BIODISCOS Y BIOCILINDROS

Los biodiscos y biocilindros se integran dentro de los proceso biológicos, realizando una misión similar a la de los lechos estáticos. El proceso es válido como elemento reductor de la materia orgánica, como elemento de nitrificación y elemento de desnitrificación. Su funcionamiento puede sintetizarse, indicando que los elementos soporte, integrantes de los biodiscos o biocilindros, se sumergen parcialmente (40%), en las aguas residuales a tratar, contenidas en depósitos por los cuales fluyen las aguas y, girando a baja velocidad, exponen, alternativamente al aire y al agua a tratar, dichos elementos soporte que integran el equipo. Una película biológica empieza a desarrollarse sobre sus superficies.

Cuando, por la rotación, una sección de los tambores sale del agua, arrastra consigo parte del agua misma que, goteando, forma una fina película líquida y, por 10 tanto, con una elevadísima posibilidad de contacto y de intercambio con el oxígeno atmosférico. El crecimiento biológico aumenta hasta alcanzar un espesor de 0,2 a 3,0 mm.

Por efecto de los procesos biológicos, ya estudiados, y por efecto de la velocidad del agua durante la rotación, se efectúa el desprendimiento de capas de la película, pasando a flóculos en suspensión en el líquido. Estos flóculos se separan posteriormente, por sedimentación, en el siguiente paso del tratamiento.

En cuanto se realiza la separación, empieza inmediatamente un nuevo biocrecimiento de la película o biofilm.

Los biodiscos y biocilindros se diferencian de los lechos bacterianos en que el soporte normalmente está fijo. Entre ellos existen diferencias. En los biodiscos, los elementos soporte del biofilm, están fijos, guardando distancias fijas entre los discos. En los biocilindros, el tambor está constituido por un elemento como contenedor de elementos sueltos. A continuación se presentan las características principales de estos reactores biológicos, en relación con los procesos convencionales. Tabla 8-13.

Tabla 8-13.

Fig. 8.47. Esquema de una instalación de biodiscos o biocilindros.

Fig. 8.48. Biodiscos con elementos tubulares como soporte del biofilm.

Fig. 8.49. Instalación de tamizado y biodiscos.

11.1. MECANISMO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO DE LOS BIODISCOS Y BIOCILINDROS

Fig. 8.50

En el giro del eje, los discos o elementos soporte, se encuentran, alternativa y sucesivamente, en contacto con el agua residual (inmersión) y con el oxígeno del aire (emersión). Los tambores deben estar muy próximos a la pared del depósito para que, entre otros efectos, provoque una agitación del agua residual contenida en el mismo, agitación que por supuesto dependerá de la velocidad de rotación de los mismos, impidiendo la sedimentación de los flóculos desprendidos.

11.2. ESPESOR DEL BIOFILM

Se estima que el espesor del biofilm activo varía entre 0,2 mm, en concentraciones bajas de sustrato, hasta 3,0 mm, con alta concentración de sustrato, cuando hay limitación de oxígeno en el film. En la práctica su espesor se mantiene prácticamente constante, es una cifra que es función de la DBO5 del agua a depurar.

En relación con su densidad, HOEHN ha obtenido medidas interesantes, encontrando que, en un film completamente aerobio, la densidad medida en peso seco de sólidos, era de 0,1 g/cm3. Esta decrece con espesores superiores a 1,5 mm, a causa de la producción de gas y lisis de las células de la capa aeróbica más profunda.

11.3. MICROORGANISMO EN BIODISCOS Y BIOCILINDROS

La población de microorganismos depende de la carga contaminante y de la clase y categoría de estos contaminantes. En los biodiscos, depende esta población también de la etapa que se considere, ya que en éstos se establece una selección biológica por niveles. Puede decirse que los microorganismos responsables de la eliminación de los contaminantes biodegradaables, presentes en las aguas residuales, y que se fijan a los elementos integrantes de biodiscos y biocilindros, son los filamentosos y las bacterias heterótrofas no filamentosas (ANTONIE, 1972; TROPEY, 1971). Las especies bacterianas que se encuentran fijas, cambian a medida que se desarrollan las distintas etapas de la depuración. Las bacterias que utilizan los compuestos de carbono, se fijan predominantemente a los elementos que se encuentran en las etapas iniciales, donde la

concentración de estos materiales es relativamente alta (ANTONIE, 1972). Las bacterias nitrificantes (Nitrosomas y Nitrobacter), se encuentran fundamentalmente fijadas a los elementos situados en las últimas etapas de la depuración, donde la concentración de materia carbonatada es mucho menor.

