FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS …

FT-BIO-002

FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL

SBR REACTORES CON FUNCIONAMIENTO SECUENCIAL

SERIE: TRATAMIENTOS SECUNDARIOS

TÍTULO REACTORES CON FUNCIONAMIENTO

SECUENCIAL (FT-BIO-002) Fecha de elaboración Febrero de 2015

Revisión vigente

REACTORES SECUENCIALES FT-BIO-002

REACTORES CON FUNCIOAMIENTO SECUENCIAL (FT-BIO-002) Fecha Febrero 2015

Autores Joaquín Suárez López

Alfredo Jácome Burgos

Pablo Ures Rodríguez

Revisado Modificaciones

Fecha

Modificado por:

Objeto da modificación

REACTORES SECUENCIALES FT-BIO-002 Pág. 1 de 23

ÍNDICE

1.- INTRODUCCIÓN 2.- DESCRIPCIÓN 3.- DISEÑO

3.1.- Caudal y carga contaminante 3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico 3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico 3.4.- Volumen del reactor 3.5.- Capacidad de oxigenación requerida 3.6.- Rendimiento

4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES 5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL 6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL 7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN BIBLIOGRAFÍA ANEXO 1.- COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO ANEXO 2.- ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS ANEXO 3.- DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO ANEXO 4.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR


1.- INTRODUCCIÓN El tratamiento secundario de las aguas residuales conlleva el uso de un reactor biológico y, como norma general, su correspondiente decantador secundario. En el reactor biológico se estimula el crecimiento controlado de una biomasa o biocenosis, integrada fundamentalmente por un cultivo bacteriano, cuya finalidad es la biodegradación u oxidación de contaminantes. En el decantador secundario se procede a la separación final sólido–líquido para obtener el efluente secundario que, en su caso, será vertido al medio receptor. En los reactores la biocenosis puede desarrollarse, al menos, de dos formas: 1) como biomasa en suspensión en el seno del líquido (por ejemplo: proceso de fangos activos en sus diversas variantes), o 2) como biomasa adherida a un soporte o material de relleno del reactor, llamados también procesos biopelícula (por ejemplo: lechos bacterianos, biodiscos, lechos sumergidos, etc.). Los reactores o procesos biológicos que emplean biomasa en suspensión aerobia tradicionalmente han sido conocidos como procesos, o reactores, de fangos activos. Estos han sido categorizados, en función de la carga másica de diseño, en tres grandes grupos: fangos activos de baja carga (aireación prolongada, canales de oxidación, etc.), de media carga (o proceso convencional) y de alta carga. Una variante de configuración de los reactores de biomasa en suspensión es la denominada “reactores con funcionamiento secuencial” o “por lotes”; su denominación en inglés es “sequenting batch reactors” o “sequential batch reactors” (SBR). Es un proceso que ya se utilizaba con los primeros reactores de biomasa en suspensión (1914-1920; realizados a nivel piloto fueron llamados “reactores de llenado y vaciado”), pero se empezaron a utilizar de forma más intensa a finales de la década de los 70 en pequeñas plantas de tratamiento. En los últimos años se ha mejorado mucho las técnicas y el control de las secuencias de procesos, por lo que su uso se ha extendido también a depuradoras medianas. Debido a que esos sistemas tienen una superficie relativamente pequeña son muy útiles en áreas en donde se tienen limitaciones de terreno. En un sistema diseñado para eliminar materia orgánica los ciclos pueden ser fácilmente modificados para conseguir eliminar nutrientes si esto fuera requerido. Esto hace que los sistemas SBR sean extremadamente flexibles para adaptarse a los cambios en las normas regulatorias de parámetros del efluente. Los sistemas SBR son también muy efectivos en términos de costo de cuando se requieren tratamientos adicionales al biológico, tales como la filtración. Algunas de las ventajas y desventajas de los sistemas SBR se enumeran a continuación. Ventajas

• La homogenización de caudales, la sedimentación primaria (en la mayoría de los casos), el tratamiento biológico y la sedimentación secundaria pueden lograrse en un tanque reactor único.

• No se requiere recirculación externa de fangos para mantener la concentración de sólidos en el reactor. • No se requiere recirculación interna del licor mezcla para los procesos de nitrificación-desnitrificación. • Flexibilidad de operación y control. • Área de ocupación mínima. • Ahorro potencial de inversión de capital por la eliminación de sedimentadores y otros equipos. • Fácil reconocimiento y corrección de los problemas de decantación. • Versatilidad para trabajar con fluctuaciones de caudal y de concentración de materia orgánica. • Capacidad para la adaptación de los microorganismos a efluentes con elevado contenido en sales. • Mejor control del crecimiento de organismos filamentosos y de problemas de decantación

Desventajas

• Se requiere un nivel mayor de sofisticación (en comparación a los sistemas convencionales) de las unidades de programación temporal y controles, especialmente en sistemas de mayor tamaño.

• Un nivel más alto de mantenimiento (comparado con los sistemas convencionales) asociado con el tipo más sofisticado de controles, interruptores automáticos y válvulas automáticas.

• Descarga potencial de lodos flotantes o sedimentados durante la fase de descarga o decantación del reactor en algunas configuraciones de SBR.


