1

Transferencia de oxgeno en sistemas de tratamiento biolgico de

aguas residuales: I.- Necesidades energticas y suministro de oxgeno.

Sergio Collado1, Pedro Simn2, Carlos Lardn2, Manuel Abellan2, Manuel Polo3,Amador Rancao4, Adriana Laca1, Mario Daz1

1 Departamento de Ingeniera Qumica y Tecnologa del Medio Ambiente. Universidad

de Oviedo. c/Julin Clavera. Oviedo

2 ESAMUR. C/ Madre Paula Gil Cano s/n. Edificio Torre Jemeca Planta 9. 30.009-MURCIA

3 CADAGUA. C/ Daniel Balaciart, 4-17. 46020. Valencia.

4 ACCIONA Agua. Acciona Agua. Avda. De Europa, 22. Parque empresarial La Moraleja. 28108 Alcobendas Madrid

Resumen: Un correcto diseo del sistema de aireacin resulta imprescindible para la

viabilidad tcnica y econmica de una estacin depuradora de aguas residuales, al

suponer el 70% de los costes energticos de la planta y condicionar el grado final de

depuracin alcanzable. En este trabajo se describen los principios bsicos que rigen la

transferencia de oxgeno gas lquido, as como los principales parmetros

involucrados. Asimismo, se discute el papel de las variables de diseo de los sistemas

de aireacin sobre las eficacias de transferencia en agua limpia.

Palabras clave: Aireacin, tratamiento de aguas, medida , eficacias de aireacin.

Abstract: A correct design of the aeration system is essential for

technical and economic feasibility of a sewage treatment plan, because it involves a

70% of the energy costs of the plant and determine the final degree of purification

attainable. In this paper, the basic principles governing the transfer of oxygen gas -

liquid and the main parameters involved are described. Likewise, the effect of the

design variables of the aeration systems on the transfer efficiencies in clean water are

also discussed.

Keywords: Aeration, wastewater treatment, measurement of , transfer efficiencies.

2

ndice 1.Introduccin________________________________________________________ 3

2.Aireacinensistemasdetratamientodeaguas:aspectosbsicos. ___________ 6

2.1.Transferenciagaslquido_________________________________________________6

2.2.Medidadelcoeficientevolumtricodetransferenciadeoxgeno(kLa)_____________8

2.3.Equiposdeaireacin____________________________________________________13

2.4.Definicindeeficacias___________________________________________________16

3.Efectodeldiseosobrelaseficaciasdereferencia ________________________ 18

3.1.Sistemasdeaireacinporburbujeo________________________________________183.1.1.Caudaldeairepordifusor____________________________________________________193.1.2.Densidaddelosdifusores____________________________________________________213.1.3.Distribucindelosdifusores__________________________________________________223.1.4.Profundidaddelosdifusores _________________________________________________23

3.2.Aireadoressuperficialesomecnicos ______________________________________253.2.1.Tipodeagitador ___________________________________________________________253.2.2.Velocidaddeagitacin ______________________________________________________253.2.3.Profundidaddelaireador ____________________________________________________263.2.4.Geometradeltanquedeaireacin ____________________________________________263.2.5.Empleodeplacasdeflectorasytubosdeaspiracin _______________________________27

4.Conclusiones ______________________________________________________ 27

5.Nomenclatura _____________________________________________________ 27

6.Bibliografa _______________________________________________________ 29

3

1.-Introduccin

Las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR) tienen como

finalidad obtener un producto de alto valor aadido (agua depurada) a partir de una

materia prima (agua residual). Para conseguir este fin, se producen una serie de

procesos fsicos, qumicos y fundamentalmente biolgicos, en los que se generan una

serie de residuos y se consumen recursos (energa elctrica y reactivos).

La depuracin, al igual que cualquier proceso industrial, ha de realizarse siempre

con una minimizacin de costes. Los costes en sistemas de tratamiento de aguas

dependen fundamentalmente de las caractersticas del agua de entrada, del diseo de la

instalacin, de las necesidades de calidad del agua de salida y del caudal depurado [1].

La figura 1 muestra una distribucin de costes tpica en una EDAR (datos suministrados

por ACCIONA).

Figura 1.- Distribucin de costes en una EDAR (datos suministrados por ACCIONA).

Como se aprecia en la figura, los costes energticos suponen la principal partida

de los costes de explotacin de una EDAR. Por ello, a la hora de abordar una

minimizacin de costes de explotacin se ha de prestar especial atencin al consumo de

energa. En la figura 2 se muestra la distribucin de los costes energticos entre los

distintos procesos de la EDAR (datos suministrados por ACCIONA). Se puede observar

que el mayor consumo energtico se produce en el proceso biolgico.

4

Figura 2.- Distribucin de los consumos energticos de la EDAR (datos suministrados

por ACCIONA)

En las siguientes figuras se muestra, respectivamente, una distribucin tpica del

consumo de energa de la etapa biolgica de un reactor tipo carrusel (5.000 m3/da) con

suministro de aire mediante soplantes de mbolos rotativos y de un reactor de flujo

pistn (145.000 m3/da) con suministro de aire por medio de turbocompresores (datos

proporcionados por ACCIONA). Al estudiar la distribucin de consumos energticos,

se observa que la mayor parte de la energa es empleada por el sistema de aireacin.

