CAPTULO

Menndez, C. L.S. Quirz; E. IzquierdoTratamiento de aguas y aguas residuales

CAPTULO 8FILTROS PERCOLADORES

8.1. Introduccin

Los filtros percoladores o quizs mejor denominados lechos bacterianos, son sistemas de depuracin biolgica de aguas residuales, en los que la oxidacin de los compuestos orgnicos se produce al hacer pasar agua residual, previamente sedimentada, a travs de un medio poroso cubierto de una pelcula biolgica que se mantiene en contacto con el aire. El agua residual fluye sobre la superficie del medio poroso o empaque en una delgada capa que est en contacto con la pelcula biolgica por un lado y con el aire en los espacios intersticiales del empaque por el otro. Por esta razn estos reactores se denominan reactores de crecimiento biolgico asistido, y el fundamento del proceso se basa en las acciones producidas en todo el espesor del limo o pelcula biolgica. En la figura 1 se aprecia una vista area de una planta de tratamiento de residuales que emplea filtros percoladores como unidad de tratamiento secundario.

Figura 8.1. Vista area de una instalacin de tratamiento con filtros percoladores

A medida que las aguas residuales y el aire fluyen a travs del lecho, el limo biolgico hace uso de ellos para obtener de los compuestos orgnicos el sustrato y la energa necesaria para sus procesos vitales para sintetizar nueva masa celular. Como resultado, se logra la disminucin de la concentracin de contaminantes orgnicos mediante su conversin en masa celular, CO2 y H2O. La acumulacin de biomasa sobre la superficie del medio debido a su crecimiento tiene un lmite, al cabo del cul una fraccin de la biomasa se desprende y es arrastrada con el efluente del filtro percolador. Por esta razn, se requiere un sedimentador secundario como complemento de este proceso biolgico, para eliminar el limo biolgico que se desprende del lecho.La pelcula biolgica est constituida por un conjunto complejo de microorganismos aislados y formando colonias, embebidos en una matriz de polmeros, cuya estructura y composicin es funcin de la edad de la biopelcula y de las condiciones ambientales.

Normalmente el agua residual se distribuye de manera uniforme sobre el lecho de relleno mediante un distribuidor del flujo, giratorio o fijo. El agua residual percola en sentido descendente a travs del relleno y el efluente se recoge en el fondo. En la figura 8.2 se presenta un diagrama de la seccin tpica de un filtro percolador cilndrico o circular, y en la figura 8.3 una vista de planta de un esquema de filtro rectangular.

Figura 8.2. Diagrama de un filtro percolador tpico

8.2. Partes de que consta un filtro percoladorLos filtros percoladores constan de 3 partes principales:

Sistema de distribucin del agua residual

Relleno, empaquetadura o medio de soporte de la biomasa

Sistema recolector del agua a la salida del tratamiento

8.2.1 Sistema de distribucin

El sistema de distribucin debe proporcionar una carga hidrulica uniforme sobre la superficie del filtro. Los aspersores para la distribucin del agua residual pueden ser fijos o mviles, dependiendo de que la estructura del filtro sea rectangular o circular respectivamente.

Los fijos requieren un dispositivo ms complicado de distribucin y, por tanto, una mayor prdida de carga (alrededor de 2 m).

Figura 8.3. Esquema de filtro rectangular. Vista de planta

Los aspersores mviles consisten en brazos giratorios, 2 4, que se disponen radialmente, y son movidos por carga hidrulica. Figura 8.4. La velocidad de rotacin es de 0,3 a 5 vueltas por minuto, dependiendo de la carga hidrulica a la que se desea someter el percolador. La prdida de carga en este tipo de aspersor aproximadamente de 0,5 m.8.2.2 Empaquetadura o relleno

La empaquetadura o relleno constituye el medio de soporte de la biomasa. Las dos propiedades ms importantes del relleno en los filtros percoladores son la superficie especfica y el porcentaje de huecos o espacios vacos. La superficie especfica se define como los m2 de superficie de relleno por m3 de volumen total del empaque o relleno.Cuanto mayor sea la superficie especfica mayor ser la cantidad de limo biolgico presente por unidad de volumen. Por otra parte mientras mayor sea la proporcin de huecos en el empaque, se podr trabajar con mayores valores de flujo de agua residual por unidad de rea superficial (carga hidrulica) con menor riesgo de que ocurra inundacin por tupiciones.

