Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de ... · E =Distancia entre barrotes e =...

Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales

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Bloque 2: DIMENSIONAMIENTO (20h)

2.1 BASES DE PARTIDA

El objeto del bloque es exponer las ideas necesarias para llegar a un dimensionamiento

suficientemente aproximado de una Estación Depuradora de Aguas Residuales.

2.1.1 Población de diseño y parámetros unitarios

Población (P)

Es el número de habitantes equivalentes

Dotación (d)

Son los litros/habitante/día. Debe considerarse la dotación de agua de abastecimiento

lo que supone dimensionar la instalación con un margen de seguridad del 25-40 %

sobre la situación del año de proyecto real.

Tabla 2.1 Dimensionamiento de la dotación por número de habitantes

Habitantes Equivalentes Dotación de abastecimiento [l/hab./día]

< 20.000 150 – 200

20.000 – 50.000 200 – 250

≥ 50.000 250 – 300

Deberá conocerse si la población es estable o variable. En este último caso se

consideran la duración de la temporada alta y los datos de las poblaciones estables y

estacionales.

Carga DBO

Viene dada mediante análisis según los parámetros de agua residual. Como

parámetros de diseño basados en la experiencia tenemos:

Tabla 2.2 Clasificación DBO según tipología urbana

Tipología urbana Carga [gr/hab./día]

Zonas residenciales con red separativa 50

Núcleos de población con red separativa 60

Núcleos de población con red unitaria 75


2

Carga de sólidos en suspensión (SS)

Viene dada mediante análisis según parámetros de agua residual. Como parámetros de

diseño basados en la experiencia:

Tabla 2.3 Clasificación SS según tipología urbana

Tipología urbana Carga [gr/hab./día]

Zonas residenciales con red separativa 50

Núcleos de población con red separativa 75

Núcleos de población con red unitaria 90

Nota: Estas aproximaciones son para aguas residuales urbanas. En caso de que existan

industrias susceptibles de verter en la red urbana es necesario realizar un estudio de

contaminación.

2.1.2 Caudales de dimensionamiento

Caudal medio [��/��

Se calcula a partir de la dotación:

�� ∙�� ∙�� (2.1)

Caudal máximo [��/��

Una fórmula de síntesis de origen empírico que podremos usar si no se dispone de

datos fiables con mediciones reales del ciclo de cargas y caudales de los colectores de

entrada a la EDAR:

�� 1,15 � �,��

(2.2)

Normalmente no ha de tenerse en cuenta todo el caudal aportado por la lluvia ya que

provoca problemas en el funcionamiento de la planta.


3

2.1.3 Características de la contaminación

Se expresan en mg/l y deben considerarse como mínimo la !"#$, SS, Oxígeno

disuelto, pH y Alcalinidad.

En casos concretos habrá que medir el contenido de nutrientes por si se quieren

eliminar para evitar la eutrofización u otros parámetros que pudieran distorsionar el

proceso biológico.


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2.2 OBJETIVOS DE TRATAMIENTO

2.2.1 Características del agua depurada

A continuación se presentan las directivas recogidas en el Real Decreto como requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas

residuales urbanas. Se aplicará el valor de concentración o el porcentaje de reducción.

Tabla 2.4. Parámetros de vertido

Parámetros Concentración

Porcentaje

mínimo de

reducción (1)

Método de medida de

referencia

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 a 20 ºC) sin nitrificación (2).

25 mg/l 02

70-90 40 de conformidad con el apartado 3 del artículo 5 R.D.L. (3).

Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Determinación antes y después de cinco días de incubación a 20 ºC ± 1 ºC, en completa oscuridad. Aplicación de un inhibidor de la nitrificación.

Demanda química de oxígeno (DQO).

125 mg/l 02 75 Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Dicromato potásico.

Total de sólidos en suspensión.

35 mg/l (4) 35 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (más de 10.000 h-e) (3). 60 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (de 2.000 a 10.000 h-e (3).

90 (4) 90 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (más de 10.000 h-e) (3). 70 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (de 2.000 a 10.000 h-e) (3).

Filtración de una muestra representativa a través de una membrana de filtración de 0,45 micras. Secado a 105 ºC y pesaje. Centrifugación de una muestra representativa (durante cinco minutos como mínimo, con una aceleración media de 2.800 a 3.200 g), secado a 105 ºC y pesaje.

2.2.2 Características del fango

La correcta y adecuada disposición del fango debe constituir una preocupación básica.

- Sequedad (% sólidos secos)


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Está en relación con el tipo de fango y su destino final. Viene impuesta por la facilidad

de manejo y existen condicionantes económicos y técnicos que la limitan:

Secado de eras > 30%

Secado de centrífugas 20 – 28 %

Secado de filtros banda 20 – 30 %

Secado por filtros prensa 38 – 50 %

- Estabilidad (% reducido en peso de sólido volátiles)

Debe exigirse como mínimo el 40 %.

2.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN

2.3.1 Líneas de agua residual

Su número depende del tamaño de la EDAR y de las oscilaciones de caudal. Como

criterio de diseño tenemos:

Tabla2.5 Criterio de dimensionamiento de líneas

Tipo de población

Nº de habitantes

< 10.000 [10.000-20.000]

[20.000-50.000]

[50.000-200.000]

Estable 1 línea 1 línea 2 líneas iguales

%2 líneas iguales

Estacional 1 línea 2 líneas iguales

2 líneas iguales

%3 líneas iguales

Deberá estudiarse cada caso en particular para estaciones superiores a los 200.000

habitantes equivalentes.

