Comisión Nacional del Agua
MANUAL DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO
GUÍA PARA EL MANEJO, TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE
LODOS RESIDUALES DE PLANTAS DE TRATAMIENTO
MUNICIPALES
Diciembre de 2007
ADVERTENCIA
Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente.
Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua.
Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007
ISBN: 978-968-817-880-5
Autor: Comisión Nacional del Agua
Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F.
Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx
Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.
Impreso en México
Comisión Nacional del Agua
Ing. José Luis Luege Tamargo
Director General
Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín
Coordinador de Asesores de la Dirección General
Ing. Raúl Alberto Navarro Garza
Subdirector General de Administración
Lic. Roberto Anaya Moreno
Subdirector General de Administración del Agua
Ing. José Ramón Ardavín Ituarte
Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento
Ing. Sergio Soto Priante
Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola
Lic. Jesús Becerra Pedrote
Subdirector General Jurídico
Ing. José Antonio Rodríguez Tirado
Subdirector General de Programación
Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés
Subdirector General Técnico
Lic. René Francisco Bolio Halloran
Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca
M.C.C. Heidi Storsberg Montes
Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua
Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez
Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal
Dr. Michel Rosengaus Moshinsky
Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional
C. Rafael Reyes Guerra
Titular del Órgano Interno de Control
Responsable de la publicación:
Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Coordinador a cargo del proyecto:
Ing. Eduardo Martínez Oliver
Subgerente de Normalización
La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el
INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron:
Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez
CONTENIDO
Página
1.1. GENERALIDADES ...1
1.2. DEFINICIÓN DE LODO ...1
1.3. PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO ...1
2.1. INTRODUCCIÓN...31
2.2. CUANTIFICACIÓN DEL LODO ...54
2.3. LEGISLACIÓN MEXICANA RELATIVA A LA DISPOSICIÓN DE LOS LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ...57
2.4. COSTOS DE LOS SISTEMAS DE MANEJO DE LODOS ...66
2.5. FACTORES DE CONVERSION MAS USUALES ...72
3.1. INTRODUCCIÓN...75
3.2. ESPESAMIENTO EN CLARIFICADORES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS..75
3.3. ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD...76
3.4. ESPESAMIENTO MECÁNICO POR GRAVEDAD...88
3.5. ESPESADOR POR FLOTACIÓN ...90
4.1. INTRODUCCIÓN...95
4.2. FILTROS PRENSA DE BANDAS ...95
4.3. CENTRIFUGAS ...100
4.4. LECHOS DE SECADO ...106
5.1. INTRODUCCIÓN...108
5.2. ACONDICIONAMIENTO CON SAL METÁLICA ...108
5.3. ACONDICIONAMIENTO CON POLÍMEROS ...114
5.4. OPTIMIZACIÓN DE DOSIS...119
5.5. CURVAS DE COSTOS...121
6.1. INTRODUCCIÓN...131
6.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA ...131
6.3. DIGESTIÓN AEROBIA ...168
6.4. ESTABILIZACIÓN CON CAL...187
6.5. COMPOSTEO ...197
6.6. TANQUES IMHOFF...229
7.1. INTRODUCCIÓN...232
7.2. LECHOS DE SECADO DE ARENA...233
7.3. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA...236
7.4. OTROS TIPOS DE LECHOS DE SECADO...245
7.5. CURVAS DE COSTOS...250
8.1. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LODO...252
8.2. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LA TORTA DE LODO ...253
9.1. INTRODUCCIÓN...254
9.2. SISTEMAS DE BOMBEO ...254
9.3. TRANSPORTE EN CAMIONES ...269
10.1. INTRODUCCIÓN ...272
10.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS QUE AFECTAN LA APLICACIÓN A TERRENOS...272
11.1. ESPESAMIENTO CON CENTRIFUGA ...287
11.2. FILTROS PRENSA DE PLACAS Y MARCOS ...288
11.3. REDUCCIÓN TERMICA ...291
12.1. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ...296
12.2. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ...302
12.3. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ...308
12.4. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ...313
12.5. PLANTA DE FILTROS ROCIADORES...320
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Curvas de crecimiento neto... 14
Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo... 16
Figura 1.3. Metodos de purgado de lodos... 22
Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios ... 26
Figura 3.1. Perfil de concentracion tipico para lodo de origen municipal en un espesador por gravedad operado continuamente ... 78
Figura 3.2. Instalacion tipica de espesador por gravedad ... 78
Figura 3.3. Vista transversal de un espesador por gravedad circular tipico ... 79
Figura 3.4. Unidad tipica de espesamiento por flotacion con aire disuelto para lodos activados residuales... 91
Figura 4.1. Esquema de dos configuraciones de centrifugas de tazon solidos: (a) contracorriente (b) corriente. ... 101
Figura 5.1. Sistema tipico de alimentacion de solucion... 111
Figura 5.2. Sistema tipico de alimentacion de cal, no se muestra el removedor de vapor ... 113
Figura 5.3. Sistema automatico de alimentacion de polimeros tipico. ... 117
Figura 5.4. Sistema compacto de mezclado para polimeros liquidos... 118
Figura 6.1. Sistema de digestion anaerobia de baja tasa... 134
Figura 6.2. Sistema de digestiona anerobia de alta tasa, una etapa... 135
Figura 6.3. Proceso de digestion anaerobia de dos etapas... 137
Figura 6.4. Efecto del trs sobre la descomposicion de compuestos de desechos degradables y produccion de metano ... 139
Figura 6.5. Efecto de la temperatura sobre la produccion de gas ... 144
Figura 6.6. Relacion entre el ph y concentracion de bicarbonato cerca de 35 grados c ... 144
Figura 6.7. Tanques cilindricos para digestion anaerobia ... 147
Figura 6.8. Tanque rectangular paa digestion anaerobia ... 147
Figura 6.9. Tanque en forma de huevo para digestion anaerobia en la planta de tratamiento de terminal island, los angeles ... 148
Figura 6.10. Diagrama del sistema de calentamiento de un intercambiador de calor de tuberia enchaquetada o en espiral. ... 150
Figura 6.11. Efecto de la concentraciond e solidos sobre el requerimiento de calentamiento del lodo crudo... 151
Figura 6.12. Patrones de circulacion producidos por mezcladores de tubo y levantamiento libre de gas... 155
Figura 6.13. Tasa de bombeo de tubo de succion y levantamiento libre de gas ... 156
Figura 6.14. Comparacion entre mezclado con lanza y tubo de succion en agua limpia... 156
Figura 6.15. Tipos de cubiertas para digestores ... 160
Figura 6.16. Flujo de energia a traves de un sistema de digestion anaerobia de lodos. ... 163
Figura 6.17. Diseño conceptual de un sistema de digestion anaerobia de lodos. ... 165
Figura 6.18. Diagrama de flujo para el proceso de digestor aerobio convencional de operación continua ... 171
Figura 6.19. Tasa de reaccion kd contra temperatura del liquido en digestor aerobio
... 174
Figura 6.20. Efecto de la concentracion de solidos sobre la tasa de reaccion kd ... 174
Figura 6.21. Influencia de la edad del lodo y temperatura del liquido sobre la tasa de utilizacion de oxigeno en digestores aerobios ... 175
Figura 6.22. Carta de diseño para aeradores de baja velocidad en tanques no-circulares para calcular los requerimientos de energia para proporcionar el oxigeno necesario... 176
Figura 6.23. Efecto de la edad de lodo sobre el ph durante la digestion aerobia .... 177
Figura 6.24. Reduccion de solidos volatiles en funcion de la temperatura del liquido y edad del lodo del digestor ... 178
Figura 6.25. Efecto del reciclado del sobrenadante del digestor sobre el flujo de solidos suspendidos a traves de una planta de lodos activados (55)... 184
Figura 6.26. Resumen de resultados del ejemplo de diseño de digestion aerobia.. 184
Figura 6.27. Dosis de cal requerida para el ph de una mezcla de lodo primario y humus de filtro percolador para diferentes concentraciones de solidos. ... 191
Figura 6.28. Efecto del ph sobre el equilibrio acido sulfhidrico-sulfuro... 193
Figura 6.29. Efecto del contenido de solidos sobre la relacion de trozos de madera a lodo por volumen... 200
Figura 6.30. Sitios para monitoreo de temperatura y oxigeno en un extremo de camellon o pila individual aerada. ... 203
Figura 6.31. Diagrama de balance de masa para composteo de lodos ... 204
Figura 6.32. Perfil de temperatura de un camellon tipico de composteo... 209
Figura 6.33. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y temperatura durante el composteo de lodo digerido mediante el metodo de camellones. ... 211
Figura 6.34. Diagrama de flujo de proceso – composteo de lodo en camellones planta de lodos activados de 440 lps. ... 215
Figura 6.35. Configuracion para pilas aeradas individuales. ... 218
Figura 6.36. Configuracion de tuberia de aeracion para pila aerada individual. ... 218
Figura 6.37. Configuracion de una pila aereada extendida ... 220
Figura 6.38. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y temperatura durante el composteo de lodo sin digerir por el metodo de pilas aeradas ... 223
Figura 6.39. Diagrama de flujo de proceso para instalacion de pilas extendidas para composteo de lodo – planta de lodos activados de 440 lps. ... 225