Figura 8.4. Filtro percolador de distribuidor giratorio

El objetivo de los medios de empaque es el de proporcionar un soporte slido y estable para el limo biolgico, y exponer la mxima rea superficial al flujo del lquido que se desea tratar, y de superficie mojada, al contacto del aire. Debido al crecimiento de biomasa que tiene lugar sobre el relleno, parte de la misma se desprender peridicamente, y ser evacuada junto con el agua residual tratada (efluente del filtro percolador), a travs del sistema recolector, por el fondo del filtro.El material que se utiliza para el relleno o empaque de los filtros debe poseer

Resistencia mecnica

Resistencia qumica

Alta relacin rea/volumen

Aunque el material de relleno puede ser de granito, coke o escoria entre otros materiales, los medios ms comnmente empleados son el estndar de piedra y material plstico.

Medio de piedra

Tamao de la piedra 3-15 cm

rea especfica Av = 40 - 80 m2 m-3

Peso especfico ( = (2 - 3). 103 kg m-3 Espacio vaco 50 % del volumen del empaque

Material plstico

Medio de diferentes formas, tamao y materiales

rea especfica Av = 20 - 250 m2 m-3

Peso especfico ( = 50 - 90 kg m-3 Espacio vaco 90-95 % del volumen del empaque

Las principales ventajas que sobre el medio estndar de piedra tiene el medio de plstico son:Alta rea especfica

Permiten profundidades del relleno hasta de 12 m

Existe menos riesgo menor de quedar obstruidos por las aguas residuales que arrastran cantidades importantes de slidos en suspensin al tener mayor espacio vaco

Requieren una estructura de soporte ms barata al tener menos peso especfico que los materiales naturales

Las desventajas de los rellenos sintticos son:

Su precio comparativamente elevado

Resultan inadecuados para obtener rendimientos en el tratamiento de las aguas residuales con relativamente baja DBO al compararlos con los que se consiguen con los rellenos normales

Los materiales de plstico de los que ms comnmente se dispone pueden ser de distribucin ordenada o distribucin aleatoria, tambin llamada catica o desordenada.

El relleno de material plstico que ms comnmente se oferta para colocar en disposicin ordenada se presenta generalmente en paquetes (estructuras modulares) de configuracin de paraleleppedo, de hojas conformadas y encoladas (por ejemplo, Flocor o Plasdek). Tambin pueden ser de forma tubular (tubos de 8 a 10 cm de dimetro) que llevan tabiques internos para aumentar la superficie especfica; estos tubos se colocan a lo largo de toda la altura del filtro por capas (por ejemplo, el Bionet). Figura 8.5. La vista del fondo de un filtro de relleno plstico puede apreciarse en la figura 8.6.

Figura 8.5. Variantes de relleno plstico tpicos

Figura 8.6. Vista superior, en detalle, del fondo de un filtro percolador con relleno plstico

La altura o profundidad de los filtros de mueve en un intervalo que va generalmente entre 1,8 y 10 metros. Figura 8.7. Mientras que los lechos rellenos de roca, clinkers u otros materiales similares, no deben sobrepasar profundidades de 1 a 2,5 m, los lechos de materiales sintticos pueden soportar profundidades entre 6 y 12 m. El mayor porcentaje de huecos en los rellenos sintticos facilita el flujo y reduce el peligro de inundacin.

Figura 8.7. Vista exterior de un filtro percolador tipo torre con empaque plstico

Como ya fue expresado, las dimensiones de piedra recomendados oscilan de 3 a 15 cm de dimetro. Especial atencin debe prestarse a la uniformidad del medio, ya que mientras ms uniforme sea su tamao, mayor proporcin de huecos o espacios vacos tendr el relleno, para un tamao dado del mismo.

8.2.3 Sistema recolector

A travs del sistema recolector se extrae el efluente del tratamiento y se produce adems la circulacin del aire a travs de la estructura. Figura 8.8

Figura 8.8. Sistema recolector del efluente de un percolador

La recogida de agua residual tratada se efecta por medio de un dispositivo de drenaje en el fondo del lecho bacteriano. Este sistema debe tener previsto un sistema de canales de recogida, con la caracterstica fundamental de que no debe existir sedimentacin en los mismos, ya que el agua residual contiene flculos de biomasa que se desprenden del relleno y debern ser separados de la corriente del efluente en el sedimentador secundario.

