Modelo matemático para el diseño de reactores biológicos

2 3 MODELO TAR PARA EL DISEÑO DE REACTORES BIOLOGICOS. APLICACIÓN A LOS TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES DE AGUAS RESIDUALES. El MODELO TAR se ha desa ollado pa a calcula coe icien es de diseño y má genes de ope ación en la explo ación de los p ocesos de a amien o no con encionales de aguas esiduales, aunque las posibilidades de aplicación son mucho más amplias. Es un modelo basado en el compo amien o de los o ganismos i os, y a pa i de es e se deben esol e los p oblemas cons uc i os del eac o . El modelo o ece ías de mejo as cons uc i as, que da ían mejo es compo amien os. En de ini i a, es e modelo es de los p ime os que se ocupa de los se es i os, pa a los que se cons uye un hábi a adecuado, el eac o . En el modelo en conc e o, au odenominados biomasa de ans o mación de ma e ia o gánica o simplemen e "bio" al g upo de di e en es o ganismos i os que in e ac úan con el sis ema, ya sean á boles, a bus os, algas, hongos, o bac e ias de asociaciones más o menos di e sas, que ope an en el p oceso de a amien o. Se es udia su compo amien o como se es i os unicelula es o mul icelula es bajo mul i ud de a iables, lle adas incluso a condiciones ex emas, y sus esul ados son analizados po unidad de a amien o (especi icado pa a cada uno de los p ocesos) con el obje o de conoce lo máximo posible sob e su unción, ac uación, compo amien o, endimien o y los má genes de segu idad que debe ían adop a se. De es e modo pueden calcula se los olúmenes, caudales a a a , máximo de ca ga o gánica, e c.; sabiendo expe imen almen e las ca gas sopo adas po unidad de a amien o. Se ha encon ado que el p oceso (el se i o que ac úa), colapsa en odos los casos, po exceso hid áulico, caudal c í ico o po exceso nu icional, ca ga o gánica c i ica. Se han p epa ado ya p opues as o ap oximaciones pa a de ini los má genes de segu idad, pa a calcula los caudales y ca gas o gánicas de ope ación, o diseño. Es e compo amien o ha sido además obje o de es udio en una g an can idad de plan as de ecnología no con encional du an e pe iodos de has a doce años, an o ope a i as como en p oyec os pilo o, bien con unciones de man enimien o o dina io como en Andalucía o expe imen ales como en Te uán. Aplicando el modelo ha podido explica se su compo amien o, y calcula se los coe icien es de diseño de di e en es ecnologías en con igu aciones básicas. El modelo se ha e elado e icaz, ambién pa a el il o de u ba, donde la acción de la adso ción pesa más, en p incipio, que la acción biológica. 4 MODELO TAR UNITARIO PARA EL DISEÑO DE PROCESOS BIOLÓGICOS BASADOS EN SU COMPORTAMIENTO. APLICACIÓN AL TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES PARA ELIMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA. Se ha desa ollado el MÉTODO TAR de diseño de p ocesos biológicos, que se aplica al a amien o de aguas esiduales, basado en el es udio expe imen al del compo amien o de una g an can idad de plan as expe imen ales y eales, en uncionamien o con inuo y u ina io. Las conside aciones que se han enido en cuen a pa a desa olla el p esen e modelo ma emá ico son las siguien es: 1. Se han es udiado una g an a iedad de p ocesos, donde el peso undamen al de la eliminación de la ma e ia o gánica del agua esidual co esponde a o ganismos i os, po a iados que puedan se . Es os o ganismos i os son á boles, a bus os, cañizos, algas, bac e ias, e c. 2. Se ha conside ado el p oceso como un o ganismo i o en sí mismo, aunque puede habe una g an can idad de especies di e en es, como es el caso de los humedales a i iciales, es udiando sus espues as a di e en es es ímulos ex e io es. 3. Se llama biomasa ans o mado a de ma e ia o gánica, “Bio”, a la suma de odas las especies i as que ac úan en el p oceso, conside ando sus in e acciones en e ellas y el en o no c eado de o ma na u al o a i icial. 4. El eac o biológico ma ca el en o no ísico, químico y biológico, donde de o ma na u al, acele ada o ancamen e modi icada ocu en los p ocesos de ans o mación de ma e ia o gánica. 5. Cuan o menos modi icado más mul i a iable se á el sis ema, po ello deben especi ica se mejo las condiciones mínimas que pe mi an el cálculo y la pos e io aplicación del modelo de diseño. 