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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FINAL DE CARRERA Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos AUTOR: Amaya Castellano Martínez DIRECTOR: Eva Francés Pérez ESPECIALIDAD: Química Industrial CONVOCATORIA: Septiembre 2011 2 RESUMEN Las aguas residuales generadas por la industria bodeguera y de zumos, situada en la provincia de Ciudad Real, contienen altas cargas orgánicas, por tanto tienen elevados niveles de Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) y de Demanda Química de Oxígeno (DQO), que superan los parámetros establecidos por la legislación para verter a cauce público. El objetivo principal de este proyecto es cuantificar y definir las características del vertido final y una vez que se hayan comparado los valores obtenidos con los correspondientes a los marcados por la legislación vigente para su vertido a cauce público, se realizará la elección y el dimensionamiento de la Estación Depuradora necesaria para adecuar los parámetros del vertido de la empresa a los exigidos por la normativa vigente. Se diseña una estación depuradora de aguas residuales con un pretratamiento y tratamiento biológico anaerobio y aerobio mediante sistema UASB y MBR respectivamente. En el proyecto se describe la industria a estudiar que vierten a cauce público, el proceso de producción del vino y del zumo, los vertidos producidos en la empresa, el tratamiento de depuración propuesto así como los diferentes tipos de tratamientos, y además, se explican los cálculos realizados para el dimensionamiento de la E.D.A.R. 3 ÍNDICE CAPÍTULO 1. OBJETO ......................................................................................... 5 CAPÍTULO 2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ......................................... 6 CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE LA INDUSTRIA ..................................... 7 CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN ............ 8 4. 1. Proceso industrial de producción del vino ..................................................... 8 4. 2. Proceso industrial de producción del zumo ................................................. 16 CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA ..................... 21 5.1. Origen de los vertidos .................................................................................. 21 5.2. Características de los vertidos ..................................................................... 21 5.3. Legislación ................................................................................................... 26 CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO ......... 29 6.1. Pretratamiento .............................................................................................. 30 6.2. Tratamiento biológico .................................................................................. 37 6.2.1. Tratamiento anaerobio ..................................................................... 37 6.2.2. Tratamiento aerobio ......................................................................... 41 6.3. Línea de fangos ............................................................................................ 44 6.3.1. Purga de fangos ................................................................................ 44 6.3.2. Espesado de fangos .......................................................................... 44 6.3.3. Deshidratación de fangos ................................................................. 45 6.3.4. Almacenamiento de fango deshidratado .......................................... 46 CAPÍTULO 7. CÁLCULOS ................................................................................. 47 7.1. Tamiz rotativo .............................................................................................. 47 7.2. Tornillo sinfín compactador ........................................................................ 48 7.3. Homogeneizador .......................................................................................... 50 4 7.4. Agitadores sumergidos en homogeneizador ................................................ 53 7.5. Intercambiador de calor ............................................................................... 53 7.6. Reactor anaerobio ........................................................................................ 67 7.7. Reactor aerobio ............................................................................................ 74 7.8. Purga de fangos ........................................................................................... 89 7.9. Espesador fangos ......................................................................................... 90 7.10. Centrífuga .................................................................................................... 92 7.11. Almacenamiento de fango deshidratado ...................................................... 95 CAPÍTULO 8. FUENTES DE INFORMACIÓN ............................................... 96 8. 1. Libros ........................................................................................................... 96 8. 2. Páginas web ................................................................................................. 96 ANEXO 1. DEFINICIONES .......................................................................... 99 ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN .................. 102 “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 1. OBJETO 5 CAPÍTULO 1. OBJETO Este proyecto surge como respuesta a la necesidad de una industria bodeguera y de zumos, situada en a la provincia de Ciudad Real, de adecuar sus efluentes líquidos a las limitaciones especificadas para su vertido a cauce público. El objeto del siguiente proyecto consiste en cuantificar y definir las características del vertido final y una vez que se hayan comparado los valores obtenidos con los correspondientes a los marcados por la legislación vigente para su vertido a cauce público, se realizará la elección y el dimensionamiento de la Estación Depuradora necesaria para adecuar los parámetros del vertido de la empresa a los exigidos por la normativa vigente. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO 6 CAPÍTULO 2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO Uno de los impactos más significativos es el gran volumen de agua que consume durante el proceso productivo, siendo las principales operaciones que generan aguas residuales: 1. Con respecto a la producción de vino: − Zona de Botas: derrames de vino, limpieza de suelos, limpieza de pozos. − Planta de tratamiento: limpieza de depósitos, de centrífugas y filtros, derrames de vino, aguas de refrigeración. − Planta de embotellado: enjuague y limpieza del tren de embotellado. − Todas las instalaciones: limpieza en general y consumo de agua. Toda esta agua va destinada a procesos de limpieza, aproximadamente un 90 % de toda la consumida se convertirá en agua de vertido, el 10 % restante son pérdidas por fugas en la red de suministro, evaporación, filtraciones, etc. 2. En la planta de zumos: − Derrames de zumos, limpieza de suelos. − Reboses de las máquinas de llenado. − Limpieza de fruta como de la maquinaria utilizada. Toda esta agua consumida genera un vertido. Estas aguas se asemejan a las aguas residuales urbanas y se vierten directamente al alcantarillado, sin tratamiento previo o sin depurar. Esto genera problemas por lo que se hace necesario una planta depuradora para tratar dichos vertidos. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE LA INDUSTRIA 7 CAPÍTULO 3. PRESENTACIÓN DE LA INDUSTRIA Este proyecto ha sido realizado para una empresa bodeguera y de zumos, situada a 30,9 Km de Ciudad Real. Esta empresa consta de dos zonas de producción: una dedicada a la fabricación de zumos y otra dedicada a la fabricación de vinos, en unas instalaciones de más de 120.000 m 2 . Dicha empresa es líder en los mercados de Vinos y Zumos en España y su actividad comercial se extiende a más de 130 países de los 5 continentes. Los productos elaborados en la planta son: 1. Mostos: blanco, tinto y gasificados. 2. Zumos: de distintas variedades: exprimidos y enriquecidos con vitamina C. 3. Bebidas de zumo de frutas sin gas 4. Bebidas funcionales: mezclas de zumos con y sin leche, horchatas. 5. Té frío 6. Platos preparados: gazpachos, caldos y cremas. 7. Tinto de verano: con y sin alcohol. 8. Vinos de calidad con 10 Denominaciones de Origen. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 8 CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 4. 1. Proceso industrial de producción del vino El proceso productivo a desarrollar es el de elaboración de vinos tintos crianzas y se resume en el diagrama de la Figura 1: Figura 1. Diagrama del proceso de producción del vino tinto Una descripción de los distintos pasos se desarrolla a continuación: Control de maduración Vendimia Recepción de la uva Recepción en tolva Despalillado y trituración de uvas Encubado Fermentación alcohólica Descube y prensado Embotellado Transporte a la barrica Extracción del orujo Fermentación maloláctica Adición de taninos “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 9 4.1.1. Control de maduración Las uvas a utilizar serán las propias de la explotación y de proveedores de la zona. Se realizarán controles de maduración de cada viña, para fijar la fecha oportuna del comienzo de vendimia en cada una de ellas, dependiendo de la evolución de los controles realizados. 4.1.2. Vendimia Según la evolución de los controles anteriores en las diferentes viñas, se establece un programa de vendimia, con fecha, orden de viñas, número de personas y kilogramos recolectados por día según bodega. La vendimia se realiza a mano y sin dañar el racimo. La uva será transportada a la bodega en remolque sin pisarla. En el transporte de la uva se añade a esta aproximadamente unos 20 mg/l de SO 2 ya que se puede producir oxidación o puede iniciarse la fermentación alcohólica. 4.1.3. Recepción de la uva Toda la uva que entra en bodega, deberá cumplir todos los requisitos que las normas de campaña dictadas por el Consejo Regulador exijan, entre ellas la pesada obligatoria y el ticket correspondiente; además en bodega se le hará un control analítico a cada partida antes de la recepción en tolva. 4.1.4. Recepción en tolva Cuando la uva llega a la bodega se recibe en la tolva (Figura 2), que es un transportador de la uva hasta el despalillador. Allí se separa la uva del raspón. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 16 4. 2. Proceso industrial de producción del zumo El proceso productivo a desarrollar es el de elaboración de zumos y se resume en el diagrama mostrado en la Figura 6: Figura 6. Diagrama del proceso de producción del zumo La descripción de los distintos apartados se desarrolla a continuación: Recepción de fruta y descarga Lavado Selección Extracción y tamizado Anillo de secado Pasteurización y enfriamiento Almacenamiento Expedición a granel Empaquetado y paletizado Envasado Almacenamiento “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 17 4.2.1. Recepción de fruta y descarga La fruta se recibe diariamente en las instalaciones y, durante la descarga, se somete a un muestreo para comprobar que cumple los parámetros de calidad y las condiciones requeridas. La descarga se hace cuidadosamente para evitar golpes que puedan dañar las piezas. También se separan los restos de ramas, hojas y otros elementos que pueden venir mezclados con la fruta. 4.2.2. Lavado Eliminación de la suciedad de la superficie de la fruta por difusión de agua y cepillado (Figura 7). Figura 7. Máquina de cepillos 4.2.3. Selección Los operarios se colocan a ambos lados de la mesa de selección (Figura 8) y examinan las unidades de fruta para eliminar manualmente cualquier pieza deteriorada que pueda afectar a la calidad final del producto. Figura 8. Mesa de selección “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 18 4.2.4. Extracción y tamizado La extracción del zumo se realiza mediante un sistema de presión que filtra cada fruta individualmente y separa el zumo de la piel, evitando la incorporación de los aceites esenciales que son los que más sabor amargo tienen. Posteriormente, a través de un tamiz, se separa la pulpa e inmediatamente, se enfría. En todo momento se evita la incorporación de aire para evitar la pérdida de vitaminas. 4.2.5. Anillo de secado Las pieles procedentes del proceso de extracción y las frutas defectuosas constituyen residuos perjudiciales para el medio ambiente. Con el fin de evitar estos vertidos, ambos desechos son almacenados e introducidos en un anillo de secado. Se trata de un sistema en continuo donde con aire caliente se retira la humedad hasta alcanzar un valor determinado, a partir del cual es posible la granulación o agrupación en pellets con destino a la alimentación animal. 4.2.6. Pasteurización y enfriamiento El zumo y la pulpa se someten a un único proceso de pasteurización y enfriamiento inmediato, que asegura la eliminación de microorganismos e inactiva las enzimas presentes en la fruta, facilitando la conservación del zumo. 4.2.7. Almacenamiento El zumo enfriado se almacena en silos asépticos, como los mostrados en la Figura 9, para asegurar su perfecta conservación y homogeneización. Figura 9. Silos asépticos “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 19 4.2.8. Envasado Los diferentes zumos se envasan en aséptico, bien utilizando un sistema de Tetra Pak o PET. En el caso de Tetra Pak (Figura 10), se parte de una bobina de papel complejo que, tras ser desinfectado, forma un tubo continuo mediante soldadura longitudinal, llenándose de producto y sellándose posteriormente con una soldadura transversal. Los envases sellados se conforman en la plegadora de la máquina formando el brik. Figura 10. Envases en Tetra Pak En el caso de envases PET (Figura 11), el envasado también se realiza en aséptico, con la esterilización de las botellas, en continuo y justo antes del llenado. Figura 11. Envases en PET La pulpa se envasa en condiciones asépticas, permaneciendo almacenada hasta su utilización. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN 20 4.2.9. Empaquetado y paletizado Los envases son transportados por cintas hasta las máquinas empaquetadoras, que realizan la agrupación correspondiente según el diseño de la caja. Una vez formadas las cajas, son marcadas en el exterior para poder reconocer el lote y fecha de consumo preferente. Las cajas ya completas, son colocadas sobre pallets. 4.2.10. Almacenamiento Los pallets fabricados son transportados a un almacén, en el que permanecen retenidos hasta que el departamento de Control de Calidad determine la conformidad del producto. 4.2.11. Expedición a granel Proceso de carga, precintado y expedición del zumo a granel en cisternas isotérmicas. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 21 CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 5.1. Origen de los vertidos Con respecto a la elaboración del vino se produce una importante cantidad de sustancias de desecho y de residuos, alguno de los cuales como lías, orujos, turbios de vinificación o cristales de bitartrato potásico. Durante la época de vendimia se procede a la limpieza de los equipos y depósitos utilizados antes y después en la obtención del mosto de la uva. Corresponde al momento en que se produce el mayor volumen de efluentes y también cuando se genera la mayor carga contaminante. Este agua, contiene sólidos solubles (azúcares, alcoholes, tartratos, etc.) y en mucha menor proporción una parte insoluble constituida esencialmente por materiales celulósicos. La vendimia supone el 60% de la producción de las aguas residuales. La mayor carga contaminante tiene lugar durante la época de la fermentación y primeros trasiegos, es decir, en los primeros tres o cuatro meses después de la vendimia. En el proceso de elaboración de zumos se generan gran cantidad de sustancias de desecho y de residuos, algunos son pieles de la fruta, pulpa. Se realizan operaciones de lavado tanto de la fruta como de la maquinaria utilizada, entonces se produce el mayor volumen de efluentes y la mayor carga contaminante. Estos efluentes y contaminantes también provienen de los reboses de las máquinas de llenado. Esta agua contiene altas concentraciones de materia orgánica (DBO), altos niveles de sólidos disueltos y suspendidos (lípidos, aceites y grasas), nutrientes como amoníaco y minerales. 5.2. Características de los vertidos Para la correcta ejecución del proyecto es necesaria la caracterización del vertido mediante la determinación de los parámetros de diseño. Se realizan análisis en los siguientes periodos: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 22 − En la producción de vinos: o Época de vendimia donde se produce el mayor volumen de efluentes como consecuencia de limpieza de equipos y contaminación de la fuga de mostos de la propia descarga. o Época del descubado donde se produce el trasiego de la uva para la obtención del mosto, produciendo vertidos de lavado de máquinas y limpieza de depósito fundamentalmente, produciendo una elevada contaminación por arrastre de mostos, vinazas, etc., correspondiente a la primera fermentación de la uva. − En la producción de zumos: o En la limpieza de fruta y maquinaria ya que se producen sólidos. o En el tamizado ya que se producen pieles y pulpa. o En los reboses de las máquinas de llenado, donde se produce el mayor volumen de efluentes y la mayor carga contaminante. La caracterización de ambos vertidos se realiza mediante: − Medidas de caudal − Toma de muestras − Análisis químico de los vertidos: se tiene en consideración la carga contaminante en los periodos de máxima contaminación como son los de vendimia. Las características de los vertidos en la empresa objeto de estudio se muestran en la Tabla 1. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 23 Tabla 1. Datos de partida de los vertidos que van a ir a la E.D.A.R. Vendimia Fuera de vendimia Parámetros Bodega Zumos Final Bodega Zumos Final Caudal medio (m 3 /d) 115,2 230,4 345,6 93,6 189,6 283,2 Caudal medio (m 3 /h) 4,8 9,6 14,4 3,9 7,9 11,8 Caudal punta (m 3 /h) 9,5 19 28,5 7,9 15,8 23,7 D.Q.O. (mg/l) 6.000 12.000 10.000 - - 6.000 D.B.O. (mg/l) 4.200 8.400 7.000 - - 4.500 SST (mg/l) 1.200 2.400 2.000 - - 2.000 pH - - 3-4 - - 3-4 NTK (mg/l) - - 70 - - 70 La generación de aguas residuales por unidad de producción es relativamente pequeña comparada con la de otros sectores agroalimentarios. Estas aguas residuales de carácter estacional originan una contaminación del medio que puede calificarse como no tóxica, posee un alto contenido en materia orgánica disuelta y de sólidos suspendidos, así como un pH ácido, en la mayoría de los casos. Una descripción más detallada de las características de los vertidos es la siguiente: • Elevada carga orgánica y materias sólidas suspendidas Se trata de aguas con elevada carga orgánica y materias sólidas suspendidas. Su gestión requiere de un tratamiento previo al vertido. Este tratamiento debe incluir un desbaste primario para eliminar los sólidos gruesos y un tratamiento biológico. En los contaminantes se encuentran dos categorías principales: − Las materias primas y los productos acabados, del tipo mostos, fangos, vinos, zumos, heces, etc., producidos en los diversos lavados o por pérdidas accidentales. − Los productos utilizados para el aclarado, el filtrado o en la limpieza y la eliminación de tartratos de los recipientes. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 24 Las aguas utilizadas contienen los mismos componentes que los mostos y los vinos: azúcar, alcohol, glicerol, ácidos orgánicos (tartárico, málico, láctico, acético) y sustancias fenólicas (materias colorantes y taninos), y en los zumos además: pulpa, pieles. Los productos contaminantes indicados son fácilmente biodegradables, excepto los polifenoles, tienen una fuerte DQO, como se indica en la Tabla 2. Tabla 2. Biodegradabilidad de distintos contaminantes Naturaleza del cuerpo DQO DBO DBO/DQO Glucosa 1090 750 0,688 Etanol 2120 1367 0,645 Glicerol 1202 635 0,528 Ácido tartárico 508 270 0,531 Ácido málico 715 500 0,699 Ácido láctico 971 571 0,588 Ácido acético 1033 558 0,540 Polifenoles 1830 275 0,150 La degradación de estos compuestos fenólicos no puede efectuarse sin la ayuda de una flora adaptada; estos compuestos, así como sus productos de degradación, persisten largo tiempo en los medios receptores. Colorean efluentes y los lodos en los estanques de decantación de las aguas utilizadas, además, pueden ser tóxicos para la fauna acuática. La carga contaminante de los mostos y de los vinos es función del contenido en azúcar y alcohol, ya que éstos son los elementos dominantes; estas cargas son muy elevadas, y así se comprende el peligro que representa cualquier fuga accidental de estos líquidos. Las heces del trasiego, y en particular los primeros trasiegos, son ricas en materias orgánicas en suspensión: sales tartáricas, levaduras y desechos vegetales. La presencia de estos dos últimos elementos no biodegradables explica los valores poco elevados de la relación DBO/DQO. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 5. VERTIDOS PRODUCIDOS EN LA EMPRESA 25 Si las sales tartáricas son fácilmente decantables, no ocurre lo mismo con las levaduras y los despojos vegetales finos. • Carácter estacional − En la producción del vino: Desde Septiembre a Noviembre, es el periodo de vendimia que corresponde al periodo de máxima concentración. De Diciembre a Mayo, es el periodo de diferentes trasiegos, filtraciones, etc., es un periodo de contaminación decreciente. De Mayo a Septiembre, es el periodo de menor contaminación en el cual, la única contaminación existente corresponde a las líneas de embotellado. − En la producción de zumos: De Mayo a Septiembre, es el periodo de mayor concentración. De Septiembre a Diciembre, también se produce contaminación pero menos que en la época de Mayo a Septiembre. De Enero a Mayo, es el periodo de contaminación decreciente. • Elevada concentración Tanto el mosto como el vino presentan unos valores de DBO 5 muy elevados (4.200 mg/l) y los zumos también (8.400 mg/l). Cualquier pérdida de producto (merma) representa una elevada contaminación del vertido. Los vertidos de la industria bodeguera presentan un alto contenido en materia orgánica, con una concentración de 6.000 mg/l en el periodo de vendimia, al igual que los zumos que presentan una concentración de DQO de 12.000 mg/l. La ventaja que presenta es que estos efluentes tienen una biodegradabilidad muy buena con una relación DBO 5 /DQO cercana a 0,7. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 32 Tabla 6. Dimensiones tamiz rotativo AMN 2450 Diámetro cilindro (mm) 240 Longitud cilindro (mm) 490 Potencia motor (KW) 0,18 Peso vacío (Kg) 80 Ancho total (mm) 700 Fondo total (mm) 600 Altura total (mm) 480 Brida entrada (mm) 100 Brida salida (mm) 100 A la salida del tamiz se ha reducido la concentración de sólidos, de materia orgánica y de materia oxidable como se muestra en la Tabla 7: Tabla 7. Concentraciones obtenidas a la salida del tamiz Bodega Zumos Parámetros de vertido Entrada % reducción Salida Entrada % reducción Salida DQO (mg/l) 6.000 35 3.900 12.000 35 7.800 SS (mg/l) 1.200 50 600 2.400 50 1.200 DBO (mg/l) 4.200 35 2.730 8.400 35 5.460 Entrada del agua residual Salida del agua Salida de sólidos (contenedor) Figura 13. Esquema del funcionamiento de un tamiz rotativo “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 33 Figura 14. Tamiz rotativo Después del tamiz de la línea de bodega se instalará también un tornillo sin-fin compactador STC-219 de 0,5 mm de luz de paso para la reducción de la humedad y del volumen de los sólidos extraídos y otro tornillo STC-219 de 1 mm de luz de paso después del tamiz de la línea de zumos. Las dimensiones de los tornillos de la empresa Tecmoncade de los modelos elegidos se describen en la Tabla 8. Los tornillos estarán girando continuamente, recoge los sólidos existentes al quedarse adheridos al cuerpo del tornillo y los sube y transporta hasta el final de tornillo (2.510 mm), donde caen por su propio peso a un contenedor (Figura 18). Figura 15. Perfil del tornillo compactador “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 34 Figura 16. Planta del tornillo compactador Tabla 8. Dimensiones tornillo compactador STC-219 A (mm) 5.050 B (mm) 840 C (mm) 410 D (mm) 3.300 E (mm) 4.160 F (mm) 1.670 G (mm) min/max 300/420 Diámetro H (mm) 219 Diámetro I (mm) 255 Potencia motor (KW) 0,55 Figura 17. Tornillo sin-fin compactador “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 35 Figura 18. Contenedor A continuación del tornillo se instalará un tanque de homogeneización en el que se van a juntar las dos líneas de agua (vino y zumos), permitirá amortiguar tanto las cargas como los caudales de entrada y neutralizar en caso de ser necesario. Se hace un control de pH que está compuesto por un microprocesador electrónico, dos bombas dosificadoras con un caudal máximo de 20 l/h a una presión de 5 bar, sonda auto-limpiante, para aguas sucias y dos depósitos para el almacenamiento de reactivos (ácido clorhídrico e hidróxido de sodio) de 500 l. cada uno, de tal manera que el vertido tratado sea lo más homogéneo posible, lo cual permite reducir el tratamiento biológico. En ella, se instalará un agitador sumergidos (Figura 19) de potencia 0,75 KW de la empresa Caprari que garantizarán un régimen de turbulencia suficiente para evitar la sedimentación de los sólidos; no es conveniente realizar la homogeneización mediante aireación ya que la presencia de oxígeno afecta negativamente al proceso de digestión anaerobia. Las características del agitador se describen en la Tabla 9. Tabla 9. Características agitador sumergido CHVY-0.75-4-60 Potencia motor (KW) 0,75 Corriente nominal (A) 2 Velocidad motor/hélice (ppm) 1.400 Caudal (m 3 /h) 318 Peso (Kg) 15 Nº de palas 3 “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 36 Figura 19. Agitador sumergido Tabla 10. Características depósitos dosificadores Marca Coydo Modelo SER 500 Capacidad (l) 500 Altura (cm) 118,5 Diámetro (cm) 76 Dicho tanque cilíndrico de homogeneización estará sobre el terreno y será de 2.561 m 3 de capacidad de la marca Soplacas. Las dimensiones de dicho tanque se describen en la Tabla 11: Tabla 11. Dimensiones del tanque homogeneizador de la marca Soplacas Diámetro interior (m) 20,14 Diámetro solera (m) 21,88 Altura (m) 8 El caudal de salida del homogeneizador es de 14,4 m 3 /h. A la salida del homogeneizador se van a tener las mismas concentraciones de sólidos, materia orgánica y materia oxidable que a la entrada ya que solamente se dispone de un agitador para homogeneizar la mezcla. Las concentraciones se muestran en la Tabla 12: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 37 Tabla 12. Concentraciones y caudales a la entrada y salida del homogeneizador Parámetros Entrada y Salida DQO (mg/l) 6.500 SS (mg/l) 1.000 DBO (mg/l) 4.550 Entrada Salida Caudal (m 3 /h) 28,5 14,4 6.2. Tratamiento biológico El tratamiento biológico está formado por un reactor anaerobio seguido de un aerobio. Se propone primero un tratamiento anaerobio porque tenemos altas concentraciones. Desde el homogeneizador el agua será bombeada al reactor anaerobio donde se realizará la depuración principal del agua. Se garantiza un rendimiento del digestor anaerobio del 90% para la eliminación de materia orgánica. El digestor anaerobio se diseña para ser capaz de reducir la carga producida en época de vendimia, por lo que quedará sobredimensionado fuera de esta época. Fuera de la época de vendimia, debido a que el digestor anaerobio se encontrará sobredimensionado, el rendimiento será superior y no será necesario operar el reactor aerobio al completo. 6.2.1. Tratamiento anaerobio Como reactor anaerobio se utiliza un reactor UASB en el que el afluente es bombeado hacia el sistema de distribución interno, entrando en contacto con la cama de lodo anaeróbico. El agua residual entra en el digestor anaerobio de 90 m 3 para ser tratada. El diseño que se propone es un sistema de media-alta carga para la digestión de aguas residuales industriales con elevada concentración de materia orgánica. Dadas las características del agua afluente, se garantiza un rendimiento del 90% de eliminación de materia orgánica. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 38 La alimentación del digestor anaerobio debe ser lo más homogénea posible y se realizará mediante un bombeo desde el homogeneizador. Además es necesario establecer una recirculación a partir del efluente del mismo para mantener una velocidad ascensional del flujo adecuada (0,7 m/h) que asegure un buen contacto entre los microorganismos y el sustrato y evite que se formen caminos preferentes o bolsas de gas. El digestor trabajará a 35 ºC ± 4ºC, por lo que el efluente deberá ser calentado. El sistema de calentamiento del digestor consistirá en un intercambiador de calor que calentará el afluente al digestor mediante un fluido caliente que corresponderá al agua de refrigeración procedente del motor-generador. Para mantener la temperatura de digestión en el rango de operación escogido, rango mesófilo (35ºC), se tiene que calentar la alimentación procedente de la balsa de homogeneización, desde su temperatura de entrada (15ºC) hasta la temperatura de operación (35ºC). Se ha seleccionado un intercambiador de calor TP-D1 de la marca Comeval ya que tiene una superficie ligeramente mayor a la necesaria, constituido por 18 tubos de medio metro, por los que circula un fluido por el interior del tubo interior y otro fluido por fuera del tubo, intercambiando calor a través de la pared que separa ambos fluidos. El flujo de ambas corrientes es en contracorriente, es decir, los dos fluidos fluyen en direcciones paralelas y en sentido contario. Las temperaturas de servicio son moderadas (35ºC-80ºC), las presiones son bajas y no se trabaja con fluidos corrosivos. La superficie de transferencia de calor (Área de intercambio= 1,16 m 2 ) consistirá en 18 tubos simple, circular y recto y no presentará aletas ya que no se trabaja con gases y por lo tanto no se tiene la necesidad de aumentar el área efectiva de transferencia de calor. Las características del intercambiador elegido se definen en la Tabla 13: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 39 Tabla 13. Características del intercambiador de calor TP-D1 Superficie (m 2 ) 1,58 Potencia (KW) 40 A (mm) 505 B (mm) 270 C (mm) 109 D (mm) 162 E-F (mm) 1”1/2 Peso (Kg) 20 Tubos Cobre Tubos de las placas Latón Deflectores Aluminio Figura 20. Intercambiador de calor La alimentación del digestor anaerobio se realizará de tal forma que el agua procedente del homogeneizador será bombeada mediante una parrilla de repartición del caudal de entrada al digestor en la parte baja del mismo, desde donde el agua será impulsada hacia arriba de manera uniforme, evitando caminos preferenciales. El buen flujo del agua hacia arriba, junto con la producción de biogás garantizarán la agitación del interior del digestor y el contacto entre la biomasa y el sustrato, así como la liberación del biogás formado evitándose la formación de bolsas de gas. Las dimensiones del reactor anaerobio se describen en la Tabla 14: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 40 Tabla 14. Parámetros y dimensiones reactor anaerobio (UASB) Volumen (m 3 ) 90 Área (m 2 ) 21,42 Altura (m) 4,2 Diámetro (m) 5,22 Velocidad ascensional (m/h) 0,7 Volumen CH 4 producido (m 3 /d) 138,93 Para que el proceso se desarrolle de forma adecuada, en este depósito se deben controlar los siguientes parámetros: − Temperatura del agua residual entre 35 y 39 ºC. − pH: debe estar en torno a 7 (entre 6 y 8) sin variaciones. Los parámetros de entrada y salida del reactor anaerobio con su correspondiente porcentaje de reducción se muestran en la Tabla 15: Tabla 15. Concentraciones a la entrada y salida del reactor anaerobio Parámetros de vertido Entrada % reducción Salida DQO (mg/l) 6.500 90 650 SS (mg/l) 1.000 85 150 DBO (mg/l) 4.550 95 227,5 La carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO 5 ) de 60 gramos de oxígeno al día equivale a un habitante equivalente, como se tiene una DBO de 4.550 mg/l, equivale a 26.208 habitantes. El volumen de gas que se produce es de 208,4 m 3 /d, el cual 138,93 m 3 /d es de metano. El volumen del gasómetro será de 350 m 3 . “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 6. DESCRIPCIÓN DEL TRATAMIENTO PROPUESTO 41 6.2.2. Tratamiento aerobio El reactor biológico escogido es el MBR, desde el reactor biológico se conducirá el licor mezcla hasta la entrada del sistema MBR mediante gravedad, que es un sistema de fangos activos donde los fangos se separan del agua mediante ultrafiltración. El sistema MBR (Figura 21) es un reactor biológico donde la biomasa aerobia permanece en dispersión en presencia de oxígeno junto con el agua a tratar. La velocidad de degradación de la materia orgánica es muy alta y la calidad del agua obtenida también. El agua del reactor es filtrada pasando a través de las paredes de la membrana. El agua filtrada es extraída del sistema mientras el fango y los compuestos de tamaño superior al poro de la membrana quedan retenidos y permanecen o retornan al reactor biológico. En el tanque donde va metido el MBR hay unos difusores de aire conectados a soplantes cuya función es crear un pequeño movimiento sobre las membranas ayudando a que no se acumule la materia sobre ellas. Figura 21. Diseño MBR El sistema MBR está formado por unos casettes de filamentos huecos, con una permeabilidad de 0.1µm, es decir, 0.0001 mm, reteniendo así todos los sólidos. El proceso puede operar a concentraciones de MLSS en el rango de 8.000 a 12.000 mg/L. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 48 Las dimensiones de dichos tamices de modelo AMN 2450 se describen en la Tabla 22. Tabla 22. Dimensiones tamices rotativos (Fuente: Aguas del Mare Nostrum S.L.) A la salida del tamiz se ha reducido la concentración de sólidos, de materia orgánica y de materia oxidable como se muestra en la Tabla 23: Tabla 23. Concentraciones obtenidas a la salida del tamiz (Fuente: Hernández Muñoz, 1992) Bodega Zumos Parámetros de vertido Entrada % reducción Salida Entrada % reducción Salida DQO (mg/l) 6.000 35 3.900 12.000 35 7.800 SS (mg/l) 1.200 50 600 2.400 50 1.200 DBO (mg/l) 4.200 35 2.730 8.400 35 5.460 7.2. Tornillo sinfín compactador Se tiene un caudal punta a la salida del tamiz del agua residual de la bodega de 9,5 m 3 /h con unos sólidos de 0,5 mm, entonces se necesita un tornillo compactador STC- 219 con luz de paso de 0,5 mm ya que mediante la Tabla 24 se elige un caudal superior al punta de salida de la bodega (62 m 3 /h). A la salida de la industria de “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 49 zumos se tiene un caudal punta de 19 m 3 /h con unos sólidos de 1 mm, entonces se necesita un tornillo compactador STC-219 con luz de paso de 1 mm ya que mediante la Tabla 24 se elige un caudal superior al punta de salida de la industria de zumos (92 m 3 /h). Dichos tornillos son fabricados por la empresa Tecmoncade y se eligen mediante la Tabla 24 y Tabla 25. Figura 25. Tornillo compactador “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 50 Tabla 24. Modelos tornillo compactador (Fuente: Tecmoncade) Las dimensiones de los tornillos elegidos STC-219 se describen en la Tabla 25. Tabla 25. Dimensiones tornillo compactador (Fuente: Tecmoncade) 7.3. Homogeneizador Para su diseño se tendrán en cuenta los parámetros típicos para depósitos y el volumen necesario para almacenar la cantidad de agua residual de la industria durante una semana. Partiendo de una ecuación básica, se obtiene el volumen del depósito. VTR*Q Siendo: V = volumen del depósito (m 3 ) Q = caudal a tratar (m 3 /d) TR = tiempo de retención (d) “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 51 Se tiene un caudal medio de 14,4 m 3 /h (345,6 m 3 /d) y un tiempo de retención de 7 días: V7 d*345,6 m 3 d2.419,2 m 3 Fijando una profundidad de 8 metros, el área necesaria para la ubicación del tanque de homogeneización es de: AV h2.420 m 3 8 m 302,5 m 2 Se diseña un tanque de homogeneización cilíndrico, a partir de la definición del área se despeja el diámetro, es decir: Aπ 4*D 2 D4*A π4*302,5 m 2 π19,6 m Se elige un homogeneizador por catálogo, en concreto de la marca Soplacas, cuyos datos se aproximen lo máximo posible a los valores obtenidos anteriormente mediante la Tabla 26: Se utiliza una altura de 8 m y un volumen ligeramente superior a 2.420 m 3 , es decir se va a tener un volumen de homogeneizador de 2.561 m 3 . V = 2.420 m 3 A = 302,5 m 2 D = 19,6 m “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 52 Tabla 26. Dimensiones homogeneizador (Fuente: Soplacas) “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 53 A la salida del homogeneizador se van a tener las mismas concentraciones de sólidos, materia orgánica y materia oxidable que a la entrada ya que solamente se dispone de un agitador para homogeneizar la mezcla, no se dispone de aireadores porque es perjudicial para el posterior reactor anaerobio. 7.4. Agitadores sumergidos en homogeneizador Se tiene un caudal medio de 14,4 m 3 /h, entonces se necesita un agitador sumergido CHVY-0.75-4-60 de la empresa CAPRARI que puede agitar un caudal máximo de 318 m 3 /h. Tabla 27. Datos técnicos agitadores sumergidos CHVY-0.75-4-60 (Fuente: Caprari) 7.5. Intercambiador de calor Los factores principales a tener en cuenta en la elección de un tipo de intercambiador para un servicio concreto, son las siguientes: − Temperatura de trabajo, y estado (líquido o vapor) de los fluidos. − Presiones de las corrientes, y perdidas de presión admisibles. − Caudales de los fluidos. − Posibilidades de ensuciamiento del aparato. Las incrustaciones actúan como una resistencia al paso del calor, dificultándolo. − Acción corrosiva de los fluidos. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 54 − Espacio disponible para la instalación. Se ha seleccionado un intercambiador de tubos multitubular con flujo en contracorriente (Figura 26 b). El vertido (fluido frío) circula por el interior del intercambiador y el agua de refrigeración del motor generador (fluido caliente) circula a contracorriente por el espacio anular. El agua de refrigeración del motor generador va a calentar al vertido. Una de las ventajas principales de este tipo de intercambiador es su importante resistencia a las incrustaciones debido a la elevada velocidad de flujo (régimen turbulento) además de su fácil limpieza. Para llevar a cabo el diseño del intercambiador de calor se usa el método logarítmico de temperaturas (LMTD). Según este método son seis los pasos a seguir en el diseño: 1. Seleccionar el tipo de intercambiador apropiado para la aplicación. 2. Determinar las temperaturas y la velocidad de transferencia de calor mediante balance de energía. 3. Calcular el incremento de temperatura medio logarítmico (∆T ml ). 4. Obtener, seleccionar o calcular el coeficiente de transferencia global de calor (U). 5. Calcular el área superficial, A s . 6. Seleccionar un intercambiador con A s igual o mayor a la calculada. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 55 Figura 26. Configuraciones de los intercambiadores de tubos Para el cálculo de la velocidad de transferencia de calor (q) se realiza un balance de energía a un volumen de control que encierra la totalidad del intercambiador y para un flujo estacionario. La ecuación se reduce a un balance de entalpia puesto que no se realiza trabajo externo, no se transfiere calor al sistema si el intercambiador está bien aislado, y los cambios de energía cinética y energía potencial suelen ser insignificantes. Por lo tanto, el balance de energía queda de la siguiente forma: m c *C pc *T centrada ‐T csalida  m f *C pf *T fsalida ‐T fentrada q Donde: m c : caudal másico del fluido caliente, kg/s. m f : caudal másico del fluido frío, kg/s. C p : Calor especifico, J/kg ºC. T c entrada : Temperatura del fluido caliente en la entrada, ºC (80 ºC) “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 56 T c salida : Temperatura del fluido caliente en la salida, ºC T f entrada : Temperatura del fluido frío en la entrada, ºC (15 ºC) T f salida : Temperatura del fluido frío en la salida, ºC (35ºC) q: velocidad de transferencia de calor, W. Se tiene que calcular el calor específico y la densidad (ρ) de los fluidos caliente y frío: Aunque se está trabajando con un vertido industrial, se ha realizado la aproximación de tomar como propiedades del vertido, las propiedades del agua a la misma temperatura del vertido. Se ha realizado esta aproximación ya que no se disponen de datos de densidad y calor específico del vertido para distintas temperaturas y además el error cometido no será apreciable ya que el vertido está compuesto principalmente por agua de lavado, derrames, etc. Tabla 28. Datos de densidad y calor específico para el agua P=1 atm (Fuente: www.vaxasoftware.com) T (ºC) ρ (kg/m 3 ) C p (J/kg ºC) 10 999,7 4.195 15 999,1 4.187 20 998,2 4.182 25 997,1 4.180,1 30 995,7 4.176 35 994,1 4.175 40 992,2 4.175 45 990,2 4.176 50 988,1 4.178 75 974,9 4.192,9 100 958,4 4.211 Para el fluido frío, que será el vertido, la densidad y calor específico para la temperatura media entre la entrada y la salida (T mf ): T mf T entrada ,T salida 215 ºC,35 ºC 225 ºC “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 57 Por lo que, para el fluido frío (vertido) a T mf entre la entrada y la salida, se tiene: ρ f = 997 kg/m 3 C pf = 4.180,1 J/kg ºC Para el fluido caliente, que será el agua de refrigeración del motor-generador, se calcula también la densidad y calor específico para la temperatura media entre la entrada y salida, sin embargo en este caso no se disponen de datos sobre la temperatura de salida del fluido caliente, así que se supone una temperatura media para obtener los datos de densidad y calor específico y más adelante se comprueba si la suposición ha sido válida. Se supone una T mc = 75 ºC, entonces: T mc T entrada ,T salida 280 ºC,T salida 275 ºC T salida 70 ºC Por lo que, para el fluido caliente a T mc entre la entrada y la salida, se obtiene: ρ c = 974,9 kg/m 3 C pc = 4.192,9 J/kg ºC. Ahora se tiene que calcular el caudal másico mediante la expresión: m .Kg s1 Q 2m 3 s3* ρ .Kg m 3 1 Donde: Q: caudal (m 3 /s) ρ: densidad del fluido a la temperatura media entre la entrada y la salida (kg/m 3 ) “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 64 h e  Nu*K D eq  663*0,671 W m K 0,0287 m 15.512 W/m 2 K Sustituyendo en la expresión: 1 U1 h i ,r int *ln6r ext r int 7 K acero ,r int r ext *h e 1 U1 1,1*10 4 W/m 2 K,0,02025 m*ln6 0,0211 0,020257 58 W/m 2 K,0,02025 m 0,0211 m *1,5*10 4 W/m 2 K 1,69*10 ‐4  U 1 1,69*10 ‐4 5.913,66 W m 2 K Por último, se calcula el área superficial, A s , del intercambiador de calor mediante la expresión: qU*A s * ∆T ml Donde: q: velocidad de transferencia de calor (333.396,8 J/s) ∆T ml : incremento de temperatura medio logarítmico que viene dado por la siguiente expresión: ∆T ml 6T csalida ‐ T fsalida 7‐ 6T centrada ‐ T fentrada 7 ln6 6T csalida ‐ T fsalida 7 6T centrada ‐ T fentrada 77 670‐357ºC‐680‐157ºC ln670‐35 80‐15748,46 ºC U: coeficiente global de transferencia de calor (5.913,66 W/m 2 K) “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 65 Sustituyendo en la ecuación anterior: 333.396,8Js5.913,66 W m 2 K*A s * 48,46 ºC  A s 1,16 m 2 Para el cálculo de la longitud de intercambio, se define el área de intercambio como: A s π*d e *L 1,16 m 2 π*0,0422 m*L L8,77 m  9 m Como se ha elegido un intercambiador de calor multitubular, se tendrán 18 tubos de medio metro. El calor necesario para calentar la alimentación desde su temperatura de entrada (15ºC) hasta la temperatura de operación del reactor (35ºC) es de 3,3*10 5 W. Se ha seleccionado un intercambiador multitubular con flujo en contracorriente. El vertido (fluido frío) circula por el interior del intercambiador y el agua de refrigeración del motor-generador (fluido caliente) circula a contracorriente por el espacio anular. Como se necesita una superficie de 1,16 m 2 , en la se elige el intercambiador de calor de la marca Comeval, el modelo TP-D1 que tiene una superficie ligeramente mayor que la calculada, mediante la Tabla 33. Tabla 33. Elección intercambiador de calor (Fuente: http://www.alcion.es/) Modelo Calor disipado (KW) Flujo de aceite (l/min) Flujo de agua (l/min) Caída de presión de aceite (bar) Caída de presión de agua (bar) Superficie (m 2 ) TP-D1 40 180 90 0,40 0,07 1,58 TP-D2 52 200 100 0,55 0,09 2,14 TP-D3 66 220 110 0,62 0,12 2,79 TP-D4 84 240 120 0,80 0,16 3,57 TP-D5 108 260 130 1 0,19 4,48 TP-D6 120 240 120 0,96 0,21 5,38 “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 66 Las dimensiones del intercambiador elegido se describen en la Tabla 34: Tabla 34. Dimensiones del intercambiador TP-D1 (Fuente: http://www.alcion.es/) Modelo A (mm) B (mm) C (mm) D (mm) Diámetro E-F (mm) Peso (Kg) TP-D1 505 270 109 162 1”1/2 20 TP-D2 634 402 238 162 1”1/2 24 TP-D3 780 546 384 162 1”1/2 27 TP-D4 954 722 558 162 1”1/2 32 TP-D5 1.160 928 764 162 1”1/2 38 TP-D6 1.364 1.132 968 162 1”1/2 45 Figura 27. Intercambiador de calor Un intercambiador consta de diferentes partes y cada una de ellas es de un material diferente como se muestra en la Tabla 35: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 67 Tabla 35. Partes y materiales del intercambiador de calor Parte Nombre Material 1 Cubierta Aluminio 2 Tubo de la pila 2.1 Tubos Cobre 2.2 Tubos de las placas Latón 2.3 Deflectores Aluminio 2.4 Soldadura Estaño 3 Tapas de los extremos Latón 4 Sellos Viton 5 Tornillos de la tapa Acero 6 Tapones de drenaje Latón Figura 28. Intercambiador de calor 7.6. Reactor anaerobio El RD 11/1995, de 28 de diciembre, establece que un habitante equivalente es la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO 5 ) de 60 gramos de oxígeno al día. Por lo tanto, se calculan los habitantes equivalentes (he) en este caso. Teniendo en cuenta que la DBO 5 a la entrada del reactor UASB es de 4.550 mg/l: heDBO 5 @mg lA*Q6m 3 d7 60 gr DBO 5 dia*hab 4.550mg l*345,6 m 3 /d 60 gr DBO 5 dia*hab 26.208 he “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 68 En la Tabla 36 se observan las dimensiones básicas de reactores UASB para eficiencias de remoción de DQO del 90% y de DBO del 95%. Tabla 36. Dimensiones básicas de reactores UASB. Parámetro UASB para 10 hab. UASB para 100 hab. UASB para 1000 hab. UASB para 10000 hab. UASB para 100000 hab. Q mínimo (m 3 /día) 1,2 12 120 1200 12000 TRH (h) 18 12 9 6 6 V mínimo (m 3 ) 0,9 6 45 300 3000 Profundidad 2 3 4.5 4 5 Área per cápita (m 2 ) 0,045 0,03 0,01 0,0075 0,006 Volumen per capita (l) 90 60 45 30 30 Puntos de alimentación 1 1 4 20 150 Velocidad ascendente (m/h) 0,11 0,25 0,50 0,67 0,83 De la Tabla 36 se calculan el tiempo de retención hidráulico para los 26.208 habitantes equivalentes. Por lo tanto el tiempo de retención hidráulica es de 6 horas. El volumen del reactor se calcula de la siguiente forma: VTRH*Q Siendo: V = volumen del reactor (m 3 ) TRH = Tiempo de retención hidráulica = 6 h Q = caudal medio = 14,4 m 3 /h Sustituyendo los valores en la fórmula, queda un volumen de: V6 h*14,4m 3 h86,4 m 3 V=90 m 3 Escriba aquí la ecuación “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 69 La altura del reactor UASB viene limitada por la velocidad media del líquido, que se calcula con los valores de la Tabla 36, por lo tanto la velocidad ascensional (VA) es de 0,7 m/h. VAQ AVr T R *Ah T R hVA*T R 0,7m h*6 h4,2 m El área del reactor viene determinada por la relación entre el volumen y la altura: AV h900 m 3 4,2 m 21,42 m 2 Se considera que la reducción de DBO en el tratamiento anaerobio con el reactor UASB es del 95%. Por lo tanto, si la DBO a la entrada del tratamiento anaerobio es de 4.550 mg/l, la DBO a la salida del mismo es de: DBO 5 a la salida4.550mg l*0,05227,5mg l DBO 5 eliminada4.550mg l‐ 227,5mg l4.322,5mg l4,322gl4,322 kg/m 3 Se calculan los kg de DBO eliminados al día como: Kg DBO 5 eliminada día Q2m 3 d3*DBO 5 m 3 345,6m 3 d*4,322 Kg DBO m 3 1.493,68 Kg DBO/dia h= 4,2 m Escriba aquí la ecuación A = 21,42 m 2 Escriba aquí la ecuación “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 70 Cálculo de la carga volumétrica: Kg DBO m 3 *d 1.493,68 Kg/d 14,4 m 3 103,728 Kg m 3 *d La geometría elegida para este reactor es de tanque vertical de base circular, con separador trifásico sólido-líquido-gas. El volumen obtenido es de 90 m 3 . Siendo el volumen del reactor: Vh*π*r 2 rV h*π90 m 3 4,2 m* π2,61 m D2*r2*2,615,22 m Se elige una cubierta fija, debido a que los tanques de cubierta flotante tienen mayores costos de construcción y mantenimiento. El tanque tiene una sola campana de recogida de gas construida de hormigón, soporta presiones de gas mayores de 30 cm de columna de agua. El tanque está equipado con válvulas de seguridad, rompedora de costras y de vacío. El gas que se produce contiene 2/3 en volumen de metano y el resto en CO 2 y pequeñas cantidades de nitrógeno, hidrógeno y otros gases. Tiene un peso específico de aproximadamente 0,86 con respecto al aire. Como la producción de gas es una de las mejores medidas del desarrollo de la digestión y por el hecho de poder utilizarse como combustible, se ha calculado el volumen de metano. D= 5,22 m Escriba aquí la ecuación “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 71 Se calculan los Kg de sólidos volátiles producidos por día con la siguiente ecuación: P x Y*Q*E*S o 1,Kd*θ Siendo: Y = coeficiente de producción = 0,5 mg/mg (varía entre 0,4-0,8 mg/mg) (Fuente: Metcalf y Eddy, 1995) Kd = coeficiente endógeno= 0,03 d -1 (varía entre 0,03-0,06 d -1 ) (Fuente: Metcalf y Eddy, 1995) θ = tiempo de residencia = 0,25 días (6h*1d/24h=0,25 d) So = DBO L última del afluente = 4.322,5 mg/l = 4,322 Kg/ m 3 E = eficiencia de estabilización del residuo = 0,9 Q = caudal = 345,6 m 3 /d Sustituyendo valores: P x 0,5mg mg*1.344,31Kg d 1,0,03 d ‐1 *0,25 d 667,15 Kg/d Se calcula el volumen de metano producido por día mediante la ecuación: V CH4 20,35m 3 Kg3*6E*Q*S o ‐1,42*P x 7 Siendo: V CH4 = volumen de metano producido, m 3 /d “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 72 0,35 = factor de conversión teórico para la cantidad de metano producido a partir de la conversión de 1kg de DBO. E·Q·So = 1.344,31 Kg/d 1,42 = factor de conversión del tejido celular a DBO Px = masa neta de tejido celular producido diariamente = 667,15 kg/d Sustituyendo los valores en la ecuación anterior: V CH4 20,35m 3 Kg3*.1.344,31Kg d‐1,42*667,15Kg d1138,93m 3 d El gas del reactor tiene aproximadamente 2/3 de metano, por lo tanto el volumen total de gas producido es: Volumen total de gas V CH4 2 3138,93m 3 d 2 3208,4m 3 d La cubierta fija proporciona un espacio libre entre la cubierta del digestor y la superficie del líquido. El gas que se genera se recogerá en la campana de poliéster reforzado con fibra de vidrio que cubre la superficie del reactor. Esta campana se encuentra parcialmente sumergida en el efluente. El biogás se dirige hacia la campana a través del separador terciario, pasando a un depósito donde será almacenado a presión (gasómetro). V CH4 = 138,93 m 3 /d Volumen total de gas = 208,4 m 3 /d “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 73 Para el gasómetro se debe prever una capacidad de almacenamiento del 60 % de producción media diaria de gas. Por lo tanto el gasómetro esférico tendrá un volumen de: Vgasómetro Volumen total gas 0,60 208,4m 3 d 0,60 347,33 m 3 Las dimensiones del reactor anaerobio se describen en la Tabla 37: Tabla 37. Dimensiones reactor anaerobio Volumen (m 3 ) 90 Área (m 2 ) 21,42 Altura (m) 4,2 Diámetro (m) 5,22 Velocidad ascensional (m/h) 0,7 Volumen CH 4 producido (m 3 /d) 138,93 Los parámetros de entrada y salida del reactor anaerobio con su correspondiente porcentaje de reducción se muestran en la Tabla 38: Tabla 38. Concentraciones a la entrada y salida del reactor anaerobio (Fuente: Hernández Muñoz, 1992) Parámetros de vertido Entrada % reducción Salida DQO (mg/l) 6.500 90 650 SS (mg/l) 1.000 85 150 DBO (mg/l) 4.550 95 227,5 Volumen gasómetro = 350 m 3 “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 80 Para calcular la cantidad de fango purgado a la salida del tanque de aireación, despreciando los sólidos del efluente (X o = 0), se emplea la siguiente expresión: Q w V*X T R *X R Siendo: V = Volumen del reactor = 180 m 3 X = Concentración de microorganismos = 8.000 mg/l T R = Edad del fango = 12,5 días X R = Concentración del fango de retorno en ppm = 16.000 mg/l Sustituyendo en la expresión anterior: Q w 180 m 3 *8.000mg l 12,5 d*16.000mg l7,2m 3 d La producción de fango a purgar se calcula: P x Y obs *Q*6S o ‐S7 1.000g kg Siendo: Y obs = producción de fango observada (g/g) Y obs  Y 1,K d *θ C 0,7mg DBO 1,0,03d ‐1 *134 d0,14 g/g “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 81 Sustituyendo en la ecuación anterior: P x 0,14g g*345,6 m 3 *216,75mg l 1.000g kg 10,41 Kg/d Suponiendo que la relación entre los sólidos suspendidos volátiles del líquido mezcla (SSVLM) y los sólidos suspendidos del líquido mezcla es de 0,8 (según Metcalf&Eddy). Se determina la masa total de fango en base a los sólidos totales en suspensión de la siguiente manera: P x 6ss7P x 0,813,02kg d Para mantener la concentración de lodos biológicos en el reactor, se recirculan al mismo parte de los fangos del MBR. El caudal recirculado se calcula mediante un balance de materia al reactor: X*6Q,Q r 7X R *Q r Siendo: X = Concentración de SSV en el reactor = 8.000 mg/l X R = Concentración de SSV en el retorno = 16.000 * 0,8 = 12.800 mg/l TQ r Q T1,66 Q r 23,9 m 3 h “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 82 Para las reacciones químicas de la materia orgánica y la respiración de los microorganismos en el proceso biológico se precisa la introducción de oxígeno, dependiendo de: − La DBO 5 del agua que se introduce. − La cantidad de sólidos que hay en el tanque. Es decir, el aire necesario para mantener activos los lodos, la respiración endógena de los microorganismos. La demanda de O 2 teórico se puede calcula mediante la siguiente expresión: ONd*D,0,7*C*M Donde: ON = Consumo de oxígeno necesario en Kg de O 2 / día. d = Coeficiente de demanda potencial del agua que se introduce. De 0,4 a 0,7. Se tomará un valor de 0,55. C = Coeficiente de demanda de los microorganismos de los lodos. De 0,08 a 0,14. Se tomará el valor de 0,10. M = Contenido total de sólidos en la balsa (Kg MLSS) = 8 Kg MLSS/m 3 *180 m 3 = 1.440 Kg D = Kg de DBO 5 / día que se introducen = 227,5 mg/l * 345,6 m 3 /d = 78,624 Kg/d Se sustituyen los valores en la ecuación anterior: ON0,55*78,624Kg d,0,7*0,10*1.440 Kg MLSS  144,03 UV W X Y “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 83 El diseño del suministro de aire a los reactores biológicos se calculará: − El aire necesario para la aireación del reactor. − El aire necesario para la mezcla. Las cantidades de aire serán suministradas a los reactores biológicos por soplantes. La capacidad de los difusores para transferir oxígeno es de 2 Kg O 2 /Kw·h. El cálculo del rendimiento en condiciones de funcionamiento reales se lleva a cabo mediante la siguiente expresión: NN O *β*6C sat ‐C L 7 9,17 *61,0247 T‐20 *T Donde: N = Transferencia en condiciones reales de campo (Kg O 2 /Kw ·h) N O = Transferencia en condiciones estándar (2Kg O 2 /Kw ·h) β = Factor de corrección de salinidad –tensión superficial, generalmente toma el valor de 1. C sat = Concentración de saturación de oxígeno de agua de la red de suministro a temperatura y altitud determinadas (8,38 mg/L). 9,17 = Concentración de saturación de oxígeno de agua de la red de suministro a 20 ºC (mg/L). C L = Concentración de O 2 disuelto en condiciones de funcionamiento, 2 mg/L. T = Temperatura del agua residual (25º C). α = Factor de corrección de la transferencia de O 2 en el agua residual. Se toman valores entre 0,8 y 0,9, se elige 0,85. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 84 Para el cálculo de la concentración de saturación de O 2 disuelto para el agua residual a temperatura y presión dadas se establece: C sat C sat al nivel del mar *F a Siendo: C sat a nivel del mar = Concentración de saturación de O 2 disuelto para el agua residual al nivel del mar en mg/L. F a = Factor de corrección de la solubilidad del O 2 con la altitud. Utilizando la Tabla 40 se saca F a : Tabla 40. Factor de corrección de la solubilidad del oxígeno respecto de la altura. (Fuente: Hernández Muñoz, 1992) Altitud (m) 0 250 500 750 1.000 F a 1 0,98 0,95 0,92 0,89 F a = 0,984 Utilizando la Tabla 41 se saca C sat a nivel del mar : Tabla 41. Oxígeno de saturación, y factor de corrección según la temperatura. (Fuente: Hernández Muñoz, 1992) ºC C sat al nivel del mar (mg/l) 20 9,17 21 8,99 22 8,83 23 8,68 24 8,53 25 8,38 26 8,22 C sat a nivel del mar = 8,38 mg/L “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 85 Se sustituyen en la ecuación anterior: C sat C sat al nivel del mar *F a 8,38mg l*0,9848,24mg l Se sustituye en la ecuación y se procede al cálculo de la transferencia de aire en condiciones reales al campo: NN O *β*6C sat ‐C L 7 9,17 *61,0247 T‐20 *T 2Kg O 2 Kw*h*1*68,24mg l‐2mg l7 9,17 *61,0247 25‐20 *0,85  1,303Kg O 2 Kw*h La cantidad de oxígeno transferida por día será: 1,303Kg O 2 Kw*h*24h 1d31,28Kg O 2 Kw*d Como la necesidad de aire requerida es de 1.790 Kg de O 2 / día, la potencia necesaria será: P6KW7Kg O 2 d Kg O 2 Kw*d144,03 31,28 4,6 KW P6CV74,6 KW*1.000 W 1 KW *1 CV 735 W6,26 CV Las necesidades de energía para mantener un régimen de flujo de mezcla completa con difusores tubulares de burbuja fina oscilan en un intervalo de 0,013 y 0,026 Kw/m 3 . “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 86 Para comprobar que se suministra la cantidad suficiente de energía para el mezclado, se tomará para el cálculo el valor máximo. Siendo el volumen del tanque de 180 m 3 , la potencia necesaria para la agitación será de: P = 0,026 Kw/ m 3 · 180 m 3 = 4,68 Kw Como se puede observar, esta energía es superior a la necesaria para la aireación. Se considerará la potencia de 4,68 Kw. Para calcular la cantidad de aire necesaria en m 3 /min: Se sabe que en 1.000 m 3 se necesitan 18 m 3 /min  para 180 m 3 se necesitan 3,24 m 3 /min de aire. Para calcular la cantidad de difusores necesarios: El difusor transmite 10 m 3 /h*m lineal difusor: 10 m 3 h*m*1h 60 min*1m*X3,24 m 3 /minXnº difusores necesarios de 1 m19,44 Si se utilizan difusores de 1 m, para transmitir 3,24 m 3 /min de aire se necesitan 20 difusores de 1 m. 10 m 3 h*m*1h 60 min*2m*X3,24 m 3 /minXnº difusores necesarios de 2 m9,72 Si se utilizan difusores de 2 m, para transmitir 3,24 m 3 /min de aire se necesitan 10 difusores de 2 m. Se eligen 20 difusores de 1 m para tener una cantidad de aire de 3,24 m 3 /min. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 87 Para tener esta cantidad de aire (3,24 m 3 /min), se necesita una soplante. Se instalará, por tanto, una soplante KAESER, modelo BB 52C, elegida mediante la Tabla 42, se elige un caudal de aire ligeramente superior al necesario (4,8 m 3 /min): Tabla 42. Características soplantes KAESER (Fuente: Kaeser) La potencia de la soplante elegida es de 7,5 KW. El caudal medio que entra al MBR es de 345,6 m 3 /d, entonces el caudal que será recirculado es 4 veces el caudal medio que entra (1.382,4 m 3 /d). La concentración de sólidos en suspensión del licor mezcla es de 8.000 mg/l y el flujo de base puede ser 11-13 l/m 2 *h ya que se tiene un agua residual industrial como se muestra en la Tabla 43: Tabla 43. Flujo de base del agua residual Tipo de flujo [SSLM] (mg/l) Flujo (l/m 2 *h) Industrial 10.000 11-13 Urbana 10.000 14-21 El caudal de salida del MBR es de 5 veces el caudal de entrada, 1.728 m 3 /d. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 88 La concentración de sólidos en suspensión en el MBR: [SS] MBR =Q salida *[SSLM] caudal recirculado = 1.728 m 3 d*8.000 mg l 1.382,4 m 3 d =10.000 mg l El flujo de trabajo se calcula con la siguiente ecuación: flujo de trabajo= flujo de base*[SSLM] [SS] MBR = 12 l m 2 *h *10.000 mg l 10.000 mg l =12 l m 2 *h Los tipos de MBR se describen en la Tabla 44: Tabla 44. Tipos de MBR Tipos Nº módulos por equipo Superficie por módulo (m 2 ) Compacto 8 46,45 Casetes 48 31,58 Caudal dia = 345,6 m 3 /d = 14.400 l/h La superficie que ocupa la membrana se calcula con la siguiente expresión: Superficie membrana= caudal dia Flujo de trabajo = 14.400 l h 12 l m 2 *h = 1.200 m 2 Se tiene una superficie de membrana de 1.200 m 2 , y si se elige el tipo de MBR por casetes, cada módulo tiene una superficie de 31,58 m 2 , por tanto se tiene: “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 7. CÁLCULOS 89 1.200 m 2 de membrana 31,58 m 2 de módulo = 38 módulos 38 módulos 48 módulos equipo = 0,79 equipos → 1 equipo Se tiene un MBR por casetes con 1 equipo y 48 módulos, por tanto la superficie total es de 1.200 m 2 . Los parámetros de entrada y salida del reactor aerobio con su correspondiente porcentaje de reducción se muestran en la Tabla 45: Tabla 45. Concentraciones a la entrada y salida del reactor aerobio (Fuente: Hernández Muñoz, 1992) Parámetros de vertido Entrada % reducción Salida DQO (mg/l) 650 90 65 SS (mg/l) 150 85 22,5 DBO (mg/l) 227,5 95 11,37 7.8. Purga de fangos Para el cálculo de la cantidad de fangos producidos se utiliza la siguiente expresión: Producción de fango 6P f 7 ]SSLM^* V aerobio E Siendo: Edad del fango (E) = 24 d [SSLM] = 8.000 mg/l = 8 Kg/m 3 V aerobio = 180 m 3 “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 8. FUENTES DE INFORMACIÓN 96 CAPÍTULO 8. FUENTES DE INFORMACIÓN 8. 1. Libros 1. Hernández Muñoz, A.; “Depuración de aguas residuales”. Editorial Paraninfo, S.A., Madrid, Publicaciones de la Escuela de Ingenieros de Caminos de Madrid, Colección Seinor nº 9, 2ª edición revisada y ampliada (Febrero 1992). 2. Metcalf y Eddy; “Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento, Vertido y Reutilización”. Editorial McGraw - Hill, Prólogo de Ángel Cajigas, Subdirector General de calidad de las aguas, 3ª edición (1995). 3. Ormad Melero, Mª Peña; Calvo Calzada, Begoña; “Gestión y tratamiento de aguas residuales”. Cátedra Mariano López Navarro. Universidad de Zaragoza. 8. 2. Páginas web 1. http://www.mma.es/ Ministerio de medio ambiente. Consultada Marzo 2011. 2. http://www.wikipedia.org/ La enciclopedia libre. Consultada Abril 2011. 3. http://www.grundfos.es/ Catálogo de bombas online. Consultada Mayo 2011. 4. http://www.tratamientosdelaguaydepuracion.es/ Empresa Aguas del Mare Nostrum, S.L. especializada en los tratamientos y depuración del agua. Consultada Mayo 2011. 5. http://www.tecmoncade.com/ Empresa Tecmoncade, S.L. especializada en la fabricación de equipamiento hidromecánico para tratamiento y depuración de aguas. Consultada Mayo 2011. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 8. FUENTES DE INFORMACIÓN 97 6. http://www.ebara.es/ EBARA España Bombas, S.A. es una empresa española fabricante y comercializadora de equipos y sistemas de bombeo. Consultada Mayo 2011. 7. http://www.kaeser.es/ KAESER KOMPRESSOREN es un fabricante que ofrece sistemas de aire comprimido para el abastecimiento de procesos de producción y de trabajo. Consultada Junio 2011. 8. http://www.soplacas.com/ Soplacas es una empresa de construcción de depósitos prefabricados. Consultada Mayo 2011. 9. http://www.ecotec.es/ Ecología Técnica, S.A., es una empresa que ofrece difusores para tratamientos biológicos. Consultada Junio 2011. 10. http://www.sereco.it/ SERECO es una empresa especializada en el diseño y producción de equipos, maquinaria y plantas para la depuración de aguas. Consultada Mayo y Junio 2011. 11. http://www.pieralisi.nl/ Pieralisi es una tecnología dedicada al diseño de bombas centrífugas. Consultada Julio 2011. 12. http://www.contenedorespola.com/ Empresa dedicada a fabricar contenedores para recogida selectiva de residuos. Consultada Julio 2011. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” CAPÍTULO 8. FUENTES DE INFORMACIÓN 98 13. http://www.alcion.es/ Revista dedicada a la compra de equipos. Consultada Mayo, Junio y Julio 2011. 14. http://www.ultrapure.info/ Empresa de suministro de componentes y sistemas de tratamiento de aguas. Consultada Abril y Julio 2011. 15. http://www.bookpump.com/ Página web en la que se describe el proceso de digestión anaerobia. Consultada Abril 2011. 16. http://www.textoscientificos.com/ Textos Científicos es una recopilación de información y trabajos sobre diversos temas relacionados con la química, física, informática, ecología y otras áreas de ciencia. Consultada Abril 2011. 17. http://www.wikibooks.org/ Libros de texto, manuales, tutoriales u otros textos. Consultada Abril 2011. 18. http://www.youtube.es/ Videos sobre tratamiento anaerobio, aerobio, MBR. Consultada Abril 2011. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 1. DEFINICIONES 99 ANEXO 1. DEFINICIONES − Aguas pluviales: estas aguas limpias siempre que se pueda se deben separar de las contaminadas por el proceso para su vertido directo al medio ambiente puesto que carecen de sustancias que hayan alterado su calidad. − Aguas de intercambio calórico: son aquellas empleadas en procesos de refrigeración o calentamiento que terminado su fin se suman a las aguas pluviales o se reutilizan como aguas de limpieza siempre que no hayan sufrido cambios en su composición. En estos vertidos puede existir una leve contaminación térmica pero en principio no es significativa. − Aguas de limpieza: necesitan tratamiento ya que proceden del lavado y desinfección de edificios, de maquinaria e instalaciones, y por lo tanto están cargadas con materias contaminantes. − Aguas sanitarias o fecales: este vertido recogerá el agua procedente de sanitarios y fregaderos por lo que por sus características resultan asimilables al doméstico. − pH: medida de la acidez o alcalinidad de una solución que indica la concentración de iones hidronio [H 3 O + ] presentes en determinadas sustancias. − Sólidos en suspensión totales (mg/l) (SST): partículas sólidas pequeñas, inmersas en un fluido en flujo turbulento que actúa sobre la partícula con fuerzas en direcciones aleatorias, que contrarrestan la fuerza de la gravedad, impidiendo así que el sólido se deposite en el fondo. − Demanda Química de Oxígeno (DQO) Total (mg/l): medida que representa la cantidad de materia oxidable que hay en el agua residual y se estima como el oxígeno necesario para oxidar químicamente la materia orgánica contenida en el agua. Por medios químicos la oxidación de la materia orgánica es más completa que por medios biológicos, por lo que los valores de DQO siempre van a ser superiores a los de DBO 5 . “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 1. DEFINICIONES 100 − Demanda Biológica de Oxígeno (DBO 5 ) Total (mg/l): la demanda bioquímica de oxígeno representa la cantidad de materia orgánica presente en el agua y es la cantidad de oxígeno necesaria para estabilizar biológicamente la materia orgánica contenida en una muestra de agua incubada durante 5 días a 20 ºC. − Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK) (mg/l): refleja la cantidad total de nitrógeno en el agua analizada, suma del nitrógeno orgánico en sus diversas formas (proteínas y ácidos nucleicos en diversos estados de degradación, urea, aminas, etc.) y el ion amonio NH 4+ . Mide el nitrógeno total capaz de ser nitrificado a nitritos y nitratos y, posteriormente y en su caso, desnitrificado a nitrógeno gaseoso. No incluye, por tanto, los nitratos ni los nitritos. − Nitrógeno Total (NT) (mg/l): suma del Nitrógeno Total Kjeldahl y del nitrógeno en forma de nitritos y nitratos. − Intercambiador de calor: es un aparato cuyo objetivo es llevar una corriente de fluido a una temperatura determinada, calentándola o refrigerándola mediante otra corriente de fluido calefactor o refrigerante. Los fluidos circulan separados por una superficie a través de la cual intercambian calor. − UASB: reactor anaeróbico de manto ascendente − Licor mezcla: mezcla de flóculos bacterianos y el agua residual en el reactor biológico. − MLSS (mg/l): sólidos en suspensión del licor mezcla. − Poliacrilato de sodio: es un polímero formado por monómeros (CH 2 CH(CO 2 Na)). También se lo conoce como Súper Absorbente o SAP (super absorbent polymer). Se observa como un polvo blanco y sin olor. Puede aumentar su volumen hasta mil veces si se le agrega agua destilada. Debido a sus cualidades es utilizado en pañales, toallas higiénicas o procesos que requieran la absorción de agua. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 1. DEFINICIONES 101 La capacidad de absorber grandes cantidades de agua se debe a que en su estructura molecular existen grupos de carboxilatos de sodio que cuelgan de la cadena de composición principal del compuesto. Estos grupos, al entrar en contacto con el agua desprenden el sodio, dejando libres iones negativos de carboxilo. Los iones negativos se repelen, estirando la cadena principal y provocando el aumento de volumen. Para que el compuesto vuelva a ser estable y neutro, los iones captan las moléculas de agua. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 102 ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN El agua residual se puede someter a diferentes tratamientos, que se pueden clasificar en: − Pretratamiento: comprende un cierto número de operaciones, físicas o mecánicas. Tiene por objeto separar del agua la mayor cantidad posible de las materias que, por su naturaleza o tamaño, crean problemas en los tratamientos posteriores. Las operaciones de pretratamiento se pueden llevar a cabo por distintos procesos físicos que dependen del tipo de afluente (una estación de tratamiento puede incluir una o varias de estas operaciones, según su importancia y la calidad del agua bruta): o Desbaste: Desbastes por rejillas, tamices, decantación o filtración mecánica. o Desarenado-desengrasado: Desengrasado para la retirada de grasas, aceites, hidrocarburos y elementos flotantes en las aguas. o Sedimentación para eliminar los sólidos en suspensión por su mayor densidad en relación a la del agua. o Flotación para eliminar materias en suspensión por su menor densidad con relación a la del agua. − Tratamiento primario: se reduce la materia suspendida por medio de la precipitación o sedimentación, con o sin reactivos, o por medio de diversos tipos de oxidación química. Las operaciones de este tipo de tratamiento se pueden llevar a cabo por distintos procesos químicos: o Floculación y coagulación, utilizable cuando existe dificultad para la sedimentación de las partículas en suspensión. o Neutralización para modificar el pH. o Oxidación. o Reducción, como la utilización de sulfato de hierro para eliminar cromo. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 103 − Tratamiento secundario: se emplea para eliminar la contaminación orgánica disuelta, la cual es costosa de eliminar por tratamientos físico-químicos. Suele aplicarse tras los anteriores. Consisten en procesos biológicos o Tratamiento aerobio: La biomasa que actúa está constituida por microorganismos aerobios o facultativos, que necesitan oxígeno molecular libre para su crecimiento y actuación sobre el agua residual. La aireación del líquido de mezcla en un tratamiento biológico tiene como objeto suministrar el oxígeno necesario para que los microorganismos aerobios puedan realizar su ciclo vital, consumiendo la materia orgánica presente en un agua residual. Dicho oxígeno es preciso tanto para los citados microorganismos como para los microorganismos responsables del proceso de nitrificación, nitrosomas y Nitrobacter. Los nitrosomas oxidan el NH 3 en nitrito, producto intermedio, mientras que los nitrobacter transforman el nitrito, antes formado, en nitrato. Las bacterias nitrificantes son organismos muy sensibles a gran cantidad de sustancias inhibidoras, agentes tanto orgánicos como inorgánicos. La temperatura ejerce una gran influencia en el crecimiento de las bacterias nitrificantes, para que se produzca la nitrificación es básico que existan concentraciones de oxígeno disuelto por encima de 1 mg/l. Si el oxígeno es inferior a este valor, se convierte en el nutriente limitante del proceso y puede producirse el cese o la ralentización del proceso. → Sistemas de fangos activos: las bacterias se encuentran continuamente en movimiento, siendo esencial la agitación mecánica o de aireación para conservar los fóculos en suspensión. La fauna se reduce a microorganismos. Se controla la masa microbiana purgando el exceso. → Lechos bacterianos o filtros percoladores: los flóculos quedan unidos de forma fija a otros elementos. La fauna son gusanos e insectos. El exceso de película microbiana queda eliminada por la acción de las propias bacterias. → Lagunaje “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 104 o Tratamiento anaerobio: Su biomasa está constituida por microorganismos anaerobios y /o facultativos, que necesitan un medio sin oxígeno y utilizan otros compuestos químicos para su crecimiento. La digestión anaeróbica es un proceso biológico a través del cual, en ausencia de oxígeno, la materia orgánica es transformada mediante la intervención de distintos grupos de microorganismos en biogás o gas biológico, formado principalmente por metano y anhídrido carbónico (metano: CH 4 55-80%, dióxido de carbono: CO 2 20-45% y trazas de otros elementos como ácido sulfídrico). La fermentación anaeróbica se produce de forma natural cuando se dan las condiciones adecuadas, sin embargo, a nivel industrial se puede controlar la reacción para optimizar el proceso (controlando el tiempo, la temperatura y otros parámetros del proceso) y recoger la energía (en forma de metano) que se desprende. El porcentaje de metano en el biogás varía, según el tipo de materia orgánica digerida y de las condiciones de la digestión, desde un mínimo de un 50% hasta un 80% aproximadamente. Existen diferentes tipos de reactores anaerobios y se diferencian principalmente en la forma en que los organismos son retenidos en el interior del reactor. Los más conocidos son: → Sistema de contacto de fangos: Existe una separación externa de los microorganismos y fango, que vuelven de nuevo al reactor por recirculación. Este proceso se utiliza para el tratamiento de aguas residuales con elevada cantidad de sólidos lentamente digeribles y que sedimentan con facilidad. La velocidad de carga suele ser de 1 a 6 Kg DQO/m 3 *día, con tiempo de residencia en el digestor superior a un día. Por este motivo, los reactores son voluminosos. → Sistema de lecho de fangos o lecho suspendido: La tecnología UASE está basada en la acumulación de microorganismos en un reactor, cuyas características de sedimentación impidan su arrastre fuera del mismo. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 105 Este reactor dispone de un dispositivo de separación gas-líquido-sólido, por medio de campanas colectoras situadas en su parte alta, mediante la cual se consigue la sedimentación de los flóculos de pequeño tamaño que ascienden adheridos a las burbujas de gas. También dispone de un sistema de introducción y distribución uniforme del influente (aguas de entrada), en la base del reactor. Las concentraciones de biomasa van desde 60 g. sólidos totales/l, en el fondo, hasta 10 g/l cerca de la salida. Debido a la gran concentración de lodos dentro del reactor, pueden conseguirse velocidades de carga orgánica de 5-30 Kg DQO/m 3 *día y tiempos de residencia entre 0,2-2 días.  Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB): Contiene un dispositivo situado en la parte superior del reactor (separador de tres fases) que permite separar internamente la biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue acumular grandes cantidades de biomasa muy activa que adopta la estructura de gránulos compactos con una elevada capacidad de sedimentación. → Sistema de lecho fijo o filtro: El proceso biológico en este digestor lo realiza la biomasa metanogénica que está retenida en el interior del reactor, mediante la adhesión en forma de biopelícula en los intersticios de un soporte inerte, que rellena el digestor y a través del cual se hace pasar el agua residual a depurar. Este relleno puede ser desordenado o canalizado:  Filtros anaerobios (AF): La biomasa se encuentra unida a un medio inerte o atrapada en él. El afluente atraviesa el reactor con flujo vertical, bien ascendente o descendente. El tamaño de dichas partículas es grande y su tasa de colonización por parte de las bacterias depende de la rugosidad, porosidad, tamaño de poro, etc. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 112 Figura 32. Características de cada una de las etapas La actividad microbiana, y entonces la producción de biogás, aumenta al aumentar la temperatura. Pero una temperatura demasiado alta causa la degradación de los enzimas necesarios al metabolismo. En la Figura 33 se puede ver cada grupo de bacterias metanogénicas tienen un máximo de crecimiento en el interior de su respectivo intervalo de temperatura. Figura 33. Relación entre la tasa de crecimiento y la temperatura para los tres grupos metanogénicos “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 113 La digestión termofílica permite una permanencia mínima en los estanques por lo que el diseño de reactores es para un volumen más reducido mejorando así la destrucción de bacterias y la deshidratación de lodos. Pero trabajar en este rango requiere mayores necesidades energéticas para el calentamiento, y debido a la sensibilidad del reactor a los cambios de temperatura se exige un gran control y en consecuencia, no es aconsejable trabajar en este rango. Por lo cual se recomienda una digestión mesofílica a temperatura controlada. En la Tabla 52 se indican las características principales de estos reactores biológicos y sus condiciones de funcionamiento. Tabla 52. Características principales de los diferentes tratamientos biológicos Lodos activos Lechos biológicos Lagunaje Formas de establecer contacto Rozamiento interno Precolación a través del lecho Natural y espontáneo Aireación Aireación mecánica Efecto de chimenea No se realiza Biomasa Flóculos en suspensión Film fijo al soporte Microorganismos en suspensión o en el fondo Necesidades energéticas Rozamiento y aireación Bombeo Ninguna Superficie de terreno para su implantación Media Media Grande Necesidad de personal Si. Nivel alto Si. Nivel medio No. Control periódico Costo de mantenimiento Alto Medio Bajo Consumo de energía Alto Bajo Nulo Producción de lodos Muy alta Baja Los sólidos en suspensión de las aguas negras Olores Si Si No Fiabilidad Depende del operador Si Si Terreno necesario Medio Bajo Alto “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 114 Dentro del sistema de depuración de fangos activos se pueden encontrar variedades de procesos como se muestra en la Tabla 53. Tabla 53. Características principales de las diferentes técnicas de tratamientos biológicos de fangos activos Modificación del proceso Modelo de flujo Sistema de aireación Eficiencia eliminación DBO, % Aplicación Convencional En pistón Aireadores mecánicos difusores 85-90 Aguas residuales domésticas débiles susceptibles de cargas súbitas Mezcla completa Mezcla completa Aireadores mecánicos difusores 85-95 Resistentes a cargas súbitas, aireadores de superficie Aireación escalonada En pistón Difusores 85-95 Aplicación a gran variedad de residuos Aireación modificada En pistón Difusores 60-75 Grado intermedio de tratamiento en el que el tejido celular en el efluente no supone inconveniente Contacto estabilizante En pistón Aireadores mecánicos difusores 80-90 Expansión de los sistemas existentes, plantas compactas, flexible Aireación prolongada Mezcla completa Aireadores mecánicos difusores 75-95 Plantas compactas, flexible, aireadores de superficie Proceso de Kraus En pistón Difusores 85-95 Residuos muy resistentes de poco contenido en N 2 Aireación sin carga Mezcla completa Aireadores mecánicos 75-90 Uso con aireadores de turbina para transferir O 2 y controlar el tamaño del flóculo, aplicación general Sistema de oxígeno puro Reactores en serie de mezcla completa Aireadores mecánicos 85-95 Se emplea cuando se dispone de volumen limitado; utilización próxima a la fuente económica del O 2 , turbina o aireadores superficiales De Membranas Flujo Pistón Aireadores Mecánicos Difusores 85-95% Se emplea cuando se dispone de volumen limitado; Plantas con gran carga orgánica “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 115 En la Tabla 54 se ve reflejada la reducción de DBO 5 en los distintos tratamientos. Tabla 54. Reducción de parámetros según el sistema de tratamiento Sistema de tratamiento Denominación común Reducción DBO 5 (%) DQO (%) NTK (%) SST (%) AYG (%) Mecánico Reja y tamiz 5-15 5-15 25-40 5-10 Mecánico + físico Flotación grasas 30-45 30-45 5-15 80-85 > 90 Mecánico + físico/químico Floculación / flotación 70-80 70-80 50-60 90-95 > 90 Mecánico + físico + biológico Biológico 95-99 > 90 85-97 > 95 > 95 Mecánico + físico/químico + biológico Biológico 95-99 > 90 85-97 > 95 > 95 Las aguas residuales de una industria agroalimentaria son de naturaleza orgánica y mineral y contiene gran cantidad de sólidos en suspensión, coloides y disueltos. El proceso de depuración que se ha de realizar se basa en el tratamiento biológico anaeróbico que sólo se utiliza para bodegas con datos de caudal muy elevados. − Tratamiento terciario: higieniza y adecúa el agua para el consumo urbano y aplicaciones industriales que requieran la máxima pureza del agua. Existen varios tipos, todos ellos con el mismo fin: mineralizar el agua reduciendo su ionización. o Adsorción : basados en la adición en la muestra de carbón activo, gel de sílice o alúmina. Sirven principalmente para eliminar detergentes, colorantes, disolventes clorados, olores y sabores. o Intercambio iónico : se intercambian aniones y cationes por otros respectivos orgánicos para conseguir mayor pureza en la muestra. o Por membranas : se hace pasar un flujo de agua por una membrana que separa los sólidos en suspensión (SS) disueltos. Cada tipo de membrana trabaja a una presión específica en función del nivel de filtración que se desea. “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 116 membrana depresión permeado Mezcla aireada Mezcla aireada Tipos de membranas: → Microfiltración: membranas a una presión menor de 2 bares → Ultrafiltración: membranas de 1 a 5 bares. Un ejemplo de este tipo de membranas es el sistema MBR (Figura 35) funciona en los siguientes modos operativos: Ciclo de proceso (producción de permeado) (Figura 34): se aspira el agua depurada del interior de la membrana y se produce el líquido filtrado. Figura 34. Flujo de permeado durante la filtración  Ciclo de contralavado: se invierte el sentido de flujo de permeado para introducir cierta presión (0,3-0,5 bar) en la membrana con el fin de eliminar el lodo adherido y las partículas sólidas que bloquean la membrana.  Ventilación o purga: se elimina el gas que se ha acumulado en el cabezal de permeado.  Relajación “Diseño de una E.D.A.R. para industria bodeguera y de zumos” ANEXO 2. DIFERENTES PROCESOS DE DEPURACIÓN 117  Limpieza:  De mantenimiento: se realiza con hipoclorito de sodio, un fuerte oxidante que controla la suciedad orgánica en la membrana oxidando los depósitos de suciedad orgánica, o el ácido cítrico, que controla la suciedad inorgánica.  De recuperación: está diseñada para recuperar la permeabilidad perdida de la membrana debido a la suciedad o sarro. Es preferible que se realice al menos una vez al año, o cuando la permeabilidad de la membrana ha bajado a menos del 50% del valor estable inicial. Figura 35. Funcionamiento de la membrana Siendo: → Nanofiltración: membranas a una presión entre 5 a 15 bares → Ósmosis inversa: membranas de 15 a 70 bares. → Electrodiálisis: Deja el agua pura sin ningún tipo de anión o catión.