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Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico del Agua

Módulo de Modelización y Simulación de Plantas de Tratamiento de Agua Prohibida toda reproducción parcial o total de este documento sin autorización Página 1 de 48

En el tratamiento de las aguas residuales se generan unos subproductos denominados FANGOS, donde se concentra la contaminación eliminada

Fundamentalmente hay dos fuentes de producción de fangos:

- Tratamiento primario

- Tratamiento secundario

Los fangos generados en una depuradora se pueden clasificar en:

- Fangos primarios: proceden de una decantación física o físico-química.

- Fangos biológicos o secundarios: Proceden de tratamiento secundario (fangos activos o lechos bacterianos). Pueden ser de origen aerobio o anaerobio

FANGO PRIMARIO: Son de consistencia limosa y color de marrón a gris, volviéndose sépticos y dando olor con gran facilidad. Tienen características abrasivas; tamaño, forma de la partícula y potencial Z muy variable



FANGO SECUNDARIO AEROBIO: Son relativamente ligeros y de color marrón, con características lubrificantes.

Están formados por flóculos de escasa cohesión. Debido a la gran cantidad de microorganismos que contienen se vuelven sépticos con facilidad

FANGO SECUNDARIO ANAEROBIO: Sus características son variables en función de la proporción y concentración de sus componentes básicos.

Los fangos producidos en ambos tratamientos tienen:

- Gran cantidad de agua (95-97 %)

- Ocupan un volumen importante

- Son putrescibles

- Contienen microorganismos patógenos

Debido a todo ello, deben tratarse antes de su vertido o evacuación final

La cantidad de fangos producidos en el tratamiento de las aguas residuales suele ser al 50 % entre los fangos primarios y secundarios



La cantidad de fango primario en kg/día, será:

FP (kg/día) = Qwp · SSr · 10-3

La concentración y caudal del fango primario extraído está relacionado con el caudal de materia en suspensión que entra en la planta a través del rendimiento del proceso de decantación primario.

La cantidad total de fangos secundarios producidos estará en función de:

[Cantidad de materia orgánica eliminada (A)] - [Respiración endógena de microorganismos (B)] + [Sólidos en suspensión no degradables (C)] - [Sólidos en suspensión que salen del efluente (D)]

FS = A - B + C + D

Cantidad de materia orgánica eliminada:

1er sumando: A

Respiración endógena de los microorganismos:

Cuando los microorganismos han consumido toda la materia orgánica utilizable como alimento, empiezan a alimentarse de sus propias reservas. Esto se traduce en una disminución de la biomasa y por lo tanto del volumen de sólidos del producto final



2o sumando: B

Sólidos en suspensión no degradables:

3er sumando: C

Los kg de MeS pasarán a ser kg de fango, ya que no sufren ninguna transformación

Sólidos en suspensión que salen como fango con el efluente:

4o sumando: D

Los kg de MeS pasarán a ser kg de fango que salen con el efluente

La cantidad de fango producido en el tratamiento secundario será:

FS = A – B + C – D

B → Negativo al ser una reducción de volumen de sólidos

D → Negativo porque los sólidos en suspensión no han pasado a formar parte del fango sino que salen con el efluente



Valores habituales de algunos parámetros que intervienen en la expresión que nos permite calcular la cantidad de fangos secundarios producidos

Factores que afectan a la producción de fangos secundarios:

• Edad del fango • Carga másica • Procesos de nitrificación • Composición del agua

Concentración de oxígeno y temperatura

El fango está formado por sólidos fijos (minerales) y sólidos volátiles (orgánicos). El peso específico de los sólidos del fango (Pef) se calcula a partir de la expresión:

Fórmula para calcular el volumen del fango:



Las características de los fangos dependen del efluente, tipo de tratamiento y forma de su explotación.

Distinguimos cuatro tipos: Físicas, químicas, biológicas y bioquímicas

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS:

- Peso específico: Es el peso de un determinado volumen de fango.

- Concentración de sólidos: Fracción de peso en un volumen dado, de sólidos totales respecto del peso total de fango

SEDIMENTABILIDAD:

Parámetro que caracteriza la facilidad de la separación entre las fases sólida y líquida del fango

Añadir un litro de fango en una probeta, mezclar de forma homogénea y dejar sedimentar durante un cierto tiempo.

Unidades: mL de sólidos en suspensión/ L de fango

ÍNDICE VOLUMÉTRICO DE FANGOS (SVI) o Índice de Molhman:

Es el volumen en mL que ocupa 1 gramo de fango seco después de un determinado tiempo de decantación (30 minutos) en un cono Imhoff.

Materia seca: Cantidad total de sólidos que contiene el fango evacuado a sequedad a 105º C



Otros parámetros físicos:

• Tamaño de partícula. • Viscosidad. • Resistencia Específica. • Compresibilidad

Características químicas:

• Poder calorífico. • Valor fertilizante y alimenticio. • Contenido de microcontaminante (orgánica e

inorgánica). • Vitaminas

Características biológicas:

• Taxonomía • Patogeniedad

El fango producido en las plantas de tratamiento debe transportarse de un punto a otro de la planta, en distintas condiciones según sus características físicas (textura, grado de espesamiento, etc.)

Es necesario disponer de un tipo de bomba diferente para cada tipo de fango y aplicación de bombeo



Las bombas utilizadas más frecuentemente en el transporte de fangos son:

• Bombas de émbolo. • Bombas de capacidad progresiva (para todo tipo de

fangos). • Bombas centrífugas: para bombeo de fango

primario. • Bombas de vórtice: para recirculación de fango

activado. • Bombas de diafragma. • Bombas de pistón de alta presión: para bombeo de

fangos a larga distancia. • Bombas de pistones rotativas

Aplicación de las bombas para los diferentes tipos de fangos: primarios, químicos, procedentes de filtros percoladores, activos, espesados y digeridos

Pérdida de carga: Es la disminución que experimenta la carga hidráulica de un fluido debido a un rozamiento con un sólido.

