Elim inació n de la contam inació n

orgánica E. Ronzano y J.L. Dapena

CINÉTICA DE LA ELIMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Compuestos orgánicos solubles Para un sustrato único, la eliminación sigue una ley cinética de orden cero, incluso para bajas concentraciones de sustrato. Un agua residual tiene varios componentes y no sólo uno. Según Eckenfelder (Ref. L2, pág. 212), con un fango activado bien adaptado, todos los componentes se eliminan simultáneamente, según una cinética de orden cero. Tomemos un ejemplo con 3 componentes (Tabla 5.1):

Tabla 5.1

La Figura 5.1 representa la evolución de la DQO del compuesto con relación al tiempo: - de t = 0 a t = 1 h: degradación de A + B + C. - t = 1 h: degradación de A terminada.

Figura 5.1. Eliminación de la DQO de un compuesta orgánico soluble.

- t = 1 h a t = 4 h: degradación de B + C. - t = 4 h: degradación de C terminada. - t = 4 h a t = 6 h: degradación de B. - t = 6 h: degradación total terminada. En realidad, como la cinética de degradación disminuye algo para bajas concentraciones de sustrato, el tiempo total es superior. Con la degradación que hemos representado, se puede establecer un modelo matemático aproximado, con una ley cinética de orden uno, de la siguiente forma:

Le/Lo = e-kt (26)

Cuando uno o más de los componentes del sustrato tienen una degradabilidad mucho más baja que los demás, una ley de orden uno no representa correctamente la realidad y se debe utilizar una ley de orden dos:

Le/Lo = 1/(1 + kt) (27)

A los tres componentes del ejemplo anterior les hemos añadido un cuarto, D, con una concentración en DQO de 300 mg · l-1 y una degradabilidad de 10 mg DQO · h-1. Esta última es proporcionalmente muy baja, de 5 a 20 veces inferior a la de los demás componentes. En la Figura 5.2 se puede observar que, entre 5 y 10 horas (intervalo de tiempo más interesante), la curva de orden dos sigue más fielmente las rectas de degradación que la de orden uno.

Estas fórmulas de orden uno o dos no tienen ningún fundamento biocinético; son simplemente aproximaciones de reacciones muy complejas. Una ley biocinética sólo se puede aplicar a un sustrato único.

Figura 5.2. Eliminación de la DQO de un compuesto orgánico soluble con mi componente de baja degradabilidad.

Agua residual urbana A. Fase rápida Con los datos de la Tabla 5.2 y del Capítulo 3, puede dividirse porcentualmente la DBO del agua a tratar en 4 fracciones. Cuando el agua residual urbana permanece en contacto con el fango

Tabla 5.2

activado, durante un espacio de tiempo muy corto, del orden de entre 15 a 30 minutos, prácticamente finalizan dos reacciones bioquímicas. - Las materias en suspensión y las materias coloidales se eliminan por adsorción en el flóculo biológico. - La DBO rápida, debido a su alta velocidad de degradación, se elimina completamente.

La adsorción de materias en el flóculo (Biosorción), no necesita oxígeno. Como hemos visto en el Capítulo 3, puede adsorberse una fracción de la DBO-disuelta, que son infracoloides. De esta forma, el rendimiento en dicha fase rápida puede ser para un agua decantada: - DBO5 rápida: 33%. - DBO5 eliminada por biosorción: 34% y superior. - TOTAL: 67 % y superior. B. Fase lenta ¿Cómo evolucionan las tres fracciones de DBO durante la fase rápida y cómo se presentan al comienzo de la fase lenta? - DBO rápida: completamente eliminada y metabolizada. - DBO de los coloides: completamente eliminada, con un comienzo de metabolizacion. - DBO lenta: poca eliminación y metabolización, correspondiente al poco tiempo transcurrido. En la Figura 5.3 hemos representado estas evoluciones de la DBO. Sin embargo, es una interpretación teórica, en el supuesto de un flujo pistón perfecto sin recirculación de fangos.

Figura 5.3. Evolución de las tres fracck)n es de DBO y de la DBO total.

