Utilización de Sistemas Informaticos Para El Diseno de Estaciones de Tratamientos d Aguas Residuales

Ingeniera del Agua. Vol. 1 Num. 4 (1994) p. 15

UTILIZACIN DE SISTEMAS INFORMTICOS PARA EL DISEO DE ESTACIONES DE TRATAMIENTO DE

AGUAS RESIDUALES

Jos Ferrer1, Carmen Gabaldn2, Aurora Seco2, Paula Marzal2

1 Dep. de Ingeniera Hidrulica y Medio Ambiente. Universidad Politcnica de Valencia 2 Dep. de Ingeniera Qumica. Universitat de Valncia

RESUMEN: Los sistemas informticos para el diseo de Estaciones de Tratamiento de Aguas Residuales (ETAR) resultan de gran utilidad para la toma de decisiones relacionadas con la gestin de la calidad del agua en el medio natural. En este artculo se presenta el sistema DATAR, desarrollado para el diseo completo y riguroso de una ETAR que cumpla las especificaciones impuestas al vertido. Para ello se han desarrollado modelos matemticos que describen los procesos que tienen lugar en los distintos elementos de tratamiento considerando los parmetros de calidad demanda biolgica de oxgeno a los 5 das (DBO5), demanda qumica de oxgeno (DQO), slidos suspendidos (SS), nitrgeno Kjeldhal (NKT) y fsforo total (PT). Se realiza un diseo simultneo del tratamiento de fangos, considerndose los parmetros slidos suspendidos voltiles (SSV) y su fraccin biodegradable (SSVB) para el diseo riguroso de los sistemas de digestin de fangos. En este artculo se incluye la formulacin de los modelos correspondientes a los procesos de tratamiento biolgico por fangos activados y digestin aerobia y anaerobia de fangos. El diseo generado por DATAR incluye los aspectos relacionados con las dimensiones y maquinaria de todos los elementos del tratamiento, su disposicin en planta y alzado as como las necesidades de potencia instalada y consumo de energa

INTRODUCCIN

Una Estacin de Tratamiento de Aguas Residuales (ETAR) es una instalacin industrial en la que a partir de una materia prima, el agua residual, se genera un producto, el agua tratada, y unos subproductos, los fangos. El funcionamiento correcto de una ETAR supone la obtencin de un agua tratada que cumpla las especificaciones de calidad que se le exigen. En el caso de la legislacin Espaola, las especificaciones de calidad estn contenidas en el Reglamento del Dominio Pblico Hidrulico.

Una ETAR convencional consta de los siguientes procesos: Pretratamiento. Tratamiento primario. Tratamiento secundario o biolgico. Tratamiento terciario. Tratamiento de fangos. Los cuatro primeros provocan sucesivas modificaciones de la calidad del agua. En el pretrata-miento se eliminan los slidos de mayor tamao que

pueden atascar o daar la instalacin posterior as como las gravas y arenas. En el primario se elimina parte de los slidos suspendidos y la materia orgnica asociada a ellos, normalmente mediante operaciones fsicas como la sedimentacin. El efluente del tratamiento primario contiene frecuentemente un conte-nido en materia orgnica relativamente elevado. El tratamiento de este efluente para eliminar la materia orgnica residual y la materia suspendida se conoce como tratamiento secundario. Este tratamiento se realiza normalmente mediante procesos biolgicos con utilizacin de microorganismos. El tratamiento terciario consiste, normalmente, en una desinfeccin, generalmente por cloracin, aunque la reutilizacin del agua o el control de la eutrofizacin de las aguas re-ceptoras puede hacer necesario algn otro tratamiento terciario, con el fin de eliminar la slidos suspendidos, materia orgnica y nutrientes que quedan tras del trata-miento secundario.

Los fangos generados en una ETAR convencional estn constituidos mayoritariamente por materia orgnica. Previamente a su vertido, los fangos deben quedar estabilizados para evitar que se produzcan pro-blemas asociados a la degradacin de dicha materia

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orgnica en el punto de vertido, y adems queden eli-minados los microorganismos patgenos. La esta-bilizacin puede ser biolgica, qumica o trmica. Antes de la eliminacin final de los fangos es necesario, as mismo, disminuir su contenido en agua. Una vez estabilizados, pueden ser evacuados de la instalacin para su aplicacin sobre el terreno o eliminacin en vertederos controlados.

En base a esta descripcin general de una ETAR, puede considerarse que en todo proceso de tratamiento intervienen tres corrientes de materiales: lnea de agua, lnea de fangos y lnea de sobrenadantes. Esta ltima est constituida por el agua resultante del proceso de concentracin de los fangos y se recircula a la lnea de agua para su tratamiento.

La explotacin satisfactoria de una ETAR pasa por el correcto diseo y operacin tanto de los elementos de tratamiento del agua como de los correspondientes al acondicionamiento de los fangos. En este sentido, el diseo riguroso de una ETAR deber contemplar simultneamente las tres lneas anteriormente descritas.

En los ltimos aos, se est llevando a cabo un importante esfuerzo para el desarrollo e implantacin de programas integrales de gestin de la calidad del agua en el medio natural. La experiencia adquirida en este campo ha mostrado que, en la mayor parte de los casos, las decisiones finalmente consideradas como ms adecuadas implican unas determinadas exigencias de calidad de los vertidos de aguas residuales. Estas exigencias han ido aumentando a lo largo de los aos debido tanto a la presin social como a la legislativa, y finalmente se plasman en la construccin, ampliacin o adecuacin de Estaciones de Tratamiento de Aguas Residuales (ETAR).

Por todo ello, disponer de una herramienta capaz de disear en un tiempo muy breve una ETAR, de forma que sea posible comparar distintas alternativas, resulta de gran utilidad para la toma de decisiones relacionadas con la gestin de la calidad del agua en el medio natural.

El uso de modelos matemticos, implementados en ordenador, para la simulacin de ETAR, est poco extendido comparado con la utilizacin de mtodos equivalentes en otras ramas de la ingeniera. Las razones para ello son fundamentalmente de dos tipos:

La complejidad de los procesos fsico-qumicos y biolgicos que se producen y, por tanto, la dificultad de representarlos mediante un modelo matemtico.

La escasa disponibilidad de valores o expresiones de los parmetros de los modelos utilizados.

Los primeros modelos de simulacin implementados en ordenador aparecen al final de los aos 60 (Smith y Eilers, 1968) y su evolucin ha sido continua hasta hoy (Environment Canada, 1974; Keinath y Wanielista, 1975; Tyteca y col., 1977; Morley, 1979; Ramalho, 1983; James, 1984; IAWPRC, 1986; Padukone y Andrews, 1989; Dupont y Henze,1992; Pons y col., 1993; Sheintuch, 1993; Stokes y col., 1993; Griffiths, 1994).

Paralelamente al desarrollo de los modelos de simula-cin han ido apareciendo programas de diseo de ETAR. Entre las aportaciones ms destacables en este campo se pueden citar a Smith y Eilers, 1968; Environment Canada, 1974; Chen y col., 1972; Shoemaker y Barkley, 1977; Eilers y col., 1978; Rossman, 1979,1980; Pineau y col., 1985; Liaw y Chang, 1986; Getty y col., 1987; Bidstrup y Grady, 1988; Gasso y col.,1988,1989; Oles y Wilderer, 1991; Spinos y Marinoskouris, 1992; Kao y col., 1993; Crabtree y Rowell, 1993. Sin embargo, a pesar de la extensa labor realizada, los programas anteriores presentan ciertas limitaciones, unas derivadas de su escasa flexibilidad en la comunicacin con el usuario y en la seleccin y ensamblaje de elementos de trata-miento, y otras, ms importantes, derivadas de simpli-ficaciones del proceso admitidas en el desarrollo del programa.

