TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE FANGOS …...2015/11/17 · os TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE FANGOS...
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Centro de Estudios Hidrográficos TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS DE FANGOS ACTIVOS: ASPECTOS GENERALES Y PROCESOS CONVENCIONALES Enrique Ortega de Miguel Área de Tecnología del Agua Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX XXXIII Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras CEDEX. Noviembre de 2015
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TRATAMIENTOS BIOLÓGICOS
DE FANGOS ACTIVOS: ASPECTOS GENERALES
Y PROCESOS CONVENCIONALES
Enrique Ortega de Miguel Área de Tecnología del Agua
Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX
XXXIII Curso sobre tratamiento de aguas residuales
y explotación de estaciones depuradoras
CEDEX. Noviembre de 2015
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• En proceso utiliza una masa activa de microorganismos en
suspensión capaz de reducir la materia orgánica.
• Proceso seguro, muy experimentado, flexible y con buenos
rendimiento de depuración.
• Puede entenderse como la transposición de los procesos de
autodepuración de las aguas continentales, a un sistema industrial
• Puede eliminar únicamente la materia carbonada o adaptarse para
eliminar los nutrientes.
• Objetivos de esta clase
PROCESO DE FANGOS ACTIVOS
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Reacciones de síntesis
COHN + O2 + Nutrientes + Energía + bacterias CO2 + NH3 + C5H7NO2
Reacciones de respiración endógena
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 + energía
ESQUEMA DE UN PROCESO
DE FANGOS ACTIVOS
MICROORGANISMOS
(Flóculos)
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Reactor biológico Decantación secundaria
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30-100 micras
Varios centímetros
COMPOSICIÓN DE LOS FLÓCULOS
• Análisis microscópico del
fango activo
• Componentes
a) Biológicos: Bacterias (95%
de la biomasa), hongos,
protozoos y metazoos
b) No biológicos: Partículas
orgánicas y partículas
inorgánicas
c) Productos exocelulares:
Importante: Glycolax, polímero
segregado por bacterias
heterótrofas.
• Características del flóculo
- Fortaleza, superficie y
decantabilidad
- Equilibrio entre bacterias
floculantes y filamentosas
1-10 micras
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Bacterias (1-10 µm)
Hongos
COMPONENTES BIOLÓGICOS
Protozoos (10-300 µm) (Fragelados, amebas y ciliados)
Metazoos (helmintos y rotíferos -
100-1.000 µm-)
Floculantes
Filamentosas
Paramecio
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FUNCIONES DE LOS FLÓCULOS
• Dar soporte físico a las reacciones biológicas
• Incluir partículas no biodegradables
• Facilitar la separación sólido-líquido
• Para ello debe conseguirse un flóculo suficientemente compacto, con alta superficie específica y alta sedimentabilidad
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FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA
OXIDACIÓN BIOLÓGICA
• Características del sustrato
• Nutrientes
• Temperatura
• Tóxico e Inhibidores
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NUTRIENTES
PARÁMETRO g/h/día Concentración
(mg/l)
DBO5 60 150-250
NTK 10-14 40-70
N-NH4 6-8 15-20
Fósforo 2-5 4-15
Valores normales en aguas residuales
Necesidades de nutrientes para procesos de fangos activos
• 43 g de N / kg DBO5 eliminado • 8 g de P / kg DBO5 eliminado
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TEMPERATURA
PROCESOS Ʃ
Fangos activados
Lechos bacterianos
Lagunas de aireación
1,00 – 1,04
1,02 – 1,04
1,06 – 1,90
kT = k20 · Ʃ (T-20) Eckenfelder
Siendo: kT : Velocidad de reacción a T ºC
k20 :Velocidad de reacción a 20 ºC
Ʃ : coeficiente actividad-temperatura
T : temperatura en ºC
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TÓXICOS E INHIBIDORES
Valores límite de sustancia jnhibidoras en procesos biológicos
(EPA-430/9-76-017)
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ASPECTOS RELEVANTES
DEL PROCESO
• Parámetros característicos del proceso
• Importancia de la Carga Másica y de la Edad de fango
• Volumen del reactor biológico
• Necesidades de aireación
• Producción de fangos en exceso
• Necesidades de recirculación
• Condiciones funcionales del reactor biológico
• Decantación secundaria
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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
DEL PROCESO
Carga másica (Cm)
eactorfango en rKg
díaDBKgCm
/05
Determinan el rendimiento y
la calidad del efluente
Determinan la producción
específica de fangos en exceso
Θc = Kg MLSS en reactor Kg Fangos exceso/día
Edad del fango (Θc) días
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PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
DEL PROCESO
Concentración de SS en el
reactor (gr/L)
Tiempo de retención
hidráulica (horas)
SoR
Se- So
TRH: V / Q
Rendimiento (%)
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Aeración prolongada Convencional o
media carga Etapa A (Proceso AB)
REDUCCIÓN DE LA DBO5 EN FUNCIÓN DE LA Cm Y LA EF (IMHOFF)
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CLASIFICACIÓN DE
LOS PROCESOS DE
FANGOS ACTIVOS
CARGA MÁSICA (Kg .