11.4. DIFICULTADES EN PROCESOS DE BIODISCOS Y BIOCILINDROS

Las dificultades, en los procesos con estos sistemas, pueden provenir; al igual que en otros procesos biológicos, por diferentes causas.

11.4.1. Pérdida de biomasa

Otras veces ocurre que se produce un excesivo desprendimiento de la biomasa fijada al disco. Esto puede ser debido a que las aguas residuales a depurar contienen sustancias tóxicas o inhibitorias, que actúan sobre la biosoma.

11.4.2. Desarrollo de biomasa blanca

Otras veces ocurre que se desarrollan organismos de color blanco sobre los elementos. Esto normalmente no afecta de un modo inmediato sobre la depuración, los organismos blancos son probablemente thiotrix o beggiatoa, que aparecen en áreas limitadas. Si esta forma de biomasa domina en la superficie, puede esperarse una reduccion en los rendimientos de la depuración. La aparición de esta anomalía puede ser debida a la septicidad de las aguas residuales influentes, o a la existencia de altas concentraciones de ácido sulfhídrico.

11.4.3. Disminución de la eficiencia depuradora

La disminución del rendimiento puede deberse a causas, como:

· Reducción de la temperatura de las aguas residuales. La temperatura de las aguas residuales por debajo de 10ºC, tendrá como consecuencia la reducción de la actividad biológica y el descenso, por tanto, de su poder de biodegradación. Debe tenerse en cuenta, por otra parte, que la temperatura es un parámetro muy crítico en las plantas diseñadas para nitrificación.

· Variación notable del caudal.

· Variación notable de la carga orgánica.

· Alteraciones del pH. El agua residual tiene un pH normal entre 6,5 y 8,5. Si este valor se altera por algún tiempo, afectará al correcto funcionamiento del sistema. Cuando se quiere lograr una buena nitrificación, el pH y la alcalinidad son parámetros muy críticos, debiéndose mantener el pH próximo a 8,4. El nivel de alcalinidad para la nitrificación en el agua residual debe mantenerse, como valor mínimo en 7,1 veces la concentración de amoniaco en el influente, para permitir que la reacción se complete sin afectar negativamente a los microorganismos.

· Acumulación de sólidos en los discos. Si es inadecuada la eliminación de sólidos, su puede bloquear el paso de aire generando condiciones anaeróbicas.

11.5. MODELOS PARA EL DISEÑO Y CALCULO DE BIODISCOS

Pueden considerarse los siguientes modelos.

S SCRULZE

dS/dt = -K'S;

S/So = 10-K'Theta1;

log(S/So) = -K A/Q

Siendo: K = (m-2 · m3 d-1) constante de Schulze.

A = superficie total soporte (m2)

Q = caudal tratado en (m3 · d-1)

So = carga del agua a tratar (mg DBO · l-1).

· KORNEGAY Y ANDREWS

Q(So-S1) = C A S1 / (Ks + S1)

Siendo: C = la capacidad máxima de depuración (g DBO · m-2 · d-1)

Ks = constante de saturación del biofilm (mg DBO · 1-1)

· ECKENFELDER

Q/A (So-S1)=KS1

K = constante cinética del modelo de Eckenfelder.

· PÖPEL

A = 0,022 Q (So-Si)1'4/Si0,4

Donde: So = carga de DBO inicial (g/m3).

Si= carga de DBO en el efluente de etapa i (g/m3)

A = superficie (m2).

Q = caudal (m3/día).

· HANSFORD

S = Q So/[Q+Qo (1+b11+b12/(1+K1)) + KL AS (K1/(K1+1))]

Donde: K1 = constante adimensional del modelo de HANSFORD.

AS = superficie sumergida (m2)..

KL = coeficiente de transportes líquido/biofilm (m.d-1).

b11 y b12 = elementos de la matriz para valorar la evolución de la DBO con el giro del tambor.

PREDISEÑO: A nivel de anteproyecto puede dimensionarse el sistema en función de la carga orgánica y carga hidráulica. Son valores medios:

· Carga orgánica entre 0,03 - 0,15 kg DBO u/m2 · d, considerando la superficie total.

· Carga hidráulica 0,2 m3/m2 · d.

· Tiempo de retención > 0,5 h por etapa. 1,5 - 3,0 h · en total.

En el cálculo de los biodiscos y biocilindros se emplea el parámetro de la (SDBO), o DBO soluble, como base de la formación de la película biológica en biodiscos y biocilindros. La DBO no soluble se elimina en el decantador primario, y en los flóculos formados en el reactor biológico y eliminados en la decantación secundaria. Se considera como (SDBO) la DBO no eliminable por filtración. Normalmente para aguas urbanas las aguas de entrada tienen una (SDBO) del orden del 35-40% de la DBO y las aguas decantadas un 50-55% de la DBO.

