El rendimiento de un sistema de flotación de lodos FAD depende del tipo y características del lodo aplicado. La aplicación principal del sistema de FAD consiste en espesar lodos del proceso de lodos activados, siendo factores de gran influencia el IVL, la carga de sólidos, la relación aire/solidos (A/S) y la aplicación de polímeros para acondicionamiento.
Un proceso FAS operado adecuadamente produce un lodo flotado con 3 a 6% de SST, 4% en promedio, para un lodo biológico aplicado con IVL menor de 125 mL/g. El índice volumétrico de lodos(IVL) es una de las características físico-químicas que afectan el rendimiento del flotador. EL IVL debe ser menor de 200mL/g si se desea obtener una concentración de SST en el lodo flotado del 4% con dosis típicas de polímero.
Los tanques de espesamiento por flotación se diseñan generalmente para cargas hidráulicas superficiales, suma del caudal afluente más el caudal recirculado dividida por el área de flotación, de 30 a 120 m/d. Cargas hidráulicas mayores deterioran la concentración de sólidos del lodo flotante al interferir con la formación de un manto de lodo estable flotado.
La carga de sólidos, cociente entre el flujo de sólidos aplicados y el área de flotación, para espesadores por flotación, para espesadores por flotación, es de 14 a 57 kg/m2.h; generalmente es
menor de 23 kg/m2h para diseño sin aplicación de polímero y de 28 a 42 kg/m2h para diseño con
aplicación de pólimero. La concentración de sólidos, en el lodo aplicado, afecta la flotación de dos maneras diferentes: por una parte influye sobre las características de flotación del lodo al incidir sobre su velocidad de ascenso y por otra, altera la relación aire/solidos.
La relación aire/sólidos, cociente entre la masa de aire disponible para flotación y los sólidos del afluente existe una relación óptima aire/sólidos (A/S)m generalmente del 2 al 4%.
El lodo flotado, producido durante el proceso de flotación, lo debe remover el desnatador, el cual es, generalmente, de velocidad variable. El equipo se opera para maximizar el tiempo de drenaje del material flotado, para remover sólo la porción más seca del lodo flotado e impedir que el manto de lodo se expanda y pueda salir del sistema con el sobrenadante. En general, una profundidad de lodo flotante de 0,3 a 0,6 m es suficiente para maximizar su contenido de sólidos.
El uso de polímeros, en dosis típicas de 2 a 5 g de polímero seco por kilogramo de sólidos secos dosificados, 2 a 5kg/Mg, puede mejorar el rendimiento de un sistema de flotación FAD, especialmente cuando se usan cargas altas hidráulicas y de sólidos, o lodos afluentes de IVL alto.
Los espesadores por flotación se construyen en forma rectangular o circular, de 9 a 179 m2
de área con relaciones longitud/ancho de 3/1 a 4/1 o de 30 a 130 m2, con diámetro de 6 a 13 m.
Las unidades circulares son preferidas en plantas pequeñas y medianas, y las rectangulares en plantas donde la disponibilidad de terreno es escasa.
La barredora de lodos, de un espesador por flotación FAD, remueve los sólidos más pesados, no flotables, que se asientan en el fondo. Preferiblemente debe ser un sistema separado del desnatador, que opere sólo cuando se requiera, para evitar pérdida en la captura de sólidos, por lo regular una vez por turno de operación. La unidad de flotación posee pantallas para paso por debajo del efluente clarificado y un vertedero de rebose para descarga al canal de salida. El
vertedero controla el nivel del líquido dentro del tanque de flotación, con respecto a la caja de recolección del lodo flotante, y permite regular la capacidad y el rendimiento de la unidad de flotación. Algunos resultados típicos de operación para unidades de espesamiento FAD se incluyen en la tabla 26.8.
Tabla 26.8.
Resultados de operación de espesadores FAD
LM=Licor mezclado aireado *=sin coagulante; LR=Lodo recirculado; + =con coagulante
26.7 Digestión Anaeróbica de Lodos de Aguas Residuales
El lodo producido en los procesos de tratamiento de aguas residuales está compuesto de la materia orgánica contenida en el agua residual cruda, en forma diferente, pero también susceptible de descomposición. La digestión de lodos se aplica con el propósito de producir un compuesto final más estable y eliminar cualquier microorganismo patógeno presente en el lodo crudo. La digestión anaerobia se usa principalmente para estabilizar lodos primarios y secundarios. El primario es un lodo digerible con fuerte olor fecal. La reducción de sólidos volátiles es el criterio usado para medir el rendimiento de los procesos de digestión de lodos. El resultado de la digestión es reducir el contenido volátil a cerca del 50% y los sólidos a aproximadamente un 70% de los valores originales. Los sólidos orgánicos remanentes son de naturaleza homogénea, relativamente estables, con olor a alquitrán; sin embargo, la deshidratación del lodo digerido es difícil. El proceso convencional de digestión anaerobia se efectúa en dos etapas: la primera, con calentamiento y mezcla, produce la mayor cantidad de gas y la segunda es una etapa de asentamiento tranquilo usada para el almacenamiento, espesamiento
Planta Afluente SS del afluente, mg/L SS del subnadante mg/L % de remoción de SS % de sólidos del flotado Carga de sólidos Kg/m2 h Carga Hidráulica m/d Bernardsville Bernardsville Abington Hafboro Morristown Omaha Omaha Belleville Indianápolis Warren Frankenmuth Oakmont Columbus Levittown Nassau Nassau Nashville LM LR LR LR LR LR LM LR LR LR-LM LM LR LR LR LR LR LR 3600 17.000 5.000 7.300 6.800 19.660 7.910 18.372 2.960 6.000 9.000 6.250 6.800 5.700 8.100 7.600 15.400 200 196 188 300 200 118 50 233 144 350 80 80 40 31 36 460 44 94 99 96 96 97 99 99 99 95 95 99 99 99 99 99 94 99 3,8 4,3 2,8-6,0 4,0 3,5 5,9-8,8 6,8 5,7 5,0-7,8 6,9 6,8 8,0 5,0 5,5 4,4 3,3 12,4 11* 21* 15+ 14+ 8* 37+ 15+ 19+ 10+ 25+ 32+ 15+ 16+ 14+ 24+ 6* 25+ 70 29 70 47 29 47 47 23 86 103 76 59 59 59 70 19 39
del lodo digerido y la formación de un sobrenadante claro. El sobrenadante, rico en material orgánico soluble (DBO hasta 10.000 mg/L), se recircula para tratamiento aerobio en la planta y el lodo digerido es extraído para secado y disposición final. Lo ideal sería que el proceso fuera continuo y proveyera dispersión completa e inmediata de los compuestos en el digestor. , dando oportunidad de contacto óptimo entre el lodo y los microorganismos.
La digestión anaerobia de lodos también se practica en digestores convencionales de una sola etapa, siendo similar el proceso, pero efectuándose todo dentro de un solo tanque, como se indica en la figura 26.10.
El proceso de digestión anaerobia de tasa baja es el más antiguo, también conocido como convencional o de tasa estándar. En estos digestores, el lodo se dosifica intermitentemente al digestor, sin mezcla y sin calentamiento. En el digestor de tasa baja ocurrirá una estratificación de 4 zonas: capa de espuma, capa de sobrenadante, capa de sólidos en digestión activa y capa de sólidos digeridos e inertes. El sobrenadante y el lodo digerido se extraen periódicamente. Debido a la estratificación y a la carencia de mezcla, sólo un 50 % del volumen total del digestor es usado efectivamente, por ello el proceso de tasa baja se usa en especial en plantas pequeñas.
En los sistemas de dosificación continua el lodo se agrega generalmente una vez al día. Como las bacterias productoras de ácidos e hidrógeno crecen más rápido que las bacterias que utilizan ácido e hidrógeno, la dosificación intermitente o en cochada conduce a incrementos súbitos de producción de ácido e hidrógeno que pueden ocasionar disminuciones de pH si no existe suficiente alcalinidad; por ello se recomienda una dosificación continua.
En un digestor de tasa alta, todas las reacciones del proceso de conversión anaerobia de residuos orgánicos ocurren simultáneamente en el mismo tanque. En condiciones de estado permanente la operación debe estar equilibrada para que no exista acumulación de productos intermedios, lo que depende de muchos factores como la composición del lodo, la concentración, el pH, la temperatura y la mezcla; sin embargo, generalmente se supone que la tasa de reacción global del proceso está controlada por la tasa de conversión de ácidos volátiles en metano y CO2.
Las fallas de un digestor anaerobio ocurren cuando se desequilibra el mecanismo de reacción anaerobia y se acumulan ácidos volátiles. La concentración de ácidos volátiles, ácidos grasos con seis o menos átomos de carbono, de olor picante, solubles en agua y destilables como vapor a presión atmosférica, es un parámetro muy importante en el control de la operación del digestor. La relación ácidos volátiles / alcalinidad y el valor del pH permiten evaluar dificultades de operación. Las condiciones óptimas para fermentación del metano se resumen en la tabla 26.9.
Tabla 26.9.
Condiciones ambientales para fermentación del metano
Los criterios operacionales que definen los digestores de tasa baja y tasa alta se resumen en la tabla 26.10.
Tabla 26.10.
Criterios operacionales de digestores de lodos
Parámetro Tasa baja Tasa alta
Temperatura, ºC Tiempo de retención ,d Carga de sólidos, kg SV/m3d Dosificación Extracción Mezcla 30-35 30-60 0,5-1,6 Intermitente Intermitente No(Estratificado) 30-35 menor o igual a 15 1,6-8 Continua o intermitente Continua o intermitente Si (homogeneizado)
Variable Intervalo optimo Máximo
pH POR, mV
Ácidos volátiles como ácido acético, mg/L Alcalinidad, mg/L Relación AV/alcalinidad NH4,mg/L –N Na, mg/L K, mg/L Ca mg/L Mg, mg/L Producción de gas m3/g SV Destruidos
Producción de gas m3/kg DQOR % metano en el gas Temperatura 6,8-7,4 (-520)-(-530) 50-500 1500-2000 menos de 0,4 ---- ---- ---- ---- ---- 1,0-1,3 0,31-0,44 65-70 32-38 6,4-7,8 (-490)-(-550) mas de 2000 1000-3000 0,5 3000 3500-5500 2500-4500 2500-4500 1000-1500 ---- ---- ---- ----
El volumen de un digestor anaerobio debe ser suficiente para que exista un tiempo de residencia del lodo adecuado para obtener una destrucción significativa de sólidos volátiles. La edad de lodos, o tiempo de retención de lodos (θc) en el digestor, se define por la ecuación 26.12.
El tiempo de retención hidráulico(θ)del digestor se define por la ecuación 26.13.
En los digestores sin recirculación, θ y θc son iguales. En la figura 26.11. se ilustra la influencia de θc sobre la producción de metano y sobre la reducción de proteínas, carbohidratos, lípidos y sólidos volátiles.
La temperatura determina la tasa de digestión y establece el θc mínimo requerido para lograr una destrucción específica de sólidos volátiles. La mayor parte de los digestores anaerobios de lodos operan en el rango mesofílico de los 35ºC, aunque también se operan en el rango termofílico de los 55ºC. Sin embargo, es mas importante asegurar una temperatura lo más constante posible para prevenir variaciones de temperatura mayores de 1ºC/d que afectan seriamente a organismos tan sensibles como las bacterias metanogénicas. Al proceso de digestión de lodos termofílico se le han atribuido las siguientes ventajas: una tasa más alta de destrucción de materia orgánica, mejores características de secado del lodo digerido y mayor mortalidad de patógenos, y como desventajas : mayor consumo de energía, deterioro en la calidad del sobrenadante, menor estabilidad del proceso. En general, con valores prolongados de
c
θ , la eficiencia del proceso es esencialmente independiente de la temperatura, en el intervalo de los 20 a 35 ºC. Por otra parte, O´Rourke ha demostrado que a 15ºC, la fracción lípida (ácidos grasos) no se descompone, aun a valores de θc= 60 d.
El pH óptimo de las bacterias del metano oscila entre 6,8 y 7,2 ; la formación de ácidos tiende a bajar el pH, pero la fermentación de metano produce alcalinidad, en la forma de amoníaco que actúa como buffer de la acidez. Según mccarthy, para lodos primarios la digestión con edad de lodos de quince días a una temperatura de 35 ºC se puede representar por la relación 26.14. d removidos/ sólidos de kg digestor e l e n sólidos de kg = c θ (26.12) removido o aplicado lodo de caudal útil volumen = θ (26.13.) − ++ + + + = + 2 4 2 5 7 2 4 3 3 19 10H O N 4 69H O 574CH 2 45CO 02C H NO 08NH 08HCO C , , , , , , (26.14)
Figura 26.11 Efectos de la edad de los lodos sobre la descomposición de residuos y sobre la producción de metano en lodo primario a 35 ºC
La concentración de algunos materiales inorgánicos puede ser inhibitoria de la actividad metanogénica, como se indica en la tabla 26.11.
Tabla 26.11
Materiales inorgánicos inhibitorios de la digestión anaerobia
Diseño
El parámetro de diseño ha sidoθc , con valores típicos entre 30 y 60 días para digestores de tasa baja y de 10 a 20 días para digestores de tasa alta. En digestores de tasa baja para lodos crudos, θc puede ser hasta de 90d. Las cargas de sólidos volátiles de diseño oscilan entre 0,5 y 1,6 kg SV/m3d en digestores de tasa baja y entre 1,6 y 4,8 kg SV/m3d en digestores de tasa alta,
aunque con un límite superior de 0,4 kg SV/m3
d para prevenir problemas de mezcla y de acumulación de sustancias tóxicas como el amoníaco.
Sin embargo, una carga de sólidos baja no es deseable porque limita la producción de gas y hace costosa la operación del digestor si el gas no alcanza a producir la energía para mantener constante la temperatura del digestor.
Producción de gas
La producción de gas oscila entre 0,75 y 1,1 m3 por kilogramo de SV destruido, medida a
20ºC y 1 atm. El gas del digestor contiene 55 a 75 % de metano, 25 a 45 % de CO2, 0,01 a 1% de
H2S, 2 a 6 % de nitrógeno y 0,1 a 2% de hidrógeno. El metano y el hidrógeno determinan el
poder calorífico del gas, el CO2 representa el carbono estabilizado y el H2S determina la
corrosividad y el olor potencial del gas. El poder calorífico del gas es de 22400 hJ/m3 para una
concentración de metano del 60%. El metano es explosivo en concentraciones del 5 al 20% del volumen en aire. La producción de gas en plantas de tratamiento primario de aguas residuales domésticas es del orden de 15 a 22 L/c.d y de 28 L/c.d en plantas de tratamiento secundario.
Materia Concentración moderadamente Inhibitoria ,mg/L Concentración fuertemente inhibitoria ,mg/L Na+ K+ Ca+ Mg N amoniacal Sulfuros CU Cr 6+ Cr 3+ Ni Zn 3500-5500 2500-4500 2500-4500 1000-1500 1500-3000 200 -- -- -- -- -- 8000 12000 8000 3000 3000 200 0,5 soluble -70 total 3,0 soluble -250 total 420 total 2,0 soluble -30total 1,0 soluble