Figura 6.40. Ejemplo de diseño de construccion de pila de aeracion extendida ... 226
Figura 6.41. Tanques imhoff tipicos con detalles de diseño: (a) plano y (b) seccion. ... 230
Figura 7.1. Lecho de secado de arena tipico... 234
Figura 7.2. Tipica tuberia de decantacion: (a) planta y (b) elevación ... 235
Figura 7.3. Lecho de secado con pistas y rampa ... 236
Figura 7.4. Lecho de secado cubierto con estructura de fibra de vidrio: ... 237
Figura 7.5. Efectos de la tasa de evaporacion en la carga de los lechos... 240
Figura 7.6. Profundidad requerida para obtener la carga optima de lodo a diferentes concentraciones ( ft x 0.3084 = m; lb/ft2 x 4.883 = kg/m2). ... 242
Figura 7.8. Lechos de secado al vacio y sus componentes ... 247
Figura 7.9. Eficiencia tipica de los lechos de secado al vacio ... 249
Figura 9.1. Perdida de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a presion de lodo de 6 pulg. (15 cm) ... 256
Figura 9.2. Perdidas de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)... 256
Figura 9.3. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector a presion de 6 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)... 257
Figura 9.4. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector a presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)... 257
Figura 9.5. Curvas para el calculo de perdida de carga ... 259
Figura 9.6. Bomba cortadora y moledora. ... 261
Figura 9.7. Detalles de bomba de embolo... 262
Figura 9.8. Bomba de cavidad progresiva. ... 264
Figura 9.9. Bomba de diafragma operada con aire. ... 265
Figura 9.10. Bomba de lobulo giratorio. ... 267
Figura 9.11. Bomba de manguera peristaltica... 267
Figura 9.12. Bomba de aire con anillo aspersor festoneado y alimentado externamente. ... 268
Figura 9.13. Bomba de tornillo de arquimides ... 269
Figura 11.1. Centrifugas utilizadas para el espesamiento de lodo. ... 287
Figura 11.2. Vista lateral de un filtro prensa de marcos y placas. ... 289
Figura 11.3. Corte de un filtro prensa de placas y marcos. ... 289
Figura 11.4. Incinerador de lecho fluidizado... 291
Figura 11.5. Incinerador tipico de hogar multiple... 294
Figura 12.1. Diagrama de flujo, ´Planta de lodos activados convencional. ... 302
Figura 12.2. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional. ... 307
Figura 12.3. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional ... 313
Figura 12.4. Diagrama de flujo de planta de lodos activados convencional ... 319
Figura 12.5. Diagrama de flujo planta de filtros rociadores. ... 325
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque
hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324)... 3
Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario ... 5
Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285)... 8
Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos. ... 16
Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados... 23
Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores ... 24
Tabla 1.7. Variacion diaria del efluente de filtros percoladores stockton. California (342)... 27
Tabla 1.8. Descripcion de los eventos de desprendimiento de solidos en filtros percoladores (342) ... 27
Tabla 1.9. Concentracion del lodo de filtros percoladores extraido de los clarificadores finales... 28
Tabla 1.10. Composicion del lodo de filtros percoladores ... 29
Tabla 1.11. lodo procedente de procesos de crecimiento combinado fijo-suspendido. ... 30
Tabla 2.1. Metales en soluciones de cloruro ferrico (374)... 33
Tabla 2.2. Cadmio en el lodo... 35
Tabla 2.3. Incremento de concentraciones de metales durante el tratamiento. ... 37
Tabla 2.4. Mediciones de aroclor (pcb ) 1254 en lodo... 38
Tabla 2.5. Plaguicidas de hidrocarburos clorados en lodos (374, 383). ... 39
Tabla 2.6. Experiencia en cribado (386, 387)... 40
Tabla 2.7. Experiencia en cribado (386, 387). (continuación) ... 41
Tabla 2.8. Analisis del material cribado... 42
Tabla 2.9. Metodos de manejo del material cribado... 43
Tabla 2.10. Metodos de manejo del material cribado (continuación) ... 44
Tabla 2.11. Cantidades de arena ... 45
Tabla 2.12. Analisis de tamizado de la arena... 46
Tabla 2.13. Produccion de natas y sus propiedades... 48
Tabla 2.14. Metodos para el manejo de natas ... 51
Tabla 2.15. Caracteristicas de los lodos de tanques septicos (417)... 53
Tabla 2.16. Informacion acerca de las caracteristicas y cantidades tipicas de lodos producidos por varios procesos y operaciones de tratamiento de aguas residuales. 55 Tabla 2.17. Concentracion esperada de los lodos producidos por varios procesos y operaciones de tratamiento de aguas residuales ... 55
Tabla 3.1. Ventajas y desventajas de los espesadores por gravedad... 76
Tabla 3.2. Criterios de diseño para area superficial de espesadores por gravedad tipicos a... 80
Tabla 3.3. Resultados de operación reportados para varias tasas de desbordamiento en espesadores por gravedad (20, 21)a... 81
Tabla 3.4. Valores tipicos de carga uniforme (w) ... 82
Tabla 3.5. Definicion de los torques aplicables a espesadores por gravedad tipo circular (22) ... 82
Tabla 3.6. Rangos tipicos de carga hidraulica para espesadores mecanicos por
gravedad ... 89
Tabla 3.7. Resultados de operación de espesadores por flotacion ... 92
Tabla 3.8. Tasas de carga de solidos por area de superficie. ... 92
Tabla 4.1. Tasa de carga de lodos secos por metro de ancho de banda... 96
Tabla 4.2. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos... 107
Tabla 5.1. Dosis tipicas de cloruro ferrico y cal para el desaguado de lodos de aguas residuales municipales ... 109
Tabla 5.2. Dosis de polimero... 114
Tabla 6.1. Tipo y referencia de estudios a escala real sobre digestion anaerobia de alta tasa de lodos municipales (52, 53, 54, 55 –73) ... 132
Tabla 6.2. Criterios de diseño tipicos para dimensionamiento de digestores de lodo anaerobios mesofilicos (104, 105)... 138
Tabla 6.3. Criterios de diseño para dimensionamiento de digestores de alta tasa en base a tiempo de retencion de solidos (110)... 140
Tabla 6.4. Caracteristicas fisicas y quimicas promedio de lodos de un sistema de digestion de dos etapas (62) ... 141
Tabla 6.5. Entrada y salida de materiales a un sistema de digestion de dos etapasa (62)... 141
Tabla 6.6. Produccion de gas para diferentes compuestos en los lodos de las aguas residuales (125)... 142
Tabla 6.7. Caracteristicas del biogasa (124)... 143
Tabla 6.8. Efecto del nitrogeno sobre la digestion anaerobia (152,153) ... 146
Tabla 6.9. Coeficientes de transferencia de calor para serpentines de auga caliente en digestores anaerobios (123)... 150
Tabla 6.10. Coeficientes de transferencia de calor para varios materiales de tanques de digestion anaerobia (186)... 152
Tabla 6.11. Relacion entre la gradiente de velocidad y el gasto unitario de gas. .... 159
Tabla 6.12. Suposiciones de carga de diseño... 163
Tabla 6.13. Diversos estudios de digestion aerobia de lodos municipales... 169
Tabla 6.14. Caracteristicas del sobrenadante de digestor aerobio mesofilico... 178
Tabla 6.15. Resumen de criterios actuales para diseño de digestores aerobios... 179
Tabla 6.16. Requerimientos de cal para lograr ph de 12 durante 30 minutos en lebanon, ohio (267). ... 189
Tabla 6.17. Dosis de cal requerida para mantener el ph arriba de 11.0 por lo menos durante 14 dias (265). ... 190
Tabla 6.18. Densidad de bacterias en lodos crudos, digeridos anaerobios, y estabilizados con cal en lebanon, ohio (267)... 193
Tabla 6.19. Composicion quimica del lodo y sobrenadante antes y despues de estabilizacion con cala (266)... 195
Tabla 6.20. Programa de monitoreo para una instalacion de composteo de lodos procedentes de aguas residuales municipales (436) ... 202
Tabla 6.21. Densidades de varios agentes de abultamiento para composta (432). 207 Tabla 6.22. Criterios de diseño tipicos para tanques imhoff sin calentamiento ... 231
Tabla 7.1. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos... 232
Tabla 7.2. Resumen de criterios de diseño para lechos de arena para secado lodo digerido anaerobiamente sin acondicionamiento quimico ... 238
Tabla 7.3. Agua total drenada de lodo digerido aerobiamente aplicado a lechos de
arena para secado ... 241
Tabla 7.4. Efecto de la digestion sobre la eficiencia de lechos de secado... 241
Tabla 7.5. Concentracion de lodo producido en lechos con vacio... 248
Tabla 9.1. Aplicaciones de bombas de lodos por principio... 254
Tabla 10.1. Limitaciones tipicas del suelo para la aplicacion de lodo a terrenos agricolas a tasas de aplicación de fertilizantes de nitrogeno... 273
Tabla 10.2. Limitantes tipicas de pendiente para aplicación de lodos a terrenos.... 274
Tabla 10.3. Profundidades minimas tipicas para aplicación de lodo a terrenos. ... 275
Tabla 10.4. Tasas de mineralizacion de nitrogeno organico en lodos de aguas residuales ... 276
Tabla 10.5. Tasas de asimilacion de nutrientes para cultivos selectos ... 278
Tabla 11.1. ventajas y desventajas de la utilizacion de filtros prensa de placas y marcos ... 290
Tabla 11.2. Informacion de productividad tipica para filtros prensa de placas y marcos ... 290
1.ASPECTOS GENERALES 1.1.GENERALIDADES
En esta guía se describen las características, métodos de transporte, acondicionamiento químico para la remoción del agua, técnicas de espesamiento, desaguado y secado, así como estabilización y disposición final de los lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, incluyendo teoría, consideraciones para el diseño y costos.
El ingeniero deberá conocer las fuentes, características y cantidad de lodo, que se tendrá que manejar cuando esté diseñando los dispositivos para el transporte, acondicionamiento y espesamiento o desaguado de lodos.
El responsable del diseño deberá tomar en cuenta el lapso de tiempo que transcurre entre la toma de decisiones hasta la construcción, para favorecer aquellos procesos y equipo que sean suficientemente flexibles para permanecer útiles a pesar de posibles cambios tecnológicos, reglamentarios, económicos y/o en las características del lodo. Cuando sea posible, el ingeniero deberá investigar sistemas a escala normal que estén funcionando, para determinar condiciones reales de operación y costos, y luego introducir un factor de seguridad por imprevistos.
1.2.DEFINICIÓN DE LODO
Los materiales sólidos y semisólidos removidos del agua residual en plantas de tratamiento son considerados como lodos. Los residuales orgánicos del tratamiento primario y secundario constituyen la mayoría de los lodos, pero también incluyen arena, natas y sólidos del cribado.
La producción de lodos en los procesos unitarios típicos dependerá del porcentaje de aportación industrial, basura molida, el uso de químicos, control del proceso, cargas pico y condiciones climatológicas (1). Los tipos de lodos incluyen:
• Lodo Primario • Lodo Biológico • Lodos Químicos
1.3.PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO 1.3.1.Lodos Primarios
La mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan sedimentación primaria para remover los sólidos fácilmente sedimentables del agua cruda. En una planta típica con sedimentación primaria y un proceso convencional de lodos activados para el tratamiento secundario, el peso seco de los sólidos primarios es del orden del 50% del total de los sólidos generados.
El lodo primario normalmente es más fácil de espesar por gravedad, ya sea con tanque de sedimentación primaria o dentro de un espesador por gravedad independiente. En comparación con lodos biológicos y muchos químicos, el lodo primario puede ser desaguado rápidamente mecánicamente con pocos requerimientos de acondicionamiento.
1.3.1.1.Producción de Lodos Primarios
La producción de lodo primario está generalmente dentro del ámbito de 100 a 300 mg/l. Para estimar la producción de lodo primario para determinada planta se requiere calcular la cantidad de sólidos suspendidos totales (SST) que entran al tanque de sedimentación primaria y suponer una eficiencia de remoción. Cuando no hay disponibles datos específicos del sitio para los SST influentes, frecuentemente se utilizan valores de 0.07 a 0.11 kg/cápita/d (278). La eficiencia de remoción de SST en el tanque de sedimentación primaria normalmente es del orden de un 50% a 65% (279). La eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en la sedimentación primaria depende, en gran parte, de la naturaleza de los sólidos. Se utiliza frecuentemente una eficiencia del 60%, sujeta a las siguientes condiciones:
• Que el lodo es producido en el tratamiento de aguas residuales de origen doméstico, sin mayor aportación de carga industrial.
• Que el lodo no contiene coagulantes químicos ni floculantes.
• Que ningún otro lodo - por ejemplo, lodo de filtros percoladores - ha sido agregado al influente de la planta.
• Que el lodo no contiene mayores corrientes colaterales del procesado del lodo.
Ejemplo: SST = 0.09 kg/cápita/día
Eficiencia = 60%
Lodo Primario = 0.054 kg/cápita/día
Si existen datos disponibles sobre la concentración de sólidos suspendidos en el influente, dichos datos deben ser utilizados para el diseño. El uso de los registros de operación de tanques en servicio o pruebas de laboratorio pueden refinar los datos de eficiencia.
El "Método Estándar" de la prueba de peso seco para materia sedimentable bajo condiciones ideales estima la cantidad de lodo producido en un tanque de sedimentación ideal (280). La producción de lodo será ligeramente menor en un tanque verdadero de sedimentación.
La cantidad de lodo extraído del tanque de sedimentación primaria se incrementa substancialmente cuando las corrientes colaterales del proceso de tratamiento de lodos son reciclados al tanque de sedimentación primaria. La cuantificación de los sólidos que entran y salen del clarificador primario por medio de todas las corrientes es una herramienta importante para estimar la producción de lodo primario, cuando los lodos reciclados y las corrientes colaterales contribuyen grandes cantidades de sólidos.
La cantidad de sólidos suspendidos y sólidos químicos removidos en un tanque de sedimentación primaria hipotético, que procesa agua residual la cual ha sido tratada mediante la adición de cal, sulfato de aluminio o cloruro férrico son estimados en la tabla 1.1.
Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324).
Sin Adición de Químicosa
Tipo de Lodo Adición
Químicosb Calc Alumbred Hierroe
Sólidos Susp., kg/m³ 0.125 0.187 0.187 0.187 Sólidos Químicos, kg/m³ 0.25 0.043 0.055 Producción Total de Lodo,
kg/m³ 0.125 0.437 0.23 0.242
a - supone una concentración de 10 mg/l de fósforo influente como P, con el 80% removido mediante precipitación química.
b - supone una remoción del 50% de 250 mg/l de SST influente, en la sedimentación primaria. c - 125 mg/l de Ca(OH)2 adicionado para elevar el pH a 9.5.
d - 154 mg/l de Al2(SO4)3•14H2O adicionado. e - 84 mg/l de FeCl3 adicionado.
Nota: No supone la recirculación de corrientes colaterales (por ejemplo, de lodo activado purgado a la sedimentación pri maria, sobrenadante de digestor, etc.). La producción de sólidos secunadarios sería reducida de 0.10 kg/m³ sin la adición de químicos a 0.04 kg/m³ con la adición de químicos en esta planta hipotética.
1.3.1.2.Propiedades de Concentración
La mayoría de los lodos primarios pueden ser concentrados fácilmente dentro de los tanques de sedimentación. Se puede obtener una concentración de sólidos entre el cinco y seis por ciento, cuando el lodo es bombeado de tanques de sedimentación primaria bien diseñados (279, 287, 290, 291). Sin embargo, valores tanto mayores como inferiores son comunes. Las condiciones que influyen sobre la concentración del lodo primario son:
• Si el agua residual no es desarenada antes de que entre a los tanques de sedimentación.
• Si el lodo contiene grandes cantidades de sólidos finos no volátiles, como limo, del influente pluvial, se puede lograr una concentración arriba del seis por ciento (288, 293).
• Las cargas industriales pueden afectar fuertemente la concentración de lodo primario.
• El lodo primario puede flotar cuando se le adhieren burbujas de gas generado bajo condiciones anaerobias. Las condiciones que favorecen la formación de gas incluyen: temperaturas calientes, depósitos de sólidos en los colectores, desechos sépticos fuertes, tiempos de retención de sólidos en los tanques de sedimentación prolongados, falta de precloración adecuada y recirculación de los licores del lodo (295). Esto se puede evitar mediante el incremento de la frecuencia y tasa del bombeo del lodo primario (296).
• Si se mezclan los lodos biológicos con el agua residual, generalmente resultará una concentración menor de lodo primario.
1.3.1.3.Composición y Características
La tabla 1.2 muestra varias de las características de los lodos primarios. En muchos casos, se dan los ámbitos y/o valores "típicos".
En la ausencia de recirculación de corrientes colaterales de los procesos de lodos, el porcentaje de sólidos volátiles en el lodo primario debe aproximarse al porcentaje de sólidos suspendidos volátiles en el agua residual influente.
Un contenido de sólidos volátiles inferior al 70% normalmente indica la presencia de aportación de agua pluvial, corrientes colaterales del procesado de lodos, una gran cantidad de arena, lodo de una planta de filtración que fue descargado al drenaje sanitario, desechos industriales con bajo contenido de sólidos volátiles, o sólidos de aguas residuales que han tenido un largo tiempo de retención en el alcantarillado.
Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario
Característica Ambito de Valor Comentarios Referencia
Valores Típico
pH 5 - 8 6 -- 278
Acidos volátiles, mg/l 200 - 2,000 500 -- 278 como ácido acético
Valor calorífico, Btu/lb,
(kJ/kg) 6,800 - 10,000 -- Depende del contenido de volátiles y composición del lodo, valores reportados están en
base peso seco. 278 10,285 Lodo con 74% volátil 278 7,600 Lodo con 65% volátil 297 Gravedad específica
de partículas
individuales de sólidos -- 1.4
Aumenta con mayor contenido de arena,
limo, etc. 278 Gravedad específica
bruta (húmeda) -- 1.02
Aumenta con espesor del lodo y gr. esp. de
los sólidos. 278
1.07
Agua residual fuerte de un sistema
combinado. 298 Relación DBO5/SSV 0.5 - 1.1 -- -- 299
Relación DQO/SSV 1.2 - 1.6 -- -- 299 Relación N-org/SSV 0.05 - 0.06 -- -- 299
Contenido volátil, % por
peso sólidos secos 64 - 93 77
Valor obtenido sin recirculación de lodos, buen desarenado; 42 muestras, desviación estándar de 5. 299 60 - 80 65 -- 40
Valor bajo provocado por influente alto de
tormenta 288
-- 40
Valor bajo provocado por desecho
industrial. 294 Celulosa, % por peso
de sólidos secos 8 - 15 10 -- 278
Característica Ambito de Valor Comentarios Referencia
Valores Típico
Hemicelulosa, % por
peso de sólidos secos -- 3.2 -- 300 Lignina, % por peso de
sólidos secos -- 5.8 -- 300 Grasas y aceites, %
por peso de sólidos
secos 6 - 30 -- Soluble en éter 278 7 - 35 -- Extractable en éter 300 Proteína, % por peso
de sólidos secos 20 - 30 25 -- 278
22 - 28 -- 300
Nitrógeno, % por peso
de sólidos secos 1.5 - 4 2.5 Expresado como N 278
Fósforo, % por peso de
sólidos secos 0.8 - 2.8 1.6
Expresado como P2O5. Se dividen los valores de P2O5 entre
2.29 para obtener
valores de P. 278
Potasa, % por peso de
sólidos secos 0 - 1 0.4
Expresado como K2O. Se dividen los valores de K2O entre
1.20 para obtener
valores de K. 278
El lodo primario típicamente contiene más de 100 diferentes especies de bacterias anaerobias y facultativas (301). Bacterias reductoras y oxidantes del sulfato, huevos de gusanos y moscas, y microorganismos patógenos típicamente están presentes. 1.3.2.Lodos Biológicos
1.3.2.1.Características Generales
Los lodos biológicos son producidos por procesos de tratamiento tales como lodos activados, filtros percoladores y biodiscos. Las cantidades y características de los lodos biológicos varían con las tasas metabólicas y de crecimiento de los diferentes microorganismos presentes en el lodo.
Las plantas con sedimentación primaria normalmente producen un lodo biológico bastante puro. La concentración y, por tanto, el volumen del lodo biológico purgado son afectados grandemente por el método de operación de los clarificadores. Los
lodos biológicos generalmente son más difíciles de espesar y desaguar, que el lodo primario y la mayoría de los lodos químicos.
1.3.2.2.Lodo Activado
El lodo activado tiene muchas variantes: aeración extendida, zanja de oxidación, oxígeno puro, aeración mecánica, aeración por difusión, flujo en pistón, estabilización por contacto, mezcla completa, alimentación por etapas, lodo activado nitrificante, etc. (279).
La cantidad de lodo activado purgado (LAP) es afectada por dos parámetros: el peso seco y la concentración del lodo.
a) Ecuaciones Básicas de Predicción
Las variables más importantes para predecir la producción de lodo activado purgado son la cantidad de orgánicos removidos en el proceso, la masa de microorganismos en el sistema, los sólidos suspendidos inertes en el influente al proceso biológico y la pérdida de sólidos suspendidos en el efluente.
Estas variables se pueden juntar en dos sencillas y útiles ecuaciones:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M) (1-1) LAPt = Px + Inv - Et (1-2) donde:
Px = crecimiento neto de sólidos biológicos (expresado como sólidos suspendidos volátiles [SSV]), kg/día;
Y = coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg;
Sr = substrato removido (por ejemplo, DBO5), kg/día; kd = coeficiente de decaimiento, día-1;
M = inventario en el sistema de sólidos microbianos (SSV), kg; LAPt = producción de lodo activado purgado, kg/día;
Inv = sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso kg/día; y Et = sólidos suspendidos efluentes, kg/día.
Para usar la ecuación 1-1, es necesario obtener valores de Y y kd. Mientras que la tabla 1.3 resume varios valores reportados de estos parámetros, es mejor determinar Y y kd para la corriente residual cuando sea posible.
Para usar la ecuación 1-2, es necesario estimar Inv, sólidos no volátiles influentes, y Et, sólidos suspendidos efluentes. Los siguientes normalmente se incluyen en el término Inv:
• Precipitados químicos - por ejemplo, fosfatos de aluminio - cuando se agrega alumbre al proceso de lodos activados.
• Sólidos de escurrimientos pluviales que no son removidos en los procesos anteriores (313).
• Contenido normal no volátil del lodo activado. En la ausencia de licores del lodo, precipitados químicos, y drenaje pluvial, el lodo activado tendrá un 80% de volátiles (menos en aeración extendida) en la mayoría de las plantas municipales.
Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285)
Referenc ia Coeficiente de Rendimie nto Brutoa Coeficiente de Decaimient ob Tipo de Agua Residual Escala de Planta Aeraci ón Temperatura (°C) Edad de Lodos (días) Cálculo Remoción de DBO5 25 0.5 0.055 Efl. Primario Lab. Aire 19 - 22
2.8 -
22 Influente 26 0.7 0.04 Efl. Primario Piloto
Oxígen
o no esp. 1 - 4
Infl. menos efluente 26, 27 0.67 0.06 Efl. Primario Real Aire 18 - 27 1.2 - 8
Infl. menos efluente 28, 29 0.73 0.075 Efl. Primario Piloto Aire 10 - 16 1 - 12
Infl. menos efluente 30 0.94 0.14 Efl. Prim. (agua residual incluye licores del
desaguado Piloto Aire 15 - 20 0.5 - 8
Infl. menos efluente
soluble 31 0.73 0.06 Efl. Primario Piloto Oxígeno 18 - 22 2.5 - 17
Infl. menos efluente 32 0.5 no calc. (despreciabl
e) (base militar) PilotoEfl. Primario Aire 0 - 7 Granded Influente
12 0.74 0.04 Efl. Primario (mucha industria) Piloto Oxígen o 17 - 25 2.1 - 5 Infl. menos efluente soluble 30 1.57 0.07 Crudo desarenado incluyendo licores
desaguado Piloto Aire 15 - 20 0.6 - 3
Infl. menos efluente
soluble 33 1.825 0.20 desarenadoCrudo Lab. Aire 4 - 20 1 - 3
Infl. sol. menos efl.
Referenc ia Coeficiente de Rendimie nto Brutoa Coeficiente de Decaimient ob Tipo de Agua Residual Escala de Planta Aeraci ón Temperatura (°C) Edad de Lodos (días) Cálculo Remoción de DBO5 34 0.65 0.043 Crudo
desarenado Lab. Aire 20 - 21
11 y másd Infl. menos efluente 34 0.70 0.048 Crudo
desarenado Lab. Aire 20 - 21
Grand ed Infl. menos efluente 34 0.54 0.014 Crudo
desarenado Real Aire No esp. Grand ed Infl. menos efluente 35
1.1 0.09 Crudo Real Aire No esp. 1.1 - 2.4
Infl. menos efluente a - Coeficiente de rendimiento bruto Y, kg SSV/kg DBO5.
b - Coeficiente de decaimiento kd, días-1.
c - Tiempo medio de residencia celular o edad del lodo θm, medido como masa de SSV del licor mezclado dividido entre la producción de sólidos biológicos Px. Note que los coeficientes pueden ser un tanto diferentes si el inventario total de SSV del sistema (SSV del licor mezclado más SSV del clarificador) es utilizado en lugar del valor de los SSV del licor mezclado exclusivamente.
d - aeración extendida.
Nota: Todos los valores en este cuadro son para una ecuación del tipo Px = Ysr - kdM (Ec. 1-1). Para calcular Et, se deberá utilizar un valor pequeño como 10 mg/l de SST. a1) Efecto de la Edad del Lodo y Relación de F/M
La ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la edad del lodo (θm).
Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)] (1-3) donde θm = M/Px = edad del lodo, días.
Similarmente, la ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la relación de F/M:
Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)] (1-4) donde:
C2 = coeficiente para igualar unidades de Sr y "F" en F/M; si Sr es la DBO5 removida (influente menos efluente), entonces C2 es la eficiencia de remoción de DBO5, cerca de 0.9;
F/M = relación de alimento a microorganismos;
A medida que la θm aumenta y F/M disminuye, la producción de sólidos biológicos Pr disminuye. El manejo de lodos es costoso, y los costos se pueden reducir utilizando altos valores de θm o bajos valores de F/M. Sin embargo, existen factores de costos que se compensan, tales como incrementos en el volumen equerido de tanque de aeración, requerimientos de oxígeno para el sistema biológico aerobio, etc.
También, a medida que cambia la estación del año, puede cambiar el θm y F/M óptimo para una eficiencia máxima de tratamiento del agua residual. Por consiguiente, es deseable poder operar en un ámbito de condiciones. Obviamente, se requieren cálculos de tanteos para establecer el sistema menos costoso.
a2) Efecto de la Nitrificación
La nitrificación consiste en la bioxidación del nitrógeno amoniacal y orgánico a nitritos y nitratos. Los procesos estables de nitrificación operan con altas edades de lodos (θm) y baja relación de alimento a microorganismos (F/M). También, los procesos de nitrificación frecuentemente son precedidos por otros procesos que remueven mucha de la DBO5 y SS. Como resultado, el lodo activado en estado de nitrificación generalmente produce menos purga que el proceso convencional de lodos activados. Sin embargo, existe un componente adicional del lodo nitrificante, el rendimiento neto de bacterias nitrificantes, Yn. Este se puede estimar a razón de 0.15 kg de SS por kg de nitrógeno total Kjeldahl (orgánico más amoniaco) removido (314). La Yn varía con la temperatura, pH, oxígeno disuelto y tiempo de residencia celular. Sin embargo, no son requeridas mediciones detalladas de Yn para el diseño de las instalaciones de lodos debido a que la producción de bacterias nitrificantes es pequeña. En procesos de nitrificación de una sola etapa, las cifras de producción de lodo también deberán incluir los sólidos producidos por la oxidación carbonosa, calculada a la m y F/M del sistema nitrificante.
a3) Efecto de la Composición del Substrato
El tipo de agua residual que es alimentada al proceso de lodos activados tiene mayor influencia sobre los coeficientes de producción bruta (Y) y decaimiento (kd).
a4) Efecto de la Concentración de Oxígeno Disuelto
Concentraciones muy bajas de OD - por ejemplo, 0.5 mg/l - en sistemas convencionales de lodos activados parecen incrementar la producción de sólidos, aun cuando otros factores se mantienen constantes (315). Sin embargo, no existe una clara definición de la producción de sólidos con niveles más altos de OD.
Los coeficientes Y (rendimiento bruto) y kd (decaimiento) están relacionados a la actividad biológica y, por tanto, pueden variar debido a la temperatura del agua residual. Se recomiendan los siguientes lineamientos:
• Las temperaturas del agua residual dentro del ámbito de 15°C a 22°C se pueden considerar como un caso base. En este ámbito no es necesario hacer correcciones de temperatura. Cualquier variación en los coeficientes del proceso dentro de este ámbito de temperatura será probablemente pequeña en comparación con los efectos de otros factores.
• Si la temperatura del agua residual está dentro del ámbito de 10°C a 15°C se deben utilizar los mismos valores de kd, que en el caso de 15°C a 22°C , pero el valor de Y se debe incrementar en un 26 por ciento.
• Si la temperatura del agua residual está abajo de 10°C, se debe esperar mayor producción de lodo (323), pero la cantidad no puede ser estimada con precisión a partir de los datos disponibles. Bajo dichas condiciones, se requieren estudios a nivel piloto del proceso.
• Si la temperatura del agua residual está arriba de 22°C, se pueden utilizar los valores de los coeficientes para el ámbito de 15°C a 22°C. El diseño puede resultar un tanto conservador.
b) Cálculo de la Tasa Pico de Producción del Lodo Activado Purgado
La producción pico de sólidos se presenta debido a combinaciones desfavorables de los elementos en las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4, presentadas con anterioridad:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M) (1-1) Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)] (1-3)
Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)] (1-4) Todas estas ecuaciones predicen que la producción de sólidos (Px) aumenta con incrementos en Sr y F/M y disminuye con incrementos en la masa de microorganismos y θm. Px también aumenta si el coeficiente de rendimiento bruto (Y) se incrementa o si el coeficiente de decaimiento (kd) disminuye. Cada uno de estos factores que tienden a incrementar Px se presentan, dentro de ciertos límites, en la práctica. Para calcular la producción pico de sólidos, se deben suponer las siguientes condiciones:
• Remoción pico de substrato (Sr). Si se mantiene una alta eficiencia de tratamiento biológico del agua residual a una carga pico de contaminantes, entonces Sr representa la remoción de orgánicos a carga máxima. Si Sr es calculada en base a la remoción de DBO5, entonces se debe utilizar la
máxima remoción de DBO5. La duración del pico de producción de sólidos corresponderá a la duración del pico de carga.
• Valor mínimo de θm o máximo de F/M. Esto permite al operador seleccionar θm o F/M para obtener el efluente mejor posible. La condición promedio de diseño puede ser F/M = 0.3, pero el operador puede obtener mejores resultados a una F/M = 0.5 en el caso de condiciones específicas en una planta de ratamieno determinada.
• Valor máximo probable de Y. • Valor mínimo probable de kd.
Además, se deberá dar holgura en caso de que la temperatura del agua residual sea menor de 15°C durante la carga pico. Reducciones en el inventario de sólidos constituyen otro tipo de condición inestable que debe ser anticipada. Ocasionalmente es necesario que el operador de la planta reduzca la masa de microorganismos (M) en el proceso de tratamiento líquido mediante la purga de lodo activado. La purga de lodo activado ayuda al operador a mantener una F/M constante ante reducciones en la carga de DBO5. La purga de lodo activado también permite al operador sacar de servicio tanques de aeración, clarificadores, etc., para limitar los sólidos en los clarificadores, y evitar una mayor pérdida de sólidos en el efluente e inhibir el crecimiento de microorganismos indeseables, tales como los actinomicetos que provocan natas (327). Además, al reducir M, el operador puede con mayor facilidad optimizar la biofloculación, así minimizando los sólidos en el efluente, y puede controlar los requerimientos de aire u oxígeno.
Para plantas de tratamiento sin variaciones importantes conocidas de DBO5 y SS, se debe dar una holgura al diseñar las instalaciones para el manejo de sólidos, que permita purgar un dos por ciento adicional de M por día, con una duración de hasta dos semanas. Para plantas con variaciones mayores en la carga estacional, se debe incluir holgura para la purga de un cinco por ciento adicional de M por día, con una duración de hasta dos semanas. Una holgura similar se debe dar en plantas que practican la nitrificación sólo durante una parte del año. Finalmente, para plantas con variaciones mayor de entre semana al fin de semana, de más del 2:1 en carga de DBO5, y con relaciones de F/M medianas a altas, mayores de 0.3 durante las cargas altas, la holgura deberá ser de un día de purga de lodos de hasta un 25% de M. La planta también deberá ser capaz de manejar la purga de un cinco por ciento de M por día, con una duración de hasta dos semanas.
Como la reducción del inventario no es practicada normalmente durante los periodos pico, las capacidades de holgura mencionadas arriba deberán ser adicionadas a la producción media de sólidos. La tasa máxima de producción de lodo activado se determina en función de lo que sea mayor: producción durante cargas pico o la suma de la producción media más la holgura para reducción del inventario.
Ocasionalmente, el lodo es purgado de tal forma que la M aumenta a veces y disminuye en otras. El uso de dichos patrones aumenta la tasa máxima a la cual se deberá remover el LAP.
c) Medición de los Coeficientes de Rendimiento de Lodos
Estudios a nivel piloto y registros de operación a escala real pueden proporcionar mejores datos para establecer los criterios de diseño de producción de lodos, que cualquier compilación general de datos de otros sitios. La medición de los coeficientes de rendimiento de lodo son de dos tipos básicos. Primero, tanto el rendimiento bruto Y el decaimiento kd pueden ser determinados. Segundo, se pueden utilizar exclusivamente los valores de rendimiento neto observados.
Las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4 son utilizadas cuando se espera que la relación F/M y la edad del lodo, θm, vayan a variar en la planta. Para utilizar estas ecuaciones, es necesario determinar los dos coeficientes de rendimiento de lodo, Y y kd. Para establecer estos dos coeficientes, se debe medir la producción de sólidos bajo por lo menos dos diferentes condiciones de F/M y θm. La Ecuación 1-1 se puede reacomodar:
donde:
Px/M = tasa de crecimiento neto = 1/θm días-1, Sr/M = kg DBO5 removidos por día/kg SSV.
Esta ecuación representa una relación básica de línea recta entre Px/M y Sr/M. Para cada condición de operación, Px/M y Sr/M son calculadas y graficadas, y se traza una línea recta por los puntos. La pendiente de esta línea representa el coeficiente de rendimiento (Y) y la intersección el coeficiente de decaimiento (kd). En la figura 1.1 se puede apreciar el procedimiento.
Si las condiciones de diseño de Sr/M o θm son conocidas y si la producción de sólidos se puede medir bajo estas condiciones, entonces no es necesario determinar los dos coeficientes Y y kd. Sólo será necesario calcular el rendimiento neto observado. Las ecuaciones 1-1 y 1-3 se reacomodan para mostrar:
Yobs = Px/Sr = Y - kd/(Sr/M) = Y/[1 + (kd)(θm)] (1-6) donde:
Yobs = coeficiente neto de rendimiento,
= kg SSV producidos/kg substrato removido (DBO5)
Los coeficientes de rendimiento neto con frecuencia se reportan en la literatura. Son aplicables directamente sólo bajo las condiciones de Sr/M y θm que se presentaron durante los experimentos; no tienen significado a menos que también se mida Sr/M o m. Para la obtención de datos de plantas piloto o instalaciones existentes para ser utilizados en establecer los coeficientes de rendimiento de lodo, se deben tomar varias precuaciones. Se debe utilizar el control automático de oxígeno disuelto (OD) en la prueba o se debe proporcionar aire u oxígeno en exceso para asegurar que la concentración de OD en el licor mezclado está arriba de 2.0 mg/l en todo momento. Los datos de temperaturas muy distintas no se deben graficar en la misma figura para determinar Y y kd. En su lugar, los datos de cada ámbito de temperatura deberán ser utilizados para determinar Y y kd en cada ámbito. Cada condición de Sr/M y θm se debe mantener el suficiente tiempo para obtener una operación estable. Para asegurar la estabilidad del sistema, un periodo equivalente a tres veces la edad del lodo debe transcurrir entre cada prueba. Se deberá utilizar el término Inv en la ecuación 1-2 para corregir los efectos de las corrientes colaterales. Se debe registrar el porcentaje de sólidos volátiles producidos. Esto será útil al calcular los sólidos totales en el lodo.
d) Ejemplo: Determinación de la Producción de Lodo Biológico
Este ejemplo ilustra el uso de los factores de rendimiento y decaimiento. La figura 1.2 muestra un diagrama de flujo para una planta hipotética. El problema consiste en preparar una estimación inicial de la carga al espesador del lodo activado purgado. La tabla 1.4 contiene la información requerida para este cálculo, incluyendo las cargas promedio y máxima diaria y las características de operación del lodo activado. Se supone que el espesador en este ejemplo tendrá que manejar la producción máxima diaria de lodo activado purgado. Cargas pico de menor duración a la producción máxima diaria serán manejadas mediante almacenamiento de los sólidos suspendidos adicionales en los tanques de aeración. Para los propósitos de este ejemplo, los procesos de tratamiento de lodos tales como digestión, desaguado, desinfección, acondicionamiento térmico y químico no han sido identificados. Dependiendo de la selección y diseño de los procesos de tratamiento de los lodos, las cargas de recirculación de dichos procesos pueden tener un efecto importante sobre la cantidad de lodo activado purgado y lodo primario que deberá ser procesado. Al ser conocidos, los orgánicos degradables (DBO5) y la fracción no volátil de las corrientes colaterales deberá ser agregada a los factores de remoción de substrato (Sr) y sólidos suspendidos no volátiles (Inv). Cálculos posteriores en las ecuaciones 1-1 y 1-2 tienen el propósito de obtener un balance de masa de lodo, que incluye el efecto de la recirculación de las corrientes colaterales.
TRATAM IEN TO
PRELIM IN AR SEDIM EN TACIO NPRIM ARIA
TAN Q UES DE AEREACIO N CLARIFICADO RES FIN ALES DESECHO S DO M ESTICO S Y CO M ERCIALES AREN A RECI RCULA CI O N LO DO PRI M A RI O DESIN FECCIO N Y DESCARGA ESPESADO R DE LO DO TRATAM IEN TO DE LO DO LO DO PARA REUSO O DISPO SICIO N RECI RCULA CI O N LO DO A CTI VA DO PURGA DO A SER CA LCULA DO LO DO A CTI VA DO RETO RN A DO
EXTRA CCI O N DEL CLA RI FI CA DO R
Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo.
Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos. Gasto Influente, m³/d Eficiencia de Captura de Lodo Espesado
Descripción Valor Descripción Valor
Promedio diario 18,900 Promedio, % 95
Máximo diario 36,000 Máximo diario, % 85 DBO5 Influente, mg/l Relación de F/Ma
Promedio diario 190 Promedio 0.3
Máximo diario 160 Máximo 0.5
Sólidos Suspendidos en Influente,
mg/l Temperatura del Agua Residual
Promedio diario 240 Promedio, °C 18
Máximo diario 190 Mínimo, °C 10
Remoción de DBO5 en
Sedimentación Primaria, % Oxígeno Disuelto en Tanques de Aeración, mg/l
Promedio diario 35 Promedio 2.5
Máximo diario 25 Máximo 2.0
Control: Automático
Remoción de Sól. Susp. en Sed. Primaria
Límites Máximos Efluente Promedio de 30 días
Promedio diario 65 DBO5, mg/l 30
Máximo diario 50 Sól. Susp., mg/l 30
Datos de Prueba para Prod. de
Sólidos Ningunob
a - kg DBO5 aplicada diariamente / kg SSV licor mezclado b - Datos de otras plantas tendrán que ser utilizados.
Nota: Las concentraciones del máximo diario de DBO5 y Sólidos Suspendidos influentes reflejan la dilución del promedio diario debido al mayor gasto presente.
Paso No. 1. Determinar la carga de DBO5 al proceso de lodos activados. Carga promedio diaria de DBO5:
18,925 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.35) = 2,337 kg/día Carga máxima diaria de DBO5:
35,958 m³/d x 160 mg/l x (1 - 0.25) = 4,315 kg/día
Paso No. 2. Determinar M, la masa de microorganismos.
Promedio: F/M = DBO5 aplicada por día/ SSV en el sistema = 0.3 M = 2,337/0.3 = 7,790 kg SSV
Máximo diario: F/M = 0.5 M = 4,315/0.5 = 8,630 kg SSV
Paso No. 3. Determinar Y, el coeficiente de rendimiento bruto, y kd, el coeficiente de decaimiento. No hay datos de prueba disponibles para este desecho, por lo cual será necesario estimar en base a pruebas con otros desechos. Para las condiciones promedio, utilice los datos de Los Angeles del cuadro 1-3 (304): Y = 0.67 kg SSV formado por kg de DBO5 removida; kd = 0.06 día-1.
Para condiciones máximas, utilice una temperatura mínima de 10°C, que produce el valor máximo de Y. Utilice el factor de correción de la sección 1.3.2.2.b, que incrementa Y en un 26 por ciento.
Ymáx = 0.67 x 1.26 = 0.84; no ajuste kd
Paso No. 4. Determine Sr (remoción de substrato) en unidades similares a Y. Remoción de substrato promedio diario:
DBO5aplicada 2,337 kg/día
DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) - 189 kg/día Total removido por día 2,148 kg/día Remoción de substrato máxima diaria:
DBO5aplicada 4,315 kg/día
DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) - 360 kg/día Total removido por día 3,955 kg/día
* Considere una DBO5 efluente de 10 mg/l, aunque a la planta se le permita descargar 30 mg/l. Las plantas de lodos activados pueden con frecuencia lograr una DBO5 efluente de 10 mg/l. Se deberá proporcionar capacidad de manejo de lodos para dichas condiciones.
Paso No. 5. Determine Px, la producción de sólidos biológicos. Utilice la ecuación 1-1 de la sección 1.3.2.2.b:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M) (1-1) Promedio:
0.67 kg SSV producidos/kg DBO5 removida x 2,148 kg/día DBO5 rem. - (0.06 día-1) (7,790 kg SSV) = 972 kg SSV producidos por día
Máximo diario:
(0.84)(3,955) - (0.06)(8,630) = 2,804 kg SSV producidos/día
Paso No. 6. Calcule Inv (sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso de lodos activados).
Promedio diario de sólidos suspendidos no volátiles: 18,925 m³/d x 240 mg/l x (1 - 0.65)(0.25*) = 397 kg/día Máximo diario de sólidos suspendidos no volátiles: 35,958 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.50)(0.25*) = 854 kg/día
* - Se supone un 25% de fracción de sólidos suspendidos no volátiles. Paso No. 7. Calcule Et (sólidos suspendidos en el efluente).
Promedio:
18,925 m³/d x 10 mg/l = 189 kg/día Máximo diario:
35,958 m³/d x 10 mg/l = 361 kg/día
Paso No. 8. Calcule la producción de lodo activado purgado (LAPt) De la Ecuación 1-2:
LAPt = 972 + 397 - 189 = 1,180 kg/día Máximo diario:
LAPt = 2,804 + 854 - 361 = 3,297 kg/día
Paso No. 9. Calcule la holgura para reducción de inventario. Holgura reducción de inventario = (0.02)(7,790) = 156 kg/día
En el presente caso, la holgura para reducción de inventario puede pequeña. Considere el 2% de M por día. Los 156 kg/d calculados son mucho menores a la diferencia entre la producción promedio y máxima diaria de lodo activado purgado (Paso No. 8); por consiguiente, si se proporciona capacidad para la máxima producción de sólidos, entonces habrá suficiente capacidad para la reducción de inventario. No es necesario reducir el inventario durante las cargas pico.
e) Interacción de los Cálculos de Rendimiento y el Diagrama de Flujo Cuantitativo (DFC)
El ejemplo anterior demuestra la técnica para calcular la producción de sólidos, sin considerar la recirculación de las corrientes colaterales. El DFC considera los efectos de la recirculación de las corrientes colaterales. Antes de poder elaborar el DFC para los procesos de tratamiento biológico, se tiene que hacer una estimación de la destrucción o síntesis neta de sólidos.
La relación entre los sólidos que entran y salen de la unidad biológica se establece mediante el parámetro Xd, que se define como la destrucción neta de sólidos por unidad de sólidos que entran al reactor biológico. Los datos y cálculos del ejemplo anterior permiten hacer una estimación inicial de Xd.
Para gasto promedio:
1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 972 + 397 = 1,369 kg/día. 2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente primario = (1-0.65) (240) (18,925) = 1,590 kg/día.
3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 1,590 - 1,369 = 221 kg/día.
4.Xd = 221/1,590 = 0.139 Para gasto máximo diario:
1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 2,804 + 854 = 3,658 kg/día. 2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente primario = (1-0.5) (190) (35,958) = 3,416 kg/día.
3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 3,658 - 3,416 = 242 kg/día.
4. Xd = 242/3,416 = 0.071
Una vez que se conoce Xd, se puede realizar el cálculo del DFC. Después de concluir el cálculo del DFC, se pueden hacer nuevas estimaciones para Px e Inv, en base a la información derivada del cálculo del DFC. Por ejemplo, si el cálculo del DFC establece que las cargas de recirculación son importantes, puede ser necesario modificar las estimaciones de Sr e Inv y calcular nuevos valores para Px e Inv.
f) Concentración del Lodo Activado Purgado
El volumen del lodo producido por el proceso es directamente proporcional al peso seco e inversamente proporcional al espeso o cencentración de sólidos en la corriente de purgado de lodos. Los valores de concentración de lodos activados purgados pueden variar, en la práctica, desde 1,000 hasta 30,000 mg/L de SS (0.1 a 3% SS).
Una variable importante que puede afectar la concentración del lodo activado purgado consiste en le método de purgado del lodo. En la figura 1.3 se muestran diferentes métodos. Los sólidos del lodo se pueden purgar directamente de la extracción del clarificador. La purga de sólidos a partir del licor mezclado puede mejorar el control del proceso (279, 312). En este caso, el lodo se purga del proceso de lodos activados a la misma concentración que los sólidos suspendidos del licor mezclado, del orden de 0.1 a 0.4%. Esta baja concentración puede ser una desventaja debido al gran volumen de licor mezclado que se tiene que remover para obtener la purga deseada en base al peso seco de los sólidos. Normalmente el lodo se purga directamente de la extracción del clarificador, debido a que la cocentración del lodo es mayor que en el licor mezclado. Las descripciones subsecuentes en esta sección se hacen en base a la purga del lodo directamente de la extracción del clarificador.
f1) Estimación de la Concentración del Lodo Activado Purgado
Los dos principales factores que afectan la concentración del lodo activado purgado son la sedimetabilidad del lodo y la tasa de carga de sólidos al tanque de sedimentación. Estos dos factores han sido considerados en detalle en el desarrollo de los procedimientos del flujos de sólidos para predecir la concentración del lodo activado en la extracción del clarificador (328).
Varios de los factores que afectan la sedimentabilidad del lodo y la carga al clarificador incluyen:
• Características biológicas del lodo. Estas características pueden ser controladas parcialmente manteniendo una edad media de lodo o de relación F/M. Altas concentraciones de organismos filamentosos se pueden presentar a veces en el lodo activado. La reducción de estos organismos mediante el control de la edad del lodo o F/M ayuda a producir una extracción del clarificador más concentrada.
• Temperatura. A medida que se reduce la temperatura del agua residual, la concentración máxima obtenible en la extracción del clarificado Cu también se reduce como resultado del incremento en la densidad del agua. Además, la temperatura puede afectar las propiedades de sedimentación del lodo.
• Flujo de sólidos. El flujo de sólidos es la carga de sólidos proveniente del licor mezclado divifdida entre el área del clarificador (por ejemplo, kg/día/m²). Mayores tasas de flujos de sólidos requieren que los clarificadores sean operados a menores concentraciones de sólidos.
• Límites del equipo de recolección de lodos. Debido a la naturaleza pseudoplástica y viscosa del lodo activado purgado, algunos de los colectores y bombas de lodo disponibles no son capaces de una operación contínua y confiable cuando Cu excede los 5,000 mg/L.
• Sólidos suspendidos pesados en el lodo. Si el agua residual cruda, en vez del efluente de la sedimentación primaria, es alimentada al proceso de lodos activados, normalmente resultan valores mas altos de Cu. Los químicos adicionados al agua residual para la remoción de fósforo y sólidos suspendidos pueden afectar similarmente el valor de C. Sin embargo, dichos sólidos adicionales también incrementan la carga de sólidos al clarificador. g) Otras Propiedades del Lodo Activado
La tabla 1.5 contiene varias mediciones reportadas de la composición y propiedades de los sólidos de lodos activados. Al comparar la tabla 1.5 con la tabla 1.2 de lodo primario, el lodo activado contiene mayor cantidad de nitrógeno, fósforo y proteína; las grasas, aceites y celulosa, así como la gravedad específica son menores.
Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados.
Característica
Ambito de Valores
Valores
Típicos Comentarios Referencia
pH 6.5 - 8
-- 5.5
Puede ser menor en sistemas de oxígeno puro o si empieza la di-
gestión anaerobia. Baltimore, Maryland
330, 331 332 Valor de calentamiento, Btu/lb
(kJ/kg) -- (15,200) 6,540 Aumenta con el contenido porcentual de volátiles. 333 Gravedad específica de partículas
individuales de sólidos -- 1.08 Gravedad específica bruta --
1.0+7x10-8xC
C es la concentración de sólidos
suspendidos, en mg/l. 334
Color -- Café
Se ha notado algún lodo gris. El lodo activado se vuelve negro con la
descomposición anaerobia. -- Relación DQO/SSV -- 2.17 335 Relación Carbono/Nitrógeno -- -- -- -- -- 12.9 6.6 14.6 5.7 3.5 Baltimore, Maryland Jasper, Indiana Richmond, Indiana Southwest plant, Chicago, IL Milwaukee, Wisconsin (secado con
calor) 332 332 332 332 332 Carbono orgánico, % por peso de
sólidos secos 17 - 41 23 - 44 -- -- Cuatro plantas Zurich, Suiza 305 332 Nitrógeno, % por peso de sólidos
secos (como N) 4.7 - 6.7 -- 2 4 - 5.0 -- 5.6 -- 6.0 Zurich, Suiza Chicago, Illinois Cuatro plantas Milwaukee, Wisconsin 305 336 332 336 Fósforo, % por peso de sólidos
secos como P2O5 (divida entre 2.29 para obtener P) 3.0 - 3.7 -- 2.8 - 11 -- -- 7.0 -- 4.0 Zurich, Suiza Chicago, Illinois Cuatro plantas Milwaukee, Wisconsin 305 336 332 336 Potasio, % por peso de sólidos
secos como K2O (divida entre 1.20 para obtener K) 0.5 - 0.7 -- -- -- 0.56 0.41 Zurich, Suiza Chicago, Illinois Milwaukee, Wisconsin 305 336 336 Sólidos volátiles, % por peso de
sólidos secos (% como ceniza es 100 menos % volátil) 61 - 75 -- 62 - 75 59 - 70 -- -- 63 -- -- 76 88 Zurich, Suiza Cuatro plantas
Renton, Washington (Seattle Metro) promedio de 1976.
San Ramón, California (Valley Community Services District), promedio de 1975. 305 335 337 332 -- -- Sólidos volátiles (cont.) -- 81 Central plant, Sacramento County, CA,
julio 1977 a junio 1978, promedio. -- Grasas y aceites, % por peso seco
de sólidos
5 - 12 -- Extracto en éter 338 Celulosa, % por peso seco de
sólidos 7 Incluye lignina 337
Proteína, % por peso seco de
sólidos 32 - 41 -- -- 338
Varios tipos de microorganismos están presentes en grandes cantidades en el lodo activado. Las bacterias formadoras de flóculos (zoogleas) incluyen especies de Zoogloea, Pseudomonas, Arthrobacter y Alcaligenes. El lodo activado también contiene microorganismos filamentosos como Sphaerotilus, Thiothrix, Bacilus y
Beggiatoa (339). Varios tipos de protozoarios están presentes, incluyendo ciliados y flagelados.
1.3.2.3.Filtros Biológicos
Los filtros percoladores son utilizados ampliamente en el tratamiento de las aguas residuales municipales. Esta sección trata sobre los filtros percoladores utilizados con clarificadores. Cuando no se utiliza un clarificador, el efluente del filtro percolador normalmente es alimentado a un proceso de lodos activados.
a) Cálculo de la Producción de Lodo de Filtros Biológicos - Base Peso Seco
Los microorganismos de los filtros percoladores son bioquímicamente similares a los que predominan en los sistemas de lodos activados. Por consiguiente, la producción de sólidos de los filtros percoladores y sistemas de lodos activados es muy similar cuando se compara en base a masa de sólidos producidos por masa de substrato removido. Sin embargo, existen diferencias entre los dos sistemas con respecto a la metodología para la predicción de la producción de sólidos y el esquema para el purgado de lodo. Los métodos empíricos son normalmente utilizados para el diseño. La tabla 1.6 presenta los rendimientos de lodo observados en varias plantas de tratamiento y en un estudio a largo plazo a nivel piloto. Estos datos principalmente están basados en filtros que han recibido cargas altas.
Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores
Producción Unitaria de Sólidosa
Planta
Base DBO5
Totalb Base DBO5IT-ESc Base DQO
IT-ESd Base SSe Base SSVf
% Sólidos Volátiles
Carga
DBO5g Medio Referencia
Stockton, Californiah
Promedio 13 meses 0.74 0.67 0.43 1.00 0.94 77 0.43 Plástico, 6342
Mes más alto 1.01 0.92 0.60 1.17 1.08 86 1.17 88.5 m²/m³
(5/76) (5/76, 7/76) (7/76) (6/76, 1/77) (10/76) (8/76, 11/76) (8/76)
Mes más bajo 0.49 0.48 0.30 0.61 0.60 64 0.24
(1/77) (1/77) (1/77) (3/76) (3/77) (3/76, 6/76) (6/76)
Sacramento, Californiah Plástico 343
9 meses sin enlatar
Promedio -- -- -- 1.01 1.00 78 --
Mes más alto -- -- -- 1.09 1.09 83 --
3 meses de enlatado
Promedio -- -- -- 1.20 1.24 76 --
Dallas, Texas 0.42 -- -- -- -- -- -- Roca 344
Dallas, Texas 0.65 -- -- -- -- -- -- Roca 344
Livermore, California 1.10i -- -- 1.39 1.51 84 0.91
Roca, 5 a
10 cm 345
San Pablo, California -- -- -- 1.39 -- -- 3.19
Plástico,
95.1m²/m³ 344
Seattle, Washingtonj -- 0.8-0.9 -- 1.0 -- -- 0.5-4.0 Plástico, varios 341
a - Producción de sólidos incluye lodo purgado (extracción de clarificador) y sólidos en el efluente líquido del clarificador.
b - Masa (kg) de sólidos suspendidos volátiles (SSV) por masa de DBO5 removida. La DBO5 removida en base a mediciones totales (suspendido más disuelto).
c - Masa (kg) de SSV por masa de DBO5 removida. La DBO5 removida basada en mediciones de influente total menos efluente soluble (IT-ES).
d - Masa (kg) de SSV por masa de demanda química de oxígeno (DQO) removida. Remoción de DQO basada en mediciones de influente total menos efluente soluble.
e - Masa (kg) total de sólidos suspendidos (SS) producida por masa de SS aplicada. f - Masa (kg) de SSV producida por masa de SSV aplicada.
g - Masa (kg) total DBO5 aplicada por día metro cúbico de medio.
h - Las plantas de Stockton y Sacramento tienen una aportación industrial alta entre agosto y octubre de las enlatadoras de frutas y verduras.
i - Filtro de desbaste. Para DBO5, la remoción de DBO5 se calculó en base a la DBO5, inf. menos 0.5 veces la DBO5, efl. sin sedimentar. Datos promedio para 1971.
j - Estudios piloto. La base SS se encontró que describe bien los datos a través de un amplio ámbito de cargas. El agua residual incluye algo de carga industrial y licores de recirculación del desaguado de lodos digeridos.
Las ecuaciones que relacionan la producción de material suspendido en filtros percoladores pueden ser desarrolladas en forma similar a las utilizadas en la predicción de la producción de lodo activado. La principal diferencia radica en el término utilizado para definir la cantidad de microorganismos en el sistema. En estudios a largo plazo sobre el funcionamiento de filtros percoladores, Merrill (341) supuso que la masa total de microorganismos presente en el sistema era proporcional al área superficial del medio. La ecuación resultante para la producción de sólidos volátiles fue:
Px = Y' (Sr) - K'd (Am) (1-7) donde,
Px = Crecimiento neto de sólidos biológicos (SSV), kg/d; Y' = Coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg;
K'd = Coeficiente de decaimiento, d-1;
Sr = Substrato removido (DBO5), kg/d = DBO5 inf - DBO5 sol. efl.; Am = Area superficial total del medio en el reactor, m²
La producción de lodo en el filtro percolador que requiere un manejo posterior puede ser expresado como:
LFPP = Px + Inv - Et (1-8) donde,
LFPP = Producción de lodos purgados en el filtro percolador, kg/d; Inv = Sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso, kg/d;
Los coeficientes Y' y K'd de la ecuación 1-7 se obtienen para determinado sistema calculando la pendiente e intersección de la recta graficada a través de los puntos de datos para Px/Am contra Sr/Am. Los datos de producción de SSV para tres diferentes medios de filtros percoladores aparecen en la figura 1.4.
Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios Para filtros percoladores