• Taponamiento potencial de los dispositivos de aireación durante ciclos operativos específicos dependiendo del sistema de aireación utilizado por el fabricante. Necesidad potencial de homogenización de caudales dependiendo de los procesos utilizados aguas abajo

El objetivo de este documento consiste en describir la configuración y los criterios de dimensionamiento de los SBR; además se presentarán claves de control y explotación de los procesos. 2.- DESCRIPCIÓN En esencia no hay diferencias entre un proceso de fangos activos y un reactor con funcionamiento secuencial. Una de las principales características de esta configuración de tratamiento secundario es la de no necesitar decantadores secundarios, dado que los procesos de clarificación se realizan en el mismo depósito en el cual se realizan los procesos biológicos de degradación y transformación de compuestos. En definitiva todos los procesos necesarios para tratar un agua se realizan en el mismo tanque o reactor. La explotación de los SBR se caracteriza por encadenar etapas o fases, por secuenciarlas definiendo ciclos. Se pueden realizar cambios de operación modificando la duración y la secuencia de las fases. Los tiempos de los ciclos se pueden ir cambiando conforme se va adquiriendo experiencia con un determinado agua e, incluso, se pueden adaptar los ciclos a variaciones estacionales de las mismas. La ejecución de los ciclos está normalmente programada a intervalos fijos, pero podría condicionar su duración mediante el uso de sondas de control de determinados parámetros de proceso. Como claves para que esta tipología de tratamiento secundario sea viable se pueden citar los siguientes requisitos:

a) Disponer de personal cualificado. b) Tener técnicas y sondas de medición fiables. c) Una configuración de la planta que permita duraciones variables de funcionamiento de equipos.

El diseño del reactor y sus elementos complementarios quedan muy condicionados por las fuertes variaciones de nivel que se van a producir en el tanque, ya tendrá fases de llenado, con agua residual a tratar, y de vaciado de agua tratada y fangos en exceso. Fases principales:

1) Fase de llenado. 2) Fase de mezcla. 3) Fase de redisolución biológica del fósforo (posible) 4) Fase de aireación. 5) Fase de sedimentación. 6) Fase de reacción. 7) Fase de retirada de agua clarificada. 8) Fase de reposo. 9) Fase de trabajo.

El rendimiento y la estabilidad del proceso SBR es función de los siguientes parámetros (Cortacáns, 2014):

• Duración del ciclo. • Secuencia de las fases • Duración de las fases unitarias del proceso. • Relación de intercambio de volumen (relación entre el volumen introducido o retirado y el volumen del reactor). • Edad del fango (tiempo de retención celular).

Una de las claves para el buen funcionamiento de los SBR es la alimentación del agua residual. Fundamentalmente se pueden utilizar tres estrategias:

• Carga continua con agua residual: durante todo el ciclo está entrando agua al reactor, que va pasando por diferentes fases; la salida de agua se produce de forma discontinua; se produce una variación de nivel continua.

• Carga intermitente de instalaciones sin almacenamiento previo. Requiere al menos dos reactores SBR. • Carga intermitente de los reactores disponiendo de almacenamiento previo.


Figura 1.- Secuencia de fases durante un ciclo. Descripción de las fases:

• LLENADO: Durante la fase de llenado el afluente que entra en el tanque se va mezclando con la biomasa presente en el reactor hasta llegar al volumen máximo de licor mezcla. La estrategia de llenado influye decisivamente en la decantabilidad de los fangos y el crecimiento de organismos filamentosos, siendo más estable y produciendo unos fangos más compactos que un reactor convencional. El reactor recibe flujo durante un tiempo dado (hasta llenarse), con o sin mezclado y aireación del reactor (según si se desea o no controlar el nitrógeno afluente).

• REACCIÓN: En la fase de reacción se completan los procesos bioquímicos iniciados en la fase de

llenado, como son la eliminación de la materia orgánica (la mayor parte de la eleiminación de la DBO se produce en esta etapa), la nitrificación y la desnitrificación. El licor mezcla se mantiene en agitación y puede estar o no aireado, habiendo subfases aireadas y subfases anóxicas, que se han de establecer según los objetivos de tratamiento buscados.

• DECANTACIÓN: Al final de la fase de reacción la agitación y la aireación del licor mezcla se detienen,

quedando en reposo en la fase de decantación. Los fangos decantan por gravedad al fondo del reactor, dejando el agua clarificada en la parte superior del tanque. En un sistema SBR la decantación es más eficiente que en un reactor convencional al estar el licor mezcla completamente en reposo. El principal problema que se puede tener en la decantación es la aparición de organismos filamentosos, que dan lugar en un fango muy esponjoso que decanta con dificultad. Los SBR permiten controlar estos microorganismos de manera sencilla, mediante la introducción de fases anóxicas.

• VACIADO O EXTRACCIÓN: El agua clarificada que queda en la parte superior del reactor se evacua en

la fase de vaciado o extracción, mediante un mecanismo extractor que va siguiendo la lámina de agua, localizado en una estructura flotante denominada, en algunas ocasiones, “decanter”. El líquido clarificado (sobrenadante) se descarga hasta un cierto nivel del reactor, que según el diseño que se adopte varía entre un 75% y un 15% del volumen del reactor). Finalmente entre el vaciado y el llenado

SALIDA AGUA TRATADA

EXTRACCIÓN DE FANGO

REPOSO (OPCIONAL)

LLENADO

MENTRADA

MEZCLA

M

AIREACIÓN

M

DECANTACIÓN

JSL


del ciclo siguiente el sistema queda en reposo con los fangos decantados al fondo del reactor. La purga de los fangos decantados se realiza al final de la fase de extracción de agua tratada.

