TRATAMIENTO DE LODOS O FANGOS

Características generales de los lodos

• Es un líquido o líquido semisólido con un contenido en sólidos entre 0,25 y 12 %.

• Está formado en muchas ocasiones por las sustancias responsables del carácter desagradable de las aguas residuales no tratadas.

• Los lodos generados en los procesos biológicos tienen una gran cantidad de materia orgánica que pueda estar sujeta a procesos de descomposición no deseables.

• Sólo una pequeña parte de los lodos primarios o secundarios está compuesta por materia sólida.

• A partir de lo anterior los procesos de tratamiento de lodos se dirigen a:

. Reducción del contenido de agua presente en éstos

- Reducción de la materia orgánica contenida en éstos

- Reducción del volumen total de éstos

Procedencia y características específicas de los lodosOperación o proceso unitario Tipo de sólidos o lodos Características

Desbaste Sólidos gruesos Las basuras incluyen todo tipo de materiales inorgánicos y orgánicos relativamente grandes

Desarenado Arenas y espumas Las arenas están constituidas, normalmente, por los sólidos inorgánicos más pesados

Pre aireación Arenas y espumas La espuma está formada por materiales flotantes tales como: grasas, aceites, residuos alimenticios,

papel, plásticos, etc.

Decantación primaria Lodos primarios y espuma Los de carácter orgánico producen un olor extremadamente molesto

Tratamiento químico Lodos químicos El olor del fango puede ser molesto si es de carácter orgánico pero menos ofensivo que el

primario, suelen voluminosos y otras características dependerán del tipo de compuesto

químico usado en el proceso

Tanques de aireación Sólidos suspendidos El lodo en buenas condiciones tiene un olor característico a tierra pero tiende a convertirse en

séptico rápidamente

Sedimentación Secundaria Lodos secundarios y espumas La característica de los lodos variará mucho en función del tratamiento biológico secundario

Instalaciones de tratamiento de lodos

Lodos, compostaje y cenizas Material bastante estabilizado y de relativo menor volumen

Producción de lodos• La cantidad de lodos producidos varía ampliamente pero existen algunos indicadores

internacionales para los lodos generados a partir de aguas residuales.• Para la proyección de los sistemas de tratamiento de lodos hay que tener en cuenta: las

tasa media y punta de producción de lodos y la capacidad de almacenamiento potencial de la planta.

• En los reactores biológicos y de sedimentación se pueden almacenar temporalmente cantidades limitadas de lodos, lo cual puede servir para absorber las puntas de carga de corta duración.

• Las cantidades totales de lodos se determinan mediante los balances de sólidos del proceso de tratamiento.

• El volumen de lodos depende, principalmente, de su contenido de agua y, sólo en una pequeña parte, de las características de la materia sólida. Si la materia sólida está formada por sólidos fijos (minerales) y sólidos volátiles (orgánicos), el peso específico global de la materia sólida se puede calcular utilizando la ecuación:

Ws/Ssw = Wf/Sfw + Wv/Svw Ws = peso de sólidosSs = peso específico de los sólidosw = densidad del aguaWf = peso de sólidos fijosSf = peso específico de los sólidos fijosWv = peso de sólidos volátilesSv = peso específico de los sólidos volátiles

Producción de lodos• Si 1/3 de la materia sólida de un lodo que contiene un 90 % de agua está formada

por sólidos inorgánicos con un peso específico de 2,5 y 2/3 por sólidos volátiles con un peso específico de 1,0, el peso específico del conjunto de sólidos Ss será:

1/Ss = 0,33/2,5 + 0,67/1,0 = 0,802 Ss = 1,25

Si se asume el peso específico del agua 1,0 entonces el peso específico del fango será de:

1/S = 0,1/1,25 + 0,9/1,0 = 0,98 S = 1,02• El volumen de lodos se puede calcular mediante:

V = Ws/w Ssl Ps

Ws = peso de los sólidos secos, kg

w = densidad del agua, kg/m3

Ssl = peso específico del lodo

Ps = fracción de sólidos expresada en tanto por uno

Para la realización de cálculos aproximados cuando el contenido de sólidos es dado, se puede plantear la siguiente relación: V1/V2 = P2/P1

Tratamiento de lodos

• Concentración o espesamiento• Conversión biológica: anaerobia y aerobia• Acondicionamiento para la deshidratación• Deshidratación• Secado térmico• Disposición final de lodos• Otros tratamientos: estabilización con cal,

desinfección

Métodos de espesadoMétodo Tipo de lodo Frecuencia de uso y éxito obtenido

Gravedad Primario crudo Utilizado a menudo con excelentes resultados

Gravedad Primario crudo y lodo activado en exceso

Utilizado a menudo especialmente en plantas pequeñas; resultados satisfactorios

con concentraciones de lodos variables entre 4 y 6 %

Gravedad Lodo activado en exceso Utilizado en pocas ocasiones, pobres concentraciones de sólidos (2 – 3 %)

Flotación por aire disuelto

Primario crudo y lodo activado en exceso

Uso limitado; resultados similares a los espesadores por gravedad

Flotación por aire disuelto

Lodo activado en exceso Uso bastante extendido; buenos resultados (concentraciones de sólidos entre 3,5 y 5 %)

Centrifugación Lodo activado en exceso Uso limitado pero con buenos resultados (entre 4 y 8 % de sólidos)

Filtro de banda por gravedad

Lodos activados en exceso Uso en extensión; buenos resultados (concentraciones de sólidos entre 3 y 6 %)

Espesador de tambor rotatorio

Lodos activados en exceso Uso limitado; resultados excelentes (concentraciones de sólidos entre 5 y 9 %)

Espesadores por gravedad• Se lleva a cabo en un tanque de diseño similar al de un sedimentador convencional de

forma circular.

• El fango alimentado sedimenta y compacta y el fango espesado se extrae por la parte inferior del tanque.

