m 2) de NO3 – N eliminado depende del número de reciclados realizados. Siendo: M=QR/Q= relación entre el caudal reciclado y el caudal afluente.

Se calcula: RD = (M 0.4 / (M+1) 2).((SDBO)E-2.4.E.(NO3-N)E+M.(SDBO)S) Donde: E = ((NO3-N)E-(NO3-N)S / (NO3-N)E Se puede observar que el valor R D presenta un máximo, a igualdad de otras condiciones, para un determinado valor de M. Para el cálculo de T D se utilizará la fórmula siguiente: TD = 1.06( 15 – T ) Obsérvese que cada mg/l de (NO 3 – N ) supone la eliminación de 2.4 mg/l de (SDBO5), en la etapa de desnitrificación puesta en cabeza de la etapa de oxidación. Ejemplo 1:

Proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas buscando sólo reducción de la DBO. -

Datos del influente;

Pretratado con lejia fina. Habitantes DBO5 SS Temperatura mínima Caudal medio Q m Caudal punta Q p,horaria TKN -

10000 60 g/hab.d 75 g/hab.d 11.5 ºC 2000 m 3/h 125 m3/h 12 g/hab.d

Datos del efluente:



(DBO5)S (SS)S -

< 40 mg/l < 80 mg/l

Cálculo:

(DBO5)E = 300 mg/l (SS)E = 375 mg/l (SDBO)E = 0.35 (DBOS) E = 105 mg/l (SDBO)S = 0.50 (DBOS)S = 20 mg/l Rc = 11.05 g/m 2. d P=1 A = ( 2000(105-20)x1.06x1) / 11.05 = 16.307 m2 A 1ª etapa = ( 2000x105x0.6x1.06 ) / 24.4 = 9123 m2 A 2ª etapa = ( 2000x105x0.35x1.06) / 12.2 = 6386 m2 Ejemplo 2:

Proyecto de una planta para el tratamiento de aguas residuales urbanas con reducción de DBO 5 y nitrificación. -

Datos del influente:

Igual al ejemplo 1. -

Datos del efluente:

BOD5 < 40 mg/l NH4+ < 15 mg/l -

Cálculos:

Nitrógeno orgánico 4 g/hab.d (NH4+)E= (0.667x12x18x10000) / 14x2000 = 51.45 mg/l. T c = 1.06 R c15 = 9.66 g/m3x d Ac – 15 = (2000(105-15)x1.06x1) / 9.66 = 19751 m

2

RN = (15 x 51.45) / ( 2(15+51.45+0.05 x 15 x 51.45)) = 3.67 g/m 2.d TN = 0.7 x 11.5 / (11.5 – 4.13)



AN = (2000(51.45 – 15) x 1.09) / 3.67 = 21651 m 2 AT = A C – 15 + AN = 41402 m 2 -

Subdivisión en etapas: (2000 x 105 x 1.06) / 24.4 = 9122 m2

1ª etapa

2ª etapa (2000 x 0.35 x 105 x 1.06) / 12.2 = 6386 m2 Se podrán hallar después las otras 3 etapas : 3ª etapa:

S = 6967 m2

4ª etapa:

S = 8128 m2 S = 10451 m2

5ª etapa Ejemplo 3:

Se requiere desnitrificar el efluente del ejemplo anterior hasta alcanzar en la salida 20 mg/l de (NO 3 – N), con fase de desnitrificación puesta en la cabeza de la fase de oxidación. -

Efluente a la desnitrificación:

(SDBO)E = 105 mg/l (SDBO)S = 5.32 mg/l (NO3 – N ) = 27.57 mg/l T = 11.5 ºC Se establece que R D es máximo para M = 1.25 Por lo tanto: RD = 0.4 x 1.25 / (1.25+1)2 = (105-2.4x0.275+1.25x5.32) = 9.23 g/m 2.d TD = 1.226 Por lo tanto: AD = (2000(27.57-20)1.226) / 9.23 = 2.011 m 2