Figura 3.- Distribucin de consumos de energa (kWh/m3) de agua tratada de la etapa

biolgica de un reactor tipo carrusel de 5.000 m3/da (a) y en la etapa biolgica de un

(b)Lodosactivos

(a)Carrusel

5

reactor de flujo pistn en una EDAR de 145.000 m3/da (b) (datos proporcionados por

ACCIONA)

Los costes de operacin asociados a la aireacin suponen entre el 15 y el 25% de

los costes totales de operacin [2] y el 70% de los costes energticos [3]. El impacto del

sistema de aireacin en los costes fijos y de operacin de una planta de tratamiento

biolgico es un aspecto de gran importancia. Por lo general, los costes fijos de los

sistemas de aireacin estn entre el 15 y el 25 % de los costes de construccin de la

planta de tratamiento. Por lo tanto, la viabilidad econmica de una EDAR depende en

gran medida de un correcto diseo y operacin del sistema de aireacin.

Desde un punto de vista tcnico, la aireacin determina las rutas metablicas

seguidas por los microorganismos para degradar los contaminantes y, por tanto, los

productos formados, contribuyendo adems en muchos casos a mantener la biomasa en

suspensin y a la mezcla con el agua residual entrante, al tiempo que retira el exceso de

dixido de carbono generado durante la oxidacin de la materia orgnica.

Concentraciones de oxgeno disuelto en el medio en torno a 1 2 ppm son

tpicas en sistemas de tratamiento biolgico. De hecho, concentraciones de oxgeno por

encima de 0.5 ppm tienen poco efecto en la velocidad de degradacin; sin embargo,

concentraciones por debajo provocan fenmenos de anaerobiosis [4]. La concentracin

de oxgeno en el medio depende de la velocidad de transferencia de oxgeno desde el

gas al medio y de la velocidad de consumo de ste por parte de los microorganismos

[5]. Los requerimientos de oxgeno por parte de los microorganismos son la suma de los

requerimientos para los procesos de sntesis (funcin la materia orgnica del agua

residual), requerimientos de oxgeno para la eliminacin de la materia nitrogenada

(funcin de la concentracin de nitrgeno del agua residual) y los requerimientos de

oxgeno para los procesos de respiracin endgena (funcin de la edad del lodo). Como

ejemplo, la figura 4 muestra los requerimientos de oxgeno de una EDAR con una

relacin nominal carga contaminante a biomasa (F/M) de 0.0085 kg DQO/ d kg MLSS

en funcin de la temperatura para un correcto funcionamiento de la EDAR (datos

proporcionados por CADAGUA)

6

Figura 4.- Evolucin de los requerimientos de oxgeno de una EDAR con una relacin

F/M nominal de 0.0085 kg DQO/ d kg MLSS en funcin de la temperatura para un

correcto funcionamiento de la instalacin (datos proporcionados por CADAGUA)

Por su parte, la velocidad de transferencia de oxgeno al medio depende de

varios factores, tales como la geometra del biorreactor (tipo de biorreactor ,

distribucin y diseo de los difusores) [6, 7], las propiedades del lquido (viscosidad,

tensin superficial) y la energa disipada en el fluido, la cual depende del flujo de

aire, la velocidad del agitador [8-11]

El objetivo de este trabajo es analizar los principales parmetros involucrados en

el diseo de sistemas de aireacin de plantas de tratamiento de aguas residuales, como

paso previo para la optimizacin de dichos sistemas.

2.- Aireacin en sistemas de tratamiento de aguas: aspectos bsicos.

2.1.-Transferencia gas- lquido

Aunque son bien conocidos, en este apartado se discuten someramente los

principios que rigen la transferencia de materia gas lquido. La transferencia de

oxgeno desde una burbuja de gas hasta una clula puede representarse a travs de una

serie de etapas y resistencias [5].

1. Transferencia desde el interior de la burbuja hasta la interfase gas-lquido.

2. Movimiento a travs de la interfase gas-lquido.

3. Difusin a travs de la capa lquida lmite de la burbuja.

7

4. Transporte a travs del medio lquido de reaccin.

5. Difusin a travs de la capa lquida lmite de la clula.

6. Difusin a travs del slido, si la clula est en un flculo.

7. Movimiento a travs de la interfase liquido-clula.

8. Transporte a travs del citoplasma hasta el lugar donde tiene lugar la reaccin.

9. Reacciones bioqumicas de consumo de oxgeno y produccin de CO2.

10. Transferencia de los gases producidos en direccin opuesta.

Como se puede ver, las etapas 1 a 7 y 9 corresponden a procesos fsicos. En general,

la resistencia a la difusin a travs de la capa lquida que rodea las burbujas es la etapa

limitante (etapa 3).

Figura 5.- Etapas y resistencias para la transferencia de oxgeno desde la burbuja de

aire hasta la clula.