Carga hidráulica (Q): volumen en m3 de agua aplicada, que pasa por m2 de superficie del lecho y tiempo.

Esta carga es la que condiciona la velocidad de paso del fluido a través del material.

Factores que afectan al proceso de pérdida de carga:

• Propiedades del fango (reología): estudio de la deformación y el flujo de la materia, especialmente en fluidos no newtonianos.

• Diámetro de la conducción. • Velocidad de circulación. • Contenido de sólidos. • Presencia de materia volátil. • Temperatura



Los fangos activados y los fangos procedentes de filtros percoladores sin concentrar se consideran no newtonianos y tienen un comportamiento similar al del agua.

Al ser Newtonianos (cumplen la ley del rozamiento de Newton), la pérdida de carga en condiciones de flujo laminar es proporcional a la velocidad y a la viscosidad

Cálculo simplificado de la pérdida de carga aplicado a conducciones de corta longitud (que suele ser el caso de las conducciones de fangos en las plantas de tratamiento): se calcula multiplicando la pérdida de carga producida con agua por el factor K

La pérdida de carga producida con el agua se calcula aplicando las ecuaciones de Darcy-Weisbach, Hazen-Williams o Manning.

El factor K se obtiene a partir de curvas empíricas para un tipo de fangos y contenido de sólidos determinado

Los fangos concentrados NO son fluidos newtonianos, de forma que la pérdida de carga en condiciones de flujo laminar no es proporcional a la velocidad (viscosidad no constante)

El cálculo de la pérdida de carga en el bombeo de estos fangos a largas distancias, se hace considerando la REOLOGÍA del fango

Se ha observado que el fango tiene el comportamiento de un plástico de Bingham, sustancia que no presenta una relación lineal entre la velocidad de flujo y las tensiones tangenciales una vez iniciado el flujo



Un plástico de Bingham queda definido por el valor de dos constantes:

a) Tensión: Sy

b) Coeficiente de rigidez neta: η

Para determinar la pérdida de carga experimentada por el fango, debida a la fricción, se emplean dos números adimensionales:

a) Número de Reynolds

b) Número de Hedstrom

Dilaceración: Proceso por el que los sólidos de gran tamaño contenidos en un fango, son cortados o desmenuzados en partículas más pequeñas para evitar obturaciones en los equipos rotatorios

Desarenado: Método de eliminación de arenas de una masa de fango en movimiento, mediante aplicación de fuerzas centrífugas

El objetivo del desarenado es obtener un fango más concentrado en materia orgánica.

La eficiencia del proceso es mayor cuanto más diluido esté el fango



Mezcla de fango primario, secundario y procedente de tratamientos avanzados, para conseguir que llegue un fango más uniforme a los siguientes procesos de tratamiento

Formas de mezclar los fangos:

1.- En tanques de decantación primaria.

2.- En tuberías.

3.- En instalaciones de tratamiento de fangos (con

largos tiempos de retención).

4.- En tanques de mezcla independiente

El objetivo del almacenamiento es contrarrestar las fluctuaciones de la producción de fangos, acumulando los mismos durante determinados periodos (por ejemplo cuando la planta esté fuera de servicio)

En la mayoría de los procesos de tratamiento de aguas residuales se generan fangos que deben ser tratados de forma adecuada para su posterior evacuación

Estos lodos concentran una fracción importante de las sustancias contaminantes que contenía el agua residual.

La secuencia de los procesos de tratamiento de estos lodos se refleja en la pantalla



La concentración de sólidos en el fango después de cada una de las etapas del tratamiento aparecen reseñadas en la figura

El objetivo del proceso de concentración de sólidos en un fango es reducir el volumen del fango con el fin de economizar en cuanto a equipamiento y tiempo de retención de las unidades posteriores al espesamiento

Tipos de fangos:

-Primarios: procedentes de la decantación primaria.

-Secundarios: procedentes de procesos biológicos.

-Mixtos: mezcla de los anteriores

Las técnicas de espesamiento a aplicar son diferentes en función de las características de los fangos



Un espesador es un separador de la fase sólida y líquida de un fango. Su funcionamiento es similar al de un decantador aunque trabaja con concentraciones iniciales de sólidos en suspensión superiores y obtiene concentraciones finales de sólidos elevadas

Un espesador por gravedad es un tanque de sección generalmente circular que dispone de un sistema rotativo de rasquetas de fondo, similar al de los clarificadores. Su objetivo es conseguir un lodo concentrado a extraer por el fondo

Su diámetro puede oscilar entre 3 – 30 m, su altura entre los 2-5 m y su pendiente de fondo entre 10 – 25 %. La velocidad recomendable para la línea de bombeo de fangos es de 1 – 2 m/s

Para el diseño de estos espesadores se considera que la sedimentación se realiza por zonas:

- Las partículas forman una especie de manta que sedimenta como una masa total, presentando una fase distinta con la fase líquida

Los parámetros que necesitamos conocer para realizar el diseño de espesadores son: área, volumen y profundidad del decantador, carga de sólidos, carga hidráulica



Determinamos el área mínima (AC) necesaria para la clarificación de los lodos y el área mínima (At) para que se produzca espesamiento.