Tabla 2.6 Principales operaciones unitarias

OBRA DE LLEGADA CON ALIVIADERO DE SEGURIDAD Y BY-PASS GENERAL

PRETRATAMIENTO - Desbaste (b) - Desarenado (b) - Desengrasado (o) - Tamizado (o) - Pre aireación (o) - Homogeneización y regulación de caudales (o)

MEDICIÓN DE CAUDAL

TRATAMIETNO PRIMARIO - Decantación primaria(e) - Tratamiento físico-químico


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(decantación + floculación) (e)

TRATAMIENTO SECUNDARIO - Lechos bacterianos (e) - Biodiscos (e) - Biofiltros (e) - Fangos activados normal (e) - Aireación prolongada (e) - Contacto estabilización (e)

DESINFECCIÓN - Cloración (o) - Rayos U.V (o)

TRATAMIENTO AVANZADOS - Eliminación por fósforo (o) - Eliminación de nitrógeno (o)

TRATAMIENTO TERCIARIO - Afino de DQO y SS (o) - Color y contaminación no

biodegradable (o)

VERTIDO DEL EFLUENTE

(e) Operaciones excluyentes; (o) Operaciones opcionales; (b) Operaciones básicas

Independientemente de las combinaciones de cada caso en particular, la línea con

frecuente conveniente para aguas residuales urbanas normales es:

LINEA RESULTADOS UTILIZACIÓN

-Obra de llegada -Pretratamiento -Medición de caudal -Elevación de aguas residuales -Decantación primaria -Tratamiento biológico por fangos activos -Decantación secundaria

90-92 % de eliminación de DQO y SS Eliminación casi total de las bacterias

Aguas residuales urbanas que no requieran por ley un tratamiento más riguroso.

a) Pretratamiento

El desarenado se hará conjuntamente con el desengrasado, salvo en aguas

residuales muy cargadas o contaminadas con hidrocarburos.

Puede adoptarse el tamizado, sustituyendo al desbaste fino.

La homogeneización de caudales, en ocasiones combinado con preaireación,

está aconsejado cuando hay grandes variaciones de caudal a lo largo del día,


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puntas de caudal muy altas o vertidos industriales puntuales cuya dilución

favorezca el tratamiento.

b) Decantación primaria

Puede suprimirse en los siguientes casos:

- Cuando se utilice como tratamiento biológico la aireación prolongada.

- Cuando se emplee el proceso de fangos activados convencional a media carga.

c) Tratamiento biológico

En aguas urbanas el más desarrollado se basa en los fangos activos,

recomendado para poblaciones superiores a 30.000 habitantes equivalentes.

El tratamiento ha de ir acompañado de una recirculación de fangos tanto

interna como desde los decantadores secundarios. De esta forma se garantiza

un equilibrio biológico del sistema proyectado.

2.3.2 Líneas de fangos

Tipo de población

Nº de habitantes

< 100.000 [100.000-200.000]

%200.000-

Estable 1 línea 2 línea Caso esp. estudio

Tabla 2.7 Principales operaciones unitarias

LINEA DE TRATAMIENTO DE FANGO

ESPESAMIENTO Gravedad Flotación Centrifugación

Estático o dinámico

ESTABILIZACIÓN Digestión aerobia (e) Digestión anaerobia (e) Estabilización química (e)

ACONDICIONAMIENTO Químico (e) Térmico (e)


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DESHIDRATACIÓN Eras de secado (e) Secado mecánico(e)

Centrifugas

Filtros banda o prensa

INCINERACIÓN Reducción del fango a su composición mineral

ALMACENAMIENTO Y EVACUACIÓN

Tolvas, contenedores, silos

Abono de suelos Compostaje Vertedero

En la práctica, las líneas de fangos recomendadas pueden ser con estabilización de

fangos o sin estabilización e incineración. El tratamiento en cuestión depende del

uso del producto final del análisis técnico económico comparativo entre las

soluciones posibles.

El uso más habitual es estabilizar el fango mediante la digestión aerobia o

anaerobia. Para la deshidratación, las técnicas de secado mecánico son las más

probables y su elección dependerá de las exigencias del fago en cuestión:

Tabla2.8 Técnicas de deshidratación

Sistema de

filtración

Consumo

energético

Consum

o de

reactivos

Coste Sequedad

de la torta

Funciona

miento

Otros

Centrífugas 40-60Kw/Tm

Bajo Normal 20-26 % Continuo Versatilidad en el fango

Filtro banda

5-20Kw/Tm Normal Bajo 20-26 % Continuo

Filtro banda prensa

10-30Kw/Tm

Normal Alto 27-37 % Continuo

Filtro prensa

20-40Kw/Tm

Alto Muy Alto

38 – 50% Continuo Fangos finales buen combustible


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2.4 EJEMPLO DE DIMENSIONAMIENTO

2.4.1 Bases de partida

- Población (P): 100.000 hab.

[Núcleo de población estable, industrias de apoyo a la vida comunitaria]

Dotación (d): 250 l/hab./día

Carga de &'(): 75 g/hab./día

Carga de SS: 90g/hab./día

2.4.2 Caudales de dimensionamiento

Caudal medio

��*� � ∙�� ∙�� [��/�� (2.4)

��*� � 100.000 ∙ 25024 ∙ 10� � 1.041,67��/� Caudal máximo

�� *� ∙ 11,15 ��,)2)3�45�� [��/�� (2.5)

�� 1.041,67 ∙ 61,15 � 2,5751.041,67� 7 � 1.670,06��/�

Características del agua residual

&'() :2) 9:;</�∙��)� =:;</� = 300 mg/l

S.S: >� 9:;</�∙��)� =:;</� =360 mg/l

pH: 7,7 en aguas domésticas.


