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UNIVERSIDAD DE ALMERÍA
Escuela Politécnica Superior y Facultad de Ciencias
Experimentales
Departamento de Ingeniería
Área de Ingeniería Química
Diseño de un reactor biológico de
fangos activos
Trabajo Fin de Grado Ciencias Ambientales
Julio 2014
Alumna: Nuria Jiménez Torres
Director: Pedro A. González Moreno
- 1 -
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ÍNDICE
1. Objetivos (p.3)
2. Antecedentes bibliográficos (p.4)
3. Resultados y discusión (p.20)
4. Conclusiones (p.35)
5. Bibliografía (p.37)
- 3 -
1. OBJETIVOS
Con la redacción de este trabajo se pretende:
 Conocer el diseño y funcionamiento de una Estación Depuradora de Aguas
Residuales (EDAR).
 Conocer el diagrama de flujo de las líneas de aguas y lodos.
 Conocer el diseño de un reactor biológico y aplicarlo a un nivel básico.
 Calcular el volumen y los tiempos de retención hidráulico y celular.
 Comparar los datos reales de funcionamiento del sistema de fangos activos
de la EDAR El Bobar con los datos calculados.
- 4 -
2. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS
 ¿Qué es una EDAR?
Una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), es una instalación en la que
las aguas que proceden de las redes de alcantarillado de los núcleos de población,
se someten a un tratamiento cuya finalidad es reducir sus niveles de
contaminación hasta alcanzar unos límites aceptables y legales previamente
establecidos.
Por regla general, tras este tratamiento, el agua tratada se devuelve al medio, por
ejemplo como ocurre con las aguas depuradas de la EDAR El Bobar.
Una EDAR la podemos entender como un lugar al que llega una materia prima; que
serían por ejemplo, las aguas residuales domésticas procedentes del sistema de
pluviales, y del que sale un producto, que sería el agua tratada, y otros
subproductos como fangos y gases.
A grandes rasgos, en estas estaciones depuradoras el tratamiento consiste en
separar los diferentes productos y sustancias contaminantes que lleva el agua, ya
sea en suspensión o en disolución.
Al depurar las aguas residuales, se persiguen una serie de objetivos:
- Proteger el Medio Ambiente gracias a la reducción de la contaminación de las
aguas tratadas.
- Ahorrar energía con un sistema adecuado de depuración.
- Aprovechar los subproductos que se obtienen tras el tratamiento de las aguas
contaminadas.
Imagen 1: Vista aérea EDAR El Bobar, (Almería).
- 5 -
 Caracterización de las aguas residuales
Las aguas residuales, especialmente las de origen urbano, están constituidas por
una mezcla muy compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos y por una
elevada cantidad de microorganismos. Debido a esta elevada complejidad en
cuanto a su composición, no resulta práctico caracterizarlas con un análisis
químico y biológico exhaustivo, por lo que se recurre a la utilización de unos
parámetros empíricos que permiten cuantificar la carga contaminante del agua
residual.
Estos parámetros se agrupan en dos grupos:
 DBO5 (Demanda Bioquímica de Oxígeno)
Cuantifica el oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de
oxidación bioquímica de los sustratos orgánicos durante cinco días. Proporciona
información sobre la materia orgánica biodegradable que contiene el agua
residual.
 DQO (Demanda Química de Oxígeno, mg/L)
Proporciona información sobre la materia total (orgánica e inorgánica) que puede
oxidarse en unas determinadas condiciones.
 Sólidos totales (ST)
Es la masa del residuo que queda tras un proceso de evaporación y secado a 104ºC.
Una parte de estos sólidos está disuelta (sólidos disueltos totales, SDT) mientras
que otra se encuentra en suspensión.
 Sólidos en suspensión totales (SST)
Incluye la materia sedimentable así como los sólidos que debido a su pequeño
tamaño o a la existencia de fuerzas electrostáticas no sedimentan. Se determinan
mediante filtración del agua.
Se cumple que: ST= SDT + SST
Parámetros para la determinación de materia orgánica o biológica de un agua
DO1: oxígeno disuelto al principio del ensayo
DO2: oxígeno disuelto después de 5 días de incubación a 20ºC
Parámetros para la determinación de los sólidos contenidos en el agua residual
- 6 -
 Sólidos en suspensión volátiles (SSV)
No todos los sólidos en suspensión son biodegradables, ya que una parte puede
corresponder a sustancias inorgánicas. Los sólidos en suspensión biodegradables
son los SSV, ya que se determinan mediante un proceso de calcinación a 500- 550
ºC. El término SSV se suele usar para determinar el contenido en biomasa de un
determinado agua.
 Etapas de tratamiento en una EDAR
El tratamiento de aguas residuales consiste en una serie de procesos físicos,
químicos y biológicos que tienen el fin de eliminar los contaminantes presentes en
el agua. El objetivo es poder producir agua limpia o reutilizable en el ambiente y un
residuo sólido (fango).
Como ya se ha mencionado, las aguas residuales urbanas se caracterizan porque su
principal contaminante es materia orgánica biodegradable y en su tratamiento se
pueden distinguir cuatro fases, aunque en el caso de la EDAR El Bobar, no se
realiza el tratamiento terciario.
A continuación se muestran de manera esquemática todas las etapas de
tratamiento que se pueden dar en una EDAR, (figura 1):
Figura 1: Etapas de tratamiento de una EDAR
Fase 3: Tratamiento terciario
Es un tratamiento específico de acuerdo al uso
posterior del agua.
Tipo de proceso: Físico/Químico/Biológico
Fase 2: Tratamiento secundario
Consiste en la eliminación de materia orgánica
biodegradable
Tipo de proceso: Biológico
Fase 1: Tratamiento primario
Consiste en la eliminación de materia en
suspensión
Tipo de proceso: Físico
Fase 0: Pretratamiento
Consiste en la eliminación de sólidos de gran
tamaño
Tipo de proceso: Físico-químico
- 7 -
En la imagen 2, se reflejan los tratamientos mencionados en la figura 1:
Imagen 2: Esquema de una EDAR
 Clasificación de los tipos de procesos biológicos que se aplican a la
depuración de aguas
Los tratamientos biológicos podemos clasificarlos atendiendo a dos criterios:
según el tipo de proceso y según el tipo de metabolismo que utilizan los
microorganismos para degradar la materia orgánica.
Según el tipo de proceso:
 Procesos de cultivo en suspensión
En este tipo de proceso, los microorganismos que degradarán la materia orgánica,
se mantienen en suspensión dentro del líquido. Según el tipo de instalación usada,
los más utilizados en estaciones depuradoras son:
-Lagunas aireadas y lagunas de estabilización.
-Proceso de fangos activos.
-Digestor anaerobio.
Las lagunas aireadas y las facultativas son instalaciones de bajo coste y de
ingeniería sencilla, pero mucho menos eficaces que el proceso de fangos activos y
la digestión anaerobia de los lodos.
- 8 -
Imagen 3: Ejemplo de lagunas facultativas en Ginebra,(Colombia). La flecha azul indica pequeñas
lagunas con algunas mejoras que están en fase de prueba. La flecha roja indica la laguna facultativa a
tamaño real.
Imagen 4: Ejemplo de digestor anaerobio.
- 9 -
 Procesos de cultivo fijo
En estos procesos, los microorganismos están fijados a un medio inerte, como por
ejemplo, plásticos diseñados especialmente para cumplir con esta función.
Es el caso por ejemplo de la depuración mediante biodiscos: Es un sistema
formado por un árbol en el cual se insertan discos de propileno. Este árbol gira
muy lentamente, haciendo que los discos se vayan sumergiendo parcialmente en
una cuba por donde circula el agua residual que se quiere depurar.
El contacto entre el agua residual y los discos, favorece que se forme flora
bacteriana sobre ellos, y esta, al ir sumergiéndose alternativamente en el agua, va
recogiendo la materia orgánica que necesita para su desarrollo y nutrición, para
luego ponerse en contacto con el aire.
Una vez que la capa de flora bacteriana agota su ciclo vital, se separa de manera
autónoma de la superficie de los discos en forma de flóculos que son fácilmente
sedimentables.
Imagen 5: Ejemplo de cultivo fijo: biodiscos. Vista exterior e interior
Según el tipo de metabolismo de los microorganismos:
 Procesos aerobios
Son procesos que se dan en presencia de oxígeno (entre 1,5-2,0 mg O2/L), ya que
los microorganismos que actúan en la conversión lo necesitan para su
metabolismo. El más común en la depuración de aguas residuales es el proceso de
fangos activos.
 Procesos anaerobios
Son procesos que se dan en ausencia de oxígeno (con valores muy por debajo de
0,1 mg O2/L). Este tipo de microorganismos no necesitan oxígeno para su
metabolismo. Un ejemplo de este tipo de procesos es la digestión anaerobia de
fangos.
- 10 -
 Procesos anóxicos
En este proceso, los microorganismos que actúan en la conversión de la materia
orgánica metabolizan el nitrógeno de los nitratos en nitrógeno gas, en ausencia de
oxígeno. Las principales vías bioquímicas que emplean estos microorganismos no
son anaerobias, sino modificaciones de las vías aerobias.
Existen algunos microorganismos denominados facultativos, que pueden actuar en
presencia y en ausencia de oxígeno.
Todos los procesos biológicos que se utilizan en la depuración de aguas residuales,
tienen su origen en fenómenos y procesos que se dan en la naturaleza. La
diferencia es, que en una estación depuradora, los procesos se aceleran mediante
sistemas denominados reactores biológicos o biorreactores.
 Línea de aguas y fangos en las EDAR
Dentro del esquema general básico de funcionamiento de una EDAR, se distinguen
dos líneas: línea de aguas y línea de fangos.
 Línea de aguas
En esta parte, el agua residual se somete a una serie de procesos físicos y
biológicos para eliminar la carga contaminante que contiene.
En esta línea de tratamiento, hay dos factores que deben de tenerse en cuenta:
-La carga contaminante del agua a tratar. Pues según su composición y cantidad,
los tratamientos aplicables serán unos u otros.