DBO5/Kg. MLSS día)
EDAD
FANGO
(Días)
RENDIMIENTO
ELM. DBO5 (%)
Alta Carga >0,4 < 4 <70%
Media Carga 0,2<Cm <0,4 4-8 85-92%
Nitrificación a
temp. Elevadas
Baja Carga 0,07 < Cm < 0,2
10-20
90-95%
Se produce
nitrificación
Muy Baja Carga
(Aireación
prolongada)
<0,07 > 20 90-95
Estabilización del
fango
CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS
DE FANGOS ACTIVOS
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TRATAMIENTO SECUNDARIO BIOLÓGICO
Transformación a forma decantable, de fácil eliminación, de
sustancias no decantables bajo apariencia disuelta o
coloidal.
DBO5/día DBO
5 ENTRADA
(mg/l)
Cm
= ----------------------------- DBO5 SOL
= ------------------------------------------- (Kg MLSS = V x M) K
m x DBO
5 ENTRADA
1 + -------------------------------- M(g/l) x C
m x 1.000
DBO5 SS EFL = S.S. efl x f (C
m)
CARGA MÁSICA C
70%
5 4 3 2 1
100%
RE
DU
CC
IÓ
N D
BO
(%
)5
80%
90%
(S 150 - 280 p.p.m.)o
VALORES DE DISEÑO
0,50,4
m
0,3 0,2 0,050,1
Km 120 150 360 720 F(C
m) C
m
0,8 x Cm1/2
0,5
ºC 5 10 20 30 0,58 0,6
RELACIÓN Cm Y RENDIMIENTO
DE ELIMINACIÓN DE DBO5
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DBO5 total = DBO5 soluble + DBO5 en S.S.
DBO5 entrada al reactor (mg/l)
DBO5 soluble (mg/l) = --------------------------------------------------
Km . DBO5 entrada reactor
1 + ---------------------------------------- X . Cm . 1.000 :
DBO5 en S.S. (mg/l) = S.S. efluente . f(Cm)
Siendo: X = Concentración MLSS (mg/l) y Km= Factor de eliminación de DBO5 en días-1
Factor eliminación DBO5
Km ºC
120 5
180 10
360 20
720 30
f(Cm) Cm
0,8 Cm 1/2 0,5
0,58 0,5
COMPROBACIÓN DE LA DBO5 DEL EFLUENTE, EN FUNCIÓN
DE LA CARGA MÁSICA
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CARGA MASICA (Cm) EDAD DEL FANGO (días)
1,00 0,8
0,80 1,1
0,60 1.7
0,50 2,2
0,40 3,0
0,30 4,5
0,20 7,7
0,15 11,0
0,10 20,0
0,07 25,0
Fuente: DEGREMONT
RELACIÓN ENTRE LA CARGA MÁSICA
Y LA EDAD DE FANGO
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Depuración proyectada Tamaño de la planta
Hasta 20.000 h-e Más de 100.000 h-e
Temperatura de dimensionamiento 10º C 12º C 10º C 12º C
Sin nitrificación 5 4
Con nitrificación. 10
8,2 8 6,6
Con eliminación de nitrógeno
VD/VAT = 0,2
= 0,3
= 0,4
= 0,5
12,5
14,3
16,7
20,0
10,3
11,7
13,7
16,6
10,0
11,4
13,3
16,0
8,3
9,4
11,0
13,2
Con estabilización de fangos incluida
la eliminación de nitrógeno
25 Desaconsejado
Siendo VD: Volumen para desnitrificación y VAT: Volumen total del reactor
EDAD MINIMA DEL FANGO, EN DÍAS, EN FUNCIÓN DEL GRADO