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(��?@A*BCD: 1 mg/l

Los valores máximos se estiman en 1,5 veces los valores medios: &'()= 450 mg/l

S.S= 540 mg/l

Objetivo de depuración &'():25 mg/l

S.S: 30 mg/l

pH: 5,5-9,5

E.Coli: 1.000/100 ml

Sequedad del fango: 25 %

Estabilidad del fango: 40 %

2.4.3 Tratamiento propuesto

Tratamiento con agua residual

Nº de líneas: 2 líneas

Se componen de las siguientes operaciones unitarias:

- Obra de llegada con aliviadero de seguridad y by-pass general (1).

- Pretratamiento: desbaste de gruesos (2), desbaste de finos (2), desarenador-

desengrasador (2).

- Medida de caudal (1).

- Tratamiento secundario mediante fangos activos convencional.

- Reactor biológico (2).

- Recirculación de fangos (2).

- Decantación secundaria (2).

- Desinfección mediante cloración (1).

Tratamiento de los fangos

- Nº de líneas iguales

Se componen de las siguientes operaciones unitarias:

- Envío de fangos a tratamiento (1).


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- Espesamiento por gravedad mediante espesadores dinámicos (2).

- Estabilización mediante digestión anaerobia en dos (2) etapas.

- Acondicionamiento del fango.

- Deshidratación mediante secado mecánico con centrífugas.

ESQUEMA DE TRATAMIENTO


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2.4.4 Dimensionamiento

a) Pretratamiento

Protege el resto de la instalación evitando interferencia en el proceso. Se

instalarán 2 rejas de gruesos automáticas, seguidas de dos de finos también

automáticas. En by pass: 1 RG y 1 RF manuales.

En el paso del agua a través de las rejas se cumple:

E �3F ∙ GH*G ∙ �I (2.6)

Q = Caudal de paso (��/J

S = Sección del campo de reja �� KLMLNLOPLQ�

V = Velocidad efectiva de paso para Q (m/s)

E =Distancia entre barrotes

e = Espesor de barrotes

C = coeficiente de atascamiento R 0,70

Rejas de gruesos

La separación entre barras se toma de 60 mm y su espesor de 12 mm. Dado

que:

S��;TS��45 U 1,4 y que

3��3�*� � 1,603 se puede comprobar que la velocidad de

paso a Qmax con colmatación del 30 % es U 1,4.

Para calcular la superficie de las rejas a caudal máximo:

�� 1.6070,06��W = 0,464 ��@ , dividendo entre dos rejas (2), esto es

0,232 ��@

XY � 0,2321,4 ∙ 60 � 1260 ∙ 10,7 � 0,284��


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Se instalarán 2 rejas de gruesos de 60 mm de separación entre barras, 12 mm

de espesor de las mismas y sección mojada perpendicular a la corriente % 0,284��.Serán de limpieza mecánica, por temporizadores y diferencia de

nivel. Una (1) reja manual en by pass.

Rejas de finos

La separación entre barras se elige de 10 mm, con un espesor de 6 mm.

XY � 0,2321,4 ∙ 10 � 1210 ∙ 10,7 � 0,379��

Se instalarán 2 rejas de finos de 10 mm de separación entre barras, mide

espesor de las mismas y sección mojada perpendicular a la corriente% 0,0379 ��. Serán de limpieza mecánica, por temporizadores y diferencia de nivel. Se

instalará una reja de finos de limpieza manual (RFM) en by-pass.

La evacuación de los residuos se hará mediante cintas transportadoras a los

contenedores. Además, es aconsejable intercalar una prensa para la reducción

del volumen de dichos residuos.

b) Desarenado- desengrasado

Este proceso se lleva a cabo para eliminar los aceites y grasas, así como las

partículas de tamaño superior a 200 \�, con objeto de evitar abrasiones,

desgastes en las bombas y sobrecargas e inferencias en las operaciones

unitarias posteriores.

La cantidad de arena es muy variable, dependiendo de las zonas. A título

orientativo, puede oscilar, según la bibliografía, entre 5 y 15 l/hab./año.

- Se consideran 2 unidades rectangulares, capaces cada una para el 50 % del

caudal.

- Se adoptan los siguientes valores de cálculo.

- Carga hidráulica:

��*� � 15�� ⁄ /�

�� 24�� ⁄ /�

- Tiempo de permanencia, en minutos:

��*� � 16�


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�� 10�

- Aireación:

��*� � 5�� ⁄ /��

�� 8�� ⁄ /��

Con estos valores procedemos al dimensionamiento, superficie unitaria:

X � 1670,062 ∙ 24 � 34,8��~36��

Anchura = 2 m, longitud = 18 m

Volumen unitario:

E � 1670,062 ∙ 1060 � 139,2��~140��

Sección transversal unitaria: 7,78 ��

Inyección de aire: 8�� ⁄ /��

Resulta: 36 �� ∙ 2 ∙ 8�� ⁄ /�� = 576 ��/�

Los equipos a instalar en esta zona son:

Aire

Se instalarán 3 compresores (1 R) capaces de suministrar 288 �� de aire

mediante difusores instalados a una profundidad ~ 3,30 m (aprox. 4 m.c.a).

Extracción de arenas

En cada puente móvil existirá una bomba de succión de mezcla arena-agua. La

capacidad de extracción será % 50 Q/�� de agua residual por tratarse de red

unitaria. Luego, la capacidad de extracción será:


15

~1670,06�� ⁄ ∙ 50 ∙ 10_� � 83,5~90�� ⁄

Se instalarán 2 bombas especiales para arenas, una por aparato, capaces cada

una de elevar, como mínimo, un caudal de 45 �� ⁄ de mezcla agua y arena a

una altura manométrica de ~ 2,5 m.c.a.

