TEMA31-Lechos bacterianos

INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL

TEMA31-rev191098-ajb.doc

TEMA 31 LECHOS BACTERIANOS 31.1.- INTRODUCCIÓN. 31.2.- TEORÍA DE LA OPERACIÓN DE UN LECHO BACTERIANO. 31.2.1.- Clasificación según el objetivo de la depuración. 31.3.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 31.3.1.- Medio soporte. 31.3.2.- Depósito. 31.3.3.- Alimentación de agua residual. 31.3.4.- Salida de agua residual. 31.3.5.- Ventilación. 31.4.- CRÍTICA HISTÓRICA Y NUEVO ENFOQUE. 31.4.1.- Dosificación del agua residual. 31.4.2.- Ventilación forzada. 31.5.- DISEÑO DEL PROCESO PARA ELIMINACIÓN DE DBO5. 31.5.1.- Análisis teórico del funcionamiento: fórmula de Tejero. 31.5.2.- Otras fórmulas de diseño. 31.5.3.- Criterios de diseño de la WEF-ASCE.

31.1.- INTRODUCCIÓN El proceso de lecho bacteriano es el sistema clásico de los de cultivo fijado a soporte. Se les denomina también filtros percoladores, filtros de goteo o filtros de escurrimiento. En los primeros libros técnicos de Ingeniería Sanitaria, como el escrito por D. Antonio Sornier (1919), a los lechos bacterianos se les denominó "filtros coladores".

"Filtro colador" de principios de siglo

I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome/J. Temprano

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31.2.- TEORÍA DE LA OPERACIÓN DE UN LECHO BACTERIANO El reactor de un proceso de lechos bacterianos es aerobio de cultivo fijado a un medio soporte: un reactor biopelícula. El agua residual decantada o tamizada atravieza el lecho que forma el medio soporte, sin llegar a inundarlo, dejando aire en los intersticios o huecos del medio. La superficie del soporte rápidamente es recubierta con una sustancia viscosa y pegajosa, la biopelícula, que contiene bacterias y otra biota. La biota elimina la materia orgánica por adsorción y asimilación de los componentes solubles y en suspensión. El proceso depende de la oxidación bioquímica de una parte de la materia orgánica del agua residual a CO2 y agua. La materia orgánica remanente es transformada en nueva biomasa. Para el metabolismo aerobio, el oxígeno puede suministrarse mediante aireación natural o forzada. La transferencia de oxígeno es directa o por difusión desde la capa líquida adyacente a la biopelícula. AGUA RESIDUAL

Biopelícula Agua (Materia Orgánica)

Soporte

Aire

AGUA TRATADA + EXCESO BIOMASA

Esquema funcional de un lecho bacteriano

Después del arranque del proceso, debido a la actividad microbiana puede formarse una zona anaerobia en la biopelícula junto al medio soporte. Esto puede llevar al crecimiento de microorganismos facultativos y posiblemente anaerobios, especialmente si la acumulación de biomasa es excesiva. Sin embargo, los organismos aerobios superficiales sustentan el mecanismo básico de eliminación orgánica. Las funciones propias de la anaerobiosis, hidrólisis y producción de gas, son mínimas o ausentes si la operación del lecho es adecuada. La cantidad de biomasa producida es controlada por la disponibilidad de alimento. La biopelícula crece en función de la carga orgánica y de la concentración del agua residual, hasta alcanzar un espesor efectivo máximo. Este espesor máximo es controlado por factores físicos, tales como la carga hidráulica, el tipo de material soporte, el tipo de materia orgánica, la cantidad de nutrientes esenciales presentes, la temperatura y la naturaleza del crecimiento biológico. Durante la operación del filtro, se desprende biopelícula, de forma intermitente o continua. Los desprendimientos, continuos o periódicos, se miden como SS del efluente del lecho, y dan una indicación de si la operación del lecho es adecuada.

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En las plantas de lechos bacterianos, a menudo encontraremos moscas y babosas o caracoles. Las moscas pueden evitarse o controlarse diseñando los lechos para permitir su inundación, lo cual es una forma simple para que un operador controle la proliferación de estos insectos indeseables. También, reduciendo la frecuencia en la dosificación se puede controlar estos organismos molestos e incluso evitar malos olores. Una población excesiva de caracoles, puede causar problemas en los bombeos, y en otros equipos tanto en la línea de agua como de fangos. Para su control, se puede usar un canal de baja velocidad entre el lecho bacteriano y el decantador secundario, con un by-pass para permitir la limpieza de los caracoles que se recojan. La decantación primaria se requiere previo a un lecho de piedra para minimizar los problemas de atascamiento. Sin embargo, pueden no ser necesarios en plantas con lechos de material plástico corrugado que ofrece un índice de huecos bastante elevado, para los que suele ser suficiente un desbaste fino o un buen tamizado de partículas mayores o iguales a 3 mm. Una sedimentación final adecuada es necesaria para eliminar la biopelícula desprendida de los lechos. Se suele utilizar la recirculación del efluente del lecho como una herramienta operacional que mejora la eficiencia del tratamiento. Uno de sus objetivos es conseguir una buena humectación del lecho, manteniendo una capacidad máxima de tratamiento. También, puede servir para conseguir un cortante hidráulico que controle el crecimiento excesivo del espesor de biopelícula, reduciendo el problema de atascamiento asociado.