-La cantidad de contaminación que se desea o debe de eliminarse.
Se pueden distinguir las siguientes fases en la línea de aguas:
Pretratamiento
Comprende el conjunto de elementos (estáticos o dinámicos) mediante los cuales
se elimina toda la materia (flotante, arenas, gravas..), que debido a su naturaleza o
tamaño pueden originar problemas en los tratamientos posteriores. Los procesos
pertenecientes a esta fase son: desbaste, tamizado, desarenado y desengrasado.
- 11 -
Imagen 6: Esquema de la fase de pretratamiento de una EDAR. (Línea de aguas).
Tratamiento primario
Tiene como objetivo la separación por medios físicos de las partículas en
suspensión que no hayan podido ser retenidas en la fase de pretratamiento. Esta
fase es muy poco efectiva en cuanto a eliminación de materia orgánica se refiere.
Los procesos pertenecientes a esta fase son: sedimentación primaria, flotación,
coagulación-floculación1*, neutralización y homogeneización.
Imagen 7: Ilustración del proceso de coagulación-floculación
1
* La coagulación-floculación consiste en añadir sustancias como el hidróxido de
hierro, que induzcan la floculación de forma que se favorezca la sedimentación de
partículas sólidas, macromoléculas y coloides presentes en el agua.
- 12 -
Imagen 8: Ejemplo de sedimentador en la EDAR El Bobar, Almería
Tratamiento secundario
La función de esta fase es la eliminación o reducción de la contaminación orgánica
presente en el agua por acción de microorganismos que la transforman en sólidos
sedimentables que puedan separarse fácilmente.
Imagen 9: Reactor biológico en EDAR EL Bobar, Almería.
- 13 -
Tratamiento terciario
En esta fase tienen lugar una serie de tratamientos complementarios que permiten
obtener mejores rendimientos en la eliminación de materia en suspensión, así
como reducir otros contaminantes como nutrientes y metales que no se eliminan
con los tratamientos biológicos convencionales. Entre los tratamientos avanzados
podemos destacar: eliminación de nutrientes (N y P), eliminación de compuestos
nitrogenados…etc.
Imagen 10 : Esquema del tratamiento terciario de una EDAR
 Línea de fangos
Al tratar de eliminar la contaminación del agua, se generan una serie de
subproductos llamados fangos, en los cuales se concentra toda esa contaminación
eliminada del agua y cuyo tratamiento y eliminación puede ser complicado.
Los dos principales focos de producción de fangos son el tratamiento primario y el
tratamiento secundario. Estos fangos producidos presentan las siguientes
características:
- 14 -
Figura 2: Principales características de los fangos de una EDAR
En el tratamiento de estos fangos deben darse tres fases que vayan dirigidas a
reducir lo máximo estos problemas mencionados:
Espesamiento
Con este proceso se busca la reducción del agua presente en los fangos para evitar
el manejo de grandes volúmenes. Gracias a esto, además de reducir el volumen de
los tanques que contendrán los fangos posteriormente, también se reduce la
cantidad de calor que se necesita para procesos como la digestión anaerobia, con lo
cual se ahorra dinero y energía.
Imagen 11: Ejemplo de espesador de fangos
• Por ello, ocupan un volumen importante.
Poseen una gran cantidad de agua, entorno al 95-99%.
• Esto genera malos olores, ya que entran en descomposición
rápidamente.
Poseen gran cantidad de materia orgánica.
• Esto implica que pueden ser causantes de numerosas enfermedades.
Contienen una gran cantidad de organismos patógenos.
- 15 -
Digestión de la materia orgánica
Este proceso sirve para evitar problemas de fermentación y putrefacción de la
materia orgánica. Los procesos de estabilización o digestión de fangos más
comunes son: digestión aerobia, digestión anaerobia, estabilización por cal y
compostaje.
Imagen 12: Ejemplo de digestor de fangos en la EDAR El Bobar, Almería
Deshidratación
Consiste en la eliminación de la mayor cantidad de agua posible, mediante un
medio físico, de manera que estos fangos resulten manejables y transportables.
Imagen 13: Ejemplo de un tipo de deshidratador de fangos
- 16 -
Estos fangos se generan de forma continua y su eliminación supone un problema
de gran importancia ya que no debe hacerse de forma incontrolada. No se puede
concebir la idea de retirar la contaminación de un medio como el agua, para luego
trasladarla a otro medio como el suelo o el aire.
Existen diversas alternativas. Descargar los fangos en un vertedero, tiene un
objetivo explícito de simple eliminación de este subproducto, mientras que si se
usan con fines agrícolas se persigue un fin de recuperación. Otras alternativas
como la incineración, pueden entenderse en ambos sentidos, según se diseñe con
intención de recuperación energética o no.
A continuación se exponen ambas líneas (fango y agua) en conjunto en su
funcionamiento en una EDAR típica (Imagen 14) y el diagrama de flujo de la EDAR
el Bobar (imagen 15):
Imagen 14: Líneas de fango y agua de una EDAR convencional
- 17 -
Imagen 15: Diagrama de flujo de las líneas de agua y fangos EDAR El Bobar, (Almería).
 Proceso de fangos activos
La depuración biológica por fangos activos es un tipo de proceso biológico
empleado en el tratamiento de aguas residuales convencionales que consiste en el
desarrollo de un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos en un biorreactor
o reactor biológico aireado y agitado, que es alimentado con el agua residual. La
aireación implica que es un proceso aerobio (suministra oxígeno necesario a los
microorganismos). Además la aireación favorece una buena mezcla en el
biorreactor (lo que puede permitir considerarlo como un reactor de mezcla
perfecta), evita sedimentos y homogeniza la mezcla de los flóculos bacterianos con
el agua residual.
Las bacterias son capaces de metabolizar como nutrientes los contaminantes
orgánicos presentes en el agua. Los procesos que aquí se producen son
exactamente los mismos que en los ríos o lagos naturales, pero en los tanques de
aireación, los organismos se agrupan en un espacio reducido y en gran número.
Al cabo de un tiempo determinado (denominado tiempo de residencia), la mezcla
de reacción se conduce hasta un tanque de sedimentación para la separación del
agua residual tratada y la biomasa generada. Una parte de las células sedimentadas
se recirculan para mantener en el biorreactor la concentración de células deseada,
- 18 -
mientras que otra parte puede purgarse del sistema. De este modo, el biorreactor
puede funcionar en estado estacionario. Sin la corriente de purga, la biomasa se
iría acumulando indefinidamente en el sistema (sistema no estacionario), ya que la
biomasa en la corriente de salida sería inferior a la que se genera en el biorreactor.
El correcto diseño del biorreactor, requiere no sólo asumir que tipo de mezcla
ocurre dentro de este, sino también conocer la cinética de crecimiento microbiano
tipo Monod y que prácticamente todo el consumo de substrato (materia orgánica),
se invierte en formar biomasa son aproximaciones aceptables. Como existen
multitud de microorganismos y susbtratos diferentes, el modelo cinético presenta
valores promedio.
En la siguiente imagen se muestra el principio básico de funcionamiento de un
sistema de fangos activos:
Imagen 16: Funcionamiento de un sistema de fangos activos. (1: aire, 2: agua residual, 3: lodo de retorno,
4: lodo en exceso, 5: agua depurada, 6: decantador secundario, 7: tanque de aireación).
 Cinética del crecimiento microbiano
Para tener un control efectivo del tratamiento biológico que se realiza al agua
residual en el biorreactor, es necesario conocer cómo crecen los microorganismos
que realizan la depuración, que principalmente son bacterias.
El modelo de crecimiento más utilizado, basado en la evolución del número de
células, tiene cuatro etapas. Para obtener este modelo se usan biorreactores con
funcionamiento discontinuo, donde se analiza la concentración de células a
distintos tiempos. En el modelo pueden distinguirse cuatro etapas:
- 19 -
-Etapa lag: Tiempo necesario para que las células se adapten al medio.
-Etapa de crecimiento exponencial: Las células se reproducen a la máxima
velocidad que les permiten sus propias características y el medio donde crecen. El
crecimiento celular es proporcional a la concentración de células.
-Etapa estacionaria: La población celular permanece estacionaria. El crecimiento
está limitado por la disponibilidad de los nutrientes. La generación de células
nuevas se compensa con la muerte de células viejas
-Etapa de muerte: Cuando los nutrientes en el medio se agotan, la tasa de
mortalidad excede a la de generación de células nuevas.
El crecimiento celular está relacionado con el consumo de sustrato, mostrándose a
continuación esta cinética en un reactor discontinuo (gráfica 1):
Gráfica 1: Cinética de crecimiento celular. La X representa la concentración de biomasa y la S, la
concentración de materia orgánica.
En esta gráfica (1), podemos observar como a medida que la materia orgánica (S),
va disminuyendo, la concentración de biomasa (X), va aumentando. Esto es debido
a que esta biomasa usa como fuente de “alimento” la materia orgánica disponible
en el medio para crecer y reproducirse. En un momento determinado, (etapa
estacionaria), la concentración de biomasa no aumenta de la misma manera que al
inicio, debido a la limitación de nutrientes que supone que cada vez haya menos
concentración de materia orgánica. Finalmente, cuando los nutrientes del medio se
agotan, la biomasa comienza a sufrir un descenso acusado de su concentración.
La velocidad de crecimiento celular rx (etapa de crecimiento exponencial), es
proporcional a la propia concentración de biomasa X. Se ha demostrado que la
- 20 -
constante de proporcionalidad μ depende de la concentración de sustrato y se
puede expresar aceptablemente para una gran variedad de microorganismos
mediante la ecuación de Monod, resultando el siguiente modelo para la velocidad
de crecimiento celular, (ecuación 1):
(rx)( ) = μ · X = · S
Ecuación 1
Donde μ recibe el nombre de velocidad específica de formación de biomasa (g de
biomasa formada/ g biomasa seca·h, o simplemente h-1), (ecuación 2):
μ=
Ecuación 2
µm
Máxima velocidad específica de
crecimiento (g. sustrato/g.biomasa·h, ó
simplemente h-1
Ks
Constante de Monod o de semisaturación
(g/L)
X
Concentración de biomasa (masa/volumen,
g/L)
S
Concentración de nutrientes o sustrato
limitante, en este caso, materia orgánica
degradada por los microorganismos
(masa/volumen, g/L)
Tabla 1: Nomenclatura utilizada en las ecuaciones 1 y 2
μm y K son constantes cinéticas que han de determinarse experimentalmente para
cada microorganismo o conjunto de ellos en unas determinadas condiciones.