Para el tratamiento de las aguas residuales urbanas es usual optar de 2 a 6 ciclos diarios. Los ciclos estandard tienen una duración de 4 o seis horas, es decir de 6 a 4 ciclos por reactor al día. Para casos excepcionales, como pueden ser sistemas exclusivos de nitrificación –desnitrificación o para altas concentraciones de contaminantes, la duración de los ciclos se puede dilatar hasta 12 o incluso 24 horas.

Figura 2.- Planta con carga continua (adaptada de Cortacáns, 2014). EPA lo cita como “Intermitent Cycle Extended Aeration System”, ICEAS (EPA, 1999).

Figura 3.- Planta con carga intermitente sin pre-alimentación.

ENTRADA AGUABRUTA CONTINUA

M M

SALIDA AGUATRATADA INTERMITENTE

EXTRACCIÓN DE FANGOINTERMITENTE

LLENADOMEZCLAAIREACIÓNSEDIMENTACIÓNSALIDA DE AGUA TRATADA

DIAGRAMA DE TIEMPOS

JSL

M M



M M



ENTRADA DE AGUA BRUTA INTERMITENTEALTERNATIVA


LLENADOSIN MEZCLA

MEZCLAAIREACIÓNSEDIMENTACIÓNSALIDA DE AGUA TRATADA

DIAGRAMA DE TIEMPOSREACTOR 1

REACTOR 2

JSL


Figura 4.- Planta con carga intermitente con pre-alimentación. (adaptada de Cortacáns, 2014). La forma de operar un SBR es consecuencia de la combinación de las estrategias de control de ciclo y de las variantes de alimentación del proceso: Control de ciclos:

- Duración de ciclo constante. - Volumen de llenado constante.

Carga continua.

Carga alternativa de varios tanques.

Carga intermitente, de una vez, a partir de un pre-almacenamiento.

Carga en varias veces a partir de un pre-almacenamiento

Figura 5.- Variantes de alimentación del proceso con caudal de alimentación Qmax. (adaptada de Cortacáns, 2014).



DIAGRAMA DE TIEMPOSREACTOR 1

REACTOR 2

M M



M M



ENTRADA DE AGUA BRUTA INTERMITENTEALTERNATIVA

PREALMACENAMIENTO

JSL JSL

VR

Vmin

∆V

FANGO SEDIMENTADO

BIOMASA EN SUSPENSIÓN

AGUA CLARIFICADA

CA

LAD

O

CA

LAD

O


Los sistemas de pre-almacenamiento deben disponer de algún sistema de mezcla para evitar sedimentaciones. Este depósito funciona con calado variable (se suele colocar instrumentación de medida de nivel para controlar las cargas del reactor y para evitar desbordamientos). Debe poder vaciarse para procesos de limpieza. La aportación desde el depósito de pre-almacenamiento/regulador se puede realizar por bombeo o por gravedad. En el reactor es necesario colocar también instrumentación de medida de nivel, y sondas de oxígeno para el control de la aireación. También es de interés medir pH, el potencial Redox, e incluso disponer de medición en continuo de nitratos y amonio para el ajuste del proceso. También es posible instalar sondas de medida de nivel de fangos. El exceso de biomasa se purga en cualquier punto del este ciclo. La purga frecuente hace que de un ciclo al siguiente se mantenga una relación de masas casi constante entre el sustrato afluente y la biomasa. A continuación del reactor SBR, la tanda de agua residual tratada puede fluir a un tanque de homogenización de caudales en donde el flujo de agua residual a otras unidades de proceso puede ser controlado a una tasa determinada. En algunos casos el agua residual es filtrada para remoción adicional de sólidos y luego desinfectada.

Figura 6.- Diagrama de flujo típico de proceso SBR (EPA, 1999).

El sistema digestión de fangos puede consistir de un espesador y un digestor aeróbico. Al utilizar SBR no se necesitan bombas para la recirculación de lodos activados ni para los lodos primarios, como se requiere en sistemas convencionales de lodos activados. Con el sistema SBR típicamente sólo se maneja un tipo de lodo. La necesidad de uso de espesadores por gravedad antes de la digestión debe determinarse caso por caso, dependiendo de las características de los fangos. Sin embargo, el uso de sedimentadores primarios puede ser recomendado por el fabricante del sistema SBR si el total de sólidos suspendidos totales (SST) o la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) son mayores a valores entre 400 y 500 mg/L. 3.- DISEÑO 3.1.- Caudal y carga contaminante Los caudales de interés para diseño serán el caudal diario medio total de aguas residuales, Qmedio y, en su caso, el caudal máximo horario, QHp. Como se verá en el apartado correspondiente, la ratio SS/DBO5 afluente se considera un criterio de diseño. Adicionalmente, de cara al diseño de la aireación del reactor biológico se tendrá en cuenta la punta de concentración de DBO5. Dicha punta será de 1,5. De existir en la EDAR un tanque de homogenización no será necesario tener en cuenta el caudal ni la concentración máxima para el diseño del reactor biológico.