Lecho bacteriano o filtro percolador

En los primeros lechos bacterianos el medio soporte estaba constituído por piedras; éstas, con el tiempo se han llegado a sustituir por material plástico con diferentes


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configuraciones que han permitido construir lechos bacterianos de gran altura, a los que se denomina torres biológicas o biotorres.

Torres biológicas o biotorres

Los huecos del lecho bacteriano pueden llegar a taponarse bien por un excesivo crecimiento de la biopelícula o debido a la acumulación de trozos de biopelícula arrastrados por el agua circulante tras los desprendimientos masivos de la misma. Este fenómeno condiciona el diseño de los lechos bacterianos, bien a través de la configuración geométrica del soporte y del lecho o a través de la limitación de las variables funcionales del sistema. 31.2.1.- CLASIFICACIÓN SEGÚN EL OBJETIVO DE LA DEPURACIÓN Los lechos bacterianos, según el objetivo de depuración, se pueden clasificar en: Lechos de desbaste para alcanzar de un 50 al 75 % de eliminación de DBO5

soluble, y de un 30 al 45 % de oxidación de la DBO5 total (la soluble más la debida a los sólidos en suspensión del efluente decantado). Lechos de tratamiento completo que producen el efluente clarificado

requerido en cuanto a DBO5 total y SST. Lechos de eliminación combinada o conjunta de DBO5 y de DNO (demanda

nitrogenada de oxígeno) que consiguen el efluente decantado requerido en cuanto a DBO5 y N-NH4+. Lechos de nitrificación terciaria, que a partir de un efluente secundario,

consiguen el efluente requerido en cuanto a N-NH4+.

Para el diseño de la nitrificación, combinada o terciaria, se debe tener en cuenta la concentración afluente de NTK (no sólo el amonio) y el N-NH4+ efluente.

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31.3.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Los elementos principales del proceso se pueden describir de la siguiente forma:

El reactor biológico, o lecho bacteriano propiamente dicho, con su correspondiente sistema de alimentación de agua residual y su sistema de ventilación, natural o forzada.

El decantador secundario, con la correspondiente extracción de fangos producidos (exceso de biomasa) o biopelícula desprendida.

La recirculación de agua al reactor.

M

Agua Residual.

(opc.)

REACTOR BIOLÓGICO

Ventilación Forzada (opc.)

Bombeo Recirculación Agua

DECANTADOR SECUNDARIO

Agua Tratada

Producción de Fangos. (Exceso biomasa) Esquema general de un proceso de lechos bacterianos

A continuación se analizan cada una de las partes del reactor biológico. 31.3.1.- Medio soporte Los dos principales materiales utilizados como medio soporte han sido: a) Piedras, con tamaño entre 25 y 100 mm y de diferentes materiales (silíceo, puzolanas, coque, escoria, rocas volcánicas, etc.). Se tiende a colocar material poroso. b) Material plástico con diferentes configuraciones, bien como piezas sueltas rellenando el reactor de forma aleatoria o mediante módulos laminares estructurados ordenadamente para formar el lecho. Las principales características o variables del medio soporte son:


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La superficie específica: es la superficie del medio soporte expuesta por unidad de volumen de lecho; podría llegar a maximizar la superficie de 2 3 biopelícula (m /m ) y por lo tanto la biomasa en el sistema.

El índice de huecos: el índice de huecos, o porcentaje (en volumen) de espacio vacío o de huecos del lecho en relación al volumen total del lecho, da idea del volumen disponible para la biopelícula o biomasa, el agua que escurre y el aire necesario para la oxigenación. El medio soporte ideal debería de disponer de la máxima superficie específica, con el máximo índice de huecos. Valores típicos se indican en la tabla adjunta. Si se analiza el material granular como medio soporte, puede verse que cuanto más pequeño sea mayor será la superficie específica pero también más pequeñas serán las dimensiones de los huecos intersticiales, por lo que más fácilmente se colmatará al crecer la biopelícula. Este último problema se puede evitar aumentando el tamaño de los gránulos, pero con ello, también se consigue disminuir la superficie específica. Así, los límites máximos de tamaños viables están entre 25 y 100 mm.

