1. Dirección de Calidad Educativa
UNIDAD III:
TRATAMIENTO SECUNDARIO,
TERCIARIOY DE LODOS
Diseño de Plantas de Tratamiento 2022-II
MSc. Ing. Enrique Portilla
cportilla@continental.edu.pe
2. Propósito de la Clase
Identificar las diferentes etapas y métodos
usados en el tratamiento secundario y los
principales procesos biológicos a las que
AR’s son sometidas.
3. UNIDAD III:
CONTENIDO DE LA CLASE
Introducción
Clasificación
Microbiología
TRATAMIENTO SECUNDARIO / BIOLÓGICO
A .
B.
C.
4. 4
Objetivo:
• Remover la MO disuelta en el efluente
utilizando el metabolismo microbiano.
Características:
• Es el procedimiento más importante
dentro del tratamiento de AR.
• Es un procedimiento crítico.
• Bajo costo en relación a los tratamientos
químicos.
• Bajo impacto en el medio ambiente.
Introducción al tratamiento Biológico
A)
5. 5
Diseño de PTAR típico
Domenech J. 2003. OFFARM
Introducción al tratamiento Biológico
A)
6. 6
Tratamiento
Biomasa fija / lecho fijo
Tratamiento
con Biomasa suspendida
Filtros
Bio-Filtros
Filtros percoladores
Reactores biológicos
Aerobio / Lodos activados
anaerobios
Tratamiento biológico
Clasificación del tratamiento biológico
B)
7. 7
Bacterias
Hongos
Protozoarios
La concentración de microorganismos en un ARD típica es de 100 000
a 1 000 000 microorganismos/ml.
Rol primario: descompone los componentes del
AR y los transforma en sólidos sedimentables.
Rol de controlador biológico: controla el
crecimiento de la población microbiana
Colabora con las comunidades bacterianas en
la descomposición de la MO
Algas Provee O2 a los reactores aerobios. P. Ej. En
lagunas de estabilización.
La microbiología
C)
8. UNIDAD III:
CONTENIDO DE LA CLASE
9
Principio bioquímico
Clasificación
Consideraciones de diseño
Ejemplo de diseño
SISTEMA DE LODOS ACTIVADOS
9.1.
9.2.
9.3.
9.4
9. 9
Objetivo:
• Remover la MO disuelta en el efluente
luego del tratamiento primario
Sistema de Lodos Activados
9.
10. 10
Bioquímica al interior de reactores:
Richard T. Wright Dorothy F. Boorse, Environmental Science Toward a Sustainable Future, 3E
Principio bioquímico
9.1
16. 16
Parámetros de configuración
Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento
Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Municipales: Procesos de Oxidación Bioquímica con Biomasa Suspendida, Comisión Nacional del Agua, México
Consideraciones de diseño
9.3
17. 17
Modelo Práctico Modelo Biocinético
• Basado en la práctica y experiencia.
• Modelo ingenieril.
• Modelo empírico.
• Modelo fiable.
• Empleo de prototipos de ensayo
para el diseño.
• Basado en la microbiología de las
aguas residuales.
• Modelo científico.
• Utiliza variables biocinéticas que
intervienen en la descomposición
de la MO
Consideraciones de diseño
9.3
18. 18
Modelo Práctico
• Basado en la práctica y experiencia.
• Modelo ingenieril.
• Modelo empírico.
• Modelo fiable.
• Empleo de prototipos de ensayo
para el diseño.