3.2.- Parámetros básicos del reactor biológico El diseño de un reactor SBR se realiza con las mismas bases que cualquier proceso de biomasa en suspensión pero se debe de tener en cuenta otros parámetros complementarios. Los parámetros más importantes para el dimensionamiento del reactor de fangos activos SBR son: Relación de “intercambio de volumen”, fa (en la bibliografía anglosajona “Volumetric Exchange Rate”): Relación entre el volumen retirado de agua en un ciclo y el volumen del reactor con llenado total (VR). El parámetro fa y la duración del ciclo, tc, son parámetros relacionados. En el caso de un reactor con aportación continua:

𝑓𝑓𝑎𝑎 =∆𝑉𝑉𝑉𝑉𝑅𝑅

=∆𝑉𝑉

∆𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚=𝑡𝑡𝑐𝑐 ∙ 𝑄𝑄𝑉𝑉𝑅𝑅

𝑓𝑓𝑎𝑎,𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 =𝑡𝑡𝑐𝑐 ∙ 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚𝑉𝑉𝑅𝑅,𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚

Figura 7.- Croquis de configuración de volúmenes del reactor. Con agua residual urbana no se aconsejan valores de fa superiores a 0.5.

Relación de recirculación:

𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚∆𝑉𝑉

Tiempo de retención celular medio (θx): El tiempo medio de permanencia de los fangos se obtiene a partir de la relación de la masas de fangos en n tanques, con un volumen unitario Vmin y una concentración SSTR,min o del VR con una concentración SSTR, y la masa de fangos en exceso extraída por día.

𝜃𝜃𝑚𝑚 =𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑=𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅

𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑

En donde: n = Número de tanques. SSTmin = Concentración de SS en licor mezcla con volumen mínimo. SSTR = Concentración de SS en licor mezcla con volumen máximo. FEd = Producción diaria de fangos en exceso. Tiempo de retención celular del fango activo (θx) (días): Determinada por las reacciones biológicas. Se determina con los mismos criterios que en el proceso de fangos activos convencional.

𝜃𝜃𝑐𝑐 = 𝜃𝜃𝑚𝑚𝑡𝑡𝑅𝑅𝑡𝑡𝑐𝑐

Vmax

VminVR

Vmax


𝜃𝜃𝑐𝑐 =𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑∙𝑡𝑡𝑅𝑅𝑡𝑡𝑐𝑐

=𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅

𝐹𝐹𝐹𝐹𝑑𝑑∙𝑡𝑡𝑅𝑅𝑡𝑡𝑐𝑐

Siendo: tR = tiempo de reacción durante el ciclo tc = tiempo total del ciclo completo. Carga másica operativa (kg/kg.día):

𝐶𝐶𝑚𝑚,𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 =𝐶𝐶𝑑𝑑,𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷

𝑛𝑛 ∙ 𝑉𝑉𝑅𝑅 ∙ 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑅𝑅∙𝑡𝑡𝑐𝑐𝑡𝑡𝑅𝑅

Para aplicaciones de aguas residuales industriales normalmente se requieren estudios de tratabilidad para determinar la secuencia óptima de operación. Para la mayoría de las plantas de tratamiento de agua residual doméstica no se requieren dichos estudios para determinar la secuencia de operación porque el flujo de agua residual doméstica y sus variaciones características son generalmente predecibles; además, la mayoría de los diseñadores de ese tipo de plantas utilizan diseños de tipo conservador. Otras variables básicas que afectan al funcionamiento del reactor biológico:

Demanda total de oxígeno: se calcula de forma análoga a como se hace en fangos activos convencionales, Demanda puntual puede ser mayor porque el ejerce la demanda de oxígeno en un periodo menor. Producción de fangos: La misma que en un proceso convencional. En cada ciclo se extrae fango. No hay diferencias esenciales entre SBR y fangos activos en cuanto a costes y calidades.

Importancia del control de los llenados:

El llenado estático no tiene mezcla ni aireación, lo cual significa que se tendrá una alta concentración de sustrato (alimento) una vez se inicie la mezcla. Una alta relación alimento a microorganismos (F/M) crea un medio propicio para que los organismos crezcan en flóculos en vez de filamentos; esto da al lodo buenas características de sedimentación. Además, las condiciones de llenado estático favorecen a los organismos que hacen almacenamiento interno de productos durante condiciones de alta concentración de sustrato, lo cual es un requisito para la remoción biológica del fósforo. El llenado estático puede ser comparado con el uso de compartimientos "selectores" para el control de la relación F/M en un sistema convencional de lodos activados. El llenado con mezcla es llevado a cabo mezclando los compuestos orgánicos del afluente con la biomasa, para iniciar así las reacciones biológicas. Durante el llenado con mezcla las bacterias degradan biológicamente los compuestos orgánicos y utilizan el oxígeno residual u otro compuesto receptor de electrones alterno como los nitratos. En este medio la desnitrificación puede ocurrir en condiciones anóxicas. La desnitrificación es la conversión biológica de nitratos a gas nitrógeno. Un medio anóxico se define como la condición en la cual no se presenta oxígeno libre y el nitrato es utilizado por los microorganismos como receptor de electrones. El llenado con mezcla es comparable a la zona anóxica que se utiliza para la desnitrificación. También se pueden obtener condiciones anaeróbicas durante la fase de llenado con mezcla. Una vez que los organismos han utilizado los nitratos, el sulfato se convierte en el compuesto receptor de electrones. Las condiciones anaerobias se caracterizan por la falta de oxígeno y el uso del sulfato como compuesto receptor de electrones. El llenado con aireación tiene lugar cuando se suministra aire al contenido del reactor para iniciar reacciones aeróbicas que se completan en el paso de Reacción. El llenado con aireación reduce el tiempo requerido para el paso de Reacción. Para la entrada de agua afluente sin tratar se recomienda la colocación de una pantalla (baffle) o un muro; el agua es recomendable que acceda al decantador por debajo de manto de fango.