Es importante destacar que la superficie específica del medio soporte no necesariamente coincide con la superficie específica de película. En general, medios soportes de gran superficie específica producen superficies de biopelícula entre 88 y 2 3 105 m /m para procesos de eliminación de DBO5 y de DBO5 combinada con demanda 2 3 nitrogenada de oxígeno, y entre 135 y 150 m /m en procesos de nitrificación terciaria. En general, cuanto mayor es la carga orgánica aplicada mayores tienen que ser las dimensiones de los huecos o intersticios dado que las biopelículas que se producirán tendrán mayores espesores. Características de los medios soporte para lechos bacterianos. TIPO DE MEDIO SOPORTE

TAMAÑO cm

DENSIDAD Kg/m3

SUPERFICIE ESPECÍFICA m2/m3

GRAVA

5 -10 2.5 - 7.5

1440 1600

40 60

ÍNDICE DE HUECOS % 60 50

Varía Varía

32 - 64 48 - 80

85 - 110 130 - 140

> 95 > 94

C, CN, N N

60x60x120 60x60x120

32 - 80 64 - 96

85 - 110 130 - 140

> 95 > 94

C, CN, N N

PLÁSTICO: PIEZAS DESORDENADAS PLÁSTICO: MÓDULOS ORDENADOS

APLICACIÓN C, CN, NCN, N

C: Eliminación de DBO carbonosa, DBO (C). N: Nitrificación terciaria. Eliminación de DBO (N). CN: Eliminación de DBO (C) y DBO (N).

La configuración del lecho debe de ser de tal manera que permita la fácil evacuación de la biopelícula desprendida. En este sentido, se considera que los módulos ordenados de flujo vertical son mejores para lechos bacterianos de desbaste que los de flujo cruzado o inclinado. En el otro extremo, cuando se pretende hacer aplicaciones en el campo de la nitrificación, las cargas serán bajas y los espesores de biopelícula pequeños, con lo que se pueden utilizar medios soportes de mayor superficie específica y menores dimensiones de los huecos (mayor índice de huecos).

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Medios de plástico para lechos bacterianos

Disposición de medio soporte inclinado a 60º en depósito

31.3.2.- Depósito La función principal del depósito es la contención del medio soporte para formar así el lecho. El lecho bacteriano debe funcionar aireado y no saturado de agua, por lo que las paredes del depósito no necesitarían resistir el empuje del agua, sino solamente el empuje del medio soporte recubierto de biopelícula. Ahora bien, debido a posibles fallos operacionales, sobre todo en el caso de lechos de piedra de media carga, e incluso para posibilitar ciertas estrategias de explotación, basadas en la inundación del lecho, es conveniente considerar dichos empujes en su diseño. En principio, el depósito puede ir abierto en la parte superior, si bien, puede cubrirse con estructuras ligeras para la protección frente a las inclemencias del tiempo, aislamiento térmico, ventilación forzada, control de olores, etc. La forma en planta más utilizada es la circular, dada su adaptación a los sistemas de alimentación de agua. No se utilizan diámetros superiores a 60 metros. Se han utilizado también lechos bacterianos de planta cuadrada o rectangular, más típicas de sistemas con medio soporte de módulos laminares ordenados.


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31.3.3.- Alimentación del agua residual El sistema de alimentación de agua residual debe garantizar la distribución uniforme del caudal en toda la superficie del lecho, así como un caudal suficiente de escurrimiento o percolación para arrastrar las porciones de biopelícula erosionadas o desprendidas. El distribuir de forma uniforme y continua el caudal de agua residual en una superficie dada, puede ser fácil si el caudal es muy grande en comparación con la superficie, pero cuando éste no es el caso, como ocurre en los lechos bacterianos, se puede resolver el problema bien aumentando el caudal artificialmente (por ejemplo recirculando efluente ya tratado) o bien aplicándolo de forma intermitente con lo que se consigue también aumentar el caudal instantáneo en el momento de la aplicación. Existen fundamentalmente dos sistemas de distribución del agua de alimentación: a) Sistema fijo, constituido por tuberías y aspersores, utilizado fundamentalmente en lechos bacterianos de planta cuadrada o rectangular. La aplicación del agua residual se puede hacer intermitentemente, mediante depósito de almacenamiento y bombeo del agua residual, o bien de forma continua, mediante recirculación del efluente a tratar.

Sistema fijo de aplicación de agua residual

b) Sistema móvil, constituido por una columna central giratoria, de la que parten brazos radiales en los que van instaladas boquillas para la distribución del agua residual. Instalándolo en un lecho bacteriano de planta circular y colocando las boquillas con distanciamiento variable (más próximas cuanto más alejadas del centro ya que el área de influencia va a ser mayor) se puede conseguir una distribución uniforme del agua afluente en toda la superficie del lecho bacteriano. Este sistema de distribución aplica el agua de forma intermitente en cada punto de la superficie del lecho bacteriano. Las boquillas deben colocarse a una altura mínima sobre la superficie del lecho bacteriano para conseguir una óptima distribución del agua aplicada y por debajo de una altura máxima para evitar la erosión y la congelación. Tradicionalmente el

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número de brazos y la velocidad de giro del sistema se han diseñado para conseguir una aplicación muy frecuente del agua residual: intervalos de riego no superiores a 30 segundos ó tiempos de 1 a 5 minutos para un giro completo del sistema. Ha sido tradicional también la utilización del accionamiento hidráulico para producir el movimiento del sistema de distribución rotatorio. Este movimiento se consigue por un efecto de acción-reacción: al salir el agua de los brazos en un mismo sentido se consigue el movimiento de éstos en sentido contrario. Cuando el sistema toma demasiada velocidad se pueden colocar boquillas en el lado contrario del brazo distribuidor. Cuando el diámetro del depósito es grande se debe aumentar el número de brazos distribuidores.

