Depuración para principiantes V-4: Nitrificación-desnitrificación. Fangos activos

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  • Depuración principiantes V-4: Nitrificación-desnitrificación. Fangos activos

Sobre el blog

Jorge Chamorro
Ingeniero especialista en tratamiento y depuración de aguas y en desalación.

El tratamiento de nitrificación-desnitrificación por fangos activos de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) es el responsable de reducir los niveles de nitrógeno y la carga contaminante orgánica que se encuentra en estado coloidal o disuelto.

El tratamiento secundario biológico está formado por:

  • Biológico de baja carga
  • Decantación

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 tanto hidráulicos como de carga contaminante:

1) Hidráulicos:

  • Caudal medio de aguas residuales (m3/h)
  • Caudal punta (m3/h) como caudal máximo de aguas residuales que llegan por el colector

2) Carga contaminante de entrada al proceso

  • DQO del agua decantada (ppm)
  • DBO5 del agua decantada (ppm)
  • SS del agua decantada (ppm)
  • NTK de agua decantada (ppm)
  • P de agua decantada (ppm)

Segundo: definir los parámetros de diseño

Los parámetros de diseño, para un fango activo con nitrificación-desnitrificación:

Edad del fango:

Donde:

  • Θ es la edad del fango en días necesaria para nitrificar y desnitrificar
  • Θn es la edad del fango en días necesaria para nitrificar de acuerdo a la expresión:
  • SF es un factor de seguridad según los habitantes equivalente, de acuerdo con la tabla: 
  • T es la temperatura mínima en grados centígrados del agua para la que se exige nitrificación-desnitrificación
  • Vd/Vt: es la relación entre el volumen de la zona necesaria para desnitrificar y el volumen total del biológico, obtenida de la expresión:

Donde:

  • Nd es la parte del nitrógeno que se debe de desnitrificar en ppm
  • DBO5e es la carga de DBO5 de entrada al proceso en ppm
  • F es un coeficiente que se obtiene de la expresión:

Donde:

  • Ft es un coeficiente que se obtiene de la expresión:

La decantación tiene por objeto retirar los sólidos en suspensión generados en el proceso biológico de baja carga.

Los parámetros de diseño para la decantación de un proceso de fangos activos de baja carga son:

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 las balsas biológicas de baja carga 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:

Donde:

  • DBO5e: DBO5 de entrada al proceso en ppm
  • DBO5s: DBO5 de salida del proceso en ppm = 15 ppm

3) Definir las concentraciones de nitrógeno a desnitrificar en base a:

Donde:

  • Nn: Nitrógeno a nitrificar en ppm
  • NO3s: Nitratos en la salida en ppm:

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) Adoptar parámetros de diseño:

  • MLSS: entre 3.000 y 4.500 ppm

5) Calcular la relación Vd/Vt

a. Si es menor o igual al 50 % proceder a calcular la edad de los fangos

b. Si es mayor del 50 %:

  • Añadir metanol
  • Derivar agua pretratada directamente al tratamiento biológico
  • Reducir las exigencias de rendimientos en el nitrógeno
  • Aumentar la temperatura para las exigencias de reducción del nitrógeno

6) Calcular la edad del fango en base a :

  • Temperatura mínima
  • Edad del fango para nitrificar
  • Relación Vd/Vt

7) Calcular la DBO5 de salida en función de la edad del fango según la tabla:

8) Calcular la producción de fangos según la expresión:

Donde:

  • Qm es el caudal medio diario en m3/día
  • DBO5e es la DBO5 de entrada al proceso en ppm
  • BDO5s 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.

Con ζ calculado según la expresión: 

Donde:

  • r es la relación entre los SS de entrada (ppm) y la DBO5 de entrada (ppm), ambos al proceso
  • Θ es la edad del fango en días necesaria para nitrificar y desnitrificar

9) Calcular el volumen de las balsas biológicas de acuerdo a la expresión:

Donde:

  • Θ es la edad del fango en días
  • V es el volumen de la balsas biológica en m3
  • MLSS es la concentración del licor mezcla en ppm
  • Pf es la producción de fangos generados en el proceso biológico en kg/d.

