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Jorge E. Chamorro Alonso

Ingeniero de Caminos, C. y P.

DESHIDRATACIÓN DE FANGOS

DE UNA ESTACIÓN DEPURADORA

DE AGUAS RESIDUALES E.D.A.R.

CONDICIONANTES DE LA

EXPOSICIÓN Creencias propias

Conocimientos técnicos

Experiencia personal

Datos técnicos

Consenso profesional

Cada E.D.A.R. es única

La deshidratación de fangos es la instalación más importante de una E.D.A.R.

RAZONES BÁSICAS Los equipos mecánicos encargados de la

deshidratación son de los más caros

El consumo de energía eléctrica y de los reactivos químicos de los sistemas de deshidratación son altos

El coste de disposición de los biosólidos (fangos deshidratados) es elevado

Los escurridos generados inducen sobrecargas en los procesos de la línea de agua.

CONCEPTO TRADICIONAL E.D.A.R.

ETAPA DE PLANIFICACIÓN Estudio de los datos de partida:

Cargas hidráulicas

Cargas contaminantes.

La normativa establece los límites de las características CUALITATIVAS (ppm) del agua depurada en cuanto a parámetros contaminantes (DBO5, SS, NTK, P, etc.)

Solo importa la línea de agua

El destino de los fangos se ignora en esta etapa

ETAPA DE DISEÑO

La E.D.A.R. depura agua.

Las exigencias de los Pliegos de Bases se centran en los tratamientos que conforman la línea de agua

El pretratamientos y los procesos de la línea de fangos son procesos resueltos con excesiva ligereza

Los volúmenes de fangos producidos se minimizan

Resultado:

Línea de agua bien diseñada

Línea de fango infradimensionada

ETAPA DE CONSTRUCCIÓN Tensiones económicas

Instalaciones afectadas: pretratamiento y los procesos de la línea de fangos

Sobredimensionamiento de las capacidades de los equipos de deshidratación

Las mas elementales normas de producción fabril establecen que los "cuellos de botella" se encuentren (aunque no necesariamente en forma física) al principio de la factoría, nunca al final de la misma.

ETAPA DE OPERACIÓN

El control de la E.D.A.R. : Análisis del agua de salida

Objetivo: sacar agua limpia cuando se controla

Abono de servicios por agua depurada

RESULTADOS

Diseño:

E.D.A.R. con líneas de agua muy potentes

E.D.A.R. con líneas de fango insuficientes para tratar los fangos generados en la línea de agua

Operación

Líneas de agua sobrecargadas de sólidos

Consumos excesivos de energía

Vertidos de fangos al cauce

Olores en las E.D.A.R.

NUEVO CONCEPTO E.D.A.R

E.D.A.R.:FABRICA DE BIOSÓLIDOS Planificación:

Produce biosólidos

Destino de la producción

Diseño:

Cuanto biosólidos se deben de producir para proteger el cauce.

La línea de agua produce el fango

La línea de fangos transforma el fango en biosólido

Construcción

La línea de fangos es la mas importante

Operación

El control de la E.D.A.R. es la producción de bisólidos y biogás

Objetivo: Sacar la mayor producción posible de biosólidos

Abono del servicio por Tn de biosólidos producidos

DESHIDRATACION DE FANGOS E.D.A.R. PEQUEÑAS (< 5.000 e-h)

Eras de secado

Lechos de carrizos

Sacos filtrantes

Sistemas mecánicos

E.D.A.R. MEDIANAS Y GRANDES: Filtros de vacío

Tornillo

Filtros banda

Filtros prensa

Centrifugadoras

E.D.A.R. PEQUEÑAS: ERAS DE SECADO I

E.D.A.R. PEQUEÑAS: ERAS DE SECADO II

E.D.A.R. PEQUEÑAS: ERAS DE SECADO III

Ventajas:

Bajo coste de implantación

Bajo coste de mantenimiento

Inconvenientes.

