DISEO DEL REACTOR BIOLGICO

PROCESO DE LODOS ACTIVADOS DE MEZCLA COMPLETA

Consideraciones de diseo Datos del agua a tratar

Gasto de diseo Q = 15.68 l.p.s. Coeficiente de Gasto mximo horario 2.16 DBO5 efluente 40 mg/l (NOM-001-ECOL-1996) Temperatura promedio 20 C Remocin de DBO5 tratamiento primario 36% Remocin de SST tratamiento primario 58%

Consideraciones en el diseo del sistema de tratamiento (Estas se obtuvieron de observaciones y pruebas que se desarrollaron en diferentes sistemas de tratamiento)

Relacin entre los slidos suspendidos voltiles del lquido - mezcla (SSVLM) y los slidos suspendidos del lquido mezcla (SSLM) 0.80

Slidos suspendidos del lquido mezcla SSLM = 4000 mg/l Slidos suspendidos voltiles del lquido - mezcla SSVLM = 3200 mg/l Tiempo de retencin 5 das Relacin de de biomasa que puede escaparse del reactor 1.42 Biomasa que escapa al reactor Xv = 40 mg/l / 1.42 = 28.17 mg/l Considere que el 65% de los slidos suspendidos en biodegradable Factor de relacin entre DBO5 y DBOL (ltima) 0.70. (DBO5 = 0.70 DBOL) Slidos suspendidos voltiles en la salida VSS = 43 mg/l

Se tiene la siguiente informacin de pruebas de sedimentabilidad de los SSLM

Velocidad de

sedimentacin inicial (m/h)

SSLM (mg/l)

3.30 1600

2.40 2500

1.50 2600

0.60 4000

0.30 5000

0.09 8000

PROCESO DE CLCULO DEL REACTOR BIOLGICO

1.- Clculo del DBO5 soluble a la salida del tratamiento Se deber definir la concentracin de contaminantes expresados en DBO5, en el agua en la salida del proceso de tratamiento, basado en la siguiente relacin

DBOsalida = DBOsoluble no degradado + DBOslido suspendidos La fraccin biodegradable de los slidos biolgicos del efluente (DBOslido) es: DBO!"#$%" = VSS efluente (% de SS biodegradables) DBO!"#$%" = 43mg VSSl 0.65 = 27.95 mg VSS /l El DBOL ltima de los slidos biodegradables del efluente es: DBO!"#$%" !"#$%&'($(!)% = 27.95mg VSSl 1.42 mg DBOmg VSS = 39.69 mg DBO /l El DBO5 de los slidos suspendidos del efluente es: DBO!"#$%" !"!#$%&'&(! = 39.69 mg DBO!l 0.70 = 27.78 mg DBO /l El DBO5 soluble del agua a tratar que escapa al tratamiento es:

DBOsoluble no degradado = DBOsalida - DBOsolido suspendido

DBO soluble no degradado = 40 27.78 = 12.22 mg DBO/ l

2.- Clculo de la eficiencia del sistema Conociendo el DBO5 entrada al rector (277 mg DBO5/l) y el de salida (40 mg DBO5/l) se calcula el porcentaje de remocin de DBO5 con que debe trabajar el sistema: El porcentaje de remocin de DBOsoluble es:

% de remocin DBO!"#$%#& = 277 mg/l 12.22 mg/l277 mg/l 100 = 96 % El porcentaje de remocin de DBOtotal es: % de remocin DBO!"#$%#& = 277 mg/l 40.0 mg/l277 mg/l 100 = 86 %

3.- Clculo del volumen del reactor Con el valor propuesto para el tiempo de retencin de lodos (x = 5 das), y con las siguientes ecuaciones, se puede calcular el volumen del reactor biolgico: X! = ! Y (S! S)T! (1+ b!) en donde: (S0 - S) = cantidad de substrato utilizado, mg/l, el tiempo de retencin ser entonces:

TR = Vr / Q Sustituyendo el tiempo de retencin en la ecuacin se tiene lo siguiente: V! = ! Q Y (S! S)X! (1+ b!) En donde: Q = 15.68 l.p.s. Q = 1354.5 m3/d So = 277 mg/l S = 12.22 mg/l Xa = 3200 mg/l (concentracin de microorganismos en el reactor) Y = 0.60 (coeficiente cintico, crecimiento de biomasa teorico) b = 0.06 (coeficiente cintico) ! = 5 d tiempo de retencin celular Vr = volumen del reactor Substituyendo valores tenemos lo siguiente: V! = (5d)(1354.5m3d )(0.60) (277mgl 12.22mg/l)3200mgl (1+ (0.06)(5d)) = 258.32 m!