Los biodiscos pueden utilizarse igualmente para la eliminación de nitrógeno, precisándose primero una reducción de la DBO a valores inferiores a 30 mg/l, precisando igualmente 7,14 mg de alcalinidad por cada mg de Nitrógeno amoniacal eliminado.

El incremento de lodo producido en el reactor biológico, debido a la utilización del substrato, puede considerarse como DSS = 0,96 [(SDBO)E - (SDBO)5].

Cuando exista la posibilidad de vertidos industriales, deberán tenerse en cuenta las substancias que puedan inhibir el proceso. Así habrá que considerar los valores de las Tablas 8-14 y 8-15.

Tabla 8.14. SUSTANCIAS INHIBIDORAS

Tabla 8.15. SUSTANCIAS INHIBIDORAS DE NITRIFICACIÓN

Como consideraciones generales para el dimensionado, deberá intentarse regular los caudales y las cargas, buscando una situación de funcionamiento con valores medios, lo que permitirá reducir las dimensiones de la depuradora.

La carga orgánica se pude basar también sobre el caudal medio diario, a menos que la relación entre la punta y la media sea superior a 2,5, o se mantengan por períodos superiores a las dos horas.

11.6. DIMENSIONADO DE LOS BIODISCOS

De la ecuación de conservación del substrato, en condiciones de régimen, se tiene:

Q · S = QSo -Rc · A

en la que:

Q = caudal del proyecto (m3/d).

So = concentración del substrato en entrada (mg/l).

S = concentración del substrato en salida (mg/l).

Rc = substrato específico consumido (g/m2 · d).

A = superficie de los rotores (m2).

11.6.1. Tratamiento para eliminación de DBO

Siendo en la expresión anterior:

So = (SDBO5)E, en entrada.

S = (SDBO5)S, en salida.

Se tiene:

A = Q(So-S) · Tc · P / Rc

Donde se han incorporado dos factores:

· Para tener en cuenta la repercusión de la temperatura se ha introducido un factor Tc. · Para tener en cuenta el estado de aireación de las aguas residuales, se introduce un factor P.

Para calcular Rc, (g/m2 · d) de (SDBO5) eliminado, en el caso de aguas urbanas domésticas o similares, se utiliza la ecuación de MONOD. Así se tiene:

Rc = 19,4 · S / (15,1 + S)

Siendo S la (SDBO5)S

Con otro tipo de aguas será necesario hallar la cinética de la reacción mediante pruebas de laboratorio.

Para el cálculo de Tc se puede considerar la siguiente ecuación:

Tc = l,0537(12,7-T)

Válida para temperaturas inferiores a los 12,7ºC. Para temperaturas iguales o superiores los 12,7 ºC, Tc = 1 siendo T la temperatura en ºC.

Para el cálculo de P se toma:

P = 1; para aguas no tratadas previamente o pretratadas aeróbicamente. P = 1,5; para aguas tratadas anaeróbicamente (fosas sépticas).

En los procesos por biodisco o biocilindro convendría establecer cuatro fases, colocando módulos diferenciados o tabicando. Es conveniente en consecuencia prever una subdivisión en etapas. A la primera etapa podrá aplicarse una carga específica interior a 24,4 g/m2 . d. A la segunda etapa podrá aplicarse una carga específica inferior a 12,4 g/m2 .d, teniendo presente que la eliminación durante la primera etapa se puede calcular aproximadamente en el 60% de la (SDBO5)E.

11.6.2. Eliminación de la D.B.O y nitrógeno amoniacal

Entrando en la ecuación de conservación, se tiene:

Q · S = Q · So- RN · AN

So = (NH4+)E

S = (NH4+)S

Se tiene:

AN = Q(So-S)· TN/RN

Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce un factor TN.

Para el cálculo de RN, (g/m2 · d) del NH4+ eliminado se utiliza una fórmula que tiene en cuenta la cinética que depende de (NH4+)E y de (NH4+)S

RN = (NH4+)S · (NH4+)E / [(NH4+)E + (NH4+)S + 0,05 (NH4+)E · (NH4+)S]

Para el cálculo de TN se utiliza la fórmula siguiente:

TN = 0,7 · T / (T - 4,13)

Válida para valores de T (en ºC) inferiores a 12,7 ºC; para valores de T iguales o superiores a 12,7 ºC, TN es igual a 1.