• Los mecanismos de recogida de fango más usuales consisten en dispositivos dotados de rascadores profundos.

• El sobrenadante que se origina se retorna al decantador primario o a la cabeza de la PTAR.

• Es necesario disponer de un volumen de almacenamiento.

• Debe dotarse de suficiente capacidad para hacer frente a las demandas puntas.

• Hay que prevenir el desarrollo de condiciones sépticas y los problemas asociados, durante el proceso de espesado.

• Los espesadores se dimensionan en función de la carga de sólidos.

• Para mejorar la concentración se mantiene un manto de lodos en la parte inferior del tanque.

• La relación de volumen de lodos es una variable de funcionamiento de los espesadores que se define como el volumen de lodos espesado extraído diariamente.

• La relación de volumen de lodos suele variar entre 0,5 y 20 d.

• Como alternativa a lo anterior, se puede medir la profundidad del manto de lodos. La profundidad del manto de lodos puede variar entre 0,6 y 2,4 m.

Carga de sólidos para diferentes tipos de lodos

Tipo de lodo Concentración de sólidos % Carga de sólidos kg/m2.d

Por separado: Sin espesar Espesado

Lodo primario 2 - 7 5 - 10 88 – 136

Lodo de filtro percolador 1 - 4 3 - 6 34 - 49

Lodo activado con aire 0,5 – 1,5 2 - 3 12 – 34

Lodo activado digerido por vía anaerobia 8 12 122

Conjuntamente:

Lodo primario y filtro percolador 2 - 6 4 - 9 58 – 98

Lodo primario y activado por aire 2 - 5 3 - 8 25 – 49

Lodo activado y lodo primario digerido por vía anaerobia

4 8 68

Lodos acondicionados térmicamente:

Lodo primario 3 - 6 12 - 15 195 – 245

Lodo primario y exceso de lodo activado 3 - 6 8 - 15 136 -195

Exceso de lodo activado 0,5 – 1,5 6 - 10 98 - 136

Espesadores por flotación• De las formas conocidas, por aire disuelto, al vacío y por dispersión de aire, la

utilizada casi universalmente es la primera.• La concentración de sólidos flotantes que se puede obtener en el proceso de

espesado por flotación de lodos activados, depende, principalmente, de la relación aire – sólidos, de las características del lodo (SVI o IVL), de la carga de sólidos, y de la aplicación de polímeros.

• Es difícil predecir la concentración que se va a obtener a no ser que se lleven a cabo estudios de laboratorio o en planta piloto.

• La concentración de sólidos flotantes se maximiza para valores de la relación aire – sólidos entre 2 y 4 %.

• Utilizando dosificaciones normales de polímeros el rendimiento de los espesadores mejora para valores de SVI inferiores a 200 y para valores mayores es necesario emplear mayores dosis de polímeros.

• La concentración de sólidos disminuye para cargas de sólidos elevadas (superiores a 470 kg/m2.d).

• La dosis típica de polímeros utilizada en el proceso de flotación de aire disuelto para el exceso de lodo activado es de 2 – 5 kg de polímero seco/ton de sólidos secos.

Carga de sólidos para flotación por aire disuelto

Tipo de lodo Carga de sólidos kg/m2.h

Sin reactivos

Con reactivos

Lodo activado con aire 49 Hasta 220

Lodo de filtro percolador 68 -98 Hasta 220

Lodo primario + lodo activado por aire 68 - 145 Hasta 270

Lodo primario + lodo de filtro percolador 98 - 146 Hasta 290

Filtros de banda por gravedad

• Los equipos desarrollados para el espesado consisten en una banda que se desplaza sobre unos rodillos accionados por un motor de velocidad variable.

• El lodo se acondiciona con polímeros (para exceso de lodo activado se aplican entre 3 – 7 kg de polímero seco/ton de sólidos secos), y se conduce a una cámara de distribución/alimentación situada en un extremo de la unidad. Esta cámara se emplea para distribuir el lodo uniformemente en toda la anchura de la banda móvil, mientras el agua escurre a través de la misma y el lodo se conduce hasta el extremo de la descarga.

• Durante el recorrido sobre la banda, una serie de cuchillas cortan y forman surcos en el lodo, permitiendo que el agua liberada del lodo pase a través de la banda.

• Una vez eliminado el lodo espesado pasa por un ciclo de lavado

Digestión Anaerobia• Es el proceso de estabilización de lodos más utilizados y data del

1850.• Lo usual es tratar anaerobiamente y de manera conjunta todos los

lodos orgánicos y biológicos existentes en la PTAR.• Idealmente el diseño del sistema debería basarse en los principios

bioquímicos y microbiológicos del proceso anaerobio pero aún hoy la mayoría de los diseños se basan en diferentes métodos empíricos.

• Los métodos de diseño se basan en:

- El concepto de tiempo medio de retención celular

- El uso de factores de carga volumétricos

- Las reducciones de volúmenes observadas

- Factores de carga basados en la población servida

Diseño de digestores anaerobiosVCH4 = (0,3516) [(S0 – S) (Q) – 1.42 Px]En la digestión anaerobia de lodos mixtos o mezclados (primarios más secundarios) la reducción de sólidos volátiles (SV) se suele situar entre el 45 y 60 %.En el caso de un digestor de mezcla completa de alta carga sin recirculación, la masa de sólidos biológicos sintetizados diariamente Px, se puede estimar mediante la siguiente ecuación:

Px = {Y [(S0 – S) (Q)]}/(1 + Kd c)

Temperatura de operación, °C cM, días c, días (recomendado para el diseño)