Conociendo AC y At, el diseño del espesador estará gobernado por los requisitos de clarificación (AC > At) o bien por los requisitos de espesamiento (At > AC)

A partir del área se puede calcular el diámetro del espesador.

viene de:

Considerando un tiempo de residencia t, el volumen del clarificador será:

Y por tanto la profundidad del espesador será:



El espesamiento de ciertos tipos de fango, normalmente de origen biológico, se realiza mediante procedimientos de flotación, debido a las características de septicidad , escaso peso específico de los flóculos y débiles características de compactación

Este procedimiento consiste en introducir pequeñas burbujas de gas (aire) que se fijan a los sólidos, disminuyendo así el peso específico del conjunto y haciendo que asciendan a la superficie. El fango ascendente se recoge como fango flotado

Aquellos fangos con densidad inferior a la del agua, flotarán de forma natural. En otros casos se hará necesaria una disminución de la densidad de los lodos insuflando aire que se fije a las partículas de fango que se pretenden retirar

La flotación se lleva a cabo sometiendo al agua a un proceso de presurización hasta alcanzar una presión de 2-4 atmósferas, en presencia de aire que permita la saturación en aire del agua. Posteriormente el líquido se somete a despresurización llevándolo a la presión atmosférica.

Debido a esta despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que suben a la superficie arrastrando con ellas los fangos

Un parámetro fundamental en el diseño de espesadores por flotación es la relación entre el aire utilizado y los sólidos (A/S)



El valor de A se obtiene por diferencia en la cantidad de aire disuelto (mg/l) en los puntos (1), antes de la entrada en el espesador, y (2), a la salida del espesador:

A = A1 – A2

a) Para los sistemas sin recirculación:

donde:

Q = m3 de vertido/día

Ci = g aire/m3 de vertido

1/1000 = factor de conversión de gramos a kg

Teniendo esto en cuenta el valor de A será:

b) En el caso de que haya recirculación:

donde:

R = m3/d que se recirculan

Ci = g de aire/m3 de vertido

1/1000 = factor de conversión de g a kg



Teniendo esto en cuenta, el valor de A será:

Calculamos la cantidad de sólidos en el afluente (Xo):

donde:

Q = caudal de vertido m3/día

Xo= concent. de sólidos en suspensión en el afluente

Sustituyendo los valores de A y S:

a) Sin recirculación

b) Con recirculación

Otras expresiones para el cálculo de A/S sería:

Para flotación sin recirculación:



Para flotación con recirculación:

Otro parámetro importante a tener en cuenta en el diseño es la carga hidráulica (relación entre caudal total que entra al espesador por área del mismo).

Su valor debe estar comprendido entre 0,3 y 1 l/m2⋅s. Por encima de este valor se originan turbulencias que hacen inestable la capa de fangos formada

El espesador por centrifugación permite separar las partículas sólidas del agua por aplicación de una fuerza centrífuga entre 800 y 2000 veces el valor de la fuerza de gravedad. En estas condiciones el tiempo necesario para el espesamiento es mínimo

El rendimiento de los espesadores centrífugos se cuantifica mediante el porcentaje de captura, definido como:

donde:

Cr = Concentración de sólidos en el agua resultante

del proceso de centrifugado, mg/l.

Cc = Concentración de sólidos en la torta, mg/l.

Cs = Conctr. de sólidos en el fango alimentado, mg/l



Los costes energéticos y de mantenimiento del espesamiento por centrifugación pueden ser importantes. Por tanto, este proceso se lleva a cabo en plantas con capacidad superior a 20.000 m3/día y mano de obra cualificada

La digestión aerobia en un proceso de destrucción de células con la consiguiente disminución de sólidos en suspensión volátiles (VSS) mediante una aireación del lodo durante un determinado tiempo

Este proceso de digestión consiste en la oxidación de una parte del lodo (VSS de fórmula C5H7NO2) transformándolo en productos volátiles (CO2, NH3, H2)

El tiempo de residencia de los fangos en un proceso de digestión aerobia es menor que en la digestión anaerobia, por lo que serán necesarios digestores de menor volumen



La información básica para el diseño que se obtiene del reactor discontinuo a escala de laboratorio es:

1.- Sólidos volátiles en suspensión VSS (mg/L) en función del periodo de aireación (días).

2.- Velocidad de utilización de oxígeno, VUO (mg/L.h) en función del tiempo de aireación (días).

El otro parámetro de diseño a calcular es la cantidad de oxígeno por unidad de tiempo, a insuflar por los aireadores en el digestor aerobio

Para obtener los datos en continuo hay que partir de los datos de velocidad de utilización de oxígeno (VUO en mg/l) obtenidos en un reactor discontinuo de laboratorio trabajando a 20 ºC

Medimos a distintos tiempos la velocidad de utilización del oxígeno (variación de la concentración por unidad de tiempo) y representamos gráficamente los valores obtenidos.

Se determina el área limitada por la curva resultante y la recta t=0 y t=tiempo de retención calculado

Esta área equivale al oxígeno consumido (mg/L) para un reactor discontinuo con una concentración inicial de VSS, Xo y aireado durante un tiempo t.



Este es el valor medio de la velocidad de utilización de oxígeno para un reactor discontinuo

Suponiendo que la velocidad de utilización del oxígeno es proporcional a la reducción de VSS en el proceso, el valor medio del funcionamiento en discontinuo se corrige para las condiciones del digestor continuo por la relación

Como la velocidad es proporcional a la concentración, el factor de corrección se expresa como concentraciones en lugar de velocidades

Los kg O2/día requeridos en la aireación se calculan a partir de la VUO y el volumen del digestor

La digestión anaerobia es un proceso donde se produce la descomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno molecular



En el proceso de digestión anaerobia, la materia orgánica contenida en los fangos se convierte biológicamente, bajo condiciones anaerobias, en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2).