La teora ms sencilla para describir la transferencia gas-lquido es el modelo de

doble pelcula, segn el cual el flujo a travs de cada pelcula es proporcional a una

fuerza impulsora dada por la diferencia de concentraciones entre las superficies de la

pelcula, es decir, la rapidez de difusin dentro de una fase depende del gradiente de

concentraciones existente en ella:

Donde es el flujo molar de oxgeno a travs de la interfase lquido gas (mol m-2

s-1); y son los coeficientes locales de transferencia; es la presin parcial de

8

oxgeno en la burbuja; y es la concentracin de oxgeno en el medio lquido. El

subndice i hace referencia a los valores en la interfase gas-lquido.

Dado que las concentraciones interfaciales no se pueden medir directamente, es

habitual considerar un coeficiente global de transferencia de materia, segn la siguiente

ecuacin:

Donde es la presin de oxgeno en equilibrio con la fase lquida; es la

concentracin de oxgeno de saturacin del medio en equilibrio con el gas (para

disoluciones diluidas y segn la ley de Henry: ); y y son los

coeficientes globales de transferencia de materia. Combinando las ecuaciones

anteriores, se obtiene que:

1

1

1

Al tener en cuenta que el oxgeno es poco soluble en el agua (H es alta) se acepta

que por lo comn la mayor resistencia a la transferencia proviene del lado lquido de la

interfase y que la resistencia del gas puede despreciarse, de forma que .

Al considerar ahora la transferencia de oxgeno a un volumen de lquido, V, que

tiene un rea total interfacial, A, en contacto con la fase gaseosa, se tiene entonces que

la velocidad total de transferencia de oxgeno al lquido por unidad de volumen (:

Donde el coeficiente es el rea interfacial por unidad de volumen, llamada

superficie especfica y se denota habitualmente por ; es la velocidad de

transferencia de oxgeno y el producto se denomina coeficiente volumtrico de

transferencia de materia. Por lo tanto, la velocidad de transferencia de oxgeno es

proporcional a un gradiente de concentraciones, siendo el coeficiente volumtrico de

transferencia la constante de proporcionalidad.

2.2.-Medida del coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno (kLa)

9

La determinacin de en sistemas de tratamiento de aguas es esencial para

establecer las velocidades de aireacin y cuantificar el efecto de las caractersticas de la

alimentacin y de las variables de operacin. Los mtodos ms comunes para

determinar la velocidad de transferencia de oxgeno en un proceso microbiano pueden

ser clasificados segn si la medida se realiza en ausencia de microorganismos o con

clulas muertas o si se lleva a cabo en presencia de biomasa que consume oxgeno

durante la medida.

En ambos casos, los mtodos para la determinacin de se basan en

provocar una cada del oxgeno disuelto, seguir su concentracin hasta que el sistema

vuelve a las condiciones de partida y emplear una expresin linealizada obtenida a partir

del balance al oxgeno para ajustar los datos y obtener el coeficiente [12, 13] (tabla 1).

En el caso de que en el medio estn presentes clulas, es suficiente detener

momentneamente la aireacin para provocar una cada en la concentracin de oxgeno,

ya que son las propias clulas las que lo consumen. La reduccin inicial en medios sin

clulas puede llevarse a cabo aumentando la temperatura [14] o desplazando la

concentracin de oxgeno con una corriente de nitrgeno [15, 16], siendo el mtodo ms

comnmente empleado la adiccin al medio de sulfito sdico, un agente reductor que

reacciona con el oxgeno disuelto para producir sulfato en presencia de un catalizador

(Cu2+ Co2+). Se suele aadir en torno a 10 mg Na2SO3 por mg de oxgeno disuelto con

una concentracin de 0.1-0.5 M de CoCl2 [17].

La tabla 1 recoge un resumen de los principales aspectos de los mtodos de

determinacin de en ausencia y presencia de biomasa.

10

Tabla 1.- Mtodos de determinacin de en ausencia y presencia de biomasa.

Ecuacindiferencial

eintegrada

Perturbacin Grfica

Sinbiom

asa

Reduccindelaconcentracinde

O2

mediantelaadiccinde

Na2SO4,burbujeodeN2oaumento

delaT.

=0t*

L*

CC

CC

ln

Conbiom

asa

C O2a

ltas

Detencindelaaireacin.La

concentracindeO2sereducedebidoalaactividad

metablica. kLa

Tiempo

C*

Cestac.

=0t.

esta

c

L.

esta

c

CC

CC

ln

Ct=0

Tratam

iento

biolgico

AumentodelaconcentracindeO2mediante

aireacinconO2puroy/oaumentodelcaudaldegas.

=0t.

esta

c

L.

esta

c

CC

CC

ln

11

En el caso de sistemas de tratamiento biolgico de aguas, el mtodo de

determinacin de en medios con biomasa no es aplicable, dado que la

concentracin de oxgeno inicial en el medio es muy baja (en torno a 1-2 ppm). En estos

casos se suele proceder cambiando la corriente de aire por una de oxgeno hasta

alcanzar una concentracin prxima a la de saturacin para, a continuacin, volver a

emplear aire y determinar durante la etapa de desorcin. A partir de un balance al

oxgeno en el biorreactor se obtiene:

Donde es la concentracin de clulas y son los kilogramos de oxgeno

consumidos por kg de biomasa. En estado estacionario:

Donde es la concentracin de oxgeno en el medio en estado

estacionario.