18 11 28

24 8 20

30 6 14

35 4 10

40 4 10

Cálculo del volumen y rendimiento de un digestor• Calcúlese el tamaño requerido por un digestor que debe tratar lodos de un tratamiento

primario de unos 38000 m3.d de agua residual. Compruébese la carga volumétrica (Bv) y calcúlese el porcentaje de estabilización y la cantidad de gas producido. Se ha encontrado que para el agua residual a tratar, la cantidad de lodos primarios producidos es 111.8 m3.d y la DBOL eliminada de esta agua es de 0,14 kg/m3. Otros supuestos del proyecto son: El régimen hidráulico del reactor es de mezcla completa; temperatura de operación 35 °C; eficiencia de utilización del residuo 80 %; no hay limitación de nutrientes; Y = 0,05 kg de células/kg de DBO utilizado y kd = 0,03 d-1

• Solución:1. Cálculo del volumen del digestor:

V/Q = c c = 111,8 m3.d x 10 d = 1118 m3

2. Cálculo de la carga volumétrica:Carga DBOL = 0,14 kg DBOL/m3 x 38 000 m3.d = 5320 kg/d Bv(kg DBOL/m3.d) = 5320 kg/d/1118 m3 = 4.76 kg/m3.d

3. Cálculo de los kilogramos de los SV producidos por día:Px = {Y [(S0 – S) (Q)]}/(1 + Kd c) Px = 164 kg/d

4. Cálculo del porcentaje de estabilización:% estabilización = (S0 – S) (Q) – 1.42 x 164/5320 % estabilización = 76 %

5. Cálculo del biogás producido: VCH4 = (0,3516) [(S0 – S) (Q) – 1.42 Px] 1408 m3/d

Factores de carga• Los factores de carga más utilizados para calcular el volumen del

digestor anaerobio son:- kg SV añadidos por día y metro cúbico del reactor- kg de SV añadidos por día/kg SV contenidos en el reactor

• Otro factor que debe comprobarse es el tiempo de detención hidráulica

• Los digestores de baja carga operan con Bv entre 0,5 y 1,6 kg SV/d.m3 y entre 30 y 60 días. Para los digestores de alta carga pueden emplearse Bv entre 1,6 y y 4,8 kg SV/d.m3 y con entre 10 y 20 días. Cuando se trabaja con Bv superiores a 4 kg SV/d.m3 puede presentarse problemas operacionales debido al mezclado.

• En las PTAR el cálculo de la reducción de los SV es una operación que se debe llevar a cabo de forma rutinaria cada vez que se extrae lodo para su deshidratación y secado. A la hora de calcular la reducción de SV se asume que el contenido de los sólidos fijos en el lodo tiene un carácter conservativo.

Determinación de la reducción de sólidos volátiles

Calcúlese la reducción total de los sólidos totales (ST) y de los sólidos volátiles lograda durante la digestión a partir del siguiente análisis de lodo. Se supone que 1) los SF son conservativos.Solución:1. Determinar el peso de los SV digeridos, puesto que la cantidad de SF permanece igual, basándonos en 1,0 kg de lodo crudo seco.

Tipo de lodo SV (%) SF (%)

Crudo 70 30

Digerido 50 50

SF en el lodo crudo, 30 % = 0,3 kg

SF en el lodo digerido (conservativo) = 0,3 kg

SV en el lodo digerido = SF en el lodo digerido = 0,3 kg

2. Determinar la reducción porcentual de ST y SV

a) Reducción de ST = (1.0 – 0.6) x 100/1,0 = 40 %

b) Reducción de SV = (0,7 – 0,3) x 100/0,7 = 57. 1 %

Reducción de volumen de lodo

• Se ha podido observar que conforme se lleva a cabo la digestión, la extracción de sobrenadante y su retorno a la cabeza de planta se produce una reducción del volumen de lodo remanente de forma exponencial.

• Si este comportamiento se representa gráficamente, volumen de lodo remanente vs tiempo, el volumen de digestor necesario viene dado por la superficie de la zona situada por debajo de la curva, y se puede calcular mediante la expresión:

V = [ Vf – 2/3 (Vf – Vd)] t

Otras consideraciones para el diseño

• Los tanques pueden ser cilíndricos, rectangulares y ovalados (forma de huevo).

• Los tanques de digestión cilíndricos no suelen tener diámetros inferiores a 6 m ni superiores a 38 m.

• La profundidad del líquido no debe ser inferior a 6 m ni puede ser superior a 14 m.

• El fondo del tanque suele ser de forma cónica con pendiente hacia la zona de extracción de los lodos, normalmente situada en el centro.

• La pendiente del fondo suele ser, como mínimo, de 1:4 (horizontal:vertical).

• El objetivo de los tanques ovalados es eliminar la necesidad de limpiar los tanques. En la parte inferior de éstos las paredes forman un cono de inclinación suficientemente pronunciado como para evitar la posibilidad de acumulación de arenas. En estos tanques se puede lograr un mejor mezclado y se puede controlar mejor la capa de espumas. Se pueden construir de acero y hormigón armado.

Otras consideraciones para el diseño

• El mezclado del digestor se puede llevar a cabo mediante diferentes sistemas siendo los más utilizados:- Inyección de gas: Pueden ser sistemas confinados y sistemas no confinados. Los no confinados se diseñan para recoger el gas en la parte superior de los digestores, comprimirlo y descargarlo a través de una serie de difusores distribuidos en el fondo del tanque o mediante una serie de lanzas dispuestas radialmente ancladas en la zona superior. En los confinados el gas se descarga a través de conductos cerrados. - Mezclado mecánico: Generalmente se emplean turbinas o agitadores de baja velocidad.- Bombeo mecánico de los lodos: Consisten generalmente en bombas de hélices montadas sobre tubos de aspiración dispuestos interna o externamente al digestor, o en bombas centrífugas de flujo axial dispuestas externamente junto con las conducciones asociadas.