Necesita mucha superficie

Dependiente de las condiciones meteorológicas

Demanda mano de obra

Afecciones ambientales: Olores, vectores sanitarios

E.D.A.R. PEQUEÑAS: LECHOS DE CARRIZO I

E.D.A.R. PEQUEÑAS: LECHOS DE CARRIZO II Ventajas:

Bajo coste de implantación

Bajo coste de mantenimiento

Mano de obra sin cualificar

Sin reactivos

Inconvenientes.

Alta superficie ocupada

Necesidades puntuales de mano de obra

Afecciones ambientales: Olores, vectores sanitarios

E.D.A.R. PEQUEÑAS:SACOS DE SECADO I

E.D.A.R. PEQUEÑAS: SACOS DE SECADO II

Ventajas:

Bajo coste de implantación

Bajo coste de mantenimiento

Mano de obra sin cualificar

Inconvenientes.

Uso de reactivos

Proceso poco controlable

Sequedad baja

Afecciones ambientales: Olores, vectores sanitarios

FILTROS DE VACIO I

FILTROS DE VACIO II

FILTROS DE VACIO III Ventajas:

Proceso continuo

Poco espacio

Fácil de operar

Fácil de automatizar

Inconvenientes.

Alto coste de operación y mantenimiento

Necesita depósito tampón

Consumo elevado de cal y sal metálica

Incremento de biosólidos por reactivos

Consumo de agua para lavado de telas

Afecciones medioambientales: Aerosoles

TORNILLOS I

TORNILLOS II

TORNILLOS III Ventajas:

Proceso continuo

Poco espacio

Fácil de operar

Bajas afecciones ambientales

Inconvenientes.

Alto coste de Implantación

Altos costes de operación y mantenimiento

Alto consumo de reactivos

Sensible a las características del reactivo

Consumo de agua para lavado

Poco compatible con procesos Anamox o similares

FILTROS BANDA I

FILTROS BANDA II

FILTROS BANDA III Ventajas:

Proceso continuo

Consumo energético bajo

Facilidad en las labores de mantenimiento

Inconvenientes.

Alto coste de implantación

Alto coste de mantenimiento: cambio de telas

Demandan mano de obra de forma continuada

Consumo de agua para limpieza de tela

Afecciones medioambientales: Aerosoles

Necesidad de protocolos de seguridad

Incremento del caudal de escurridos

Poco compatible con procesos Anamox o similares

FILTROS PRENSA I

FILTROS PRENSA II

FILTRO PRENSA III Ventajas:

Alta sequedad

Ideal con procesos de estabilización química

Costes de operación medios

Fácil de operar

Fácil de mantener

Inconvenientes.

Altos costes de implantación

Proceso discontinuo

Requiere un depósito tampón

Presencia frecuente de personal

Alto coste de mantenimiento: cambio de telas

Consumo elevado de reactivos: cal y sales metálicas

Incremento de biosólidos por reactivos

Problemas (por mal diseño) en la descarga

CENTRIFUGADORA I

CENTRIFUGADORA I

CENTRIFUGADORA II Ventajas:

Proceso continuo

Proceso muy fiable

No demandan mano de obra de forma continua

Sin afecciones medioambientales directas

Fácil de automatizar

Inconvenientes.

Alto coste de implantación

Alto coste de mantenimiento

Sensible a la presencia de arenas

Mantenimiento por personal cualificado y talleres específicos

TIPOS DE FANGOS GENERADOS EN UNA E.D.A.R.

FANGOS PRIMARIOS

FANGOS SECUNDARIOS

FANGOS TERCIARIOS

FANGOS PRIMARIOS

Los fangos primarios son los obtenidos de un tratamiento primario

Suelen suponer entre el 55 y el 65 % de la totalidad de los fangos producidos

Características:

Concentración de materia volátil (MV) 60-80 %

Facilidad para atrapar residuos sólidos

Facilidad de espesamiento por gravedad

Alta biodegradabilidad en condiciones anaerobias

Alto potencial de producción de olores.