Brazo móvil de distribución de agua residual

31.3.4.- Salida del agua residual El medio soporte se coloca sobre un falso fondo drenante que retiene el material de relleno y permite el paso del agua tratada. La solera del depósito, se hace con pendientes (al menos un 1% - 2%) hacia los canales de evacuación de agua tratada. Estos canales, pueden ser diametrales interiores en el lecho o bien periféricos. En este último caso la pared del depósito tiene ventanas o huecos en su base en toda la periferia para permitir la salida del agua al canal perimetral y a la vez permitir la ventilación del lecho. 31.3.5.- Ventilación Al no saturarse el lecho queda aire en los intersticios y por lo tanto la ventilación es viable. Tradicionalmente se ha utilizado un sistema de ventilación basado en el tiro natural o efecto chimenea producido por la diferencia de temperatura entre el aire y el agua residual. Si el agua a tratar está más caliente que el aire atmosférico, calienta el aire interior del lecho, y éste al perder densidad asciende provocando la entrada de aire más frío por la parte inferior. Para que esta ventilación natural funcione se necesitan diferencias de temperatura aire-agua mayores que 2 ºC y para que funcione óptimamente superiores a 6 ºC. Por otra parte, en función del tipo de lecho, hay que limitar su altura máxima (<3 m) para


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que la resistencia al paso del aire y la pérdida de carga no sean excesivas y permita la ventilación natural descrita. Para posibilitar el tiro hay que permitir la entrada del aire por las aberturas inferiores que, al menos, deben representar un 2% de la superficie del lecho. Por lo tanto, este sistema de ventilación natural es dependiente de las variaciones de temperatura del agua residual y del aire ambiental, de tal manera que si hay un período en que éstas coinciden, bien a lo largo del día o en diferentes épocas, la ventilación deja de funcionar, disminuyen los rendimientos del proceso y se producen problemas de funcionamiento como olores, etc. Para aguas residuales urbanas, los fabricantes de medio plástico en los EE.UU. 2 (WEF-ASCE, 1992) recomiendan 0,1 m de área de ventilación por cada 3 a 4.6 m de 2 3 periferia de lecho o biotorre o de 1 a 2 m por cada 1000 m de medio. Otro sistema, antiguamente poco utilizado, consiste en la ventilación forzada mediante ventiladores que salvaría los problemas generados por la falta de tiro natural. Los lechos cubiertos suelen incorporar ventilación forzada. Es habitual en la depuración de aguas residuales industriales. Actualmente, en los EE. UU. de Norte América se tiende a que sea habitual también en EDARUs. 31.4.- CRITICA HISTÓRICA Y NUEVO ENFOQUE Históricamente, los lechos bacterianos han sido considerados como un proceso biológico que no era capaz de alcanzar muy buenas calidades del efluente. Algunas consideraciones habituales sobre los lechos bacterianos, pero que son incorrectas, son las siguientes (W.E.F.-ASCE 1.992): - Los lechos bacterianos no son idóneos para obtener concentraciones del efluente menores a 30 mg/L de DBO5 y de SS. - El efluente de los lechos bacterianos no puede ser tan bueno como el de fangos activos. - Los lechos bacterianos sólo eliminan la DBO fácilmente degradable. - Se produce una gran pérdida de temperatura a través de los lechos bacterianos en climas fríos. - Los lechos bacterianos no son procesos de nitrificación eficaces. - La ventilación natural en los lechos bacterianos es adecuada. - La aplicación del agua residual en los lechos debe dosificarse cada 10 a 60 segundos. - La recirculación es necesaria para obtener un funcionamiento óptimo. - Los ciclos de desprendimiento masivo de biopelícula son normales y no son perjudiciales para su funcionamiento. - El proceso de lechos bacterianos requiere más terreno que el de fangos activos. En la realidad, con la tecnología actualmente disponible, los lechos bacterianos pueden ser capaces de conseguir efluentes con menos de 10 mg/L de DBO5 y SS, y + con menos de 1 mg/L de nitrógeno amoniacal (NH4 ), con pérdidas de temperatura del agua menores de 1.5 ºC, llegando a eliminar prácticamente tanto la producción de moscas (Psychoda, Anisopus, etc.) como los desprendimientos masivos de biopelícula, evitando el peligro de atascamiento del lecho y su mal funcionamiento.

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Los elementos fundamentales, en esta nueva concepción de los lechos bacterianos, son la modificación del sistema de alimentación de agua, la adopción de la ventilación forzada y la elección correcta del medio soporte. Tras la idea tradicional de que la recirculación mejoraba el rendimiento, hoy día se considera que su efecto es mínimo en este sentido y que puede tener importancia para diluir el afluente al lecho (dado que la concentración máxima de DBO5 afluente al reactor debería ser inferior a 400 mg/L para evitar el fallo del sistema), para aumentar la humidificación del lecho y para aumentar el caudal de arrastre o lavado de la biopelícula. 31.4.1.- Dosificación del agua residual Estudios realizados en los años 1940 y 1950 demostraron que disminuyendo la frecuencia de dosificación en la alimentación al lecho bacteriano se conseguía controlar mejor el espesor de la biopelícula, evitando los desprendimientos masivos de biomasa; reduciendo, hasta prácticamente eliminar, el desarrollo de moscas y mejorando el rendimiento de forma importante. Este hecho no ha sido aplicado al diseño de los lechos bacterianos hasta muy recientemente. Si se disminuye la frecuencia de aplicación del agua residual, el caudal instantáneo aplicado en cada punto de la superficie del lecho es mucho mayor, con lo que es viable obtener un mayor cortante hidráulico, de tal manera que sea mayor la erosión sobre la biopelícula y se obtenga un espesor máximo más o menos en equilibrio. Para calcular el caudal instantáneo aplicado por unidad de superficie de lecho (carga hidráulica instantánea), establezcamos que dicho caudal multiplicado por el tiempo que dura la aplicación instantánea debe ser igual al caudal total de aplicación por unidad de superficie (carga hidráulica total) multiplicado por el tiempo que dura el ciclo de la dosificación, es decir: qi Ti

donde: qi = Ti = qt = Tc = siendo:

qt Tc

carga hidráulica instantánea por unidad de superficie en un punto dado 3 2 (m /m /h). duración de la aplicación instantánea (h) 3 2 carga hidráulica total aplicada (m /m /h). duración del ciclo de aplicación o el tiempo total entre dos aplicaciones sucesivas en un mismo punto del lecho (h). qt q r

donde: q = carga hidráulica superficial debido al caudal medio afluente (m3/m2/h). r = carga hidráulica superficial debido al caudal de recirculación (m3/m2/h). La duración del ciclo de aplicación, es decir, el tiempo entre dos aplicaciones sucesivas en un punto dado, TC será igual al tiempo que tarda el sistema en dar una vuelta dividido por el número de brazos, es decir:

Tc


1 nb

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donde: n = La velocidad de giro, en revoluciones por minuto. b = El número de brazos del sistema de distribución giratoria. Como el tiempo de cada aplicación instantánea no puede determinarse fácilmente, se puede adoptar como parámetro el producto qi · Ti, que es el volumen instantáneo de aplicación por unidad de superficie del lecho, y refleja la tasa de aplicación instantánea ó lo que los alemanes llaman la intensidad de lavado (Spülkraft), intensidad de dosificación instantánea o parámetro SK. Esta carga de aplicación instantánea, se puede expresar en milímetros de agua por paso de brazo del sistema de distribución. En resumen: SK qi Ti

(q r )1000 (mm/paso ) n b 60

Se puede estudiar cuales son los valores óptimos de este parámetro para obtener los mejores rendimientos del proceso así como cuáles son los valores óptimos para producir el lavado y control del espesor de la biopelícula. En la tabla adjunta se presentan valores dados por la WEF-ASCE (1992), para lechos de piedra. Valores sugeridos de la tasa de aplicación instantánea SK en lechos bacterianos CARGA ORGÁNICA 3 Kg DBO5/m · día

SK ÓPTIMO DE DEPURACIÓN mm/paso

0.25 0.50 1.0 2.0 3.0 4.0

10 - 100 15 - 150 30 - 200 40 - 250 60 - 300 80 - 400

SK PARA LAVADO PERIÓDICO mm/paso 200 200 300 400 600 800

Para conseguir los valores operacionales óptimos del parámetro SK suele ser necesario motorizar el sistema de distribución giratorio del agua de alimentación, preferiblemente con motor de velocidad variable, e incluso automatizarlo mediante temporizaciones (período de operación, período de lavado) completando un ciclo. 31.4.2.- Ventilación forzada Con la ventilación forzada se puede controlar el suministro de oxígeno y garantizar en todo momento el funcionamiento del lecho bacteriano. Para diseño se suelen considerar suministros de aire que sean capaces de dar 50 kg de oxígeno por cada kg de oxígeno consumido en el reactor. Cuando la diferencia de temperatura entre el agua residual y el aire atmosférico es muy grande, como en el invierno, se produce un enfriamiento excesivo del agua residual que limita la velocidad del proceso, esto se puede controlar con el uso de la ventilación forzada reduciendo el caudal de aire que pasa por el lecho bacteriano. Los lechos cubiertos o cerrados y con ventilación forzada pueden ser usados para el tratamiento de olores de las aguas residuales brutas (olores producidos en pozo de gruesos y pretratamientos). También, para desodorizar gases de otras unidades de

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tratamiento de aguas residuales, de operaciones de compostaje y de estaciones de bombeo. Para estos usos, el flujo de aire puede ser ascendente o descendente.