Parámetros de diseño de mezcladores

Parámetro Definición Valor típico

Potencia específica Potencia de los equipos de mezcla dividida por el volumen del reactor

(kW/m2)

Sistemas mecánicos: 0,00475 – 0,00788

Caudal de gas unitario Caudal de gas suministrado por los sistemas de inyección de gas dividido

por el volumen del digestor (m3/m3.min)

Sistemas de gas no confinado: 0,0045 – 0,0050

Sistema de gas confinado: 0,005 – 0,007

Gradiente de velocidad Raíz cuadrada de la relación entre la potencia específica y la viscosidad

absoluta del lodo, G, s-1

Todo sistema de mezclado: 50 – 80 s-1

Tiempo de renovación Volumen del digestor dividido por el caudal del lodo

Sistema de mezcla de gas confinado y sistemas

mecánicos: 20 – 30 min

Calefacción del digestor• Las necesidades de calor de un digestor vienen dadas por la cantidad de calor necesario para:1. Aumentar la temperatura del lodo alimentado hasta alcanzar la temperatura mantenida en el

interior del digestor2. Compensar las pérdidas de calor que se producen a través de las paredes, fondo y cubierta del

digestor3. Compensar las pérdidas que se pueden producir en las conducciones que comunican la fuente

de calor con el tanque de digestión.• El lodo se calienta por bombeo de éste y sobrenadante del digestor a través de

intercambiadores de calor situados en el exterior del tanque y recirculación del mismo, o por circulación a través de intercambiadores de calor situados en el interior del tanque.

• Las pérdidas de calor a través de las paredes, fondos y cubierta del digestor se calculan utilizando la expresión:q = UAtq = pérdida de calor, (W,J,cal) U = coeficiente global de transmisión de calor, W/m2.°CA = área de la sección transversal a través de la cual se produce la pérdida de calor, m2

t = diferencia de temperatura entre el interior y el exterior• La cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura del lodo (Qc) se calcula mediante:

Qc = mCp tm = masa del lodo (kg, g)Cp = Calor específico del lodo, W/kg.°C

Digestión aerobia

• Necesario gastos energéticos elevados.• Se produce un lodo de pobres características para la

deshidratación mecánica.• La digestión aerobia no se puede emplear para digerir

lodos primarios.• Se ha empleado para el tratamiento de lodos de PTAR

de residuos líquidos domésticos de pequeña capacidad.

Deshidratación de lodos

• Muy útil por diferentes razones:

1. Reducción de los costos de transportación

2. Mejoría para la manipulación

3. Necesaria antes de la incineración

4. Necesaria si se aplica el compostaje

5. Evita o disminuye sustancialmente la generación de olores y la descomposición no controlada de los lodos

6. Reducción de producción de lixiviados cuando se disponen en rellenos sanitarios

• Las técnicas de deshidratación se basan en:

1. Aplicación de equipos mecánicos que utilizan medios físicos como la filtración, el prensado, la extracción por vacío y la separación y compactación por centrifugación.

2. Utilización de procesos naturales como la evaporación y la percolación• La selección del sistema de deshidratación es función, fundamentalmente,

del tipo de lodo a deshidratar y del espacio disponible.

Filtración al vacío

• Su utilización ha venido descendiendo en los últimos años debido a: complejidad del sistema; necesidad de reactivos para acondicionamiento, elevados costos de explotación y mantenimiento.

• Consiste en un tambor cilíndrico horizontal que gira, parcialmente sumergido, en una cuba de lodo.

• Los materiales empleados como medio filtrante son telas filtrantes o mallas metálicas en espiral.

• El proceso se desarrolla en tres etapas: formación, deshidratación y descarga de la torta.

• Este sistema suele contar con bombas alimentación del lodo, equipos de dosificación de reactivos, depósito de acondicionamiento del lodo, filtro de tambor, tolva o cinta del transporte de la torta de lodo, sistema de vacío, y sistema de evacuación del filtrado.

• El contenido de sólidos óptimo para la filtración es entre 6 y 8 %. Valores más elevados complican la distribución del lodo y el acondicionamiento para la deshidratación; valores inferiores a los indicados obligan al uso de filtros de vacío de dimensiones superiores a las necesarias.

• Los reactivos normalmente empleados para el acondicionamiento del lodo son la cal, el cloruro férrico, y polímeros.

Rendimiento típico de los filtros de vacío

Tipo de lodo Medio de tela Medio de espiral metálico

Rendimiento kg/m2.h

Sólidos de la torta, %

Rendimiento kg/m2.h

Sólidos de la torta, %

Primario 19,5 - 39 27 - 35 29,2 - 39 28 – 32

Primario y activado con aire

1,406 – 29,2 18 - 25 12,2 – 19,5 23 - 27

Primario y de filtro percolador

14,6 – 34,1 20 - 30

Lodo primario digerido por vía anaerobia

19,5 – 34,1 25 – 35

Lodo primario + exceso de lodo activado digeridos

por vía anaerobia

9,7 – 24,4 18 - 25 17,1 - 22 20 – 25

Lodo primario + lodo de filtro percoladores digeridos por vía

anaerobia

17,1 - 39 20 - 27 19,5 – 29,2 27 - 33

Centrifugación

• Implica la sedimentación de las partículas de lodo bajo la influencia de las fuerzas centrífugas. Los dos principales tipos de centrífugas empleadas actualmente para el espesado de lodos son la centrífuga de camisa maciza, que trabaja en forma continua, y la de cesta que trabaja en forma discontinua.

• La selección de las unidades para el diseño de la planta depende de los datos sobre capacidad nominal y rendimiento suministrados por los fabricantes. Varios fabricantes disponen de unidades piloto portátiles que permiten realizar ensayos in situ en los casos que se disponga de lodos.