FANGOS SECUNDARIOS Los fangos secundarios son los obtenidos de un

tratamiento biológico

Suelen representar entre el 35-45 % de los fangos producidos

Se caracterizan por:

Concentración de MV dependiente de la edad del fangos: 60-80 %

Baja concentración

Pueden presentar problemas para su espesamiento por gravedad

FANGOS TERCIARIOS

Los fangos terciarios son los obtenidos de un tratamiento terciario por procedimientos físico-químicos

Suelen representar entre el 3 y el 6 % de los fangos producidos

Se caracterizan por: Concentración de MV menor que la de los fangos

biológicos alterada por la dosificación de reactivos Baja concentración No suelen presentar problemas para su

espesamiento por gravedad

OBJETIVO DEL TRATAMIENTO DE FANGOS La línea de fangos de una E.D.A.R. tiene por

objetivos:

Reducir los volúmenes de fangos

Reducir la carga contaminante

Minimizar los costes de su disposición final

PROCESOS DE TRATAMIENTO DE FANGOS Los procesos comúnmente utilizados para el

procesamiento de los fangos generados en una E.D.A.R. son:

Tamizado

Espesamiento

Estabilización

Deshidratación mecánica

Secado térmico

SELECCIÓN DEL SISTEMA DE DESHIDRATACIÓN MECÁNICA Factores a considerar:

Producción de fangos

Destino de los biosólidos

Características del fango a deshidratar

Tipo de reactivo a utilizar

Sequedad final

Espacio disponible

Condiciones climáticas

Calidad del escurrido

Necesidad de insumos

Automatización

Condiciones de trabajo

Afecciones ambientales

PRODUCCION DE FANGOS Producción diaria:

Percentiles

Condiciones medias con coeficientes

Difícil de programar

Presencia de personal

Días de funcionamiento a la semana

Horas de funcionamiento al día

Automatización

DESTINO FINAL DE LOS BIOSÓLIDOS Agricultura

Limitación de reactivos: cal y cloruro férrico

Aprovechamiento energético

Máxima sequedad

Máxima materia volátil

Compostaje

Sequedad no limitante

Mínima materia volátil

CARACTERISTICAS DE LOS FANGOS A DESHIDRATAR Procesos previos

Fangos fresco

Fangos estabilizado anaeróbicamente

Fango estabilizado aeróbicamente

Cantidad de materia volátil

A igualdad de proceso previo: a mayor materia volátil mayor consumo de reactivos

TIPO DE REACTIVOS Polielectrolitos

Sólidos

Líquidos

Otros

Cal

Sales de hierro

SEQUEDAD FINAL Aprovechamiento de los biosólidos

Agricultura

Energía

Compostaje

Costes de disposición

Transporte

Aprovechamiento

ESPACIO DISPONIBLE Grandes EDAR

Espacio limitado

Ultimas Tecnologías

Medianas EDAR

Espacio limitado

Tecnologías convencionales

Pequeñas EDAR

Espacio no limitado

Tecnologías de bajo coste

CONDICIONES CLIMÁTICAS Critico para pequeñas E.D.A.R.

CALIDAD DE LOS ESCURRIDOS Destino: cabecera de planta

Sobrecargas al proceso

DBO5 y SS: 1-3 %

Nutrientes: 15-25 %

Tratamientos posteriores

Procesos convencionales

Procesos Anamox (filtros banda, tornillos)

NECESIDAD DE INSUMOS Energía eléctrica: eras de secado o filtros

Reactivos: tecnologías específicas

Agua potable: preparación de reactivos

Agua industrial: lavado de telas

AUTOMATIZACIÓN Mejores sensores

Tendencia a la automatización

Procesos discontinuos

CONDICIONES DE TRABAJO Aerosoles

Riesgos biológicos

Olores

Ruidos

AFECCIONES AMBIENTALES Olores

Ruidos

Vectores sanitarios

ACONDICIONAMIENTO DEL FANGO Medios naturales sin acondicionamiento

Medios mecánicos

Acondicionamiento químico:

Características del fango

Contenido de materia volátil

Tiempo de contacto

Temperatura

Calidad del escurrido

Papel del Laboratorio: Proactivo

Acondicionamiento térmico

DOSIFICACION DE CAL La cal se suministra en polvo y se debe de

preparar la lechada con concentraciones entre 1 y el 5 % con tiempos de retención por encima de los 10 minutos