Las arenas se enviarán a un lavador de arenas y posteriormente a contenedores

para su retirada a vertedero.

Los flotantes y las grasas se retiran también en contenedor.

c) Medida de caudal

Se instalarán un medidor tipo PARSHALL de rango de mediad 0- 1.700 �� ⁄ ,

para la medida del caudal del agua a tratar, con indicador, registrador y

totalizador en cuadro de control.

d) Decantación primaria

Se utiliza con objeto de eliminar los sólidos sedimentables y resto de material

flotante, reduciendo el contenido de DQO y SS del agua a tratar. En el caso que

nos ocupa, que son las aguas residuales urbanas, con valores para la carga

hidráulica superficial de ~1,3� �⁄ y un tiempo de retención de 2,5 h

ambos a ��*� , pueden obtenerse los siguientes rendimientos:

- Eliminación de SS = 2/3 (65 %) del total

- Eliminación DQO = 1/3 (33 %) del total

Se proponen instalar 2 unidades circulares con rasquetas, puente móvil y sistema de

recogida de flotantes y evacuación de los mismos al concentrador de grasas.

La extracción de fangos será regulable y controlable mediante temporizadores.

- Superficie total ~ 3�45I�`a�W?�`áAB?c� � �� ,d2�,� � 801,28��

- Volumen total = 2,5 ∙ 1041,67 � 2.604,18��


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Dos (2) decantadores de las siguientes características:

Diámetro �∅ = 23 m

Diámetro 23 m

Superficie unitaria 415,5 ��

Volumen unitario 1.302 ��

Calado vertical vertedero 2,8 m

Calado zona central 3,8 m

Carga hidráulica superficial ��*� � 1,25�� ⁄ /� �� 2,00�� ⁄ /�

Tiempo de retención hidráulica ��*� � 2,5� �� 1,56� Carga máxima sobre el vertedero 11,56 �� ⁄ /�Q Velocidad máx. perimetral del sist. de fangos

U 130�/�

e) Tratamiento biológico

El rendimiento en la eliminación de la &'() depende de la concentración inicial (X�)

y de la carga másica (f�):

f� � gh&'()ghijXX


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Kg MLSS = V x M; Volumen del reactor biológico y la concentración de sólidos en el

reactor (mg/l) los valores normales oscilan entre 2.500-4.000 p.p.m.

Fig. 2.2 Reducción de la DBO respecto a la carga másica

Rendimiento empírico de reducción de demanda biológica de oxígeno en función de

los valores finales de la carga másica. Condiciones iniciales X�= 150-200 p.p.m. Los

valores experimentales arrojan la relación debida a una componente soluble y a otra

consecuencia de los SS en dicho efluente.

&'() � klm*nC`��*B`*�cCD`��9= �Ho�∙pqr�4stu;5;;=u4;vtwux∙y�∙�.zzz (2.7)

g� = factor de eliminación de &'() en PíL_� g� ºC

120 5

180 10

360 20

720 30

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Re

du

cció

n d

e D

BO

(%

)

Carga másica Cm


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Volumen necesario:

La &'() de entrada en el reactor es:

L= 2/3 ∙7.500 kg/día =5.000 kg/día (200 mg/l)

Como los resultados a obtener de acuerdo al Real Decreto son: &'() efluente U 25�h/Q

S.S. efluente U 30�h/Q

el rendimiento debe ser:

| % X� } X*X� ∙ 100 � 200 } 25200 � 87,5%

Valores de diseño:

Carga másica �f� 0,4

Concentración de sólidos (M) 3.000 mg/l

Volumen de aireación = E�� aklmI�∙Y 4.166,7 ��

Tiempo de retención=�� S3� 4 h &'()J�QO�Q��QO�� 6,5 mg/l &'()J�Q�P�JJOJK��J�ó� � ��f� � 0,8 ∙ f��/� 15,2 mg/l &'()��LQ 21,7 mg/l

Como vemos, estamos por debajo de los parámetros exigidos por norma.

Necesidades de oxígeno

El oxígeno a suministrar se compone, al no producirse nitrificación como más adelante

se verá, de dos sumandos:

- Síntesis de células, proporcional a la DBO) eliminada [1]

- Respiración de la masa celular, proporcional a dicha masa [2]

( � L ∙ �� ∙ j11� �g` ∙ E ∙ i12� (2.8)


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a: coeficiente de necesidad de oxígeno para la síntesis de materia orgánica

disuelta. Se pueden adoptar los valores de la siguiente tabla:

f� U 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 % 0,5

a 0,66 0,652 0,625 0,590 0,572 0,555 0,530 0,500

g`: coeficiente de respiración endógena:

f� U 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 g` 0,041 0,067 0,080 0,092 0,100 0,109 0,118

En nuestro caso resulta que:

(` ��h( ��í�� 0,53 ∙ 0,875 ∙ 5.000 � 0,118 ∙ 3 ∙ 4.166,7� 3.793,76gh(�

Las necesidades medias horarias de oxigenación son:

(�*� � 3.793,7624 � 158,07gh(�/día

Las necesidades punta se estiman con un coeficiente de 1,5 según las experiencias de

cálculo:

(� � 240,19gh(�/día


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Capacidad de oxigenación [caso aireadores]

Dado que son necesidades del oxígeno en condiciones reales y el aporte específico de

los sistemas de aireación viene referido a condiciones standard de laboratorio, se hace

necesario conocer la capacidad de oxigenación requerida:

(. f.� (` I�∙��I�_I� ∙ �k�zk� ∙ z4 ∙ �� (2.9)

Siendo: fF ∙ 10: Concentración de saturación de oxígeno en agua pura a 10 ºC. Su

valor es 11,33 mg/l.

fF: Concentración de saturación de oxígeno en la cuba de aireación a

temperatura del licor de mezcla. Su valor es 20 ºC.

f�: Concentración de oxígeno a mantener en el licor de mezcla: 2 mg/l.

