Depuración para principiantes VIII-I: Estabilización de fangos

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Sobre el blog

Jorge Chamorro
Ingeniero especialista en tratamiento y depuración de aguas y en desalación.
  • Depuración principiantes VIII-I: Estabilización fangos
    (Wikipedia/CC)

La estabilización de los fangos generados en una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) se realiza para:

  • Obtener una estabilización de la materia orgánica que permite su manipulación y usos posteriores con las menores afecciones ambientales posibles.
  • Reducir los gérmenes patógenos
  • Reducir el volumen de fangos a evacuar (solo se logra por vía biológica)

La estabilización de los fangos se puede realizar por tres vías:

  • Aerobia
  • Anaerobia
  • Química.

La estabilización aerobia consiste, básicamente, en la inyección de oxígeno (aire) en el interior del digestor. El proceso funciona en respiración endógena. Se produce una reducción de la materia volátil y, por consiguiente, de la materia seca producida por la EDAR.

La estabilización anaerobia consiste, básicamente, en mantener condiciones anaerobias en los fangos y mediante diferentes fases (hidrólisis, acidogenosis, acetogenosis y metanogenesis) reducir la materia orgánica y obtener biogás con una proporción de metano (CH4) en torno al 70 %. Se produce una reducción de la materia volátil y, por consiguiente, de la materia seca producida por la EDAR.

La estabilización química consiste en la adición de un producto químico (generalmente cal viva o apagada) para obtener un pH elevado e inertizar la materia orgánica. No se produce reducción de la materia volátil y se aumenta (en casi un 20 %) la materia seca producida en la EDAR.

Para el diseño de estas instalaciones, es conveniente seguir los siguientes pasos:

  1. Establecer los datos de diseño
  2. Definir los parámetros de diseño
  3. Diseñar las instalaciones y equipos
  4. Verificar los parámetros de funcionamiento.

Primero: Establecer los datos de diseño

Los datos de diseño que se necesitan son:

  • Materia seca (MS) en kilogramos producidos al día
  • Materia volátil (MV) en kilogramos al día
  • Concentración en porcentaje

Segundo: Definir los parámetros de diseño

El parámetro de diseño para la estabilización aerobia de fangos es la edad del fango. La reducción de materia volátil se encuentra entre el 35 y el 40 %. Adoptándose, para diseño, valores del 40 %. Para lograr esta reducción la edad del fango viene reflejada en la siguiente gráfica en función de la temperatura:

Que responden a la siguiente expresión:

Donde:

  • Θ es la edad del fango en días
  • V es el volumen del digestor en m3
  • C es la concentración de los fangos en el digestor aerobio expresada en ppm=mg/l= gr/m3
  • MS es la cantidad de MS en la entrada expresada en kilogramos diarios

Además se debe de asegurar que la potencia de agitación garantice ratios superiores a 20 w/m3 de depósito.

El parámetro de diseño para la estabilización anaerobia de fangos es la edad del fango. La reducción de materia volátil se encuentra entre el 40 y el 50 %. Adoptándose, para diseño, valores del 45 %. Para lograr esta reducción la edad del fango depende de la temperatura según la siguiente gráfica:

Como los digestores anaerobios funcionan sin recirculación, la edad del fango es igual al tiempo de retención hidráulica, que responden a la siguiente expresión:

Donde:

  • Θ es la edad del fango en días
  • V es el volumen del digestor en m3
  • Qd es el caudal de fangos de entrada en m3/d.

Además se deben de verificar:

El parámetro de diseño para la estabilización química del fangos es el pH obtenido de la mezcla, recomendándose:

  • Obtener un pH de 12 a las dos horas de dosificar la cal
  • Mantener un pH de 11 los días siguientes

Para el diseño se recomienda disponer de una capacidad de dosificación del 30 % de la materia seca.