DOSIFICACION DE CLORURO FERRICO El cloruro férrico se suministra en forma líquida

y se puede dosificar directamente. La instalación debe de cumplir con la normativa APQ

DOSIFICACION DE POLIELECTROLITO Los polielectrolitos se pueden suministrar en

forma líquida o sólida, en cualquier caso se necesita una preparación previa con concentraciones por debajo del 1 %

DISEÑO DE LA DESHIDRATACIÓN Para el diseño de la deshidratación es necesario:

Definir los datos de diseño

Definir los parámetros de diseño

Realizar el diseño

Determinar las características de los equipos

Seleccionar los equipos

DATOS DE DISEÑO Los datos de diseño necesarios son:

Producción diaria de M.S.

Materia volátil (M.V.)

Horas semanales de trabajo

Concentración de entrada (%)

Concentración de salida (%)

Número de equipos a instalar

Caracterización del escurrido

Capacidad de almacenamiento de los biosólidos

PRODUCCION DE MATERIA SECA La producción de fangos adoptada para el

diseño de la línea de fangos debe de estar del lado de la seguridad para evitar problemas de funcionamiento en la E.D.A.R.:

Si se dispone de históricos, adoptar el percentil 85 %

Si no se dispone de históricos adoptar la producción media afectada de un coeficiente de seguridad (1,1-1,25)

MATERIA VOLATIL El porcentaje de MV es una variable importante

para que el fabricante de los equipos establezca su nivel de garantías.

Salvo que se tengan referencias al respecto, conviene adoptar valores entre el 60 y el 65 %, en función del tratamiento al que se haya sometido el fango.

HORAS SEMANALES DE TRABAJO Dado el bajo nivel de automatización de estas

instalaciones es necesaria la atención personal, por lo que las horas de funcionamiento semanales, están relacionadas con la jornada del personal.

El funcionamiento normal será de lunes a viernes : 5 días a la semana

Las horas diarias depende de si se puede disponer de un turno o dos turnos

Un turno : mayor inversión y menor coste de operación

Dos turnos: menor inversión y mayor coste de operación

Horas por turno:

Un turno: 7 horas

Dos turnos: 15 horas

CONCENTRACIÓN DE ENTRADA Depende de los procesos anteriores

En las centrifugadoras es fundamental ya que establece el caudal de alimentación.

Sin postespesador se recomienda adoptar concentraciones entre el 3-4 %

Con postespesador se recomienda no superar concentraciones del 5 % para evitar infradimensionamientos.

CONCENTRACIÓN DE SALIDA Depende del destino de los biosólidos

Valores máximos (sin filtros prensa):

Fangos primarios frescos > 25 %

Fangos mixtos frescos: 20-25 %

Fangos estabilizados por vía anaerobia: 20-25 %

Fangos estabilizados por vía aerobia: 18-22 %

Fangos de aireaciones prolongadas: 18-20 %

Fangos En las centrifugadoras es fundamental ya que establece el caudal de alimentación.

Con filtros prensa la sequedad se encuentra entre el 30 y el 40 % en función del tipo de fangos y de los reactivos utilizados.

NUMERO DE EQUIPOS A INSTALAR Con un solo turno (7h/d) se recomienda dos

unidades

Con dos turnos (15 h/d) se recomienda tres unidades

Reserva:

Si se ha mayorado la producción media de fangos: No se necesita unidad de reserva

Si no se ha mayorado: una unidad de reserva.

Equipos de preparación de reactivos: dos unidades

Equipos periféricos: una unidad de reserva

CARACTERIZACIÓN DEL ESCURRIDO La concentración de sólidos en suspensión del

escurrido es una variable importante para que el fabricante de los equipos establezca su nivel de garantías.

Se recomienda limitar la calidad del escurrido entre 1.000 y 2.000 ppm

Para tratamientos posteriores con tecnología Anamox se debe de mantener la temperatura por encima de los 30 º C.