&��&� ∶ Coef. Difusión a 10ºC y Tª.

En nuestro caso:

T = 20 ºC - �k�zk� � 0,8299

��: Presión atmosférica al nivel del mar = 760 mmHg

�W: Presión atmosférica a altitud de la EDAR. En nuestro caso 500 ms.n.m =>

716 mmHg

�: Coeficiente de intercambio entre licor y agua pura. Para aireadores de

superficie, 0,9; para burbuja fina, 0,6-0,7.


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Luego:

(. f.� (` ∙ 1,653 (2.10)

Lo que equivale a un coeficiente de transferencia: mumy � 0,605

Capacidad de oxigenación media: 158,07x 1,653= 261,29 gh(�/día

Capacidad de oxigenación punta: 240,19x 1,653= 397,03 gh(�/día

Fig. 2.3 Solubilidad del oxígeno disuelto

Los equipos utilizados en este apartado son:

Teniendo en cuenta el aporte específico de las turbinas existentes en el mercado oscila

de 1,8 a 2 gh(�/Kwhy que el rendimiento del motor puede cifrarse en 0,9, resulta:

KW= 397,03/ (1,9x0,9) =232,18 KW

Cv= 232,18/0,736= 315,47 CV

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35

Ox

íge

no

dis

ue

lto

(m

g/l

t)

Temperatura ºC

Solubilidad del oxígeno disuelto


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Se proponen 8 turbinas de 40 CV con 4 m de calado útil a la aireación, resulta:

� E�QO��(¡�h��LN�ó��NLQLP� ∙ 4.166,74 � 1041,68��

Se proponen 2 tanques de aireación de dimensiones 23x23x4 �� útiles, con cuatro

aireadores de las características indicadas, cada uno. El factor de servicio de los

reductores será % 2.Regulación automática mediante arranque y parada por

temporización y en función del oxígeno disuelto.

Oxigenación en caso de nitrificación [caso con difusores]

La capacidad de oxigenación para el caso que se produzca la nitrificación habitual en

procesos biológicos, para las siguientes condiciones de contorno:

Tª = 22,5 ºC fF: 8,32 mg/l

�k�zk �: 0,7921

Calcular la capacidad de oxigenación utilizando difusores de burbuja fina, es:

(I � (` ∙ 2,319

Lo que equivale a un coeficiente de transferencia de 0,431.

Una vez conocemos las necesidades reales, tenemos que condicionarlas a la tecnología

que vamos a implantar, en este caso difusores de burbuja fina. Para ello utilizamos la

expresión O.C=Or∙2,31, teniendo en cuenta que hay una nitrificación, donde la

bibliografía de campo al respecto sugiere optimizar caudales medios con una

corrección de 10 % por mayorar el caudal de oxígeno durante la discusión, y un 5 %

para los caudales punta, quedando;


23

capacidad de Oxigenación media: 261*0,9*2,319= 543, 69 kg 02/h (Aprox.)

capacidad de Oxigenación punta: 397*0,96*2,319= 884,65 kg 02/h (Aprox.)

Los equipos en este caso serán:

El aire atmosférico contiene 20,9 % de oxígeno en volumen (23,9 %) y pesa 1,248

Kg/m3 a 10 ºC y a presión atmosférica. Por tanto, 1 m3 de aire, en condiciones

normales, contiene 1,248x0,239 gh(�/�� ~0,3gh(�/��. Por otra parte, el

rendimiento de los difusores de burbuja fina puede estimarse en un 4 % por m. de

sumergencia, obteniéndose con 5 m un 20 % de rendimiento total de difusión.

Las necesidades de aire serían:

Necesidades punta: 884,65/0,3/0,2 = 14.474 Nm3/h

Necesidades medias: 543,69/0,3/0,2 = 9.061,5 Nm3/h

Con un caudal de aire por difusor de 3 Nm3/h, se necesitarán 14.474/3 = 4.914

difusores, es decir 2457 por línea.

El volumen de la cuba ha de ser, según lo calculado más arriba, 4.166,7 m3. Al

disponerse de dos (2) líneas, cada una con una unidad de dimensiones útiles

11,8x35,4x5,15 = 2.151,25 m3, el volumen real final será de 4.302,5 m3.