Optimización de la fase de eliminación de nutrientes: La desnitrificación se produce en ausencia de oxígeno. En esta fase anóxica se paran las soplantes y el cultivo se mantiene en suspensión mediante el funcionamiento de los agitadores. Durante esta etapa de desnitrificación el potencial Redox va disminuyendo de forma constante hasta un punto de inflexión que indica que todo el Nitrógeno-Nitrato ha pasado a Nitrógeno gas. El control del proceso pasa por la detección del punto final de las dos etapas. Una forma fácil de hacerlo es calculando de forma automática hasta que los incrementos de potencial


sean 0. Para determinar el punto final de la desnitrificación hay que detectar cuando se produce un cambio fuerte en el incremento de potencial (cambio de pendiente) (EPA, 1999).

3.3.- Criterios generales de diseño del reactor biológico En la siguiente tabla se establecen los valores de los parámetros de diseño del reactor biológico:

Tabla 1.- Valores de diseño para el reactor de fangos activos.

Parámetro SBR Metcalf SBR (aireación prolongada y

sedimentación)

SBR (reactor de flujo intermitente

en secuencia)

Sperling (2007)

θc

(días) 12 - 25 10 – 30 4 – 6 sin eliminación de nutrientes

8 – 10, con eliminación de nutrientes 20 -25 aireación prolongada, con

eliminación de nutrientes CM (kg DBO5/kg SSLM/d)

0.050 – 0.30

0.04 - 0.08 0.04 – 0.10

Carga volumétrica (kg.m3.día)

0.08 – 0.24 0.08 – 0.24 0.08 – 0.24

X (mg/L)

1500 - 5000

2000 - 8000 2000 – 8000 1500 - 3500

TRH (horas)

12 - 50 20 - 40 12 - 50

Tabla 2.- Parámetros clave de diseño para tasas de carga convencionales (AquaSBR Design Manual, 1995. EPA).

Industrial Municipal CM (kg DBO5/kg SSLM/d)

0.15 - 0.4 0.15 -0.6

Duración del ciclo de tratamiento 4.0 4.0 – 24 X (mg/L)

2,000 – 2,500 2,000 - 4,000

TRH (horas)

6 - 14 varía

3.4.- Volumen del reactor El volumen del reactor, V, se obtiene a partir de la carga másica de diseño.

𝑉𝑉 = 𝑄𝑄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚 · 𝐿𝐿0𝐶𝐶𝐶𝐶 · 𝑋𝑋

Los criterios de dimensionamiento para calcular el volumen requerido del reactor serán:

• La concentración X será igual a 3.000 mg SSLM/L (= 3 kg/m3). • La carga másica será menor o igual que 0.070 kg DBO5/kg SSLM/d.

3.5.- Capacidad de oxigenación requerida Ver documento FT-BIO-001.


3.6.- Rendimiento Ver documento FT-BIO-001. Para los SBR la eficiencia de remoción de DBO generalmente es del 85 al 95 por ciento. Los fabricantes de sistemas SBR normalmente proveen una garantía de proceso para la producción de efluentes con máximo de:

• 10 mg/L de DBO • 10 mg/L de SST • 5 - 8 mg/L de nitrógeno total • 1 - 2 mg/L de fósforo total

4.- CONSIDERACIONES TÉCNICAS PARTICULARES Los depósitos de los reactores no tienen una forma especial. Profundidades de entre 4 y 7 metros. La velocidad horizontal de entrada de agua bruta a través de las pantallas o bafles no debe ser superior a 0.3 m/s. El depósito debe tener un resguardo de, al menos, 60 cm. Las tasas de transferencia de oxígeno que se producen entre el nivel de agua más bajo y el nivel máximo se deben de tener en cuenta para proporcionar siempre valores de OD superiores a 2 mg/L. La aireación se puede realizar con difusores o con aireadores superficiales flotantes, dado que los niveles de agua son variables. Si se van a tener fases de nitrificación y desnitrificación es necesario que siga habiendo energía de mezcla en reactor y la aireación se pare. Una combinación interesante es el uso de difusores de membrana y aireadores con eyectores. Los aireadores en superficie pueden ayudar a romper posibles costras de fango en superficie. Dado que hay una fase en que se debe vaciar parte de volumen de agua del reactor (entre un 10 y un 50%, en unos 30-90 minutos) es necesario tener dispositivos especiales que permitan este flujo. Se suele disponer de dispositivos flotantes o sistemas con posición controlada automáticamente (se aconseja que sean reparables sin tener que vaciar el tanque). Interesa que el agua que salga lo haga lo más clarificada posible. En instalaciones pequeñas el punto de salida puede ser una conducción a media altura (EPA, 1999). Los vertederos flotantes tienen la ventaja de mantener sumergido el orificio de toma muy cerca de la superficie del agua para minimizar la remoción de sólidos en el efluente durante el paso de Descarga. Los decantadores flotantes también ofrecen flexibilidad operacional en respuesta a volúmenes variables de llenado y vaciado. Los decantadores fijos se instalan en la pared del tanque y pueden ser empleados si se usa una fase extendida de Sedimentación. El extender esta fase minimiza la posibilidad de que los sólidos en el agua residual floten sobre el decantador. En algunos casos los decantadores fijos son menos costosos y pueden ser diseñados para permitir que el operador baje o suba su nivel. Los decantadores fijos no ofrecen la flexibilidad de operación de los flotantes (EPA, 1999). 5.- ESPECIFICACIONES EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL El proceso de fangos activos para el tratamiento de aguas residuales industriales con compuestos de lenta o baja biodegradabilidad, por ejemplo: efluente de operaciones de teñido de textil, suele funcionar con cargas másicas de 0.15 a 0.4 kg DQO/kg SSLM/d (Metcalf & Eddy, 2003). El TRH típico es de 12 a 24 horas mientras que el TRC puede llegar hasta los 30 días (rango habitual: 10 a 20 días). El fango en exceso puede ser deshidratado sin malos olores en eras o lechos de secado. Los reactores SBR permiten una configuración que reduce la aparición de bulking filamentoso, que es uno de los problemas frecuentes en las EDAR de industrias textiles que emplean fangos activos de baja carga como tratamiento biológico (Nicolau and Hadjivassilis, 1992).