- 21 -
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
A la hora de diseñar cualquier instalación para el tratamiento de aguas residuales,
se debe de tener en cuenta las características del efluente, los resultados que
queremos obtener y las diferentes opciones disponibles en cuanto a instalaciones.
Existen tratamientos biológicos aerobios y anaerobios. Los procesos aerobios son
los que más convienen a la hora de convertir la materia orgánica presente en el
agua residual, mientras que los anaerobios resultan más interesantes para la
conversión de la materia orgánica presente en los lodos que se producen tras
tratar el agua residual.
De los procesos aerobios disponibles, el de fangos activos es el más empleado. No
existe un sólo tipo de de proceso de fangos activos, ya que existen numerosas
variaciones en función de las diferentes calidades de aguas, o para obtener agua
con ciertos parámetros de calidad.
En cualquier caso, el tratamiento de aguas residuales mediante fangos activados
desde el punto de vista de su funcionamiento, se lleva a cabo mediante el siguiente
diagrama de flujo, (figura 4):
Figura 3: Diagrama de flujo de un sistema de fangos activados
- 22 -
Descripción del diseño del proceso
El objetivo de este apartado es discutir los principios de diseño de un reactor
biológico de fangos activados con recirculación.
En la siguiente imagen se muestra el diagrama de flujo del proceso con las
variables a tener en cuenta, (figura 5).
Figura 4: Diagrama de flujo con sus respectivas variables
En las siguientes tablas se especifica la notación empleada, (tablas 2, 3 y 4):
Caudales (m3)
Símbolo Definición
Q0 Caudal de entrada
QR Caudal de recirculación
QS Caudal de salida
QW Caudal de purga
Tabla 2: Notación empleada referente a los caudales
Materia Orgánica (mg DBO/L)
Símbolo Definición
S0 Concentración de M.O. a la entrada
SR Concentración de M.O. en recirculación
SS Concentración de M.O. a la salida
SW Concentración de M.O. en la purga
S Concentración de M.O. en el reactor
Tabla 3: Notación empleada referente a la materia orgánica
- 23 -
Biomasa (mg SSV/L)
Símbolo Definición
XR
Concentración de biomasa en
recirculación
XS Concentración de biomasa a la salida
XW Concentración de biomasa en la purga
X Concentración de biomasa en el reactor
Tabla 4: Notación empleada referente a la biomasa
El caudal de entrada (Q0), es decir, el agua residual a tratar, entra en el sistema con
un valor determinado de concentración materia orgánica representado por S0.
El objetivo de todo el proceso es reducir ese valor de concentración de materia
orgánica mediante oxidación por degradación biológica aerobia hasta unos límites
aceptables y que cumplan con la legislación.
La alimentación inicial se mezcla con fango procedente de la recirculación y entra
en el reactor biológico.
Partimos de una serie de aproximaciones referentes a este reactor biológico, ya
que aplicamos el modelo de reactor continuo mezcla perfecta al proceso de fangos
activos:
 Suponemos que el reactor o tanque de aireación es un Reactor Continuo
Mezcla Perfecta (RCMP).
 Suponemos que el sedimentador separa completamente toda la biomasa.
Luego Xs≅0, porque toda la biomasa son sólidos en suspensión que
sedimentan. El agua residual contiene bacterias pero estas no causan una
degradación neta de la materia, por lo que suponemos que la concentración
de bacterias en el agua residual a tratar es despreciable, X0=0.
 Se asume que sólo las células son las partículas que sedimentan y que
además lo hacen en el sedimentador secundario y no en el reactor. Además,
se supone que la materia orgánica (el sustrato), es soluble y por tanto sólo
son considerados como sólidos las células. Esta hipótesis se basa en que los
tiempos de retención en el sistema son suficientemente grandes como para
lograr que los compuestos orgánicos inicialmente presentes en el agua se
hidrolicen a sustancias más pequeñas y solubles. El considerar al sustrato
como soluble, implica que la concentración de la materia orgánica en el
efluente que abandona el sistema Ss es igual a la de la corriente de salida del
reactor S, y a su vez igual a la concentración de sustrato en los lodos que se
forman en el sedimentador Sw. El sedimentador separa la fase sólida
(biomasa), de la líquida, pero la concentración de sólidos en las corrientes
(que si cambian), no afecta a la concentración de sustrato en la fase líquida.
Por tanto: S≈SS≈SW
- 24 -
 Suponemos que la transformación de la materia orgánica en biomasa, se
produce únicamente en el reactor y que toda la biomasa se encuentra en el
reactor y no sale de ahí.
Como ya hemos mencionado, la corriente de purga QR, se combina con el caudal
inicial Qo, para formar una alimentación combinada Qo + QR.
De este modo podemos definir la relación de recirculación según la ecuación 3:
Ecuación 3
Ahora, podemos realizar un balance de materia a la biomasa en el sedimentador en
estado estacionario(figura 6):
Figura 5: Balance de materia a la biomasa en el sedimentador
Acumulación= Entrada – Salida + Crecimiento Neto
0
0=(Q0+QR)· X- QS·XS-QW·Xw-QR·XR
Ecuación 4
- 25 -
Y también podemos realizar un balance de materia a la biomasa del sistema
completo,(figura 7):
Figura 6: Balance de materia a la biomasa en el sistema
Acumulación= Entrada – Salida + Generación Neta
Ecuación 5
Algunos términos de la ecuación 5 se anulan al valer 0 debido a que la
concentración de células (biomasa), en el afluente de alimentación es nula (X0=0),
que la cinética sigue el modelo de Monod y que prevalecen condiciones
estacionarias (acumulación=0).
De aquí podemos deducir la fórmula para calcular la corriente de lodos L, que se
define según la ecuación 6:
[QS·XS+Qw·Xw]
Ecuación 6
Pero como suponemos que la concentración de biomasa al salir Xs=0, la corriente
de lodos nos queda como (ecuación 7):
L= Qw·Xw
Ecuación 7
Vr· == Q0· X0 - QS·XS-Qw·Xw + Vr·(rx-rd)
0 0 0
0
- 26 -
Para el sistema de la figura 5, podemos calcular el tiempo medio de retención
hidráulica, que es el tiempo medio teórico que permanecen las partículas de
líquido en un proceso de tratamiento, ya sea para todo el sistema ó sólo para el
reactor, según las ecuaciones 8 y 9:
Ecuación 8
Ecuación 9
Gracias a la ecuación del tiempo medio de retención hidráulico(ecuación 9),
podemos calcular el tiempo medio de retención celular, . Este representa la
masa de células o biomasa presente en el sistema, es decir en el reactor biológico,
ya que como hemos mencionado antes, consideramos que la biomasa sólo se
encuentra en el biorreactor, respecto de la velocidad con la que la biomasa se
elimina del sistema. Mientras que el tiempo de retención hidráulica es
simplemente el tiempo de residencia en el sistema, el tiempo de retención celular
indica la edad de los lodos formados (ecuación 10):
Ecuación 10
Obtenido el valor del tiempo medio de retención celular (ecuación 10), gracias al
balance de materia de la biomasa en el sedimentador; podemos usarlo para la
ecuación que nos permite conseguir el valor de la materia orgánica, (S),(ecuación
11), procedente del balance de materia de la biomasa al sistema (ecuación 5):
Ecuación 11
Como se puede observar, el valor de la materia orgánica está en función a una serie
de parámetros cinéticos biológicos (Ks, Kd, μm) y el tiempo medio de retención
celular, . Esta última, es una variable de diseño del reactor y todos esos
parámetros serán calculados más adelante.
- 27 -
La ecuación que nos permite obtener un valor de S (ecuación 11), es la misma que
si se tratara de un reactor continuo mezcla perfecta, pero sin recirculación. Lo
único que cambia es que se sustituye el valor del tiempo de residencia hidráulico
por el tiempo de retención celular, lo cual es importante, ya que esto nos permite
diseñar un sistema que tenga un alto valor de tiempo medio de retención celular,
de forma que la concentración del sustrato S a la salida del sistema sea pequeña
independientemente del volumen del tanque, lo que permite hacer más viable el
proceso al emplearse tanques más pequeños y por consiguiente, baratos.
También podemos hacer un balance de materia al sustrato (materia orgánica) del
sistema,(figura 8):
Figura 7: Balance de materia orgánica del sistema completo
Acumulación= Entrada – Salida + Consumo
Ecuación 13
Y mediante la ecuación 13 y las ecuaciones cinéticas siguientes (14 y 15):
rx=
Ecuación 14
rd= kd · X
Ecuación 15
0 = Q0· S0 – (Q0-Qw)·S-Qw·S+Vr·(-rs)
-Q0S
0
- 28 -
Puede obtenerse a partir del balance de materia de la figura 8 la fórmula que nos
permite obtener el valor de biomasa (X),(ecuación 16):
⌊ ⌋
Ecuación 16
Y como podemos ver, X es función de una serie de parámetros cinéticos biológicos
(KS, kd, μm), más S0 y τx.
Para que la biomasa sedimente correctamente, se recomienda que [F/M]= <0.6
Teniendo en cuenta esto, y sabiendo que las variables de diseño son el tiempo de
retención celular τx (ecuación 10), y la concentración de biomasa en el
reactor(ecuación 16), X; y asumiendo que los valores de X suelen estar
comprendidos entre 1500 y 4000 mg SS/L y que τx puede calcularse a partir del
tiempo de retención hidráulico τw, (ecuación 17), en base a factores de seguridad
(FS) pre-establecidos, cuyo valor en plantas convencionales oscila entre 10 y 80.