Por lo tanto, al seguir la evolucin de la concentracin de oxgeno tras detener la

aireacin con oxgeno puro y reiniciar la de aire.

La ecuacin anterior se puede linealizar y, a partir de una regresin lineal,

obtener [18]:

Para medir la concentracin de oxgeno se suele emplear un electrodo selectivo.

Es necesario tener en cuenta que el tiempo de respuesta del electrodo es un parmetro

crtico para la determinacin precisa de valores de concentracin de oxgeno. La

respuesta del electrodo afecta a la correcta determinacin de si el tiempo

caracterstico para el transporte de oxgeno ()-1 es del mismo orden que el tiempo de

respuesta del electrodo (. Un criterio sencillo a la hora de seleccionar un electrodo

12

consiste en que cumpla ()-1. El tiempo de respuesta de un sensor de oxgeno

suele estar en torno a 10-100 segundos [19].

Aparte de los mtodos citados, es frecuente encontrar correlaciones empricas en

la bibliografa para estimar la velocidad de transferencia de oxgeno. El valor de se

suele relacionar con la velocidad de agitacin (o la potencia alimentada por unidad de

volumen), la velocidad superficial del gas y la viscosidad del medio, en el caso de tenga

un comportamiento no Newtoniano. Tambin son frecuentes correlaciones empricas

basadas en nmeros adimensionales. En cualquier caso, es comn que existan

discrepancias importantes entre los valores reales y los predichos por estas ecuaciones,

generalmente debido a que los valores de obtenidos para medios reales son

calculados mediante ecuaciones propuestas para agua limpia. La tabla 2 muestra

algunos ejemplos de las estructuras tpicas de las correlaciones encontradas en la

bibliografa (para un mayor detalle de las condiciones de aplicacin consultar las

referencias originales).

13

Tabla 2.- Algunas de las correlaciones empricas aparecidas en la bibliografa

Tipo de reactor Correlacin Ref.

Biorreactor de tanque agitado (12 l). Turbina de 6 palas planas. Agua-glicerol

2.2.

.

.

[20]

Biorreactor de tanque agitado (2 l). Agitador triple de turbina de 2 palas curvas. Agua- electrolitos- carboximetilcelulosa

1.3 10.

.

.

[13]

Columna de burbujeo (73 l). Agua- alcoholes-CCl4

0.6

.

.

. .

[21]

Bioreactor de tanque agitado (3000 l). Agitador Rushton. Lquido Newtonniano

/

//

.

/

.

[22]

Reactor airlift (12 l)

4.6 10

.

.

.

.

.

[23]

es la velocidad superficial del gas,

es la potencia alimentada por unidad de volumen, es la

viscosidad, es el dimetro de la columna, es la difusividad del oxgeno en el lquido, es la densidad, g es la constante gravitacional, es la tensin superficial, es el volumen de gas en la columna por unidad de volumen lquido, D es el dimetro del tubo interior.

2.3.-Equipos de aireacin

La seleccin de equipos de aireacin es una tarea crtica en el proceso de diseo

de una planta de tratamiento de aguas. En trmino de costes es la partida mecnica de

mayor incidencia. La figura 6 muestra los coeficientes de transferencia y las potencias

disipadas por unidad de volumen tpicos para los principales sistemas de aireacin

encontrados en sistemas biolgicos.

14

Figura 6.- Coeficientes de transferencia de oxgeno y potencias disipadas por unidad de

volumen tpicos de los principales sistemas de aireacin (adaptado de [24-26])

Como se observa, los coeficientes de transferencia ms altos se consiguen

empleando eyectores en los que la corriente de aire acta como impulsora de la fase

lquida, generando una fina dispersin del lquido en el gas y aumentando

considerablemente el rea especfica. Sin embargo este mtodo es poco empleado

debido al elevado consumo energtico que supone su funcionamiento [24].

Las columnas de burbujeo, los airlift y los tanques agitados con aireacin son

ms empleados, particularmente en procesos de sntesis microbiana donde una alta

concentracin de oxgeno es clave para aumentar la productividad. Estos equipos

permiten obtener coeficientes de transferencia de oxgeno entre 10-2 y 5x10-1 con

potencias en torno a 1kWa/ m3 [26].

En el caso que nos ocupa, es decir, el de sistemas de tratamiento de aguas

residuales, donde los altos caudales tratados y los costes energticos se vuelven factores

clave, suelen emplearse dos sistemas de aireacin distintos, aireadores de burbujeo y

aireadores superficiales o mecnicos [27].

1.- Los aireadores de burbujeo estn hechos de un material cermico poroso, un

metal perforado o una membrana con agujeros pequeos para dispersar el aire. Los

15

difusores se encuentran cerca del fondo del tanque de aireacin, en torno a los 5.5 m

[25]. Las burbujas liberadas transfieren oxgeno al medio y agitan el medio. Estos

aireadores se clasifican a su vez en funcin del tamao del orificio en aireadores de

burbuja fina (2-2.5 mm) o gruesa (hasta 25 mm). Al aumentar el dimetro de la burbuja

se reduce el rea especfica y el tiempo de residencia de la burbuja, aunque se aumenta

la turbulencia [28]. Los aireadores de burbuja gruesa son ms baratos y su consumo

energtico es ligeramente inferior al de los de burbuja fina, aunque su empleo supone

una reduccin del 40 % del coeficiente de transferencia.