4.- Clculo del coeficiente cintico de crecimiento de biomasa observado (Yobs) Se parte del valor Y = 0.6 mg/mg el cual ha sido propuesto como parmetro cintico para describir el crecimiento de biomasa por unidad de sustrato consumida. No obstante, este valor terico de (Y) se ver reducido a otro valor (Yobs), ya que no todos los microorganismos se encuentran en la fase de crecimiento exponencial. El valor de (Yobs) se obtiene mediante la siguiente expresin: Y!"#$%&'(' = Y 1+ b! Y!"#$%&'(' = Y 1+ b! = 0.60 1+ (0.06 5d) = 0.462

5.- Clculo de la produccin de lodo Con este nuevo valor del coeficiente cintico de crecimiento de biomasa observado (Yobs), se puede calcular la produccin diaria de lodo activado de acuerdo a la siguiente expresin: P! = Y!"# Q S! S 11000 P! = 0.462 1354.5m3d 277 mg/l 12.22 mg/l 11000 = 165.32 kg/d Incremento de lodos mediante la relacin SSVLM y SSLM (0.8)

P!(!!) = 165.32 kgd0.80 = 206.65 kg/d De los lodos activados producidos diariamente ser necesario desechar alguna porcin, mientras que el resto ser recirculado al tanque reactor. La cantidad de lodo de desecho generado diariamente se calcula como:

Cantidad de lodo de desecho = incremento de SSLM SS perdidos en el efluente Los slidos suspendidos perdidos en el efluente por VSS es entonces:

SS = VSS * Q* (1/1000) = (43 mg VSS/l) *(1354.5 m3/d)*(1/1000) = 58.24 Kg/d

Cantidad de lodo desechado = 206.65 kg/d 58.24 kg/d = 148.41 kg/d

Empleando la definicin numrica del tiempo de retencin de lodos (x), se puede calcular la magnitud del gasto de desecho (Qw). ! = V! X!Q!X! + Q!X! De la ecuacin anterior se despeja Qw, se tiene lo siguiente:

Q! = V! X!! Q!X!X! Vr = 258.32 m3 Xa = 3200 mg/l ! = 5 d tiempo de retencin celular Qe = 1354.5 m3/d Xe = VSS * 0.80 = 43 mg/l * 0.80 = 34.4 mg/l Substituyendo los valores, el gasto de desecho es:

Qw = 37.10 m3/d

6.- Clculo del tiempo de retencin hidrulica Se define el tiempo de retencin hidrulica entre la relacin existente entre el volumen del reactor y el caudal diario, por lo tanto este es:

Tr = Vr /Q = 258.32 m3 / 1354.5 m3/d = 0.191 d = 4.577hr

7.- Clculo de la demanda de oxigeno Calcular la masa de DBOL consumida en el proceso:

DBOL consumida = (Q * (S0 S)) / ( 0.70 * 1000)

DBOL consumida = (1354.5 m3/d * (277 mg/l 12.22 mg/l)) / ( 0.70 * 1000) = 511.715 kg/d Demanda de oxgeno requerido para degradar DBOL consumida:

O2 = DBOL consumida kg/d 1.42 Px

O2 = 511.715 kg/d 1.42 (165.32 kg/d) = 276.956 kg/d

8.- Clculo del caudal de aire requerido Este se determina mediante la siguiente expresin:

Aire requerido = O2 / (Densidad del aire * contenido de oxigeno en el aire) Considerando una densidad del aire de 1.21 kg/m3 y un contenido de oxigeno en el aire de 21%, tenemos que el aire requerido es:

Aire requerido = 276.956 kg/d / (1.21 kg/m3 * 0.21) = 1,089.948 m3/d

9.- Clculo de la relacin Alimento / Microorganismo (F/M, por sus iniciales en ingles) Esta se define con la siguiente expresin: FM = S!T! X FM = 277 mg/l0.191 d 3200 mg/l = 0.453 d!!