PARAMETROS DE CONTROL I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 186


Existen unos parámetros de control y d diseño del agua residual que dependiendo de su valor se aplicará una tecnología u otra. Estos son DBO, DQO, SS, SSV, pH, NT y P T. -D.B.O5. (Demanda bioquímica del oxígeno): Mide la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar ese agua residual en un periodo normalizado de 5 días. Cuanto más alto es el valor peor calidad tiene el agua. -D.Q.O. (Demanda Química de Oxígeno): Es el oxígeno equivalente necesario para estabilizar la contaminación que tiene el agua, pero para ello se emplean oxidantes químicos enérgicos. -Sólidos en suspensión o materias en suspensión: Corresponden a las materias sólidas de tamaño superior a 1 µm independientemente de que su naturaleza sea orgánica o inorgánica. Gran parte de estos sólidos son atraídos por la gravedad terrestre en periodos cortos de tiempo por lo que son fácilmente separables del agua residual cuando ésta se mantiene en estanques que tengan elevado tiempo de retención del agua residual. -PH: El pH del agua afecta la solubilidad de los metales y pueden alterar el equilibrio del suelo. -Nitrógeno. Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residual son las amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos. -Fósforo: bien como fósforo total, bien como ortofosfato disuelto. En el caso de los contactores biológicos, los parámetros que debemos controlar son, -Temperatura. El rendimiento de este sistema aumenta al aumentar la temperatura. Sobre la superficie del disco existe una capa líquida muy fina que es muy propensa a congelarse en caso de temperaturas extremas. -Carga orgánica. Una sobrecarga de en la primera etapa provocaría: una oxigenación insuficiente, colapso en el eje, un crecimiento excesivo de la película biológica, lo que produciría malos olores, bajo rendimiento del proceso. -Concentraciones de ácido sulfhídrico. Si las concentraciones de ácido sulfhídrico son elevadas conviene hacer una preareación o precloración para reducir la demanda de O 2 y prevenir el desarrollo de organismos sulforreductores. -O2 disuelto. La ausencia de oxígeno anaerobias y malos olores.

daría lugar a condiciones

-pH. Debe de estar entre 6,5 y 8,5. Para conseguir una nitrificación el pH debe aproximarse a 8,4. I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 187


-Alcalinidad. Si se desea una nitrificación los valores deben ser siete veces superior a la concentración de amoniaco en el influente. -Precipitaciones. La lluvia produce un desprendimiento de la película biológica. Por ello, es importante aislar el sistema del exterior. Ventilación. Es un factor muy importante que se debe controlar en caso de que el sistema este aislado del exterior. En la siguiente tabla recogemos las variables que deben analizarse, su frecuencia, localización y los valores normales.

Análisis O2 disuelto

Frecuencia diaria

Valoración normal Variable

Diaria

Localización En todas las etapas Influente

Sólidos suspensión PH Temperatura DBO5 Cloro residual

Diaria Diaria semanal Diaria

Influente Influente Influente Efluente

6,5-8,5 >10°C 150-400 mg/l 0,5-3 mg/l

0,2-6 mg/l

RENDIMIENTOS DE LA DEPURACIÓN En la siguiente tabla se muestran los rendimientos medios obtenidos en los contactores biológicos rotatorios. Tabla. Rendimientos de depuración en los contactores biológicos rotatorios. Parámetros Sólidos en suspensión DBO5 DQO Nitrógeno total Fósforo total

Rendimiento, % 75-95 80-90 70-85 30-75 10-30

Dos factores que hay que tener en cuenta, ya que nos pueden variar considerablemente los valores de rendimiento de los CBR, son “la política de tormentas” y la “colmatación”. -Política de tormenta. Como hemos dicho anteriormente, la lluvia es un problema para los biodiscos, ya que produciría un desprendimiento de la I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 188


película biológica, y por tanto un rendimiento mucho más bajo. La solución a esto es aislar el biodisco del exterior. -Colmatación. Se produce cuando hay una sobrecarga de materia orgánica. Para este problema se realiza un by-pass de parte del agua residual, evitando que se colapse el sistema.

ANOMALIAS: PROBLEMAS Y SOLUCIONES. Los problemas más comunes con los que nos podemos encontrar son, P érdida de biomasa. esarrollo de biomasa blanca. ■D ■ Disminución de la eficacia de la depuradora. ■

Pérdida de biomasa Causas: -Esto es normal si ocurre durante las dos primeras semanas de puesta en marcha, es decir, al iniciar la operación. -En funcionamiento normal, puede ser debido a sustancia tóxicas o inhibidoras.

la presencia de

Solución: -Para la presencia de sustancias tóxicas en el agua residual, lavar rápidamente el CBR para permitir la recuperación natural de la biomasa. Desarrollo de biomasa rápida. Causas: -Aguas residuales sépticas en la entrada de la EDAR. -Altas concentraciones de ácido sulfhídrico(H 2S). Soluciones: -Controlar vertidos industriales con alta concentraciones de ácido sulfhídrico. -Restablecimiento de las condiciones aerobias, para que las bacterias encargadas de la depuración prevalezcan sobre los microorganismos blancos. Disminución de la eficacia de la depuradora. I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 189


Causas: -Disminución de la temperatura del agua residual. Por debajo de 10°C, se produce una reducción de la actividad biológica. -Variaciones grandes de caudal o carga orgánica. -Alteraciones del pH y alcalinidad. -Acumulación de sólidos en los discos. Si la eliminación previa de los sólidos en suspensión no es la adecuada, puede bloquear el paso del agua residual en la biopelícula y provocar el desarrollo de malos olores. Soluciones: -Mantener los CBR protegidos de la intemperie (se les suele colocar una cubierta). -Si el caudal o la carga orgánica son pequeñas, recircular el agua para evitar la pérdida de biomasa. -Si el caudal o la carga orgánica son grandes, realizar un by-pass de parte del agua residual de entrada, para que no se colapse el sistema. -Para evitar el desequilibrio de la biomasa del disco, aumentar la velocidad de giro o aplicar una aireación suplementaria. Si estas medidas no son suficientes se tendrá que parar el sistema y volverlo a poner en marcha.

MANTENIMIENTO DE LOS CBR Para un buen mantenimiento de los CBR, es fundamental que empiece a funcionar bien desde el principio, por lo que la puesta en marcha de sistema es muy importante ejecutarla correctamente. Puesta en marcha de los CBR Lo primero de todo es estudiarse las instrucciones del manual de operaciones y mantenimiento. En los primeros días de funcionamiento, la biopelícula es muy débil, por lo que el sistema no funcionará adecuadamente, por ello se recomienda una recirculación de las aguas residuales, dicha recirculación irá disminuyendo a medida que va aumentando la biomasa adherida a los discos, aumentando a su vez el caudal a depurar. El proceso de puesta en marcha abarca: 1- El crecimiento progresivo de una biopelícula. Al aumentar la biomasa aumenta el grado de depuración, hasta que se consigue los resultados operacionales previstos para la carga hidráulica y orgánica. 2- Al cabo de las 24 horas empezará la formación de la biomasa y al cabo de las 48 horas será visible al ojo humano. El crecimiento pleno se alcanzará en el plazo de tres semanas para temperaturas altas y de unas ocho semanas para temperaturas bajas. I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA 190


3- Los discos deben girar inmediatamente una vez que se llene el depósito, para evitar el desequilibrio en el crecimiento de la biomasa. 4Deben eliminarse de las aguas residuales los objetos extraños, flotantes o no, antes de su entrada en el depósito, para evitar daños en los discos y atascos en las canalizaciones. Control del proceso de funcionamiento. 1-Control visual diario. Existen numerosos indicadores que nos permiten conocer el funcionamiento del CBR. Por ello, el operario, realizará un paseo diario por la planta, a la misma hora preferiblemente, en el cual, hará una serie de observaciones, por las cuales, sabremos si todo marcha correctamente. Se tomará nota de: -Pérdida brusca de la biopelícula. -Acumulación de materia en los biodiscos, que pueden bloquear el paso del aire y provocar condiciones anaerobias en el interior. -Formación de espumas en el tanque de los biodiscos, que indican la presencia de altas concentraciones de detergentes que producirían una mala depuración. 2- Control analítico. Tanto del efluente como del influente, es necesario realizar una serie de análisis químicos, con ellos sabremos el rendimiento diario del CBR. Es importante controlar el caudal, ya que afecta a las cargas hidráulicas y orgánicas, determinando el tiempo de retención del agua residual en los reactores. Para un correcto funcionamiento, se tendrá que controlar la concentración de oxígeno disuelto. Los valores típicos son de 0,5 a 1 mg/L en la primera etapa y de 1 a 3 mg/L en la última etapa. El color de la biomasa nos indica el correcto funcionamiento, siendo de color marrón- grisáceo en la primera etapa de la biodegradación carbonácea (mayor crecimiento de la biomasa) y parduzco en la etapa de nitrificación (menor crecimiento de la misma). Otra forma de seguimiento del proceso es la observación de la microbiología. El cultivo de la biomasa sana da un color marrón gris, sino estuviese sana el color sería gris oscuro, negro o blanco.




Biodiscos y CBR

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