DE DEPURACIÓN Y DEL TAMAÑO DE LA PLANTA. Normativa alemana (ATV-A131 )
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Siendo VD: Volumen para desnitrificación y VAT: Volumen total del reactor
EDAD MINIMA DEL FANGO, EN DÍAS, EN FUNCIÓN DEL GRADO
DE DEPURACIÓN Y DEL TAMAÑO DE LA PLANTA. Normativa alemana (ATV-A131 )
Plantas con nitrificación
Θc N : SF x 3,4 x 1,103(15-T) SF (Factor de seguridad): 1,8 ( 20.000 h-e) 1,45 (100.000 h-e) Plantas con nitrificació-desnitrificación
Θc N-D : SF x 3,4 x 1,103(15-T) x _____1_____ días 1 – (VD / VAT)
Plantas con estabilización aerobia de fangos
Θc EST : 25 x 1,172(12-T) días
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Aireación Prolongada
Media Carga
3.500-4.500
2.500-3.500
a) A partir de la Edad del Fango:
E = Edad del fango (días)
Cm = Carga másica
V = Volumen del reactor (m3)
X = Concentración MLSS en cuba aireación (kg/m3)
PE = Producción de fangos en exceso (kg SS/día)
θC = V (m3) . X (kg/m3) PE (kg/día)
Concentración (mg/L MLSS)
CÁLCULO VOLUMEN REACTOR
b) A partir de la Carga Másica
Cm = kg DBO5 entrada/día V (m3) . X (kg/m3)
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PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO
Factores que inciden en la producción de los
fangos en exceso
Carga Másica o Edad del Fango
DBO5 eliminada
Concentración de MLSS en el reactor
Relación SS / DBO5 en el afluente al reactor
biológico
Temperatura
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PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO
Fórmula convencional
FE = a.DBO5 elim - b.SST
Siendo: FE: Kg fangos en exceso producidos/dìa DBO5 elim: Kg DBO5 eliminado /día SST: Kg MLSS en el reactor Coeficiente a: 0,6-1,5 días-1
Coeficiente b: 0,03-0,15 días-1
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PRODUCCIÓN DE FANGOS EN EXCESO
Fórmula de Huisken
Pe = 1,2 x Cm0,23 + 0,5(B-0,6)
Siendo: Pe : Producción específica de fangos (Kg fangos en exceso producidos/Kg DBO5 eliminado Cm:carga másica B: Relación SS/DBO5 en el influente
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NORMA ALEMANA ATV-A 131)
Pe (Kg. SST/Kg. DBO5) = 0,75 + 0,6 . B - 0,136 . 0,75 . θC . FT
1 + (0,17 . θC . FT) Siendo:
Pe = Producción específica de fangos (Kg. SST/Kg. DBO5 eliminada)
0,75 =Coeficiente de producción referido a la DBO5
0,6 = Fracción de SS no biodegradable (si no hay datos concretos)
B = Relación entre concentraciones de SST/DBO5 en el influente al reactor
FT ( función de la temperatura ) = 1,072(T-15)
θC = Edad del fango en días.