La pendiente del piso ser del 1% 2%, y la seccin no ir nunca llena, ya que deber servir tambin como canal de aireacin. Una recomendacin de diseo marca que, la zona de salida al falso fondo de agua y aire, sea el 15 20% la superficie total del filtro.

8.3. Fundamento del proceso con filtros percoladores

El agua residual que est siendo tratada y el oxgeno del aire, se mantienen en contacto con la biopelcula que se forma sobre al empaque del filtro. El oxgeno se consume debido a la actividad microbiana. Como consecuencia del crecimiento bacteriano, el espesor de la biopelcula va aumentando hasta un cierto lmite. La penetracin de oxgeno no llega hasta la superficie del relleno, y por ello, se desarrolla una zona ms externa de actividad aerobia y una segunda zona anaerobia, ms interna, entre el material de relleno y la zona aerobia. Figuras 8.9 y 8.10.

Figura 8.9. Esquema de detalles de las subcapas aerobia y anaerobia de un filtro percolador.

Figura 8.10. Esquema de la biopelcula de un lecho bacterianoComo la biopelcula est formada por una acumulacin irregular de clulas, se producen grietas por donde pueden hacerse los intercambios de oxgeno y de sustrato. Debido a que la migracin del sustrato es de 3 a 5 veces menor que la del oxgeno, se desarrollan tres capas del exterior al interior: Aerobia: recibe sustrato y, por lo tanto, crece

Aerobia (ms interna que la anterior): no recibe sustrato, no crece, pero est en respiracin endgena

Anaerobia: sin sustrato ni oxgeno, en fermentacin

Normalmente, el espesor de la capa de limo est comprendido entre 0,1 y 2,0 mm, pasado el cual se separa del medio de empaque y los fragmentos se arrastran con el agua. Existe un efecto perjudicial en la operacin del filtro percolador si el espesor es superior a los 2,0 mm ya que puede presentarse una obstruccin del espacio vaco del relleno, fundamentalmente si es de piedra, perjudicando el flujo del agua residual y la transferencia de oxigeno a los microorganismos aerobios. En la capa anaerobia de color negro, las burbujas del gas de fermentacin producen a su vez el desprendimiento de trozos de biopelcula que son arrastrados por el agua. El espacio libre originado por el desprendimiento es ocupado rpidamente por nuevas colonias bacterianas. Este fenmeno es la esencia un mecanismo de autolimpieza, que impide la tupicin de los percoladores.La biopelcula se compone esencialmente de:

Bacterias, en gran parte filamentosas

Protozoos (vorticellas y opercularias), que se alimentan principalmente de bacterias aisladas que contribuyen a la turbidez del agua

Gusanos: como los nemtodos y las lombrices Insectos: como la mosca del gnero psychoda

Se destaca adems la presencia de nitrosomonas y nitrobacter, que como se conoce son bacterias auttrofas que oxidan el N-NH3 a N-NO3-. Por lo tanto en los filtros percoladores puede ocurrir, al igual que en los lodos activados, nitrificacin.En general la entrada del agua en los lechos debe estar precedida de una sedimentacin primaria, para eliminacin de grasas y slidos en suspensin.

8.4. Circulacin del aire a travs de los filtros percoladores La casi totalidad de los filtros percoladores en pases de clima clido utilizan la ventilacin natural.

Cuando la temperatura del aire tiene un valor prximo a 6 C superior a la del agua, se produce una corriente de aire ascendente a travs del relleno. En la misma medida que esta diferencia disminuye, disminuye el flujo de aire, llegando a no producirse corriente de aire, cuando la diferencia es cercana a 2 C. Si la temperatura del aire es menor que la del agua, se invierte el sentido del flujo de aire a travs del relleno. 8.5 Configuracin de los esquemas de tratamientoLa manera de organizar la secuencia entre las distintas unidades que componen el sistema vara mucho. Quizs el elemento ms importante en la configuracin de las unidades del proceso es que el diseo hidrulico ofrezca la flexibilidad necesaria para variar las direcciones de los flujos de forma tal que una vez construida la planta se puedan corregir con relativa facilidad los problemas de operacin que puedan presentarse. En la figura 8.11 se presentan algunas de las formas ms comunes de organizacin de las unidades tanto para filtros de una etapa como para filtros de dos etapas

Figura 8.11 Configuraciones de plantas con filtros percoladores (de una y dos etapas)8.6. Parmetros para el diseo y operacin de los filtros percoladores

Los parmetros ms importantes relacionados con los filtros percoladores son la carga hidrulica y la carga orgnica.8.6.1 Carga hidrulica

La carga hidrulica ( ) es el flujo que pasa a travs del filtro, por unidad de rea superficial (Af).