31.5.- DISEÑO DEL PROCESO PARA ELIMINACIÓN DE DBO5 Se han desarrollado muchas fórmulas para diseñar los lechos bacterianos. Se busca relacionar la eficiencia o rendimiento con los principales parámetros de diseño. Así, caben destacar las propuestas por "Ten States Standards, USA", NRC (National Research Council, USA), Velz, Schulze, "Brithish Manual of Practice", Germain; Eckenfelder; Galler y Gottass; Kincannon y Stover e incluso se ha desarrollado un modelo matemático de simulación por Logan. 31.5.1.- Análisis teórico del funcionamiento: fórmula de Tejero El lecho bacteriano se caracteriza por su flujo pistón del agua residual, lo cual determina que las concentraciones de substrato disminuyan en profundidad, según va atravesando el lecho. La figura siguiente es un modelo ideal de un lecho que sirve de base para derivar una expresión analítica de su funcionamiento.

Agu a R es idual Q So A

H

Z

Q

Q

S

S

Xb

eb

f

S

AGU A

S

B IOP E L ÍCU L A

S+

S OP OR T E

Q

As

ea

Análisis funcional de un lecho bacteriano

Tejero et al. (1995) plantean el siguiente balance de masas en estado estacionario en una rebanada horizontal del lecho: Q (S S) Q S Vag


dS dt

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donde: Q = caudal medio afluente de agua a través del lecho (L3 T-1) S = concentración de sustrato en el seno del agua (M L-3) t = tiempo (T) Vag = volumen de agua en la capa o rebanada en estudio (L-3) dS/dt = velocidad de eliminación de substrato (M L-3 T-1) La reacción de eliminación de substrato puede seguir la cinética de Monod: dS k XS dt KS S donde, X es la concentración equivalente de biopelícula como si se resuspendiera en el seno del agua circundante, es decir en Vag. Haciendo la aproximación de que todo el volumen de la biopelícula está en contacto con el substrato S del agua, podemos calcular la concentración equivalente de biomasa suspendida en el seno del agua: X

x b eb ea

En el caso en que se pretende obtener bajas concentraciones de substrato, es decir si S << Ks, la ecuación de Monod se puede simplificar a : dS dt

k XS Ks

Tischel, Grau et al. (Eckenfelder, 1980) indican que la constante k/Ks, está influida por la concentración del substrato de la alimentación So, de la siguiente forma: k KS

K1 S0

Calculando Vag con la notación de la figura anterior, se tiene: Vag A z A s ea

Sustituyendo las últimas expresiones en la ecuación de balance queda: Q S

A z A s ea

eb K1 x S b So ea

llevando al límite e integrando entre z = 0 y z = H, S = So y S = Sf, se obtiene: Sf

So

dS S

HA

0

Q

As

K1 x b eb dz So

Si suponemos que xb * eb es aproximadamente constante para todo el lecho, lo cual puede ser posible al considerar el espesor activo, y adoptando como nueva constante K = K1 · xb · eb :

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Sf S0

e

K A S

A H Q S0

o bien: Sf S0

e

K AS CV

en donde: CV

Q S0 A H

CV = Carga orgánica aplicada por unidad de volumen del lecho (Kg DBO5/m3/d) La expresión anterior se aplica sobre la base de DBO5 total. La constante K es propia de cada agua residual. Representa la tratabilidad del agua problema. En el caso de lecho de piedras y agua residual doméstica o urbana, anda en un rango de 0.01 a 2 0.05 Kg DBO5/m /d. Los parámetros que influirán en el funcionamiento del proceso a través de la carga orgánica son: carga hidráulica = Q/A; altura del lecho H, y concentración de sustrato afluente, So. Además, la carga hidráulica influirá en el control del espesor de la biopelícula, y sobre el tiempo de contacto, TRH (diferente al de un depósito inundado). En este sentido hay que considerar que la recirculación modifica la carga hidráulica, y la concentración de sustrato que ingresa al lecho. El incremento de la altura del lecho produce una mejora en el rendimiento alcanzable, pero este efecto es poco significativo a partir de 3 metros. El rendimiento del proceso será:

R

So S f So

1

Sf So

por lo tanto: R 1 e

K AS CV

El rendimiento va a depender de forma fundamental de la carga orgánica y de la superficie específica del material.

31.6.- DISEÑO Los procesos de lechos bacterianos aplicados a la eliminación de la DBO carbonosa tradicionalmente se han clasificado en función de la carga: baja, media, alta, muy alta y de desbaste. Sus características funcionales y de diseño se aprecian en la tabla adjunta.