SST/DBO5 Edad del fango en días
4 8 10 15 20 25
0,4 0,79 0,69 0,65 0,59 0,56 0,53
0,6 0,91 0,81 0,77 0,71 0,68 0,65
0,8 1,03 0,93 0,89 0,83 0,80 0,77
1,0 1,15 1,05 1,01 0,95 0,92 0,89
1,2 1,27 1,17 1,13 1,07 1,04 1,01
Producción específica de fangos en kg SST/kg DBO5
[
]
PRODUCCIÓN FANGOS EN EXCESO
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Qr . Xr + Q . XO = (Qr+ Q) . X
Siendo: Qr = Caudal de fangos recirculados (en m3/h)
Q = Caudal de agua residual a tratar (en m3/h)
X = Concentración de MLSS en el reactor (en Kg/m3)
Xr = Concentración de fangos recirculados (en Kg/m3)
De lo anterior se deriva: X + Q . X = Xr Q . X = Xr - X
Qr Qr
=> Qr / Q = X / (Xr – X)
NECESIDADES DE RECIRCULACIÓN
Valores normales Xr
6-8 g/l en decantadores con rasquetas
5-6 g/l en decantadores de succión
Qr Xr
Q Xo V X
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Recomendaciones:
Capacidad real de recirculación:
a) procesos de media carga:
75- 100% de Qr/Q;
b) Procesos de baja carga:
100- 150% de Qr/Q
Modulación del bombeo (Mínimo: 2 unidades con
50% Q MEDIO + 1 unidad de reserva
Inclusión de medida de caudal
Sistema de control del caudal de bombeo (temporizadores programables / variadores de frecuencia)
NECESIDADES DE RECIRCULACIÓN
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NECESIDADES DE AIREACIÓN
• Nivel de O2 disuelto
0,5-2,0 mg/L
• Consumo teórico de O2
Kg O2/día = a . DBO5 elim + b . SST
a: f (Cm) entre 0,4 y 0,7
b: f (Cm) entre 0,04 y 0,13
• Consumo de O2 en condiciones reales (coeficiente de
transferencia)
• Necesidades medias horarias
• Necesidades punta
• Capacidad de aireación necesaria
Consumo = O2 para síntesis + O2 para respiración endógena
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• Reparto homogeneo del caudal: vertederos fijos, vertederos
móviles, válvulas de control, etc.
• Equirrepartición del caudal de recirculación
• Medida de caudal del afluente a cada línea y en la recirculación
• La configuración hidráulica debe garantizar variaciones de
lámina de agua < 30 mm.
• Profundidad reactor: 4-9 m (aireación difusión) y 3-5 m
(aireación mecánica)
• Guarda hidráulica: a) aireadores difusión > 0,5 m; b)
aireadores mecánicos > 1,0 m
• En caso de vertedero de salida ¿se necesita un sistema
deflector?
CONDICIONES FUNCIONALES DEL
REACTOR BIOLÓGICO
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• Sistema de drenaje en cada cuba, cuidando la resistencia
de los tabiques intermedios
• Control de ruidos molestos
• Regulación automática del aire en función del oxígeno
disuelto
• Sistema de control de espumas
CONDICIONES FUNCIONALES DEL
REACTOR BIOLÓGICO
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CONDICIONES FUNCIONALES DEL
REACTOR BIOLÓGICO
Vertedero de salida de un reactor biológico
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Cabina de insonorización de las soplantes de aireación
CONDICIONES FUNCIONALES DEL REACTOR BIOLÓGICO
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DECANTACIÓN SECUNDARIA
TIPOS DE DECANTADORES
Decantadoresa circulares
Decantadores rectangulares
Decantadores lamelares
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V max. perimetral: < 120 m/h Pendiente de la solera: 4-10%
Rasquetas de fondo extraibles (L max: 2 m)
DECANTACIÓN SECUNDARIA
Decantador circular de rasquetas
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Decantador circular de rasquetas
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VERTEDERO DECANTADOR
DECANTADOR SECUNDARIO
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s
Pozo de recogida de sobrenadantes
DECANTACIÓN SECUNDARIAS