• La superficie necesaria para la instalación de centrífugas es menor que la de otros sistemas, sin embargo, el costo de operación es elevado debido al gasto energético. También el anclaje de las máquinas debe ser muy resistente y poco transmisor de las vibraciones y ruidos asociados al uso de estos equipos. Es necesario disponer de un suministro eléctrico adecuado debido a que los motores de accionamiento pueden tener potencias elevadas.

• La principal dificultad que se presenta en la operación de las centrífugas es la evacuación del concentrado, que presenta concentraciones relativamente elevadas de sólidos suspendidos no sedimentables. El reciclado de estos sólidos a cabeza de las instalaciones de tratamiento da lugar a la circulación de los mismos a través del sistema y a la reducción de la calida del efluente

Rendimiento esperado para centrífugas Tipo de lodo De camisa maciza De cesta

Sólidos en la torta,%

Captura de sólidos, % Sólidos en la torta,%

Captura de sólidos, %

Sin productos químicos

Con productos químicos

Sin productos químicos

Con productos químicos

Lodo primario 25 - 35 75 -90 90 + 25 - 30 90 - 95 95 +

Lodo primario y de filtro percolador 20 - 25 60 - 80 90 + 7 - 11 90 + 90 +

Lodo primario y activado con aire 12 - 20 55 - 65 90 + 12 -14 - 90 +

Lodo en exceso de filtro percolador 10 - 20 60 - 80 90 + 9 - 12 90 + 95 +

Lodo primario digerido por vía anaerobia

25 - 35 65 - 80 85 +

Lodo de filtro percolador digerido por vía anaerobia

18 - 25 60 - 75 85 +

Lodo primario y activado con aire digerido por vía anaerobia

15 - 20 50 - 65 85 + 8 - 14 75 - 80 85 +

Exceso de lodo activado digerido por vía aerobia

8 - 10 60 - 75 90 +

Filtros banda

• En la mayoría de los filtros banda, el lodo acondicionado es introducido, en primer lugar, en una zona de drenaje por gravedad donde se produce su espesado. En esta fase la mayor parte del agua libre se elimina por gravedad. En algunos casos esta fase está asistida por un sistema de vacío que favorece el drenaje y ayuda a reducir el desprendimiento de olores

• A continuación del drenaje por gravedad, el lodo pasa a una zona de baja presión donde es comprimido entre dos telas porosas opuestas.

• En algunas unidades, esta zona de aplicación de presión baja va seguida de otra de alta presión, en la que el lodo se somete a esfuerzos tangenciales a medida que las bandas pasan a través de una serie de rodillos. Estos esfuerzos de prensado y tangenciales favorecen la liberación cantidades adicionales de agua contenida en el lodo.

• Finalmente la torta de lodo deshidratado se separa de las bandas mediante rascadores

ESQUEMA DE UN FILTRO BANDAESQUEMA DE UN FILTRO BANDA

Filtros de banda. Consideraciones de diseño

• Un sistema de filtros banda típico está formado por bombas de alimentación del lodo, equipos de dosificación de polímero, una cámara de acondicionamiento del lodo (floculador), un filtro banda, una cinta transportadora de la torta de lodo y equipos complementarios (bombas de agua de lavado y comprensor de aire.

• En el mercado se dispone de filtros banda de diferentes dimensiones, con anchuras de banda variables entre 9,5 y 3,5 m. Las bandas de 2 m de ancho son las más comúnmente empleadas para el tratamiento de lodos municipales.

• Las cargas de aplicación de sólidos varían entre 90 y 680 kg/m2.h dependiendo del tipo de lodo y de la concentración del lodo alimentado.

• La extracción de agua, basada en la anchura de la banda, varía entre 1,6 y 6,3 l/m.s.

• Las medidas de seguridad que hay que contemplar en el diseño incluyen una ventilación adecuada para la eliminación del sulfuro de hidrógeno u otros gases, y la provisión de protecciones para evitar la posibilidad de que las telas se enganchen entre los rodillos.

Rendimientos típicos con filtros de banda Tipo de lodo % de sólidos en el lodo

alimentado% de sólidos en la torta de

lodo

Primario 3 – 7 28 – 44

Primario + exceso de lodo activado 3 - 6 20 – 35

Primario + lodo de filtro percolador 3 - 6 20 – 35

Exceso de lodo activado 1 - 4 12 – 20

Lodo primario digerido por vía anaerobia

3 - 7 25 – 35

Lodo primario + exceso de lodo activado digerido por vía anaerobia

3 - 6 20 – 25

Lodo primario + exceso de lodo activado digerido por vía aerobia

1 - 3 12 - 20

Diseño de un filtro banda

• Una PTAR produce 76 m3/d de lodo espesado con un contenido de sólidos del 3 %. Se desea utilizar una unidad de filtros banda con un ciclo operativo de 8 h/d, 5d/semana y una carga de 300 kg de sólidos/m.h. Calcular el número de los filtros banda necesarios y la captura de sólidos esperada (en porcentaje) si se cuenta con los datos siguientes:Contenido de sólidos en el lodo deshidratado = 25 %Concentración de sólidos en el líquido deshidratado = 0,09 %Caudal de lavado 96 l/min por m de anchura de bandaLos pesos específicos del lodo alimentados, de la torta de lodo y del líquido filtrado, valen 1,02; 1,07 y 1,01, respectivamenteCálculo:

1. Producción semanal media de lodo:Lodo húmedo = (76 m3/d) (7 d/sem)(1000 kg/m3)(1,02) = 542640 kg/semanaSólidos secos = 542640 x 0,03 = 16279kg/semana

2. Necesidades horarias y diarias de tratamiento de sólidos basándose en un ciclo operativo de 5 días/semana, 8h/d:Tasa diaria = (16279kg/sem) x (5d/sem) = 3256 kg/dTasa horaria = (3256/8) = 407 kg/h

3. Dimensiones de la banda:Anchura de la banda = 407 kg/h/300 kg/m.h = 1,35 m

Diseño de un filtro banda4. Caudal de líquido filtrado:a) Ecuación de balance de sólidos:

Sólidos en lodo alimentado = sólidos en la torta + sólidos en el líquido filtrado3256 = (SS m3/d) (1000 kg/m3)(1,07)(0,25) + (FF m3/d) (1000 kg/m3)(1,01)(0,0009)3256 = 267,5 x S S + 0,909 x FFS S es el caudal de torta de lodo y F F es el caudal de líquido filtrado (m3/d)

b) Ecuación de equilibrio de caudales:Caudal de lodo + caudal de agua de lavado a contracorriente (AA) = S S + FFCaudal diario de lodo (LL) = (76 m3/d) x (7/5) = 106,4 m3/dAA = (0,096 m3/min.m) (1,5 m)(60 min/h)(8h/d) = 69,12 m3/dSustituyendo 106,4 + 69,12 = 175,52 = S S + FFResolviendo el sistema de ecuaciones: F = 163,9 m3/d

5 Porcentaje de captura de sólidos (%):% de Captura = (Sólidos en la alimentación – sólidos en el filtrado)/sólidos en la alimentación% = {[(3256 kg/d) –((163,9 m3/d)(1000 kg/m3) (1,01) (0,0009))]/3256 kg/d} x 100% de captura = 95,4

Filtros prensa – Características generales

• En un filtro prensa, la deshidratación se lleva a cabo forzando la evacuación

de el agua presente en el lodo por la aplicación de una presión elevada.• Las ventajas de este sistema incluyen: altas concentraciones de sólidos en

la torta; obtención de un filtrado muy clarificado; elevadas captura de sólidos. • Los inconvenientes incluyen: complejidad mecánica; elevado costos de

reactivos; costo de la mano de obra y limitada vida útil de las telas de los filtros.

• Hay varios tipos de filtros pero el más utilizado universalmente es el de placas de volumen fijo.

• Este tipo de filtro consiste en una serie de placas rectangulares, que se colocan enfrentadas entre sí en posición vertical sobre un bastidor con un extremo fijo y otro móvil. Sobre cada una de las placas se ajusta una tela filtrante. Las placas se mantienen juntas con fuerza suficiente para que se adhieran herméticamente y puedan, así, resistir la aplicación aplicada durante el proceso de filtración. Para que las placas se mantengan unidas, se emplean prensas hidráulicas o tronillos accionados mecánicamente.

FILTRO PRENSA, CON ACCIONAMIENTO FILTRO PRENSA, CON ACCIONAMIENTO HIDRÁULICOHIDRÁULICO

Filtros prensa – Funcionamiento

• El lodo acondicionado químicamente se bombea al espacio existente entre las placas, y se aplica una presión variable entre 690 y 1550 kN/m2 que se mantiene durante 1 – 3 h, forzando al líquido a pasar a través de la tela filtrante y de los orificios de salida de las placas. Seguidamente, se separan las placas y se extrae la torta de lodos.

• El líquido filtrado se suele reciclar a la cabeza de la planta.• El espesor de la torta de lodo varía entre 25 y 38 mm, y el

contenido de humedad entre 48 – 70 %. La duración del ciclo de filtración varía entre 2 y 5 horas, e incluye el tiempo necesario para (1) llenar el filtro; (2) mantener la presión; (3) abrir el filtro; (4) lavar y descargar la torta, y (5) cerrar el filtro.

• En función del grado de automatización de la máquina, el operario deberá realizar el seguimiento de las operaciones de alimentación, descarga y lavado del filtro

Filtros prensa - Consideraciones de diseño

• Ventilación adecuada del edificio de deshidratación (se recomienda adoptar entre 6 y 12 regeneraciones de aire por hora)

• Sistemas de lavado a presiones adecuadas

• Cuando se emplea cal hay que prever un sistema de lavado por circulación de ácido para eliminar las incrustaciones que se puedan formar

• Disponer un triturador de lodo antes del acondicionamiento

• Incluir un sistema de rotura de la torta de lodo a continuación del filtro prensa (especialmente si el fango deshidratado se desea incinerar)

• Equipos para facilitar la extracción y mantenimiento de las placas

Eras o lechos de secado• Se utilizan normalmente para la deshidratación de lodos digeridos.• Sus principales ventajas son su bajo costo de construcción; escaso mantenimiento y elevado

contenido de sólidos en el producto final.• Principales inconvenientes: necesaria gran extensión de terreno, dependencia total de la

situación climática, costo de mano de obra.• El tipo más utilizado es el convencional de arena.• El lodo se extiende sobre la arena, formando una capa de 200 a 300 mm de espesor y se deja

secar. El lodo se deshidrata por drenaje a través de la masa de lodo y de arena, y por evaporación desde la superficie expuesta al aire. La mayor parte del agua se extrae por drenaje, razón por la cual es fundamental disponer de un sistema de drenaje adecuado.

• Las eras de secado están equipadas con tuberías de drenaje lateral, dispuestas con pendiente separadas entre 2,5 y 6,0 m. Estos conductos deben colocarse adecuadamente y cubrirse con grava gruesa o piedra machacada.

• El lecho de arena debe tener un espesor de 200 a 300 mm, con un cierto espesor adicional para compensar las pérdidas que se puedan producir durante las operaciones de limpieza. La arena no debe tener un coeficiente de uniformidad superior a 4,0 y debe tener un tamaño efectivo de grano entre 0,3 y 0,75 mm.

• La superficie de secado se divide en eras individuales de aproximadamente 6 m de ancho por 30 m de longitud, o de dimensiones tales que el ciclo de carga normal permita el llenado de una o dos de ellas.

• Las tuberías de conducción de lodo a los lechos deben estar diseñadas para una velocidad de, por lo menos, 0,75 m/s. Se deben tomar medidas para permitir la limpieza de las conducciones. Enfrente a las salidas del lodo se colocan placa deflectoras para favorecer la distribución de éste sobre la superficie de secado, y para evitar las salpicaduras y la erosión de arena.