Para optimizar el crecimiento biológico puede ser necesario la adición de nutrientes (N, P) mediante el uso de sistemas convencionales de dosificación de productos químicos. 6.- PARÁMETROS Y ESTRATEGIAS DE CONTROL Dado que los elementos críticos de un sistema de SBR son los controles, las válvulas automáticas y los interruptores automáticos, estos sistemas pueden necesitar un mayor mantenimiento que en los sistemas convencionales de fangos activos. Un incremento en el nivel de sofisticación también significa que existen más elementos que pueden fallar o requerir mantenimiento. El nivel de sofisticación puede ser muy alto en las plantas de tratamiento de SBR de mayor tamaño, requiriéndose un alto esfuerzo de mantenimiento de las válvulas e interruptores automáticos. 7.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN En el ANEXO 4, titulado “PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR”, se presenta una tabla que revisa los problemas de explotación de un SBR y plantea acciones correctivas (Fuente: University of Florida TREEO Center’s “Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual”.


BIBLIOGRAFÍA

ATV-A 126E. (1993). “Principles for wastewater treatment in sewage treatment plants according to the activated sludge process with joint sludge stabilization with connection values between 500 and 5.000 total numbers of inhabitants and population equivalents”. © GFA, Hennef. ATV-DVWK-A 131E. (2000). “Dimensioning of single-stage activated sludge plants”. © GFA, Hennef. CORTACÁNS, J.A. (2014). “Otros procesos de fangos activos. Aireación prolongada, doble etapa y procesos secuenciales”; “Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras”, Curso 2014, CEDEX, Noviembre de 2014, Madrid CRITES, R. y G. TCHOBANOGLOUS. (2000). “Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones”. McGraw-Hill, Interamericana, S.A., Santafé de Bogotá, Colombia. ISBN 958-1-0042-4. DAVIS, M. L. (2010). “Water and wastewater engineering. Design principles and practice”. McGraw-Hill Companies, Inc. (USA). ECKENFELDER W. W., and GRAU, P. (1992). “Activated sludge process design and control. Theory and practice”. Technomic Publishing Co., Inc.: Lancaster, PA (USA). ECKENFELDER W. W. (1980). “Principles of water quality management”. CBI Pub. Co.: Boston (USA). EPA (1999). “Folletos Informativos de Tecnología de Aguas Residuales de la EPA : Reactores secuenciales por tandas. Parte 1”; EPA 832-F-99-073; Septiembre de 1999; Office of Water Washington, D.C.; United States Environmental Protection Agency EPA (1999). “Wastewater Technology Fact Sheet: Sequencing Batch Reactors”. U.S. Environmental Protection Agency. Washington, D.C., 1999. EPA 832-F-99-073. GIL-JORDANO, D. (2010). “Tecnologías para el tratamiento y depuración de las aguas residuales de pequeños y medianos núcleos de población. Proceso SBR”. DEISA (Grupo COMSA EMTE). Zaragoza, Mayo de2010. IWA (2014) .IWA Water Wiki. http://www.iwawaterwiki.org/xwiki/bin/view/Articles/SequencingBatchReactor_R. METCALF & EDDY (2003). “Wastewater Engineering: Treatment and Reuse”. Tchobanoglous G., Burton F., Stensel H. (eds.); McGraw-Hill: New York. MINISTRY OF THE ENVIRONMENT ONTARIO (2008). Design Guidelines for Sewage Works. PIBS 6879. ISBN 978-1-4249-8438-1 NICOLAU, M.; HADJIVASSILIS, I. (1992). “Treatment of wastewater from the textile industry.” Water Sci. Technol., Vol. 25, No. 1, pp. 31-35. SPERLING, M. (2007); “Biological Wastewater Treatment Series. Volumen 5. Activated Sludge and Aerobic Biofilm Reactors”; Department of Sanitary and Environmental Engineering Federal University of Minas Gerais, Brazil. IWA Publishing. TR-16 Guides for the Design of Wastewater Treatment Works (1998). New England Interstate Water Pollution Control Commission. UNIVERSITY OF FLORIDA TREEO Center’s (2000). “Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual”. WEF, ASCE, EWRI (2010). "Design of municipal wastewater treatment plants". Fifth edition. Water Environment Federation, American Society of Civil Engineering/Environmental & Water Resources Institute. McGraw-Hill: New York. WEF (2005). “Clarifier design”. Water Environment Federation Manual of Practice No. FD-8. 2nd Edition. McGraw-Hill: New York.

