BIODISCOS Y BIOCILINDROSLos biodiscos y biocilindros se integran dentro de los proceso biolgicos, realizando una misin similar a la de los lechos estticos. El proceso es vlido como elemento reductor de la materia orgnica, como elemento de nitrificacin y elemento de desnitrificacin. 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 depsitos 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 pelcula biolgica empieza a desarrollarse sobre sus superficies. Cuando, por la rotacin, una seccin de los tambores sale del agua, arrastra consigo parte del agua misma que, goteando, forma una fina pelcula lquida y, por 10 tanto, con una elevadsima posibilidad de contacto y de intercambio con el oxgeno atmosfrico. El crecimiento biolgico aumenta hasta alcanzar un espesor de 0,2 a 3,0 mm. Por efecto de los procesos biolgicos, ya estudiados, y por efecto de la velocidad del agua durante la rotacin, se efecta el desprendimiento de capas de la pelcula, pasando a flculos en suspensin en el lquido. Estos flculos se separan posteriormente, por sedimentacin, en el siguiente paso del tratamiento. En cuanto se realiza la separacin, empieza inmediatamente un nuevo biocrecimiento de la pelcula o biofilm. Los biodiscos y biocilindros se diferencian de los lechos bacterianos en que el soporte normalmente est fijo. Entre ellos existen diferencias. En los biodiscos, los elementos soporte del biofilm, estn fijos, guardando distancias fijas entre los discos. En los biocilindros, el tambor est constituido por un elemento como contenedor de elementos sueltos. A continuacin se presentan las caractersticas principales de estos reactores biolgicos, en relacin con los procesos convencionales. Tabla 8-13.

Tabla 8-13.

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

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

Fig. 8.49. Instalacin 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 (inmersin) y con el oxgeno del aire (emersin). Los tambores deben estar muy prximos a la pared del depsito para que, entre otros efectos, provoque una agitacin del agua residual contenida en el mismo, agitacin que por supuesto depender de la velocidad de rotacin de los mismos, impidiendo la sedimentacin de los flculos desprendidos. 11.2. ESPESOR DEL BIOFILM Se estima que el espesor del biofilm activo vara entre 0,2 mm, en concentraciones bajas de sustrato, hasta 3,0 mm, con alta concentracin de sustrato, cuando hay limitacin de oxgeno en el film. En la prctica su espesor se mantiene prcticamente constante, es una cifra que es funcin de la DBO5 del agua a depurar. En relacin con su densidad, HOEHN ha obtenido medidas interesantes, encontrando que, en un film completamente aerobio, la densidad medida en peso seco de slidos, era de 0,1 g/cm3 . Esta decrece con espesores superiores a 1,5 mm, a causa de la produccin de gas y lisis de las clulas de la capa aerbica ms profunda. 11.3. MICROORGANISMO EN BIODISCOS Y BIOCILINDROS La poblacin de microorganismos depende de la carga contaminante y de la clase y categora de estos contaminantes. En los biodiscos, depende esta poblacin tambin de la etapa que se considere, ya que en stos se establece una seleccin biolgica por niveles. Puede decirse que los microorganismos responsables de la eliminacin 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 hetertrofas no filamentosas (ANTONIE, 1972; TROPEY, 1971). Las especies bacterianas que se encuentran fijas, cambian a medida que se desarrollan las distintas etapas de la depuracin. Las bacterias que utilizan los compuestos de carbono, se fijan predominantemente a los elementos que se encuentran en las etapas iniciales, donde la