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Decantadores con D > 35 m: succión; Con D > 45 m succión diametral
DECANTADOR DE SUCCIÓN
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DECANTADOR DE SUCCIÓN
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Decantador circular de succión
Sifón, con sistema automático de cebado
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Factores que influyen en la sedimentabilidad: a) Puntas de caudal; b)
Temperatura; c) cambios en la concentración de los MLSS; d) nivel O2
disuelto; e) composición flóculos; f) vertidos industriales
INDICE VOLUMÉTRICO DE FANGOS: Volumen ocupado por un gramo
de MLSS tras sedimentar 30 min. en probeta de 1 litro
IVF = ml de sólidos sedimentados en licor mezcla x1000 mg/l de sólidos en suspensión en el licor mezcla
Tipo de tratamiento
SVI (l/kg)
Agua
fundamental-
mente urbana
Agua con alto
contenido de
vertidos industriales
Sin nitrificación 100 –150 120 – 180
Con nitrificación y
desnitrificación 100 – 150 120 – 180
Con estabilización de
fangos 75 - 120 100 – 150
VALORES ESTANDAR DE IVF (Norma ATV-A 131)
SEDIMENTABILIDAD DEL FANGO
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ASPECTOS A TENER EN CUENTA
EN EL DISEÑO
• Parámetros característicos: carga superficial y carga de sólidos
• Superficie y calado del decantador
• Aspectos constructivos: reparto del caudal, diseño de la entrada, ubicación y carga sobre los vertederos
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Carga superficial (m3/m2·h)
Carga de sólidos
(Kg. SS/m2·h)
Tipo de proceso Valor medio Valor
máximo
Valor
medio
Valor
máximo
Procesos de media carga ≤ 0,71 ≤ 1,4 ≤2,5 ≤4,5
Procesos de baja carga
(aireación prolongada)
≤0,5 ≤0,9 ≤1,8 ≤3,2
Cálculo de la superficie de decantación:
Mediante la Carga Superficial Mediante la carga de sólidos
Superficie (m2) = Caudal (m3/h) Superficie (m2) = Sólidos a la entrada (Kg. SS/h Carga superficial Carga de sólidos (m3/m2. h) (Kg. SS/m2. h)
PARÁMETROS DE DISEÑO
DECANTACIÓN SECUNDARIA
1. En procesos de nitrificación –desnitrificación < 0,6
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Diámetro Calado recomendado Calado mínimo
<12 m 3,30 m 3,00 m
12 a 21 m 3,60 m 3,30 m
21 a 30 m 3,90 m 3,60 m
30 a 42 m 4,20 m 3,90 m
> 42 m 4,50 m 4,20 m
Recomendaciones EPA sobre profundidad
decantadores
PROFUNDIDAD O CALADO
EN EL DECANTADOR
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DISEÑO DECANTADOR SEGÚN
NORMATIVA ATV-A-131
1 h 0.5 m
h = 2
3
4
h =
h =
0,5 x qA x (1+RV)
1 - CSV/1.000
0,45 x qSV x (1+RV)
500
M x qA x (1+RV) x tE
DSTF
Clarificación
Separación
Almacenamiento
Espesamiento
DECANTACIÓN SECUNDARIA
Debe cumplirse:
(1) Carga de sólidos: h Kg/m 2,5
S
M Q2medio
(2) Carga hidráulica: h /mm 0,8
S
Q23medio
Se distinguen 4 zonas funcionales, (ATV-131)
- De clarificación, h1
- De separación mezcla agua-fango, h2
- De almacenamiento, con objeto de
mantener el rendimiento del proceso
biológico, en caso de lluvia y
con la red unitaria, h3
- De espesamiento y barrido, h4
Estando todas las alturas referidas a
los 2/3 del radio (o longitud de flujo),
y siendo:
QSV: Carga volumétrica de fangos a no sobrepasar, siendo 450 l/m2
/h,
si se quiere tener un contenido de S.S. en el efluente 20 mg/l.
CSV = M x SVI (ml/l), el volumen comparativo de fangos.
qA = qSV CSV (m/h), la carga hidráulica superficial.
RV = Porcentaje de recirculación de licor mixto.
tE : Tiempo de espesamiento expresado en horas (h),para obtener
una concentración de sólidos DSTF en el fondo del decantador
que permita una concentración DSRS en el caudal de
recirculación.
