Tema 5_Sistemas de Biopelicula

Curso Especialista Universitario en Depuración de Aguas Residuales en Pequeños Núcleos: Modalidad online, 6 de abril -19 de julio de 2015 Universidad de Almería

TEMA 5: SISTEMAS DE BIOPELÍCULA: LECHOS BACTERIANOS Y BIODISCOS. ASPECTOS PRÁCTICOS DE DISEÑO Y EXPLOTACIÓN.

Fco. Javier García Martínez Ingeniero de Caminos, C. y P. - Ldo. en Ciencias Ambientales

 

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TEMA 5: SISTEMAS DE BIOPELÍCULA: LECHOS BACTERIANOS Y BIODISCOS. ASPECTOS PRÁCTICOS DE DISEÑO Y EXPLOTACIÓN. 1.

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................3 1.1.

CONCEPTO DE BIOPELÍCULA ....................................................................................................4

1.2.

COMPOSICIÓN..........................................................................................................................5

1.3.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ......................................................................................................7

1.4.

FUNCIONAMIENTO DE LA BIOPELÍCULA ...................................................................................8

1.5.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS SISTEMAS DE BIOPELÍCULA ..........................................9

1.6.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE BIOPELÍCULA ...............................................................10

2.

LECHOS BACTERIANOS....................................................................................................12 2.1.

ORIGEN .................................................................................................................................12

2.2.

DESCRIPCIÓN DEL

PROCESO..................................................................................................13

2.2.1.

Distribución del agua ..................................................................................................15

2.2.2.

Material filtrante o soporte..........................................................................................18

2.2.3.

Ventilación...................................................................................................................23

2.2.4.

Recogida del agua filtrada...........................................................................................24

2.2.5.

Recirculación ...............................................................................................................25

2.2.6.

Tipos de lechos bacterianos y líneas de tratamiento ...................................................28

2.2.7.

Ventajas e inconvenientes ............................................................................................32

2.2.8.

Rendimientos de depuración........................................................................................33

2.2.9.

Rango de aplicación ....................................................................................................34

2.3.

DISEÑO..................................................................................................................................35

2.3.1.

Parámetros de diseño ..................................................................................................35

2.3.2.

Cálculo de lechos bacterianos .....................................................................................37

2.4.

2.3.2.1.

Una etapa: Norma ATV-A281E............................................................................................. 39

2.3.2.2.

Una o varias etapas con relleno pétreo: N.R.C ....................................................................... 44

2.3.2.3.

Una o varias etapas con relleno plástico: Germain................................................................. 46

OPERACIÓN DE LECHOS BACTERIANOS ..................................................................................49

2.4.1.

Comprobaciones diarias..............................................................................................51

2.4.2.

Mantenimiento específico. ...........................................................................................54

3.

CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS (C.B.R.) .................................................56 3.1.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ..................................................................................................56

3.1.1.

Elementos en un biodisco.............................................................................................59

3.1.2.

Tipos de biodiscos y líneas de tratamiento ..................................................................64

Tema 5: Sistemas de biopelícula: lechos bacterianos y biodiscos. Aspectos prácticos de diseño y explotación.

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3.1.3.

Ventajas e inconvenientes ............................................................................................67

3.1.4.

Rendimientos de depuración........................................................................................68

3.1.5.

Rango de aplicación ....................................................................................................69

3.2.

DISEÑO ..................................................................................................................................70

3.2.1.

Parámetros de diseño ..................................................................................................71

3.2.2.

Cálculo de biodiscos....................................................................................................72

3.3.

OPERACIÓN DE BIODISCOS .....................................................................................................74 3.3.1.1.

3.3.2. 4.

Comprobaciones diarias. ........................................................................................................ 75

Mantenimiento específico ............................................................................................77

DECANTACIÓN SECUNDARIA EN LECHOS BACTERIANOS Y CBR......................78 4.1.

DISEÑO DE LA DECANTACIÓN SECUNDARIA ...........................................................................78

4.2.

CÁLCULO DE LA DECANTACIÓN SECUNDARIA .......................................................................79

5.