Sin recirculacin, (m3.m-2.d-1)

8.18.6.2 Carga orgnicaLa carga orgnica es el flujo msico de DBO aplicado al filtro percolador por unidad de volumen de empaque,

(kg DBO5 aplicada m-3.d-1)

8.3donde

H : Profundidad o altura del empaque (m)

Teniendo en cuenta la ecuacin 8.1, la carga orgnica tambin puede calcularse,

(kg m-3 d-1)

8.4

8.6.3 Recirculacin

La recirculacin permite obtener la carga hidrulica suficiente para producir la autolimpieza del filtro al contribuir con el desprendimiento del exceso de biomasa. Adems, la disminucin de concentracin en DBO, por efecto de la dilucin, promueve menor crecimiento del espesor de la biopelcula y reduce los riesgos de tupicin.Parte del efluente de los filtros percoladores es recirculado hacia la entrada del filtro. Figura 8.12.

Figura 8.12. Diagrama de flujo de un sistema de filtro percolador. (1) Sedimentador primario (2) Filtro (3) Sedimentador secundario

Adems hay una prctica generalizada de evitar que la DBO5 del agua residual a la entrada al filtro percolador no sobrepase de 100 a 150 mg.L-1. En aquellos casos en los que el agua residual a tratar tenga una DBO5 mayor de 150 mg.L-1, puede reducirse a la entrada mediante la recirculacin de parte del efluente una vez sedimentado.

Cuando hay recirculacin, la concentracin de DBO de entrada al filtro percolador puede calcularse por un balance de materiales a la entrada del filtro,

8.5

donde

Sm: DBO de entrada al filtro considerando la recirculacin (mg.L-1)

So: DBO de entrada al filtro sin considerar la recirculacin (mg.L-1)

Se: DBO soluble efluente del percolador (mg.L-1)

Qo: flujo afluente (m3.d-1)

Qr: flujo de recirculacin (m3.d-1)

de donde la DBO de entrada al filtro percolador puede ser calculada mediante un balance de materiales,

8.6

R: relacin de recirculacin,

8.7Cuando hay recirculacin la carga hidrulica y orgnica se calculan considerando las nuevas condiciones,Carga hidrulica

Con recirculacin,

(m3.m-2.d-1)

8.2adonde

Qo: flujo afluente (m3.d-1)

Qr: flujo de recirculacin (m3.d-1)

Af: rea del filtro (m2)

Carga orgnica

Con recirculacin,

8.3aComo se podr comprobar ms adelante con los ejemplos, la recirculacin puede tener un efecto notable sobre el valor de la carga hidrulica del filtro, sin embargo no ocurre lo mismo con la carga orgnica. Ese efecto se ilustra en la figura 8.13.

Figura 8.13. Efecto de la recirculacin sobre la carga hidrulica y orgnica de los filtros percoladores8.7. Clasificacin de los filtros percoladoresLos filtros percoladores pueden clasificarse segn los valores de carga hidrulica y orgnica, en sistemas de baja carga, carga media, alta carga y carga super alta, tal como se resume en la tabla 8.1. Tambin se denominan como baja, media, alta y super alta velocidad respectivamente.Tabla 8.1. Clasificacin de los filtros percoladores

Carga Hidrulica

(m3.m-2.d-1)Carga Orgnica

(kg m-3 d-1)Recirculacin

Baja carga

2,0 5,00,2No necesario

Media carga

4 100,2 0,5S

Alta carga

15 300,7 1,0S

Super alta carga

40 - 2000,8 6,0S

8.7.1 Filtros percoladores de baja carga

En este grupo de percoladores, el cultivo microbiano se controla reduciendo su nutricin, no sobrepasando un valor de carga orgnica igual aproximadamente de 0,2 kg m-3d-1. Debido a esto, la cantidad de biomasa que se produce es relativamente baja logrndose una estabilizacin bastante avanzada de la misma.

El agua depurada queda generalmente bien nitrificada y el efluente con una DBO5 soluble baja. La presencia de compuestos orgnicos coloidales en el efluente no obstante someterlo a una buena decantacin secundaria, reduce el rendimiento de la DBO5 al 80-90 %.La sedimentacin primaria precede siempre al percolador, y el limo que se deposita en el sedimentador secundario se bombea al primario, del que se extrae por el fondo.