Atención a los equipos que necesiten agua de lavado

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE LOS BIOSÓLIDOS

Para facilitar la operación en fines de semana:

Con tráfico de camiones limitado

Cierre de plantas de reutilización

Evitar costes elevados

Mínimo: dos días de producción diaria no efectiva

PARAMETROS DE DISEÑO Procesos

Dosis de reactivos

PROCESO: ERAS DE SECADO Depende de las condiciones climáticas:

Duración del ciclo: 8-10 semanas

Clima Lluvia anual (mm) Carga kg SS/m2/año Carga h-e/m2

Mediterráneo 800-1.500 80 5

Continental 1.500-2.000 50 3

PROCESO: LECHOS DE CARRIZO

Carga por m2: 40-60 KgSS/m2/año

Velocidad de filtración: 0,25-0,4 m3/m2/h

PROCESO: SACOS DE SECADO

Depende de las condiciones climáticas y de las características del equipo de cada fabricante, por lo que no existen, de inicio parámetros de diseño propiamente dichos para esta tecnología.

PROCESO: FILTROS DE VACIO

Fangos mixtos digeridos por vía anaerobia: 20-30 kgSS/m2/h

Fangos digeridos por vía aerobia: 15-20 kgSS/m2/h

PROCESO: FILTROS PRENSA

Ciclo:

Fangos mixtos digeridos por vía anaerobia: 2,5 horas

Fangos digeridos por vía aerobia: 3,0 horas

Espesor de la torta: 32-35 mm

Ancho máximo de placa: 2 x 2 m

PROCESO: FILTROS BANDA

Capacidad por ancho de banda:

Fangos mixtos digeridos por vía anaerobia: 250 kgSS/ml/h

Fangos digeridos por vía aerobia: 125 kgSS/ml/h

Ancho máximo de banda: 2,5 m

Caudal de agua de lavado: 5-10 m3/ml/h

PROCESO: CENTRIFUGADORAS

Depende de las características del equipo de cada fabricante, por lo que no existen, de inicio parámetros de diseño propiamente dichos para esta tecnología, siendo necesario definir los siguientes valores para cada equipo:

Caudal de alimentación en m3/h

Carga de sólidos de alimentación en kg SS/h

DOSIS DE REACTIVOS

Depende de las características del fango y de los procesos a los que, previamente, ha sido sometido, especialmente de la M.V. y de la estabilización previa.

Para el polielectrolito, y con el mismo criterio conservador, se debería de adoptar valores entre 10-12 kg/TnMS para fangos biológicos provenientes de un estabilización aerobia y de 7-10 kg/TnMS para fangos mixtos estabilizados por vía anaerobia.

Dosificaciones de polielectrolito con valores inferiores a 5 kg/TnMS no deberían de contemplarse en el diseño por razones de seguridad.

Para el caso de la cal, las dosificaciones se sitúan entre el 20-30 % de materia seca y el cloruro férrico entre el 5 y el 10 % de materia seca.

SOLICITUD DE OFERTA Cuando se pidan las ofertas para el equipo de deshidratación mecánica de

fangos, se recomienda explicitar los datos de diseño que deben de formar parte de las garantías exigidas. Con especial atención a:

Capacidades de diseño

Caudal en m3/h

Capacidad en kg SS/h

Sequedades

Entrada en %

Salida en %

Materia volátil en el fango de entrada

Concentración de SS en el escurrido en ppm

Consumos de reactivo

Para la concentración máxima de SS en el escurrido

Para la máxima sequedad

Consumo de energía en kwh/kg SS

Consumo de agua l/kgSS

PROBLEMAS DE OPERACIÓN Cuando se presenten problemas de operación se

recomienda actuar analizando, por orden cronológico, los siguientes aspectos:

Variaciones en la concentración del fango de alimentación

Dosis insuficiente de reactivos

Mala preparación de los reactivos

Pérdida de eficacia de la emulsión

Punto de dosificación

Cambio de las condiciones del fango (concentración, estabilización, MV, etc.)

