Tema 5_Sistemas de Biopelicula
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Curso Especialista Universitario en Depuracin de Aguas Residuales en Pequeos Ncleos:
Modalidad online, 6 de abril -19 de julio de 2015
Universidad de Almera
Fco. Javier Garca Martnez
Ingeniero de Caminos, C. y P. - Ldo. en Ciencias Ambientales
TEMA 5:
SISTEMAS DE BIOPELCULA: LECHOS
BACTERIANOS Y BIODISCOS. ASPECTOS
PRCTICOS DE DISEO Y EXPLOTACIN.
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Tema 5:Sistemas de biopelcula: lechos bacterianos y biodiscos. Aspectos prcticos de diseo
y explotacin. Pgina 1
TEMA 5:SISTEMAS DE BIOPELCULA: LECHOS BACTERIANOS Y BIODISCOS.
ASPECTOS PRCTICOS DE DISEO Y EXPLOTACIN.
1. INTRODUCCIN ................................................................ .................................................... 3
1.1. CONCEPTO DE BIOPELCULA ....................................................................................................4
1.2. COMPOSICIN..........................................................................................................................5
1.3. CARACTERSTICAS FSICAS ......................................................................................................7
1.4. FUNCIONAMIENTO DE LA BIOPELCULA ...................................................................................8
1.5. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS SISTEMAS DE BIOPELCULA..........................................9
1.6. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE BIOPELCULA ...............................................................10
2. LECHOS BACTERIANOS....................................................................................................122.1. ORIGEN .................................................................................................................................12
2.2. DESCRIPCIN DEL PROCESO..................................................................................................13
2.2.1. Distribucin del agua .................................................................................................. 15
2.2.2. Material filtrante o soporte......................................................... .................................18
2.2.3. Ventilacin...................................................................................................................23
2.2.4. Recogida del agua filtrada..................................................................... ......................24
2.2.5. Recirculacin................................................................ ............................................... 25
2.2.6. Tipos de lechos bacterianos y lneas de tratamiento ................................................... 282.2.7. Ventajas e inconvenientes............................................................................................32
2.2.8. Rendimientos de depuracin.................................. ...................................................... 33
2.2.9. Rango de aplicacin ................................................................................................. ...34
2.3. DISEO..................................................................................................................................35
2.3.1. Parmetros de diseo ..................................................................................................35
2.3.2. Clculo de lechos bacterianos ................................................................. ....................372.3.2.1. Una etapa: Norma ATV-A281E...................... ....................... ....................... ....................... .. 392.3.2.2. Una o varias etapas con relleno ptreo: N.R.C.................... ...................... ....................... ...... 44
2.3.2.3. Una o varias etapas con relleno plstico: Germain........................ ........................ ................. 462.4. OPERACIN DE LECHOS BACTERIANOS ..................................................................................49
2.4.1. Comprobaciones diarias..............................................................................................51
2.4.2. Mantenimiento especfico. ................................................................ ...........................54
3. CONTACTORES BIOLGICOS ROTATIVOS (C.B.R.).................................................56
3.1. DESCRIPCIN DEL PROCESO ..................................................................................................56
3.1.1. Elementos en un biodisco................................................................................... ..........59
3.1.2. Tipos de biodiscos y lneas de tratamiento .................................................................. 64
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y explotacin. Pgina 2
3.1.3. Ventajas e inconvenientes............................................................................................67
3.1.4. Rendimientos de depuracin.................................. ...................................................... 68
3.1.5. Rango de aplicacin ................................................................................................. ...693.2. DISEO..................................................................................................................................70
3.2.1. Parmetros de diseo ..................................................................................................71
3.2.2. Clculo de biodiscos....................................................................................................72
3.3. OPERACIN DE BIODISCOS.....................................................................................................74 3.3.1.1. Comprobaciones diarias. ....................... ...................... ....................... ...................... .............. 75
3.3.2. Mantenimiento especfico ............................................................................................77
4. DECANTACIN SECUNDARIA EN LECHOS BACTERIANOS Y CBR......................78
4.1. DISEO DE LA DECANTACIN SECUNDARIA ...........................................................................78 4.2. CLCULO DE LA DECANTACIN SECUNDARIA .......................................................................79
5. SISTEMAS DE BIOMASA FIJA SOBRE LECHO MVIL ............................................. 82
5.1. DESCRIPCIN DEL PROCESO ..................................................................................................82
5.2. VENTAJAS FRENTE A PROCESOS BIOLGICOS CONVENCIONALES ...........................................84
5.3. TIPOS DE PROCESOS DE LECHO MVIL ...................................................................................85
5.4. RANGO DE APLICACIN .........................................................................................................86
5.5. DISEO..................................................................................................................................86 Bibliografa..................... ...................... ..................... ...................... ...................... ....................... ....................... .. 87
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1. INTRODUCCIN
El fundamento de los procesos biolgicos de depuracin de agua consiste en la
eliminacin de la contaminacin del agua mediante una biocenosis, o comunidad de
organismos vivos, ubicada en un lugar adecuando mediante el control del ambiente. La
contaminacin del agua constituye el sustrato o alimento de dicha biocenosis, la cual se
mantendr controlada en un cierto lugar al que denominaremos reactor biolgico.
Se puede realizar una clasificacin de los procesos biolgicos en funcin de varios
aspectos pero si nos fijamos en la forma en la que se encuentra la biomasa en el reactorpodemos distinguir entre cultivos en suspensin y cultivo fijado a soporte. Los primeros
corresponde a los fangos activos donde los microorganismos se encuentran en suspensin
en el seno del agua (estos procesos se estudiarn en el tema 7). En los segundos, objeto de
este tema, los microorganismos se fijan a diferentes medios materiales o soportes que
quedan retenidos en el reactor a pesar del paso del agua a tratar a travs del mismo.
A este segundo grupo de procesos, tambin llamados procesos de pelcula fija o de
biopelcula, pertenecen los Contactores Biolgicos Rotativos o CBR y los Lechos
bacterianos. Tambin a este grupo de procesos se le ha llegado a denominar como
sistemas convencionales de bajo coste ya que para su rango de aplicacin tienen unos
costes inferiores frente a los fangos activos.
Existe una amplia variedad de tecnologas basadas en procesos de biopelcula, cada una
con sus caractersticas especficas. En general se pueden incluir, entre sus ventajas frente a
los procesos de fangos activos convencionales, unos costes de operacin y energticos
reducidos, volmenes menores de los reactores, necesidades mnimas de capacidad de
decantacin y simplicidad de operacin. Entre los inconvenientes figuran la posibilidad de
atascamiento del sistema, bien debido a un pretratamiento insuficiente o a un exceso de
crecimiento de la biopelcula, ms dificultad para conseguir una mezcla homognea del seno
del lquido y mayor complejidad para la modelizacin, y por tanto para controlar el proceso.
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1.1. Concepto de biopelcula
La biopelcula es una estructura compleja, formada por agregados celulares y huecos
intersticiales
En la formacin de una biopelcula se pueden distinguir las siguientes etapas o pasos:
1. Acondicionamiento del medio soporte al adsorberse molculas orgnicas sobre la
superficie.
2. Transporte de clulas microbianas desde el seno del agua hasta el medio soporteacondicionado.
3. Parte de la clulas que llegan al soporte se adsorben a l por un tiempo limitado,
separndose (desorcin) posteriormente (adsorcin reversible). La desorcin se
puede producir por la fuerza cortante del fluido, influyendo tambin otros factores
fsicos, qumicos y biolgicos.
4. Una parte de las clulas adsorbidas quedan inmovilizadas permanentemente
(adsorcin irreversible)
5. Las clulas adsorbidas irreversibles crecen a expensas del sustrato y del agua
incrementando as su nmero de clulas en la biopelcula. A su vez, las clulas
pueden tambin producir o formar cantidades significativas de productos
excretando algunos de ellos, como por ejemplo las sustancias polimricas
extracelulares (EPS), que quedan constituyendo parte de la biopelcula. As la
acumulacin de biopelcula aumenta mediante el metabolismo microbiano a
expensas del sustrato del agua.
6. Adhesin de clulas microbianas y material particulado a la biopelcula
(atrapamiento).