Cada zona anóxica (sin aireación) tendrá unas dimensiones en planta de 3,54x11,8 m2,

quedando otras tres (3) zonas por línea, cada una de dimensiones en planta de

10,62x11,8 m2 en las que se instalarán los difusores para abastecer las necesidades de

aire con nitrificación de forma gradual:

42 % de zona1………………………..1032 difusores/línea………………………………….8,24 dif./m2

35 % de zona2…………………………..860 difusores/línea……………………..……………8,24 dif/m2

23 % de zona3…………………………..565 difusores/línea…………………………………8,24 dif/m2

La potencia del motocompresor puede calcularse, aproximadamente, por la expresión:


24

� � 0,164 ∙ ��?`* ∙ 1�� ^0,283 – 1] (2.11)

Siendo: ��: Presión absoluta de entrada = 9,43 mca (717 mmHg) ��: Presión absoluta de salida = 9,43 mca + 5 m (sumergencia lámina de agua)+ 0,57 m

(pérdidas) = 15 mca ��?`*: Caudal de aire en Nm3/h

Luego, las potencias requeridas para las necesidades de aireación: �£�AnC� � 339,42g¤�461fE

�£�*�?� � 208,65g¤�283,5fE

Se proponen tres (3) turbocompresores (1 de reserva). Cada uno será para un caudal

máximo lo más aproximado a 7.372 m3/h para una relación P2/P1 = 1,59 y potencia de

motor lo más próxima a 230 CV. Dado que la capacidad de regulación es continua

entre el 45 % y el 100 % del caudal máximo, se cubre toda la gama de caudales de aire

necesarios, como parte del sistema, se instalarán las correspondientes sondas de

medida de oxígeno disuelto, cuyas señales actuarán sobre la regulación de los turbos.

Nivel de agitación

La potencia necesaria para mantener los sólidos en suspensión puede estimarse, en el

caso de difusión mediante burbuja fina y con cuba de aireación de geometría

convencional, en unos 25 W/m3, pudiéndose estimar el caudal de aire

correspondiente por la expresión �� 9,74 ∙ 10_ ∙ �= 1,461 m3 aire/h.


25

A continuación un resumen de las especificaciones técnicas del reactor:

Nº unidades 2

Volumen total 4.302,5 m3

Calado medio 5,15 m

Dimensionamiento 11,8 x 35,4 m

Porcentaje zona anóxica 10 %

Carga másica =0,4

Concentración licor-mezcla 3.000 mg /l

Tiempo de retención hidráulica

Caudal medio 4,13 h

Caudal máximo 2,57 h

DBO5 eliminada 4.375 Kg/d

Nº difusores 5.506 u

Nº de turbos 2 + 1 R

Potencia unitaria 230 CV

Distribución de difusores

Zona 1 42 %

Zona 2 35 %

Zona 3 23 %

Potencia agitadores 15 CV

f) Recirculación de fango

En el reactor biológico deberá mantenerse la concentración (M) fijada mediante el

caudal de recirculación proveniente del clarificador que regresa al reactor con una

concentración Mr que es la requerida para mantener la concentración M. De acuerdo

con este principio:

|�%��*�?D � 3u3 ∙ 100 � YYu_Y ∙ 100 (2.12)

Caudal medio: 1041,67 m3/h

Concentración (M): 3 g/l

Concentración de purga (i` : 6,70 mg/l

Recirculación (R): 81,8 %

Se instalarán 3 bombas (1 R) capaces cada una del 50 % del caudal medio (521 m3/h) y

pudiendo funcionar las tres en paralelo.


26

g) Decantación secundaria

En un decantador secundario pueden distinguirse cuatro zonas funcionales:

- Clarificación debiendo ser su altura útil h1% 0,5�

- Separación de la mezcla agua–fango cuya altura útil (h2) bien dada por la

expresión:

�� ,)∙¥¦∙��H�S �_IFS/�� (2.13)

- Almacenamiento con objeto de mantener el rendimiento del proceso biológico

en caso de lluvia o con red unitaria. Su altura útil:

�� , )∙¥FS¦∙��H�S )�� (2.14)

- Espesamiento y barrido:

� � �, )∙¥FS¦∙��H�S ∙CGI (2.15)

Siendo:

qSV = la carga volumétrica de fangos a no sobrepasar, siendo su valor U )� =��W l/m2/h

si se quiere tener un contenido de S.S en el efluente U 20�aB . En nuestro caso SS 30

mg/l, qSV=500l/m2/h

CSV= M x SVI (ml/l) el volumen comparativo de fangos. En nuestro caso: 450 ml/l

qA= qSV/CSV (m/h) la carga hidráulica superficial. En nuestro caso 1,11 m/h

RV = el porcentaje de recirculación de licor mixto. 0,818 (81,8 %)

C = 300 x tE + 500 (l/m3), la concentración de la zona de espesamiento. 1.100 l/m3

tE= el tiempo de espesamiento expresado en horas (h) para obtener una

concentración de sólidos en el fondo del decantador. 2 h.


27

Con los valores anteriores se obtiene:

S= Qmax/qA= 1.505 m2 (2 de diámetro 31 m)

H1= 0,5 m

H2= 1,83 m

H3= 0,82 m

H4= 1,65 m

§¨ � 4,80�

h) Desinfección

Se desinfectará el efluente tratado mediante la adicción de cloro-gas. El tiempo de

contacto a Qmax debe ser de 15 minutos y la autonomía % 15PíLJ. Dosis: 6 ppm

Tiempo contacto a Qmax: 15 min.

Caudal máximo Qmax: 1.670,06 m3/h

Consumo de cloro: 10,02 Kg/h

H1

H2

H3

H4


28

Volumen de la cuba: 417,50 m3

Altura de agua: 3 m

Superficie de la cuba: 139 m2

Peso de cloro necesario para 15d: 3.602,2 Kg

Nº de contenedores de 1000 Kg en el almacén: 4 u

Se instalarán 2 equipos de cloración automáticos (1R) con dosificación proporcional

al caudal. Su capacidad unitaria es de 0-10 kg/h. Se dispondrá de un sistema de

detección y previsión de posibles fugas así como de neutralización de las mismas. Si

la desinfección solo se va a realizar en casos de emergencia es aconsejable sustituir

la instalación para disolución de cloro gaseoso por otra dosificación de hipoclorito

sódico.