8.7.2 Filtros percoladores de carga media

En este tipo percolador, la carga orgnica normalmente es del orden de 0,2 a 0,5 kg m-3 d-1. Como el crecimiento bacteriano queda menos limitado, que en los filtros de baja carga, puede darse el riesgo de tupicin, que se evita manteniendo sobre el lecho una carga hidrulica lo suficientemente alta como para producir la autolimpieza, siendo del orden de 4 a 10 m3.m-2.d-1. Con el empleo de cargas hidrulicas superiores, se corre el riesgo de lavar la biomasa del filtro parcial o totalmente.

Al igual que en los filtros de baja carga, los de carga media debe estar precedidos por una sedimentacin primaria, salvo en el caso especial del tratamiento de aguas industriales desprovistas de materias en suspensin.

Los rendimientos de eliminacin de DBO5 son del mismo orden que en la baja carga, y tambin quedan disminuidos por la presencia de materias orgnicas coloidales; generalmente se produce una baja o inexistente nitrificacin, aunque algunas veces pueda ser apreciable en ciertas condiciones de carga y temperatura.La altura de estos percoladores puede ser de hasta 3,0 m, aunque si el relleno es de piedra generalmente la altura se limita hasta 1,8 2,0 m.

8.7.3 Filtros percoladores de alta carga

En este tipo de filtro se incrementan considerablemente las cargas orgnica e hidrulica que se aplican al lecho, con lo que la eficiencia de eliminacin de materia orgnica es menor que en los anteriores. En ocasiones existe adems una segunda etapa de tratamiento tambin por filtros percoladores de media carga o con lodos activados. Figura 8.14. Para los percoladores de alta velocidad se recomienda el empleo de empaque o relleno de material plstico.Los filtros percoladores de alta carga se utilizan sobre todo en todas las aguas residuales industriales con concentraciones elevadas de DBO y buena degradabilidad, como en el sector agroalimentario (lecheras, cerveceras, y de conserveras, entre muchos otros.). Estas aguas presentan la caracterstica comn de poseer una concentracin relativamente elevada de contaminacin orgnica fcilmente degradable. Esta alta contaminacin introduce riesgos de abultamiento de los lodos activados (bulking) si se utiliza una nica etapa con dichos lodos. El alto ndice de espacios vacos en el relleno, del 92 al 96 % (comparado con el 50 al 60% de los materiales naturales) permite una excelente ventilacin, y, por ello, las alturas pueden ser bastante grandes, hasta 12 metros. Figura 8.14. Se recomiendan cargas hidrulicas altas, de 40 200 m3.m-2.d-1. No es imprescindible una sedimentacin primaria previa cuando se emplea relleno de material plstico, porque los peligros de tupicin disminuyen considerablemente.

Figura 8.14. Esquema de filtro percolador de alta carga (torre empacada)

8.7.4 Filtros percoladores de carga super alta

Estos filtros percoladores bacterianos suelen trabajarse con relleno de plstico. Slo resultan econmicos cuando se utilizan con carga elevada, de 0,8 a 6 kg m-3 d-1, con el fin de obtener un rendimiento de eliminacin de DBO del 50 al 70%. Constructivamente, esta variante es similar a la de los filtros de alta velocidad.8.8. Nitrificacin en filtros percoladores

Uno de los problemas importantes de la nitrificacin con lechos bacterianos es que, contrariamente a lo que sucede con fangos activados, en los que los tiempos de permanencia son relativamente largos (horas), los tiempos de retencin en los filtros percoladores son de minutos. Por ello no siempre ocurre la transformacin del nitrgeno orgnico en amoniacal, aunque en los compuestos ms fcilmente amonificables como la urea si se presenta.

Otro aspecto significativo de la nitrificacin en filtros percoladores es la alta sensibilidad a la temperatura de las bacterias que producen la nitrificacin (Nitrobacter y Nitrosomonas). En un tratamiento con lodos activados, la disminucin de la temperatura del agua en los reactores de aireacin es relativamente pequea (en el caso ms extremo es, como mximo, de 2 a 3 C). En cambio, en percoladores la reduccin puede ser mayor, aunque se tomen precauciones para reducir la circulacin del aire para evitar la disminucin de temperatura.