7. Separacin de parte o porciones de la biopelcula que vuelven al agua. Esta
separacin puede ser debida al esfuerzo cortante producido por el movimiento del
fluido (erosin), a la accin mecnica de otras partculas que chocan contra la
biopelcula (abrasin) y al desprendimiento de capas de biopelcula
(desprendimiento masivo) debido a la prdida de cohesin o de adherencia de la
biopelcula.
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Figura 5.1: Formacin de la biopelcula
1.2. Composicin
Una biopelcula consiste en clulas inmovilizadas en un medio soporte, embebidas enuna matriz de polmeros orgnicos (EPS) de origen microbiano y con una fraccin
significativa de sustancias abiticas o inorgnicas unidas por la matriz bitica.
De forma general, en un sistema de biopelcula se pueden diferenciar cuatro partes:
soporte, biopelcula, capa lquida y gas. A su vez en la biopelcula se pueden diferenciar dos
capas: la biopelcula de base y la capa superficial.
La base de la biopelcula est formada por una acumulacin de clulas, y es deestructura bien definida. La capa superficialconstituye la transicin entre la biopelcula y el
ambiente acutico circundante. El grosor de estas zonas depende tanto de las condiciones
hidrodinmicas, como de las especies microbianas que colonicen el material soporte.
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Figura 5.2: Componentes de un sistema de biopelcula
Debido a que el tiempo de estancia de los microorganismos en las biopelculas no es una
variable de control de este tipo de procesos y que ste en general puede ser muy elevado,
pueden coexistir muchas especies de microorganismos e incluso macroorganismos tales
como caracoles, insectos, etc. Microbiolgica. La biopelcula tpica de los procesos de
tratamiento de aguas residuales urbanas est formada por:
Bacterias: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Zooglea; tambin
filamentosas (Sphaerotillus) y nitrificantes. Las bacterias auttrofas se localizan en
el fondo y las hetertrofas en la superficie.
Protozoos: contribuyen al buen funcionamiento del proceso, al producir
clarificacin del efluente mediante depredacin.
Hongos: producen ms biomasa a igualdad de eliminacin de sustrato y pueden
producir bloqueos en el trnsito del agua (ramificaciones).
Algas: pueden captar nitrgeno y minerales del agua residual, as como
suministran oxgeno al medio (
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Figura 5.3: Biopelcula sobre relleno ptreo a 0,5 m de profundidad despus de varios aos. (NILSA)
1.3. Caractersticas fsicas
La densidad de las biopelculas vara desde valores tan bajos como 10 kg/m3 hastavalores de 105 kg/m3, siendo todava mayor la variacin si se analiza la densidad por capas
dentro de la biopelcula (8 a 147 kg/m3).
Los espesores de la biopelcula pueden variar notablemente. Se pueden encontrar
biopelculas con espesores en un rango muy amplio, desde prcticamente el tamao de las
clulas (1-10 mm.) en una biopelcula en formacin, hasta ms de 30 mm. En procesos de
biopelcula aerobios los valores normales oscilan entre 100 mm. (biopelculas nitrificantes)
hasta 2 a 5 mm (biopelculas herertrofas de alta carga).
El espesor depende de la carga orgnica aplicada, del esfuerzo cortante al que est
sometida, del tipo de sustrato, tipos de microorganismos, pH, temperatura, resistencia de la
biopelcula, rugosidad del soporte y edad de la biopelcula.
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1.4. Funcionamiento de la biopelcula
Para que la biopelcula elimine el sustrato (contaminacin) del agua residual, tanto ste
como el oxgeno (en el caso de estar hablando de biopelculas aerobias) tienen que acceder
al lugar donde se va a realizar la reaccin biolgica, que es donde se encuentran los
microorganismos, es decir, al interior de la biopelcula (biopelcula base). Tanto el transporte
de sustrato como de oxgeno desde el seno del agua, deben atravesar una capa lquida
pegada a la superficie de la biopelcula, con baja turbulencia y por tanto baja transferencia y
difundirse hacia el interior de la biopelcula como consecuencia de la disminucin de sus
concentraciones en el interior debido a su consumo por la biocenosis. Ambos fenmenos detransporte (transferencia y difusin) suelen limitar la capacidad mxima de utilizacin de
substrato (contaminantes) por las biopelculas.
Si se analizan las concentraciones de substrato y de oxgeno en profundidad en la
biopelcula puede verse que estas disminuyen desde el seno del lquido, primero en la capa
lquida estancada y despus en el interior de la biopelcula. Si uno de los dos reactores
desaparece, la capa ms profunda no ser activa. Surge as el concepto de capa activa para
denominar dicha capa superficial.
Figura 5.4: Fenmenos de transporte de materiales en la biopelcula. Perfiles de concentracin
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Cuando es el oxgeno el que desaparece en el interior de la biopelcula se producirn
fenmenos anxicos y anaerobios en la biopelcula. Tanto en este caso como cuando llegaa ser muy pequea la concentracin de substrato se puede llegar a producir disminucin de
la cohesin y adherencia que provocan desprendimientos masivos de biopelcula.
El aporte de oxigeno a la biopelcula puede realizarse desde el oxgeno disuelto del seno
del agua, fenmeno controlado por la transferencia, turbulencia o bien directamente desde el
aire, al entrar en contacto con la biopelcula, fenmeno que se denomina transferencia
biolgica y que bajo ciertas circunstancias pueden ser muy superiores al primero (5 a 20
veces).
Figura 5.5: Biologa del sistema de biopelcula
1.5. Ventajas e inconvenientes de los sistemas de biopelcula
Entre las ventajas encontramos:
Permite el desarrollo de microorganismos de crecimiento especfico bajo
(metanognicos, nitrificantes).
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Son menos susceptibles a cargas variables o intermitentes.
Indicados para tamaos de reactor pequeo. Menos sensibles a bajas temperaturas.
Mayor resistencia frente a agentes txicos.
Bajo mantenimiento de la instalacin
Fcil explotacin.
Rapidez de arranque.
Tolerancia a variacin de temperatura.
Recirculacin de fangos no necesarios.
Buen rendimiento energtico. Menor produccin de fangos.
Entre los inconvenientes, se pueden citar:
Incontrolabilidad de la biomasa presente.
La difusin limita la tasa de depuracin.
Peligro de atascamiento del medio soporte.
1.6. Clasificacin de los sistemas de biopelcula
Existe una gran variedad de procesos de biopelcula por lo que es complejo hacer una
clasificacin de los mismos. Centrndonos en los procesos aplicables a las pequeas
poblaciones podemos hacer una clasificacin en funcin de la disposicin de la biopelcula:
a) Si el medio soporte es fijo , estaremos hablando de los lechos bacterianos o filtros
percoladores.
b) Si el medio sopor te es mvil estaremos hablando de los contactores biolgicos
rotativos (C.B.R.).
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c) Otros: en los que el crecimiento de la biomasa se produce en soportes plsticos que
se encuentran en suspensin en un reactor biolgico. Se puede pensar que con estadescripcin estara en el apartado b, pero como veremos ms adelante, se trata de
una tecnologa que est entre los procesos de biomasa en suspensin (fangos
activos) y los procesos de biopelcula fija.
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2. LECHOS BACTERIANOS
2.1. Origen
Los antecedentes de los lechos bacterianos, tal como hoy se conocen, pueden
establecerse en un sistema de funcionamiento intermitente, lechos de contacto, que empez
a funcionar en Inglaterra en 1893. Estos consistan en estanques impermeables rellenos con
piedra machacada. En su funcionamiento, el lecho de contacto se llenaba con el agua
residual desde la parte superior, y se dejaba en contacto con el medio durante un corto
perodo de tiempo. El lecho se vaciaba a continuacin, y se le permita que reposase antesde reiniciar el ciclo.
Un ciclo tpico exiga 10 horas, de las cuales 8 horas correspondan a periodo de reposo.
Las limitaciones del lecho de contacto incluan una posibilidad relativamente alta de
obturaciones, el prolongado perodo de tiempo de reposo necesario, y la carga relativamente
baja de utilizacin.
Por las desventajas enunciadas, y buscando la continuidad del sistema, se ha pasado de
lechos de contacto a lechos bacterianos, tambin denominados lechos percoladores. Sus
ventajas pueden resumirse en:
a) No necesitan muros impermeables como se precisan para aquellos, muros que
encarecen la construccin.
b) Posibilidad de establecer aireacin adecuada por medios diversos, que permitan
adaptar, en las mejores condiciones posibles, los fenmenos de depuracin por
va aerobia a las caractersticas del efluente a tratar.
c) Continuidad, estableciendo los dispositivos adecuados para el vertido sobre el
lecho, y los dispositivos de evacuacin de las aguas de salida.