2.4.4 Tratamiento de los fangos

4.244 Kg/día

Producción de fango &'(): entrante 7500 Kd/día

SS entrante: 9.000 Kg/día

Fangos primarios = 2/3 x S.S. 6.000 Kg/día &'() eliminada en el biológico: 0.875 x 2/3 x 7.500 Kg/día

En rigor, el esquema debe reflejar la flecha de purga de fangos en exceso del

secundario enlazando con la purga del primario, es decir, una mezcla de ambos

fangos post decantación primaria. Calcular el volumen de purga de fangos

primarios, bajo una suposición de que tienen una densidad parecida al agua, viene

dado por la expresión:

DECANTACIÓN 1ª

6.000 Kg/día

ESPESAMIENTO

DECANTACIÓN 2ª

633 m3/día;

0,67 % 6,7 g/l

373 m3/día

1,6 %


29

V=(m3/d)=K/(10xC)

K: Cantidad de SS del fango primario (kg/día)

C: concentración del fango primario;

Si tenemos en cuenta una concentración cercana al 3 % (1,6) , el volumen a purgar

es de Aprox. 373 m3/día

En cuanto al caudal de purga de fangos de la decantación secundaría, la filosofía es

la misma, suponiendo concentraciones entre 0,67 % (que son las exigidas por

pliego/ BOE) y los fangos generados en exceso según la expresión [2.16], entonces:

V (m3/d)=4.244/(10x0,67)= 633,43 m3/d

La fórmula empírica de Huisken, con un factor de seguridad el 90 %, para el cálculo

de la producción de fangos en exceso:

©*�c � 1,2 ∙ f��,�� ∙ �� ∙ jklm)�2.16)

Por tanto la producción de fangos en exceso es 4.244 Kg/día

Los equipos empleados, son:

Fangos en exceso [RECIRCULADOS] (purgando cada 6 h)……………………… 105,5 m3/h

Se instalan 3 bombas (1R), capaces de bombear a decantación primaria…. 53 m3/h

Fangos a espesamiento (purgando cada 6 h)………………………………………... 62,2 m3/h

Se instalan 3 bombas (1R) capaces de enviar a los Espesadores………………. 31 m3/h

Espesadores

Se utiliza con objeto de reducir el volumen necesario en la etapa de digestión. Para

los fangos mixtos, los parámetros de diseño están comprendidos entre los

siguientes valores:


30

FANGOS MIXTOS

Carga de sólidos (Kg/m2/d)

Carga hidráulica (m3/m2/h)

Tiempo de retención (h)

Concentración fango espesado (g/l)

35-70 0,45-0,90 ≥ 24 40-70

Se instalan 2 espesadores dinámicos, de puente móvil con rasquetas que tengan las

siguientes características:

Aportación prevista 373 m3/día [10.244 KgSS/día]

Concentración de entrada 2,5-3 %

Concentración de salida 5-5,5 %

Destino del sobrenadante Cabecera de la instalación

Diámetro 11 m

Superficie útil 95 m2

Pendiente del fondo 12 %

Calado del borde 2,65 m

Volumen unitaria útil 210 m3

Carga hidráulica 0,33m3/m2/h

Carga de sólidos 54 KgSS/m2/d

Tiempo de retención medio 27 h

Carga sólidos U 40�h/�

Bombeo de fangos espesados a digestión

Con una concentración de salida del 5-5,5 % obtenemos un volumen de

10.244KgSS/día/52,5 = 195,1 m3/día. Mediante 3 bombas de 10 m3/h (1R), se

envían los fangos a la digestión anaerobia.

Otra posibilidad es considerar que haya un espesamiento por gravedad de los

fangos primarios y una flotación de los fangos secundarios.

- Fangos primarios 6.000 Kg/d al 8 %: 7 m3/d

- Fangos activados en exceso 4.244 Kg/d al 4%: 106,1 m3/d

La suma de fango mixto es de 14 m3/d en volumen de la digestión, a cambio de

una mayor inversión en el capítulo de espesamiento de fangos y de una mayor

complicación en la explotación de la EDAR debida a la existencia de una serie de

equipos adicionales. La principal ventaja es la estabilidad del sistema.


31

Digestión anaeróbica de fangos

Es un procedimiento biológico con el que, mediante fermentación bacteriana

productora de metano, se consigue una degradación importante de las materias

orgánicas. Así, se obteniene un fango estabilizado que puede ser deshidratado con

relativa facilidad para proceder a su transporte.

Temperatura de digestión: 32,5 ºC

Fangos frescos a digerir:

Volumen: 195,1 m3/día

M. seca: 10.244 Kg/día

M. seca volátil: 6.915 Kg/día

M. seca inorgánicos: 3.329 Kg/día

Concentración de entrada 50-55 g/l

Reducción de volátiles: 45 %

Tiempo de digestión (32,5 ºC) teórico: 24 d

TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA EN EL DIGESTOR

T ºC 10 16 21 27 32 38 43 49

Tiempo de retención

75 56 42 30 25 24 20 16

Digestión primaria

Con 20 días de retención de fango, resulta:

Volumen: 20 x 195,1 m3= 3.902 m3

Se proponen dos digestores primarios de 17 m de diámetro y 8 m de altura

cilíndrica, provistos del correspondiente sistema de agitación.

Carga de volátiles= 6.915/3.902= 1,77 KgSV/d/m3

En una etapa secundaria, dado que el proceso se ha completado según la

experiencia en torno a un 95 %, suele implantarse un depósito tampón de

espesamiento para estabilizar los fangos durante 4-6 días antes del secado.