10.- Clculo de la carga volumtrica Esta se define con la siguiente expresin: CV = S! QV! ( 11000) CV = 277mgl 1354.5 m3d258.32 m! 11000 = 1.450 kg/m!d TABLA RESUMEN DE PARMETROS DE DISEO, PGINA 404. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN PEQUEAS POBLACIONES

PROCESO DE CLCULO DEL SEDIMENTADOR SECUNDARIO

Elementos de diseo en base a las pruebas de laboratorio Para el diseo de este proceso unitario consideramos la informacin obtenida en las pruebas de sedimentabilidad del lodo activado mostradas a continuacin, con esta informacin se construye una grafica la cual representa el flujo de solidos por gravedad en el sedimentador secundario, la cual es funcin de la concentracin de los SSLM, esta informacin podr ser aplicada al diseo del sedimentador, por lo que es necesario estimar la velocidad de sedimentacin del lodo en funcin de su concentracin. Para ello mediante un proceso de regresin exponencial, se estima una ecuacin que ajuste a los valores reportados y con ello se pueda calcular los valores no observados.

El clculo del flujo de slidos por gravedad se calcula con la siguiente expresin: ! = Para ello utilizamos la ecuacin obtenida con los datos de sedimentabilidad, en donde Y representa la velocidad de sedimentacin (V) y X la concentracin de slidos (C o X) .

En la siguiente tabla se muestra el calculo desarrollado:

Concentracin+de+slidos

Velocidad+de+sedimentacin+

inicial

Flujo+de+slidos+por+gravedad

X+o+C V SFg

(mg/l) (m/h) Kg/m2+*h

1000 4.141 4.141

1500 3.067 4.601

2000 2.272 4.545

2500 1.683 4.209

3000 1.247 3.741

4000 0.684 2.738

5000 0.376 1.878

6000 0.206 1.237

7000 0.113 0.792

8000 0.062 0.497

9000 0.034 0.307

10000 0.019 0.187

Con los valores obtenidos de la curva anterior, se trazan lneas tangentes a los puntos de concentracin de lodo deseado, de esta forma se tienen los siguientes valores de flujo de lodo, (estos representan el valor lmite del flujo de slidos):

Concentracin+de+lodos

Flujo+de+slidos+lmite

C SFg

(mg/l) Kg/m2+*h

8,900 3.60

9,300 3.15

9,700 2.70

10,100 2.30

10,500 2.00

Se requiere determinar la relacin de recirculacin de lodo necesaria para mantener en el reactor una concentracin de Slidos Suspendidos del Liquido Mezcla (SSLM, XSSLM) se utiliza la siguiente relacin mediante un balance de masa en el afluente al reactor:

Q Xo + Qr Xu = (Q + Qr) XSSLM Donde: Q = caudal afluente (m3/d) Qr = caudal de recirculacin (m3/d) Xo = slidos suspendidos del afluente (mg/l) Xu = slidos suspendidos del caudal inferior (mg/l) XSSLM = slidos suspendidos del lquido mezcla (mg/l) Haciendo la siguiente suposicin con el objeto de simplificar la ecuacin a un estado ideal, tenemos que Xo = 0 mg/l, y Qr = Q, la ecuacin se puede expresar de la siguiente forma: Q Xu = Q XSSLM + Q XSSLM Q Xu - Q XSSLM = Q XSSLM (Q Xu - Q XSSLM) = Q XSSLM = !!"#! !!"# En donde es la relacin de recirculacin Qr / Q. Para determinar el rea de espesamiento o rea superficial del sedimentador se utiliza la siguiente ecuacin: = 1+ !!"#! 24 1000

Clculo del rea del sedimentador Se tienen los siguientes datos;

Q = 1354.5 m3/d Q = 56.44 m3/h

XSSLM = 4000 mg/l

Con stos podemos calcular la relacin de recirculacin, el rea de espesamiento del sedimentador secundario y la carga superficial, lo cual se muestra en la siguiente tabla:

Profundidad del sedimentador secundario Para l calculo de la profundidad de espesamiento se debern realizar las siguientes consideraciones:

Profundidad mnima en la zona clarificada del tanque de sedimentacin de 1.5 m

Masa de lodo retenida en el tanque de sedimentacin secundaria igual al 30 % de la masa del tanque de aireacin, bajo condiciones normales de operacin

Concentracin media de slidos en la zona de lodos de 7000 mg/l

Concentracin de slidos suspendidos del lquido mezcla 4000 mg/l

Volumen del rector biolgico 258.32 m3

Concentracin de lodo de fondo 9700 mg/l, por lo tanto el rea de espesamiento

es 142.3 m2 El calculo de la masa de solidos se estima con la siguiente relacin:

!!"#$% = 1000 = 1000 En donde: MSLIDOS = masa de slidos en Kg V = volumen almacenado, en m3 X = concentracin de slidos, en mg/l

A = superficie del tanque en m2 h = altura en m

Se deber estimar la masa de slidos en el sedimentador, la cual corresponde al 30% de la existente en el tanque de aireacin: M!#$%&! !" !" !"#$%&! = V X1000 = 258.32 m! (4000 mg l)1000 = 1,033.27 Kg M!#$%&! !" !" !"#$%"&'(#)* = 1,033.27 Kg 0.30 = 309.98 kg Por lo tanto la profundidad de lodos en el tanque de sedimentacin ser: h = (M!#$%&!) 1000A X = (309.98 kg) (1000)142.30 m! (7000mg l) = 0.311 m La capacidad de almacenamiento necesaria en la zona de lodos suponiendo que en condiciones de caudal punta el exceso de slidos se debe almacenar en el tanque de sedimentacin secundaria, para ello debemos tener las siguientes consideraciones: Factor de caudal punta 2.16 Factor de carga punta de DBO5 1.5 S es el grado de contaminantes en la salida, se supone un valor de 15 mg/l Coeficiente cintico de crecimiento de biomasa observado, Yobs = 0.462 Caudal diario 1,354.5 m3/d El caudal y DBO punta ser entonces: QPUNTA = (1,354.5 m3/d) * 2.16 = 2,925.72 m3/d DBOPUNTA = (276.7 mg/l) * 1.5 = 415.0 mg/l La produccin de slidos ser entonces: P! = Y!"# Q S! S1000 = 0.462 2925.72 m! d 415.0 151000 = 540.14 kg Por lo tanto la profundidad de lodos para el caudal punta en el tanque de sedimentacin ser:

h = (M!#$%&!) 1000A X = (540.14 kg) (1000)142.30 m! (7000mg l) = 0.542 m La profundidad total del sedimentador estar compuesta por los siguientes elementos:

HTOTAL = h MNIMA RECOMENDADA + h MASA DE SLIDOS + h CAUDAL PUNTA

HTOTAL = 1.50 m + 0.311 m + 0.542 = 2.354 m De acuerdo a las recomendaciones de diseo, la profundidad mnima se establece en 3.6 m. Por lo tanto el volumen del reactor es:

V = A * h = (142.3 m2)*(3.6 m) = 512.2 m3 Se requiere determinar la carga de superficie para las condiciones punta del proceso, mediante la siguiente relacin: ! = = 2,925.72 ! 142.30 ! = 20.56 ! ! ! = = 2,925.72 ! 1 24142.30 ! = 0.86 ! ! El tiempo de retencin del sistema se calcula con la siguiente expresin: !" = El volumen calculado en el reactor es 512.2 m3, por lo tanto el tiempo de retencin para las condiciones normales de operacin y de caudal punta son las siguientes: T!" !"#$%!%"# !"#$%! = VQ = 512.2 m!1,354.5 m! d = 0.38 d = 9.08 hr T!" !"#$"% !"#$% = VQ = 512.2 m!2,925.72 m! d = 0.18 d = 4.20 hr TABLA RESUMEN DE PARMETROS DE DISEO, PGINA 310. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN PEQUEAS POBLACIONES

ELABORACIN DE FICHAS TCNICAS DE LOS PROCESOS UNITARIOS Estas tienen como objetivo recopilar la informacin bsica del diseo de cada uno de los procesos unitarios, as como establecer la remocin de contaminantes y la eficiencia en cada uno de los procesos. A continuacin se presenta un ejemplo de los datos que se pueden generar como ficha tcnica del sistema de tratamiento en general, basado en ste modelo se pueden generar las fichas tcnicas para cada uno de los procesos unitarios:

SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Caudal medio diario 15.68 l.p.s.

Caudal punta 33.86 l.p.s.

Caudal mximo extraordinario 69.82 l.p.s.

Factor caudal punta 2.16

DBO cruda 437 mg/l

DBO efluente 12.2 mg/l

Norma ecolgica de diseo NOM ECOL 001- 1996

Proceso de tratamiento

Tratamiento preliminar Rejillas, desanerandor

Tratamiento primario Sedimentador primario

Tratamiento secundario Reactor de lodos activados de mezcla completa Sedimentador secundario

Sistema de desinfeccin Tanque de contacto de cloro a base de hipoclorito de sodio en concentracin 13%

Tratamiento de lodos Lecho de secado de lodos