Wastewater treatment, Delft University of Technology
Consideraciones de diseño
9.3
19. 19
1) Volumen del tanque de aireación:
Bx=
(Qi*So)
VTA.XTA
Consideraciones de diseño
9.3
Bx: Relación alimento/microorganismos (Kg DBO/Kg LA.d)
Qi: caudal de ingreso (m3/día)
So: DBO inicial (kg/m3)
VTA: Volumen del tanque de aireación (m3)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
Relación alimento/microorganismos (A/M)
VTA=
(Qi*So)
Bx.XTA
20. 20
Bx: Relación alimento/microorganismos (Kg DBO/Kg LA.d)
Qi: caudal de ingreso (m3/día)
So: DBO inicial (kg/m3)
VTA: Volumen del tanque de aireación (m3)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
1) Volumen del tanque de aireación:
Carga orgánica en el TA
Cantidad requerida de lodos
activos (LA)
Volumen el TA
Relación alimento/microorganismos (A/M)
CO = (Qi*So)
CLA=
CO
Bx
=
(Qi*So)
Bx
VTA =
CLA
XTA
VTA=
(Qi*So)
Bx.XTA
Consideraciones de diseño
9.3
21. 21
2) Caudales del sistema:
(Qi +QR)*XTA = QR*XR+Qe*Xe
(Qi +QR)*XTA = QR*XR
Se asume que Xe = 0
Consideraciones de diseño
9.3
a. Caudal de recirculación
QR: Caudal de recirculación (m3.d)
Qi: Caudal de ingreso (m3/día)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
XR: Concentración de lodos activos en el QR (g LA/L)
QR=
Qi*XTA
XR - XTA
22. 22
2) Caudales del sistema:
QR = fR*Qi
fR =
QR
Qi
• fR típico: 0.6
Consideraciones de diseño
9.3
a. Caudal de recirculación
QR: Caudal de recirculación (m3.d)
Qi: Caudal de ingreso (m3/día)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
XR: Concentración de lodos activos en el QR (g LA/L)
QR=
Qi*XTA
XR - XTA
23. 23
2) Caudales del sistema:
a. Caudal de recirculación
XRmax =
1200
SVI
Rango usual para XR:
4 – 12 g/L
QR: Caudal de recirculación (m3.d)
Qi: Caudal de ingreso (m3/día)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
XR: Concentración de lodos activos en el QR (g LA/L)
SVI = = (ml/g)
V
SSVLM
Indice de volumen de lodos (SVI)
QR=
Qi*XTA
XR - XTA
Consideraciones de diseño
9.3
24. 24
SVI (ml/g) =
Vlodos sedimentados (ml)
SSVLM (g)
Determinación del Indice de Volumen de lodos (SVI)
• SVI bueno < 100 ml/g
• SVI malo > 150 ml/g
• SVI típico 100 -150 ml/g
Agua residual
1 L
Sedimentación
a 30 min
Volumen de lodos
sedimentados
Ensayo
Consideraciones de diseño
9.3
25. 25
Determinación del Indice de Volumen de lodos (SVI)
Presencia de bacterias
filamentosas
Presencia de bacterias
No filamentosas
Guo 2014. CEJ
Consideraciones de diseño
9.3
26. 26
Determinación del Indice de Volumen de lodos (SVI)
• SVI bueno < 100 ml/g
• SVI malo > 150 ml/g
• SVI típico 100 -150 ml/g
Presencia de bacterias
filamentosas
Presencia de bacterias
No filamentosas
www.asissludge.com/Scripts/F22211210.htm
Microthrix parvicella
www.biologicalwasteexpert.com
Consideraciones de diseño
9.3
27. 27
Determinación del Indice de Volumen de lodos (SVI)
Mala sedimentación:
• Predominan las bacterias filamentosas
• Concentración de DBO (A/M) baja o muy variable.
• Baja concentración de nutrientes, especialmente(N y P).
• Factores ambientales: Temperatura, pH, O2
Crecimiento
de
biomasa
Sustrato
B. filamentosas
B. N. filamentosas
Consideraciones de diseño
9.3
28. 28
2) Caudales del sistema:
b. Caudal de purga
Qp: Caudal de purga (m3.d)
Y: producción de lodo biológico (kgLA/KgDBO)
Bx: Relación alimento/microorganismos (Kg DBO/Kg LA.d)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
VTA: Volumen del reactor (m3)
XR: Concentración de lodos activos en el QR (g LA/L)
Qp =
Y*Bx*XTA*VTA
XR
Consideraciones de diseño
9.3
29. 29
2) Caudales del sistema:
c. Tiempo de retención de lodos
θX: Tiempo de retención de lodos (días)
VTA: Volumen del reactor (m3)
XTA: Concentración de lodos activos en el reactor (SSVLM) (g LA/L)
XR: Concentración de lodos activos en el QR (g LA/L)
Qp: Caudal de purga (m3.d)
θX =
(VTA*XTA)
Qp*XR
Consideraciones de diseño
9.3
30. 30
3) Aireación:
a) Demanda de oxígeno
DTO: Demanda total de oxígeno (kg/d)
DBO: Demanda biológica de oxígeno (kg/m3)
Nkj: Nitrógeno total Kjeldahl (Nitrógeno total = N) (kg/m3)
Qi: Caudal inicial (m3.d)
DTO = (DBO + 4.57 Nkj)Qi
Nitrógeno total Kjeldahl (Nkj)
DO = DBO + 4.57 Nkj
Demanda de oxigeno
• Amonio (NH4
+)
• Nitrógeno orgánico (proteinas y
ácidos nucleicos)
Consideraciones de diseño
9.3
31. 31
3) Aireación:
Costo = DTO*eficiencia*costo
b) Costo
DTO: Demanda total de oxígeno (kg/d)
Potencia requerida
P= DTO*eficiencia
• Eficiencia de aireación
por difución (burbujas).