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2.2. Descripcin del proceso.
El proceso de lechos bacterianos es el sistema clsico de de los sistemas de biopelcula
fija. Consiste en un depsito (reactor) relleno de material filtrante de gran superficie (piedras
o material plstico), que sirve de soporte a los microorganismos encargados de la
degradacin de la materia orgnica. El agua residual e distribuye de la forma ms uniforme
posible en la parte superior del medio poroso (soporte), que est dispuesto en depsitos de
profundidad variable segn los tipos considerados. Se recoge el agua en la parte inferior por
un sistema de drenaje, que debe cumplir la doble misin de evacuar el agua residual y
permitir el paso del aire. Debe sealarse que la prdida de carga hidrulica ser comomnimo la profundidad del lecho.
Figura 5.6: Esquema funcional de un lecho bacteriano (Fuente: universidad de Corua)
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La materia orgnica presente en el agua residual es absorbida sobre la pelcula biolgica,
donde es degradada y asimilada por los microorganismos aerobios, segn la descripcindada en apartados anteriores. A medida que aumenta el espesor de la pelcula, el oxgeno
es consumido antes de que pueda penetrar a las capas ms profundas. Igual ocurre con la
materia orgnica, que es degradada por las capas ms superficiales, lo que ocasiona que
los microorganismos que formas esta capa ms interna, se encuentren en la fase endgena
de crecimiento, en la que pierden su capacidad de adherirse a la superficie del medio. Esto
provoca que toda la pelcula se desprenda en el momento en el que el agua pasa a travs
del medio, para dar lugar al crecimiento de otra nueva.
La forma y estructura de los lechos bacterianos est muy ligada al sistema de distribucin
que se emplee. Si se utilizan distribuidores fijos, la forma suele ser rectangular. Asimismo
son rectangulares los lechos alimentados por distribuidores mviles de traslacin. Cuando
se emplean distribuidores giratorios, la forma es circular. Los modernos lechos de aireacin
forzada son casi todos circulares.
Figura 5.7: Esquema (Fuente: universidad de Corua)y foto de un lecho bacteriano circular.
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Figura 5.8: Lecho rectangular con sistema fijo de distribucin (CEDEX-CENTA)
En los siguientes apartados se describe cada una de las partes esenciales de un lecho
bacteriano.
2.2.1. Distr ibucin del agua
La distribucin del agua residual debe ser lo ms uniforme y continua posible. Por tanto,
hay que evitar atascos y paradas. Los aspersores pueden ser fijos o mviles. Los fijos
requieren un dispositivo ms complicado de distribucin y, por tanto, una mayor prdida de
carga (alrededor de 2 m). Los mviles consisten en brazos giratorios dispuestos
radialmente, con boquillas incorporadas y movidos por carga hidrulica. La prdida
necesaria es de 0,5 m. La velocidad es de 0,1 a 5 vueltas por minuto, dependiendo de la
carga superficial. El giro puede ser automtico gracias a la carga hidrulica ya que al salir el
agua por los orificios en una misma direccin el brazo gira en sentido contrario. No obstante,
como veremos ms adelante, es recomendable la utilizacin de distribuidores motorizados
para poder controlar mejor la velocidad de distribucin y la fuerza de lavado, siempre que
haya acometida elctrica.
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Figura 5.9: Brazo distribuidor sin motorizar en lecho bacteriano.
Figura 5.10: Brazo distribuidor motorizado en lecho bacteriano.
Tambin existe la variante de lechos rectangulares con carros de distribucin del tipo de
"va y viene", donde los intervalos de riego son demasiado largos. Para los lechosrectangulares tambin existen sistemas fijos de distribucin o semifijos con sistemas
basculantes.
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Figura 5.11: Sistema de distribucin de "va y viene" en lecho rectangular
Figura 5.12: Sistema semifijo basculante en lecho bacteriano rectangular.(NISLA)
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Figura 5.13: Sistema fijo de distribucin de agua en lecho bacteriano rectangular
2.2.2. Material fil trante o soporte
El corazn de los lechos bacterianos es el medio soporte o material filtrante donde se
alojar el biofilm o biopelcula. Es conveniente que el medio soporte tenga la mayor
superficie especfica posible, para que se pueda formar la mayor cantidad de pelcula
biolgica. Pero esta caracterstica hay que conjugarla con el ndice de huecos, ya que stos
sern los que permitirn el paso del aire y del agua. Resumiendo, el medio filtrante ideal es
un material que tenga una gran superficie especfica, que sea econmico y que no se
obstruya fcilmente.
Hasta mediados de los aos sesenta, el material ms empleado era granito de alta
calidad o escoria triturada. Debido a problemas como la escasa superficie de poros y a la
facilidad de obstruccin por la biomasa, los materiales rocosos se han venido sustituyendo
por medios filtrantes de plsticos.
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Rellenos ptreos
En determinado casos, el uso de material rocoso puede ser econmico siempre en
funcin de la disponibilidad de materiales tales como grava de ro o ridos de machaqueo,
que son los ms indicados. Los ridos deben estar bien clasificados de manera que el 95 %
tenga un tamao entre 75 y 100 mm. Tambin se les debe exigir: ausencia de polvo y
suciedad, dureza mecnica, resistencia qumica y es preferible superficie rugosa a la lisa.
Los lechos rellenos de roca, clinkers u otros materiales similares, tienen su altura limitada
a 1-3 m debido a su peso
Para los rellenos comunes (roca, clinkers, etc.) las caractersticas normales del rido son
las siguientes:
Dimetro: 4,0-8,0 cm.
rea superficial especfica 50-160 m2/m3de volumen global.
% de huecos: 45-55%.
Carga hidrulica mxima: 1,22 m3/m2h.
Figura 5.14: Relleno de piedra
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Rellenos plsticos
Los lechos de materiales sintticos pueden soportar profundidades entre 6 y 12 m. El
mayor porcentaje de huecos en los rellenos sintticos, facilita el flujo y reduce el peligro de
colmatado.
Las ventajas de los rellenos sintticos son:
Permiten profundidades del relleno hasta de 12 m.
Se puede llegar a cargas hidrulicas elevadas hasta 9,7 m3/m2h
Tienen superficies especficas de hasta 220 m2/m3de volumen total.
Existe un riesgo menor de colmatado por las aguas residuales, que arrastran
cantidades importantes de slidos en suspensin.
Requieren una estructura de soporte ms barata debido a su peso ligero.
Por el contrario las desventajas de los rellenos sintticos son:
Su precio comparativamente elevado.
Resultan inadecuados para obtener rendimientos altos en el tratamiento de las
aguas residuales, en relacin con los conseguidos utilizando rellenos normales.
Los medios de plsticos pueden ser ordenados con una apariencia de colmena, o
desordenado constituido por mltiples piezas geomtricas. La capacidad de trabajar a altas
cargas y la dificultad de obstruccin que ofrecen estos tipos de medios los hacen
especialmente indicados para su uso en filtros de altas carga.
Figura 5.15: Relleno plstico ordenado
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Figura 5.16: Relleno plstico desordenado
La superficie especfica de un relleno es la superficie recubierta por la membrana
bacteriana o superficie regada por m3 de lecho filtrante, y depende del tamao de los
elementos utilizados en su relleno. Se obtiene as este parmetro como cociente de la
superficie de los ridos por m3. Este se relaciona con el tiempo de retencin de las aguas en
el lecho. La superficie especfica de una grava vara entre 55 y 164 (m2/m3) y la del material
plstico entre los 79 y 98 de uno convencional y los 98 a 220 de uno de alta superficie.
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Medio f iltrante Superficie especfica(m2/m3) Porcentaje dehuecos (%)Gravas de ro:-Pequeas-Grandes
55-6939-164
40-5050-60
Escorias de altos hornos:-Pequeas-Grandes
55-6946-59
40-5050-60
Plstico:-Convencional-Con alta superficie especfica
79-9898-220
94-9794-97
Tabla 1: Propiedades fsicas de los materiales filtrantes
Criterios de seleccin del material soporte
Los criterios de seleccin del relleno a seguir, segn Juan Garca Ganuza de NILSA son
los siguientes:
Est demostrado que con cargas orgnicas bajas o medias los rendimientos de
los filtros con relleno plstico o piedra son similares.