Las reacciones de transformacin y fenmenos que tienen lugar cuando ocurre nitrificacin ya fueron descritos en el captulo 6 Los percoladores de baja carga son ms propensos a entregar efluentes nitrificados que los de carga alta o media. .Cuando es requisito entregar un efluente nitrificado y se emplean filtros percoladores en el tratamiento, suelen utilizarse filtros en serie, ocurriendo la nitrificacin en el segundo de la serie.8.9. Ecuaciones de diseo

Son muchos y diversos los mtodos reconocidos que son empleados en el diseo de los filtros percoladores. Los ms comnmente utilizados son los empricos. Entre estos est el diseo teniendo en cuenta las cargas hidrulicas y orgnicas. Otro mtodo emprico muy utilizado es el del Nacional Research Council (NRC).

8.9.1 Mtodo del NRC

Este mtodo fue propuesto por el Nacional Research Council de Estados Unidos hace ya ms de 70 aos. Est basado en la experiencia de la operacin de filtros percoladores que trataban fundamentalmente aguas residuales equivalentes a las municipales. Los resultados de los diseos que se obtienen mediante las ecuaciones del NRC deben verificarse a travs de su comparacin con el estimado de las cargas hidrulica y orgnica que se obtienen.

De acuerdo con el mtodo de diseo del NRC, el volumen del relleno de un filtro percolador depende de la eficiencia de eliminacin de DBO, el flujo msico de DBO que entra a la etapa biolgica del sistema de tratamiento, y la recirculacin que se fije,

8.8donde

V: volumen del relleno (m3)

E: eficiencia de depuracin incluyendo la eficiencia del sedimentador secundario y la recirculacin (%)

W: flujo msico de DBO que entra al filtro sin incluir recirculacin (kg.d-1)

F: factor relacionado con la relacin de recirculacin segn la ecuacin 8.9

8.9

EMBED Equation.3

8.10No obstante lo extendido de su empleo, el mtodo del NRC tiene limitaciones que lo hacen poco recomendable para el diseo cuando las aguas residuales no son de origen domstico. El mtodo no toma en consideracin elementos importantes del funcionamiento de los percoladores, tales como la carga hidrulica aplicada en el proceso, tipo de relleno, ni el efecto de la temperatura.

8.9.2 Modelo de Primer Orden El modelo de Primer Orden es el resultado de estudios de laboratorio y anlisis de informacin en plantas en operacin.

Existen evidencias experimentales que demuestran que el proceso de depuracin en los filtros percoladores cumple con una cintica de primer orden, adems de que la carga hidrulica tiene una influencia significativa en la eficiencia del proceso, as como la cantidad de biomasa en contacto con el agua residual. De acuerdo con todo esto, el modelo de Eckenfelder para el diseo de los filtros percoladores se formula,

8.11donde

So: DBO del afluente al filtro

Se: DBO soluble del efluente del filtro

AV: rea especfica del relleno (m2.m-3)

H: profundidad o altura del relleno

(: carga hidrulica (m3.m-2.d-1)

n: exponente que vara entre 0,5 y 1,0 que depende del relleno

kt: constante de velocidad del proceso a tC

La constante (kt) que describe la cintica depende de la temperatura, segn la funcin tpica de Arrhenius,

8.12

donde

kT: temperatura a t C

: 1,047

Los valores de k20 y de n se obtienen de la literatura o de pruebas realizadas en el laboratorio.

En ausencia de otra informacin normalmente para relleno de piedra se considera n = 0,66 y para plstico, n = 0,50.

Transformando la ecuacin 8.11 puede obtenerse una expresin prctica para calcular el volumen de relleno que se necesita para determinadas condiciones,

Cuando no se emplea recirculacin,

8.13Cuando se necesita recirculacin,

8.14donde

Qr: flujo de recirculacin

Ejemplo 8.1Calcule por el mtodo del NRC el volumen de relleno que se necesita necesario para tratar 1 000 m3d-1 de un agua residual urbana cuya concentracin de DBO5 es 170 mgL-1 si se requiere un efluente con una DBO de 25 mgL-1. Considere una altura del relleno igual a 2,0 m.