τW≈
-
 τx= FS · τw
Ecuación 17
Con las variables de diseño identificadas, y sabiendo que hay una serie de
magnitudes conocidas que son las siguientes:
 Caudal y características del agua residual: Q0, S0, X0
 Concentraciones máximas en el agua depurada: Smax y XS
 Concentración X en los lodos: XW
 Parámetros cinéticos (incluido Y)
Obtenemos que hay un total de 7 variables a calcular: QS, Qw, QR, Q1, Q2, S, y V
Como hay un total de 5 balances de materia independientes y 2 relaciones
conocidas, se conocen los valores de τx e Y, hay un total de 7 ecuaciones, lo que nos
indica que el sistema puede determinarse por completo.
Para poder calcular estas 7 variables, es necesario seguir una secuencia de cálculos
partiendo de una serie de datos de los que debemos de disponer. Algunos de estos
- 29 -
datos vienen ya establecidos gracias a diferentes ensayos de laboratorio, mientras
que otros dependen del tipo y cantidad de agua residual que estemos tratando,
como el caudal de entrada al biorreactor. Estos últimos son datos reales de la
EDAR El Bobar. Los datos necesarios son los siguientes (tabla 5):
• Ks (mg DBO5/L) 140
• Kd (día -1) 0,18
• µm (día -1) 1,8
• Y (mg SSV/ mg DBO5 consumida) 0,4
• Xr (mg SSV/L) 8000
• Q0 (m3) 32193
• S0 (mg DBO5/L) 412
• Ss (mg DBO5/L) 19
Tabla 5: Datos reales para el cálculo de las variables
Una vez obtenidos todos los datos anteriores, podemos comenzar a seguir la
secuencia de cálculos para obtener las 7 variables necesarias.
Primero se calculan los dos parámetros de diseño utilizados: τx y X. Para calcular el
τw, que nos permitirá obtener valores del tiempo de retención celular τx se utiliza
la ecuación 18:
( )
Ecuación 18
Sustituyendo los valores de los que disponemos en la ecuación 18:
( ) = 0,86 días
Elegimos un valor para el factor de seguridad (FS), que puede oscilar entre 10 y
80. Con él podemos calcular el tiempo de retención celular, τx. (Ecuación 19):
- 30 -
Ecuación 19
Después pasamos a calcular la concentración de materia orgánica (S), medida en
mg DBO5/L según la ecuación 20:
Ecuación 20
Luego comprobamos si esos valores son menores que los que exige la legislación
para poder seguir con los cálculos. Scal<Smax Si no lo fuera, habría que modificar los
valores del factor de seguridad. En España, el valor de Smax está fijado en 25 mg
DBO5/L.
Con el valor de (ecuación 19), y el valor de Scal (ecuación 20), podemos
comprobar qué valor de permite obtener una Ss=19 mg DBO5/L, que es la
presente en el agua de la depuradora El Bobar. (Ver tabla 6).
FS Scal
10,0 8,59 27,6
14,0 12,03 24,0
18,0 15,47 22,0
22,0 18,91 20,8
26,0 22,35 20,0
30,0 25,78 19,4
34,0 29,22 18,9
38,0 32,66 18,6
42,0 36,10 18,3
46,0 39,54 18,0
50,0 42,97 17,8
54,0 46,41 17,7
58,0 49,85 17,5
62,0 53,29 17,4
66,0 56,73 17,3
70,0 60,16 17,2
74,0 63,60 17,1
78,0 67,04 17,0
82,0 70,48 16,9
86,0 73,92 16,9
Tabla 6: Primeros valores obtenidos según la secuencia de cálculo establecida
- 31 -
Como se observa en la tabla 6, el FS elegido para que el valor de Ss coincida con el
de la depuradora de El Bobar a fin de poder obtener las correspondientes
conclusiones posteriormente, es 34. También obtenemos el valor de la otra
variable de diseño, días, ya que es una función del FS elegido.
El siguiente parámetro de diseño a definir es X. En este caso hemos seleccionado
un valor de 3500 mg SSV/L, por ser con el que opera el sistema de fangos de la
EDAR El Bobar. Este valor debe estar entre 1500 y 4000 mg SSV/L.
A continuación comenzamos el cálculo de las demás variables desconocidas en la
instalación, teniendo siempre en cuenta que días y Ss=19 mg DBO5/L.
Comenzamos calculando el valor del tiempo de retención hidráulica (τHr), medida
en días, según la ecuación 21:
* +
Ecuación 21
Sustituyendo por sus respectivos valores en la ecuación 21:
* + 0,21 días= 5 horas
Una vez hecho esto, podemos calcular el volumen necesario (V), medido en m3
según la ecuación 22:
Ecuación 22
Sustituyendo en la ecuación 22:
m3
Luego calculamos el valor de [F/M], también llamada carga másica, cuyo valor se
recomienda que sea menor que 0,6, según la ecuación 23:
* +
- 32 -
Ecuación 23
Si sustituimos en la ecuación 23 por sus valores correspondientes:
* + = 0,56 mg DBO5/mg SSV·d
Ahora podemos calcular el valor de Qw medido en m3/día según la ecuación 24:
Ecuación 24
Sustituyendo nos queda:
= 101 m3/día
Después se puede calcular el valor del caudal de oxígeno necesario Qo2 en kg/día
según la ecuación 25:
Ecuación 25
Sustituyendo en la ecuación 25:
= 11506 kg/día
Ahora calculamos la relación de recirculación (R), según la ecuación 26:
Ecuación 26
- 33 -
Sustituyendo en la ecuación 26:
= 0,77
Gracias a la ecuación 26, podemos calcular el valor del caudal de recirculación (Qr)
en m3/día según la ecuación 27:
Ecuación 27
Sustituyendo en la ecuación 27:
= 24859 m3/día
Y ahora podemos calcular los valores del caudal de salida (QS), caudal 2 y caudal 1
(Q2,Q1) en m3/día según las ecuaciones 28,29 y 30 respectivamente:
Ecuación 28
Ecuación 29
Ecuación 30
Sustituyendo por los valores correspondientes en las ecuaciones 28, 29 y 30 nos
queda:
m3/día
m3/día
m3/día
- 34 -
Finalmente podemos calcular la eficacia en % según la ecuación 31:
Ecuación 31
Sustituyendo la ecuación 31 por sus valores:
- 35 -
4. CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos, tomando como variable de diseño, X=3500 mg SSV/L,
tiempo de retención celular = 29,22 días y FS=34, se resumen en la siguiente
tabla:
QS 32092 m3/día
Qw 101 m3/día
QR 24859 m3/día
Q1 57052 m3/día
Q2 29960 m3/día
S 18,9 mg DBO5/L
V 6751 m3
Tabla 7: Resultados obtenidos de las variables
Con los datos obtenidos en la tabla 7, todos los caudales del sistema de fangos
activos quedan definidos, así como el volumen del reactor biológico.
Como ya se ha comentado, el FS se ha elegido de forma que el valor de S calculado
en la tabla 7, coincida con el real en la EDAR El Bobar. De esta forma, asumiendo
que los parámetros cinéticos biológicos utilizados en los cálculos (ver tabla 5), son
los mismos que rigen en la depuradora, es posible comparar el volumen del reactor
calculado, con el volumen real del reactor de la EDAR El Bobar:
Datos calculados Datos reales
V 6751 m3 8840m3 (75%)6360 m3
h 5 horas 6 horas
x 29,2 días 10 días
F/M 0,56 0,40
Tabla 8: Comparación de datos calculados y datos reales de la EDAR El Bobar, (Almería)
En la tabla 8 se observa que el volumen calculado es menor que el volumen real,
(Vcal<Vreal), pero hay que tener en cuenta que no todo el volumen del reactor es
volumen útil, si no que aproximadamente sólo entre el 70-80% lo es, es decir,
suponiendo un 75% de volumen útil, el volumen del reactor real es de 6360 m3, un
valor bastante más próximo a nuestro volumen calculado.
En cuanto a los tiempos de retención hidráulicos, h, salen muy parecidos, en
consonancia con que el volumen del reactor calculado y real no son muy distintos.
- 36 -
Respecto a los tiempos de retención celular, x, es donde se observan mayores
diferencias y es donde se pone de manifiesto que algunas de las simplificaciones
asumidas en nuestros cálculos no se cumplen en el sistema real.
En este sentido, para el diseño del reactor se ha asumido un modelo de Mezcla
Perfecta, por ser el más sencillo, pero esto es un tipo de mezcla ideal y en el reactor
real habrá desviaciones respecto de este modelo. Tampoco es conocida la razón de
recirculación de fangos, R, con la que opera el sistema de fangos activos de la EDAR
El Bobar.
Por último, la relación F/M calculada no es muy distinta de la real, y cumple con el
criterio de ser inferior a 0’6, lo que a priori permite una buena sedimentación de la
biomasa y que se cumpla una de las hipótesis planteadas, que era que el agua
depurada saliera exenta de biomasa.
0
5. BIBLIOGRAFÍA
Libros impresos:
-MARTINEZ DELGADILLO, Sergio A., RODRIGUEZ ROSALES, Miriam G.
“Tratamiento de aguas residuales con MATLAB””. Reverte, 2005. 239 p. ISBN:
968670857X, 9789686708578
-METCALF, Leonard., HARRISON P, Eddy. “Ingeniería de aguas residuales,
tratamiento, vertido y reutilización”. 3ª ed. Madrid, McGraw-Hill, 2000. 1485 p.