5 6. Sob e los esul ados expe imen ales ob enidos en el seguimien o de las plan as es udiadas se han ealizado los balances de masa pe inen es: c ecimien os de biomasa ans o mado a de ma e ia o gánica, “Bio”, y la educción consiguien e de la ma e ia o gánica apo ada. 7. Los endimien os, se han elacionado con las unidades especí icas de cada ipo de eac o , de o ma que se ha es ablecido la eliminación de ma e ia o gánica, o la depu ación conseguida po unidad especí ica de a amien o: m3 de laguna anae obia, m2 de il o de u ba, m2 de laguna acul a i a (m2 de insolación), e c. La elección de la unidad especí ica nos o ien a al diseño pos e io , y condiciona las conclusiones ob enidas, po eso es uno de los pun os cla e en la ob ención de un modelo adecuado que explique el compo amien o del sis ema. Una ez desa ollado el modelo ma emá ico, con las conside aciones an e io es, se ha aplicado a una se ie de a amien os no con encionales pa a los que se quie e aplica una nue a o ma de diseño. Se han e aluado una se ie de da os expe imen ales de plan as pilo os y eales pa a es udia su compo amien o y calcula los pa áme os de diseño, y los lími es posibles en el man enimien o de cada una de las di e en es ecnologías de a amien o. An es de desa olla el modelo, se an a de ini una se ie de pa áme os que se han conside ado necesa ios pa a su elabo ación. PARÁMETROS: F = CAUDAL DE ENTRADA. DBOe = CONCENTRACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA DEL AGUA DE ENTRADA. DBOs = CONCENTRACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA DEL AGUA SALIDA. X= BIOMASA TRANSFORMADORA DE MATERIA ORGÁNICA. V= VOLUMEN DEL REACTOR BIOLÓGICO. Fp= CAUDAL DE EXCESO DE FANGOS. 6 CARGA MÁSICA: XV DBOeF Cm ⋅ ⋅ = TIEMPO RETENCIÓN DE SÓLIDOS: salidasalida eac o XF XV E ⋅ ⋅ = CARGA VOLUMÉTRICA: V DBOeF C ⋅ = RENDIMIENTO: 100 DBOe DBOsDBOe (%)R⋅ − = TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO: F V TRH = Se han escogido in e alos de iempo su icien es pa a p omedia el compo amien o del sis ema, desca ando los pun os ex emos de endimien os, po encima o po debajo del ni el medio. Se ha abajado en la elabo ación de se ies de da os medios a lo la go de odo el año. Al oma coe icien es po unidad especí ica de a amien o, pueden elaciona se los compo amien os (po unidad de a amien o) de las di e en es plan as, con lo que las cu as expe imen ales cub en la mayo ía de las a iaciones espaciales y empo ales posibles, consiguiendo un modelo lo más ep esen a i o posible. El modelo debe conside a , explica y calcula el compo amien o del sis ema en las condiciones más des a o ables, dando un ma gen a la mejo a de esul ados en el man enimien o pos e io . La in luencia de las condiciones clima ológicas, queda ecogidas en las se ies anuales de da os las plan as que se han e aluado, pe mi iendo diseña conside ando las épocas más des a o ables. En odo caso, el seguimien o se ha ealizado ín eg amen e en Andalucía y en Te uán, egiones ípicas de clima medi e áneo no ex emo. 7 A. DISEÑO DE REACTORES BIOLÓGICOS MEDIANTE EL MÉTODO DE CÁLCULO TAR. En el p esen e mé odo de diseño TAR amos a pa i de dos condiciones de pa ida pa a el desa ollo de la eo ía expe imen al: CONDICIÓN PRIMERA Pa a que un eac o biológico sea iable, debe man ene un mínimo de población de biomasa ans o mado a de ma e ia o gánica, “Bio”, en su in e io . Los componen es que mue en más los que salen en el e luen e deben se compensados, al menos, po los que nacen en la unidad de iempo e aluada. Supongamos un eac o biológico con el siguien e balance en unidades “Bio” en un iempo . En un esquema simpli icado del p oceso, sin conside a o as in e acciones, se ía el siguien e: F ENTRAN: 0 SALEN: 5 RELACIÓN DE SALIDA DE MATERIA BIOMASA TRANSFORMADORA DE MATERIA ORGÁNICA 2F SALEN 10 SISTEMA VIABLE 10F SALEN 50 SISTEMA VIABLE 15F SALEN 75 SISTEMA VIABLE 16F SALEN 80 PUNTO CRÍTICO 100 NACIMIENTOS – 20 MUERTES – 80 SALIDA FIGURA 1. EXPLICACIÓN DEL LAVADO DEL REACTOR NACEN 100 MUEREN 20 8 SI CONTINUAMOS CON EL PROCESO, EVALUANDO EL % RENDIMIENTO EN DEPURACIÓN, TENDRÍAMOS UNA GRÁFICA DE ESTE TIPO. % PUNTO CRÍTICO DEPURACIÓN F 4 F 8 F 12 F Fc F Fc = caudal máximo de en ada. El pun o c í ico, conlle a un concep o impo an e, es aquel en el que sale del sis ema la mayo can idad de biomasa ans o mado a de ma e ia o gánica, sin una pé dida signi ica i a de e icacia en el eac o , lo que signi ica que se compensa po el mayo c ecimien o de biomasa posible en las condiciones de abajo del eac o . El pun o c í ico, como es ob io, no debe alcanza se en ningún caso den o de un eac o biológico, pues o que el iesgo de la ado es g ande, y la ecupe ación del eac o puede se muy complicada, ya que segu amen e se necesi a de un iempo y un cos e ele ado. Conside ando el iempo de e ención hid áulico: Se debe diseña con un ma gen de segu idad, con un caudal de diseño F ope ación con po cen aje meno al F c í ico. TIEMPO DE RETENCIÓN CRÍTICO DEL REACTOR: CRÍTICO REACTOR CRÍTICO F V TRH = 9 CONDICIÓN 2 A igualdad de o os ac o es, el endimien o de un eac o depende del g ado de con ac o de la biomasa exis en e con la ma e ia o gánica del agua esidual. Pa a mejo a los endimien os debe inc emen a se dicho con ac o, bien agi ando el agua esidual, o buscando biomasas más mó iles o es imulando las exis en es. En odo caso debe mejo a se el olumen “ú il” del eac o . Las ope aciones que amos a emplea pa a mejo a el endimien o del eac o biológico son: 1. Agi ación. 