http://www.iwawaterwiki.org/xwiki/bin/view/Articles/SequencingBatchReactor_R


ANEXO 1 COMPARATIVA DE CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO Tabla 1.- Comparación de criterios de diseño de fangos activos de baja carga.

Parámetro Carga Másica, CM (kg DBO5/kg SSLM/d) SSLM, X (mg/L)

Lodos en la recirculación, XR (mg/L)


ANEXO 2 ESTIMACIÓN DE SUPERFICIES NECESARIAS SUPERFICIE NECESARIA PARA REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVOS DE BAJA CARGA En la siguiente tabla se presenta la demanda de superficie para un reactor biológico de fangos activos de baja carga para diferentes tamaños de la industria textil expresado en términos del caudal medio de tratamiento. Se considera que habrá un tanque de homogenización de caudales y concentraciones. Las hipótesis generales de partida son:

• Concentración DBO5 homogenizada = 300 mg/L • Concentración SSLM = 3.000 mg/L

El criterio principal de diseño es la carga másica que no será superior a 0.070 kg DBO5/kg SSLM/d. La superficie necesaria depende del calado que se adopte para el licor mezcla del reactor. Ya que el método o sistema de aireación condiciona el calado óptimo, vamos a adoptar para este ejercicio los siguientes calados:

• Aireación de turbinas = 3 m • Aireación mediante difusores de fondo = 5 m

Así, se obtiene los siguientes resultados: Tabla 1.- Estimación de superficie necesaria para reactor de fangos activos de baja carga en función del caudal a

tratar.

Calado (m)

3 5

Caudal Volumen Superficie Superficie

(m3/d) (m3) (m2) (m2)

20 28.6 10 6

200 285.7 95 57

1000 1428.6 476 286

2000 2857.1 952 571


ANEXO 3 DESCRIPCIÓN GRÁFICA DE UNIDADES DE PROCESO

Figura 1.- Vertedero de recogida con altura variable. http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html

Figura 2.- Vertedero de recogida con altura variable.

http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html


Figura 3.- Vertedero de recogida con altura variable. http://jinhaosanyang.en.alibaba.com/product/506790263213235317/SBR_CASS_pool_Revolving_water_decanter.html

Figura 4.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR. Catálogo “Sanitaire ICEAS Advanced SBR. Sanitaire is a trademark of Xylem Inc. or one of its subsidiaries. © 2013 Xylem, Inc. 1710. April 2013. http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html

http://jinhaosanyang.en.alibaba.com/product/506790263213235317/SBR_CASS_pool_Revolving_water_decanter.html

http://jinhaosanyang.en.alibaba.com/product/506790263213235317/SBR_CASS_pool_Revolving_water_decanter.html



Figura 5.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR. Catálogo “Sanitaire ICEAS Advanced SBR. Sanitaire is a trademark of Xylem Inc. or one of its subsidiaries. © 2013 Xylem, Inc. 1710. April 2013. http://www.directindustry.com/prod/awt-technologies-inc/sequencing-batch-reactors-89621-936817.html

Figura 6.- Croquis básico del vertedero de altura variable con flotador nivelados (también denominado “decanter”)



Figura 7.- Vista general de una planta de tratamiento con SBR. EDAR Alcarrás (España) (GIL-JORDANO, D., 2010).

Figura 7.- Vista general de uma palnta de tratamento com SBR. EDAR La Jonquera (España) (GIL-JORDANO, D., 2010).


Figura 8.- “Decanter”por bombeo (GIL-JORDANO, D., 2010).

EDAR La Roca del Vallés ( Decantaer hidráulico

Figura 9.- “Decanter” hidráulico, con flotadores. EDAR La Roca del vallés (España) (GIL-JORDANO, D., 2010).

Figura 10. Croquis básico del funcionamento de um decánter hidráulico (GIL-JORDANO, D., 2010).


ANEXO 4 PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN DE SBR

Source: University of Florida TREEO Center’s Sequencing Batch Reactor Operations and Troubleshooting Manual (2000).

SEQUENCING BATCH REACTOR TROUBLESHOOTING CHART PROBLEM OR OBSERVATION

CONDITION

PROCESS CONTROL ANALYSIS

POSSIBLE CAUSES

CONTROL ACTION

I. Loss of solids from reactor due to a high blanket

Poor sludge settling velocity and compaction

SSVX, SSV5, SVI, diluted SSVX, microscopic examination, NH3 - N, COD, D.O., SOUR

• Glutting (old sludge) • Decrease MCRT. • Classic bulking

(young sludge) • Increase MCRT.

• Filamentous bulking • Identify conditions contributing to filamentous growth and correct. See comments in narrative below.

• Slime bulking • Add nutrients. • Foam Trapping • Optimize pretreatment removal of oil and grease. • Highly nitrified

or oxidized

• Increase anoxic cycle, reduce aerobic cycle.