ISBN: 8448116070
-REYNOLDS, Tom D., RICHARDS, Paul A. “Unit operations and processes in
environmental engineering”. 2nd ed. PWS Publishing Company, 1996. 798 p. ISBN:
0534948847, 9780534948849
Recursos electrónicos:
-Wiki. “Ingeniería de aguas residuales” [en línea].España, Wiki 2007. Disponible en
internet:http://0site.ebrary.com.almirez.ual.es/lib/bual/docDetail.action?docID=1
0179597 eISBN: 9781449211493
-Zornoza,P. (2012, 10 de enero). Funcionamiento de una Estación Depuradora de
Aguas Residuales. EDAR. [Faunaiberica.net]
de: http://www.faunaiberica.net/2012/01/funcionamiento-de-una-estacion.html
-Aqualia. "Almería, modelo de optimización de los recursos naturales",[en
línea].http://test.aqualia.es/almeria/abastecimiento/docs/4t_EDAR_Almeriav2.pd
f
Legislación:
-Unión Europea. Directiva 91/271/CEE del Consejo, de 21 de mayo de 1991,
relativa al tratamiento de las aguas residuales urbanas.

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2111 diseno de un reactor biologico de fangos activos

  • 1. - 0 - UNIVERSIDAD DE ALMERÍA Escuela Politécnica Superior y Facultad de Ciencias Experimentales Departamento de Ingeniería Área de Ingeniería Química Diseño de un reactor biológico de fangos activos Trabajo Fin de Grado Ciencias Ambientales Julio 2014 Alumna: Nuria Jiménez Torres Director: Pedro A. González Moreno
  • 3. - 2 - ÍNDICE 1. Objetivos (p.3) 2. Antecedentes bibliográficos (p.4) 3. Resultados y discusión (p.20) 4. Conclusiones (p.35) 5. Bibliografía (p.37)
  • 4. - 3 - 1. OBJETIVOS Con la redacción de este trabajo se pretende:  Conocer el diseño y funcionamiento de una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR).  Conocer el diagrama de flujo de las líneas de aguas y lodos.  Conocer el diseño de un reactor biológico y aplicarlo a un nivel básico.  Calcular el volumen y los tiempos de retención hidráulico y celular.  Comparar los datos reales de funcionamiento del sistema de fangos activos de la EDAR El Bobar con los datos calculados.
  • 5. - 4 - 2. ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS  ¿Qué es una EDAR? Una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), es una instalación en la que las aguas que proceden de las redes de alcantarillado de los núcleos de población, se someten a un tratamiento cuya finalidad es reducir sus niveles de contaminación hasta alcanzar unos límites aceptables y legales previamente establecidos. Por regla general, tras este tratamiento, el agua tratada se devuelve al medio, por ejemplo como ocurre con las aguas depuradas de la EDAR El Bobar. Una EDAR la podemos entender como un lugar al que llega una materia prima; que serían por ejemplo, las aguas residuales domésticas procedentes del sistema de pluviales, y del que sale un producto, que sería el agua tratada, y otros subproductos como fangos y gases. A grandes rasgos, en estas estaciones depuradoras el tratamiento consiste en separar los diferentes productos y sustancias contaminantes que lleva el agua, ya sea en suspensión o en disolución. Al depurar las aguas residuales, se persiguen una serie de objetivos: - Proteger el Medio Ambiente gracias a la reducción de la contaminación de las aguas tratadas. - Ahorrar energía con un sistema adecuado de depuración. - Aprovechar los subproductos que se obtienen tras el tratamiento de las aguas contaminadas. Imagen 1: Vista aérea EDAR El Bobar, (Almería).
  • 6. - 5 -  Caracterización de las aguas residuales Las aguas residuales, especialmente las de origen urbano, están constituidas por una mezcla muy compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos y por una elevada cantidad de microorganismos. Debido a esta elevada complejidad en cuanto a su composición, no resulta práctico caracterizarlas con un análisis químico y biológico exhaustivo, por lo que se recurre a la utilización de unos parámetros empíricos que permiten cuantificar la carga contaminante del agua residual. Estos parámetros se agrupan en dos grupos:  DBO5 (Demanda Bioquímica de Oxígeno) Cuantifica el oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de los sustratos orgánicos durante cinco días. Proporciona información sobre la materia orgánica biodegradable que contiene el agua residual.  DQO (Demanda Química de Oxígeno, mg/L) Proporciona información sobre la materia total (orgánica e inorgánica) que puede oxidarse en unas determinadas condiciones.  Sólidos totales (ST) Es la masa del residuo que queda tras un proceso de evaporación y secado a 104ºC. Una parte de estos sólidos está disuelta (sólidos disueltos totales, SDT) mientras que otra se encuentra en suspensión.  Sólidos en suspensión totales (SST) Incluye la materia sedimentable así como los sólidos que debido a su pequeño tamaño o a la existencia de fuerzas electrostáticas no sedimentan. Se determinan mediante filtración del agua. Se cumple que: ST= SDT + SST Parámetros para la determinación de materia orgánica o biológica de un agua DO1: oxígeno disuelto al principio del ensayo DO2: oxígeno disuelto después de 5 días de incubación a 20ºC Parámetros para la determinación de los sólidos contenidos en el agua residual
  • 7. - 6 -  Sólidos en suspensión volátiles (SSV) No todos los sólidos en suspensión son biodegradables, ya que una parte puede corresponder a sustancias inorgánicas. Los sólidos en suspensión biodegradables son los SSV, ya que se determinan mediante un proceso de calcinación a 500- 550 ºC. El término SSV se suele usar para determinar el contenido en biomasa de un determinado agua.  Etapas de tratamiento en una EDAR El tratamiento de aguas residuales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen el fin de eliminar los contaminantes presentes en el agua. El objetivo es poder producir agua limpia o reutilizable en el ambiente y un residuo sólido (fango). Como ya se ha mencionado, las aguas residuales urbanas se caracterizan porque su principal contaminante es materia orgánica biodegradable y en su tratamiento se pueden distinguir cuatro fases, aunque en el caso de la EDAR El Bobar, no se realiza el tratamiento terciario. A continuación se muestran de manera esquemática todas las etapas de tratamiento que se pueden dar en una EDAR, (figura 1): Figura 1: Etapas de tratamiento de una EDAR Fase 3: Tratamiento terciario Es un tratamiento específico de acuerdo al uso posterior del agua. Tipo de proceso: Físico/Químico/Biológico Fase 2: Tratamiento secundario Consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable Tipo de proceso: Biológico Fase 1: Tratamiento primario Consiste en la eliminación de materia en suspensión Tipo de proceso: Físico Fase 0: Pretratamiento Consiste en la eliminación de sólidos de gran tamaño Tipo de proceso: Físico-químico
  • 8. - 7 - En la imagen 2, se reflejan los tratamientos mencionados en la figura 1: Imagen 2: Esquema de una EDAR  Clasificación de los tipos de procesos biológicos que se aplican a la depuración de aguas Los tratamientos biológicos podemos clasificarlos atendiendo a dos criterios: según el tipo de proceso y según el tipo de metabolismo que utilizan los microorganismos para degradar la materia orgánica. Según el tipo de proceso:  Procesos de cultivo en suspensión En este tipo de proceso, los microorganismos que degradarán la materia orgánica, se mantienen en suspensión dentro del líquido. Según el tipo de instalación usada, los más utilizados en estaciones depuradoras son: -Lagunas aireadas y lagunas de estabilización. -Proceso de fangos activos. -Digestor anaerobio. Las lagunas aireadas y las facultativas son instalaciones de bajo coste y de ingeniería sencilla, pero mucho menos eficaces que el proceso de fangos activos y la digestión anaerobia de los lodos.
  • 9. - 8 - Imagen 3: Ejemplo de lagunas facultativas en Ginebra,(Colombia). La flecha azul indica pequeñas lagunas con algunas mejoras que están en fase de prueba. La flecha roja indica la laguna facultativa a tamaño real. Imagen 4: Ejemplo de digestor anaerobio.
  • 10. - 9 -  Procesos de cultivo fijo En estos procesos, los microorganismos están fijados a un medio inerte, como por ejemplo, plásticos diseñados especialmente para cumplir con esta función. Es el caso por ejemplo de la depuración mediante biodiscos: Es un sistema formado por un árbol en el cual se insertan discos de propileno. Este árbol gira muy lentamente, haciendo que los discos se vayan sumergiendo parcialmente en una cuba por donde circula el agua residual que se quiere depurar. El contacto entre el agua residual y los discos, favorece que se forme flora bacteriana sobre ellos, y esta, al ir sumergiéndose alternativamente en el agua, va recogiendo la materia orgánica que necesita para su desarrollo y nutrición, para luego ponerse en contacto con el aire. Una vez que la capa de flora bacteriana agota su ciclo vital, se separa de manera autónoma de la superficie de los discos en forma de flóculos que son fácilmente sedimentables. Imagen 5: Ejemplo de cultivo fijo: biodiscos. Vista exterior e interior Según el tipo de metabolismo de los microorganismos:  Procesos aerobios Son procesos que se dan en presencia de oxígeno (entre 1,5-2,0 mg O2/L), ya que los microorganismos que actúan en la conversión lo necesitan para su metabolismo. El más común en la depuración de aguas residuales es el proceso de fangos activos.  Procesos anaerobios Son procesos que se dan en ausencia de oxígeno (con valores muy por debajo de 0,1 mg O2/L). Este tipo de microorganismos no necesitan oxígeno para su metabolismo. Un ejemplo de este tipo de procesos es la digestión anaerobia de fangos.
  • 11. - 10 -  Procesos anóxicos En este proceso, los microorganismos que actúan en la conversión de la materia orgánica metabolizan el nitrógeno de los nitratos en nitrógeno gas, en ausencia de oxígeno. Las principales vías bioquímicas que emplean estos microorganismos no son anaerobias, sino modificaciones de las vías aerobias. Existen algunos microorganismos denominados facultativos, que pueden actuar en presencia y en ausencia de oxígeno. Todos los procesos biológicos que se utilizan en la depuración de aguas residuales, tienen su origen en fenómenos y procesos que se dan en la naturaleza. La diferencia es, que en una estación depuradora, los procesos se aceleran mediante sistemas denominados reactores biológicos o biorreactores.  Línea de aguas y fangos en las EDAR Dentro del esquema general básico de funcionamiento de una EDAR, se distinguen dos líneas: línea de aguas y línea de fangos.  Línea de aguas En esta parte, el agua residual se somete a una serie de procesos físicos y biológicos para eliminar la carga contaminante que contiene. En esta línea de tratamiento, hay dos factores que deben de tenerse en cuenta: -La carga contaminante del agua a tratar. Pues según su composición y cantidad, los tratamientos aplicables serán unos u otros. -La cantidad de contaminación que se desea o debe de eliminarse. Se pueden distinguir las siguientes fases en la línea de aguas: Pretratamiento Comprende el conjunto de elementos (estáticos o dinámicos) mediante los cuales se elimina toda la materia (flotante, arenas, gravas..), que debido a su naturaleza o tamaño pueden originar problemas en los tratamientos posteriores. Los procesos pertenecientes a esta fase son: desbaste, tamizado, desarenado y desengrasado.