SISTEMAS DE BIOMASA FIJA SOBRE LECHO MÓVIL .............................................82 5.1.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ..................................................................................................82

5.2.

VENTAJAS FRENTE A PROCESOS BIOLÓGICOS CONVENCIONALES ...........................................84

5.3.

TIPOS DE PROCESOS DE LECHO MÓVIL ...................................................................................85

5.4.

RANGO DE APLICACIÓN .........................................................................................................86

5.5.

DISEÑO ..................................................................................................................................86

Bibliografía............................................................................................................................................................ 87

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1.

INTRODUCCIÓN

El fundamento de los procesos biológicos de depuración de agua consiste en la eliminación de la contaminación del agua mediante una biocenosis, o comunidad de organismos vivos, ubicada en un lugar adecuando mediante el control del ambiente. La contaminación del agua constituye el sustrato o alimento de dicha biocenosis, la cual se mantendrá controlada en un cierto lugar al que denominaremos reactor biológico. Se puede realizar una clasificación de los procesos biológicos en función de varios aspectos pero si nos fijamos en la forma en la que se encuentra la biomasa en el reactor podemos distinguir entre cultivos en suspensión y cultivo fijado a soporte. Los primeros corresponde a los fangos activos donde los microorganismos se encuentran en suspensión en el seno del agua (estos procesos se estudiarán en el tema 7). En los segundos, objeto de este tema, los microorganismos se fijan a diferentes medios materiales o soportes que quedan retenidos en el reactor a pesar del paso del agua a tratar a través del mismo. A este segundo grupo de procesos, también llamados procesos de película fija o de biopelícula, pertenecen los Contactores Biológicos Rotativos o CBR y los Lechos bacterianos. También a este grupo de procesos se le ha llegado a denominar como sistemas convencionales de bajo coste ya que para su rango de aplicación tienen unos costes inferiores frente a los fangos activos. Existe una amplia variedad de tecnologías basadas en procesos de biopelícula, cada una con sus características específicas. En general se pueden incluir, entre sus ventajas frente a los procesos de fangos activos convencionales, unos costes de operación y energéticos reducidos, volúmenes menores de los reactores, necesidades mínimas de capacidad de decantación y simplicidad de operación. Entre los inconvenientes figuran la posibilidad de atascamiento del sistema, bien debido a un pretratamiento insuficiente o a un exceso de crecimiento de la biopelícula, más dificultad para conseguir una mezcla homogénea del seno del líquido y mayor complejidad para la modelización, y por tanto para controlar el proceso.

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1.1.

Concepto de biopelícula

La biopelícula es una estructura compleja, formada por agregados celulares y huecos intersticiales En la formación de una biopelícula se pueden distinguir las siguientes etapas o pasos: 1.

Acondicionamiento del medio soporte al adsorberse moléculas orgánicas sobre la superficie.

2.

Transporte de células microbianas desde el seno del agua hasta el medio soporte acondicionado.

3.

Parte de la células que llegan al soporte se adsorben a él por un tiempo limitado, separándose (desorción) posteriormente (adsorción reversible). La desorción se puede producir por la fuerza cortante del fluido, influyendo también otros factores físicos, químicos y biológicos.

4.

Una parte de las células adsorbidas quedan inmovilizadas permanentemente (adsorción irreversible)

5.

Las células adsorbidas irreversibles crecen a expensas del sustrato y del agua incrementando así su número de células en la biopelícula. A su vez, las células pueden también producir o formar cantidades significativas de productos excretando algunos de ellos, como por ejemplo las sustancias poliméricas extracelulares (EPS), que quedan constituyendo parte de la biopelícula. Así la acumulación de biopelícula aumenta mediante el metabolismo microbiano a expensas del sustrato del agua.

6.

Adhesión de células microbianas y material particulado a la biopelícula (atrapamiento).

7.