As, exceptuando algunos de los programas ms recientes (Gasso y col., 1988, 1989; Spinos y Marinoskouris, 1992 y Crabtree y Rowell, 1993), la entrada y salida de datos se realiza por medio de ar-chivos editados externamente al propio programa. Asimismo, la mayora de los programas han sido concebidos para disear ETAR con un determinado esquema de tratamiento prefijado. Unicamente Gasso y col., 1988, 1989 y Crabtree y Rowell, 1993; permiten seleccionar libremente el esquema de tratamiento.

Desde el punto de vista legislativo, la limitacin ms importante de los programas anteriores se encuentra en los parmetros de calidad considerados para representar los procesos de tratamiento. Estos programas nicamente tienen en cuenta los parmetros demanda biolgica de oxgeno a los 5 das (DBO5), slidos suspendidos (SS) y, en algunos casos, slidos suspen-didos voltiles (SSV), mientras que la actual legislacin impone adems otras restricciones a los vertidos en cuanto a demanda qumica de oxgeno (DQO), nitrgeno Kjeldhal total (NKT), nitrgeno total (NT), y fsforo total (PT). En particular, la eliminacin de nutrientes (nitrgeno y fsforo) en ETAR no ha recibido hasta el momento suficiente atencin y se hace cada da ms imprescindible para evitar problemas de eutrofizacin en los cauces receptores de los vertidos.



Otras limitaciones que presentan los programas anteriores son, por un lado, el no considerar en el diseo la maquinaria asociada a cada tratamiento y su influencia sobre el propio diseo, ni la hidrulica de la ETAR, y por otro, el no tener en cuenta la posibilidad de condiciones distintas de caudal, calidad o temperatura en distintas pocas del ao. Este ltimo aspecto es de gran importancia en el diseo de ETAR ubicadas en zonas tursticas, con grandes variaciones estacionales de poblacin, y en zonas con apreciables diferencias de tempe-ratura media en invierno y verano que afectan considerablemente a la eficacia de los procesos de tratamiento biolgico.

En este trabajo se presenta un sistema informtico para el Diseo Automatizado de Tratamientos de Aguas Residuales (DATAR), que pretende solucionar las limitaciones expuestas y obtener en tiempos muy breves el diseo completo de una ETAR, incluyendo todos aquellos aspectos relacionados con:

Elementos para el tratamiento de las aguas residuales y fangos producidos.

Canales, tuberas, bombas y dems elementos relacionados con la hidrulica de la instalacin.

Maquinaria asociada. Distribucin en planta y alzado de los distintos

elementos de la instalacin.

Todo ello considerando la variacin que cada elemento del tratamiento produce sobre los parmetros de calidad DBO5, DQO, SS, NKT, NT y PT. El diseo as obtenido constituye directamente un diseo completo de ETAR a falta de la obra civil.

PARMETROS DE DISEO DE ESTACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES La modelacin del tratamiento de aguas residuales constituye el ncleo fundamental de DATAR. Previa-mente al desarrollo del modelo es necesario fijar cuales sern los contaminantes a considerar. La legislacin Espaola y Comunitaria sobre el vertido de aguas residuales obliga a considerar, como mnimo, los siguientes parmetros: DBO5, DQO, SS, NKT, NT, y PT. Para poder efectuar el diseo completo y riguroso de los elementos del tratamiento debe distinguirse, en estos parmetros la fraccin asociada a la materia suspendida presente en el agua residual y la fraccin

disuelta, as como la fraccin voltil de los SS (SSV) y dentro de stos, la fraccin biodegradable (SSVB).

Adems del efluente vertido por la planta es necesario considerar las caractersticas de los fangos producidos. Si bien la legislacin en este momento no impone restricciones a las caractersticas de los fangos, stos deben cumplir una serie de condiciones para que sea posible su eliminacin o vertido exteriormente a la propia ETAR sin ocasionar problemas medioambienta-les. Para poder establecer las posibilidades de vertido del fango es necesario considerar en el modelo los parmetros SSV y SSVB.

El modelo desarrollado para su inclusin en DATAR considera los 8 parmetros citados. Esto permite repre-sentar con suficiente precisin las transformaciones que experimenta el agua residual y los fangos a medida que van sufriendo los distintos tipos de tratamiento. As mismo se considera la influencia que los sobrenadantes procedentes de la lnea de fangos tienen en el proceso de diseo de los elementos de la lnea de agua. A excepcin de los SSVB, el resto de los parmetros son habitualmente analizados en una ETAR en la que se realiza un adecuado control del proceso. El reducido nmero de parmetros necesarios, y la disponibilidad de valores de los mismos representa una gran ventaja frente a modelos ms complicados que incluyen un elevado nmero de parmetros, como el de la IAWPRC.

ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA DATAR

En la Figura 1 se muestra un esquema de la estructura de DATAR. Actualmente esta implementado en ordenadores tipo PC compatibles. La interaccin entre el usuario y DATAR se realiza dentro del entorno WINDOWS.

Figura 1. Estructura general de DATAR



Figura 3. Ejemplo de datos correspondientes al influente de la ETAR

almacenada toda la maquinaria necesaria para el diseo del tratamiento de agua y fangos as como los elementos relacionados con la hidrulica de la ETAR.

PLA NO, permite efectuar la distribucin en planta de los distintos elementos del tratamiento de aguas y fangos, y fijar las cotas de aquellos elementos de la lnea de agua o fangos que se requieran para la posterior distribucin vertical de todos los elementos de la ETAR.

DIHIDE, en el que se fijan todos los criterios de diseo de tipo hidrulico, se efectan los clculos de prdidas de carga, se seleccionan las bombas necesarias y se dise- an los canales, tuberas y pozos de bombeo de las lneas de agua y fangos.

A continuacin se descri-ben los distintos mdulos que componen DATAR, incluyendo los aspectos relativos al tratamiento de agua y fangos, de hidru-lica del proceso y los re-lacionados con las inter-faces de conexin entre DATAR y el usuario.

EL MDULO DATAR

El mdulo DATAR constituye el primer nivel en el que se encuentra el men y pantalla principales. Desde l se puede acceder a los siguientes mdulos:

DIETA R, en el que se efecta el diseo de los elementos de tratamiento de agua y fangos, seleccio- ndose la maquinaria que influye en este diseo.

BASMAQ, es un gestor de la base de datos demaquinaria. En dicha base de datos se encuentra

El mdulo DATAR gestiona la comunicacin con el usuario en todo lo referente a la definicin de datos de entrada y salida del tratamiento, generacin del diagrama de flujo del proceso definiendo las lneas de agua y fangos, salidas a travs de impresora, almacenamiento o recuperacin de la informacin, as como la transmisin de informacin entre los distintos mdulos.

Figura 2. Pantalla principal de la interfaz GENTAR



Figura 4. Ejemplo de datos correspondientes al efluente de la ETAR

Figura 5. Ejemplo de criterios de diseo de un proceso de fangos activados

Este mdulo DATAR acta como sistemaexperto para el diseo de tratamientos de aguas residuales en tres campos: Propone o desaconseja elementos de

tratamiento, en funcin de los previamente seleccionados por el usua rio.

Propone criterios de diseo decada elemento seleccionado por el usua rio, en

funcin del conjunto de ele mentos de tratamiento que constituye la ETAR.

Asigna, como ltima fase del proce so de diseo, la maquinaria auxiliar que, siendo necesaria, no influye en el diseo de loselementos de tratamiento de aguasresiduales.