  • 12. - 11 - Imagen 6: Esquema de la fase de pretratamiento de una EDAR. (Línea de aguas). Tratamiento primario Tiene como objetivo la separación por medios físicos de las partículas en suspensión que no hayan podido ser retenidas en la fase de pretratamiento. Esta fase es muy poco efectiva en cuanto a eliminación de materia orgánica se refiere. Los procesos pertenecientes a esta fase son: sedimentación primaria, flotación, coagulación-floculación1*, neutralización y homogeneización. Imagen 7: Ilustración del proceso de coagulación-floculación 1 * La coagulación-floculación consiste en añadir sustancias como el hidróxido de hierro, que induzcan la floculación de forma que se favorezca la sedimentación de partículas sólidas, macromoléculas y coloides presentes en el agua.
  • 13. - 12 - Imagen 8: Ejemplo de sedimentador en la EDAR El Bobar, Almería Tratamiento secundario La función de esta fase es la eliminación o reducción de la contaminación orgánica presente en el agua por acción de microorganismos que la transforman en sólidos sedimentables que puedan separarse fácilmente. Imagen 9: Reactor biológico en EDAR EL Bobar, Almería.
  • 14. - 13 - Tratamiento terciario En esta fase tienen lugar una serie de tratamientos complementarios que permiten obtener mejores rendimientos en la eliminación de materia en suspensión, así como reducir otros contaminantes como nutrientes y metales que no se eliminan con los tratamientos biológicos convencionales. Entre los tratamientos avanzados podemos destacar: eliminación de nutrientes (N y P), eliminación de compuestos nitrogenados…etc. Imagen 10 : Esquema del tratamiento terciario de una EDAR  Línea de fangos Al tratar de eliminar la contaminación del agua, se generan una serie de subproductos llamados fangos, en los cuales se concentra toda esa contaminación eliminada del agua y cuyo tratamiento y eliminación puede ser complicado. Los dos principales focos de producción de fangos son el tratamiento primario y el tratamiento secundario. Estos fangos producidos presentan las siguientes características:
  • 15. - 14 - Figura 2: Principales características de los fangos de una EDAR En el tratamiento de estos fangos deben darse tres fases que vayan dirigidas a reducir lo máximo estos problemas mencionados: Espesamiento Con este proceso se busca la reducción del agua presente en los fangos para evitar el manejo de grandes volúmenes. Gracias a esto, además de reducir el volumen de los tanques que contendrán los fangos posteriormente, también se reduce la cantidad de calor que se necesita para procesos como la digestión anaerobia, con lo cual se ahorra dinero y energía. Imagen 11: Ejemplo de espesador de fangos • Por ello, ocupan un volumen importante. Poseen una gran cantidad de agua, entorno al 95-99%. • Esto genera malos olores, ya que entran en descomposición rápidamente. Poseen gran cantidad de materia orgánica. • Esto implica que pueden ser causantes de numerosas enfermedades. Contienen una gran cantidad de organismos patógenos.
  • 16. - 15 - Digestión de la materia orgánica Este proceso sirve para evitar problemas de fermentación y putrefacción de la materia orgánica. Los procesos de estabilización o digestión de fangos más comunes son: digestión aerobia, digestión anaerobia, estabilización por cal y compostaje. Imagen 12: Ejemplo de digestor de fangos en la EDAR El Bobar, Almería Deshidratación Consiste en la eliminación de la mayor cantidad de agua posible, mediante un medio físico, de manera que estos fangos resulten manejables y transportables. Imagen 13: Ejemplo de un tipo de deshidratador de fangos
  • 17. - 16 - Estos fangos se generan de forma continua y su eliminación supone un problema de gran importancia ya que no debe hacerse de forma incontrolada. No se puede concebir la idea de retirar la contaminación de un medio como el agua, para luego trasladarla a otro medio como el suelo o el aire. Existen diversas alternativas. Descargar los fangos en un vertedero, tiene un objetivo explícito de simple eliminación de este subproducto, mientras que si se usan con fines agrícolas se persigue un fin de recuperación. Otras alternativas como la incineración, pueden entenderse en ambos sentidos, según se diseñe con intención de recuperación energética o no. A continuación se exponen ambas líneas (fango y agua) en conjunto en su funcionamiento en una EDAR típica (Imagen 14) y el diagrama de flujo de la EDAR el Bobar (imagen 15): Imagen 14: Líneas de fango y agua de una EDAR convencional
  • 18. - 17 - Imagen 15: Diagrama de flujo de las líneas de agua y fangos EDAR El Bobar, (Almería).  Proceso de fangos activos La depuración biológica por fangos activos es un tipo de proceso biológico empleado en el tratamiento de aguas residuales convencionales que consiste en el desarrollo de un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculos en un biorreactor o reactor biológico aireado y agitado, que es alimentado con el agua residual. La aireación implica que es un proceso aerobio (suministra oxígeno necesario a los microorganismos). Además la aireación favorece una buena mezcla en el biorreactor (lo que puede permitir considerarlo como un reactor de mezcla perfecta), evita sedimentos y homogeniza la mezcla de los flóculos bacterianos con el agua residual. Las bacterias son capaces de metabolizar como nutrientes los contaminantes orgánicos presentes en el agua. Los procesos que aquí se producen son exactamente los mismos que en los ríos o lagos naturales, pero en los tanques de aireación, los organismos se agrupan en un espacio reducido y en gran número. Al cabo de un tiempo determinado (denominado tiempo de residencia), la mezcla de reacción se conduce hasta un tanque de sedimentación para la separación del agua residual tratada y la biomasa generada. Una parte de las células sedimentadas se recirculan para mantener en el biorreactor la concentración de células deseada,
  • 19. - 18 - mientras que otra parte puede purgarse del sistema. De este modo, el biorreactor puede funcionar en estado estacionario. Sin la corriente de purga, la biomasa se iría acumulando indefinidamente en el sistema (sistema no estacionario), ya que la biomasa en la corriente de salida sería inferior a la que se genera en el biorreactor. El correcto diseño del biorreactor, requiere no sólo asumir que tipo de mezcla ocurre dentro de este, sino también conocer la cinética de crecimiento microbiano tipo Monod y que prácticamente todo el consumo de substrato (materia orgánica), se invierte en formar biomasa son aproximaciones aceptables. Como existen multitud de microorganismos y susbtratos diferentes, el modelo cinético presenta valores promedio. En la siguiente imagen se muestra el principio básico de funcionamiento de un sistema de fangos activos: Imagen 16: Funcionamiento de un sistema de fangos activos. (1: aire, 2: agua residual, 3: lodo de retorno, 4: lodo en exceso, 5: agua depurada, 6: decantador secundario, 7: tanque de aireación).  Cinética del crecimiento microbiano Para tener un control efectivo del tratamiento biológico que se realiza al agua residual en el biorreactor, es necesario conocer cómo crecen los microorganismos que realizan la depuración, que principalmente son bacterias. El modelo de crecimiento más utilizado, basado en la evolución del número de células, tiene cuatro etapas. Para obtener este modelo se usan biorreactores con funcionamiento discontinuo, donde se analiza la concentración de células a distintos tiempos. En el modelo pueden distinguirse cuatro etapas:
  • 20. - 19 - -Etapa lag: Tiempo necesario para que las células se adapten al medio. -Etapa de crecimiento exponencial: Las células se reproducen a la máxima velocidad que les permiten sus propias características y el medio donde crecen. El crecimiento celular es proporcional a la concentración de células. -Etapa estacionaria: La población celular permanece estacionaria. El crecimiento está limitado por la disponibilidad de los nutrientes. La generación de células nuevas se compensa con la muerte de células viejas -Etapa de muerte: Cuando los nutrientes en el medio se agotan, la tasa de mortalidad excede a la de generación de células nuevas. El crecimiento celular está relacionado con el consumo de sustrato, mostrándose a continuación esta cinética en un reactor discontinuo (gráfica 1): Gráfica 1: Cinética de crecimiento celular. La X representa la concentración de biomasa y la S, la concentración de materia orgánica. En esta gráfica (1), podemos observar como a medida que la materia orgánica (S), va disminuyendo, la concentración de biomasa (X), va aumentando. Esto es debido a que esta biomasa usa como fuente de “alimento” la materia orgánica disponible en el medio para crecer y reproducirse. En un momento determinado, (etapa estacionaria), la concentración de biomasa no aumenta de la misma manera que al inicio, debido a la limitación de nutrientes que supone que cada vez haya menos concentración de materia orgánica. Finalmente, cuando los nutrientes del medio se agotan, la biomasa comienza a sufrir un descenso acusado de su concentración. La velocidad de crecimiento celular rx (etapa de crecimiento exponencial), es proporcional a la propia concentración de biomasa X. Se ha demostrado que la
  • 21. - 20 - constante de proporcionalidad μ depende de la concentración de sustrato y se puede expresar aceptablemente para una gran variedad de microorganismos mediante la ecuación de Monod, resultando el siguiente modelo para la velocidad de crecimiento celular, (ecuación 1): (rx)( ) = μ · X = · S Ecuación 1 Donde μ recibe el nombre de velocidad específica de formación de biomasa (g de biomasa formada/ g biomasa seca·h, o simplemente h-1), (ecuación 2): μ= Ecuación 2 µm Máxima velocidad específica de crecimiento (g. sustrato/g.biomasa·h, ó simplemente h-1 Ks Constante de Monod o de semisaturación (g/L) X Concentración de biomasa (masa/volumen, g/L) S Concentración de nutrientes o sustrato limitante, en este caso, materia orgánica degradada por los microorganismos (masa/volumen, g/L) Tabla 1: Nomenclatura utilizada en las ecuaciones 1 y 2 μm y K son constantes cinéticas que han de determinarse experimentalmente para cada microorganismo o conjunto de ellos en unas determinadas condiciones.
  • 22. - 21 - 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A la hora de diseñar cualquier instalación para el tratamiento de aguas residuales, se debe de tener en cuenta las características del efluente, los resultados que queremos obtener y las diferentes opciones disponibles en cuanto a instalaciones. Existen tratamientos biológicos aerobios y anaerobios. Los procesos aerobios son los que más convienen a la hora de convertir la materia orgánica presente en el agua residual, mientras que los anaerobios resultan más interesantes para la conversión de la materia orgánica presente en los lodos que se producen tras tratar el agua residual. De los procesos aerobios disponibles, el de fangos activos es el más empleado. No existe un sólo tipo de de proceso de fangos activos, ya que existen numerosas variaciones en función de las diferentes calidades de aguas, o para obtener agua con ciertos parámetros de calidad. En cualquier caso, el tratamiento de aguas residuales mediante fangos activados desde el punto de vista de su funcionamiento, se lleva a cabo mediante el siguiente diagrama de flujo, (figura 4): Figura 3: Diagrama de flujo de un sistema de fangos activados
  • 23. - 22 - Descripción del diseño del proceso El objetivo de este apartado es discutir los principios de diseño de un reactor biológico de fangos activados con recirculación. En la siguiente imagen se muestra el diagrama de flujo del proceso con las variables a tener en cuenta, (figura 5). Figura 4: Diagrama de flujo con sus respectivas variables En las siguientes tablas se especifica la notación empleada, (tablas 2, 3 y 4): Caudales (m3) Símbolo Definición Q0 Caudal de entrada QR Caudal de recirculación QS Caudal de salida QW Caudal de purga Tabla 2: Notación empleada referente a los caudales Materia Orgánica (mg DBO/L) Símbolo Definición S0 Concentración de M.O. a la entrada SR Concentración de M.O. en recirculación SS Concentración de M.O. a la salida SW Concentración de M.O. en la purga S Concentración de M.O. en el reactor Tabla 3: Notación empleada referente a la materia orgánica
  • 24. - 23 - Biomasa (mg SSV/L) Símbolo Definición XR Concentración de biomasa en recirculación XS Concentración de biomasa a la salida XW Concentración de biomasa en la purga X Concentración de biomasa en el reactor Tabla 4: Notación empleada referente a la biomasa El caudal de entrada (Q0), es decir, el agua residual a tratar, entra en el sistema con un valor determinado de concentración materia orgánica representado por S0. El objetivo de todo el proceso es reducir ese valor de concentración de materia orgánica mediante oxidación por degradación biológica aerobia hasta unos límites aceptables y que cumplan con la legislación. La alimentación inicial se mezcla con fango procedente de la recirculación y entra en el reactor biológico. Partimos de una serie de aproximaciones referentes a este reactor biológico, ya que aplicamos el modelo de reactor continuo mezcla perfecta al proceso de fangos activos:  Suponemos que el reactor o tanque de aireación es un Reactor Continuo Mezcla Perfecta (RCMP).  Suponemos que el sedimentador separa completamente toda la biomasa. Luego Xs≅0, porque toda la biomasa son sólidos en suspensión que sedimentan. El agua residual contiene bacterias pero estas no causan una degradación neta de la materia, por lo que suponemos que la concentración de bacterias en el agua residual a tratar es despreciable, X0=0.  Se asume que sólo las células son las partículas que sedimentan y que además lo hacen en el sedimentador secundario y no en el reactor. Además, se supone que la materia orgánica (el sustrato), es soluble y por tanto sólo son considerados como sólidos las células. Esta hipótesis se basa en que los tiempos de retención en el sistema son suficientemente grandes como para lograr que los compuestos orgánicos inicialmente presentes en el agua se hidrolicen a sustancias más pequeñas y solubles. El considerar al sustrato como soluble, implica que la concentración de la materia orgánica en el efluente que abandona el sistema Ss es igual a la de la corriente de salida del reactor S, y a su vez igual a la concentración de sustrato en los lodos que se forman en el sedimentador Sw. El sedimentador separa la fase sólida (biomasa), de la líquida, pero la concentración de sólidos en las corrientes (que si cambian), no afecta a la concentración de sustrato en la fase líquida. Por tanto: S≈SS≈SW
  • 25. - 24 -  Suponemos que la transformación de la materia orgánica en biomasa, se produce únicamente en el reactor y que toda la biomasa se encuentra en el reactor y no sale de ahí. Como ya hemos mencionado, la corriente de purga QR, se combina con el caudal inicial Qo, para formar una alimentación combinada Qo + QR. De este modo podemos definir la relación de recirculación según la ecuación 3: Ecuación 3 Ahora, podemos realizar un balance de materia a la biomasa en el sedimentador en estado estacionario(figura 6): Figura 5: Balance de materia a la biomasa en el sedimentador Acumulación= Entrada – Salida + Crecimiento Neto 0 0=(Q0+QR)· X- QS·XS-QW·Xw-QR·XR Ecuación 4
  • 26. - 25 - Y también podemos realizar un balance de materia a la biomasa del sistema completo,(figura 7): Figura 6: Balance de materia a la biomasa en el sistema Acumulación= Entrada – Salida + Generación Neta Ecuación 5 Algunos términos de la ecuación 5 se anulan al valer 0 debido a que la concentración de células (biomasa), en el afluente de alimentación es nula (X0=0), que la cinética sigue el modelo de Monod y que prevalecen condiciones estacionarias (acumulación=0). De aquí podemos deducir la fórmula para calcular la corriente de lodos L, que se define según la ecuación 6: [QS·XS+Qw·Xw] Ecuación 6 Pero como suponemos que la concentración de biomasa al salir Xs=0, la corriente de lodos nos queda como (ecuación 7): L= Qw·Xw Ecuación 7 Vr· == Q0· X0 - QS·XS-Qw·Xw + Vr·(rx-rd) 0 0 0 0
  • 27. - 26 - Para el sistema de la figura 5, podemos calcular el tiempo medio de retención hidráulica, que es el tiempo medio teórico que permanecen las partículas de líquido en un proceso de tratamiento, ya sea para todo el sistema ó sólo para el reactor, según las ecuaciones 8 y 9: Ecuación 8 Ecuación 9 Gracias a la ecuación del tiempo medio de retención hidráulico(ecuación 9), podemos calcular el tiempo medio de retención celular, . Este representa la masa de células o biomasa presente en el sistema, es decir en el reactor biológico, ya que como hemos mencionado antes, consideramos que la biomasa sólo se encuentra en el biorreactor, respecto de la velocidad con la que la biomasa se elimina del sistema. Mientras que el tiempo de retención hidráulica es simplemente el tiempo de residencia en el sistema, el tiempo de retención celular indica la edad de los lodos formados (ecuación 10): Ecuación 10 Obtenido el valor del tiempo medio de retención celular (ecuación 10), gracias al balance de materia de la biomasa en el sedimentador; podemos usarlo para la ecuación que nos permite conseguir el valor de la materia orgánica, (S),(ecuación 11), procedente del balance de materia de la biomasa al sistema (ecuación 5): Ecuación 11 Como se puede observar, el valor de la materia orgánica está en función a una serie de parámetros cinéticos biológicos (Ks, Kd, μm) y el tiempo medio de retención celular, . Esta última, es una variable de diseño del reactor y todos esos parámetros serán calculados más adelante.