Los difusores de burbuja fina de membrana han sido empleados

tradicionalmente en las plantas de tratamiento de aguas. Son muy eficientes en aguas

limpias, aunque su eficacia se reduce considerablemente en aguas residuales que

contengan slidos y/o surfactantes. Adems, conllevan unos costes de mantenimiento

elevados, ya que son muy propensos al atascamiento y obturacin de los orificios [25].

2.- Los aireadores superficiales o mecnicos provocan el arrastre del oxgeno

atmosfrico al medio lquido mediante la agitacin por medios mecnicos de la

superficie lquida. A diferencia de los aireadores de burbuja, no hay una corriente de

aire. Aunque presentan coeficientes de transferencia ms bajos que los aireadores de

burbujeo, tienen la ventaja de ser ms baratos y de no verse afectados por procesos de

ensuciamiento o obturacin [27].

La transferencia de oxgeno en este tipo de aireadores puede obtenerse de dos

formas: mediante la transferencia en la superficie turbulenta del lquido y mediante la

transferencia a las gotas esparcidas por las palas de la unidad. La figura 7 muestra el

funcionamiento de los principales aireadores superficiales [27].

16

Figura 7.- Principales aireadores superficiales

2.4.-Definicin de eficacias

Existen tres parmetros importantes que rigen el diseo de un sistema de

aireacin: la velocidad de transferencia de oxgeno, la eficacia de transferencia de

oxgeno y la eficacia de aireacin, cuyas definiciones se recogen en la tabla 3. Es

frecuente definir tambin estos parmetros para unas condiciones de referencia, que por

convenio son las siguientes: temperatura = 20 C, presin = 760 mm Hg, concentracin

de oxgeno en agua = 0, concentracin de sales y de otros compuestos en agua = 0.

17

Tabla 3.- Parmetros implicados en el diseo de sistemas de aireacin

Definicin Ecuacin Unidades Agua real Referencia

Velocidad de

transferencia de

oxgeno

Oxygen Transfer

Rate

VTO

OTR

VTOE

SOTR

Eficacia de

transferencia de

oxgeno

Oxygen Transfer

Efficiency

ETO

OTE

ETOE

SOTE

Eficacia de

aireacin

Aeration

Efficiency

/

EA

AE

EAE

SAE

Donde es el coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno, es la concentracin de oxgeno

de saturacin, es la concentracin de oxgenodisuelto, es el volumen de lquido, es el flujo

msico de oxgeno y P/V es la potencia alimentada por unidad de volumen.

18

Para sistemas de aireacin por burbujeo, el principal parmetro de diseo es la

eficacia de transferencia de oxgeno (ETO), es decir, la fraccin del oxgeno

alimentando que es transferida al lquido. En el caso de aireadores superficiales o

mecnicos, es ms comn emplear la eficacia de aireacin (EA), es decir, la cantidad de

oxgeno transferida por unidad de potencia alimentada. Ambos parmetros son funcin

de una serie de condiciones ambientales como son la temperatura, la composicin del

agua real, las condiciones de operacin o el mantenimiento del sistema de aireacin.

Se puede definir un factor de correccin global que relaciona el valor del parmetro (ETO o EA) en las condiciones reales con respecto al valor de referencia del

parmetro (ETOE o EAE), de tal forma que

, ,

,

,

De esta forma, el factor recoge e efecto de las condiciones de campo sobre la transferencia de oxgeno. Por lo general, 1 en sistemas de tratamiento de agua, aunque en determinadas situaciones puede superar la unidad. Obviamente, desde un

punto de vista tcnico, un factor del sistema de aireacin elevado conlleva unos menores costes energticos y un correcto diseo del sistema de aireacin del tratamiento

biolgico.

3.-Efecto del diseo sobre las eficacias de referencia

Tanto la eficacia estndar de transferencia de oxgeno (ETOE) como la eficacia

de aireacin estndar (EAE) suelen ser dada por el fabricante del equipo bajo una serie

de condiciones fijas y definidas para agua limpia como una de las especificaciones del

equipo. Como se ha explicado previamente, las condiciones ambientales no tienen

efecto sobre los valores estndar ETOE y EAE, ya que se definen para unas condiciones

de referencia. Sin embargo, los distintos parmetros considerados durante el diseo

inicial del sistema de aireacin s afectan las eficacias estndar del equipo inicial. Entre

estas especificaciones cabe sealar:

3.1.-Sistemas de aireacin por burbujeo

19

En los sistemas de aireacin por difusores de burbuja fina se suele emplear el valor

de la ETOE para medir la eficacia del sistema. Este valor depende de varias variables

que sern tratadas a continuacin:

3.1.1.-Caudal de aire por difusor

El caudal de aire afecta al tamao y forma de las burbujas, a su velocidad de ascenso

y a la turbulencia del sistema, por lo que varan el coeficiente volumtrico de

transferencia de oxgeno. Para difusores porosos, un aumento del caudal produce

burbujas ms grandes, reduciendo la velocidad de transferencia de oxgeno. La relacin

de ETOE a dos caudales de aire distintos ( y ) puede expresarse segn:

Donde m es un coeficiente negativo especfico para cada tipo de difusor y configuracin

del sistema de aireacin, con valores generalmente entre -0.01 y -0.03 [25]. La ecuacin

anterior permite obtener la ETOE del equipo al caudal de operacin a partir de la ETOE

dada por el fabricante para un caudal de referencia. La figura 8 muestra la curva

caracterstica de un difusor dada por el fabricante (datos proporcionados por ESAMUR)

Figura 8.- Curva caracterstica de un sistema de aireacin instalado en la EDAR Ceut

(Murcia) con las siguientes caractesticas: 928 difusores de disco de 12 pulgada por

canal, profundidad de 4.6 m, 3.24 difusores / m2 (datos proporcionados por ESAMUR).

20

Normalmente, los caudales de aire son dados por elemento difusor. En el caso de

que se trate de paneles difusores, el caudal es referido a metros cuadrados de difusor. En

la figura 9 se muestra el efecto de la intensidad de aireacin sobre la ETOE segn el tipo

de difusor.

Figura 9.- ETOE en funcin del caudal de aire por difusor para distintos tipos de

difusores (adaptado de [27]).

Hay que destacar que el impacto de la aireacin en difusores de burbuja gruesa

es diferente, observndose que un aumento del caudal incrementa la ETOE. Esto se

debe a que a medida que el caudal aumenta, su influencia sobre el tamao de la burbuja

es menor o incluso puede reducir su tamao, mientras que la turbulencia aumenta.

Es importante sealar que a lo largo de la operacin los difusores se van

ensuciando y colmatando, lo que provoca un aumento de la prdida de carga en la red

de distribucin de aire, una reduccin del caudal de aire por difusor y unos mayores

costes de bombeo. Para un adecuado control y minimizacin de dicho efecto es

necesario disponer de un sistema de limpieza con el que mantener en los valores

mnimos necesarios las presiones de trabajo. Con ello se consigue que la eficiencia en la

transferencia de oxgeno de los difusores mejore sustancialmente. Al realizar las

limpiezas del difusor se reducen tambin los caudales de aire a aportar al sistema sin

reducir por ello la masa de oxgeno transferida al agua, que continuara siendo la misma.

Adems de aumentar la ETOE, un mantenimiento adecuado de los difusores reduce la

presin de trabajo de las soplantes, con el consiguiente ahorro energtico que ello

supone. En la tabla 4 se exponen los valores iniciales y finales de prdida de carga y de

21

potencia consumida por la soplante a la presin de trabajo obtenidas tras la limpieza de

los difusores con cido frmico (5 g/min difusor) para 5 depuradoras urbanas, as como

la reduccin del consumo de potencia y el ahorro energtico (%, toneladas de CO2 que

dejan de emitirse a la atmsfera y nmero de rboles capaces de absorber la cantidad de

CO2 no emitida durante un ao). Se consigue una reduccin media de los costes de

aireacin que puede llegar a ser superior a un 12%, o lo que es lo mismo, ms de un 2%

de los costes globales de explotacin (datos proporcionados por ACCIONA).

Tabla 4.- Ahorro energtico y equivalencias de la energa ahorrada (toneladas de CO2

que dejarn de emitirse a la atmsfera por el susodicho ahorro energtico y el nmero

de rboles capaces de absorber esta cantidad de CO2 durante un ao) mediante la

limpieza de los difusores para cinco EDAR (datos proporcionados por ACCIONA).

Parmetro Unidad EDAR1 EDAR2 EDAR3 EDAR4 EDAR5

Prdidadecargainicial bar 0.589 0.572 0.588 0.591 0.460

Prdidadecargafinal bar 0.530 0.524 0.513 0.537 0.429

Reduccinprdidadecarga % 10.0 8.5 12.7 9.1 6.7

Consumoinicial kW 91.0 89.7 65.0 207.0 56.6

Consumofinal kW 84.2 80.2 57.0 187.0 52.1

Reduccinpotenciaabsorbida % 7.5 10.6 12.3 9.7 8.0

Funcionamientodiariomedio h 32 10 30 12 22Energiaahorradaanual kWh/ao 79424 34675 87600 87600 36135

TonCO2/ao 28.99 12.66 31.97 31.97 13.19

Eq.rboles 3266 1408 3558 3588 1468

3.1.2.-Densidad de los difusores

Generalmente, un aumento de la densidad de difusores provoca un aumento de la

ETOE para el mismo flujo de aire por difusor, aunque en muchas ocasiones este

aumento no es lineal [29] (figura 10).

22

Figura 10.- ETOE en funcin del caudal de aire por difusor para distintas densidades

(adaptado de [25]).

3.1.3.-Distribucin de los difusores

Existe una gran variedad de formas de distribuir los difusores a la hora de

disear el sistema de aireacin. La eleccin del ms adecuado depende de una serie de

factores relacionados con el mantenimiento, el grado de agitacin, los costes de

construccin, la geometra del equipo y la eficiencia en la transferencia de oxgeno. En

la figura 11 se muestran las configuraciones de difusores tpicas.

Figura 11.- Configuraciones de difusores tpicas.

Las configuraciones de rejilla dan valores de ETOE ms elevados que las

configuraciones longitudinales. Dentro de stas, apenas hay diferencia entre las laterales

23

y las centradas. La tabla 5 recoge valores tpicos de ETOE segn la configuracin

empleada [25]:

Tabla 5.- Valores tpicos de ETOE segn la configuracin empleada (adaptado de [25]).

Difusor Distribucin Caudal

(Nm3 /h dif.) % ETOE

Tubo de plstico rgido y poroso

Rejilla 3.8-6.2 28-32

Longitudinal lateral doble 4.7-17.3 17-28

Longitudinal lateral sencilla 3.1-18.8 13-25

Tubos de membrana perforados

Rejilla 1.6-6.2 22-29

Longitudinal centrada 3.1-9.4 16-19

Longitudinal centrada 3.1-18.8 21-31

Longitudinal lateral sencilla 3.1-9.4 15-19

Difusores de burbuja gruesa

Longitudinal lateral doble 5.2-15.5 12-13

Longitudinal centrada 6.6-7.1 10-13

Longitudinal lateral sencilla 15.7-55.0 9-12

3.1.4.-Profundidad de los difusores

El efecto de la profundidad del difusor, es decir, de la altura de la columna de

agua por encima del difusor, sobre la ETOE se debe principalmente a una mayor presin

parcial de oxgeno y a un tiempo de residencia de la burbuja ms alto. En el intervalo de

profundidas tpicas en los sistemas de aireacin actuales, el efecto de la profundidad

sobre la ETOE es aproximadamente lineal para muchos sistemas de aireacin, por lo

que es frecuente encontrar eficacias de aireacin como porcentajes por metro de

profundidad (figura 12). Se debe tener en cuenta que un aumento de la profundidad del

difusor implica un aumento en la energa necesaria para insuflar el aire en el sistema de

aireacin [29].

24

Figura 12.- ETOE en funcin de la profundidad del difusor para distintos difusores

(adaptado de [27]).

En la tabla 6 se muestran los valores de los parmetros de diseo de sistemas de

burbujeo para cinco EDAR que estn actualmente operando, con el fin de mostrar los

intervalos en que se mueven (datos proporcionados por ACCIONA)

Tabla 6.- Parmetros de diseo de cinco EDAR (datos proporcionados por ACCIONA)

Caractersticas Unidad EDAR1 EDAR2 EDAR3 EDAR4 EDAR5

Caudaldiseo m3/d 5000 5000 7500 8000 5400

Caudaltratado m3/d 4000 1600 4500 5000 3200

Volumenbiolgico m3 6678 4868 6798 9570 4100

ndeparrilasporbiolgico 4 3 2 3 2

ndedifusoresporparrilla 130 195 468 532 273

Distribucin Rejilla Rejilla Rejilla Rejilla Rejilla

Marca Degremont ABS TFBFlygt TFBFlygt EIMCO

Modelo D33NoponPIK

300 Sanitire Sanitaire ELAXTAXD

Dimetro pulg. 12 12 9 9 12

Caudalnominal Nm3/d 5.5 6.2 5.5 5.5 5.5

Caudalmximo Nm3/d 8 8 8 8 8

Caudaldetrabajo Nm3/d 6.92 5.8 3.52 4.6 6.59

Profundidad m 4.7 4.7 4.7 4.7 4

Densidad m2/dif 2.73 1.77 1.55 1.28 1.88

25

3.2.-Aireadores superficiales o mecnicos

Debido a que en este tipo de aireadores no es necesaria una corriente de aire, se

emplea como parmetro de diseo la eficacia de aireacin (EAE). Este parmetro se ve

afectado por los siguientes aspectos:

3.2.1.-Tipo de agitador

Las caractersticas del agitador son un aspecto clave en el diseo de los sistemas de

aireacin superficial. Se buscan agitadores que generan una gran superficie de contacto

gas lquido y permitan una agitacin eficaz, de forma que se alcancen velocidades de

transferencia altas con un bajo consumo de potencia. La siguiente tabla muestra los

valores tpicos de las eficacias de aireacin, estndar y reales, para distintos tipos de

aireadores superficiales. Se incluyen tambin las de los aireadores de burbujeo como

referencia:

Tabla 7.- Valores tpicos de las eficacias de aireacin, estndar y reales, para distintos

tipos de aireadores (adaptado de [25, 27]).

Tipo EAE

(kg O2 / kWh)

EA

(kg O2 / kWh)

Aspirador 0.79 0.95

Rotor horizontal 0.73 0.88

Superficial de baja velocidad 2.19 1.86

Superficial de alta velocidad 2.74 2.33

Burbuja fina 3.89 2.34

Burbuja gruesa 2.13 1.49

3.2.2.-Velocidad de agitacin

La velocidad del agitador es otro parmetro importante a la hora de disear el

sistema de aireacin. Para un mismo consumo energtico, un agitador puede mover una

mayor cantidad de agua a baja velocidad que operando a alta velocidad. Por lo tanto, se

consiguen mayores EAE al reducir la velocidad del agitador. Sin embargo, si la

26

velocidad es demasiado baja, el agitador no proporciona un aumento significativo del

rea de contacto gas-lquido [30]. Por lo tanto, existe una velocidad de rotacin ptima

para cada tipo de agitador.