Eras o lechos de secado

• El lodo se puede extraer de los lechos después que se haya secado y drenado lo suficientemente para ser paleable.

• El contenido de humedad, después de 10 a 15 días en condiciones favorables, es del orden del 60 %.

• La extracción del lodo se realiza manualmente con palas cargando carretillas o camiones, o mediante una pala rascadora o de ataque frontal.

• Los lechos descubiertos deben ubicarse en emplazamientos que disten un mínimo de 100 m de edificios y urbanizaciones.

Acondicionamiento de lodos

• Acondicionamiento térmicoAcondicionamiento térmico.

Calentamiento de los lodos bajo presión durante cortos períodos de tiempo. El método más utilizado es el Zimpro el cual utiliza un intercambiador de calor, un sistema de inyección de aire y la inyección de vapor al reactor.

Se emplea para la coagulación de sólidos, romper la estructura de gel y destruir la afinidad al agua de los sólidos en el lodo. Como consecuencia de esta operación el lodo se esteriliza y se deshidrata rápidamente.

Las principales desventajas son:

1. Elevado costo de inversión

2. Necesidad de un seguimiento continuo, operadores especializados, y de un minucioso programa de mantenimiento

3. Generación de subproductos con alto contenido de materia orgánica, nitrógeno amoniacal, color y elevada temperatura

4. Producción de gases muy olorosos

5. Formación de incrustaciones en los intercambiadores de calor, conducciones y en el reactor

Acondicionamiento de lodos• Acondicionamiento químicoAcondicionamiento químico

El acondicionamiento químico da lugar a la coagulación de los sólidos y a la liberación del agua absorbida.

• Los productos químicos que más se emplean son: el cloruro férrico, la cal, la alúmina y polímeros orgánicos.

• Los polímeros no provocan un aumento notable de los sólidos secos, mientras que las sales de hierro y la cal pueden provocar aumentos del 20 – 30 %.

• La dosificación y aplicación de los reactivos resulta más sencilla si se realiza de forma líquida.• Los tanques de disolución y las bombas dosificadoras deben ser resistentes a la corrosión.• Los factores que más afectan la elección del tipo y dosificación de los reactivos son las propiedades del

lodo y el tipo de deshidratador a utilizar.• Por ejemplo, el uso de polímero es frecuente cuando la deshidratación se lleva cabo por centrífugas y

filtros banda, pero su uso no está tan extendido cuando se emplean filtros al vacío o filtros prensa. Para determinar el tipo de reactivos a emplear y su dosificación se deberían realizar ensayos de laboratorio.

• Los lodos difíciles de deshidratar requieren mayores dosis de productos químicos, no producen una torta tan seca, y dan lugar a un filtrado o centrado de peores cualidades.

• Las dosis de polímeros también varían en función del peso molecular, grado de oxidación y nivel de actividad de los polímeros empleados.

• El mezclado no debe romper el flóculo una vez formado éste, y se debe minimizar el tiempo de detención de modo que el lodo llegue a la unidad de deshidratación lo más rápidamente posible.

Acondicionamiento de lodosDosis típica de polímeros para diferentes tipos de lodos y sistemas de deshidratación

Tipo de lodo Kg de polímero seco/ton de sólidos secos

Filtración al vacío

Filtro banda Centrífuga de camisa

maciza

Primario 1 - 5 1 - 4 0,5 – 2,5

Primario + exceso de lodo activado 5 – 10 2 – 8 2 – 5

Primario * exceso filtro percoladores 1,25 – 2,50 2 – 8 -

Exceso de lodo activado 7,5 – 15 4 – 10 5 – 6

Lodo primario digerido por vía anaerobia 3,5 – 7,0 2 – 5 3 – 5

Lodo primario + exceso de lodo activado digerido por vía anaerobia

1,5 – 3,5 1,5 – 8,5 2 – 5

Lodo primario + exceso de lodo activado digerido por vía aerobia

7,5 - 10 2 – 8 -

Secado térmico

• Involucra la reducción del contenido de agua por la vaporización del agua.

• El objeto de la operación es la eliminación de humedad de forma que el lodo se pueda incinerar con eficacia o procesar para su transformación en fertilizante.

• El secado es necesario en la fabricación de fertilizantes para que sea posible triturar el lodo, para reducir su peso, y para prevenir la continuación de la acción biológica.

• El contenido de humedad del fango seco es inferior al 10 %.• El tipo de secado más empleado en las PTAR es el secado instantáneo

(flash dryers). Pulverización del lodo en presencia de gases calientes a temperaturas cercanas a los 400 ºC. Los gases calientes y el lodo se fuerzan hacia un conducto en el que tiene lugar la mayor parte del secado, y hacia un ciclón en el que se separan el vapor y los sólidos. Se alcanza una humedad de 8 %

• Las dos medidas de control más importantes relacionadas con el secado térmico del lodo son a eliminación de cenizas y el control de olores.

Incineración

• Oxidación exotérmica rápida y completa de elementos combustibles.

• Principales ventajas:

- Máxima reducción de volumen

- Destrucción de patógenos y de compuestos tóxicos

- Posible recuperación de energía• Desventajas:

- Elevados costos de inversión y de explotación

- Necesidad de operarios muy cualificados

- Posible efecto ambiental negativo de gases y cenizas

- Evacuación de residuos que pueden considerarse peligrosos

Elementos para el diseño de incineradores

• El oxígeno necesario para la combustión completa de un material se puede determinar a partir de sus constituyentes, suponiendo que el carbono y el hidrógeno se oxidan para formar CO2 y H2O como productos finales. La fórmula pasa a ser:

CaObHcNd + (a + 0,25c – 0,5b)O2 aCO2 + 0,5cH2O + 0,5dN2

La cantidad de aire teóricamente necesaria será 4,35 veces la cantidad de oxígeno calculada, ya que el aire contiene un 23 % de oxígeno. Para asegurar la combustión completa, es necesario disponer de un exceso de aire sobre el exceso teórico de aproximadamente 50 %.