3
1.000
SVI x DSTF
tE
Siendo: - qSV: Carga volumétrica de fangos (≤ 650 l/m2.h para efluente ≤20 mg/l y
- CSV: Volumen comparativo fango, cuando decanta 30 min: M x SVI (ml/l)
- qA: Carga hidráulica superficial qSV / C SV (m/h)
- RV: Porcentaje de recirculación de fangos
- M: Concentración MLSS (g/l)
- tE: Tiempo de espesamiento (h) para obtener conc. sólidos DSTF en el fondo del decantador
tE: ( DSTF . SVI / 1.000)3
S = Qmax / qA
qA = qSV / CSV
HTOTAL (>3 m) = h1 (>0,5 m) + h2 (0,5 h) + h3 (1,5 h) + h4 (0,5 h)
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CAMPANA DEFLECTORA
Dw: 0,20-0,30 D / H1: 1/3
del calado
CALADO DECANTADOR
CD: 3-4 metros
UBICACIÓN Y CARGA
EN VERTEDERO
UV: 25% – 30% del radio
Carga:
4-6 m3/m2.h (a Q medio)
8-12 m3/m2.h (a Q max.)
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DEL
DECANTADOR SECUNDARIO
Corrientes de densidad
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DECANTADOR SECUNDARIO
CON DOBLE VERTEDERO
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PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA
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EDAR DE MONTE ORGEGIA
(ALICANTE)
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EDAR DE LA ALMOZARA (ZARAGOZA)
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CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE
FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA
Obtiene altos rendimientos de elimin. de DBO5 y SS (≥90%)
Si queremos eliminar nutrientes, es necesario aumentar
considerablemente el volúmen del reactor
Generalmente se incluye una decantación primaria previa.
Los fangos en exceso no salen estabilizados. Estos fangos más
los primarios, después de un proceso de espesamiento, se
estabilizan usualmente mediante una digestión anaerobia.
El caudal punta a tratar no debe superar dos veces el cauda
medio
Intervalo de población:
> 30.000 h-e (con digestión aerobia)
> 50.000 h-e (con digestión anaerobia)
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CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE
FANGOS ACTIVOS DE MEDIA CARGA
Explotación compleja. Necesidad de personal
especializado
Proceso seguro, con flexibilidad limitada a las variaciones
de caudal y carga
Consumo energético: 1,0-1,2 kWh/DBO5 eliminada
Costes de inversión:100-180 €/h-e
Costes de explotación explotación: 5-15 €/h-e/año
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PROCESOS DE MEDIA CARGA:
PARAMETROS DE DIMENSIONAMIENTO
• Rendimientos DBO5 / SS 85-95%
REACTOR BIOLÓGICO
• Carga Másica
• Edad del fango
• Concentración MLSS
• Tiempo de retención
• Indice Volumétrico de Fangos
• Demanda teórica de O2.
• Recirculación de fangos
0,20–0,40
4–6 días
2.500–3.500 mg/l
4-6 horas
100-150
0,8-1,0 kg O2/kg DBO5 eliminada
75-100% Qr/Q
• Producción de fangos biológicos
-Con D1ª: 0,8-0,9 kg MS/kg DBO5
eliminada
-Sin D1ª: 1,0-1,2 kg MS/kg DBO5
eliminada
DECANTACIÓN SECUNDARIA
Carga superficial, a Q medio
Carga de sólidos, a Q medio
Calado en vertedero
Carga vertedero, a Q medio
< 0,7 m3/m2.h (tendencia; < 0,6)
< 2,4 kg MS/m2.h
> 3,0 m
< 6 m3/ml.h
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CONTROL DE UN PROCESO DE FANGOS ACTIVOS
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CONTROL DE UN PROCESO
DE FANGOS ACTIVOS
AGUA RESIDUAL A TRATAR
Caudal (m3/día)
Curva horaria de caudal
Caudal punta (m3/h)
Carga: DBO5, SS, DQO (mg/l y kg/día).
Nutrientes: NT y PT (mg/l y kg/día).
Temperatura (ºC)
Estudio de vertidos a colectores
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ESQUEMA CON LOS ELEMENTOS DE CONTROL
MAS IMPORTANTES DE FANGOS ACTIVOS
1) Características del agua bruta y del efluente; 2) Condiciones reactor
biológico; 3) Condiciones aireación: 4) Funcionamiento decantación
secundaria; 5) Recirculación de fangos; 6) Fangos en exceso
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