32

El biogás generado se extrae hacia un gasómetro independiente para dar

estabilidad y seguridad al proceso y, posteriormente, se quema o se hace una

recuperación térmica mediante cogeneración.

En el proceso de digestión aerobia, hablamos de 67-81% en la eliminación de SS a

20 Cº. La temperatura es una de las variables que más influyen en el proceso, cuya

eficacia decrece por debajo de 15ºC. Por esta razón, el proceso anaerobio tiene

especial relevancia en climas áridos. En el ejemplo, tendríamos un 70% de

eliminación: 3.073,2 KgSS/d en la salida.

Calentamiento de fango

Hipótesis de temperaturas

Fangos en digestión 32,5 ºC

Mínima de fangos frescos 5 ºC

Media de fangos frescos 16 ºC

Mínima de aire ambiente -4 ºC

Media de aire ambiente 15 ºC

Mínima de suelo 6 ºC

Media de suelo 13 ºC

Esto dependerá de la zona de ubicación de la EDAR

Coeficientes globales de transmisión

Con un aislamiento térmico adecuado de las paredes y de la cúpula de los

digestores, los valores de K pueden ser:

Para la cúpula y pared vertical, salvo los 2 primeros metros: g� (Kcal/m2hºC) R 0,6 } 0,8

Para la solera y la pared vertical, en los 2 primeros metros:

Suelo seco g� (Kcal/m2hºC) R 0,25


33

Suelo húmedo (estudio geotécnico) g� (Kcal/m2hºC) R 0,6 } 0,8

En caso de que no haya ningún aislamiento térmico como, por ejemplo, con el

hormigón armado:

α (Kcal/m2hºC) R 1,3 los valores de k pueden ser del orden de tres veces los

descritos anteriormente.

En general, independientemente de que en cada caso particular sea el

correspondiente balance energético el que indique la conveniencia o no del

aislamiento, éste puede ser necesario únicamente si se incluye la posibilidad de

recuperación térmica. En nuestro caso consideramos K= 2 Kcal/m2 ∆ºf.

Pérdidas y calentamiento

Se supone que la parte cilíndrica estará enterrada 3 metros.

Cúpula

X � ¬ ∙ �8,5 � 2 ∙ �8,5 } 2 � } 1,7� � 2� ∙ ¬ � 234��

Pared vertical

7x17xπ =374 ��

Total: 608 ��

Diferencia de temperatura

Máxima: 36,5 ºC

Media: 17,5 ºC

Pérdidas (Kcal/h) ∆¨ � � ∙ g ∙ ∆®

Máximas: 44.384 Kcal/h

Medias: 21.280 Kcal/h


34

Solera y pared vertical enterrada superficie total 287,4 ��


Máxima 26,5 ºC

Media: 19,5 ºC

Pérdidas (Kcal/h)

Máximas: 15.232 Kcal/h

Medias: 11.209 Kcal/h

Calentamiento

Volumen diario de fangos: 195,1 m3/d

Caudal horario: 8,13 m3/h


Máxima 27,5 ºC

Media 16,5 ºC

Necesidades horarias

Máximas: 8.130x1x27,5= 223.575 Kcal/h

Medias: 8.130x1x16,5 = 134.145 Kcal/h

Necesidades totales

Cuadro resumen de potencia térmica para calentamiento de fangos

Intercambiadores y

calderas

Máximos (Kcal/h) Medios (Kcal/h)

Pérdida 59.616 32.489

Calentamiento digestor 111.788 67.073

Total para un (1) digestor 171.404 99.562

Total para dos (2) digestores

342.808 199.124

Potencia de intercambiadores:

Necesidades térmicas (máx.) + pérdidas (10%) 377.089 Kcal/h

Necesidades clóricas de las calderas:

Potencia de intercambiadores + pérdidas (10 %) 442.595 Kcal/h


35

Resumen unitario de la digestión

Aportación prevista 195,1 m3/d

Concentración entrada 10,244 Kg SS/d

Nº de unidades (primarios + tampón) 2 +1

Volumen unitario digestores 1951 m3

Volumen del tampón 1.171 m3

Carga orgánica de proyecto 1,77 Kg SV/m3/d

Tiempo de estancia total 26 d

Tiempo de estancia en primario 20 d

Temperatura de digestión 32,5 ºC

Calor a suministrar 442.595 Kcal/h

Calor utilizado en los fangos 342.808 Kcal/h

Capacidad del intercambiador (2) 225.000 Kcal/h

Capacidad de la caldera (2) 275.000 Kcal/h

Deshidratación de fangos

El sistema de dosificación de fangos se dimensiona para una capacidad estándar de

5 Kg/T.m M.S. Las unidades de deshidratación suelen dimensionarse para un

funcionamiento de 7 horas diarias, 5 días a la semana.

Fangos deshidratados

Parámetro Por día Por semana Por día laboral

Volumen máximo 195,1 m3 1.365,7 m3 273,14 m3

MS 7.132,25 Kg 49.925,75 Kg 9.985,15 Kg

Concentración mínima 36,56

Horas de trabajo 7 h

Carga horaria 1.412,16 Kg/h

Volumen horario máximo 39,02 m3/h

Equipos a instalar en la deshidratación:

Centrifugas, tres unidades (2 + 1R), con una carga de 235 KgMS/h; la sequedad

requerida es del 25 %, alimentados con (3 + 1R) bombas de 4-20 m3/h; la dilución

del polielectrolito ha de ser con una dosificación entre 2,5-5,5 Kg polielectrolito/Tm

MS para favorecer la aglomeración del flóculo y facilitar el secado del fango antes

de almacenarlo.

Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de ... · E =Distancia entre barrotes e =...

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