Cuando utilizar piedra:
o Cargas bajas y aguas diluidas
o Aguas no excesivamente biodegradables
o Cuando no hay limitaciones de espacio
o Cuando se quiere ahorrar energa
Cuando utilizar plstico:
o Aguas muy biodegradables
o Aguas muy cargadas
o Problemas de espacio.
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2.2.3. Ventilacin
El ambiente aerobio se consigue mediante una ventilacin del relleno que puede ser
natural o forzada.
Ventilacin natural:
Lo normal es tener este tipo de ventilacin. Se produce por efecto de la diferencia de
temperaturas del aire y el agua. Al calentarse o enfriarse el aire en el interior del lecho se
produce una variacin de densidad que provoca el movimiento de la masa. Cuando el
interior del lecho est ms caliente que el aire externo, la corriente de aire a travs del lecho
ser hacia arriba. Si la temperatura del lecho es ms baja, la direccin de la corriente de aire
ser hacia abajo.
La Ley lineal formulada por HALVORSON, SAVAGE y PIRET (Sevage Works Journal,
1936, 8, 888), que relaciona la diferencia de temperatura, entre el aire y agua con el caudal
y direccin del aire, es del siguiente tipo:
Qa = K (TL - Ta - T)
Siendo:
Qa = Caudal de aire en m3/m2 d.
TL = Temperatura del agua en el interior del lecho en C.
Ta = Temperatura exterior del aire en C.
T = Constante de 2C para lechos convencionales.
K = Constante del lecho.
Para una diferencia de temperatura TL - Ta = 6C, el caudal de aire garantizado es de 18
m3/m2h. Cuando la diferencia es de 2, se para el tiro.
HALVORSON determin que era necesaria una corriente de 0,3 m3/m2 minuto (=18
m3/m2h) para que se realizara una buena oxigenacin. Por tanto, las diferencias de
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temperatura ideales sern las superiores a +6 inferiores a 2 . En el intervalo definido por
estos valores la aireacin es deficiente y por tanto se pueden producir fenmenos deanaerobiosis
Ventilacin forzada:
En algunos tipos, para evitar este paro de oxigenacin, se recurre a la ventilacin
forzada, inyectando 0,3 m3/m2mim., de forma artificial. Se recurre a este sistema cuando,
por causas exteriores como fro, hay que cerrar los lechos, Pero hay que tener en cuenta
que representa un incremento de potencia instalada.
2.2.4. Recogida del agua fil trada
La recogida de agua residual tratada se efecta por medio de un dispositivo de drenaje
en el fondo del lecho bacteriano que adems proporciona ventilacin al lecho para
mantenerlo en condiciones aerobias segn se ha descrito en el apartado anterior. Este
sistema contar con un sistema de canales de recogida, con la caracterstica fundamental
de que no deben existir sedimentaciones, ya que el agua residual lleva los flculos que
sedimentarn en el decantador secundario. Para ello la pendiente ser del 1% 2%, y la
seccin no ir nunca llena, ya que deber servir tambin como canal de aireacin. Una
recomendacin de diseo marca que, la zona de salida al falso fondo de agua y aire, sea el
15 20% la superficie total del filtro.
El sistema recolector consiste en bloques prefabricados para lecho, los cuales son de
arcilla vitrificada de hormign o de plstico, que cubren completamente el fondo del lecho
dejando entre s canales para el efluente. La forma de estos bloques es rectangular
generalmente y tienen ranuras en su cara superior igual a un 20 por ciento de su superficie,
y siempre inferior a la dimensin mnima del soporte. Se constituye as un falso fondo de
canales que comunican con el canal de salida y con conductos de ventilacin, garantizando
as la circulacin del aire.
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Figura 5.17: Falso fondo de bloques prefabricados de hormign para lecho con relleno de piedras
(NILSA)
Figura 5.18: Bases de hormign (izquierda) donde apoyar falso fondo de material plstico (derecha)
para relleno plstico
2.2.5. Recirculacin
La recirculacin de parte del agua que ha pasado por los lechos se recircula para
mezclase con el agua residual de entrada al lecho bacteriano. La recirculacin cumple con
los siguientes objetivos:
- Efectuar una dilucin del influente, reduciendo el efecto que pueda producirse de
una sobrecarga instantnea.
- Reducir la tasa de crecimiento de pelcula biolgica por el mismo efecto de la
dilucin
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- Producir un mayor arrastre de las partes no activas de la pelcula biolgica,
procurando un contacto ms efectivo de sta con el influente.- Procurar una distribucin vertical ms uniforme de la pelcula.
- Aumentar el rendimiento como consecuencia de le hecho de que el agua a tratar
ya no pasa solamente una vez por el sistema, sino que dependiendo del
porcentaje de recirculacin hay cierta parte de aquella que pasa una vez y otra
dos veces, otras tres, etc.
Aurelio Hernndez, propine la siguiente tabla en la que en funcin de la concentracin de
la carga contaminante del influente al lecho se fija el porcentaje de recirculacin.
DBO5de salida del decantador
primario (mg/l)Recirculacin (%)
100 50
100-125 100
125-150 150
150-175 200
175 250
Tabla 2: Porcentaje de recirculacin en funcin de la carga contaminante que entra en el
lecho bacteriano
No obstante como ya se ver la recirculacin se suele calcular adems de con el objetivo
de limitar la DBO5 con el fin de asegurar una carga hidrulica mnima. Hay que tener
presente que la aplicacin de la recirculacin a lechos de medios sintticos (plsticos) tiene
una concepcin diferente a la de los filtros de piedra. Los medios sintticos tpicos necesitanuna carga hidrulica ms alta para favorecer el desarrollo de la capa biolgica a lo largo de
la profundidad del filtro. Por tanto, es necesario recircular para mantener el grado de mojado
necesario para cada medio determinado. En el caso de los rellenos de piedra, la
recirculacin ayuda a control el crecimiento de la biomasa y evitar que se colmaten los
huecos lo que dificultara la aireacin del lecho.
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Se define como tasa de recirculacin al cociente entre el caudal que se recircula (Qr) y el
caudal que sale del tratamiento primario y entra al tratamiento secundario (Q):
r = Qr/ Q
El factor de recirculacin (F) es un indicador del nmero de veces que la materia orgnica
pasa por el lecho. Este factor viene dado por:
2)1.01(
1
r
rF
+
+=
Siendo:r = coeficiente de recirculacin
Q = caudal de agua residual que entra al tratamiento secundario.
Qr= caudal recirculado.
En la siguiente tabla se relacionan el coeficiente de recirculacin, el nmero de veces que
una partcula de agua pasa por el lecho y el factor de recirculacin.
Coeficiente de
recirculacin (r)
N de veces que una
partcula pasa por el
lecho
Factor de
recirculacin
0 1 1
0,5 1,5 1,36
1 2 1,65
1,5 2,5 1,88
2 3 2,09
2,5 3,5 2,31
3 4 2,51
Tabla 3: Relacin entre el coeficiente de recirculacin, el nmero de veces que una
partcula de agua pasa por el lecho y el factor de recirculacin
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La recirculacin tambin se puede realizar previamente al decantador o despus, es
decir, una vez clarificada el agua. En el primer caso (recirculacin previa al decantadorsecundario) se disminuye la carga hidrulica del decantador. Esta forma de recircular se
utiliza fundamentalmente cuando el lecho nitrifica y, de esta forma, se provoca la
desnitrificacin en el tratamiento primario. Tambin se utiliza cuando el decantador
secundario se ha quedado pequeo, ya que de esta forma se consiguen reducir los riesgos
que se pueden producir debido a una alta carga hidrulica. En cualquier caso, esta forma de
recircular nicamente se recomienda si el lecho est constituido por material de relleno
plstico, para evitar problemas de colmatacin.