• Toxicity • Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate, increase aeration cycle, increase MCRT.

• High organic loading • Short-term, increase aerobic cycle; long-term, increase MCRT.

II. Rapidly settling blanket leaving particulate. Difficulty in maintaining waste concentration

Rapid sludge settling velocity and compaction

SSVX, SSV5, SVI, F/M, SOUR • Low F/M ratio • Increase F/M ratio by decreasing MLVSS.



CONDITION


POSSIBLE CAUSES

CONTROL ACTION

III. Turbid or cloudy

effluent, disinfection problems

A.High effluent

BOD or TS

MLSS, MLVSS, D.O., pH, temperature, Influent COD or TOC, Influent NH3 –N, D.O., SOUR

• Low MLSS or MLVSS

• Increase MLSS/MLVSS.

• Low D.O., temperature or pH • Increase aeration cycle in fill react, increase MLSS, add alkalinity. • High organic loading • If long-term, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle. • High nitrogenous loading • If long-term, increase MLSS/MLVSS and aeration cycle. • Toxicity • Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate,

increase aeration cycle, increase MCRT. B. High effluent NH3

– N (Incomplete nitrification)

Influent and process NH3 – N, influent and process alkalinity, pH, temperature, SOUR, D.O.

• Influent NH3-N overload • Increase aerobic cycle. • Low D.O. • Increase aerobic cycle. • Low temperature • Increase aerobic cycle. • Inadequate

aerobic retention

• Increase aerobic cycle.

• Low pH or alkalinity • Add alkalinity. • Low MLVSS (nitrifiers) • Increase MLVSS. • Toxicity • Isolate or split flow, identify source of toxic influent and eliminate,

increase aeration cycle, increase MCRT.

IV. High-effluent TSS Individual particle washout

Effluent and recycle TSS or turbidity, F/M, microscopic exam, SOUR

• Pin floc – low F/M, • Increase waste cycle, decrease MLSS. • Pin floc – denitrification • Increase waste cycle, decease MLSS, increase anoxic cycle. • Pin floc – solids recycle • Optimize solids handling. • Straggler floc – high F/M • Decrease waste cycle, increase MLSS, increase aeration cycle. • Straggler floc – filamentous • Identify filamentous organism (see filamentous control above). • Straggler floc – hydraulic • See mechanical troubleshooting section. • Individual bacterial cells

in effluent • Decrease waste cycle, raise MLSS, increase aeration cycle, if

toxicity remove source of toxic influent V. High-effluent NO3 - N High effluent NO3 –

N NO3 – N, pH, TOC or COD • Lack of or inadequate

anoxic conditions • Increase anoxic cycle (may require decreasing oxic cycle).

• Lack of or inadequate carbon source

• Add carbon (methanol or acetic acid).

• Low pH, temperature or

• Add alkalinity, increase MCRT.



CONDITION


POSSIBLE CAUSES

CONTROL ACTION

VI. Difficulty in maintaining chlorine residual

Chlorine (Cl2)residual fluctuation, no chlorine residual

Cl2 residual, supernatant NH3-N., NO2-N, turbidity or TSS

• Incomplete nitrification/denitrification resulting in high NO2-N in supernatant.

• High NO2-N in supernatant will result in increased demand. Optimize nitrification and denitrification processes.

• High TSS in supernatant • High TSS in supernatant will result in increased demand. See Problems I, III, IV.

• Reducing agents in supernatant

• Reducing agents such as H2S, Fe, Mn in supernatant. Investigate source and eliminate. Increase chlorine feed rate to overcome demand.

VII. High fecal coliform values

Sufficient chlorine (Cl2)residual, but high fecal coliform values

Supernatant TSS, free and total Cl2 residual, supernatant NH3-N, theoretical and actual CCC detention time

• Excessive TSS in supernatant • High TSS in supernatant can result in “blinding” of disinfection process. See Problems I, III, IV.

• Short circuiting of chlorine contact

• Calculate the theoretical CCC detention time. Conduct dye testing to determine actual detention time.

• Chloro-organic compounds • If there is no NH3-N in effluent but organic nitrogen is present, then false residual (DPD)may be present due to formation of chloro-organic compounds. Use free chlorine to establish residual not total chlorine. Reduce aeration cycle to de-optimize nitrification rate.

VIII. Foam Excessive foam or scum on surface of SBR, flow EQ tank or chlorine contact chamber

Microbiological examination, NO3-N, C-N-P ratio, SRT, oils and grease, D.O.

• Excessive filamentous bacteria.

• The presence of hydrophobic filamentous bacteria may lead to excessive scum and foam. See section I.5.

• Denitrification • Denitrification can result in sludge and foam on surface of SBR. • Nutrient deficiency • Foam may also indicate a possible nutrient deficiency. This type of

foam may be due to bacteria producing a natural polymer when subjected to nutrient deficient conditions for an excessive period of time.

• SRT • Both too low and too high an SRT can cause foam problems. • Fats, oil or grease • Fats, oils grease and other non-degraded surface active organics

can cause foam problems. • Overaeration • Excessive (D.O. > 4.0 mg/L) may cause foaming.

FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS …

Documents

Transcript of FICHAS TÉCNICAS DE PROCESOS UNITARIOS DE PLANTAS …