20 Kg O2/ kWh
Consideraciones de diseño
9.3
32. 32
Reactor
Bx
(kg DBO/ k LA.d)
TRH
(h)
DBO final
(Mg/L)
Carga alta 1 - 2 2 40 -70
Convensional 0.4 - 1 5 15 - 40
Carga baja 0.1 – 0.4 10 5 - 15
Laguna de oxidación 0.05 – 0.1 40 5
Valores típicos
Relación alimento microorganismos A/M (Bx)
• De 0.1 a 0.25 kg DBO/kg LA.día: para un proceso con buena nitrificación
• Mayor a 0.25 kg DBO/kg LA.día: la nitrificación es deficiente.
Adaptado de Wastewater treatment, Delft University of Technology
Consideraciones de diseño
9.3
33. 33
Valores típicos
Relación alimento microorganismos A/M (Bx)
• De 0.1 a 0.25 kg DBO/kg LA.día: para un proceso con buena nitrificación
• Mayor a 0.25 kg DBO/kg LA.día: la nitrificación es deficiente.
Concentración de lodos (X)
• En el tanque de aireación (XTA): De 3 a 5 g LA/L
• En el caudal de recirculación (XR): De 4 a 12 g LA/L
Producción de lodo biológico (Y)
• Con sedimentación primaria: de 0.3 a 0.5 kg LA/kg DBO
• Sin sedimentación primaria: de 0.5 a 1 kg LA/kg DBO (Sin embargo no toda la MO se
digiere)
Edad de lodos (θ)
• De 5 a 25 días
Consideraciones de diseño
9.3
34. 34
Parámetros de configuración
Metcalf & Eddy (2014) Wastewater Engineering
Dimensiones típicas para un reactor aerobio con aireadores mecánicos de superficie
Potencia del
aireador Profundidad Ancho
Consideraciones de diseño
9.3
35. 35
Ejercicio:
Determinar los cálculos de dimensionamiento para un sistema convencional de lodos
activados para aguas residuales domesticas. Considerar los parámetros que se
encuentran descritos a continuación:
Considerar para el método práctico:
• A/M (Bx): 0.15 kg DBO/ Kg LA.d
• Utilizar un sistema de aireación por difusión: 20 Kg O2/ kWh
• Costo energético Perú: 0.74 $/kWh
Ejemplo de diseño
9.4
36. 36
I) Calidad de entrada L/s m3/d
Q 400 34 560
mg/L kg/m3
S = DBO 350 0.35
SSV 150 0.15
Nitrógeno total (N) 45 0.045
Fósforo total (P) 5 0.005
Verano Invierno
Temperatura (˚C) 24 16
II) Calidad de salida mg/
L
kg/m3
Se =DBO 20 0.02
SSVe 10 0.01
Nitrógeno total (NTe) 30 0.03
Nitrógeno Ne (para NH4) 0.0005
Fósforo total (Pe) 0.5 0.0005
III) Datos para el diseño
del reactor
mg/L kg/m3
SSVLM (XTA) 3000 3
SSVR (XR) 12000 12
TRMC (d) 12
Verano Invierno
Temperatura ambiente (˚C) 29 -1
Parámetros biocinéticos
k20 (m3/kg d) 29.52
Θ coeficiente Arrhenius k 1.03
Θ coeficiente Arrhenius kd 1.05
Θ coeficiente Arrhenius kdn 1.053
Y (kg SSVLM / kg DBO) 0.5
Yn (kg SSVLM / kg N) 0.12
kd (d-1) 0.06
kdn (d-1) 0.08
fd 0.15
Ejercicio: Datos
Ejemplo de diseño
9.4