El proceso de digestión se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado (digestor) que puede funcionar de forma continua o discontinua

Los digestores anaerobios más empleados son:

a) Los de baja carga

b) Digestores de alta carga

Digestores de baja carga Estos digestores son grandes tanques de almacenamiento, donde no existe ningún elemento que acelere el proceso (el contenido del digestor no se mezcla ni se calienta). La mezcla del lodo la llevan a cabo las burbujas de metano que se producen en el proceso, mientras ascienden a la superficie, produciéndose la estratificación del lodo en el digestor

La carga de sólidos volátiles en estos tanques está comprendida entre 0,4 y 1,6 kg de sólidos volátiles

Kg/ m3 ⋅ día

Digestores de alta carga y una fase: Es un digestor similar al de baja carga, pero con equipos que permiten una aceleración del proceso y con una carga de sólidos mucho mayor.

El fango se mezcla íntimamente mediante la recirculación de gas (mezcladores mecánicos) y se calienta para optimizar la velocidad de digestión



Digestores de alta carga y dos fases: Estos digestores se combinan en serie con un segundo tanque de digestión.

El primer tanque se utiliza para la digestión y se equipa con dispositivos para el mezclado

El segundo tanque se utiliza para el almacenamiento y concentración del fango digerido, y la formación de un sobrenadante clarificado. Su misión es: espesar el fango digerido, servir de reserva del digestor primero, funcionando en las mismas condiciones que éste, almacenar el fango digerido, constituir un margen de seguridad, evitando la fuga del fango fresco, además reduce los gérmenes patógenos

Los factores que afectan al proceso de digestión anaerobia son: las bacterias, fangos que llegan al digestor, temperatura, agitación y mezcla, pH, espesamiento previo del fango, elementos tóxicos

El grupo más importante de bacterias que forman parte del fango son la especie Clostridium, responsable del inicio del proceso de digestión

Otras bacterias presentes en el fango son las formadoras de metano (bacterias metánicas), organismos claves en el proceso de digestión, muy sensibles a las variaciones que se producen en el medio y se desarrollan en un ambiente anaerobio



La llegada de lodos al digestor debe ser:

Uniforme, para no alterar las condiciones del digestor y a intervalos frecuentes y en pequeñas cantidades para no desestabilizar el medio y dar lugar a una etapa de digestión ácida. Esta llegada de lodos puede automatizarse controlando los tiempos entre llegadas, el caudal hidráulico o la cantidad de sólidos (para lo cual hay que medir el caudal de fangos y su densidad)

TEMPERATURA: Las temperaturas entre las que se realiza el proceso de digestión son 10 y 60 ºC y el tiempo requerido para completarlo será respectivamente de 15 a 90 días.

Por debajo de 10 ºC, las bacterias no desaparecen sino que quedan en estado latente y no destruyen la materia orgánica

A medida que aumenta la temperatura, disminuye el tiempo de retención en el digestor, para que se produzca la estabilización del fango

AGITACIÓN Y MEZCLA: Se recomienda la agitación del lodo para conseguir una masa homogénea de fango, unificando así sus características evitando la estratificación y funcionamiento desigual de la instalación

CONTROL DE pH: Es necesario un control riguroso del pH, ya que las bacterias son muy sensibles a sus cambios. A valores extremos de pH las bacterias permanecen en estado latente

ESPESAMIENTO PREVIO DEL FANGO: El espesamiento previo del fango se lleva a cabo para disminuir el volumen de fangos a manejar, siendo necesarios digestores de menor tamaño (ahorro económico)



ELEMENTOS TÓXICOS: Un material es biológicamente tóxico cuando está en disolución, ya que así puede atravesar la pared celular y alterar al organismo.

También influye la concentración del elemento tóxico así como la forma de llegar a esa concentración (de 1 o varias veces).

Los elementos potencialmente tóxicos son: Ácidos volátile, Metales pesados (Cd, Cr, Cu, Hg), Metales ligeros (Ca, Mg, K, Na), Disolventes químicos y otros radicales (tolueno, benceno, acetona, etc),Materiales radiactivos.

Los parámetros característicos de diseño para proceso de digestión anaerobia son los siguientes: Edad del lodo, Volumen del digestor, Volumen de metano producido, y masa de sólidos biológicos sintetizados diariamente

El volumen del digestor anaerobio se calculará según la expresión

V= Qo. t = Qo. θc

Siendo Qo = caudal del fango

t = tiempo de retención hidráulico

θc = edad del fango

Para poder calcular el volumen del digestor V necesitamos conocer el caudal del fango Qo, que se calcula aplicando la fórmula conocida de:



Masa de tejido celular producida por día (Px) o carga de sólidos volátiles producidos por día. Se calcula:

El volumen de metano generado se puede calcular con la expresión:

V CH4 = 0,35 [Q(So-S) 10-3 – 1,42 Px ]

Donde 0,35 es la cantidad teórica de metano producida en la conversión completa de un Kg de DBO a metano y dióxido de carbono, m3 CH4 / Kg DBO

El acondicionamiento del fango se lleva a cabo para mejorar sus características de deshidratación



Los dos métodos más comúnmente empleados en este acondicionamiento son:

- Adición de reactivos químicos.

- Tratamiento térmico

El ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO consiste en añadir reactivos químicos que den lugar a la coagulación de los sólidos y a la liberación del agua absorbida en el fango

El TRATAMIENTO TÉRMICO es un proceso de estabilización que implica el calentamiento del fango bajo presión durante cortos periodos de tiempo

Otro método empleado, sobre todo en el pasado, para el acondicionamiento del fango, es la elutriación.La elutriación es un proceso en el cual se mezcla un sólido o mezcla de sólido y líquido, con otro líquido, para conseguir transferir ciertos componentes del sólido al líquido

El acondicionamiento químico consiste en añadir reactivos químicos que den lugar a la coagulación de los sólidos y a la liberación del agua absorbida en el fango



Los productos químicos empleados en este acondicionamiento son: cloruro férrico, cal, alúmina y polímeros orgánicos

Los polímeros no provocan un aumento notable de los sólidos secos, mientras que las sales de hierro y cal pueden provocar aumentos del 20-30 %.

Según la Naturaleza de los sólidos a tratar, el acondicionamiento químico permite reducir la humedad del fango desde el 90-99 % hasta el 65-85 %.

Los factores que afectan a la elección de los reactivos y a su dosificación son:

- Propiedades del fango.

- Tipo de dispositivos de mezclado y deshidratación a utilizar

Las propiedades del fango a considerar son: su procedencia (fangos primarios, fangos activos y fangos digeridos), la concentración de sólidos, la edad, el pH y la alcalinidad

La dosis de productos químicos a añadir para el acondicionamiento de un fango se determina mediante ensayos de laboratorio



Estos ensayos son:

- El Buchner Funnel Test.

- El Capillary Suction Time Test (CST).

- El Jar-test convencional

El mezclado fango-coagulante no debe romper el flóculo ya formado y se debe minimizar el tiempo de detención para que el fango llegue lo antes posible a la unidad de deshidratación, después del acondicionado

Según el método de deshidratación que se aplique después del acondicionamiento, tendremos necesidades de mezclado diferentes

Antes de los filtros de vacío o filtros prensa, se dispone un tanque de mezcla y floculación independiente

Antes de los filtros banda, se dispone un tanque de floculación independiente, o se añade el reactivo directamente a la tubería de alimentación al filtro



El tratamiento térmico es un proceso de estabilización que implica el calentamiento del fango bajo presión durante cortos periodos de tiempo

Como consecuencia de este proceso, el fango se esteriliza y deshidrata rápidamente

El acondicionamiento por tratamiento térmico se suele aplicar a los fangos biológicos, que son difíciles de acondicionar por otros métodos

Además, requiere elevados costes de inversión de los equipos asociados, por lo que solo se suelen aplicar a grandes plantas de tratamiento

El sobrenadante obtenido en el tratamiento térmico presenta un elevado contenido de DBO, por lo que puede necesitar un tratamiento auxiliar antes de su incorporación a la línea principal de tratamiento del agua residual

Ventajas del tratamiento térmico:

a) Contenido en sólidos del fango deshidratado oscila entre 30-50 %.

b) El fango del proceso no suele precisar acondicionamiento con productos químicos

c) Estabiliza el fango y destruye la mayoría de organismos



patógenos.

d) El fango del proceso tiene un gran poder calorífico entre 28 y 30 kJ/g de sólidos volátiles.

e) Proceso insensible a las variaciones en la composición del fango

Inconvenientes del tratamiento térmico:

a) Elevado coste de inversión.

b) Necesidad de seguimiento continuo y operadores especializados

c) Genera subproductos con alto contenido en materia orgánica.

d) Se producen gases muy olorosos.

e) Se forman incrustaciones en los intercambiadores de calor, conducciones y en el reactor

La deshidratación es un proceso mecánico cuyo objetivo es disminuir el contenido de agua que tiene el fango, de manera que aumente el porcentaje en materia seca para reducir el volumen de dicho fango



Razones para llevar a cabo un proceso de deshidratación:

a) Costes de transporte.b) Facilidad de manipulación del fango deshidratado.c) Mejorar las condiciones del fango para su posterior manipulación. d) Evitar la generación de olores y que se pudra el fango

Los distintos procesos que se pueden utilizar en la deshidratación son:

- Filtros de vacío - Centrífugas - Filtros prensa - Filtros banda - Eras de secado

La selección del sistema de deshidratación a aplicar dependerá de: características de la planta (p. e. espacio disponible), tipo de fago a deshidratar y destino final de los mismos

Para deshidratar mecánicamente un determinado fango se deben llevar a cabo estudios, en laboratorio o bien en planta piloto. En este caso, los fangos deberían ser acondicionados, química o térmicamente

Filtración a vacío: Son un sistema mecánico de deshidratación de fangos.

En los últimos años se han ido sustituyendo por otros sistemas de mantenimiento más sencillo y de menor coste energético



Consiste en un gran cilindro rotatorio, sobre el que descansa el medio filtrante que gira semisumergido en un baño de fango previamente acondicionado.

En el interior del cilindro se aplica vacío, con lo que el agua penetra y el fango queda retenido sobre la superficie del cilindro

El cilindro se separa del fango y continua girando y haciendo vacío, con lo que el lodo se concentra más. La pasta se descarga justo antes de que el cilindro penetre en el baño de fango.

En la práctica, para determinar la capacidad de filtración se utilizan los kg de materia seca retenida por m2 de superficie filtrante y por hora (kg MS/m2·h)

Este parámetro suele estar comprendido entre 20 y 35 kg MS/m2·h

Teóricamente, se puede calcular la capacidad de producción (L) de un filtro a vacío, aplicando la siguiente ecuación:

Donde:

k = Término de corrección; Depende de la resistencia propia del material filtrante (varía entre 0,75 y 0,85). P = Vacío aplicado. C = Concentración en materia seca del fango a acondicionar. n = Fracción de inmersión del tambor (varía de 0,25 a 0,40). T = Duración total de la rotación del tambor r = Resistencia específica del fango acondicionado a la presión P.

η = Viscosidad dinámica del filtrado (próximo a 1,1 · 10-3 Pascales · s, a Tª ambiente.



La concentración de entrada del fango en el filtro debe oscilar entre 3 y 8 %. Con concentraciones inferiores no se consiguen buenos rendimientos y con valores superiores al 8 % existen problemas de atascamiento de tuberías

El área del tambor se selecciona de acuerdo con el tipo de fango y el periodo de filtración

Para calcular el tamaño del filtro se debe considerar el contenido de humedad deseado para la torta del fango (fango ya filtrado y deshidratado), que puede reducirse hasta un 75 - 80 %. El espesor de la torta es de 5 a 20 mm

Cuando no se conoce el tipo de filtro ni la calidad del fango, se recomienda una carga de filtración del orden de los 17 kg/m2·h



Es uno de los métodos más antiguos para reducir el contenido de humedad de los fangos de forma natural.

Se suele aplicar al fango estabilizado, en plantas de pequeñas dimensiones o de tamaño medio

Las principales ventajas de las eras de secado son su bajo coste, el escaso mantenimiento y elevado contenido en sólidos del producto obtenido.

Los principales inconvenientes son la necesidad de grandes áreas de terreno, sensibilidad al cambio climático y necesidad de lodo estabilizado

Se utilizan 4 tipos de eras de secado: convencionales de arena, pavimentadas, de medio artificial y al vacío

ERAS DE SECADO DE ARENA: Consisten en incorporar sobre un lecho de arena, que dispone de un sistema de drenaje en la parte inferior, los fangos estabilizados.

La pérdida de agua de los fangos se realiza por drenaje y por evaporación.

Las eras de secado se dividen en unidades constituidas por una capa de arena de 10 cm de espesor, sobre un soporte de grava de 20 cm.

La arena debe tener un tamaño efectivo de grano entre 0,3 y 0,9 mm y un coeficiente de uniformidad no superior a 4

En la parte inferior dispone de tuberías para un drenaje adecuado, con pendientes mínimas ≥ 1 % y separadas entre 2,6 y 6 m.

Las tuberías que conducen el fango a las eras deben estar diseñados para una velocidad de, por lo menos, 0,75 m/s



Las cantidades de agua eliminadas en las eras dependen:

• Características del lodo. • Contenido inicial de materia seca. • Condiciones climáticas. • Espesor inicial de la capa incorporada al lecho.

Naturaleza del material drenante

Los parámetros que intervienen en el proceso son:

Altura del fango incorporado Ho (cm) Concentración de materia seca Co (% M.S.) Carga de sólidos aplicada L (kg/m2);

L = Co · Ho · 10-1

Duración del proceso t Capacidad media de deshidratación del lecho Ld (kg MS / m2·año)

Para diseñar una era de secado es necesario conocer su área. Para determinarla tendremos que considerar los kg de M.S./día del lodo a deshidratar, los kg de MS a tratar por m2 de era de secado y el tiempo requerido para la evaporación

ERAS DE SECADO A VACÍO: Método utilizado para acelerar el proceso de deshidratación y secado de fangos, que se favorece al aplicar el vacío en la parte inferior de las placas porosas del filtro

Etapas en el ciclo operativo de la era de secado:

• Preacondicionamiento del fango mediante adición de polímeros.

• Llenado de las eras con el fango. • Deshidratación del fango por drenaje, primero por

gravedad y después aplicando vacío. • Secado del fango al aire durante 24-48 h.

Extracción del fango deshidratado



Los ciclos operativos duran de 8 a 48 h, consiguiendo concentraciones de sólidos entre 8 y 23 %.

Ventajas de las eras de secado a vacío:

- Menor duración del ciclo. - Es necesaria una menor superficie.

El principal inconveniente es que puede ser necesario realizar procesos adicionales para conseguir un aumento del contenido en humedad

La deshidratación de fangos por centrifugación es un proceso en el cual se aplica la fuerza centrífuga al fango para separar la fracción sólida de la fracción líquida por diferencia de densidades

Existen dos tipos de centrífugas empleadas en la deshidratación de fangos:

a) Cilindro-cónicas.

b) De cesta

La centrífuga cilindro-cónica es la más utilizada. Consiste en una unidad giratoria en la cual se incluye un tornillo de Arquímedes también giratorio en el mismo sentido, pero con velocidad diferente



El tornillo empuja al lodo hacia la sección cilindro-cónica situada en un extremo, de forma que el lodo tiene un tiempo para deshidratarse antes de ser evacuado por las bocas de salida.

El líquido clarificado, que sobrenada en la parte cilíndrica, escapa por unos vertederos y retorna al clarificador primario o espesador de fangos.

Para aumentar la retención de sólidos finos se pueden emplear dos procedimientos:

a) Aumentar el tiempo de detención.

b) Acondicionamiento químico previo

Si el agua residual y la torta salen por el mismo extremo de la máquina, se dice que la centrífuga es de tipo concurrente (para fangos coloidales hidrófilos). En caso contrario, la centrífuga es de tipo contracorriente (para fangos densos)

La torta de fango obtenida contiene del 75 al 80 % de humedad y se descarga a una tolva o cinta transportadora

Es importante que el anclaje de las máquinas sea resistente y poco poco transmisor de las vibraciones y ruidos asociados al uso de centrífugas.

El suministro eléctrico debe ser adecuado, ya que se necesitan motores de gran potencia

Ventajas: - Necesitan menos superficie que otros

sistemas de deshidratación.

- Poco coste inicial de inversión.

Inconvenientes: - Grandes costes energéticos



Los parámetros a tener en cuenta en el diseño de centrífugas son:

Longitud y diámetro del cilindro. Velocidad de giro. Velocidad diferencial del tornillo. Cantidad y tipo de fango, además de su

concentración

El ángulo (α) existente entre la parte cilíndrica y la cónica tiene considerable influencia en el valor del rendimiento. Este ángulo α suele estar comprendido entre 6 y 8 grados.

Cuanto mayor es α, mayor será mayor será la fuerza de reflujo al pasar de la parte cilíndrica a la cónica

Si α es muy elevado, la fuerza de reflujo es muy grande y puede romper la cohesión del fango esperado, quedando nuevamente las partículas en suspensión. Para evitarlo se puede reducir la velocidad de rotación del tambor.

Si α es muy pequeño, la fase de escurrimiento no consigue la sequedad deseada

Los filtros banda son equipos de deshidratación de fangos que incluyen el acondicionamiento químico, drenaje por gravedad y aplicación mecánica de presión para deshidratar el fango

Estos equipos constan de dos cintas de tela sin fin que convergen en forma de cuña, y son conducidas por rodillos mientras presionan mutuamente



En los filtros banda, el fango previamente acondicionado, es introducido mediante una cinta transportadora en una zona de drenaje por gravedad, donde se elimina del 20 al 50 % del contenido inicial de agua del fango

El fango espesado pasa a la zona de compresión donde es prensado entre dos correas porosas. El incremento de presión comienza en la zona de cuña y aumenta a medida que el fango pasa hacia la zona de presión

La presión ejercida sobre la torta aumenta a medida que disminuye el diámetro de los rodillos.

Finalmente, la torta de fango ya deshidratada se separa de las bandas mediante rascadores

El rendimiento de los filtros banda depende de:

• Características del fango. • Método y tipo de acondicionamiento químico. • Presiones aplicadas. • Estructura de la máquina.

Porosidad, velocidad y anchura de las bandas

Las anchuras de los filtros bandas suelen variar entre 0,5 y 3,5 m (lo normal es que sean de 2 m). Las cintas de presión son más tupidas que las cintas de drenaje por gravedad

La capacidad de producción (carga) en los filtros banda, se expresa en kg de materia seca extraída por metro de ancho de banda y por hora (kg MS/m·h).

Según el tipo de fango y la concentración del fango alimentado, las cargas varían entre 90 y 680 kg MS/m·h



A la hora del diseño hay que incluir una ventilación adecuada para la eliminación de sulfuro de hidrógeno u otros gases, y la provisión de protección para evitar que las telas se enganchen entre los rodillos.

Para el diseño de estos filtros se necesita conocer el ancho de banda, que se calculará a partir de la ecuación:

Como el ancho normal de banda es ~ 2 m (0,5-3,5 m), determinamos el número de filtros necesarios:

El rendimiento de los filtros se determina con el cálculo de la captura de sólidos:

Un factor fundamental en un filtro banda es el lavado de las telas filtrantes para evitar que los restos del fango se incrusten en las telas filtrantes produciendo su atascamiento. Se necesita del orden de 5 m3/h por m de ancho de banda de agua de lavado



Los filtros prensa se utilizan cuando se necesita obtener un contenido de sólidos en la torta superior al 35 %.

En estos filtros, la deshidratación se lleva a cabo forzando la evacuación del agua presente en el fango por aplicación de una presión elevada

Básicamente el filtro prensa consiste en un cierto número de bandejas que están colocadas sobre unas guías para garantizar la alineación, siendo sometidas todas juntas a presión por sistemas electromecánicos e hidráulicos entre un extremo fijo y uno móvil

En las caras de cada bandeja va montada una membrana filtrante.

El fango acondicionado químicamente se bombea al espacio existente entre las placas, y se aplica una presión variable que fuerza al líquido a pasar a través de la tela filtrante y de los orificios de drenaje

Al moverse el extremo móvil, se abre la separación entre cada dos bandejas dejando salir la torta de fangos formada.

El espacio que existe entre dos placas en su parte central hueca corresponde al espesor de la torta. Este espesor puede oscilar entre 20-30 mm y la sequedad de dicha torta es superior al 30 %.

Los filtros prensa llevan placas de un máximo de 2 m de lado, pudiendo tener hasta 130 placas.

Los ciclos de filtración varían de 1,5 a 6 horas.

Las telas filtrantes son tejidos de fibras sintéticas y las placas filtrantes se fabrican de distintos materiales

Ventajas: - Alta concentración de sólidos en la torta.

- Obtención de un filtrado muy clarificado.

- Elevadas capturas de sólidos

Inconvenientes: - Complejidad mecánica.

- Elevados costes de reactivos y mano de obra.

- Vida útil limitada de las telas del filtro



Consideraciones en el diseño de instalaciones de filtros prensa:

- Ventilación adecuada del edificio de deshidratación.

- Sistema de lavado a presiones elevadas.