2.2.6. Tipos de lechos bacterianos y lneas de tratamiento
Aunque ya se ha ido adelantando alguno de los tipos de lechos bacterianos que podemos
encontrar, en la siguiente tabla se hace un repaso de todas las modalidades que existen en
funcin de criterio adoptado para su clasificacin:
CRITERIO TIPO DE LECHOS BACTERIANOS
Recirculacin Sin recirculacinCon recirculacin
Carga BajaMediaAltaDe desbaste
Material de relleno ridoPlstico
Construccin Forma: CircularRectangular
Aislamiento: AbiertoCubierto
Ventilacin NaturalVentilado
Nmero de etapas Una etapamultietapas
Tabla 4: Clasificacin de lechos bacterianos
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Respecto a la clasificacin en funcin de la carga caben los siguientes comentarios,
segn la EPA:
Los lechos de baja carga trabajan con cargas orgnicas < 0,4 kg DBO5/m3.d.
Debido a ello, la cantidad de fangos que generan es baja, presentan una
estabilizacin bastante avanzada y existe menos riesgo que en otros lechos de
aparicin de olores o de atascamiento. Una decantacin primaria, o un buen
tamizado precede siempre a estos lechos. El agua depurada queda generalmente
bien nitrificada (bajos niveles de nitrgeno amoniacal); la DBO5 disuelta es
prcticamente nula, sin embargo la presencia de materia orgnica coloidal, a
pesar de una buena decantacin secundaria, reduce el rendimiento de la DBO5al
80-85%. Los espesores de la biopelcula son pequeos, lo que permite utilizar
medios soportes de mayor superficie especfica, aunque el ndice de huecos sea
menor. NO se suele emplear la recirculacin.
Los lechos de media cargatrabajan con cargas orgnicas situadas entre 0,4 y
0,6 kg DBO5/m3.d. En estos lechos el crecimiento bacteriano no est limitado,
como en el caso anterior, por lo que el riesgo de obstruccin es mayor, siendo
necesario mantener una carga hidrulica suficiente para arrastrar el exceso de
biomasa. Por ello, en los lechos de media carga es frecuente que se recircule
parte del caudal de salida. Al igual que en baja carga, siempre van precedidos de
una decantacin primaria, salvo el caso de aguas residuales industriales con
escaso contenidos de materias en suspensin. Los rendimientos en eliminacin
de DBO5 son similares, tambin cuanto mayor es el contenido en materia en
suspensin y coloidal en el influente de un lecho bacteriano, menor es el
rendimiento; pero la tasa de nitrificacin es normalmente nula o muy baja en los
de media carga.
Los lechos de alta cargatrabajan con cargas entre 0,6 y 1,6 kg DBO5/m3.d.y
requieren de una segunda etapa para alcanzar una calidad del efluente
equivalente a un tratamiento secundario.
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Los lechos de desbastetrabajan con cargas orgnicas por encima de 1,6 kg
DBO5/m3
.d, llegando, incluso, hasta 5-8 kg DBO5/m3
.d, y se empleannormalmente como etapa previa a un lecho de media carga o a un reactor de
fangos activos (procesos multietapa). Consiguen eliminar entre un 50 y un 70% de
la DBO5y se destinan, fundamentalmente, al tratamiento de aguas residuales con
elevadas concentraciones de DBO5y con buena degradabilidad, como es el caso
de aguas residuales con una fuerte componente agroalimentaria (lecheras,
cerveceras, conserveras, etc.). No es imprescindible una decantacin previa, en
su defecto el desbaste se reforzar con un macrotamizado.
En las pequeas poblaciones, la tipologa que ms predomina es la de lechos
bacterianos de baja o media carga, de forma circular (a excepcin de los filtro percoladores
prefabricados que tiene forma rectangular) y abiertos con ventilacin en una sola etapa.
La lnea de tratamiento de una planta de depuracin de lecho bacteriano consta de un
pretratamiento, decantador primario (optativa en algunos casos), lecho bacteriano y
decantador secundario con recirculacin del efluente final o del efluente del propio lecho.
Pueden disearse con varias etapas pudiendo adoptar mltiples configuraciones.
Como tratamiento primario se puede optar por una laguna anaerobia, decantador-digestor
o tanque Imhoff (en estos tres casos la estabilizacin de lo fango tanto primarios como
secundario tiene lugar en estos elementos) o decantador primario, en este caso, como
inconveniente, la estabilizacin de los fango se ha de hacer en un digestor independiente.
Tambin cabe la posibilidad de no tener tratamiento primario en caso de tener un
pretratamiento muy eficiente con tamizado y desarenador-desengrasador y slo en caso de
aguas residuales muy diluidas y con lechos bacterianos con rellenos plsticos.
En la figura siguiente pueden observarse los diferentes diagramas de flujo para lechos
con sus correspondientes recirculaciones:
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Figura 5.19: Diagramas de flujo lechos bacterianosen etapa nica
Figura 5.20: Fig. 2. Diagramas de flujo lechos bacterianosen doble etapa
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El diagrama del tratamiento secundario con lechos bacterianos ms extendido en
pequeas poblaciones es el de un solo lecho de baja carga (precedido de un tratamientoprimario) segn el siguiente esquema.
Figura 5.21: Esquema del tratamiento secundario con lecho de turba
2.2.7. Ventajas e inconvenientes
Las ventajas que presenta este sistema de lechos bacterianos son:
- Sencillez de explotacin y mantenimiento
- Alto rendimiento en eliminacin de materia orgnica.
- Gran estabilidad frente a variaciones de caudal y carga orgnica.- Costes energticos menores que los fangos activos.
- No aparecen problemas de aerosoles ni ruidos
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Los lechos biolgicos pueden presentar los siguientes problemas:
- Olores, problema muy frecuente que indica la existencia de condiciones
anaerobias en el lecho por falta de aire.
- Moscas, la mosca Psychoda es el principal insecto de los lechos bacterianos,
pudiendo llegar a plantear problemas sanitarios.
- Los gastos de inversin inicial son relativamente altos, an siendo ms barato que
el sistema de fangos activos.
- Necesita un material soporte especial.
- Mayor cantidad de equipos mecnicos frente a los tratamientos de tecnologasextensivas.
2.2.8. Rendimientos de depuracin
En la siguiente tabla se muestran los rendimientos medios obtenidos en los lechos
bacterianos de baja carga y con recirculacin.
Parmetros Rendimiento (%)
Slidos en suspensin 85-95
DBO5 85 -95DQO 80-90N-NH4
+ 60-80Nitrgeno total 30-35
Fsforo total 10-35
Tabla 5: Tabla. Rendimientos de depuracin en lechos bacterianos.
Para conseguir los rendimientos superiores indicados para DBO5y SS se ha de trabajar
con cargas menores de 0,3Kg DBO5/m3d y con recirculaciones superiores al 150%.
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En caso de tener aguas con una gran carga contaminante a la entrada del lecho
bacteriano, ser necesario operar con dos etapas (alta carga y baja o media carga) u optarpor otro tipo de tratamiento.
En cuanto a la eliminacin de nitrgeno, al trabajar en condiciones predominantemente
aerobias se pueden alcanzar buenos rendimientos en la oxidacin de la materia orgnica y
en la nitrificacin del nitrgeno amoniacal a la forma de nitrato, siendo complicado
desnitrificar los nitratos a nitrgeno gas en condiciones anxicas. Para conseguir la
desnitrificacin se puede optar por utilizar un tratamiento primario (decantador-digestor,
laguna anaerobia o tanque Imhoff) como zona anxica o realizar la desnitrificacin en otrolecho bacteriano en rgimen de alta carga (>0,8Kg DBO5/m
3d) y recirculaciones muy altas.
Respecto a la eliminacin del fsforo, en los procesos de biopelcula fija, slo se elimina
fsforo de forma fiable por la va de la precipitacin qumica mediante la adicin de sales
metlicas (de hierro o aluminio) antes de la decantacin secundaria
2.2.9. Rango de aplicacin
El empleo de lechos bacterianos como tratamiento secundario est indicado para vertidos
con una carga contaminante de entre 50 y 2.000 habitantes. En el caso de rango inferior,
debido a la gran variabilidad diaria del caudal puede que exija o unas elevadas
recirculaciones o tanques de homogeneizacin del caudal para lo que se puede utilizar el
pozo de bombeo previo. En el tema 3 se puede consultar la superficie que demanda la
implantacin de este sistema (0,4-0,9 m2/h-e).
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2.3. Diseo.
2.3.1. Parmetros de diseo
Adems de los conceptos descritos en el apartado anterior se han de contemplar algunos
parmetros ms en el diseo de lechos bacterianos y que seguidamente se describen.