Separación de parte o porciones de la biopelícula que vuelven al agua. Esta separación puede ser debida al esfuerzo cortante producido por el movimiento del fluido (erosión), a la acción mecánica de otras partículas que chocan contra la biopelícula

(abrasión)

y

al

desprendimiento

de

capas

de

biopelícula

(desprendimiento masivo) debido a la pérdida de cohesión o de adherencia de la biopelícula.

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Figura 5.1: Formación de la biopelícula

1.2.

Composición

Una biopelícula consiste en células inmovilizadas en un medio soporte, embebidas en una matriz de polímeros orgánicos (EPS) de origen microbiano y con una fracción significativa de sustancias abióticas o inorgánicas unidas por la matriz biótica. De forma general, en un sistema de biopelícula se pueden diferenciar cuatro partes: soporte, biopelícula, capa líquida y gas. A su vez en la biopelícula se pueden diferenciar dos capas: la biopelícula de base y la capa superficial. La base de la biopelícula está formada por una acumulación de células, y es de estructura bien definida. La capa superficial constituye la transición entre la biopelícula y el ambiente acuático circundante. El grosor de estas zonas depende tanto de las condiciones hidrodinámicas, como de las especies microbianas que colonicen el material soporte.

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Figura 5.2: Componentes de un sistema de biopelícula

Debido a que el tiempo de estancia de los microorganismos en las biopelículas no es una variable de control de este tipo de procesos y que éste en general puede ser muy elevado, pueden coexistir muchas especies de microorganismos e incluso macroorganismos tales como caracoles, insectos, etc. Microbiológica. La biopelícula típica de los procesos de tratamiento de aguas residuales urbanas está formada por: •

Bacterias: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Zooglea; también filamentosas (Sphaerotillus) y nitrificantes. Las bacterias autótrofas se localizan en el fondo y las heterótrofas en la superficie.

•

Protozoos: contribuyen al buen funcionamiento del proceso, al producir clarificación del efluente mediante depredación.

•

Hongos: producen más biomasa a igualdad de eliminación de sustrato y pueden producir bloqueos en el tránsito del agua (ramificaciones).

•

Algas: pueden captar nitrógeno y minerales del agua residual, así como suministran oxígeno al medio (0,8Kg DBO5/m3 d) y recirculaciones muy altas. Respecto a la eliminación del fósforo, en los procesos de biopelícula fija, sólo se elimina fósforo de forma fiable por la vía de la precipitación química mediante la adición de sales metálicas (de hierro o aluminio) antes de la decantación secundaria

2.2.9. Rango de aplicación El empleo de lechos bacterianos como tratamiento secundario está indicado para vertidos con una carga contaminante de entre 50 y 2.000 habitantes. En el caso de rango inferior, debido a la gran variabilidad diaria del caudal puede que exija o unas elevadas recirculaciones o tanques de homogeneización del caudal para lo que se puede utilizar el pozo de bombeo previo. En el tema 3 se puede consultar la superficie que demanda la implantación de este sistema (0,4-0,9 m2/h-e).

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2.3. Diseño.

2.3.1.

Parámetros de diseño

Además de los conceptos descritos en el apartado anterior se han de contemplar algunos parámetros más en el diseño de lechos bacterianos y que seguidamente se describen. •

Carga hidráulica: Se expresa en m3 de agua aplicada, considerando la recirculación, por m2 de superficie

del lecho. Esta carga es la que condiciona la velocidad de paso a través del material, y por tanto el tiempo de retención, Los valores de diseño recomendado son:

Características

Baja carga

Media carga

Piedra

Piedra

Piedra

Plástico

0.02-0,13

0.04-0,41

0,35-1,55

0,42-2,5

Carga hidráulica (m3/m2.h)

Alta carga

Tabla 6: Cargas hidráulicas En lechos bacterianos con relleno de piedra, la recirculación se fija para evita el atascamiento del filtro y por tanto asegura una mínima aireación, mientras que los lechos con relleno plástico la recirculación asegura que todo el material está mojado. •

Carga volúmica u orgánica. Este parámetro indica los kg de DBO5 aplicados diariamente por m3 de material filtrante.