La superficie AN así determinada, es complementaria de la superficie necesaria para reducir la (SDBO5)S a un valor inferior a 15 mg/l.

La superficie total necesaria para la eliminación de DBO y del nitrógeno amoniacal será:

Atot = A + AN

En el tratamiento del nitrógeno es interesante subdividir AT en etapas, con un mínimo de cuatro.

11.6.3. Desnitrificación

Sustituyendo en la ecuación de conservación.

Q · S = Q · So - RD · AD

Siendo: So = (NO3 - N)E

S =(NO3 - N)S

Se tiene:

AD = Q(So-S)· TD / RD

Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce un factor TD.

La carga específica RD (g/m2) de NO3 - N) eliminado depende del número de reciclados realizados. Siendo:

M = QR / Q = relación entre el caudal reciclado y el caudal afluente.

Se calcula:

RD = (M · 0,4 / (M + 1)2) ((SDBO)E - 2,4 · E (NO3 - N)E + M (SDBO)5)

Donde:

E = ((NO3 - N)E- (NO3 - N)S) / (NO3 - N)E

Se puede observar que el valor RD presenta un máximo, a igualdad de otras condiciones, para un determinado valor de M.

Para el cálculo de TD se utilizará la fórmula siguiente:

TD = 1,06(15-T)

Obsérvese que cada mg/l de (NO3 - N) supone la eliminación de 2,4 mg/L de (SDBO5), en la etapa de desnitrificación puesta en cabeza de la etapa de oxidación.

Ejemplo 1

Proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas buscando sólo reducción de la DBO.

· Datos del Influente

Pretratado con rejilla fina.

Habitantes: 10.000

DBO5: 60 g/hab · d

SS: 75 g/hab · d

Temperatura mínima: 11,5 ºC

Caudal medio Qm: 2000 m3/h

Caudal punta Qp, horaria: 125 m3/h

TKN: 12 g/hab · d

· Datos del Efluente

(DBO5)s: <40 mg/l

(SS)s: <80 mg/l

· Cálculo

(DBO5)E = 300 mg/l.

(S.S)E = 375 mg/l.

(SDBO)E = 0,35 (DBOS)E = 105 mg/l

(SDBO)5 = 0,50 (DBOS)E = 20 mg/l

Rc =11,05 g/m2 · d

Tc = 1,09

P =1

A = 2.000(105 - 20) · 1,06 · 1/11,05 = 16.307 m2

A 1ª etapa = 2.000 · 105 · 0,6 · 1,06 / 24,4 = 9.123 m2

A 2ª etapa = 2.000 · 105 · 0,35 · 1,06 / 12,2 = 6,386 m2

Ejemplo 2

Proyecto de una planta para el tratamiento de aguas residuales urbanas con reducción de DBO5 y nitrificación.

· Datos del Influente

Igual al ejemplo 1.

· Datos del Efluente

BOD5 <40mg/l

NH4+ <15mg/l

· Cálculos

Nitrógeno orgánico 4 g/hab · d.

(NH4+)E = 0,667 · 12 · 18 · 10.000 / 14 · 2.000 = 51,45 mg/l

Tc = 1,06

Rc15 = 9,66 g/m3 · d

Ac - 15 = 2.000 (105 - 15) · 1,06 · 1 / 9,66 = 19.751 m2

RN = 15 · 51,45 / 2(15 + 51,45 + 0,05 · 15 · 51,45) = 3,67 g/m2 · d

TN= 0,7 · 11,5 / (11,5 - 4,13)= 1,09

AN = 2.000 (51,45 - 15) · 1,09 / 3,67 = 21.651m2

AT = Ac - 15 + AN = 41.402 m2

· Subdivisión en etapas

1ª etapa 2.000 · 105 · 1,06 / 24,4 = 9.1221 m2

2ª etapa 2.000 · 0,35 · 105 · 1,06 / 12,2 = 6.386 m2

Se podrán hallar después las otras 3 etapas:

- 3ª Etapa S = 6.967 m2

- 4ª Etapa S = 8,128 m2

- 5ª Etapa S = 10.451 m2

Ejemplo 3

Se requiere desnitrificar el efluente del ejemplo anterior hasta alcanzar en la salida 20 mg/l de (NO3 - N), con fase de desnitrificación puesta en la cabeza de la fase de oxidación. Efluente a la desnitrificación

(SDBO)E = 105 mg/l

(SDBO)S = 5,32 mg/l

(NO3 -N) = 27,57 mg/l

T = 11,5 ºC

Se establece que RD es máximo para M = 1,25

Por lo tanto:

RD = 0,4 · 1,25 / (1,25 + 1)2 = (105 - 24 · 0,275 · 27,57 + 125 · 5,32) =923 g/m2 · d

TD = 1,226

Por lo tanto:

AD = 2.000 (27,57 - 20) · 1,226 / 9,23 = 2.011 m2

11.6.4. Método gráfico de cálculo

Los estudios llevados a cabo por EDELINE y VANDEVENNE han permitido establecer gráficos de cálculo, que pueden encontrarse en las Fig. 8-51 y Fig. 8-52.