concentracin de estos materiales es relativamente alta (ANTONIE, 1972). Las bacterias nitrificantes (Nitrosomas y Nitrobacter), se encuentran fundamentalmente fijadas a los elementos situados en las ltimas etapas de la depuracin, donde la concentracin 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 biolgicos, por diferentes causas. 11.4.1. Prdida 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 txicas o inhibitorias, que actan 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 depuracin, los organismos blancos son probablemente thiotrix o beggiatoa, que aparecen en reas limitadas. Si esta forma de biomasa domina en la superficie, puede esperarse una reduccion en los rendimientos de la depuracin. La aparicin de esta anomala puede ser debida a la septicidad de las aguas residuales influentes, o a la existencia de altas concentraciones de cido sulfhdrico. 11.4.3. Disminucin de la eficiencia depuradora La disminucin del rendimiento puede deberse a causas, como: Reduccin de la temperatura de las aguas residuales. La temperatura de las aguas residuales por debajo de 10C, tendr como consecuencia la reduccin de la actividad biolgica y el descenso, por tanto, de su poder de biodegradacin. Debe tenerse en cuenta, por otra parte, que la temperatura es un parmetro muy crtico en las plantas diseadas para nitrificacin. Variacin notable del caudal. Variacin notable de la carga orgnica. Alteraciones del pH. El agua residual tiene un pH normal entre 6,5 y 8,5. Si este valor se altera por algn tiempo, afectar al correcto funcionamiento del sistema. Cuando se quiere lograr una buena nitrificacin, el pH y la alcalinidad son parmetros muy crticos, debindose mantener el pH prximo a 8,4. El nivel de alcalinidad para la nitrificacin en el agua residual debe mantenerse, como valor mnimo en 7,1 veces la concentracin de amoniaco en el influente, para permitir que la reaccin se complete sin afectar negativamente a los microorganismos. Acumulacin de slidos en los discos. Si es inadecuada la eliminacin de slidos, su puede bloquear el paso de aire generando condiciones anaerbicas.

11.5. MODELOS PARA EL DISEO Y CALCULO DE BIODISCOS Pueden considerarse los siguientes modelos. S SCRULZE dS/dt = -K'S; S/S o = 10-K'Theta 1 ; log(S/S o) = -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 mxima de depuracin (g DBO m-2 d-1 ) Ks = constante de saturacin del biofilm (mg DBO 1-1 ) ECKENFELDER Q/A (So-S1)=KS 1 K = constante cintica del modelo de Eckenfelder. PPEL 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 /da).

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 lquido/biofilm (m.d-1 ). b11 y b12 = elementos de la matriz para valorar la evolucin de la DBO con el giro del tambor. PREDISEO: A nivel de anteproyecto puede dimensionarse el sistema en funcin de la carga orgnica y carga hidrulica. Son valores medios: Carga orgnica entre 0,03 - 0,15 kg DBO u/m2 d, considerando la superficie total. Carga hidrulica 0,2 m3 /m2 d. Tiempo de retencin > 0,5 h por etapa. 1,5 - 3,0 h en total. En el clculo de los biodiscos y biocilindros se emplea el parmetro de la (SDBO), o DBO soluble, como base de la formacin de la pelcula biolgica en biodiscos y biocilindros. La DBO no soluble se elimina en el decantador primario, y en los flculos formados en el reactor biolgico y eliminados en la decantacin secundaria. Se considera como (SDBO) la DBO no eliminable por filtracin. 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 eliminacin de nitrgeno, precisndose primero una reduccin de la DBO a valores inferiores a 30 mg/l, precisando igualmente 7,14 mg de alcalinidad por cada mg de Nitrgeno amoniacal eliminado. El incremento de lodo producido en el reactor biolgico, debido a la utilizacin del substrato, puede considerarse como DSS = 0,96 [(SDBO)E - (SDBO)5]. Cuando exista la posibilidad de vertidos industriales, debern tenerse en cuenta las substancias que puedan inhibir el proceso. As habr que considerar los valores de las Tablas 8-14 y 8-15.