2. Mayo es eco idos de la alimen ación. 3. Reci culaciones. 4. Mejo disponibilidad de la biomasa. Tomando como ejemplo una laguna anae obia, y un diges o anae obio agi ado podemos dis ingui cla amen e ambos concep os. SIN AGITACIÓN SALE POCA BIOMASA LAGUNA ANAEROBIA POCO CONTACTO: BIOMASA / MATERIA ORGÁNICA CON AGITACIÓN SALE MAS BIOMASA DIGESTOR ANAEROBIO AGITADO MÁS CONTACTO: BIOMASA /MATERIA ORGÁNICA FIGURA 2: RELACIÓN CON LA AGITACIÓN DEL REACTOR 16 La “edad del ango”, en p ocesos bac e ianos con p ocesos bac e ianos con eci culación puede asocia se a “acumulación de biomasa ans o mado a de ma e ia o gánica”. µMAXIMO = CRECIMIENTO BIOMASA – MUERTE BIOMASA Xk d dX K d dX dMAXIMO −==µ K = Cons an e del c ecimien o del p oceso. d K X dT dX K X d dX −= En p ocesos “acele ados” pa a a a ma e ia o gánica, el c ecimien o debe se , en gene al, bas an e mayo que la mue e de biomasa, pa a que el p oceso de luga a una ecnología compe i i a. Po ello, en muchos casos Kd puede desp ecia se, en un cálculo que exige abaja con má genes de segu idad como es el diseño de eac o es. == OCRECIMIENT TOTAL BIOMASA BIOMASA d dX X TIEMPO DE RESIDENCIA DE BIOMASA El iempo de ans o mación y el c ecimien o de biomasa, pe mi en el cálculo de diseño de la biomasa en exceso, que según los casos, debe se e i ada del p oceso. 17 C. RELACIÓN DEL MODELO DE COMPORTAMIENTO TAR CON LOS MODELOS CINÉTICOS DE CRECIMIENTO. Una ez que se calcule µm, c ecimien o máximo, se puede elaciona con el c ecimien o bac e iano a lo la go de oda la e olución del sis ema. Pa a ello debe escoge se el modelo ciné ico adecuado, dependiendo del p oceso biológico con más peso en el a amien o es udiado. El Modelo más gené ico y u ilizado en los p ocesos bac e ianos es el de J. Monod, y modi icado azonablemen e, se ha u ilizado pa a muy di e sos sis emas. µMAXIMA A µ B Km MATERIA ORGÁNICA FIGURA 3: GRÁFICA DEL MODELO DE J. MONOD 18 A bajas concen aciones (A), la eacción es de p ime o den, el c ecimien o depende de la concen ación de sus a o. µ = K C A al as concen aciones (B), el c ecimien o se hace cons an e e igual a µmax, y la eacción es de o den 0. En los p ocesos na u ales, las eacciones pa a la u ilización de sus a o son múl iples, se conside a como la suma o al de odas ellas, y se le puede aplica la ecuación de J. Monod, en la mayo ía de los casos, y no solo a los p ocesos bac e ianos. µ = µ max CKm C + Km = concen ación de sus a o pa a µ = µmax / 2 µmax = c ecimien o máximo. Es e modelo no pe mi e p edeci simul áneamen e el compo amien o de sis ema a iempos de e ención la gos y co os y pa a sus a os complejos no se pueden ob ene los pa áme os. Los modelos de p ime o den son de uso muy simple y se ajus a bien a los da os expe imen ales. Pe o no pe mi en p edeci las condiciones de máxima ac i idad biológica, zona (B) de la Figu a, ni los desajus e del sis ema. Después del modelo de Monod, se han usado muchos, como el de Con ois, el de Chen y Hasimo o (1978), de aplicación excelen e en p ocesos anae obios o de c ecimien os len os. 19 ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡−+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛µ=µ Co C K1K Co C MAX Donde: C = concen ación de sus a o en el diges o . Co = concen ación de sus a o en la alimen ación. K = cons an e ciné ica adicional. Concen aciones exp esadas como DQO en el caso de p ocesos anae obios, aunque no odo sea admisible po los mic oo ganismos, pe o su a iación en ausencia de oxidan es debe se p opo cional a la p oducción de me ano. Es e modelo da espues as lógicas a las condiciones ex emas de alimen ación. Así, cuando la dilución de la alimen ación se ace ca al pun o de la ado, iempo de esidencia hid áulica c í ico, µ iende a µmax. Pa a alimen ación endiendo a ce o µ iende a 0. Además Chen y Hasimo o, desp ecian el ac o Kd en e a 1/TRH, en eac o es de mezcla comple a y es ado es aciona io. µ = ( TRH 1 ) + Kd µ = TRH 1 De aquí podemos calcula µma75 x si conocemos expe imen almen e TRH c í ico 20 TRANSFORMACIÓN EN LOS REACTORES BIOLÓGICOS: KdX dT dX K dT dX MAXIMO −==µ dT dX K = C ecimien o de biomasa. KdX = Mue e de biomasa. K= Cons an e de c ecimien o del p oceso. Kd X dT dX K X dT dX −= OBIOMASACRECIMIENT BIOMASA d dX X= =TIEMPO DE ACTUACIÓN DE LA BIOMASA (SIMILAR A LA EDAD DEL FANGO EN PROCESOS BACERIANOS) 21 D. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE µMAX: Se ep esen a á el endimien o del p oceso en e a caudales c ecien es de en ada, espe ando encon a un pun o c í ico, caudal c í ico, en el cual el endimien o disminuye d ás icamen e. % RENDIMIENTO PUNTO CRÍTICO 100 DBO DBODBO E SE − ZONA 1 ZONA 2 FCRÍTICO FIGURA 4: GRÁFICA DEL CAUDAL CRÍTICO P olongando asin ó icamen e las pendien es de las zonas an e io y pos e io al pun o c í ico, se ob iene F c í ico. El endimien o se escoge á sob e la p oducción de p oduc o (Ej. biogás en p ocesos anae obios) o en eliminación de sus a o y ma e ia o gánica, cuya exp esión ma emá ica es: 100 DBOE DBOSDBOE − = % DEPURACIÓN. SE ELIGE ESTE ÚLTIMO, POR SER MAS GENERAL, a los di e en es p ocesos biológicos es udiados. 22 E. MÁXIMA CARGA CONSUMIDA EN EL REACTOR BIOLÓGICO: En un eac o biológico en el que, en un p incipio, la alimen ación sea un ac o limi an e, con o me a aumen ando és a, aumen a á la concen ación de ma e ia o gánica en el sis ema con el consiguien e consumo de dicha ma e ia po la biomasa del eac o . Es a endencia, llega á a un pun o máximo, donde el consumo de la ma e ia o gánica po la biomasa, es a á limi ada po la can idad de la misma que pueda coloniza el eac o en condiciones mínimas de endimien o, el olumen del eac o empeza á a se el ac o limi an e. Pa a ob ene el pun o c í ico se en en a án la p oducción del eac o , o en su de ec o la ma e ia o gánica consumida en e a la alimen ación de en ada po unidad de a amien o. En el pun o c í ico, un aumen o de la alimen ación de en ada da luga a una disminución de la p oducción del eac o , o de su consumo de ma e ia o gánica. Nues o se i o, se ha empachado. KG DBOCONSUMIDA KG BDOENTRADA FIGURA 5: CURVA DE LA CONCENTRACIÓN MÁXIMA 23 Tomando una se ie de da os simulados, en eliminación de DBO, puede e se g á icamen e el pun o c í ico. Kg DBOE Kg DBOCONS. (Kg DBOCON/ Kg DBOE) 100 PRODUCTIVIDAD 10 9 90% 20 17 85% 30 24 80% 40 30 75% 50 35 70% 60 39 65% 70 42 60% 80 44 55% 90 45 50% 100 46 46% PUNTO CRÍTICO 110 44 40% 120 42 35% Al conoce expe imen almen e la can idad máxima de alimen ación que puede elimina se en un de e minado eac o biológico, si se elaciona con la unidad de a amien o (m3, m2 supe icie,…) puede conoce se el olumen o can idad de a amien o necesa io (m2 de supe icie de ins alación, e c.) del eac o necesa io pa a p ocesa una de e minada ca ga o gánica conocida p e iamen e y las necesidades de una de e minada población, con unas ac i idades p opias que den luga a unos e idos de e minados. 24 Es e olumen calculado expe imen almen e se á di e en e del que se hubie a de e minado si el pun o c í ico del sis ema es u ie a en el caudal de en ada. % SATURACIÓN DE DEPURACIÓN CAUDAL FCRITICO CAUDAL SATURACIÓN DE ALIMENTACIÓN KG DBOCONSUMIDO FCRITICO 1 FCRITICO 2 FCRITICO 3 KG DBO FCRITICO= ENTRADA CRÍTICOS |DBO| KG FIGURA 6: COMPARACIÓN DE AMBAS GRÁFICAS 25 Se pueden compa a los pun os c í icos po exceso de caudal, FCRÍTICO, con los caudales que po en la alimen ación c í ica, di idiendo los kilog amos de alimen ación po la concen ación de ma e ia o gánica en la alimen ación. 32 H. CÁLCULO EXPERIMENTAL DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS NO CONVENCIONALES ESTUDIADOS. Pa a una de e minada localidad, se es ablecen los ho izon es de población opo unos, se calculan las do aciones, y las ca gas a depu a , y así se es ablece el da o de pa ida, caudal dia io, concen ación de ma e ia o gánica, y sólidos en suspensión, como a iables undamen ales. No pueden ol ida se lo especiales que son, en gene al, las poblaciones u ales en el uso del agua. Una e aluación desa o unada de caudales, calidades, y de la ges ión del agua, lle a ineludiblemen e a p oblemas, que luego la plan a cons uida, di ícilmen e pod á sol en a sin su imien o. De e minados, los pa áme os iniciales, el caudal, y la ma e ia o gánica dia ia ma can el diseño del p oceso biológico. Los sólidos en suspensión obligan al desa ollo del p e a amien o, y condicionan la elección del a amien o biológico pos e io . Los demás pa áme os, no pueden se mejo ados en la es ación depu ado a de aguas esiduales u banas, y deben egula se p e iamen e a la plan a, median e un opo uno con ol de e idos, y a amien o en o igen. Po ello pa a diseña el eac o biológico debe calcula se su olumen, y las ca gas dia ias de caudal y de ma e ia o gánica que puede sopo a , y po ello los óp imos de diseño y los má genes de ole ancia pe mi idos en el man enimien o. 33 I. PROCESO DE CÁLCULO DE PARÁMETROS DE DISEÑO: Pa a cada a amien o di e en e se calculan y se en en an los da os de depu ación conseguidos en e al caudal de en ada po unidad de a amien o, pa a calcula el caudal c í ico, y po an o el iempo de esidencia c í ico. Así mismo se en en an los da os de ma e ia o gánica consumida po la ma e ia o gánica de en ada dia ia po unidad de a amien o, pa a de e mina la ma e ia o gánica máxima consumida, y a pa i de ahí las ca gas o gánicas máximas de diseño, y los má genes de ope ación en el man enimien o. Los kilog amos de ma e ia o gánica consumidos dia iamen e con la p oducción de biogás, biomasa e de, e c., según el p oceso de que se a e, se pueden en en a la ma e ia o gánica de en ada, de acue do a los balances de p oducción ya ci ados. Es deci , la p oducción / consumo de ma e ia o gánica en e a ma e ia o gánica po unidad de a amien o. No malmen e una de las dos cu as nos da á un pun o c í ico an es que la o a, y ese ac o , caudal o Kg de ma e ia o gánica de en ada se á el limi an e del p oceso, en las condiciones e aluadas. Si po ejemplo, enemos un caudal c í ico, y po lo que ue a, aumen á amos la concen ación de ma e ia o gánica, la alimen ación pod ía llega a se c í ica an es que el caudal, y con e i se en el nue o ac o limi an e. De la misma o ma pod ía ocu i al con a io. Así pueden calcula se los má genes, en e los que debe maneja se el man enimien o de la plan a. 34 RELACIÓN DE AMBAS CURVAS % RENDIMIENTO PUNTO CRÍTICO 100 DBO DBODBO E SE − ZONA 1 ZONA 2 FCRÍTICO F / UNIDAD DE TRATAMIENTO KG MATERIA CONCENTRACIÓN CRÍTICA ORGÁNICA CONSUMIDA / UNIDAD DE TRATAMIENTO ALIMENTACIÓN KG BDOENTRADA/UNIDAD TRATAMIENTO FIGURA 8: RELACIONES CRÍTICAS. 35 J. CÁLCULO DEL VOLUMEN O “CANTIDAD” DEL REACTOR, DE ACUERDO A LA VARIABLE CRÍTICA, CAUDAL, O ALIMENTACIÓN 1. CAUDAL CRÍTICO. Sabiendo el caudal a a a , y el F de ope ación po unidad de a amien o (con el ma gen de segu idad espec o al c í ico). Can idad de T a amien o = OTRATAMIENT OPERACIÓN TARDIARIOATRA UNIDAD F F ( olumen, supe icie iluminada, e c.) F ope ación, calculado expe imen almen e. TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO = OPERACIÓN F OTRATAMIENTCANTIDADDE 2. MATERIA ORGÁNICA CRÍTICA DIARIA. Si se conoce la can idad de ma e ia o gánica de diseño a a a dia iamen e, caudal po concen ación de ma e ia o gánica de la población, y se calcula la ca ga o gánica dia ia máxima a able, po unidad de a amien o, y a pa i de es e, la de ope ación (con el ma gen de segu idad espec o al c í ico). La can idad de a amien o a ealiza es: CANTIDAD DE TRATAMIENTO = OTRATAMIENT CIONCARGAOPERA OCARGADISEÑ UNIDAD KG KG (VOLUMEN, SUPERFICIE, …) 36 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONALES 1. DISTRIBUCIÓN DEL AGUA La dis ibución del agua esidual debe se lo más uni o me posible y a ía en cada una de las ecnologías: LECHOS BACTERIANOS: La dis ibución se hace no malmen e po aspe so es que pueden se ijos o mó iles. Los mó iles consis en en b azos gi a o ios dispues os adialmen e, con boquillas inco po adas y mo idos po ca ga hid áulica. LECHOS DE TURBA: No malmen e a a és de ube ías ígidas o de polie ileno lexible, sob e una igue a que a a iesa el lecho de u ba po su pa e cen al, o sob e el p opio lecho. Cada cie o amo apa ecen boquillas po donde sale el agua. BIODISCOS: El agua se encuen a en el in e io del anque sob e el que an en ando los discos. LAGUNAS: La en ada del agua esidual a la laguna anae obia debe ealiza se de al o ma, que el agua ci cule ap o echando al máximo el olumen ú il de la laguna. Po o a pa e, den o de laguna anae obia es necesa io asegu a una zona de anquilidad pa a a o ece la decan ación, po ello lo más con enien e se ía que el agua se in oduje a po una ube ía sume gida e icalmen e, has a la pa e in e media, pa a e i a c ea un égimen u bulen o que di icul e la decan ación. En el caso de las lagunas acul a i as la o ien ación debe se pe pendicula a la di ección del ien o, pa a e i a la o mación de zonas p e e enciales. La en ada del agua esidual a la laguna acul a i a debe o ien a se de o ma que el agua ci cule ap o echando el máximo del olumen ú il de la laguna y que ayude a c ea un égimen u bulen o que a o ezca el uncionamien o de la laguna. Po ello se aconseja que el agua sea in oducida en la laguna acul a i a po una ube ía sume gida has a el ondo pa a asegu a una mayo u bulencia. 37 FILTRO VERDE: El agua esidual a la que p e iamen e se ha some ido a un a amien o p ima io o al menos a un desbas e, se desca ga con oladamen e sob e el e eno gene almen e po inundación. Se p oduce el encha camien o del e eno po pa celas o ándose la boca de alimen ación pa a a o ece la ai eación del e eno. Ap oximadamen e cada subpa cela ecibe agua du an e una semana y eposa o as cinco. ESCORRENTÍA: La en ada de agua en los canales de esco en ía se ealiza en cabece a dis ibuyéndose po odo el canal po la g a edad p oducida po la pendien e del canal, has a que llega a la cola donde se ecoge en zanjas o canales de e acuación. 38 2. MATERIAL DE SOPORTE DEL TRATAMIENTO LECHOS BACTERIANOS: Es con enien e que la masa il an e enga la mayo supe icie especí ica posible, pa a que se pueda o ma la mayo can idad de película biológica. Es a ca ac e ís ica hay que conjuga la con el índice de huecos, ya que és os se án los que pe mi i án el paso del ai e y del agua. Los ma e iales de sopo e pueden se na u ales o a i iciales. Hay que cuida la uni o midad del medio po oso, su du abilidad y esis encia. Los ma e iales más u ilizados son la pied a sílice, el pó ido o pulzonadas. Los ma e iales a i iciales pueden se desde esco ias has a elemen os plás icos, ab icados especialmen e pa a conjuga supe icie y huecos, de o ma que se aumen e el endimien o po unidad de olumen. Las ca ac e ís icas del medio po oso ideal deben se : la economía, du ación, la ele ada supe icie especí ica, y un índice de huecos que asegu e su no a ascamien o. El olumen de agua e enido depende de la supe icie y amaño de los ma e iales del lecho, de donde esul a que la elección de los ma e iales il an es de los lechos es de suma impo ancia pues su diáme o o amaño de ine las supe icies disponibles. LECHO DE TURBA: la u ba es un ma e ial ca bonado de ma e ia ege al. Se usan dos a iedades denominadas: u ba mo ena y u ba ubia. La u ba iene un papel de il ación y además de deg adación biológica. Se dispone sob e di e en es capas de o os ma e iales, de abajo a a iba, enemos: a. Capa de g a a de 30 cm b. Capa de g a illa de 10 cm. c. Capa de a ena de 10 cm. d. Capa de u ba de 40 a 80 cm. 39 BIODISCOS: El medio sopo e debe selecciona se, pa a hace máximo el endimien o sin sac i ica la du ación ni sus p es aciones. El polie ileno (PE) de al a densidad ha desplazado el polies i eno (PS) po ene un cos e más educido. Los medios lle an un inhibido de la adiación UV como es el neg o de humo, pa a aumen a su du ación. Los medios p esen an una supe icie co ugada, que iene po obje o, inc emen a la supe icie po unidad de olumen de medio y aumen a la exposición al ai e en e o as. LAGUNAS: El medio de sopo e en es e ipo de sis emas de a amien o puede hace e e encia al p opio e eno sob e el que descansa las balsas y medio impe meable que se u ilice. FILTRO VERDE: Como unidad de depu ación se u ilizan plan as supe io es ca ac e izadas po ene una g an capacidad de abso be agua, y una g an esis encia a si uaciones de encha camien o. És as se disponen sob e un suelo de pe meabilidad mode ada, buena p oduc i idad y ex u a anco-a enosa p incipalmen e. ESCORRENTÍA: El medio de sopo e usado pa a el cul i o de las mac o i as eme gen es en es e ipo de ecnología, es un ma e ial ine e con el in de que las plan as omen los nu ien es exclusi amen e del agua esidual, y así ob ene un mayo po cen aje de depu ación. El canal debe es a impe meabilizado pa a e i a que se p oduzca la pe colación del agua a a és del e eno. 40 3. VENTILACIÓN LECHOS BACTERIANOS: La en ilación puede se na u al o o zada. La en ilación na u al se p oduce po e ec o de la di e encia de empe a u as del ai e y el agua. Al calen a se o en ia se el ai e en el in e io del lecho se p oduce una a iación de densidad que p o oca el mo imien o de la masa. Se ha comp obado que una di e encia de 6º de empe a u a p oduce un i o de 0.3 m3/m2. min. Cuando la di e encia es de 2º, se pa a el i o. En algunos ipos pa a e i a es e pa o de oxigenación, se ecu e a la en ilación o zada, inyec ando 0.3 m3/m2. min. De o ma a i icial. Se ecu e a es e sis ema cuando, po causas ex e io es como ío, hay que ce a los lechos. Hab á que ene en cuen a que es o ep esen a un inc emen o de po encia ins alada. LECHOS DE TURBA: cuando se seca el lecho de u ba se ealiza una e i ada de los lodos. La u ba se emue e pa a que se oxigene y egene e. BIODISCOS: Se a a de un sis ema que gi a in oduciéndose en el in e io del anque donde se encuen a el agua esidual. Po consiguien e, los discos quedan expues os al e na i amen e al agua y al ai e. Cuando la supe icie del disco se encuen a en con ac o con el ai e, la biomasa adhe ida al mismo oma el oxígeno necesa io pa a que du an e el pe íodo de inme sión se p oduzca la deg adación de la ma e ia. LAGUNAS: Las lagunas anae obias necesi an ausencia de oxígeno, po lo que la en ilación no iene sen ido. Las lagunas acul a i as necesi an oxígeno en su es a o supe io y ausencia de oxígeno en el es a o in e io . El es a o supe io dispone de oxígeno di ec amen e del ai e y de la o osín esis que se ealiza en es as capas supe io es de las lagunas. Las dos uen es de oxigeno en es as lagunas son la ac i idad o osin é icas de las algas y la eai eación a a és de la supe icie. ESCORRENTÍA: La oxigenación del suelo se p oduce g acias a la ac i idad de las plan as, és as oman el oxígeno a mos é ico a a és de sus hojas y lo libe an po las aíces. FILTRO VERDE: la ai eación del suelo sólo es posible di idiendo el e eno en subpa celas, y o ando el iego, pe mi iendo así la ai eación del suelo. 41 4. RECOGIDA DEL AGUA LECHOS BACTERIANOS. La ecogida de agua esidual a ada se e ec úa po medio de un disposi i o de d enaje en el ondo del lecho bac e iano. Es e sis ema con a á con un sis ema de canales de ecogida, con la ca ac e ís ica undamen al de que no deben exis i sedimen aciones, ya que el agua esidual lle a lóculos que sedimen a án en el decan ado secunda io. Pa a ello la pendien e se á del 1% o 2%, y la sección no i á nunca llena, ya que debe á se i ambién como canal de ai eación. Una ecomendación de diseño ma ca que, la zona de salida al also ondo de agua y ai e, sea el 15 ó 20% de la supe icie o al del il o. LECHOS DE TURBA: El in luen e as su paso po las di e en es capas, es ecogido en unos canales o ube ías de d enaje, desde donde se ecoge a la a que a de salida. BIODISCOS: El agua esidual se encuen a en un eac o donde se p oduce la depu ación, el e luen e sale del anque po el lado opues o al de en ada, y después del iempo de esidencia su icien e pa a consegui una buena decan ación de la biopelícula desp endida. LAGUNAS: el agua pasa de una laguna a o a a a és de canales o ube ías que pueden es a cubie os o no, no malmen e en el lado opues o al de en ada. FILTRO VERDE: el agua pasa a a és del e eno, y como es un sis ema abie o, no exis e ningún ipo de ecogida. El e luen e pe cola a a és del e eno una ez depu ado. ESCORRENTÍA: el agua esidual una ez depu ada se ecoge en una a que a de salida en la cola del canal. 48 LECHOS DE TURBA Como posible unidad de diseño se ha omado la denominada ca ga con aminan e máxima po unidad de supe icie de lecho de u ba, Kg DBO5 en ada/m2, y el denominado caudal c í ico, F/m2, ( m3/m2) Debido a la impo ancia de la in e acción en e la u ba y el agua esidual omamos como unidad de a amien o la supe icie del lecho (m2). CARGA CONTAMINANTE MÁXIMA Se ha omado como da os de pa ida, Kg de DBO5 de en ada y salida, ob eniéndose Kg de DBO5 consumida y se han e e enciado a la unidad de supe icie (m2) omada, ep esen ándose en e a los kg DBO5/m2 de en ada Al u iliza en el a amien o de da os pa áme os uni a ios de diseño ( kg DBO5/ m2), se pueden compa a los alo es ob enidos en las siguien es es aciones ob eniéndose sus g á icos co espondien es. PERÍODO DE MUESTREO FRECUENCIA TORRE ALHAQUIME 15/06/94 a 29/08/95 Mensual CUEVAS BAJAS 24/05/96 a 22/12/97 Mensual EL BOSQUE 28/09/95 a 29/10/96 Mensual LOS GALLARDOS 4/08/95 a 29/10/96 Mensual GRAZALEMA •/05/97 a •/03/98 Mensual SETENIL •/12/97 a •/03/98 Mensual VILLALUENGA DELROSARIO 8/05/97 a 4/03/98 Mensual 49 CARGA MAXIMA. LECHO TURBA 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 Kg DBO5 en /m2 Kg DBO5 consu/m2 En la g á ica se puede obse a como al i aumen ando la ca ga con aminan e que a en ando en la plan a, a aumen ando p og esi amen e la ca ga consumida po el lecho de u ba, no se puede ap ecia la ca ga máxima que es capaz de abso be el sis ema. Se necesi a ía mayo núme o de da os pa a pode con inua el diseño de la cu a y ob ene la ca ga con aminan e po supe icie ( m2) máxima u óp ima que es e ipo de sis ema es capaz de dige i . 50 CAUDAL CRÍTICO O o pa áme o in e esan e de es udio, en cuan o a endimien o del lecho de u ba es el denominado caudal c í ico (m3/m2), el olumen de agua máximo/m2 que podemos añadi a un sis ema de lecho de u ba a endiendo al endimien o espe ado. En la siguien e g á ica ob enida al ep esen a el caudal máximo a apo a en e al endimien o en ca ga con aminan e, se puede obse a : CAUDAL CRÍTICO. LECHO DE TURBA 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 Caudal/supe icie (m3/m2) % Rendimien o Apa ece un máximo de endimien o pa a un caudal de ap oximadamen e 0.55 m3/m2, a pa i de ese pun o aunque aumen emos la can idad de agua en el lecho po unidad de supe icie no aumen a el % de depu ación, incluso baja el endimien o po sa u ación del sus a o o colma ación de su capacidad de pe cola agua. 51 El pa áme o de dimensionamien o, se ía la supe icie necesa ia de lecho de u ba en unción del caudal po unidad de supe icie que le es a en ando a la plan a. ( ) Ro ación% m m F m a a aCaudal necesa iaSupe icie 2 3 ope ación 3 + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = %Ro ación ≡ Depende del núme o de lechos que abajen ( ecomendamos nº pa pa a acili a la labo del ope a io). Conside ando que se ían como muy acep ables endimien os al ededo del 80 % en depu ación, el ma gen de ac uación se ía con ca gas que puedan a ia de 0.45 a 0.65 m3/m2. El da o de caudal máximo ob enido de 0.55 m3/m2 , co esponde con una media de ca ga máxima de 0.28 kgDBO5e/m2 , pa a es e alo la g á ica de ca ga máxima no ha llegado a sa u ación, lo que pa ece indica que el lecho de u ba ha llegado a colma a su capacidad de il ación pe o no su capacidad de depu ación de agua . 52 LECHOS BACTERIANOS En el diseño de lechos bac e ianos juega un papel impo an e el ma e ial de sopo e de las bac e ias enca gadas de la depu ación así como el olumen de elleno, po lo que elegi emos como unidad de a amien o a la que e e imos los da os de las plan as de es udio el p oduc o Supe icie especí ica (m2/m3) x Volumen de elleno (m3). Pa a la ealización de los cálculos expe imen ales hemos pa ido de los da os ob enidos en las siguien es es aciones depu ado as du an e los pe íodos señalados: PERÍODO DE MUESTREO FRECUENCA CARRIÓN 30/08/99 a 1/07/01 Semanal EL GASTOR 14/05/96 a 9/09/97 Mensual ZAHARA DE LA SIERRA 21/05/96 a 9/09/97 Mensual Con las siguien es ep esen aciones g á icas se p e ende es ima el compo amien o del sis ema Lecho Bac e iano: An e di e en es ca gas de DBO5. An e di e en es caudales de en ada a a a . 53 RESULTADOS DEL ESTUDIO DE DATOS: CARGA MÁXIMA LECHOS BACTERIANOS 0,0000 0,0050 0,0100 0,0150 0,0200 0,0250 0,0300 0,0350 0,0400 0,0450 0,0500 0,0000 0,0100 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 DBO5 en ( Kg/Ud) DBO5cons(Kg/Ud) Median e la obse ación g á ica del compo amien o del sis ema lecho bac e iano podemos deci que es e sis ema esponde bas an e bien a un in e alo amplio de ca gas de en ada. De los alo es expe imen ales que disponemos no hemos llegado a de e mina la elación DBO cons./ DBO en . a la que el sis ema disminuye su endimien o. En la ealización del seguimien o del lecho bac e iano en las plan as en las que hemos basado el es udio no se llega on a u iliza e luen es con con enidos en ca ga o gánica supe io es a los p esen ados, no pudiendo mos a el ango de alo es de DBO5 en pa a el que el sis ema deja de da buenos endimien os. 54 CAUDAL CRÍTICO LECHOS BACTERIANOS 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 F / Ud % Depu ación Es impo an e la in o mación que nos da la g á ica del compo amien o del lecho ya que se puede obse a que a medida que amos aumen ando la elación F/Ud el endimien o del sis ema aumen a has a llegado a un pun o c í ico de en ada de caudal a pa i del cual el endimien o del sis ema disminuye. De es a g á ica podemos ob ene el F óp imo. Podemos obse a que es e sis ema posee mucha ine cia debido a la biomasa pegada a las piezas sopo e, es o hace que a de más en la a se el sis ema. 55 BIODISCOS El buen uncionamien o de los biodiscos es á di ec amen e elacionado con la o mación de la biopelícula sob e la supe icie de los discos. La película de biomasa bac e iana emplea la ma e ia o gánica soluble p esen e en el agua esidual como sus a o pa a su me abolismo. Debido a la impo ancia de la supe icie disponible pa a la o mación de la biomasa omamos como unidad de a amien o el m2 de supe icie de disco. Los da os pa a la ob ención de es os g á icos se ecogen en la siguien e abla: PERÍODO DE MUESTREO FRECUENCIA CARRIÓN 8/08/99 a 1/07/01 Semanal CTT 7/05/01 a 13/07/01 Mensual PEDROCHE 28/09/94 a 20/11/95 Mensual CARGA MÁXIMA BIODISCO 0,0 0 0 0,0 0 2 0,0 0 4 0,0 0 6 0,0 0 8 0,0 1 0 0,0 1 2 0,0 1 4 0,0 1 6 0,0 1 8 0,0 2 0 0,0 0 0 0,0 0 5 0,0 1 0 0,0 1 5 0,0 2 0 0 ,0 2 5 Kg DBO e n /m 2 Kg DBO cons/m2 56 CARGA MÁXIMA BIODISCO 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 Kg DBO en /m2 Kg DBO cons/m2 Según es a g á ica deducimos que el inc emen o de la ca ga de DBO/m2 de la en ada es p opo cional a la ca ga de DBO/m2 consumida, y po an o a mayo ca ga de DBO de en ada mayo se á la ca ga de DBO consumida. Sin emba go no hemos llegado a la ca ga máxima espe ada po al a de da os analí icos, pa a ello se necesi a un mayo seguimien o de las es plan as ci adas y de o as plan as que dispongan de biodisco como sis ema de depu ación de aguas esiduales. 57 88 84 85 79 77 78 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 F/m2 La igu a ep esen a la a iación del caudal (F) po unidad de a amien o(m2) en unción del po cen aje de depu ación. En la g a ica obse amos que: A mayo caudal meno po cen aje de depu ación, pe o es o no es signi ica i o pues o que la di e encia en e el máximo % de depu ación y el mínimo es del 10%, po lo an o no se puede deduci que hemos llegado al caudal c i ico. Si que emos llega a es e pun o c í ico necesi amos ealiza el seguimien o del sis ema de biodisco pa a alo es de caudal supe io es a los es udiados.