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS I

Escurridos en una E.D.A.R.:

Espesamiento

Deshidratación

Escurridos deshidratación tras estabilización anaerobia:

Temperatura > 30 º C

Altas cargas en nutrientes:

Nitrógeno: 15-25 % de las cargas del agua bruta

Fósforo: 10-15 % de las cargas del agua bruta

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS II

Caudal 0,5-1,5 % del caudal medio de las aguas residuales

DBO5 0,5-1,5 % de la carga media de las aguas residuales

250-750 ppm

SS 1,5-2,5 % de la carga media de las aguas residuales

1.200-2.000 Ppm

NTK 15-25 % de la carga media de las aguas residuales

800-1.500 Ppm

P 10-15 % de la carga media de las aguas residuales

200-800 Ppm

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS III

Opciones de tratamiento escurridos tratamiento anaerobio:

Físico-químico: Solo fósforo

Biológicos:

Nitrificación-desnitrificación convencional: bacterias AOB+NOB

Nitritación-desnitrificación: bacterias AOB

Procesos Anamox: Bacterias AOB+ Anammox

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS IV

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS V

Parámetro Oxígeno Materia orgánica Producción de fangos

Kg O2

Kg N-NH4+

Kg DQO

Kg N-NH4+

Kg SS

Kg N-NH4

NOB 4,57 2,80-2,90 1,0-1,2

AOB 3,43 1,65-1,75 0,8-0,9

Comparativa entre sistema convencional y nitritación:

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS VI

Sistemas AOB:

Edades del fango bajas: 1-2 días

Sistemas: SBR Reactores en serie

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS VII

Sistema Anammox: proceso biológico en el que ciertos microorganismos, en condiciones anaerobias, convierten el amonio en nitrógeno gaseoso, empleando el nitrito como aceptador de electrones.

NH4+ + 1,3 NO2 ------> 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 2 H2O

Parámetro Oxígeno Materia orgánica Producción de fangos

Kg O2

Kg N-NH4+

Kg DQO

Kg N-NH4+

Kg SS

Kg N-NH4

AOB 3,43 1,65-1,75 0,8-0,9

Anammox - - 0,1-0,2

TRATAMIENTO DE ESCURRIDOS VIII

Sistema Anammox:

Temperatura: 30-40 º C

TRC: > 20 días

SECADO SOLAR I

SECADO SOLAR II

SECADO SOLAR III

SECADO SOLAR IV Ventajas:

Baja producción de biosólidos

Bajo consumo energético

Fácil de operar

Inconvenientes.

Dependiente de la zona, es sensible a las horas solares anuales

Necesidad de superficie

Necesita un sistema de desodorización del aire interior

SECADO El objeto del secado de fangos es:

Reducir su volumen

Reducir patógenos

Facilitar su transporte y disposición

Tipos:

Térmico

Solar

SECADO TERMICO

SECADO TERMICO Ventajas:

Baja producción de biosólidos

Compatible con sistemas de cogeneración

Inconvenientes.

Alto coste de Instalación

Alto coste energético

Alto coste de operación si no va asociado a sistemas de cogeneración.

Necesidad de personal cualificado

PRODUCCION DE BIOSÓLIDOS En contra de las tendencias vigentes, actualmente se

considera que la línea de agua debe de diseñarse paran producir la máxima cantidad de fangos de buena calidad, esto supone:

Obtener fangos con mayor MV

Reducir al mínimo los reactivos químicos

Reducir los consumos eléctricos

RESUMEN Una E.D.A.R. es una fábrica de biosólidos

Diseñar con una producción de fangos mayorada

Atención a la preparación de reactivos

Agua potable

Agua industrial

Equipos de preparación de polielectrolito: 2 mínimo

Reducir cuellos de botella:

Duplicar equipos: tornillos y bombas de biosólidos

Ubicación de equipos de deshidratación en zonas elevadas

Incompatibilidad de los escurridos con sistemas Anamox o similares

Temperatura de los fangos

Limitar las garantías de los fabricantes

Mantenimiento preventivo

EJEMPLO DISEÑO I

EJEMPLO DISEÑO II

EJEMPLO DISEÑO III

EJEMPLO DISEÑO IV

EJEMPLO DISEÑO V

EJEMPLO DISEÑO VI

EJEMPLO DISEÑO VII

EJEMPLO DISEÑO VIII