Carga hidrulica:
Se expresa en m3de agua aplicada, considerando la recirculacin, por m2de superficie
del lecho. Esta carga es la que condiciona la velocidad de paso a travs del material, y por
tanto el tiempo de retencin, Los valores de diseo recomendado son:
Baja carga Media carga Al ta cargaCaractersticas
Piedra
Piedra
Piedra
Plstico
Carga hidrulica
(m3/m2.h)
0.02-0,13
0.04-0,41
0,35-1,55
0,42-2,5
Tabla 6: Cargas hidrulicas
En lechos bacterianos con relleno de piedra, la recirculacin se fija para evita el
atascamiento del filtro y por tanto asegura una mnima aireacin, mientras que los lechos
con relleno plstico la recirculacin asegura que todo el material est mojado.
Carga volmica u orgnica.
Este parmetro indica los kg de DBO5aplicados diariamente por m3de material filtrante.
Los valores recomendados son los siguientes:
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Tipo de lecho Baja carga Media Carga Alta carga
Piedra Piedra Piedra PlsticoCarga volmica
(Kg DBO5/m3d)
0,08-0,4 0,4-0,7 0,7-1,8 0,4-5,0
Tabla 7: Carga volmicas recomendables
Profundidad de los lechos
En el caso de filtros con medio rocoso la profundidad se suele limitar debido al peso a 3
m. En cuanto a los rellenos plsticos la se pueden alcanzar alturas de hasta 12 m. lo
habitual es ejecutar lechos de unos 4 -5 m de altura.
Tipo de lecho Baja carga Media Carga Alta carga
Piedra Piedra Piedra Plstico
Una etapa
Varias etapas
1,8-3,0 1,5-2,5
0,75-1,2
0,9-2,4
0,5-1,2
3,0-12,0
1,5-5,0
Tabla 8: Profundidad lechos
Dosificacin del agua residual
Se ha de calcular cmo rociar el lecho bacteriano con el agua residual para obtener un
espesor de biopelcula estable lo ms activo posible. Para ello se calcula la tasa de
aplicacin instantnea o lo que los alemanes llaman la intensidad de lavado (Splkraff),
intensidad de dosificacin instantnea o parmetro SK. Esta carga de aplicacin
instantnea, se puede expresar en milmetros de agua por paso de brazo del sistema de
distribucin.
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(mm/paso)
60na
1000in)recirculacplantaa(entradalechoalentradaCaudalSK
+=
Donde:
SK = lluvia en mm./paso
Q + r = Carga hidrulica al distribuidor en m3/m2y hora
a = Nmero de brazos vertiendo a la vez
n = Velocidad rotacional del distribuidor en rev./minuto
Valores de SK entre 4 y 8 mm garantizan un arrastre de fangos suficiente. Cuando ms
alto sea el lecho, mayor debe ser el valor de SK para evitar obstrucciones causadas por uncrecimiento muy alto en la parte superior del lecho. Tambin al aumentar la superficie
especfica del relleno, convienen valores mayores. Se deduce de lo explicado, la
conveniencia de emplear distribuidores motorizados para poder controlar la velocidad de
giro.
Por ltimo, indicar que para conseguir un buen arrastre de la biopelcula en exceso, es
conveniente conseguir valores de SK de entre 20 y 100 mm para realizar procesos de
lavado (6 horas durante la noche). Aunque el lavado nocturno no suele ser necesario para
aguas residuales urbanas estndares, s que suele ser necesario en caso de aguas muy
cargadas en lechos de alta carga.
2.3.2. Clculo de lechos bacterianos
El clculo de los lechos bacterianos responde a numerosos modelos, que pretenden
definir, a partir de diferentes criterios, la reduccin de la DBO5que se puede conseguir.
La multiplicidad de los modelos de clculo pone de manifiesto la falta de uniformidad de
criterios, que condujeron a los investigadores a tan diversificadas frmulas de clculo. As,
caben destacar las siguientes National Research Council (1946); Galler and Gotaas (1964);
K incannon and Stover (1982); Velz (1948); Schulze (1960); Germain (1966); Eckenfelder
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and Barnhart (1963); Chartered Institution of Water and Environmental Management (1988);
and Logan trickling filter model (TRIFL) (1987).
En pequeas poblaciones lo habitual es recurrir al empleo de un nico lecho bacteriano
(1 etapa), operando en el rango de baja carga, por ello se va a explicar con ms detalle el
clculo de lechos con una slo etapa segn las indicaciones de la Norma ATV-A281E. No
obstante, se va a mostrar la formulacin para el clculo de lechos en varias etapas
distinguiendo si el relleno es plstico o de piedra. Los mtodos que se describen en
sucesivos apartados son:
- Para una sola etapa: Norma ATV-A281E para el dimensionamiento de plantas
de lechos bacterianos de cualquier tamao y de una sola etapa. Es el modelo
recomendado por el CENTA y el CEDEX y el que se describe en profundidad en
este tema.
- Para una o varias etapas con relleno ptreo: Modelo de la National Research
Council (1946)
- Para una o varias etapas con relleno plstico: Modelo propuesto por Germain y
Schultz
Como comentario inicial, se ha de indicar que el clculo de los procesos de biopelcula
fija tanto de lechos bacterianos como de los biodiscos se recomienda emplear el parmetro
de la (SDBO), o DBO soluble, como base de la formacin de la pelcula biolgica. La DBO
no soluble se elimina en el decantador primario y en los flculos formados en el reactor
biolgico y eliminados posteriormente en la decantacin secundaria. Se considera como
(SDBO) la DBO no eliminable por filtracin. Normalmente para aguas urbanas las aguas de
entrada tienen una (SDBO) del orden del 35-40% de la DBO total y las aguas decantadas un
50-55%. Este concepto habr que tenerlo muy presente y fijarse bien si los ratios de diseo
van referidos a DBO soluble o a DBO total
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2.3.2.1. Una etapa: Norma ATV-A281E
El proceso de clculo que se va explicar en este tema sigue las indicaciones de la norma
ATV-A281E para el dimensionamiento de plantas de lechos bacterianos de cualquier
tamao y de una sola etapa. Se trata de un mtodo de tipo emprico, que emplea la carga
volumtrica (kg /m3.d) mxima permisible, como parmetro fundamental de diseo.
En la siguiente tabla se resumen los parmetros bsicos de diseo:
Objetivo de depuracin Carga
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El esquema de funcionamiento del clculo que se va secuenciar es el siguiente
Figura 5.22: Esquema de funcionamiento
La secuencia del clculo de lechos bacterianos circulares con un distribuidor giratorio es
la siguiente:
a) Determinacin del volumen de relleno (V):
Para calcular el volumen lecho bacteriano necesario se ha de calcular primeramente la
cantidad de DBO5 que entra al lecho bacteriano en un da. Para ello a la cantidad de
DBO5que entra a la planta se ha de restar la parte eliminada en la decantacin primaria,
(normalmente se considera un rendimiento de eliminacin de DBO5 en decantacin
primaria del 30-35%, no obstante depender del proceso adoptado). Posteriormente el
volumen se obtiene al dividir la cantidad de DBO5 obtenida entre la carga orgnica que
proceda (Kg/m3da)
orgnicaCarga
/daKgDBODBOdeneliminaciVolumen 55 =
T1: tratamiento secundario: decantador primario, laguna anaerobio,
tanque Imhoff o decantador digestor.
LB: Lecho bacteriano
D2: decantador secundario
La recirculacin puede ser antes o despus de la D2
T1 LB D2
Qr
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En el caso de querer nitrificar habr que calcular el volumen con la carga orgnica
para la eliminacin de materia orgnica y el volumen con la carga orgnica para nitrificary sumar ambos volmenes.
tenitrificanCarga
N/daKginnitrificacVolumen =
Nota: Para calcular N, se multiplica el caudal medio diario por la concentracin de NTK
que presenta el agua que entra en el lecho bacteriano.
ntrificaciVolumen niDBOneliminaciVolumenotalVolumen t 5+=
Recomendacin para clculos rpidos y control de procesos en explotacin : si se
dimensiona con una carga orgnica de 100 g DBO5filtrada/m3, el caso de rellenos plsticos
o de 40 g DBO5filtrada/m3, en el caso de relleno de piedra, se cumplirn con seguridad un
valor de salida de DBO5
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El caudal de recirculacin (Qr) ser el caudal mximo que entra al tratamiento secundario
(Q) multiplicado por la tasa anteriormente calculada.
rQQr =
Y el caudal total que le entre al lecho bacteriano ser la suma del caudal mximo que le
entra al tratamiento secundario la planta ms el de recirculacin.