Al final del recorrido del fango, a la salida del tanque de aeración, la fracción de DBO

de los coloides adsorbida por Biosorción, puede estar o no completamente metabolizada: - Con edades de fangos SRT de 12 días o superiores, la duración de la fase lenta es suficiente para obtener una metabolización completa. - Con edades de fangos medias puede ocurrir, o bien que, en períodos de baja carga, la metabolización se complete, o todo lo contrario en horas punta, en las que los fangos en exceso contendrán una parte que no esté metabolizada. - Con edades bajas es posible que la metabolización nunca llegue a su término. Más adelante veremos que esta metabolización incompleta puede disminuir el consumo medio de oxígeno y también atenuar los efectos de las puntas de contaminación. Elección de la cinética de la eliminación La duración de la fase rápida supone del 5 al 15% del tiempo total, y las reacciones bioquímicas durante todo este periodo son muy complejas. Por lo tanto, no nos preocuparemos de la cinética de eliminación de esta fase, pero sí del resultado final que es muy simple: eliminación completa de la DBO rápida y de la DBO de los coloides. Como es lógico, en la fase lenta importa únicamente la DBO lenta, y su mejor representación es una ley de orden dos. Los últimos estudios de Eckenfelder (Ref. L2, página 214) proponen la ecuación:

(Lo - Le)/Le = k Xv t/Lo (28)

- Lo y Le = DBO5 de entrada y salida mg · l-1. - Xv = concentración de materia volátil de los fangos mg/l. - t = tiempo de aeración en días. - k = factor de degradabilidad en días-1. Como L0/Xv · t = CM, la ecuación 28 se puede escribir:

Le/Lo = 1/(1 + k/CM) (29)

1/CM representa la masa de fangos en g, necesaria para tratar 1 g de DBO5 por día; esta masa puede expresarse en materias totales o en materias volátiles (como en la ecuación 28 ) y también en masa activa. En este último caso: - La producción de masa activa asociada a la eliminación de 1 g de DBO5 es, en gramos:

Y / 1 + b · SRT

- La masa activa necesaria para tratar 1 g de DBO5 es, en gramos:

1 / CM = Y · SRT / (1 +b · SRT) (30)

En la ecuación 29, 1/CM puede sustituirse por su valor dado anteriormente (30):

Le/Lo = 1 / [ 1 + {k · Y · SRT / (1 + b · SRT)} ]

Es decir, con los valores adoptados para Yy b (Y = 0,71; b = 0,16), tenemos que:

Le/Lo = 1 / [ 1 + {Y · k/ (b + 1/SRT)} ] = Le/Lo = 1 / [ 1 + 0,71 k / (0,16 + 1/SRT) ]

(31)

- si SRT -> 0: Le -> Lo - si SRT -> i: 1/SRT -> 0 b es teóricamente constante hasta bajas concentraciones de sustrato, pero si éstas tienden a 0, b también tiende a 0 y por consiguiente Le también. - Le/Lo queda limitado a un mínimo de 0,08 para tener una concentración en sustrato suficiente. En la Tabla 5.3 y Figura 5.4 se expresan los valores obtenidos con la ecuación 31. Variación diaria de la eliminación de DBO5 Con los datos de un estudio del WRC (Ref. 13), hemos establecido un gráfico (Figura 5.5) que representa: - Carga horaria del reactor En g DBO5/m-3 · h, en relación con el tiempo para un día entero. La carga media ponderada es de 166 g/m3 · h. - Con las necesidades horarias de oxígeno se puede calcular la fracción correspondiente a la endogénesis. Como la carga es alta, CM del orden de 1 kg DBO/kg d, estimamos que las necesidades para la endogénesis representan el 28 % de las totales. Por otra parte, con la base de 0,62 kg de oxígeno para la síntesis de 1 kg de DBO5 metabolizada, las necesidades horarias de oxígeno para la síntesis (totales menos las de endogénesis) nos permiten calcular la DBO5 horaria metabolizada. - Como el consumo de oxígeno para la metabolización de la DBO5 rápida es prácticamente instantáneo, podemos deducir de la DBO5 metabolizada, calculado el tercio de la DBO5 del agua bruta, que representa la fracción rápida de la DBO5. De esta forma nos quedan la DBO5 lenta y la de los coloides.

Tabla 5.3 ELIMINACIÓN DE LA DBO5 LENTAMENTE DEGRADABLE

CON RELACIÓN AL FACTOR «K» Y A LA EDAD SRT

Cálculo para 1 m3 de tanque: - Necesidades medias totales de oxígeno: 131 g/h - Estimación para la endogénesis: 131 · 0,28 = 36 g/h - Necesidades para la síntesis: totales menos 36 g/h en valores medios: 131 - 36 = 95 g/h - DBO5 sintetizada: O2/0,62, es decir en valores medios: 95/0,62 = 153 g/h - DBO5 rápida sintetizada: DBO5 total/3, es decir en valores medios: 166/3 = 55 g/h - Por diferencia se obtiene la DBO5 lenta sintetizada; en valor medio: 153 - 55 = 98 g/h - La carga media diaria es de 166 g/h, es decir que 166 - 153 = 13 g/h

EDAD DE LOS FANGOS SRT-d

Figura 5.4. Eliminación de la DBO5 lentamente degradable con relación al factor de degradabilidad y de la edad del fango.

Figura 5.5. Variación diaria de la eliminación de DBO5 con estimación de la DBO5

metabolizada por el consumo de oxígeno.

no se metabolizan y se eliminan con los fangos en exceso. Esta fracción no sintetizada representa el 8 % del total en este caso. Estos cálculos y estas curvas no son de gran precisión, pero proporcionan una buena visión del problema del almacenamiento de la DBO5.

También se puede ver que la metabolización de la DBO5 de los coloides lentamente degradables varía proporcionalmente poco: de 50 a 150 g/ h cuando la carga en DBO5 varia de 50 a 385 g/h. En resumen, obtenemos: - Variación de la carga de DBO5 del agua bruta; de 30 a 232% con respecto a la media. - Variación DBO5 rápida sintetizada; de 30 a 232%. - Variación DBO5 lenta; de 53 a 160%. El estudio de la variación de la DBO5 sintetizada es muy importante para la oxigenación, como veremos en el Capítulo 2, pág. 16

DBO5 DEL AGUA DEPURADA Introducción Llegamos al punto crucial para el dimensionamiento de un tratamiento biológico por el sistema de fangos activados: ¿Cómo elegir la edad del fango? En un tratamiento de aguas residuales-industriales, si no tenemosejemplos de estudios piloto o de plantas en funcionamiento sobre aguas similares, es conveniente realizar ensayos de tratamiento en instalaciones piloto. Para las aguas residuales urbanas, el dimensionamiento debe realizarse aprovechando la experiencia de plantas en funcionamiento. Por esta razón hemos utilizado los estudios y las normas de Alemania. En este país se ha estudiado el funcionamiento de 161 plantas, con más de 6.000 muestras diarias de media. Estos resultados permiten establecer reglas de dimensionamiento para cuatro casos (Ref. 10): a) Sin decantación primaria, con estabilización de fangos: · DBO5 de salida 15 mg/l b) Sin decantación primaria: · DBO5 20 mg/l c) Con decantación primaria: · DBO5 20 mg/l d) Con decantación primaria: · DBO5 25 mg/l Estas garantías se suponen para muestras medias diarias, y que se cumplen el 80% del tiempo. Para entender bien el proceso de fangos activados y la influencia de varios parámetros, hemos separado las dos fracciones de DBO5 del agua depurada: la disuelta y la de las materias en suspensión. Cada una se estima independientemente y a continuación se comprueba que el total es igual o aproximado a las normas de Alemania. Es muy difícil la estimación, pero podemos pensar que la DBO5 media anual es del orden del 60 al 80% del valor garantizado el 80% del tiempo. Fracción disuelta de la DBO5 En el Capitulo 5, pág. 57, decíamos que la DBO5 del agua depurada es la parte no

metabolizada de la DBO5 lenta. También se ha estudiado la eliminación de esta fracción con relación a la edad del fango y al factor de degradabilidad, habiendo elegido para este valor el de 3,0, de forma que la DBO5 total coincida con las normas de Alemania. La fracción lenta se estima en la Tabla 5.2 para: - Agua bruta: 22% de la DBO5 total. - Agua decantada: 33 % de la DBO5 total. Aplicando la ecuación de degradación 31 y a partir de la Tabla 5.3, siendo K = 3,0, podemos calcular con la DBO5 lenta la DBO5 disuelta del agua depurada. La ecuación 31 se puede escribir:

Le = Lo1 / [ 1 + 2,13 / (1/SRT + 0,16)] (31a)

Lol: DBO5 lenta en mg/l Fracción de DBO5 de las materias de suspensión En general, las materias en suspensión del agua tratada están formadas por: - La parte más ligera y más activa de los fangos activados, es decir, generalmente flóculos filamentosos. Cada gramo representa aproximadamente 0,8 gramos de DBO5. - La parte más «vieja» de los fangos, que debido a una fuerte endogénesis, sufre desfloculación y de esta manera se escapa en forma de «pinpoint». Su DBO5 suele ser baja. - Materias en suspensión preexistentes en el agua a tratar y que no han intervenido en la biofloculación. La única certeza en este campo es que estas materias no reflejan la composición de los fangos activados. Cuando se estudia la DBO5 de 1 g de materia en suspensión, es prácticamente imposible establecer su relación con la edad del fango. A este parámetro se le añaden otros, tales como: indice de fangos, concentración en filamentos, composición de las materias en suspensión, etc. Para ilustrar la dificultad de estimación de esta relación DBO5/MS, la Figura 5.6 representa valores de DBO5/MS con relación a la DBO5 filtrada del agua depurada. Esta última puede representar la carga másica o la edad del fango, pues cada referencia es sobre la misma agua y la misma planta. En estas condiciones, adoptamos el valor que nos parece más probable, es decir:

0,6 kg DBO5/kg MS

Un estudio americano (Ref. 33) llega al mismo valor. Para llegar a una cierta DBO5 total, no se puede elegir cualquier concentración en MS y disminuir la DBO5 disuelta por variación de la edad del fango, ya que puede ser antieconómico y algunas veces imposible. Por ejemplo, para obtener una DBO5 total de 20 mg/l, se puede elegir entre las cuatro soluciones siguientes:

Figura 5.6. DBO5 de las mate nos en suspensión con relación a la DBO5 filtrada.

En este cálculo se ve que es teóricamente posible realizar un estudio de optimización para las dos soluciones centrales. En la primera se presenta una gran dificultad para garantizar una concentración de 10 mg/l de MS, pero es factible. La última solución necesita un SRT de 30 días, es decir, un volumen de tanque de aeración prohibitivo. En la práctica, se puede utilizar esta regla: «Sea cual sea la norma de vertido sobre las materias en suspensión, para el dimensionamiento de las cubas de aeración y de los decantadores secundarios, la concentración base de cálculo para las materias en suspensión debe tener un valor igual a la concentración en DBO5, y nunca superior». DBO5 total La DBO5 total puede calcularse de la siguiente manera: - Fracción disuelta, calculada con la ecuación 31, asumiendo que la fracción disuelta lenta tiene la misma concentración con y sin decantación primaria. - Fracción de las materias en suspensión: 0,6 · MS

DBO5 = { Lo1 / [ 1 + 2,13 / (1/SRT + 0,16) ] } + 0,6 MS (32)

- Lol: DBO5 lenta en mg/l = 0,23 de la DBO5 del agua bruta ó 0,33 de la DBO5 del agua decantada. - MS: concentración en materias en suspensión del agua tratada. La ecuación 32 se expresa gráficamente en la Figura 5.7, y en la Tabla 5.4 figuran los valores más utilizados. Este cálculo de la DBO5 del agua tratada debe utilizarse con mucho cuidado; podemos considerar que nos permite establecer un dimensionamiento razonable, pero sin pretender prever con exactitud la calidad del agua depurada. Dichos cálculos también pueden explicar la influencia de diversos parámetros sobre la calidad final del agua. Variación diaria Según un estudio del WRC (Ref. 13, Fig. 5.8), las variaciones usuales de concentración y de caudal de un agua residual urbana afectan poco a

Tabla 5.4 ESTIMACIÓN DE LA DBO5 DEL AGUA DEPURADA

CON RELACIÓN: A LA EDAD SRT Y A LAS MS

la calidad del agua tratada, comparado con un funcionamiento a carga constante. La comparación se hizo en dos plantas iguales, tratando la misma agua. El estudio consistía en comprobar la influencia de un almacenamiento regulador, aguas arriba del tratamiento, y la necesidad de su instalación. Con datos del mismo estudio, la Figura 5.9 representa la carga y concentración en DBO5 del agua tratada, cada una en relación con eL valor medio diario. Se puede ver que la influencia de la punta para una mezcla integral es inmediata, pero con una fuerte

atenuación: una punta de carga del 240% produce una punta de la DBO5 del agua tratada de sólo un 145%. Los demás ejemplos del mismo estudio dan resultados parecidos. Variación con el tiempo a lo largo de un flujo pistón Es interesante estudiar, en el recorrido del licor en un flujo pistón, la disminución de la DBO5 del agua intersticial en función del tiempo o distancia recorrida por el flujo. Con los datos de un estudio del WRC (Ref. 15), se representa en la

Figura 5.7. Estimación de la DBO5 del agua depurada.

Figura 5.8. Influencia de la variación de la carga sobre la calidad del agua tratada.

Figura 5.9. Variación diaria de la DBO5 del agua depurada filtrada con relación a la carga de DBO5.

Figura 5.10 la variación de la DBO5 del licor decantado a lo largo del recorrido del flujo pistón de dos plantas. Puede verse que las dos curvas experimentales tienen el mismo perfil que las curvas teóricas de la Figura 5.3. Esta variación de la DBO5 en relación con el tiempo es importante para el cálculo del reparto de las necesidades de oxígeno a lo largo de un flujo pistón.

Figura 5.10. Variación de la DBO5 del licor decantado en un flujo pistón a lo largo del recorrido.

OXIGENACIÓN Necesidades medias diarias de oxígeno Las necesidades totales para tratar 1 kg de DBO5, se obtienen sumando las de síntesis y las de endogénesis.

Kg O2/kg DBO5 = a' +0,13 SRT / (l + 0,16 SRT) (33)

con a' = 0,50 + 0,01 SRT (34)

y a' <= 0,62

Las necesidades de endogénesis se deducen de la ecuación 14. En la Tabla 5.6 se comparan con nuestro método de cálculo otros tres: del MOP (Manual of Practice) (USA), del WRC (G.B.) y del ATV (Alemania). Los resultados son muy similares para edades de 2 a 8 días; para edades

Tabla 5.5 NECESIDADES OXIGENO g O2'g DBO5

Necesidades totales = a' + 0,13 SRT / (1 + 0,16 SRT), con a' = 0,50+0,01 SRT (24)

a' <0,62

mayores, que se salen de nuestro objetivo, nuestros valores coinciden con las del MOP; ATV y WRC dan valores más altos. Necesidades máximas de oxígeno La Figura 5.12 representa la variación diaria del consumo de oxígeno con los datos de un estudio del WRC (Ref. 13). Se puede suponer que: - La DBO5 rápida se metaboliza prácticamente de forma inmediata, es decir, que el consumo de oxigeno sigue la concentración de esta fracción de DBO5, estimada en un tercio de la del agua decantada. - El consumo de oxígeno para la endogénesis es constante; no se pueden tener en cuenta las variaciones de la concentración de las materias en suspensión del licor. Los datos del estudio del WRC permiten trazar: - La curva de carga en DBO5, en g DBO5/m3 · h

Tabla 5.6 NECESIDADES EN OXÍGENO: COMPARACIÓN DEL MÉTODO

DE CÁLCULO CON LOS DEL MOP, ATV Y WRC

(1)Ref. L3; (2)Ref. 10; (3)Ref. L8

- La curva de consumo de oxígeno, en g O2/m3 · h. Como la carga másica es alta, del orden de 0,9 kg DBO5/kg MS · d, el consumo de la endogénesis se estima en el 28% del total medio diario, es decir:

131 · 0,28 = 37 g O2 / m3 · h.

Del consumo total sin endogénesis, se puede restar el consumo de la DBO5 rápidamente degradable para obtener la curva del consumo de la DBO5 lenta y de los coloides. De esta forma se separan las tres fracciones del consumo de oxígeno. El examen de las curvas muestra que:

Figura 5.11. Necesidades totales en oxígeno sin nitrificación.

Figura 5.12. Reparto de los consumos de oxígeno en relación con la carga en DBO5.

- El consumo correspondiente a la síntesis de la DBO5 lenta varia mucho menos en amplitud que la carga; se produce una atenuación de la punta: · Carga en DBO5: 32 a 232% de la media. · O2 síntesis DBO5 lenta: 53 a 180%. - Además de la atenuación, un aspecto importante es el retraso de la punta del consumo de la DBO5 lenta con respecto a la punta de carga de DBO5. En este ejemplo el retraso es del orden de 5 horas. - La no simultaneidad de las puntas de cada uno de los consumos permite que el total varíe muy poco durante 9 horas (de 12 a 21 h). Con los datos del mismo estudio del WRC (ref. 13) hemos establecido las curvas de

carga en DBO5 y de consumo de oxígeno para cuatro condiciones distintas. En cada una se ha calculado una punta de oxigenación, suponiendo que la DBO5 rápida es la causante de la punta. Si P es la punta de carga en %, como la DBO5 rápida representa un tercio del total, la punta de oxigenación puede valorarse en: - Punta de oxígeno % = (P + 200) (1 - f) / 3 + l00 f (35) - f: fracción del consumo total debido únicamente a la endogénesis. Las curvas se representan en las Figuras 5.13 y 5.14: la Tabla 5.7 da, para las cuatro condiciones, en % de la media ponderada, los valores punta y mínimos de la carga de DBO5 y del consumo de oxígeno. Se calcula la punta teórica de acuerdo con la fórmula (35), y los resultados se comparan con la punta efectiva.

Figura 5.13. Variación del consumo de oxígeno con la carga de DBO5 a lo largo del día. Ejemplos A y B.

Figura 5.14. Variación del consumo de oxígeno con la carga de DRO5 a lo largo del día. Ejemplos C y D.

Para la punta se puede ver que los valores calculados se encuentran muy próximos a los reales. El cálculo para el mínimo no tiene alguna base teórica; es simplemente para comprobar

el resultado de la aplicación de una regla comúnmente utilizada. «Para calcular dicho consumo, adoptar el valor inverso de la punta». En realidad, el mínimo efectivo es más bajo que el calculado.

Tabla 5.7 RELACIÓN ENTRE LA CARGA DE DBO5 Y EL CONSUMO DE OXÍGENO

EN CONDICIONES MÁXIMAS, MEDIAS Y MÍNIMAS

También puede observarse que el cálculo no queda afectado por la nitrificación (ejemplo C). Los cálculos efectuados con la ecuación 35 nos aproximan bastante, pero no ofrecen factor de seguridad. El consumo de oxígeno para la DBO5 lenta puede afectarse por una punta atenuada. Así pues, se puede utilizar: - Punta de oxígeno sobre el consumo medio diario de la síntesis:

0,33 P + 21 P0,25

o más simplemente:

0,45 P + 55 (36)

Muchos investigadores han desarrollado modelos matemáticos (Ref. 17 y 18) para seguir, a lo largo del día, las variaciones de los parámetros de funcionamiento. Hasta ahora son de poca utilidad, tanto para prever las variaciones a efectos de dimensionamiento, como para ayudar a seguir el funcionamiento de una planta. Estos modelos son fundamentalmente más una ayuda para la investigación que para la

utilización práctica. Necesidades de oxígeno en un flujo pistón Hemos visto en la página 69 que se puede admitir que: - Durante los primeros 20 minutos, la totalidad de la DBO rápida se sintetiza. - La disminución de la DBO lenta es prácticamente proporcional al tiempo y, en consecuencia, al recorrido a lo largo del pistón. De esta forma podemos deducir que las necesidades de oxígeno: - Para la síntesis de la DBO rápida, deben satisfacerse en los primeros 20 minutos. - Para la síntesis de la DBO lenta y la endogénesis, pueden considerarse constantes a lo largo del recorrido del licor. Si consideramos un SRT de 3 días, las necesidades de oxígeno se pueden repartir de la siguiente manera: - 2/3 para la síntesis, que se pueden dividir a su vez en:

·2/9 para la DBO rápida. ·4/9 para la DBO lenta.

- 1/3 para la endogénesis. Considerando que la cuba de aeración de una línea independiente se divide en n células (una célula corresponde a una turbina o es una división ficticia en el caso de aeración por aire), las necesidades se podrán repartir de la siguiente forma: - En la primera célula: las totales de la síntesis de la DBO rápida más las proporcionales a la síntesis de la DBO lenta y de la endogénesis, es decir:

2/9 + 4/9n + 1/3n = 2/9 + 7/9n - En las células siguientes: las proporcionales a la síntesis de la DBO lenta y de la endogénesis, es decir:

7 / 9n Así obtenemos:

Teóricamente, la primera célula debe tener una potencia de oxigenación entre el doble y el triple de las demás células, pero como la primera tiene una fuerte necesidad de oxígeno, su aportación específica es más alta, como hemos visto en el Capítulo 4, pág. 50. Prácticamente, podemos admitir:

- Que la potencia de oxigenación de la primera célula es del orden del doble de las demás. - Que en el caso de más de 6 células, entre 8 y 12, las dos primeras tendrán una potencia doble.

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Influencia sobre la cinética El estudio de la influencia de la temperatura sobre la cinética de eliminación de la contaminación orgánica es muy difícil, ya que depende de numerosos factores. Cuando aumenta la temperatura: La actividad bacteriana mesófila crece dentro de los límites de 4 a 30º C, según la relación:

kT = k20 · thetaT-20 (37)

- Algunas veces, el crecimiento de la actividad bacteriana puede mitarse a causa de la difusión del oxígeno dentro del flóculo biológico. Cuanto más denso es el flóculo, más alta es la limitación, es decir, que a baja carga, la limitación de la difusión será más fuerte que a alta carga y, por lo tanto, menor la influencia de la temperatura. - La actividad de la endogénesis crece y contribuye a disminuir la fracción activa de los fangos. En consecuencia la influencia de la temperatura será: - Baja en aeración prolongada. - Media en media carga. - Alta en alta carga, por ejemplo, en lagunaje. A media carga, con una edad de fangos SRT de 2 a 6 días, podemos adoptar: theta = 1,04. Es decir:

kT = k20 · 1,04T-2O (37a)

Influencia sobre el volumen del reactor La ecuación de base 28, del Capitulo 5, pág. 60, era:

(Lo - Le)/Le = k Xv t/Lo (28)

k: factor de degradabilidad.

Xv: concentración en materias volátiles de los fangos activados. t: tiempo de aeración. Para obtener el mismo rendimiento en la eliminación de la contaminación orgánica, partiendo de las mismas concentraciones de Lo y Le, el producto k Xv t debe ser constante. Es decir, que cualquier variación de k debe compensarse con la misma variación, pero inversa de Xv o de t. Cuando baja la temperatura, k disminuye y el tiempo de contacto (o el volumen del reactor) o la concentración de los fangos debe aumentarse, y viceversa. Nuestros cálculos se han realizado con una temperatura de referencia de 15º C. Para un valor diferente, la edad del fango SRT real debe ser la correspondiente a 15º C, afectada de una corrección en razón inversa a k:

SRT a T = SRT a 15º · 0,96T-15 (37b)

Temperatura de referencia Se puede adoptar como referencia la temperatura media anual. Durante el año, cualquier variación de temperatura se compensará con una variación de la concentración de los fangos. Si admitimos que la concentración normal es de 3.000 mg/l para 15º C, la concentración que debemos mantener será:

Concentración = 3.000 · 0,96T-15 (37c)

Cuando la carga recibida por la planta varía considerablemente a lo largo del año, es mejor tomar como temperatura de referencia la del mes en que la planta recibe más contaminación. Influencia de la temperatura en la decantación secundaria Veremos posteriormente, en el Capitulo 13, pág. 294, que, al contrario que la actividad bacteriana, la decantación secundaria necesita una disminución de la concentración MSA cuando baja la temperatura. También veremos que los efectos de la temperatura sobre la decantación secundaria son más graves que los que afectan a la eliminación de la DBO soluble. OTROS FACTORES DE INFLUENCIA SOBRE LA CINÉTICA DE ELIMINACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN ORGÁNICA Nutrientes - Nitrógeno y fósforo Contemplaremos, en el capítulo siguiente, que los fangos en exceso producidos por la eliminación de l kg de DBO5 contienen: · de 20 a 60 g de nitrógeno. · de 3 a 9 g de fósforo.

El primer valor de los indicados es el correspondiente a una edad del fango de 25 días, y el segundo de 1 día. Es decir, que las aguas residuales deben contener como mínimo estas concentraciones en forma asimilable; esta última representa, generalmente, del 80 al 90% del total. Las aguas residuales urbanas contienen mucho más nitrógeno y fósforo que el necesario: de 150 a 250 g para el primero y de 40 a 60 g para el segundo. Muchas aguas residuales industriales, generalmente de la industria química y papelera, tienen concentraciones de nitrógeno y fósforo insuficientes, por lo que deben acondicionarse. - Oligoelementos Para producir un crecimiento equilibrado de los fangos activados, las aguas residuales también deben contener una serie de oligoelementos. Generalmente no hay problemas de insuficiencia, ya que las concentraciones mínimas de los más raros son del orden de 0,1 mg · g-1 de DBO5. Puede haber insuficiencia en aguas residuales industriales procedentes de aguas de aportación, desmineralizadas o destiladas. Inhibidores y tóxicos Se pueden dividir en tres categorías: a) Compuestos orgánicos tóxicos, en dosis elevadas, pero degradables a bajas concentraciones, como por ejemplo el fenol. La concentración en el agua residual puede ser muy alta, pero lo importante es su concentración en contacto con el fango activado: con una mezcla integral y un volumen suficiente, esta concentración puede ser inferior al nivel tóxico o inhibidor. b) La casi totalidad de los metales pesados tiene un efecto tóxico o inhibidor, según la concentración. Algunos factores pueden influir en la toxicidad de estos metales: · La capa exterior de las bacterias tiene un poder acomplejante para la mayoría de los metales pesados. Este poder es variable, y posiblemente en función de la edad del fango y de la dureza del agua. · Algunos productos, presentes en las aguas industriales, pueden tener un efecto acomplejante; el amoníaco, por ejemplo, tiene dicho efecto acomplejante con el cobre. · Como estos efectos acomplejantes son muy variables, las concentraciones límites, de las tablas de los libros especializados, deben utilizarse con mucha prudencia. Una parte de estos metales pesados, variable con el metal mismo y las condiciones de operación del tratamiento biológico, se elimina con los fangos en exceso. c) Fuertes concentraciones en sales disueltas pueden producir un efecto inhibidor: 1,6 g/l de amoniaco o 16 g/l de cloruros. Para aguas con concentraciones en cloruros inferiores al límite inhibidor, pero superiores a 5 g/l, se produce generalmente una desfloculación del fango activado y, como consecuencia, problemas en la decantación secundaria. Dentro de estos límites, de 5 y 16 g/l, si la salinidad varia mucho y rápidamente, la velocidad de cambio de la presión osmótica puede producir una rotura de la membrana celular. Este fenómeno ocurre algunas veces cerca del mar, por la introducción accidental de agua salada en marea alta, debido a que el vertedero de tormentas está a una cota insuficiente.

Los datos sobre las concentraciones de inhibición y de toxicidad se encuentran en varias publicaciones, las cuales estudian el tratamiento mediante fangos activados. pH Para la eliminación de la contaminación orgánica, el pH óptimo de los fangos activados se sitúa entre 6,5 y 8,5. Como para los tóxicos su regularidad es tan importante como su valor absoluto, la actividad bacteriana puede desarrollarse fuera de los límites anteriores, con una cierta disminución, pero a condición de una buena regularidad para conseguir una adecuada aclimatación de la vida bacteriana. Los pH bajos, inferiores a 7,5, producen condiciones más favorables al desarrollo del bulking que los pH altos. Naturalmente, el pH que hay que controlar es el del fango activado y no el del agua residual. La actividad bacteriana también puede aumentar o disminuir la alcalinidad. - El CO2 producido por las bacterias con la alcalinidad origina bicarbonatos y, en consecuencia, una reducción del pH. La eliminación de 1 g de DBO5 produce una reducción de alcalinidad de 0,5 g en CaCO3. - Veremos posteriormente, en la página 106, que la nitrificación y la desnitrificación disminuyen y aumentan, respectivamente, la alcalinidad. - Los ácidos orgánicos que se transforman, en el curso de su eliminación, en CO2 y H2O, producen un aumento del pH. La reducción de la alcalinidad por el CO2 y la acidez de los ácidos orgánicos permiten el tratamiento de algunas aguas industriales con altos o bajos pH. Es necesaria una buena mezcla integral, como para los tóxicos, para conseguir un pH aceptable por efecto de la dilución. En las aguas residuales urbanas, el pH suele variar desde 6,5 a 8,0. Generalmente no se presentan problemas respecto a la eliminación de la contaminación orgánica. Veremos posteriormente que, para la nitrificación de algunas aguas residuales urbanas, la alcalinidad puede ser insuficiente. VOLUMEN DE LAS CUBAS DE AERACIÓN Conjunto: Cuba de aeración y decantador secundario No se debe calcular de forma separada el volumen de las cubas de aeración y la superficie de los decantadores secundarios, puesto que tienen un parámetro común de dimensionamiento: la concentración de los fangos activados. Como debemos mantener la masa calculada de materias en suspensión de los fangos activados, el volumen de las cubas de aeración estará en proporción directa a la concentración. Para concentraciones de fangos activados superiores a 2 g/l, que son las más frecuentes, el parámetro de dimensionamiento de los decantadores secundarios es la carga de materias en suspensión. Para un cierto caudal de licor activado a decantar, la carga en MS es proporcional a su concentración. Como la superficie del decantador es proporcional a la

carga, también es proporcional a la concentración. Teóricamente se podría determinar la concentración por optimización del precio total: cubas de aeración más decantadores secundarios, pero algunos condicionantes limitan en realidad las posibilidades de fijar la concentración. Optimización teórica de la concentración de los fangos activados. Bases de cálculo: - Caudal medio ..................................................................................................... l00 m3 · h-1. - Recirculación para caudal medio ........................................................................ 100 %. - Concentración en DBO5 ..................................................................................... 200 mg · l-1. - Carga másica .......................................................................................................0,3 kg DBO5 · d-1 kg-1 MS. - Carga máxima en MS de los decantadores secundarios .........................................4,8 kg MS · h-1 · m-2. - Profundidad media de los decantadores secundarios ...............................................4,0 m. Volumen de cubas de aeración: 100 · 24 · 0,2 / 0,3 · MSA = 1.600 / MSA. Volumen de decantadores secundarios: 100 x 2 x MSA x 4/4,8 = 167 x MSA. Cálculos:

De todas maneras, observamos, en la tabla de este ejemplo, que el volumen total es prácticamente independiente de la concentración cuando ésta varía entre 2,5 y 4,0 g/l. Es decir, que las condiciones de funcionamiento del proceso serán las que fijen la concentración de las materias en suspensión. Elección de la concentración Una baja concentración de fangos obliga a un gran volumen de cubas de aeración; como la potencia total de oxigenación es independiente del volumen, la potencia específica es baja y pueden presentarse problemas para la agitación correcta del licor. El límite superior de concentración queda limitado por la concentración de extracción de los decantadores secundarios y por el grado de recirculación.

Veremos posteriormente, en el capítulo de recirculación, que la concentración de extracción de los decantadores secundarios puede estimarse en:

MSR = 1.200/IVF (en g/l) (38)

También veremos que con aguas residuales urbanas no se puede traajar con seguridad, si el IVF es inferior a 200 y la recirculación superior al 100%. En estas hipótesis resulta: MSR = 6 g/l y MSA = 3 g/l MSR = concentración en MS de los fangos en recirculación. MSA = concentración en MS de los fangos en las cubas de aeración. REPRESENTACIÓN GRÁFICA La DQO POTENCIAL representa: - La fracción degradable de la DQO del agua bruta antes de su tratamiento; representa también, para cualquier grado de tratamiento biológico, el total de: · El oxígeno consumido para la endogénesis. · El oxígeno consumido para la síntesis. · La DQO de la fracción degradable de los fangos en exceso. · La DQO de la fracción inerte de los fangos en exceso. · La DBO soluble residual del agua tratada. En la Figura 5.15 se puede seguirla evolución de las cinco fracciones de la DQO potencial, cuyo valor es constante. La DQO potencial de 1.670 g es el equivalente de una DBO5 de 1.000 g.

Figura 5.15. Grafico de eliminación de la contaminación orgánica.