3.2.3.-Profundidad del aireador

Los aireadores mecnicos se sitan en la superficie, con el agitador parcialmente

inmerso en el agua. Obviamente, a medida que la profundidad del aireador es mayor,

mayor es la potencia requerida para mover el agitador y mayor es la potencia

comunicada al fluido. La velocidad de transferencia de oxgeno aumenta con la

profundidad hasta un punto. La potencia consumida tambin aumenta, pero no

necesariamente de la misma manera. Por lo tanto, existe una profundidad ptima para

cada tipo de aireador superficial con la que se alcanza la mxima eficacia de aireacin

[31].

3.2.4.-Geometra del tanque de aireacin

Dado que la turbulencia a una potencia dada puede variarse cambiando la

relacin entre los dimetros de tanque y agitador, es necesario conocer cual es la

geometra optima del tanque de aireacin para un aireador superficial dado. La

geometra del tanque afecta a la turbulencia y a la circulacin de las corrientes de aguas

generadas por el agitador [32]. A la hora del diseo, es frecuente emplear la potencia

necesaria por unidad de volumen. Se ha observado que a medida que esta relacin se

reduce, la eficacia de aireacin disminuye. La razn de esto se atribuye a cambios en la

turbulencia y en la importancia de los efectos de las paredes [27].

Otro aspecto clave es el nmero de aireadores instalados en el mismo tanque de

aireacin. Es razonable asumir que cada unidad bombea una cierta cantidad de agua,

definiendo as un volumen de influencia dentro del tanque. Para una eficacia ptima,

cada unidad debera funcionar a capacidad plena. Si las unidades estn demasiado cerca,

cada una competir con las adyacentes por el mismo volumen de agua, resultando en la

prdida de eficiencia. Estas interferencias provocan turbulencias superficiales que

afectan a la profundidad de los aireadores. Si los aireadores estn demasiado separados

entre s, habr volmenes de agua que no se vern agitados y que estn pobremente

aireados. Por lo tanto, existe un nmero ptimo de aireadores con la que se consigue

una eficacia de aireacin mxima [27].

27

3.2.5.-Empleo de placas deflectoras y tubos de aspiracin

La zona de influencia de un aireador superficial puede aumentarse empleando

tubos de aspiracin, que mejoran la circulacin del agua y la suspensin de slidos sin

apenas tener efecto en la eficacia de aireacin. En tanques agitados es tambin posible

utilizar placas deflectoras para evitar la formacin de vrtices y aumentar la turbulencia

del sistema.

4.-Conclusiones

El sistema de aireacin supone el mayor consumo energtico en estaciones

depuradoras de aguas residuales. El parmetro caracterstico para la transferencia de

oxgeno al medio es el coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno ( ). Este

coeficiente juega un papel clave durante el diseo, escalado y anlisis de costes del

proceso, al determinar las eficacias de transferencia y de aireacin.

Aparte de las condiciones ambientales (temperatura, caractersticas de la

alimentacin), a la hora de disear un sistema de aireacin existen una serie de

factores que son claves para la viabilidad tcnica y econmica de la planta. En el caso

de los difusores de burbujeo, el empleo de una distribucin en rejilla de difusores, con

un bajo caudal nominal de gas por difusor provoca valores de eficacia de transferencia

en agua limpia (ETOE) elevados. En cuanto a la profundidad de los difusores, es

necesario hallar un equilibrio entre el incremento en la ETOE y en el consumo

energtico que supone una mayor profundidad. Para aireadores superficiales, existe una

velocidad y una profundidad ptimas que dan lugar a la mejor eficacia de aireacin en

agua limpia.

5.-Nomenclatura

: concentracin de oxgeno de saturacin

: concentracin de oxgenodisuelto

: dimetro de la columna

D : dimetro del tubo interior

: difusividad del oxgeno en el lquido

EA: eficacia de aireacin ( Aeration Efficiency, AE)

28

EAE: eficacia de aireacin estndar ( Standard Aeration Efficiency, SAE)

EDAR: estacin depuradora de aguas residuales

ETO: eficacia de transferencia de oxgeno (Oxygen Transfer Efficiency, OTE)

ETOE: eficacia de transferencia de oxgeno estndar (Standard Oxygen Transfer Efficiency, SOTE)

(F/M): relacin nominal carga contaminante a biomasa

g: constante gravitacional

: flujo msico de oxgeno

: flujo volumtrico de aire

: coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno

MLSS: slidos suspendidos en el licor de mezcla

: potencia alimentada por unidad de volumen

: volumen de lquido

: velocidad superficial del gas, es la viscosidad

VTO: velocidad de transferencia de oxgeno (Oxygen Transfer Rate, OTR)

VTOE: velocidad de transferencia de oxgeno estndar (Standard Oxygen Transfer Rate, SOTR)

: densidad,

: tensin superficial,

: volumen de gas en la columna por unidad de volumen lquido

29

6.-Bibliografa

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