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Características funcionales y de diseño de lechos bacterianos para eliminación de DBO5 CARACTERÍSTICAS

Baja carga

Media carga

Alta carga

Muy alta carga

De desbaste

0.08 - 0.24

0.24 - 0.48

0.5 - 2.4

Hasta 4.8

>1.6

0.5 - 1.5

1.5 - 3.0

2.4 - 7.2

1.4 – 4

4 – 9.4

Recirculación (%)

Mínima o no existe

Habitual (0 – 100)

Siempre (100 – 300)

Habitual (0 – 300)

No se requiere habitualmente

Moscas

Abundantes

Variables

Escasas

Escasas

Escasas

Desprendimiento

Carga orgánica 3 (Kg DBO5/m /d)

(*)

Carga hidráulica 3 2 (m /m /h) 3 2 (m /m /d)

Intermitente

Intermitente

Continuo

Continuo

Continuo

Altura (m)

1.8 - 2.4

1.8 - 2.4

0.9 - 2.4

Hasta 12.2

0.9 - 6.0

Eliminación DBO5 *** (%)

80 - 85

50 - 70

40 - 80

65 - 85

40 - 85

Bien nitrificado

Alguna nitrificación** Piedras

Sin nitrificación **

Nitrificación limitada

Sin nitrificación

Calidad del efluente

Piedras Piedras Plástico Piedras/plástico Medio soporte típico * No incluye la recirculación. ** La nitrificación se produce con mayor probabilidad en un sistema de dos etapas que en una etapa única. *** Incluyendo la sedimentación secundaria.

En los lechos de baja carga orgánica los fangos tienen poca masa y una estabilización bastante avanzada. Una decantación primaria precede siempre a estos lechos. El agua depurada queda generalmente bien nitrificada; la DBO5 disuelta del efluente es prácticamente nula; sin embargo, la presencia de materia orgánica coloidal, a pesar de una buena decantación secundaria, reduce el rendimiento de la DBO5 al 80 - 85 %. Para que el sistema de alimentación realice un equireparto del agua, se realiza mediante intermitencia en el bombeo o con un sistema de sifón autocebante. No se suele emplear recirculación. En los lechos de media y alta carga, como el crecimiento bacteriano no queda limitado, hay el riesgo de atascamiento, que puede evitarse mediante recirculación del efluente, de modo que se consiga una suficiente carga hidráulica, o mediante el diseño de un SK óptimo. Al igual que en baja carga, siempre van precedidos de una decantación primaria, salvo el caso de aguas residuales industriales con escaso contenido de materias en suspensión. Los rendimientos son similares, y también quedan disminuidos por la presencia de materia orgánica coloidal; generalmente no se produce nitrificación o es muy baja. La alimentación comprende el caudal nominal más la recirculación. Los lechos de muy alta carga, de relleno plástico sólo resultan económicos cuando la carga es mayor de 2 Kg DBO5/m3/d, habiendo lechos hasta de 8 Kg DBO5/m3/d. Su finalidad es realizar un desbaste con un rendimiento de eliminación del 50 al 70 %, antes de una segunda etapa de tratamiento con lechos de media carga u otros procesos (p ej.: fangos activos). Se utilizan sobre todo con aguas residuales industriales con elevada DBO y buena degradabilidad, como en lecherías, cervecerías, tenerías, conserveras, etc. Estas aguas presentan la característica común, salvo las de tenerías, de tener una elevada DBO fácilmente degradable. El alto índice de huecos del medio, del 92 al 96 %, permite una excelente ventilación, y por ello las alturas pueden ser grandes, hasta 12 m. No es imprescindible una decantación primaria previa; en su defecto, el desbaste se reforzará con un macrotamizado de 2 a 5 mm de paso.

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La producción de fangos, o exceso de biomasa, es mayor a mayor carga. Así, para baja carga, el fango producido está muy mineralizado y se produce en bajas cantidades, pudiendo ser admisible su arrastre por el efluente del lecho, lo que puede hacer innecesaria la decantación secundaria. Para media carga la producción de fangos es del orden de 0,2 Kg SSV/Kg de DBO5 eliminada, en alta carga de 0,5 kg SSV/Kg de DBO5,eliminado; y para muy alta carga de 0,7 kg SSV/Kg DBO5 eliminado. En todos estos casos es necesaria una decantación secundaria.

EJERCICIOS

E31.1.- Comentar si es verdadero o falso: En lechos bacterianos: [ [ [ [ [

] La biopelícula puede estar suspendida en el agua intersticial del lecho. ] Si es de baja carga no hay producción de moscas. ] Si es de alta carga el desprendimiento de biopelícula es intermitente. ] Si es de desbaste requiere habitualmente de recirculación. ] La recirculación sólo es función del caudal medio.

E31.2.- Comentar si es verdadero o falso: Las principales características o variables del medio soporte de un lecho bateriano son: [ [ [ [

] La superficie específica. ] La alcalinidad. ] El índice de huecos. ] La friabilidad.

E31.3.- Un proceso de lechos bacterianos trata un caudal de 314 m3/h con una recirculación del efluente decantado del 100% y un decantador secundario de 20 m de diámetro. La velocidad ascensional del decantador es de __________________________. E31.4.- Comentar si es verdadero o falso: En un proceso de lecho bacteriano : [ [ [ [ [

] Puede no ser necesaria la decantación secundaria. ] Siempre es necesaria la recirculación de fangos. ] La oxigenación de la biomasa no necesariamente exige consumo de energía. ] Algunos procesos pueden producir nitrificación del agua, y constituirse en un tratamiento terciario. ] Las piedras de relleno no pueden ser demasiado pequeñas porque aumentan excesivamente la superficie de la biopelícula.

E31.5.- Comentar si es verdadero o falso: Es necesario controlar el espesor de la biopelícula en un lecho bacteriano para: [ [ [ [

] evitar atascamiento del lecho. ] desprender biomasa para luego ser recirculada. ] evitar la producción de moscas. ] evitar desprendimientos masivos de biomasa.

E31.6.- En un proceso de lechos bacterianos de alta carga: [ [ [ [ [

] No es necesario instalar sistemas mecánicos de agitación. ] La biomasa es proporcional al índice de huecos. ] La recirculación de fangos es mayor que en el proceso de fangos activos a media carga. ] Es fundamental una dosificación intermitente de las aguas residuales afluentes superior a dos veces al día. ] La pérdida de carga hidráulica es mucho mayor que la del proceso de fangos activos.

E31.7.- Una instrucción española, propone un lecho bacteriano de 1 m2 por cada 10 habitantes, con una altura de lecho de 1.0 m, y sin decantador secundario (para poblaciones pequeñas < 1.000 habitantes). ¿Pueden ser adecuadas estas características de diseño?


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E31.8.- Un proceso de lechos bacterianos tiene las siguientes características de diseño. Indicar que fallos de funcionamiento (y de prestaciones) tendrá, y explicar las razones: - Tratamientos previos del afluente: - Caudal agua afluente: - Caudal punta afluente: - DBO5 afluente:

desbaste + tanque Imhoff 5 m3/h 15 m3/h 150 mg/L (constante)

- Proceso: * Diámetro lecho bacteriano: * Altura: * Material relleno: - Indice huecos: - Superficie específica * Distribución del afluente: * Aireación:

10 m 2m Piedras 55 % 80 m2/m3 4 brazos radiales con motor. tiro natural

- Recirculación: - Decantación secundaria.

100% no existe

E31.9.- Cuál será el rendimiento de un lechos bacteriano de las siguientes características, que trata aguas residuales urbanas : - Superficie del lecho : - Volumen del lecho : - Relleno : - Superficie específica de relleno : - Caudal de tratamiento : - DBO5 :

50 m2 250 m3 plástico 120 m2/m3 150 m3/h 300 mg/L

NOTA : Suponer (sólo para el cálculo), recirculación del 0% E31.10.- Comprobar si cumple los parámetros de funcionamiento un lechos bacteriano de las siguientes principales características : * Agua residual : -Q: - DBO5 : - Qp : - Qm : * Lecho Bacteriano : - Diámetro : - Altura : - Material de relleno - Superficie específica - Indice de huecos * Recirculación :

960 m3/d 250 mg/L 80 m3/h 40 m3/h 7 m. 1 m. plástico 1200 m2/m3 85 % 1+1 bombas de 30 m3/h

E31.11.- Un lecho bacteriano tiene las siguientes características de diseño y funcionamiento:

Q medio Efluente primario Diámetro Altura Q de bombeo total al lecho

788 m3/h 120 mg/L de DBO5 40 m 2.4 m 1590 m3/h

Se pide: Calcular la carga hidráulica de funcionamiento del lecho Calcular la carga orgánica Calcular el rendimiento del lecho (fórmula de Tejero) Calcular las r.p.m. del distribuidor tanto para depuración como para lavado

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E31.12.- Dimensionar un lecho bacteriano que proporcione un efluente con DBO5 de 30 mg/L. La DBO5 del agua residual sedimentada es de 160 mg/L y el caudal medio es de 9600 m3/d. La profundidad del lecho será de 2 m. (Datos: K2 = 0,04 Kg DBO5/m2/d; As, grava = 60 m2/m3; As, plástico = 100 m2/m3). NOTA: Realizar los cálculos sólo a Q medio. E31.13.- Realizar un diseño comparativo de un proceso de lecho bacteriano para una población de 25000 habitantes con alcantarillado separativo en el norte de España. Suponer que habría una decantación primaria del agua residual bruta, y que su rendimiento sería del 30 % en DBO5, y del 60 % en SS.

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TEMA31-Lechos bacterianos

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