La interfaz GENTAR

La transferencia de informacin con el usuario se realiza a travs de la interfaz GENTAR. Esta comunicacin se efecta de forma grfica e interactiva. La sencillez y comodidad de esta forma de operacin evita que el usuario dedique tiempo y esfuerzo a actividades que nada tienen que ver con el diseo de la ETAR.

En la Figura 2 puede verse una imagen de la pantalla principal. La zona central constituye el rea de trabajo. En la parte superior aparece la barra de mens, a travs de los cuales el usuario indica las acciones a efectuar por DATAR. En la parte izquierda se muestra la caja de herramientas en cuyo interior se encuentran ordenados un conjunto de iconos. Cada uno de estos iconos representa un elemento o grupo de elementos del tratamiento, o bien suministra la herramienta para efectuar uniones entre distintos elementos.

Para proceder al diseo de una ETAR el primer paso es establecer el diagrama de flujo del proceso, selec-cionando de la caja de herramientas los elementos de tratamiento deseados y colocndolos en el rea de trabajo. La unin entre los elementos se realiza automticamente, aunque existe la posibilidad de que el usuario modifique dichas uniones. Quedan as esta-blecidas las lneas de agua, fangos y sobrenadantes. Un ejemplo de esquema de tratamiento puede verse en el rea de trabajo de la Figura 2.

Los datos necesarios para proceder al diseo de la ETAR son:

Caractersticas del influente o influentes a la ETAR.

Calidad exigida al efluente o efluentes de la ETAR.

Criterios de diseo de los elementos de tratamiento del diagrama de flujo.

En lo que respecta a las caractersticas del influente de la ETAR, se precisan los siguientes datos: caudal medio, punta y de pluviales, temperatura, e informacin relativa a la calidad del agua residual (DBO5, DQO, NKT y PT con sus fracciones solubles, SS, SSV, SSVB, NO3 y alcalinidad). Estos datos se suministran para dos estaciones del ao, por medio de una pantalla como la mostrada en la Figura 3.

La pantalla de caractersticas exigidas al efluente de la ETAR se muestra en la Figura 4.

Cada elemento del diagrama de flujo del proceso lleva asociado una pantalla de criterios de diseo para su

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Figura 6. Ejemplo de resultados de fangos activados Tabla 1. Elementos de tratamiento incluidos actualmente en DATAR

Regulacin de caudal: Aliviadero Depsito de regulacin Canal Parshall

Operaciones de desbaste: Pozos de gruesos Reja de gruesos Reja de finos Tamices de limpieza mecnica Tamices autolimpiables

Operaciones de desarenado: Desarenador de flujo horizontal Desarenador aireado Desarenador-desengrasador

Tratamiento fsico-qumico: Sistemas de adicin de reactivos Tanque de mezcla rpida Tanque de floculacin

Decantacin: Decantacin primaria Decantacin secundaria Tanque Imhoff

Tratamiento biolgico por fangos activados con nitrificacin:

Oxidacin total Convencional Alta carga

Desinfeccin: Cloracin Tratamiento de fangos: Espesado por gravedad

Digestin aerobia Digestin anaerobia Filtros banda Eras de secado

d i m e n s i o n a m i e n t o . DATAR asigna criterios tpicos de diseo por defecto en funcin de las caractersticas del efluente y la/s lnea/s de trata-miento elegidas. Sin embargo estos criterios pueden ser modificados por el usuario para obtener un diseo ms ajustado. En la Figura 5 puede verse una pantalla de criterios de diseo, correspondiente, en este caso, a un tanque de fangos activados. En aquellos elementos en los que la maquinaria disponible afecta a su dimensionamiento (elemen-tos con aireacin, deshi-dratacin por filtros banda, sistemas de calefaccin de la digestin anaerobia...) la seleccin previa al diseo de dicha maquinaria se puede reali-zar directamente desde la pantalla de criterios de diseo.

Con los datos anteriores, DIETAR realiza el diseo completo de todos los elementos de la ETAR. Los resultados obtenidos en cada elemento van siendo mostrados en pantalla a medida que se efecta el clculo. En la Figura 6 puede verse un ejemplo de resultados, correspondiente a un tanque de fangos activados. Si los resultados no son sa-tisfactorios pueden cambiarse los criterios de diseo y/o las caractersticas de la maquinaria utilizada; DIETAR procede de nuevo al clculo del elemento y actualiza los resultados de elementos previamente diseados.

Terminado el diseo del tratamiento se puede acceder al mdulo



PLANO para fijar la situacin en planta de los distintos elementos y las cotas necesarias para el clculo hidrulico.

Posteriormente, el mdulo DIHIDE completar el diseo hidrulicopropor-cionando la distribucin en vertical de la ETAR.

Finalmente, DATAR asigna la maquinaria auxiliar (valvulera, compuertas, carros...). Previamente, el usuario debe seleccionar la marca de la maquinaria atravs de las correspondientespantallas.

La generacin de distintas alternativas de tratamiento es muy sencilla,pues basta cambiar en el diseo original aquellos elementos que seconsidere conveniente y actualizarel diseo. La actualizacinincluye el reclculo delas dimensiones de los equipos y su redistribucin en planta y vertical.

Los resultados obtenidos en cada alternativa pueden ser consultados por pantalla o impresos. En cualquiera de las fases expuestas es posible archivar toda la informacin introducida por el usuario o generada por DATAR. Al recuperar esta informacin el proceso de diseo podr reanudarse donde se detuvo.

Desde GENTAR es posible as mismo acceder a BASMAQ, para la introduccin y mantenimiento e la base de datos de maquinaria.

EL MDULO DIETAR

Este mdulo agrupa el diseo de los elementos de tratamiento de aguas residuales. Se accede a l selec-cionando, en la barra de mens de la interfaz GENTAR, Dimensionamiento.

Este mdulo contiene actualmente el diseo de los elementos recogidos en la Tabla 1. Para cada uno de ellos se ha desarrollado el modelo matemtico corres-pondiente. En el diseo de cada uno de estos elementos se tiene en cuenta que como dato de entrada pueden aparecer condiciones referentes a dos pocas distintas del ao. El dimensionamiento de cada elemento se realiza optimizando su volumen por modificacin de las condiciones de operacin en cada una de las dos pocas del ao.

A modo de ejemplo, se exponen posteriormente tres de los modelos matemticos desarrollados para su aplicacin en DATAR y que suponen una aportacin a la generalizacin del proceso de diseo de ETAR. Estos son los modelos correspondientes a:

Tratamiento Biolgico por Fangos Activados. Digestin Aerobia de Fangos. Digestin Anaerobia de Fangos.

EL MDULO PLANO

Al mdulo PLANO se accede desde la interfaz GENTAR a travs de la barra de mens.

En la primera ejecucin del plano, se especifica la escala del plano y el tamao y orientacin del papel donde se imprimir la distribucin en planta.

La pantalla principal del mdulo PLANO (Figura 7) presenta la misma estructura general que la interfaz GENTAR, con rea de trabajo, caja de herramientas y barra de mens.

Los elementos de la caja de herramientas permiten introducir el permetro exterior de cada una de las reas del terreno situadas a distinta cota, situar todos

Figura 7. Ejemplo de pantalla principal del mdulo PLANO



Figura 9. Ejemplo de primera pantalla de mantenimiento de bombas centrfugas

Figura 8. Ventana desplegable de entrada a DIHIDE

los elementos de tratamiento calculados en DIETAR y establecer los canales y tuberas de conexin. Estas disposiciones geomtricas pueden ser modificadas fcilmente por el usuario.