• En el cálculo del calor necesario hay que tener en cuenta el calor específico de cada una de las sustancias presentes en el lodo y de los productos finales de la combustión.

Elementos para el diseño de incineradores

• Las necesidades de calor incluyen el calor sensible, Qs, en la ceniza, más el calor sensible necesario para elevar la temperatura de los gases de combustión hasta 760 ºC, o cualquier temperatura de funcionamiento superior seleccionada para lograr la oxidación completa y eliminación de olores, menos el calor recuperado en los precalentadores o recuperadores. También se debe aportar el calor latente Qc a fin de evaporar toda la humedad que exista en el lodo.

• Q = Qs + Qc = Cp Ws (T2 – T1) + Ww • El valor calorífico de un lodo se puede determinar

mediante ensayos de laboratorio.• PARA DISEÑAR UN INCINERADOR ES NECESARIO

REALIZAR UN DETALLADO BALANCE TÉRMICO.

Disposición de lodo en el suelo• El lodo se puede aplicar en: terrenos agrícolas, terrenos forestales, terrenos

marginales y terrenos preparados especialmente para la disposición de lodos.• La luz solar, los microorganismos que habitan en el terreno y la desecación, se

combinan para destruir los organismos patógenos y muchas de las sustancias tóxicas presentes en el lodo.

• Los metales de traza quedan atrapados en la matriz del suelo, y los nutrientes los consumen las plantas.

• El lodo actúa como acondicionador del suelo para facilitar el transporte de nutrientes, aumentar la retención de agua, y mejorar la aptitud del suelo para el cultivo. El lodo también sirve como sustitutivo parcial de fertilizantes químicos.

• Los pasos que hay que adoptar en el diseño de un sistema de aplicación al suelo incluyen los siguientes:

1. Caracterización de la cantidad y calidad del lodo2. Revisión de normas locales, regionales y nacionales3. Evaluación y elección del emplazamiento y de la opción disposición4. Determinación de los parámetros de diseño del proceso – cargas, superficie de

terreno necesaria, métodos y calendario de aplicación

Disposición de lodo en el suelo• Características del lodo que afectan su aplicación al sueloCaracterísticas del lodo que afectan su aplicación al suelo

- Contenido orgánico y de patógenos- Nutrientes- Metales y materia orgánica

• NormativasNormativas• Selección y evaluación del emplazamientoSelección y evaluación del emplazamiento

- Opción de aplicación al suelo- Topografía- Permeabilidad del suelo- Profundidad hasta el nivel freático- Accesibilidad y proximidad a zonas críticas

• Cargas de aplicación de proyecto- Tasas de aplicación basadas en las cargas contaminantes:La cantidad acumulada de lodo que se puede aplicar se basa en los límites de aplicación de contaminantes, que se pueden obtener a partir de la siguiente expresión:Rm = Lm/(Cm)(1000)Rm = cantidad máxima de lodo que se puede aplicar a lo largo de la vida útil del emplazamiento, ton secas/haLm = cantidad máxima de contaminante, que se puede aplicar a lo largo de la vida útil del emplazamiento especificada en las normativas aplicables, kg de contaminante/haCm = contenido porcentual de contaminante en el lodo, expresado en tanto por uno

Disposición de lodo en el suelo- Limitación de nitrógeno:La cantidad anual de nitrógeno disponible aportado por la aplicación de lodo se puede estimar utilizando la siguiente ecuación:Na = (1000) [NO3 + kv(NH4) + f0(No)]Na = cantidad de nitrógeno contenido en el lodo disponible anualmente para el consumo de las plantas, kg nitrógeno/ton sólidos secos.añoNO3 = porcentaje de nitratos presentes en el lodo, expresado en tanto por uno kv = factor de volatilización del amoníacoNH4 = porcentaje de amoníaco presente en el lodo, expresado en tanto por unof0 = factor de mineralización del primer añoNo = porcentaje de nitrógeno orgánico presente en el lodo, expresado en tanto por unoEl nitrógeno orgánico disponible después de la mineralización del nitrógeno orgánico aplicado en años anteriores se puede calcular mediante:Nap = 1000 f2(No)2 + f3(No)3 + ……. fn(No)n

Nap = nitrógeno disponible para el consumo de las plantas resultante de la mineralización del nitrógeno orgánico aplicado durante los n años anteriores, kg nitrógeno/ton sólidos secos.año(No)n = fracción de nitrógeno orgánico presente en el lodo aplicado el n-ésimo año, tanto por uno

Disposición de lodo en el sueloLa tasa anual de aplicación de lodo, basada en la aplicación de nitrógeno, se calcula mediante la siguiente expresión:Rn = Un/(N0 + Nap)Rn = tasa anual de aplicación durante el n-ésimo año, ton sólidos secos/ha.añoUn = consumo anual de nitrógeno por parte de la plantas, kg nitrógeno/ha.año- La superficie de terreno necesaria se puede calcular mediante:A = Qs/Rd

A = superficie de aplicación necesaria, haQs = producción total de lodo, ton de sólidos secos/añoRd = tasa de aplicación de lodo de proyecto, ton sólidos secos/año- Método de aplicación.Dependerá de las características físicas del lodo (líquido o deshidratado), la topografía del emplazamiento y del tipo de vegetación presente (cultivos de campo de ciclo anual, cultivo de forraje, árboles, terrenos sembrados, etc).El calendario o momento de aplicación dependerá en muchos casos de la situación climatológica, ya sea la del día o la temporada.

LOMBRICULTURALOMBRICULTURA