Solucin

Teniendo en cuenta los valores de las concentraciones del afluente y el efluente, la eficiencia E deber ser de,

E = 82 %

Asumiendo inicialmente que no habr recirculacin, R = 0, y segn la ecuacin 8.9,

F = 1

El flujo msico W se calcula,

W = Q.DBO = 170.1 000.10-3 = 170 kgm3d-1

Sustituyendo en la ecuacin 8.8,

m3Si H = 2,0 m, entonces el rea ser,

A = 346 m2Verificando los valores de carga hidrulica y carga orgnica:

m3m-2d-1

kgm3d-1El valor de la carga hidrulica est dentro del intervalo que corresponde a los sistemas sin recirculacin, sin embargo, la carga orgnica es superior al valor mximo recomendado de 0,2 kgm3d-1 para R = 0. (Tabla 8.1)

Para buscar que la carga hidrulica sea compatible con el valor de carga orgnica, se propone recircular parte del efluente segn el esquema,

Asumiendo R = 1, F = 1,65

= 100 mgL-1

Si H = 2,0 m, entonces el rea ser,

A = 360,5 m2Verificando los valores de carga hidrulica y carga orgnica:

m3m-2d-1

kgm3d-1Para R = 1, los valores tanto de carga hidrulica como de carga orgnica estn dentro del intervalo correspondiente a los filtros percoladores de carga media. (Tabla 8.1)

Por lo tanto, las dimensiones del filtro son:

Volumen de relleno: 721 m3rea del filtro: 360,5 m2

Altura del relleno: 2 m

Condiciones de la operacin:

Flujo de afluente: 1 000 m3.d-1DBO del afluente: 170 mgL-1

DBO del efluente: 30 mgL-1Flujo de recirculacin: 1 000 m3.d-1 (R = 1)

Carga hidrulica: 5,54 m3m-2d-1Carga orgnica: 0,27 m3m-2d-1NOTA: Por condiciones propias de la manera en la que se obtuvo originalmente la ecuacin del NRC es de destacar:El valor W del filtro es el mismo con y sin recirculacin

El valor de la eficiencia E se toma igual con recirculacin que sin ella

Para la comprobacin de carga hidrulica y carga orgnica si se toma en consideracin la recirculacin

Ejemplo 8.2

Hallar las dimensiones y variables de operacin de un filtro percolador que se desea proyectar para tratar 2 000 m3.d-1 de un agua residual con una DBO de 400 mg.L-1 si se necesita que la DBO del efluente sea de 40 mg.L-1. Utilizar el modelo de primer orden de Eckenfelder. Se conoce que n = 0,5; k = 0,01, y el relleno del que se dispone es de material sinttico y tiene un rea especfica (AV) de 120 m2.m-3.

Aunque la DBO del afluente al filtro es alta, puede realizarse un primer intento de buscar las dimensiones considerando que no hay recirculacin.

SolucinSin recirculacin, sustituyendo en la ecuacin 8.13

m3Como el material de relleno o empaque es de material plstico, puede asumirse inicialmente una altura superior a los 2 m.

Asumiendo H = 3,5 m, el rea del filtro puede calcularse,

EMBED Equation.3 m2Verificando los valores de carga hidrulica y carga orgnica para la variante en la que no hay recirculacin, R = 0.

m3.m-2.d-1

kg.m-3.d-1El valor de la carga hidrulica puede aceptarse para un proceso sin recirculacin. Sin embargo, la carga orgnica es superior a lo admisible para esa variante, por lo que se asumir recirculacin.Considerando R = 1 ( Qr = Qo )

Utilizando el mismo esquema del ejemplo 8.1, puede calcularse la DBO que entra al filtro (Sm)

mg.L-1

sustituyendo en la ecuacin 8.14 para estimar el volumen cuando hay recirculacin,

m3Manteniendo el valor de la altura H = 3,5, se calcula la nueva rea, A = 720 m2Verificando los valores de carga hidrulica y carga orgnica,

= 5,5

BV = 0,38

Comparando los valores de carga con los de la tabla B, puede concluirse que el filtro ser de carga media.8.10. Sedimentador secundario La sedimentacin secundaria en los filtros percoladores tiene por objetivo eliminar la mayor cantidad posible de las materias en suspensin contenidas en el efluente del lecho bacteriano. En algunos casos estos slidos ya existan a la entrada del filtro porque pudieron no haber decantado en el sedimentador primario, por lo que estn constituidas principalmente por materias no sedimentables coloidales, no eliminadas en la decantacin previa. A stas hay que aadir la produccin de biomasa del lecho, formada por parte de pelcula que se ha desprendido. La biopelcula absorbe una parte de los coloides de entrada, que se convierten as en sedimentables. Una fraccin del sobrenadante del sedimentador secundario es el que se regresa hacia la entrada del filtro cuando hay recirculacin.