Qentrada lecho= Q+Qr
c) Se fija la altura del relleno (h)
Para ello se siguen los parmetros indicado en la tabla anterior: 4-5 m (relleno plstico)
2-3 m (relleno de piedra)
d) Se calcula la superfic ie (S)
Para ello se divide el volumen entre la altura
h
VS=
e) Se calcula la carga hidrulica (Ch) y se recalcula en caso de ser necesario la
superficie
Conociendo la superficie y el caudal total que el entra al lecho (caudal que le entra al
tratamiento secundario ms el de recirculacin) se calcula la carga hidrulica dividiendo el
caudal total entre la superficie.
SCh
)Qlecho(QQentrada r+=
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La carga hidrulica ha de ser mayor que los valores indicados en la tabla 9: >0,4 (relleno
piedra) y >0,8 (relleno plstico).
Si resulta que la carga hidrulica es ms baja que la mnima indicada, habr que
recalcular la superficie dividiendo el caudal total (el que le entra a la planta ms el de
recirculacin, Q+Qr) entre la carga hidrulica que deseemos y con esa superficie resultante
recalcular la altura dividiendo la altura entre la nueva superficie calculada. Si resultara una
altura excesiva, no frecuente en pequeas poblaciones, se deber disear dos lechos en
serie sin decantacin intermedia (es decir, que no funcionaran como dos etapas)
f) Se calcula el nmero de brazo del distribuidor giratorio y la velocidad.
Con la frmula propuesta:
(mm/paso)60na
1000in)recirculacplantaa(entradalechoalentradaCaudalSK
+=
Se fija el nmero de brazo (a), normalmente 2 o 4 y el SK, se calcula la velocidad de giro
(n).
g) Clculo de la decantacin
Se remite al apartado 4. DECANTACIN SECUNDARIA EN LECHOS BACTERIANOS Y
CBR, de este tema.
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2.3.2.2. Una o varias etapas con relleno ptreo: N.R.C
El National Research Council (N.R.C.) ha dado las siguientes frmulas para establecer el
rendimiento de los lechos bacterianos. Son ecuaciones que relacionan la eficiencia del lecho
con la carga hidrulica y la orgnica especfica. Son expresiones empricas obtenidas del
estudio del comportamiento de plantas reales, dado que la irregular naturaleza de las
piedras, cantos rodados y escorias empleados en la construccin de estos lechos, hace
difcil obtener expresiones tericas que se ajusten a la realidad del funcionamiento de este
tipo de instalaciones.
Para un filtro de material ptreo de un proceso de filtracin que conste de un solo filtro o
para el primer filtro de un proceso de doble etapa, la ecuacin es la siguiente:
FV
WE
+
=
4425.01
1001
Donde:
E1 = Rendimiento de eliminacin de la DBO a la temperatura de 20 C,
incluyendo los efectos de la recirculacin y la sedimentacin (porcentaje).
W = carga de DBO aplicada al filtro (kg/da).
V= volumen del medio filtrante (m3)
F = factor de recirculacin.
Recordemos la expresin de F:
2)1.01(
1
r
r
F +
+
=
El factor de recirculacin representa el nmero medio de veces que circula a travs del
filtro la materia orgnica del afluente. El trmino del denominador 0,1 r pretende tener en
cuenta el hecho, observado experimentalmente, de que la eliminacin de la materia orgnica
disminuye conforme aumenta el nmero de pasos de aqulla a travs del filtro.
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Para el filtro secundario la ecuacin propuesta es:
22
2
1
2
1
4425.01
100
FV
W
E
E
+
=
Donde:
E2= Rendimiento de eliminacin de la DBO a la temperatura de 20 C para el
filtro secundario, incluyendo el efecto de la sedimentacin y de la
recirculacin (porcentaje).
E1= fraccin de DBO eliminada en el filtro de la primera etapa
W2= carga de DBO aplicada al filtro de la segunda etapa (kg/da).
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2.3.2.3. Una o varias etapas con relleno plst ico: Germain
Debido a que las propiedades de los medios de plstico son ms predecibles o conocidas
a priori, se han desarrollado numerosas relaciones empricas para el funcionamiento y
rendimiento de los filtros percoladores con este tipo de rellenos. Una de las expresiones ms
frecuentemente empleada para describir el funcionamiento observado en este tipo de filtros
es la propuesta por Germain y Schultz.
La forma general de la ecuacin propuesta es la siguiente:
= n
vQ
Dk
i
e eS
S20
Donde:
Se = DBO5total del efluente del filtro sedimentado (mg/l)
Si = DBO5total del agua residual aplicada al filtro (mg/l)
k20= constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad media del filtro
(D) a la temperatura de 20C, las unidades varan en funcin del valor delexponente n.
D = profundidad del filtro (m)
n = constante experimental, normalmente n = 0,5
Qv= caudal volumtrico aplicado por unidad del rea del filtro = Q/S (l/s m2)
Q= caudal aplicado al filtro sin recirculacin, l/s
S= rea transversal del filtro, m2
En caso de no disponerse de datos procedentes de unos ensayos previos en planta pilotopueden adoptarse los siguientes valores para la constante de tratabilidad k20:
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Tipo de agua residualCte. de tratabilidad k20
(l/s)05
/ m2
Domsticas 0,111 - 0,172
Domsticas y alimentarias 0,103 - 0,144
Envasado de frutas 0,034 - 0,086
Envasado de carnes 0,051 - 0,086
Residuos de papeleras 0,034 - 0,069
Procesado de patatas 0,060 - 0,086
Refineras 0,034 - 0,121
Nota: Los datos son vlidos para:Lechos bacterianos de torre de 6 m material plsticoTemperatura del agua de 20C
Tabla 10: Valores de la constante de tratabilldad k20
El efecto de la temperatura del agua residual sobre la eficacia de la filtracin se puede
tener en cuenta ajustando el valor de k20 empleando para ello la siguiente expresin:
)20(20
= T
T kK
El intervalo de valores de que se ha podido establecer es 1,02 a 1,08 (valor tpico:
1,035).
En base al anlisis de los datos correspondientes a diversos filtros existentes, Albertson
demostr que hay que introducir correcciones en el valor de la constante de tratabilidad para
un agua residual determinada cuando se pretende aplicar el valor de k20 observado para
una profundidad determinada para el diseo de un filtro de diferente profundidad. La relacin
propuesta por Albertson es la siguiente:
x
D
Dkk
=
2
112
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Donde:
k1= constante de tratabilidad para la profundidad del lecho D1.k2= constante de tratabilidad para la profundidad del lecho D2
D1= profundidad del primer lecho (m)
D2= profundidad del segundo lecho (m)
X = 0,5 para material ptreo y 0,3 para lechos de materiales plsticos
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2.4. Operacin de lechos bacterianos
Para que la operacin del lecho bacteriano se realice con xito, es primordial mantener
un buen crecimiento de microorganismos en el lecho.
Para que se realice el proceso de oxidacin o descomposicin la pelcula biolgica
requiere un suministro continuo de oxgeno disuelto, que puede tomarse del aire que circula
a travs de los huecos del medio (espacios entre los elementos componentes del mismo).
Hay que cuidar por tanto la adecuada ventilacin del medio para lo cual debenmantenerse siempre abiertos sus huecos. Los huecos obstruidos pueden plantear
problemas de funcionamiento, incluyendo el estancamiento y la reduccin del rendimiento
del lecho.
El rendimiento de los lechos bacterianos puede incrementarse aumentando la
recirculacin. Esta operacin es la ms importante a la hora de ajustar una depuradora que
est funcionando. Como ya se explic, la recirculacin consiste en tomar agua que ya ha
pasado por el lecho y volver a meterla, de manera que aumenta el tiempo de contacto con la
pelcula biolgica y ayuda a esparcir microorganismos activos por las partes ms bajas del
lecho. De hecho, hay varios tipos de recirculacin: puede ser continua, intermitente, con
caudal constante o con caudal variable, todo depende del diseo de cada depuradora.
