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Depuración para principiantes XI-III: Imhoff-Filtros anóxicos-biodiscos (NDN)

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Sobre el blog

Jorge Chamorro
Ingeniero especialista en tratamiento y depuración de aguas y en desalación.
  • Depuración principiantes XI-III: Imhoff-Filtros anóxicos-biodiscos (NDN)

La depuración por biodiscos es una tecnología de bajo coste muy adecuada para poblaciones pequeñas o medianas (< 50.000 habitantes)

Tradicionalmente, una planta con biodiscos está formada por:

  • Fosas Imhoff
  • Biodiscos
  • 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:

  • DQO del agua bruta (ppm0mg/l0gr/m3)
  • DBO5 del agua bruta (ppm)
  • SS del agua bruta (ppm)
  • NTK del agua bruta (ppm)
  • P del agua bruta (ppm)

Segundo: Definir los parámetros de diseño

Las fosas Imhoff tienen por objeto retirar los sólidos en suspensión decantables y estabilizarlos.

Los parámetros de diseño para las fosas imhof son:

a) Zona decantación:

Que responden a las siguientes expresiones:

Donde:

  • Q es el caudal circulante en m3/h
  • S es la superficie en planta, en m2, de la zona de decantación
  • V es el volumen de la zona de decantación en m3

b) Zona estabilización:

Que responden a la siguiente expresión:

Donde:

  • Qf es el caudal de fangos estabilizados en m3/d
  • V es el volumen de la zona de la zona de estabilización-almacenamiento de fangos en m3

Las biodiscos tienen por objeto reducir las DBO5 y los sólidos en estado coloidal.

Los parámetros de diseño para los biodiscos para reducción de nitrógeno son:

Que responden a la siguiente expresión:

Donde:

  • Q es el caudal circulante en m3/d
  • DBO5 es la DBO5 de entrada al proceso en ppm = mg/l = gr/m3
  • S es la superficie de la zona de decantación de la fosa Imhoff en m2

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

Los parámetros de diseño para la decantación de un biodisco NDN 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 instlaciones y equipos

Para el diseño de las fosas imhoff se deben de seguir los siguientes pasos:

1) Definir los parámetros de diseño

2) Calcular la producción de fangos primarios en base a :

  • Rendimiento de SS : 60-75 %

3) Calcular la producción de fangos biológicos en base a:

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), ambos al proceso

4) Calcular la producción de fangos estabilizados en base a :

  • Rendimiento de SS : 60-75 %
  • Materia volátil fangos: 70-80 %
  • Reducción materia volátil: 45 %

5) Definir el volumen ocupado por el fangos en base a:

  • Concentración media: 4 %

6) Calcular el volumen de la zona de almacenamiento de fangos

7) Definir el número de unidades a instalar: mínimo dos unidades

8) Calcular las dimensiones en planta atendiendo a:

  • Altura: 3,0 m < h < 6 m
  • Relación Longitud/ancho: 3 < l/a < 5
  • Longitud < 60 m

9) Calcular las dimensiones de los decantadores en base a:

  • Longitud de la decantación: igual que la longitud de la zona de almacenamiento de fangos
  • Altura recta:

i. Un solo decantador por Imhoff: 1,5 metros

ii. Dos decantadores por Imhoff: 2 m

  • Anchura de los decantadores:

i. Un solo decantador por Imhoff:

ii. Dos decantadores por Imhoff:

Donde:

  • a es el ancho del decantador en m
  • A es el ancho de la zona de almacenamiento de fangos en m

10) Verificar que la decantación cumple con los parámetros de diseño Si no se cumple rehacer el cálculo disminuyendo la altura adoptada en la zona de almacenamiento de fangos

11) 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
  • Capacidad de quemador : dos veces la producción horaria

12) Definir las bombas de fangos, en base a :

  • Horas de funcionamiento: 7-15 h
  • Concentración de la purga: 4 %

13) Calcular la calidad del agua de salida en base a:

  • Rendimiento SS: 60-75 %
  • Rendimiento DQO: 30 %
  • Rendimiento DBO5: 30 %
  • Rendimiento NTK: 10 %
  • Rendimiento P: 5 %
Para el diseño de los lechos anóxicos encargados 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

3) Definir las concentraciones de nitrógeno a desnitrificar, según la expresión:

Donde:

  • Nd: nitrógeno a desnitrificar en ppm
  • 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) 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 anóxicos, 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.

10) Calcular el volumen mínimo de cada unidad

11) Verificar las cargas hidráulicas

12) En caso de no cumplir recalcular la altura adoptada

Para el diseño de los biodiscos responsables de la nitrificación se deben de seguir los siguientes pasos:

1) Calcular las concentraciones de DBO5 de entrada a los biodiscos 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 los biodiscos, según la fórmula:

3) Definir los parámetros de diseño

4) Calcular la superficie de los biodiscos de acuerdo a la expresión:

5) Calcular el número de unidades a instalar y su superficie unitaria (S< 12.000 m2)

6) Calcular el bombeo de elevación a lechos anóxicos

7) Calcular los 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) Definir las bombas de fangos biológicos, en base a :

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

10) 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. Disponer de un buen pretratamiento es fundamental para asegurar el funcionamiento correcto de cualquier EDAR
  2. El uso de energía solar o del propio biogás puede ser una alternativa muy atractiva para el funcionamiento del pretratamiento.
  3. Realizar el reparto a las diferentes unidades mediante vertedero
  4. Disponer de un sistema de captación del biogás generado en las fosas Imhoff.
  5. El uso de decantadores lamelares para biodiscos se esta realizando con resultados aceptables.

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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