El primero es válido para aguas residuales urbanas con una DBO5 inferior a 600 mg/l a la salida de la decantación primaria, con una instalación en dos etapas.

Fig. 8.51. Agua residual urbana. Población <5.000 hab.biodiscos de dos etapas

La superficie así obtenida se verá disminuida según los coeficientes siguientes. Para poblaciones pequeñas teniendo en cuenta las puntas mayores se utilizarán los siguientes factores de corrección de caudales.

Fig. 8.52. Cálculo de la carga específica de biodiscos más de dos etapas

En función de las características de la DBO de salida, pueden adoptarse las siguientes cargas específicas, siempre que la carga media diaria sea inferior a 300 mg/l de DBO5.

12. DECANTACIÓN SECUNDARIA PARA LECHOS BACTERIANOS Y BIODISCOS La decantación posterior a los reactores biológicos requieren unas velocidades ascensionales inferiores a la velocidad de caída de las flóculos formados. Para las aguas procedentes de lechos bacterianos no conviene pasar de 48 m3/m2 día, considerando el caudal punta y la recirculación juntos.

La separación de los sólidos, después de un reactor biológico de lechos, se realiza mediante clarificadores secundarios. En el caso de biodiscos o biocilindros, la superficie del decantador y el caudal son los parámetros precisos a determinar.

Para el dimensionado del clarificador se puede utilizar la fórmula:

V = Vi (SS) / ((S · S) + 0,034 (S · S)i

V = velocidad ascensional en el clarificador (m3/m2 · h) a caudal medio.

(S · S) = concentración de sólidos en suspensión admitidos en el vertido (mg/l).

(S · S)i = concentración de sólidos en suspensión en la entrada al decantador (mg/l).

Vi = velocidad de sedimentación a caudal punta (1,9 m3/m2 · h).

La superficie del decantador viene dada por A = Q / V.

A = superficie del decantador (m2).

Q = caudal punta de proyecto (m3/h).

La cantidad de lodos producidos puede determinarse por la ecuación:

Px = Q (SS)i/1.000 · (1 - 0,034 V/(1,9 -V))

Px= lodos a extraer del decantador (Kg/día).

Q = caudal medio diario (m3/día).

V = velocidad ascensional en el decantador (m3/m2 · h).

13. EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LECHOS BACTERIANOS La explotación de los lechos bacterianos es mucho más sencilla que la de otros procesos de depuración biológica. Los elementos mecánicos, generalmente, son accionados mediante carga hidráulica y por tanto, la ausencia de motores hace más fácil la maniobra. Los parámetros, sobre los cuales se puede actuar, son el caudal y la recirculación, es decir variar la carga orgánica y la hidráulica. La sencillez del manejo se ve contrarrestada por la imposibilidad de modificación del proceso, ante cualquier vertido puntual sólo queda esperar a que la gran inercia de la masa biológica absorba el impacto, y no se vean muy disminuidos los rendimientos.

No debe olvidarse que la máxima transferencia de oxígeno es de 28 g/m2 · d, que corresponde a una DBO última de 400 g/m3 (D.B.Ou = 1/0,67 D.B.O5).

Las operaciones de mantenimiento puede reducirse a:

· Equilibrado de los brazos de distribución y engrase de los elementos móviles. La velocidad del distribuidor inferior a 1 vuelta por minuto con tres o cuatro brazos.

· Limpieza de las boquillas regularmente.

· Limpieza de la superficie del lecho de sólidos y hojas que pueden contribuir a su colmatado.

· Limpieza de canaletas de drenaje, retirando fangos depositados, que pudieran dar lugar a malos olores.

· Limpieza de las ventanas de ventilación (zona abierta de fondo, mayor del 15% de la superficie de fondo, aproximadamente 0,1 m2 de zona abierta por cada 25 m2 de superficie del lecho).

· En los lechos rectangulares, con carro de va y ven, mantenimiento electrónico y mecánico del motor y el motorreductor.

· Mantenimiento de las bombas y motores de recirculación, verificando los equipos eléctricos, los engrases y elementos de estanqueidad.