Adems, la recirculacin puede realizarse slo en periodos de escaso caudal para mantener
en movimiento los distribuidores giratorios y humedecer la biopelcula, para evitar que se
seque la pelcula del medio, o la congelacin.
La recirculacin proporcional al caudal de llegada, la ms habitual en pequeas
depuradoras, puede utilizarse para reducir la concentracin de las aguas que se vierten
sobre el lecho. La recirculacin continua y constante mantiene los distribuidores en
funcionamiento y tiende a regular las puntas y los valles de carga orgnica, aunque supone
un mayor coste de bombeo.
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As pues, es fundamental tener un buen control de la recirculacin y se ha de cambiar la
proporcin de caudal que se recircula buscando los siguientes objetivos:
Que el lecho est regndose la mayor parte del tiempo posible.
Diluir la excesiva contaminacin que pueda traer el agua de entrada en
determinados momentos.
Que el bombeo que alimenta de agua al lecho funcione lo mnimo necesario para
reducir el consumo energtico.
Como se puede ver, los dos primeros son contrarios al ltimo, as que habr queencontrar el equilibrio, pero teniendo ms importancia el conseguir un agua bien depurada.
Figura 5.23: Dispositivo para regular la recirculacin.
Otro factor que influye en el funcionamiento del lecho es la temperatura, tanto del aguaresidual como la del ambiente, siendo la ms importante la del agua que vara con las
condiciones meteorolgicas.
Dentro de ciertos lmites, la actividad de los microorganismos aumenta con la
temperatura. Por lo tanto, es posible lograr mayores cargas y mayores rendimientos en los
climas clidos si se mantienen razonablemente las condiciones aerobias del medio.
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Seguidamente se indican las comprobaciones diarias a realizar en este sistema y algunas
nociones del mantenimiento especfico de los equipos que slo se encuentran en este tipode depuradoras.
2.4.1. Comprobaciones diarias.
Apenas se requiere control de la operacin; sin embargo, es importante observar
diariamente:
a) Se ha de asegurar que el reparto de agua sea uniforme sobre toda la superficie dellecho. Adems hay que operar de manera que no deje de entrar agua en el lecho,
como ya se ha indicado. Todo ello para conseguir una biopelcula sana y bien
regada.
b) Deberemos observar si el distribuidor funciona suavemente, si parece que vibra, roza,
o gira ms lentamente con la misma cantidad de agua residual. Probablemente se
debe a que estn daados los rodamientos o sus pistas de rodadura y ser necesario
sustituirlos.
La velocidad de rotacin del distribuidor no debe ser excesiva (el manual del
fabricante indicar la velocidad mxima permitida). En los distribuidores grandes lo
normal es una revolucin por minuto. Si la velocidad de rotacin es demasiado lenta
comprobaremos si existen problemas mecnicos. Si no hay, aumentaremos el caudal
de distribucin.
c) Los orificios del distribuidor han de estar libre, para ello se desatascarn los
obstruidos.
d) Hay que localizar la causa del estancamiento, porque ste puede aumentar
rpidamente y afectar a grandes partes del lecho. El aumento del caudal,
incrementando la recirculacin o el ajuste de los orificios del distribuidor, puede
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arrastrar algunas de las partes ms pesadas de la biopelcula biolgica y as se puede
resolver lentamente esta situacin.
Eventualmente se pueden producir pequeos estancamientos que se eliminarn por
distintos mtodos:
o Regar la superficie con agua a alta presin.
o Remover manualmente la superficie del lecho con un rastrillo, una horca o
una barra retirando cualquier acumulacin de hojas u otros residuos.
o Dosificar cloro calculando previamente la concentracin necesaria.
o Inundar el lecho. Manteniendo el medio sumergido durante 24 horas seproducir el desprendimiento parcial de la biopelcula.
o Cerrar la entrada de agua al lecho durante varias horas. La biopelcula se
secar y una parte se desprender cuando vuelva a ponerse en servicio la
unidad.
e) A veces se presentan un gran nmero de moscas, que suponen un problema muy
difcil. La proliferacin de moscas Psychoda en las sombras, se debe a un excesivo
crecimiento del nmero de sus larvas en el interior del lecho. La vida de esta mosca es
de 5 a 7 das dependiendo de la temperatura.. Algunas soluciones son:
o Aumentar la recirculacin, ya que un mayor caudal continuado mantendr
el filtro limpio de larvas y moscas.
o Aplicar con cuidado insecticidas autorizados en la pared del lecho y dems
estructuras de la instalacin. Si no existen prohibiciones en contra, pueden
pulverizarse la superficie del lecho (y las paredes del depsito) con las
dosis autorizadas.
o Inundar el lecho durante 24 horas (en caso de ser posible), a intervalos lo
suficientemente frecuentes para evitar que se complete el ciclo vital de las
moscas.
o Aplicar semanalmente una dosis de cloro.
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o Mantener en buen estado la urbanizacin, ya que los arbustos, las hierbas,
y el csped alto ofrecen cobijo natural para las moscas de los lechosbacterianos.
f) Deteccin de olores. Dado que el funcionamiento de los lechos bacterianos constituye
un proceso aerobio, no deberan producirse malos olores ya que indicara que
predominan condiciones anaerobias. En este caso, deben tomarse las medidas
correctivas pertinentes, comprobndose los siguientes puntos:
o Hacer todo lo posible para mantener las condiciones aerobias del sistema.
o Comprobar la ventilacin del lecho.o Aumentar el caudal de recirculacin para suministrar ms oxgeno al lecho
e incrementar el arrastre.
o Evitar las salpicaduras de agua del distribuidor en las estructuras
exteriores, en el csped y en otras superficies, para que no se desarrolle
una capa biolgica sobre ellas. Si por cualquier circunstancia aparece esta
capa sobre los lugares de paso o sobre otras superficies, debe quitarse
inmediatamente.
g) Estado de la parte inferior drenante del lecho.
De vez en cuando hay que comprobar el sistema de drenaje inferior del lecho por si
hay acumulacin de residuos que puedan ocasionar obstrucciones.
Figura 5.24: Parte inferior drenante de un lecho bacteriano.
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h) Si se forman espumas en las canaletas de recogida. La causa fundamental es lapresencia de elementos tenso-activos (detergentes) no biodegradables. Se agrava el
problema en el caso de aguas muy alcalinas, o con la introduccin de vertidos en
condiciones anaerbicas. Para la eliminacin de espumas se recurre a instalar
pulverizadores de agua a presin, en las zonas de acumulacin, o tambin a la
utilizacin de productos antiespumantes, vertidos antes del paso del agua por el lecho
bacteriano. Esta ltima solucin, al igual que la anterior, no elimina la causa y adems
introduce un producto nuevo que puede ser incrementar la microcontaminacin.
i) Si se forma hielo en el lecho.Las bajas temperaturas del aire ambiente pueden llegara helar el lecho. Un perodo continuado de das a menos de cinco grados bajo cero
pueden llegar a inutilizarlo. A temperaturas mayores, una forma de evitarlo es cerrar
parcialmente la entrada de aire fro con lo cual se puede mantener a la temperatura del
agua residual. Hay que dejar siempre por lo menos una abertura que sea equivalente
al 1% de la seccin del lecho.
2.4.2. Mantenimiento especfico.
Los elementos del distribuidor del lecho bacteriano a los que se deben realizar un
mantenimiento son los siguientes:
Cojinetes o rodamientos y cierres. Existe un cierre de mercurio en la base del
distribuidor que evita las posibles prdidas de agua residual de la columna central
y que penetren en los cojinetes. Los cojinetes o rodamientos ruedan sobre pistas
desmontables inmersos en aceite. Se ha de vigilar que el nivel de aceite sea el
correcto. Se recomienda utilizar un aceite de graduacin adecuada, segn las
recomendaciones del fabricante, y comprobar su estado peridicamente. Para ver
si el aceite est limpio y sin humedad, se extraer en un recipiente limpio
aproximadamente medio litro. Si el estado es el correcto se introducir de nuevo.
En el caso de que el aceite est sucio, se debe extraer completamente y volver a
llenar el cojinete con una mezcla aproximada de una cuarta parte de aceite y tres
cuartas partes de disolvente, como por ejemplo