- Disponer de un triturador del fango antes del tanque de acondicionamiento

- Incluir un sistema de rotura de la torta de fango a continuación del filtro prensa (especialmente en caso de posterior incineración):

- Equipos para facilitar la extracción y mantenimiento de las placas

Para eliminar el agua ligada y parte del agua libre presente en el fango, es necesaria una aportación de energía térmica que rompa la red coloidal al elevar la temperatura. Esto se consigue mediante el secado térmico y la incineración

Los sistemas mecánicos de deshidratación vistos en capítulos anteriores, sólo permiten eliminar parte del agua libre contenida en los fangos. Se puede mejorar la capacidad de deshidratación mediante la adición de electrolitos



Cuando hablamos de secado nos referimos normalmente a secado térmico, que consiste en eliminar, aportando calor auxiliar, el agua ligada presente en los fangos

El producto final del secado se reduce prácticamente a materia seca, orgánica y mineral.

Por ello, dicho proceso sólo se prevé cuando el producto final es recuperable y se puede comercializar en forma de abono, o dentro de un proceso de fabricación industrial

La incineración es un proceso que consiste en la eliminación total del agua intersticial y en la combustión de las materias orgánicas de los fangos.

Las cenizas obtenidas de la incineración están constituidas por materia mineral del fango

Todo proceso de incineración comprende una fase de secado ya que para que se inicie la ignición debe haberse evaporado todo el contenido de agua

El secado es el proceso que permite eliminar, aportando calor auxiliar, el agua ligada presente en los fangos



El secado térmico permite obtener un fango seco con concentración de materia seca ≥ al 85 %, obteniéndose una reducción del volumen de fango de salida respecto a la entrada de 1/3 a 1/5.

Las necesidades térmicas para evaporar un kg de agua son, por término medio, unas 750 kcal

Ventajas: - Mayor reducción de humedad del fango.

- Cuando son evacuados a vertedero, se

minimiza el impacto ambiental (bajo

contenido de humedad, sólo 10 %) Inconvenientes: - Problema del olor de los vapores.

- Coste energético

Condiciones que debe cumplir el secado térmico:

• Trabajar a bajo coste energético. • Trabajar sin perjuicio para el medio ambiente. • Suministrar un producto final con el menor

contenido posible de humedad. • Poder tratar un fango bombeable,

independientemente de las oscilaciones del contenido de humedad

En función de la forma de transmisión del calor al fango hay dos tipos de secado:

o Secado por contacto o Secado por convección



Secado por contacto: El calor se transmite al fango a través de una superficie caliente.

El vapor desprendido puede ser evacuado separadamente y ser tratado

El secado por contacto es siempre indirecto; el portador de calor y los fangos a secar no entran en contacto directo

Secado por convección: El calor es transmitido directamente desde el portador de calor al producto, consiguiendo una evaporación uniforme en toda la superficie del granulado y evitando la formación de zonas sobrecalentadas que podrían conducir a la autoignición del producto

En el proceso de secado por convección se pueden distinguir dos tipos:

Directo: Los propios gases de la combustión del generador de calor entran en contacto con el fango a secar

Indirecto: El calor de los gases de escape traspasa a través de un intercambiador de calor al aire, que una vez calentado, será el que aporte la energía térmica suficiente para llevar a cabo el secado

La incineración es el proceso que conduce a la eliminación total del agua intersticial y a la combustión de las materias orgánicas de los fangos, aprovechando el poder calorífico del fango y/o mediante aporte de combustible



La incineración es un proceso de combustión completa.

Los fangos son difíciles de quemar completamente debido a su falta de homogeneidad y a su elevado contenido de materias inertes y agua

La combustión completa es el resultado de la adecuada combinación de los elementos combustibles del fango a quemar con oxígeno. Para que la combustión completa tenga lugar se utiliza una cantidad de aire mayor que la necesaria estequiométricamente, asegurando así una cantidad suficiente de oxígeno (exceso de aproximadamente el 50 %)

Para el diseño del incinerador es muy importante conocer el PCI (Poder calorífico inferior) del fango, que va en función del contenido en materia orgánica y en agua.

PCI medio para un lodo, aproximadamente 2200 kcl/kg (PCI lodo digerido < PCI lodo bruto)

Dependiendo del PCI (Poder calorífico inferior o cantidad de calor desprendido en la combustión de la unidad de masa o volumen de combustible, excluyendo el calor de vaporización y del agua contenida en los productos de combustión), el fango será autocombustible o necesitará un aporte constante de otro combustible para la incineración total

La incineración del fango se considera que tiene lugar en cuatro etapas:

• Elevación de la temperatura del fango hasta 100ºC. • Evaporación del agua del fango. • Incremento de la temperatura del vapor de agua y

del aire. • Elevación de la temperatura del fango hasta el

punto de ignición de los volátiles

El calor necesario para el proceso de incineración se calcula como suma de los calores sensibles para elevar la temperatura y el calor latente correspondiente a la evaporación de la humedad del fango.



Donde: Cp = Calor específico para cada categoría de sustancias en las cenizas y gases de combustión. Ws = Peso de cada sustancia. T1 y T2 = Temperatura inicial y final. λ = Calor latente de evaporación por kg

El diseño de la instalación de incineración está condicionado por el contenido de agua, que es el elemento crítico.

A mayor contenido de agua en los fangos se producirá mayor consumo de calorías y una mayor cantidad de humos, por lo que se requerirá un mayor dimensionamiento

Normalmente, se suelen utilizar dos tipos de incineradores en las plantas de tratamiento:

- Incineradores de quema múltiple.

- Incineradores de lecho fluidificado

Los incineradores de quemador múltiple constan de tres zonas:

1.- Zona de secado (quemadores superiores).

2.- Zona de combustión (quemadores centrales).

3.- Zona de enfriamiento (quemadores inferiores).

Los incineradores de lecho fluidificado son sistemas cerrados que poseen arena de sílice en el fondo

FIN DE LA UNIDAD

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