  • 28. - 27 - La ecuación que nos permite obtener un valor de S (ecuación 11), es la misma que si se tratara de un reactor continuo mezcla perfecta, pero sin recirculación. Lo único que cambia es que se sustituye el valor del tiempo de residencia hidráulico por el tiempo de retención celular, lo cual es importante, ya que esto nos permite diseñar un sistema que tenga un alto valor de tiempo medio de retención celular, de forma que la concentración del sustrato S a la salida del sistema sea pequeña independientemente del volumen del tanque, lo que permite hacer más viable el proceso al emplearse tanques más pequeños y por consiguiente, baratos. También podemos hacer un balance de materia al sustrato (materia orgánica) del sistema,(figura 8): Figura 7: Balance de materia orgánica del sistema completo Acumulación= Entrada – Salida + Consumo Ecuación 13 Y mediante la ecuación 13 y las ecuaciones cinéticas siguientes (14 y 15): rx= Ecuación 14 rd= kd · X Ecuación 15 0 = Q0· S0 – (Q0-Qw)·S-Qw·S+Vr·(-rs) -Q0S 0
  • 29. - 28 - Puede obtenerse a partir del balance de materia de la figura 8 la fórmula que nos permite obtener el valor de biomasa (X),(ecuación 16): ⌊ ⌋ Ecuación 16 Y como podemos ver, X es función de una serie de parámetros cinéticos biológicos (KS, kd, μm), más S0 y τx. Para que la biomasa sedimente correctamente, se recomienda que [F/M]= <0.6 Teniendo en cuenta esto, y sabiendo que las variables de diseño son el tiempo de retención celular τx (ecuación 10), y la concentración de biomasa en el reactor(ecuación 16), X; y asumiendo que los valores de X suelen estar comprendidos entre 1500 y 4000 mg SS/L y que τx puede calcularse a partir del tiempo de retención hidráulico τw, (ecuación 17), en base a factores de seguridad (FS) pre-establecidos, cuyo valor en plantas convencionales oscila entre 10 y 80. τW≈ -  τx= FS · τw Ecuación 17 Con las variables de diseño identificadas, y sabiendo que hay una serie de magnitudes conocidas que son las siguientes:  Caudal y características del agua residual: Q0, S0, X0  Concentraciones máximas en el agua depurada: Smax y XS  Concentración X en los lodos: XW  Parámetros cinéticos (incluido Y) Obtenemos que hay un total de 7 variables a calcular: QS, Qw, QR, Q1, Q2, S, y V Como hay un total de 5 balances de materia independientes y 2 relaciones conocidas, se conocen los valores de τx e Y, hay un total de 7 ecuaciones, lo que nos indica que el sistema puede determinarse por completo. Para poder calcular estas 7 variables, es necesario seguir una secuencia de cálculos partiendo de una serie de datos de los que debemos de disponer. Algunos de estos
  • 30. - 29 - datos vienen ya establecidos gracias a diferentes ensayos de laboratorio, mientras que otros dependen del tipo y cantidad de agua residual que estemos tratando, como el caudal de entrada al biorreactor. Estos últimos son datos reales de la EDAR El Bobar. Los datos necesarios son los siguientes (tabla 5): • Ks (mg DBO5/L) 140 • Kd (día -1) 0,18 • µm (día -1) 1,8 • Y (mg SSV/ mg DBO5 consumida) 0,4 • Xr (mg SSV/L) 8000 • Q0 (m3) 32193 • S0 (mg DBO5/L) 412 • Ss (mg DBO5/L) 19 Tabla 5: Datos reales para el cálculo de las variables Una vez obtenidos todos los datos anteriores, podemos comenzar a seguir la secuencia de cálculos para obtener las 7 variables necesarias. Primero se calculan los dos parámetros de diseño utilizados: τx y X. Para calcular el τw, que nos permitirá obtener valores del tiempo de retención celular τx se utiliza la ecuación 18: ( ) Ecuación 18 Sustituyendo los valores de los que disponemos en la ecuación 18: ( ) = 0,86 días Elegimos un valor para el factor de seguridad (FS), que puede oscilar entre 10 y 80. Con él podemos calcular el tiempo de retención celular, τx. (Ecuación 19):
  • 31. - 30 - Ecuación 19 Después pasamos a calcular la concentración de materia orgánica (S), medida en mg DBO5/L según la ecuación 20: Ecuación 20 Luego comprobamos si esos valores son menores que los que exige la legislación para poder seguir con los cálculos. Scal<Smax Si no lo fuera, habría que modificar los valores del factor de seguridad. En España, el valor de Smax está fijado en 25 mg DBO5/L. Con el valor de (ecuación 19), y el valor de Scal (ecuación 20), podemos comprobar qué valor de permite obtener una Ss=19 mg DBO5/L, que es la presente en el agua de la depuradora El Bobar. (Ver tabla 6). FS Scal 10,0 8,59 27,6 14,0 12,03 24,0 18,0 15,47 22,0 22,0 18,91 20,8 26,0 22,35 20,0 30,0 25,78 19,4 34,0 29,22 18,9 38,0 32,66 18,6 42,0 36,10 18,3 46,0 39,54 18,0 50,0 42,97 17,8 54,0 46,41 17,7 58,0 49,85 17,5 62,0 53,29 17,4 66,0 56,73 17,3 70,0 60,16 17,2 74,0 63,60 17,1 78,0 67,04 17,0 82,0 70,48 16,9 86,0 73,92 16,9 Tabla 6: Primeros valores obtenidos según la secuencia de cálculo establecida
  • 32. - 31 - Como se observa en la tabla 6, el FS elegido para que el valor de Ss coincida con el de la depuradora de El Bobar a fin de poder obtener las correspondientes conclusiones posteriormente, es 34. También obtenemos el valor de la otra variable de diseño, días, ya que es una función del FS elegido. El siguiente parámetro de diseño a definir es X. En este caso hemos seleccionado un valor de 3500 mg SSV/L, por ser con el que opera el sistema de fangos de la EDAR El Bobar. Este valor debe estar entre 1500 y 4000 mg SSV/L. A continuación comenzamos el cálculo de las demás variables desconocidas en la instalación, teniendo siempre en cuenta que días y Ss=19 mg DBO5/L. Comenzamos calculando el valor del tiempo de retención hidráulica (τHr), medida en días, según la ecuación 21: * + Ecuación 21 Sustituyendo por sus respectivos valores en la ecuación 21: * + 0,21 días= 5 horas Una vez hecho esto, podemos calcular el volumen necesario (V), medido en m3 según la ecuación 22: Ecuación 22 Sustituyendo en la ecuación 22: m3 Luego calculamos el valor de [F/M], también llamada carga másica, cuyo valor se recomienda que sea menor que 0,6, según la ecuación 23: * +
  • 33. - 32 - Ecuación 23 Si sustituimos en la ecuación 23 por sus valores correspondientes: * + = 0,56 mg DBO5/mg SSV·d Ahora podemos calcular el valor de Qw medido en m3/día según la ecuación 24: Ecuación 24 Sustituyendo nos queda: = 101 m3/día Después se puede calcular el valor del caudal de oxígeno necesario Qo2 en kg/día según la ecuación 25: Ecuación 25 Sustituyendo en la ecuación 25: = 11506 kg/día Ahora calculamos la relación de recirculación (R), según la ecuación 26: Ecuación 26
  • 34. - 33 - Sustituyendo en la ecuación 26: = 0,77 Gracias a la ecuación 26, podemos calcular el valor del caudal de recirculación (Qr) en m3/día según la ecuación 27: Ecuación 27 Sustituyendo en la ecuación 27: = 24859 m3/día Y ahora podemos calcular los valores del caudal de salida (QS), caudal 2 y caudal 1 (Q2,Q1) en m3/día según las ecuaciones 28,29 y 30 respectivamente: Ecuación 28 Ecuación 29 Ecuación 30 Sustituyendo por los valores correspondientes en las ecuaciones 28, 29 y 30 nos queda: m3/día m3/día m3/día
  • 35. - 34 - Finalmente podemos calcular la eficacia en % según la ecuación 31: Ecuación 31 Sustituyendo la ecuación 31 por sus valores:
  • 36. - 35 - 4. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos, tomando como variable de diseño, X=3500 mg SSV/L, tiempo de retención celular = 29,22 días y FS=34, se resumen en la siguiente tabla: QS 32092 m3/día Qw 101 m3/día QR 24859 m3/día Q1 57052 m3/día Q2 29960 m3/día S 18,9 mg DBO5/L V 6751 m3 Tabla 7: Resultados obtenidos de las variables Con los datos obtenidos en la tabla 7, todos los caudales del sistema de fangos activos quedan definidos, así como el volumen del reactor biológico. Como ya se ha comentado, el FS se ha elegido de forma que el valor de S calculado en la tabla 7, coincida con el real en la EDAR El Bobar. De esta forma, asumiendo que los parámetros cinéticos biológicos utilizados en los cálculos (ver tabla 5), son los mismos que rigen en la depuradora, es posible comparar el volumen del reactor calculado, con el volumen real del reactor de la EDAR El Bobar: Datos calculados Datos reales V 6751 m3 8840m3 (75%)6360 m3 h 5 horas 6 horas x 29,2 días 10 días F/M 0,56 0,40 Tabla 8: Comparación de datos calculados y datos reales de la EDAR El Bobar, (Almería) En la tabla 8 se observa que el volumen calculado es menor que el volumen real, (Vcal<Vreal), pero hay que tener en cuenta que no todo el volumen del reactor es volumen útil, si no que aproximadamente sólo entre el 70-80% lo es, es decir, suponiendo un 75% de volumen útil, el volumen del reactor real es de 6360 m3, un valor bastante más próximo a nuestro volumen calculado. En cuanto a los tiempos de retención hidráulicos, h, salen muy parecidos, en consonancia con que el volumen del reactor calculado y real no son muy distintos.
  • 37. - 36 - Respecto a los tiempos de retención celular, x, es donde se observan mayores diferencias y es donde se pone de manifiesto que algunas de las simplificaciones asumidas en nuestros cálculos no se cumplen en el sistema real. En este sentido, para el diseño del reactor se ha asumido un modelo de Mezcla Perfecta, por ser el más sencillo, pero esto es un tipo de mezcla ideal y en el reactor real habrá desviaciones respecto de este modelo. Tampoco es conocida la razón de recirculación de fangos, R, con la que opera el sistema de fangos activos de la EDAR El Bobar. Por último, la relación F/M calculada no es muy distinta de la real, y cumple con el criterio de ser inferior a 0’6, lo que a priori permite una buena sedimentación de la biomasa y que se cumpla una de las hipótesis planteadas, que era que el agua depurada saliera exenta de biomasa.
  • 38. 0 5. BIBLIOGRAFÍA Libros impresos: -MARTINEZ DELGADILLO, Sergio A., RODRIGUEZ ROSALES, Miriam G. “Tratamiento de aguas residuales con MATLAB””. Reverte, 2005. 239 p. ISBN: 968670857X, 9789686708578 -METCALF, Leonard., HARRISON P, Eddy. “Ingeniería de aguas residuales, tratamiento, vertido y reutilización”. 3ª ed. Madrid, McGraw-Hill, 2000. 1485 p. ISBN: 8448116070 -REYNOLDS, Tom D., RICHARDS, Paul A. “Unit operations and processes in environmental engineering”. 2nd ed. PWS Publishing Company, 1996. 798 p. ISBN: 0534948847, 9780534948849 Recursos electrónicos: -Wiki. “Ingeniería de aguas residuales” [en línea].España, Wiki 2007. Disponible en internet:http://0site.ebrary.com.almirez.ual.es/lib/bual/docDetail.action?docID=1 0179597 eISBN: 9781449211493 -Zornoza,P. (2012, 10 de enero). Funcionamiento de una Estación Depuradora de Aguas Residuales. EDAR. [Faunaiberica.net] de: http://www.faunaiberica.net/2012/01/funcionamiento-de-una-estacion.html -Aqualia. "Almería, modelo de optimización de los recursos naturales",[en línea].http://test.aqualia.es/almeria/abastecimiento/docs/4t_EDAR_Almeriav2.pd f Legislación: -Unión Europea. Directiva 91/271/CEE del Consejo, de 21 de mayo de 1991, relativa al tratamiento de las aguas residuales urbanas.