Ejemplo 8.3Estudie el efecto de la recirculacin en los procesos de filtros percoladores sobre la eficiencia de purificacin, variando la relacin de recirculacin entre 0 y 5. Asumir que k.AV = K = 0,25 y que n = 1. Considere como criterio original que cuando R = 0, la carga hidrulica es de 7 m3.m-2.d-1

Solucin

;

;

;

resolviendo para S,

R

00,9650,965

10,9820,965

20,9880,965

30,9910,965

40,9930,965

50,9940,965

Como se aprecia de la tabla, la recirculacin no afecta la eficiencia

Ejemplo 8.4Un filtro percolador debe tratar 864 m3.d-1 de un agua residual sedimentada que contiene una DBO de 200 mg.L-1. Estime el volumen necesario y rea de filtro segn el mtodo del NRC, para lograr un 80% de reduccin de la DBO con un filtro de 1,8 m de altura de empaque.

Solucin

se asume como primera opcin que no hay recirculacin, por tanto F = 1

kg.d-1

m3 ; si H = 1,8 m, A = 349 m2Es necesario verificar los valores de carga hidrulica y orgnica para determinar si se corresponden con los de un filtro sin recirculacin,

m3m-2 ;

kg.m-3.d-1Se aprecia que sin recirculacin, la carga orgnica sera superiora lo recomendado en la tabla 1, entonces puede asumirse R = 1,

Sm se calcula mediante un balance de DBO a la entrada del filtro

Sm = 120 mg.L-1F = 1,65

m3 ; si H = 1,8 m,A = 127 m2Verificando los valores de carga,

m3.m-2; kg.m-3.d-1Para R = 1, el valor de las cargas hidrulica y orgnica coinciden con las de un filtro de alta carga.

Por lo tanto el volumen y altura del relleno son respectivamente 228 m3 y 127 m2Ejemplo 8.5 Utilizando el modelo de Eckenfelder, calcule el rea necesaria para tratar 20 000 m3.d-1 de un agua residual cuya DBO5 a la salida del sedimentador primario es 150 mg.L-1. Se van a utilizar 2 biotorres en paralelo, de 7 metros de altura con un relleno con un rea especfica de 150 m2.m-3. Se desea un efluente con una DBO5 igual a 10 mg.L-1. Considere el empleo de recirculacin de forma tal que R = 2. Adems k = 0,00011 y n = 1

Solucin

mg.L-1

el volumen total es,

m3volumen por torre = 2 965 m3rea superficial de cada torre = 423,6 m2si son cuadradas: largo = ancho = 20,58 m

BIBLIOGRAFA1. Eckenfelder, W.W. and Barnhart, W. (1963). Performance of a High-rate Trickling Filter Using Selected Media. Jour. Water Poll. Control Fed. Vol 35, p.15352. Bruce, A.M. and Merkens, J.C. (1973). Further Studies of Partial Treatment of Sewage by High-rate Biological Filtration. Jour. Water Poll. Control. Vol 72, No. 5 3. Galler, W.S. and Gotaas, H.BR (1964). Analysis of Biological Filter Variables. Jour. San. Eng. Div. ASCE, 90, No 6.5. Menndez, C. y Prez O, J. (2007). Procesos para el Tratamiento Biolgico de Aguas Residuales Industriales. Ed. Flix Varela.

6. Menndez, C., Prez O. J. y Garca, J. (2005). Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales Mediante Fltros Percoladores. Control de la Operacin, Mantenimiento y Muestreo. Monografa. CUJAE 7. National Research Council. (1948). Trickling Filtres (Treatment at Military Institutions), Sewage Works J., Vol 18, No. 5 8. Schulze, K.L. (1960). Load and Efficiency of Trickling Filters. Jour. Water Poll. Control Fed. Vol 32, p.2959. US Environmental Protection Agency (1974). Process Design Manual for Upgrading Wastewater Treatment Plant. Technol Transfer series. Contract No. 14-12-933

soporte

recirculacin

efluente

afluente

EMBED Equation.3

Qr , Se

Se

Sm

Qo , So

extraccin de biomasa

carga orgnica

carga hidrulica

recirculacin, R

EMBED PBrush

Filtro percolador

Sedimentadores

distribuidor

lecho de piedra

lecho abierto por la base para circulacin de aire y captacin del efluente

colector de salida

EMBED PBrush

DBO

O2 , aire

cidos orgnicos

capa aerobia

capa anaerobia

capa de limo

lodo a estabilizarse

Qr

Sm

3

2

1

Se

So , Qo

261

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