Definida la distribucin en planta, el mdulo PLANO calcula las longitudes de las tuberas y canales as como los accidentes que deban situarse (arquetas de reparto, codos, uniones en T...) y permite introducir las cotas de agua o fangos necesarias para la distribucin vertical de la ETAR.

EL MDULO DIHIDE

Al mdulo DIHIDE se accede desde la interfaz GEN-TAR como se observa en la Figura 8.

Este mdulo efecta la totalidad de los clculos hidrulicos, determinando los dimetros de las tube-ras, los sistemas de bombeo de agua y fangos, consi-derando las prdidas de carga en todos los puntos de la instalacin (incluyendo vlvulas, compuertas, cana-les...). La informacin necesaria para ello procede del mdulo PLANO (longitudes y cotas) y de las pantallas de criterios de diseo hidrulico, donde se seleccionan las velocidades mxima y mnima de paso por las tuberas de agua y fangos, y el material y rugosidad de cada tubera y/o canal.

En lo que respecta a los sistemas de bombeo de agua y fangos, el usuario debe seleccionar el fabricante de las bombas y el nmero mnimo de bombas a instalar. DIHIDE optimiza la seleccin de la bomba proporcio-nando el modelo ms adecuado y sus caractersticas de

funcionamiento.

El clculo de las perdidas de carga entre los elementos se realiza utilizando la frmula de Colebrook para las tuberas y las clsicas expresiones del tipo K v2/2g para los elementos singulares.

Una vez finalizados los clculos hidrulicos, la distribucin vertical de la ETAR queda perfectamente definida.

EL MDULO BASMAQ

Este mdulo gestiona el mantenimiento de la base de datos relacional en la que se encuentra almacenada toda la maquinaria necesaria para el

diseo de la ETAR. Se accede desde GENTAR seleccionando

Maquinaria.

BASMAQ permite introducir, borrar o modificar las caractersticas de cualquier elemento de maqui-naria. En las Figuras 9 y 10 se muestran las pantallas sucesivas correspondientes a las bombas centrfugas.

Figura 8. Ventana desplegable de entrada a DIHIDE

Figura 9 Ejemplo de primera pantalla de mantenimiento de bombas centrifugas

TR A T A M I E N T O D E A G U A S R E S I D U A L E S


T R A T A M I E N T O BIOLGICO POR FANGOS ACTIVADOS

El tratamiento biolgico constituye la parte funda-mental del tratamiento de aguas residuales cuando lo que se pretende es obtener una eliminacin im-portante de materia orgnica. De entre todos los posibles tratamientos biolgicos, el de fangos acti-vados es el ms habitual siendo el nico tratamiento biolgico implementado hasta el momento en DIETAR.

En el tratamiento biolgico por fangos activados el agua a tratar se pone en contacto con microorga-nismos que degradan la materia orgnica (hetertrofos), produciendo tejido celular. Para conseguir la degradacin de la ma-teria orgnica es necesario mantener una concentracin de O2 disuelto en el tanque del orden de 2 mg/L, lo que se consigue con una maquinaria de aireacin/agitacin adecuada.

Figura 10. Ejemplo de segunda pantalla de mantenimiento de bombas centrfugas

Tabla 2. Clasificacin de los procesos de fangos activados en funcin de la carga msica

Proceso CmT (Kg DBO5/Kg SST.da) XT (Kg SST/m3)

Alta carga 1.5 - 2.3 2.5 - 4.5

Convencional 0.2 - 0.6 4 - 10

Aireacin prolongada u Oxidacin total

0.12 3 - 6

El modelo utilizado para este elemento considera el efecto del tratamiento sobre todos los contaminantes anteriormente enunciados: DBO5, DQO, SS, NKT, NT, PT, SSV, y SSVB. Adems el modelo tiene en cuenta la recirculacin de nutrientes desde la digestin biolgica de fangos, considerando la cantidad y espe-ciacin qumica como una funcin de los parmetros de diseo de dicha digestin. Estas caractersticas le permiten disear con la seguridad de satisfacer la legislacin vigente.

El diseo de este elemento se realiza tomando como parmetros de diseo la carga msica y la concentra-cin de SS en el tanque (XT). La carga msica repre-senta la relacin existente entre la carga orgnica alimentada al reactor y los microorganismos presentes en l. Dada la dificultad de cuantificar los microorga-nismos, suele definirse como:

diaen el reactorSSVdeKgotratamientelenentrantesDBOdeKg

C sm = (1)

Generalmente, por razones de sencillez, la carga msica se refiere a los slidos suspendidos totales (SST) en el reactor (en vez de los SSV), ya que stos son ms fciles de determinar que los voltiles. En el diseo del proceso de fangos activados se utilizar este ltimo criterio, ms operativo, tomndose la notacin CmT.

Las condiciones de operacin de numerosas ETAR han mostrado que la sedimentacin adecuada de los fangos biolgicos en el decantador secundario slo se produce dentro de unos intervalos de carga msica, lo que ha conducido a clasificar el proceso de fangos activados en funcin de este parmetro. Dicha clasificacin se muestra en la Tabla 2 en la que se han incluido, asimismo, los valores medios de la concentracin de SST en el reactor (XT).

La oxidacin total se utiliza preferentemente en plantas pequeas (generalmente entre 1.000 y 15.000 habitantes) en las que el mayor consumo de energa asociado al equipo de aireacin que conlleva este proceso es compensado por la mayor simplicidad de



explotacin y gestin, puesto que se elimina la mayor parte de la lnea de tratamiento de fangos. El proceso convencional o media carga se utiliza preferentemente para poblaciones de tamao superior a los 15.000 habitantes, compensando la mayor complejidad de explotacin y gestin con el menor coste de energa. El proceso de alta carga slo se utiliza para tratar algunas aguas residuales industriales con muy elevada carga.

Diseo para eliminacin conjunta de materia orgnica y nitrificacin

La nitrificacin es el proceso de oxidacin del NKT presente en el agua residual a nitrato por unos micro-organismos denominados nitrificantes (auttrofos). Es importante resaltar que la nitrificacin puede producirse en cualquiera de los procesos de fangos activados citados, siempre y cuando se mantengan las condiciones de temperatura, oxgeno disuelto, etc. adecuadas para el crecimiento de los microorganismos nirificantes. De hecho la nitrificacin siempre tiene lugar en un proceso de fangos activados en mayor o menor medida.

En DIETAR se efecta el clculo simultneo de eliminacin de materia orgnica y nitrificacin, teniendo en cuenta todas las variables involucradas, lo que supone una ventaja importante respecto los mtodos habituales de clculo. En climatologas como la espaola, con elevadas temperaturas en verano, la nitrificacin completa es la norma, no la excepcin. No considerarlo lleva a infravalorar las necesidades de oxgeno de la instalacin lo cual puede provocar problemas en la explotacin de la ETAR.

En la Figura 11 se muestra un esquema de reactor de fangos activados, detallndose a continuacin la nota-cin utilizada en el modelo matemtico.

Q: Caudal influente, m3/da. Qr: Caudal recirculado, m3/da. Qw: Caudal de fangos purgados, m3/da.

V: Volumen del reactor, m3. So: DBO5 en el influente, g/m3. S: DBO5 en el reactor y efluente del mismo,

g/m3. NHo: NKT en el influente, incluyendo el aporte

de los sobrenadantes, g/m3. NH: NKT en el reactor y efluente del mismo,

g/m3. X: Microorganismos en el reactor y efluente del

mismo, g/m3. Xr: Microorganismos en la recirculacin, g/m3. Xo: Microorganismos en el influente, g/m3. fN: Fraccin de microorganismos auttrofos. Xv: SSV (microorganismos ms SSV no biode-

gradables) en el reactor y efluente del mismo, g/m3.

XT: SST en el reactor y efluente del mismo, g/m3. XTr: SST en la recirculacin, g/m3. Zi: slidos suspendidos no voltiles (SSNV) en el

influente, g/m3. Zn: SSV no biodegradables en el influente

(SSVNB), g/m3.

Se establecen las siguientes hiptesis de clculo:

1) No existen microorganismos en las aguas residuales sin tratar; Xo = 0.

2) No se produce actividad microbiana en el clari- ficador y conducciones.

3) Se consigue una mezcla completa en el tanque de aireacin.

4) Se consiguen unas condiciones estables en todo el sistema

El criterio utilizado para el clculo del proceso de fangos activados es el basado en el control de la carga msica..

Fijada la carga msica, es necesario establecer la concentracin de slidos (SST SSV) en el reactor, para que el diseo quede definido. En el proceso de clculo que se desarrolla a continuacin se ha fijado el valor de los SST.

Para proceder al diseo del proceso de fangos activados con nitrificacin DIETAR precisa de tres blo ques de informacin. El primero de ellos lo constituyen las caractersticas de caudal (Q) y concentraciones (DBO5 (So), NKT (NHo), SSNV (Zi), SSVNB (Zn)) del influente. Cabe

destacar que los valores de So y NHo considerados por DIETAR incluyen el aporte debido a los sobrenadantes de la digestin de fangos, lo que permite un diseo mucho ms ajustado del proceso.

Figura 11. Esquema de reactor de fangos activados con recirculacin



El segundo bloque de informacin lo constituyen los criterios de diseo: carga msica total (CmT) y concentracin de SST (XT). DIETAR selecciona estos valores por defecto en funcin del proceso elegido y los elementos presentes en la lnea de agua y fangos. El usuario puede, en cualquier caso, seleccionar valores distintos.

Por ltimo, DIETAR precisa de los valores de las constantes cinticas de degradacin biolgica de la materia orgnica y del NKT. Dichas constantes cinticas son:

m: tasa mxima de crecimiento especfico de los micro-organismos hetertrofos, d-1.

Y: masa de microorganismos hetertrofos for-mados por masa de DBO5 consumida.

Ks: constante de velocidad mitad de los micro-organismos hetertrofos, g DBO5/m3.

Kd: fraccin de microorganismos hetertrofos que por unidad de tiempo se consume en respiracin endgena y muerte, d-1.

mN: tasa mxima de crecimiento especfico de los microorganismos auttrofos, d-1.

YN: masa de microorganismos auttrofos forma-dos por masa de amonio consumido.

KNH: constante de velocidad mitad de los micro-organismos auttrofos, g NKT/m3.

KdN: fraccin de microorganismos auttrofos que por unidad de tiempo se consume en respi-racin endgena y muerte, d-1.

Para aguas residuales urbanas se ha efectuado una revisin bibliogrfica (IAWPRC, 1986; Ramalho, 1990), as como una recopilacin y anlisis de datos de ETAR en funcionamiento que han permitido establecer como expresiones de los parmetros cinticos anteriores las que aparecen recogidas en la Tabla 3.

Para aguas residuales distintas de las urbanas, los valores correspondientes a los parmetros cinticos deben introducirse en la fase de asignacin de criterios de diseo.

Con la informacin anterior, DIETAR determinan el volumen del reactor, la calidad del efluente y fangos producidos, y las condiciones de operacin.

A continuacin se describen las ecuaciones que definen el proceso cuando se fija la concentracin de SST (XT).

Volumen del reactor El volumen del reactor se obtiene de la propia definicin de CmT:

TmoXC

QSVr

= (2)

DBO5 soluble en el efluente Para representar la eliminacin de sustrato en tanques de mezcla completa se utiliza la expresin de Lawrence y Mc. Carty, quedando el balance de DBO5 como:

)SK(YSX)f(

V)SS(Q

sNmo+

= 1 (3)

NKT soluble en el efluente La ecuacin a plantear es formalmente idntica a la anterior, utilizando los parmetros cinticos correspon-dientes al crecimiento de los microorganismos nitrifi-cantes:

)NHK(YNHXf

V)NHNH(Q

NHNNmNo+=

(4)

Produccin de microorganismos El crecimiento neto de la biomasa hetertrofa (QXS) y auttrofa (QXn) viene dado por las siguientes expresiones:

Tabla 3. Expresiones de los parmetros cinticos del proceso de fangos activados para aguas residuales urbanas

Parmetro Expresin Unidades

m 4.0 1.02(T.20) d-1

Y 0.614 (c + 1) -0.012 0.99(T.20)

Kd 0.062 (c + 1) 0.15 1.04(T-20) d-1

Ks 60.0 0.98(T-20) g DBO5/m3

mN 0.5068 1.103(T-20) OD/(1.3+OD) d-1 YN 0.01 T KdN 0.05 d-1 KNH 10 (0.051 T- 1.158) g NKT/m3

T: temperatura en C c: tiempo de retencin celular en das OD : Oxgeno disuelto en g/m3



Hetertrofos : (5)

Q XS = Y Q (So - S) - Kd V X (1 -fN)

Auttrofos : (6)

Q XN = YN Q (NH0 - NH - KdN V X fN

donde el primer trmino del segundo miembro repre-senta la biomasa formada y el segundo trmino, la bio-masa consumida por respiracin endgena y muerte celular.

El balance total de microorganismos ser la suma de (5) y (6):

Total : Q X = Q XS + Q XN (7)

Fangos totales Los fangos totales a la salida del proceso biolgico vienen dados por la suma de los microorganismos auttrofos y hetertrofos producidos ms las fracciones no biodegradables de los SST que se introducen en el reactor, y que por su carcter no biodegradable pasan inalterados por el sistema. Estas son, los slidos suspendidos no voltiles y los voltiles no biodegrada-bles.

Q XT = Q X + Q Zi + Q Zn (8)

Tiempo de retencin celular Un parmetro asociado a la carga msica es el deno-minado tiempo de retencin celular c, definido como el tiempo medio que los microorganismos permanecen en el proceso. El tiempo de retencin celular se puede expresar en funcin de los SST, o de los microorganis-mos auttrofos, o de los hetertrofos o de los microor-ganismos totales:

NN

s

NT

Tc XQ

fXVXQ

)fX(1VXQXV

XQXV ==== (9)

De la ltima igualdad, teniendo en cuenta las ecuaciones que representan la produccin de microorganismos hetertrofos y auttrofos respectivamente (ecs. (5) y (6)), se obtiene:

dNN

oNd

No K

fXNH)(NHYK

)f(1XS)(SY =

(10)

Microorganismos en el reactor De la definicin del tiempo de retencin celular (ecuacin 9), la concentracin de microorganismos en el reactor (X) queda:

TT XQ

XQXX = (11)

habiendo sido XT asignada previamente como criterio de diseo.

Las ecuaciones (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) y (11), junto con las expresiones de los parmetros cinticos dependientes del tiempo de retencin celular (Y y Kd) constituyen un sistema no lineal de 11 ecuaciones y 11 incgnitas, que debe ser resuelto iterativamente. Tras su resolucin se conocen los valores de S, NH y los fangos producidos con sus caractersticas.

Una vez resuelto el sistema de ecuaciones anterior, se obtienen las concentraciones totales y las concentracio-nes disueltas de DQO, NT, PT, la relacin de recircu-lacin (r), las necesidades de oxgeno (MO2T) y los requisitos de nutrientes.

Concentraciones de salida de los distintos contami-nantes La comprobacin de la eficacia del tratamiento biolgico debe hacerse en base a las concentraciones totales de contaminantes en el efluente. Dichas concentraciones totales vendrn dadas por la suma de las concentraciones disueltas y las asociadas a la materia suspendida. La fraccin asociada a la materia suspendida es la presente en los SS no eliminados en el decantador secundario. Esta cantidad de SS (M) viene fijada por las condiciones de vertido, normalmente al valor establecido en la legislacin vigente. As se tiene:

Concentraciones disueltas:

DBO5s = S DQOs =DQOos - (Sos - S) fs siendo: DQOoS: DQO soluble que entra al tanque de

aireacin. Sos : DBO5 soluble que entra al tanque de

aireacin. fs: relacin DBOL/DBO5 (1.47 para aguas residuales urbanas)

DBOL: DBO para tiempo infinito DBO20 NKTS = NH

Las concentraciones disueltas de nutrientes (N y P) se estiman en funcin de las concentraciones totales introducidas en el reactor biolgico y de las cantidades asimiladas por los microorganismos para su crecimiento. Teniendo en cuenta que el fango activado contiene aproximadamente un 12% de su peso seco como N y un 2% como P, las cantidades eliminadas del agua residual debido al crecimiento de microorganismos sern, respectivamente 0.12 QX y 0.02 QX, quedando las concentraciones disueltas como:

NTS = NTo - 0.12 QX PTS = PTo - 0.02 QX

dnde: NTo y PTo representan, respectivamente, el nitrgeno y fsforo total que entra al tanque de aireacin, incluyendo el asociado a los sobrenadantes.



Concentraciones totales: sTST fXQXQ421MSDBO //. += donde 1.42 es la DBOL equivalente por unidad de

masa de microorganismos.

TST

TST

TT

TST

XQXQ020MPTPTXQXQ120MNTNT

XQXQ120MNHNKTXQXQ421MDQODQO

+=+=+=

+=

/./.

/./.

Como ya se ha indicado, estos ltimos valores son los que debern ser inferiores a los lmites de vertido establecidos para que el diseo sea correcto. DATAR a travs de GENTAR informa del cumplimiento o no de esta restricciones. Si las restricciones al vertido no se cumplen el usuario podr modificar los criterios de diseo hasta conseguir su cumplimiento.

Relacin de recirculacin La relacin de recirculacin entre el decantador secundario y el reactor de fangos activados se obtiene efectuando un balance de SST entre la entrada y la salida del reactor, obtenindose finalmente:

TrT

T

XXXr

c = )1( (12)

El valor de XrT que figura en la ec. (12) son los SST que se obtienen del decantador secundario. La concentracin de los mismos depende de la forma en que se lleve la explotacin de la planta (forma de extraccin peridica o continua, etc.) o bien de la sedimentabilidad de los mismos. DATAR suministra unos valores por defecto en funcin de las caractersticas de las lneas de agua y fangos; estos valores pueden ser modificados por el usuario.

Necesidades de oxgeno Las necesidades de oxgeno vienen dadas por la suma del O2 necesario para los procesos de eliminacin de materia orgnica y nitrificacin, siendo respectivamente:

)f1(XVba)SS(QMO N''

0S2 += (13) ]XQ12.010)NHNH(Q[57.4MO 30N2 = (14)

y las necesidades totales:

N2S2T2 MOMOMO += (15) donde:

a': fraccin de la materia orgnica bruta que se utiliza en la respiracin y por tanto proporciona energa para el resto de los procesos celulares. Se puede estimar como fs - Y -1.42

b': DBOL ejercida en la degradacin de la fraccin anterior. Su valor es 1.42 Kd.

Las necesidades de oxgeno se calculan para condiciones de operacin a caudal medio y a caudal punta. El equipo de aireacin deber disearse para suministrar el oxgeno requerido en las condiciones de caudal punta, si bien sus condiciones normales de operacin sern las correspondientes al caudal medio.

Requisitos de nutrientes Para el proceso biolgico de degradacin de residuos es necesaria la presencia de ciertos nutrientes (N, P, Ca, Mg, etc). La mayora de los nutrientes son necesarios en cantidades traza y suelen estar presentes en las aguas residuales. Sin embargo, muchas aguas residuales industriales son deficitarias en N y P, siendo necesaria la adicin de ambos componentes.

Una estimacin de las cantidades necesarias de estos nutrientes se puede realizar a partir del contenido en ambos componentes en el fango activado (2% de su peso seco como P y un 12% como N) y de las concentraciones mnimas de N y P a mantener en el agua, que se estiman normalmente como 1.0 y 0.5 mg/L respectivamente. Por lo tanto, las cantidades necesarias en Kg/da son:

310QXQ12.0:genoNitr + (16)

-310 0.5QXQ0.02:sforoF + (17)

Las cantidades de N y P disponibles pueden calcularse directamente a partir de los valores de NH0 y PT0.

Determinacin de las dimensiones del tanque y la maquinaria de aireacin Conocido el volumen necesario y fijado el tipo y marca de los sistemas de aireacin, DIETAR selecciona de la base de datos de maquinaria el sistema de aireacin capaz de suministrar el oxgeno necesario, con la menor potencia instalada. En base a las caractersticas de la maquinaria se reajustan las dimensiones del tanque de aireacin, siguindose un proceso iterativo hasta adecuar las dimensiones del tanque a las de la maquinaria utilizada.

DIGESTIN DE FANGOS

La digestin de los fangos biolgicos procedentes de la depuracin de las aguas residuales presenta dos objetivos bsicos:

Producir un producto estable que pueda ser llevado a vertedero controlado o bien ser vertido sobre el terreno.

Reducir la masa y el volumen que debe verterse. La digestin de los fangos biolgicos puede llevarse a cabo de forma aerobia o anaerobia. La digestin aerobia efecta las dos funciones indicadas mediante



microorganismos aerobios y facultativos, usando oxgeno y obteniendo energa de la materia orgnica biodegradable y de la degradacin del protoplasma celular. Los productos finales de esta digestin son dixido de carbono, agua y materias no degradables. En este proceso se produce tambin la oxidacin de parte del amonaco a nitratos. En la digestin anaerobia, la estabilizacin del fango tiene lugar mediante dos grupos de bacterias que actan secuencialmente. El primer grupo transforma las sustancias orgnicas en cidos y alcoholes, y el segundo convierte estos productos en metano y dixido de carbono.

La digestin aerobia suele ser la operacin seleccionada para ETAR de tamao medio o pequeo (hasta 35000 habitantes) por su menor complejidad tcnica y costo econmico, mientras que la digestin anaerobia resulta ms adecuada para plantas de mayor dotacin.

A continuacin se detalla el proceso de diseo de ambos tipos de digestin para el caso ms general de tratamiento conjunto de fangos primarios (procedentes del decantador primario) y secundarios procedentes de un tratamiento de fangos activados.

En ambos casos, la informacin necesaria para el diseo del digestor es: calidad del influente (caudal, DBO5, concentracin de microorganismos, fraccin de fangos primarios a tratar y porcentajes de SSV y SSVB en el fango primario y secundario), el criterio de diseo (% SSV a la salida) y las expresiones de las constantes cinticas de degradacin de la materia orgnica.

Hasta el momento actual, el diseo de la digestin se ha venido realizando tomando como criterio de diseo el tiempo de retencin hidrulico en el digestor, y presuponiendo un porcentaje de eliminacin de SSV independientemente de las condiciones de operacin y de la calidad del fango de entrada al proceso. Con el fin de garantizar la produccin de un fango estabilizado de caractersticas adecuadas, con un contenido en sustancias voltiles determinado, se ha desarrollado un modelo tomando como criterio de diseo el porcentaje de SSV en el fango estabilizado. Para fangos procedentes del tratamiento de aguas residuales urbanas, un

porcentaje de SSV del 45-60% proporciona un fango estabilizado de caractersticas adecuadas para su deshidrata-cin y disposicin final. DIE-TAR comprueba que se puede alcanzar la condicin prefijada en el criterio de diseo teniendo en cuenta

que nicamente ser digerida la fraccin biodegradable de los slidos suspendidos voltiles.

El diseo proporciona el volumen del digestor, la calidad del fango estabilizado y del sobrenadante, y las condiciones de operacin.

Diseo de la digestin aerobia de fangos

En la Figura 12 se muestra el esquema de un proceso de digestin aerobia continua de fangos.

Qi: caudal total de fangos que alcanza el tanque de digestin (m3/da).

Si: concentracin de DBO5 en los fangos de entrada, excluida la asociada a los microorganismos procedentes del tratamiento secundario (g/m3).

Xi: concentracin de microorganismos proce-dentes del tratamiento biolgico en los fangos de entrada (g/m3).

Se: concentracin de DBO5 en los fangos de salida (g/m3).

Xc: concentracin de microorganismos en los fangos de salida (g/m3).

La digestin aerobia de fangos es realmente un proceso de fangos activados en rgimen de oxidacin total, siendo vlidas las expresiones de variacin de los parmetros cinticos (m, Y, Kd, Ks) con la temperatura y el tiempo de retencin celular expuestas en la descripcin del tratamiento biolgico por fangos activados (Tabla 3). nicamente debe tenerse en cuenta que el tiempo de retencin celular para el clculo de los parmetros cinticos en el digestor ser la suma del correspondiente al tratamiento de fangos activado previo, si existe, y el de la propia digestin aerobia.

Los elevados tiempos de retencin necesarios para la digestin permiten asegurar una completa nitrificacin. En estas condiciones, se puede obviar el balance de microorganismos auttrofos, simplificndose el proceso de clculo.

El fango introducido en el digestor presentar un contenido en SSV (QXV) igual a la suma de los voltiles biodegradables y no biodegradables presentes en el fango primario y secundario, esto es:

Figura 12. Esquema de reactor de digestin aerobia de fangos



nnppV QZXQQZXQXQ +++= (18) donde el subndice p indica procedente del decantador primario, apareciendo los procedentes del tratamiento biolgico sin subndice. El porcentaje de SSV en el fango estabilizado viene dado por:

100ipQZQZXQQZQZ

XQQZQZSSV

ieinnp

einnpe ++++

++= (19)

donde QZi y QZip representan, respectivamente, los slidos suspendidos no voltiles (SSNV) procedentes del decantador primario y secundario respectivamente. Una vez fijado como criterio de diseo el porcentaje de SSV (SSVe), de la ecuacin (19) se obtiene directa-mente la concentracin de microorganismos en el fango estabilizado (Xc). El porcentaje de eliminacin de SSV (Essv) se puede expresar en funcin de los SSV a la entrada y a la salida del digestor, esto es:

=++++++++= 100

)()(nnpp

nnpeinnppssv QZXQQZXQ

QZQZXQQZXQQZXQE

(20)

100)(

V

nnpeiV

XQQZQZXQXQ ++=

Volumen del tanque de digestin y de la calidad del efluente Para determinar el volumen del tanque de digestin y la calidad del fango estabilizado se plantea un balance de microorganismos en el tanque:

VXK)SS(YQXQXQ edeiieiii = (21) y un balance de DBO5, segn la expresin de Lawren-ce y Mc. Carty:

)()(

es

eemei

SKYSX

VSSQ

+=

(22)

Resolviendo conjuntamente las ecuaciones (21) y (22) se obtiene V y Se. Tiempo de retencin celular El tiempo de retencin celular, que coincide con el de retencin hidrulica, viene dado por:

ic Q

V== (23)

Calidad del sobrenadante Tras la digestin aerobia, el nitrgeno y el fsforo presentes en los SSV eliminados quedan en el sobrena-dante en forma de nitratos y fosfatos respectivamente. Para determinar la concentracin de ambos nutrientes

en el sobrenadante, se puede admitir que primero sern eliminados los SSVB correspondientes a los fangos primarios, ya que la materia orgnica asociada a los fangos primarios es ms fcilmente biodegradable que la de los secundarios. El clculo de las con-centraciones de nitrgeno y fsforo en el sobrenadante se realiza, una vez conocida la cantidad de fango primario biodegradado y, en su caso, la de fango secundario, teniendo en cuenta que del fango primario biodegradado pasa al sobrenadante el NKT y PT asociado a ellos y del fango secundario biodegradado, un 12 % en forma de NKT y un 2 % en forma de PT. Necesidades de oxgeno Las necesidades de oxgeno para la digestin aerobia, admitiendo nitrificacin total, pueden aproximarse por la ecuacin siguiente:

))XX(Q.QNKT(.

X'bV'a)SS(QM

eiip

eeiiO

++++=

120574

2 (24)

siendo QNKTp la cantidad de NKT (g/da) presente en los fangos primarios que entran al tanque de digestin. Determinacin de las dimensiones del tanque y la maquinara de aireacin Al igual que para el tratamiento biolgico por fangos activados, conocido el volumen necesario y fijado el tipo y marca de los sistemas de aireacin, se seleccio-na de la base de datos de maquinaria el sistema de aireacin capaz de suministrar el oxgeno necesario, con la menor potencia instalada, adaptando las dimen-siones del tanque a dicho sistema de aireacin. Diseo de la digestin anaerobia de fangos El equipo para la digestin anaerobia de fangos consta de dos digestores. La digestin propiamente dicha se efecta en el denominado digestor primario. Para que este proceso se produzca en un tiempo razonable es necesario mantener los fangos a una temperatura del orden de 35C, para lo cual, el digestor primario se encuentra calefactado utilizndose parte del gas metano generado en el proceso como fuente de calor. En el segundo digestor, denominado secundario, se separan los fangos digeridos del sobrenadante. Las ecuaciones que se desarrollan a continuacin corresponden al caso ms habitual de que el tratamien-to biolgico previo sea aerobio. En la digestin de estos fangos hay que tener presente que por una parte se produce una eliminacin de SSV biodegradables, que incluyen los microorganismos aerobios proceden-tes del tratamiento biolgico previo, y simultneamen-te se generan microorganismos anaerobios. En la Figura 13 se muestra un esquema de una instala-cin de digestin anaerobia de fangos con gasmetro.



Figura 13. Esquema de un proceso de digestin anaerobia de fangos con gasmetro

El diseo de este tratamiento se realiza de forma muy similar a la digestin aerobia, estableciendo las condi-ciones necesarias para conseguir una concentracin dada de SSV en el fango estabilizado. Adems, la digestin anaerobia debe cumplir tres criterios de diseo adicionales: carga de SSV a la entrada, carga de SST a la entrada y un tiempo de retencin celular mnimo, s iendo los valores recomendados 2 Kg/m3.d, 6 Kg/m3.d y > 10 das, respectivamente.

En lo que respecta a las constantes cinticas de degradacin anaerobia de la materia orgnica, para fangos procedentes del tratamiento de un agua residual urbana, dentro del intervalo de temperaturas 10 - 35C, pueden utilizarse las siguientes expresiones en funcin del tiempo de retencin celular (das) y la temperatura (C) (IAWPRC, 1986; Ramalho, 1990):

)28()35T(01.0dan

)35T(012.0an

)26()35T(an

)35T(man

035.1)1(0327.0K

)27(99.0)1(06.0Y

K

)25(1.020.097

+=+=

==

c

c

0.8991513

Volumen del digestor primario y calidad del efluente

El porcentaje de SSV a la salida de la digestin anaerobia, incluyendo los microorganismos anaerobios formados viene dado por:

)29(100ipianieinnp

anieinnpe QZQZXQXQQZQZ

XQXQQZQZSSV +++++

+++=

donde Xan representa la concentracin de microorga-nismos anaerobios.

El porcentaje de SSV eliminados en el digestor (Essv)

vendr dado por:

=+++++++++= 100

QZXQQZXQ)QZQZXQX(Q)QZXQQZX(Q

Ennpp

nnpaneinnppSSV

i

l00XQ

)QZQZXQX(QXQ

V

nnpanieiV

+++=

Por motivos de clculo, es conveniente definir la fraccin eliminada de los SSV que entran al digestor (), es decir, sin considerar los microorganismos anaerobios formados:

V

aniVSSVXQ

XQXQ/E += 100 (31)

La concentracin de microorganismos anaerobios, Xan, puede obtenerse del balance de sustrato (DBO5), quedando tras despejar Xan:

]S

)S(KK[1)S(SYX

emaneandan

eianan+= (32)

El balance de microorganismos anaerobios se expresa como:

VXK)S(SYQXQ andaneianiani = (33)

El valor de la DBO5 del efluente del digestor primario (Se) se puede calcular a partir de la materia biodegradable no eliminada en la digestin, es decir, de los SSVB que quedan tras el proceso de digestin. Dado que la materia orgnica asociada a los fangos primarios es ms fcilmente biodegradable que la de los secundarios, se puede admitir que se eliminar totalmente la correspondiente a los fangos primarios, y parcialmente la asociada a los fangos secundarios. Por lo tanto, la DBO5 del efluente ser la correspondiente a la fraccin no biodegradada del fango secundario:



XQXQ)XQXQ(

DBOS Vpsece += 5 (34)

La resolucin del sistema formado por las ecuaciones (29), (30), (31), (32), (33) y (34) junto con las expresiones que relacionan los parmetros cinticos con el tiempo de retencin celular permite obtener los valores del volumen, y calidad del efluente necesarios para conseguir la calidad del fango estabilizado fijada.

Como ya se ha indicado, en el diseo del digestor anaerobio se consideran adems otros tres criterios de diseo (carga orgnica, carga de slidos y tiempo de retencin celular). Para cada uno de estos criterios, el clculo del volumen del tanque es inmediato. De los cuatro volmenes calculados se escoge el mayor y, si es necesario, se recalculan los valores de Xan' Se y el % de SSV eliminado con las ecuaciones anteriores.

Calidad del sobrenadante Teniendo en cuenta que en la digestin anaerobia no se produce nitrificacin, el contenido en nitrgeno y fsforo del sobrenadante corresponde, directamente, al nitrgeno, en forma de NKT, y al fsforo presente en los SSV eliminados.

Volumen del digestor secundario El digestor secundario se disea fijando el tiempo de retencin, normalmente en 6 das.

Produccin de gas El gas producido en la digestin anaerobia es una mezcla de metano, dixido de carbono y pequeas cantidades de nitrgeno, hidrgeno, cido sulfhdrico y oxgeno. Su densidad relativa respecto del aire es de 0.86.

El gas con inters energtico es el metano. El caudal de metano generado durante la digestin anaerobia de los fangos viene dado por la expresin siguiente:

310421650

350 = )X..

SS(Q.Q aneiiCH4 (35)

donde: QCH4: metano producido en condiciones standard

(m3/d). 0.35: m3/d de CH4 producido por Kg de DBOL

eliminada. 0.68: factor DBO5/DBOL

La proporcin de metano en el gas oscila entre el 60 - 72 % en volumen. Conocido el caudal total de gas producido, se disea el tanque de almacenamiento (gasmetro).

Seleccin de la maquinaria necesaria La maquinaria asociada a un digestor anaerobio es bastante compleja ya que incluye numerosos elementos como son: Sistema de agitacin de los digestores primarios. Caldera para produccin de agua caliente. Intercambiador de calor agua-fangos.

Campana gasomtrica. Antorcha de quemado del metano excedentario. Trampas apagallamas en las tuberas de gas.

Una vez conocidas las condiciones de operacin del sistema y elegidos los tipos y fabricantes de maquinaria, la seleccin de los equipos se realiza de manera automtica para cumplir las especificaciones del proceso.

CONCLUSIONES

En este trabajo se ha presentado un sistema informtico para el diseo automatizado de tratamientos de aguas residuales. El sistema permite disear en un tiempo muy breve una Estacin de Tratamiento de Aguas Residuales (ETAR) con distintas configuraciones en cuanto al esquema de tratamiento, siendo posible as comparar fcilmente diferentes alternativas para el tratamiento de un agua residual. Esta versatilidad y flexibilidad se debe en gran medida a la implementacin en el sistema de un mdulo interactivo-grfico para la comunicacin con el usuario, y hace que el sistema DATAR sea una herra-mienta muy til para establecer el esquema de tratamiento ms adecuado, que garantice la adecuacin de la calidad del vertido generado en la ETAR a las restricciones marcadas por la legislacin o por otros condicionantes medioambientales especficos de los cauces receptores.

Durante la fase de seleccin de los sistemas de trata-miento, DATAR se comporta como un sistema experto proponiendo nuevos elementos de tratamiento en funcin de los previamente seleccionados. As mismo recomienda criterios de diseo para cada uno de los elementos facilitando la labor del ingeniero.

El sistema permite un diseo completo y riguroso inclu-yendo todos los aspectos relacionados con:

Dimensiones y maquinaria necesaria de todos los elementos de tratamiento de aguas residuales y fangos producidos y de conduccin o impulsin de ambos.

Disposicin en planta y alzado de todos los elementos de tratamiento de aguas residuales y de conduccin o impulsin de agua y fangos.

Necesidades de potencia instalada y consumo de energa por unidad de maquinaria y total.

Para poder efectuar dicho diseo de forma rigurosa, los modelos matemticos implementados en el sistema para describir los distintos procesos de tratamiento han sido desarrollados teniendo en cuenta como parmetros de calidad para los vertidos la DBO5, DQO, SS, NKT, NT y PT, e incluyendo el efecto de la recirculacin de los sobrenadantes del tratamiento de fangos a la lnea de tratamiento de agua. De este modo, se puede disear la ETAR asegurando que el contenido en nutrientes (nitrgeno y fsforo) en el vertido de la ETAR cumplir las limitaciones impuestas, minimizando el riesgo de eutrofi-zacin en los cauces receptores.



Los modelos implementados para la descripcin de los elementos de digestin de fangos representan una nove-dad destacable. En estos modelos se han introducido los parmetros SSV y SSVB, permitiendo el diseo riguroso de los digestores a partir de la expresin de los balances de materia considerando la fraccin que ser realmente biodegradada. El diseo se realiza fijando como criterio la calidad del fango estabilizado, esto es, su contenido mximo final en materia voltil susceptible de ocasionar problemas de malos olores en los puntos de disposicin final del fango, garantizndose as la produccin de un producto estabilizado adecuado para su evacuacin de la ETAR.

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Utilización de Sistemas Informaticos Para El Diseno de Estaciones de Tratamientos d Aguas Residuales