10) Definir la altura de las balsas biológicas en función del sistema de aireación:

  • Aireadores superficiales o de burbuja gruesa: 4 metros
  • Burbuja fina: 5-7 m

11) Calcular el número de unidades a instalar y las dimensiones unitarias en planta, recomendable:

  • Relación largo ancho: l = múltiplo de (a) = α * a
  • a < φ decantador secundario

12) Calcular el volumen mínimo de cada unidad

13) Calcular las necesidades de oxígeno en condiciones estándar, atendiendo a :

a. Necesidades de O2 total según la expresión:

Donde:

  • DOs: Necesidades totales de oxigeno diarias, en condiciones estandar, en kgO2
  • DOsDBO5: Necesidades de oxigeno diarias para abatir la DBO5, en condiciones estandar, en kgO2
  • DOsNn: Necesidades de oxigeno diarias para nitrificar, en condiciones estandar, en kgO2
  • DOsNd: Aporte de oxigeno diarias por desnitrificación, en condiciones estandar, en kgO2

b. Coeficientes de consumo-producción de O2:

  • Para abatir DBO5: F kgO2/kgDBO5abatida:
  • Para nitrificación: 4,3 kgO2/kg de Nitrógeno a nitrificar
  • Por desnitrificación: 2,9 kg O2/kg de Nitrógeno a desnitrificar

c. Coeficiente punta: 1,2-1,5

14) 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

15) 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

16) Definir el número de equipos de aireación:

  • Aireación superficial o burbuja gruesa: Potencia máxima 75 kW
  • Burbuja fina: N+1 donde N: número de balsas biológicas

17) Definir el sistema de agitación para las zonas no aireadas

  • Ratio de agitación: 5 w/m3
  • Número de compartimentos por zona no aireada
  • Número mínimo de agitadores por compartimento: 2 Ud.

18) Definir las zonas polivalentes en base a:

a. Ubicación:

  • Zonas fronterizas anaerobias-anóxicas-óxicas
  • Final de las balsas biológicas

b. El volumen de las zonas no aireadas y las zonas polivalentes pueden superar el 50 % del volumen total:

c. En operación, el volumen total de zonas no aireadas respecto al volumen total (Vd/Vt ) no debería de superar el 50 %. (Pero cada EDAR es un mundo)

19) Definir el sistema de agitación para las zonas polivalentes

  • Ratio de agitación: 10 w/m3
  • Número mínimo de agitadores por zona: 2 Ud.

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

1) Calcular la superficie mínima necesaria en planta

2) 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)

3) Calcular el volumen mínimo de cada unidad

4) Definir la altura recta en vertedero respetando una altura máxima de 5,0 metros

5) Calcular el volumen unitario

6) Si la altura necesaria supera la altura máxima redefinir las dimensiones en planta

7) Calcular la recirculación necesaria, en base a la suma de las dos recirculaciones:

a. Recirculación externa para mantener los MLSS en las balsas biológicas

  • Concentración de la purga: (1,7-2,0) * MLSS
  • Coeficiente de mayoración: 1-1,5

b. 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

8) Definir las bombas de recirculación

9) Definir las bombas de purga de fangos, en base a :

  • Horas de funcionamiento: 12-24 h
  • Concentración de la purga: (1,7-2,0) * MLSS

10) Definir la calidad del agua de salida del tratamiento 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
  2. No mezclar la salida de las balsas biológicas
  3. No mezclar las recirculaciones externas
  4. Disponer de zonas polivalentes: anaerobias-anóxicas, anóxicas-óxicas.
  5. Diseñar la instalación para poder poner, en el futuro, una segunda recirculación interna

En resumen, el diseño de un tratamiento biológico debe de hacerse lo más flexible posible, hasta tal punto que considero más importante este concepto que la determinación exacta de los volúmenes de las balsas biológicas.

En un próximo blog presentaré un ejemplo.

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