Tercero: Diseñar las instalaciones y equipos

Para el diseño del depósito de mezcla se deben de seguir los siguientes pasos:

1)  Calcular el caudal diario de fangos mixtos

2) Calcular el volumen en base a:

  • Tiempo mínimo de retención > 4 horas para garantizar una alimentación uniforme
  • Tiempo de retención máximo < 12 horas para evitar inicio de procesos anaerobios

3) Definir los equipos de agitación, en base a :

  • Mínimo número de equipos: 2
  • Potencia de agitación > 20 w/m3

Para el diseño de los digestores aerobios, se deben de seguir los siguientes pasos:

1) Definir el bombeo de alimentación para la alimentación lo más uniforme posible: mínimo 16 h/d

2) Definir el número de unidades a instalar

3) Calcular el volumen necesario de acuerdo a la expresión:

4) Calcular las dimensiones unitarias en base a :

  • Mantener la misma altura que las balsas biológicas de la línea de fangos
  • Adoptar dimensiones en planta compatibles con las balsas de la línea de agua

5) Calcular la materia volátil de salida

6) Calcular las necesidades de oxígeno en condiciones estandar en base a una necesidades mínimas de 2 kgO2/kg MV abatida

7) Calcular las necesidades de oxígeno en condiciones reales. El cálculo de este apartado depende del sistema de aireación, de la altura de la lámina de agua, de la temperatura del agua, etc. Como simplificación podemos adoptar los siguientes coeficientes sobre las condiciones estandar:

  • Aireación superficial o burbuja gruesa: 1,25-1,5
  • Burbuja fina: 1,5-2,0

8) Calcular la potencia del sistema de aireación en base a:

  • Aireación superficial o burbuja gruesa: 1,5-1,8 kgO2/kw
  • Burbuja fina: 2-3 kgO2/kw

9) Definir el número de equipos de aireación:

  • Aireación superficial o burbuja gruesa: Potencia máxima 75 kw
  • Burbuja fina: N donde N: número de balsas biológicas

10) Calcular el fango estabilizado

Para el diseño de los digestores anaerobios, se deben de seguir los siguientes pasos:

1) Definir el bombeo de alimentación para la alimentación lo más uniforme posible: mínimo 16 h/d

2) Definir el número de unidades a instalar

3) Calcular el volumen necesario de acuerdo a la expresión:

4) Calcular las dimensiones unitarias de los depósitos cilíndricos en base a :

  • φ < 20 m (φ: diámetro)
  • Altura mayor o igual que el diámetro

5) Calcular la materia volátil de salida

6) Calcular la producción de biogás en base a:

  • Producción: 900 l/kg MV abatida
  • PCI (poder calorífico inferior) del biogás: 5.000 kcal/Nm3
  • PEI (poder energético inferior) del biogás: 5,81 kW/Nm3
  • Almacenamiento > 8 h
  • Capacidad de quemador : dos veces la producción horaria

7) Calcular las necesidades de calor para mantener la temperatura de los digestores en base a :

  • Necesidades para calentar el fango

Donde:

  • Nt son las necesidades diarias para calentar el fango en kilocalorías diarias
  • Qfm es el caudal diario de fango espesado en metros cúbicos diarios
  • Tfm es la temperatura de los fangos mixtos en grados centígrados
  • Tfd es la temperatura de los fangos en digestión en grados centígrados
Pérdidas energéticas: entre el 10 y el 20 % de las anteriores

8) Definir las calderas en base a:

  • Sin cogeneración: mínimo 1 y una de reserva
  • Con cogeneración: mínimo 1 sin reserva

9) Definir la cogeneración en base a:

  • Aprovechamiento térmico: 40-45 %
  • Aprovechamiento energético: 38-42 %
  • Mínimo 2 unidades
  • Potencia mínima con capacidad para consumir todo el biogás con n-1 unidades

10) Calcular el fango estabilizado

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) Diseñar las bombas de alimentación para su funcionamiento, como mínimo, en 16 h/día

2) Disponer de un mínimo de dos unidades en cada proceso

3) Ubicar los digestores aerobios en las proximidades de las balsas biológicas de la línea de fangos para:

  • Poder aprovecharlas como balsas biológicas de la línea de agua en ampliaciones futuras
  • No hipotecar, en ampliaciones futuras, el sistema de estabilización de los fangos.

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

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