Tabla 8.14. SUSTANCIAS INHIBIDORAS

Tabla 8.15. SUSTANCIAS INHIBIDORAS DE NITRIFICACIN

Como consideraciones generales para el dimensionado, deber intentarse regular los caudales y las cargas, buscando una situacin de funcionamiento con valores medios, lo que permitir reducir las dimensiones de la depuradora. La carga orgnica se pude basar tambin sobre el caudal medio diario, a menos que la relacin entre la punta y la media sea superior a 2,5, o se mantengan por perodos superiores a las dos horas. 11.6. DIMENSIONADO DE LOS BIODISCOS De la ecuacin de conservacin del substrato, en condiciones de rgimen, se tiene: Q S = QS o -Rc A en la que: Q = caudal del proyecto (m3 /d). So = concentracin del substrato en entrada (mg/l). S = concentracin del substrato en salida (mg/l). Rc = substrato especfico consumido (g/m2 d). A = superficie de los rotores (m2 ). 11.6.1. Tratamiento para eliminacin de DBO Siendo en la expresin 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 repercusin de la temperatura se ha introducido un factor T. c Para tener en cuenta el estado de aireacin de las aguas residuales, se introduce un factor P. Para calcular Rc, (g/m2 d) de (SDBO 5) eliminado, en el caso de aguas urbanas domsticas o similares, se utiliza la ecuacin de MONOD. As se tiene: Rc = 19,4 S / (15,1 + S) Siendo S la (SDBO 5)S Con otro tipo de aguas ser necesario hallar la cintica de la reaccin mediante pruebas de laboratorio. Para el clculo de Tc se puede considerar la siguiente ecuacin: Tc = l,0537(12,7-T) Vlida para temperaturas inferiores a los 12,7C. Para temperaturas iguales o superiores los 12,7 C, Tc = 1 siendo T la temperatura en C. Para el clculo de P se toma: P = 1; para aguas no tratadas previamente o pretratadas P = 1,5; para aguas tratadas anaerbicamente (fosas spticas). aerbicamente.

En los procesos por biodisco o biocilindro convendra establecer cuatro fases, colocando mdulos diferenciados o tabicando. Es conveniente en consecuencia prever una subdivisin en etapas. A la primera etapa podr aplicarse una carga especfica interior a 24,4 g/m2 . d. A la segunda etapa podr aplicarse una carga especfica inferior a 12,4 g/m2 .d, teniendo presente que la eliminacin durante la primera etapa se puede calcular aproximadamente en el 60% de la (SDBO 5)E. 11.6.2. Eliminacin de la D.B.O y nitrgeno amoniacal Entrando en la ecuacin de conservacin, se tiene: Q S = Q So- RN AN So = (NH4+)E

S = (NH4+)S Se tiene: AN = Q(So-S) TN/R N Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce un factor TN. Para el clculo de R , (g/m2 d) del NH4+ eliminado se utiliza una frmula que tiene en N cuenta la cintica 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 clculo de TN se utiliza la frmula siguiente: TN = 0,7 T / (T - 4,13) Vlida para valores de T (en C) inferiores a 12,7 C; para valores de T iguales o superiores a 12,7 C, TN es igual a 1. La superficie AN as determinada, es complementaria de la superficie necesaria para reducir la (SDBO 5)S a un valor inferior a 15 mg/l. La superficie total necesaria para la eliminacin de DBO y del nitrgeno amoniacal ser: Atot = A + AN En el tratamiento del nitrgeno es interesante subdividir AT en etapas, con un mnimo de cuatro. 11.6.3. Desnitrificacin Sustituyendo en la ecuacin de conservacin. 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 especfica R (g/m2 ) de NO3 - N) eliminado depende del nmero de reciclados D realizados. Siendo: M = QR / Q = relacin 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 R presenta un mximo, a igualdad de otras condiciones, D para un determinado valor de M. Para el clculo de TD se utilizar la frmula siguiente: TD = 1,06(15-T) Obsrvese que cada mg/l de (NO3 - N) supone la eliminacin de 2,4 mg/L de (SDBO5), en la etapa de desnitrificacin puesta en cabeza de la etapa de oxidacin. Ejemplo 1 Proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas buscando slo reduccin de la DBO. Datos del Influente Pretratado con rejilla fina. Habitantes: 10.000 DBO5: 60 g/hab d SS: 75 g/hab d Temperatura mnima: 11,5 C Caudal medio Qm: 2000 m3 /h Caudal punta Qp, horaria: 125 m3 /h TKN: 12 g/hab d Datos del Efluente (DBO5)s: