En una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) el tratamiento secundario biológico para la reducción de nitrógeno mediante lechos bacterianos (percoladores) es el responsable de reducir la carga contaminante orgánica que se encuentra en estado coloidal o disuelto y la concentración de nitrógeno.
El tratamiento de nitrificación-desnitrificación mediante biomasa fija en soporte de lecho bacteriano está formado por:
- Lecho bacteriano inundado
- Lechos bacterianos de baja carga
- Recirculación para desnitrificación
- Decantación
Para el diseño de estas instalaciones, es conveniente seguir los siguientes pasos:
- Establecer los datos de diseño
- Definir los parámetros de diseño
- Diseñar las instalaciones y equipos
- Verificar los parámetros de funcionamiento.
Primero: establecer los datos de diseño
Los datos de diseño que se necesitan son tanto hidráulicos como de carga contaminante:
Hidráulicos:
- Caudal medio de aguas residuales (m3/h)
- Caudal punta (m3/h) como caudal máximo de aguas residuales que llegan por el colector
Carga contaminante de entrada al proceso
- DQO del agua decantada (ppm)
- DBO5 del agua decantada (ppm)
- SS del agua decantada (ppm)
- NTK del agua decantada (ppm)
- P del agua decantada (ppm)
Segundo: definir los parámetros de diseño
El tratamiento biológico tiene por objeto aumentar los rendimientos del tratamiento primario y reducir el nitrógeno y la carga orgánica mediante un proceso de lechos bacterianos de baja carga.
Que responden a las siguientes expresiones:
Donde:
- CO es la carga orgánica aplicada en kg de NO3 de entrada por día y por metro cúbico de lecho
- Qd es el caudal medio diario en m3/d
- NO3d es el nitrógeno a desnitrificar en ppm=mg/l= gr/m3
- V es el volumen del lecho bacteriano en m3
- Q es el caudal circulante en m3/h
- Qm es el caudal medio en m3/h
- CH es la carga hidráulica expresada en m3/m2/h (incluidas las recirculaciones)
- r es la recirculación externa, para la DBO5, en tanto por ciento
- r ´ es la recirculación externa, para la desnitrificación, en tanto por ciento
- S es la superficie en planta, en m2, del lecho bacteriano
Los parámetros de diseño, para un lecho bacteriano de baja carga, son:
Que responden a las siguientes expresiones:
Donde:
- CO es la carga orgánica aplicada en kg de DBO5 de entrada por día y por metro cúbico de lecho
- Qd es el caudal medio diario en m3/d
- DBO5e es la DBO de entrada al proceso en ppm=mg/l= gr/m3
- DBO5e es la DBO de salida del proceso en ppm=mg/l= gr/m3
- R es la recirculación externa en tanto por ciento
- V es el volumen del lecho bacteriano en m3
- CH es la carga hidráulica expresada en m3/m2/h (incluidas las recirculaciones)
- Q es el caudal circulante en m3/h
- Qm es el caudal medio en m3/h
- S es la superficie en planta, en m2, del lecho bacteriano
Que responden a las siguientes expresiones:
Donde:
- Q es el caudal circulante en m3/h
- S es la superficie en planta, en m2, del decantador
- V es el volumen del decantador en m3
Tercero: diseñar las instalaciones y equipos
Para el diseño de los lechos bacterianos responsables de la desnitrificación se deben de seguir los siguientes pasos:
1) Establecer la salida de nitrógeno en base a los condicionantes legales. Según la directiva 91/271/CEE:
2) Definir las concentraciones de nitrógeno a nitrificar en base a:
Donde:
- Nn: Nitrógeno a nitrificar en ppm
- NTK: Nitrógeno total kjedhal en la entrada al proceso en ppm
- Ni: Nitrógeno que no se puede nitrificar en ppm: 3-4 ppm
- Nf: Nitrógeno en fangos en ppm, según la expresión:
Donde:
- DBO5e: DBO5 de entrada al proceso en ppm
- DBO5s: DBO5 de salida del proceso en ppm = 15 ppm
Donde:
- Nd: nitrógeno a desnitrificar en ppm
- Nn: Nitrógeno a nitrificar en ppm
- NO3s: Nitratos en la salida en ppm según la expresión:
Donde:
- Nts: Nitrógeno de salida obtenido en el punto 1 en ppm
- Ni: Nitrógeno que no se puede nitrificar en ppm: 3-4 ppm
4) Calcular la recirculación necesaria, en base a la suma de las dos recirculaciones:
Recirculación para que la DBO5 de entra al lecho sea menor de 150 ppm según la fórmula:
Recirculación para que los NO3 de salida sea menor de los exigido, según la fórmula
Donde:
- Nn: Nitrógeno a nitrificar en ppm
- NO3s: Nitratos en la salida en ppm
5) Calcular las cargas de nitratos de entrada a lechos, según la fórmula:
6) Definir el material soporte y los parámetros de diseño
7) Calcular el volumen de los lecho de acuerdo a la expresión
8) Definir la altura de los lechos en función del material soporte, en función de:
- Plástico: 4,0 < h < 10,0 m
- Pétreo: h < 3,0 m
9) Calcular el número de unidades a instalar y las dimensiones unitarias en planta, recomendable diámetros menores de 40 metros
10) Calcular el volumen mínimo de cada unidad
11) Verificar las cargas hidráulicas
12) En caso de no cumplir recalcular la altura adoptada
1) Calcular las concentraciones de DBO5 de entrada a los lechos en base la fórmula:
Donde:
- DBO5el: DBO5 de entrada a los lechos de baja carga en ppm
- DBO5e: DBO5 de entrada al proceso en ppm
- α : coeficiente entre 0,65-0,75
2) Calcular las cargas de DBO5 de entrada a lechos, según la fórmula:
3) Definir el material soporte y los parámetros de diseño
4) Calcular el volumen de los lecho de acuerdo a la expresión
5) Definir la altura de los lechos en función del material soporte:
- Plástico: 4,0 < h < 10,0 m
- Pétreo: h < 3,0 m
- Siempre un metro menos que la altura de los lechos de desnitrificación
6) Calcular el número de unidades a instalar y las dimensiones unitarias en planta, recomendable diámetros menores de 40 metros
7) Calcular el volumen mínimo de cada unidad
8) Verificar las cargas hidráulicas
9) En caso de no cumplir recalcular la altura adoptada
10) Calcular la superficie de los huecos para aireación natural.
11) Calcular el bombeo de alimentación
12) Calcular los dos bombeos de recirculación
Para el diseño del decantador se deben de seguir los siguientes pasos:
1) Determinar los caudales de diseño
2) Calcular la superficie mínima necesaria en planta.
3) Calcular el número de unidades a instalar y las dimensiones unitarias en planta, respetando:
- a < l < 3 * a (a: ancho; l: largo)
- l < 60 m
- φ < 60 m (φ: diámetro)
4) Calcular el volumen mínimo de cada unidad
5) Definir la altura recta en vertedero respetando una altura máxima de 4,0 metros
6) Calcular el volumen unitario
7) Si la altura necesaria supera la altura máxima redefinir las dimensiones en planta
8) Redefinir las dimensiones en planta si es necesario
9) Calcular la producción de fangos en base a la expresión:
Donde:
- Qm es el caudal medio diario en m3/día
- DBO5e es la DBO5 de entrada al proceso en ppm
- DBO5s es la DBO5 de salida del proceso en ppm
- ζ es la tasa de producción de fangos expresada como kg de sólidos en suspensión formados por kg de DBO5 eliminada:
Donde:
- r es la relación entre los SS de entrada (ppm) y la DBO5 de entrada (ppm) al proceso (sin incluir las recirculaciones)
10) Definir las bombas de fangos biológicos, en base a :
- Horas de funcionamiento: 12-24 h
- Concentración de la purga: 1,0 (%)-2,0 (%)
11) Definir la calidad del agua de salida del tratamiento secundario en base a:
- Rendimiento de SS : 90 %
- Rendimiento de DQO : 80-90 %
- Rendimiento de DBO5 : 85-92 %
- Rendimiento de NTK: 80 %
- Rendimiento de P : 50-60 %
Cuarto: verificar los parámetros de funcionamiento
Con las dimensiones definidas, verificar, para cada una de las instalaciones que se cumplen los parámetros de diseño.
Recomendaciones
Para un buen diseño de las instalaciones, se recomienda tener en cuenta las siguientes observaciones:
1) Realizar el reparto a las diferentes unidades mediante vertedero
3) Independizar todos los bombeos: alimentación, recirculación por DBO5 y recirculación por NO3
4) No mezclar las salida de los lechos bacterianos
5) Dejar huecos en las paredes de los lechos para, en el futuro, poder aportar aire de forma forzada
En un próximo blog presentaré un ejemplo.
NOTA FINAL: Las imágenes que presentan este blog son gentileza de fabricantes de equipos. En ningún momento suponen un aval o conformidad con lo recogido en el blog, que es de total responsabilidad del autor del mismo