Los valores recomendados son los siguientes:

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Tipo de lecho Carga volúmica (Kg DBO5/m3 d)

Baja carga

Media Carga

Alta carga

Piedra

Piedra

Piedra

Plástico

0,08-0,4

0,4-0,7

0,7-1,8

0,4-5,0

Tabla 7: Carga volúmicas recomendables

•

Profundidad de los lechos En el caso de filtros con medio rocoso la profundidad se suele limitar debido al peso a 3

m. En cuanto a los rellenos plásticos la se pueden alcanzar alturas de hasta 12 m. lo habitual es ejecutar lechos de unos 4 -5 m de altura.

Tipo de lecho Una etapa

Baja carga

Media Carga

Piedra

Piedra

Piedra

Plástico

1,8-3,0

1,5-2,5

0,9-2,4

3,0-12,0

0,75-1,2

0,5-1,2

1,5-5,0

Varias etapas

Alta carga

Tabla 8: Profundidad lechos

•

Dosificación del agua residual Se ha de calcular cómo “rociar” el lecho bacteriano con el agua residual para obtener un

espesor de biopelícula estable lo más activo posible. Para ello se calcula la tasa de aplicación instantánea o lo que los alemanes llaman la intensidad de lavado (Spülkraff), intensidad de dosificación instantánea o parámetro SK. Esta carga de aplicación instantánea, se puede expresar en milímetros de agua por paso de brazo del sistema de distribución.

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SK =

Caudal entrada al lecho (entrada a planta + recirculación) ⋅1000 (mm/paso) a ⋅ n ⋅ 60

Donde: SK = lluvia en mm./paso Q + r = Carga hidráulica al distribuidor en m3/m2 y hora a = Número de brazos vertiendo a la vez n = Velocidad rotacional del distribuidor en rev./minuto Valores de SK entre 4 y 8 mm garantizan un arrastre de fangos suficiente. Cuando más alto sea el lecho, mayor debe ser el valor de SK para evitar obstrucciones causadas por un crecimiento muy alto en la parte superior del lecho. También al aumentar la superficie específica del relleno, convienen valores mayores. Se deduce de lo explicado, la conveniencia de emplear distribuidores motorizados para poder controlar la velocidad de giro. Por último, indicar que para conseguir un buen arrastre de la biopelícula en exceso, es conveniente conseguir valores de SK de entre 20 y 100 mm para realizar procesos de lavado (6 horas durante la noche). Aunque el lavado nocturno no suele ser necesario para aguas residuales urbanas estándares, sí que suele ser necesario en caso de aguas muy cargadas en lechos de alta carga.

2.3.2. Cálculo de lechos bacterianos El cálculo de los lechos bacterianos responde a numerosos modelos, que pretenden definir, a partir de diferentes criterios, la reducción de la DBO5 que se puede conseguir. La multiplicidad de los modelos de cálculo pone de manifiesto la falta de uniformidad de criterios, que condujeron a los investigadores a tan diversificadas fórmulas de cálculo. Así, caben destacar las siguientes National Research Council (1946); Galler and Gotaas (1964); K incannon and Stover (1982); Velz (1948); Schulze (1960); Germain (1966); Eckenfelder

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and Barnhart (1963); Chartered Institution of Water and Environmental Management (1988); and Logan trickling filter model (TRIFL) (1987). En pequeñas poblaciones lo habitual es recurrir al empleo de un único lecho bacteriano (1 etapa), operando en el rango de baja carga, por ello se va a explicar con más detalle el cálculo de lechos con una sólo etapa según las indicaciones de la Norma ATV-A281E. No obstante, se va a mostrar la formulación para el cálculo de lechos en varias etapas distinguiendo si el relleno es plástico o de piedra. Los métodos que se describen en sucesivos apartados son: -

Para una sola etapa: Norma ATV-A281E para el dimensionamiento de plantas de lechos bacterianos de cualquier tamaño y de una sola etapa. Es el modelo recomendado por el CENTA y el CEDEX y el que se describe en profundidad en este tema.

-

Para una o varias etapas con relleno pétreo: Modelo de la National Research Council (1946)

-

Para una o varias etapas con relleno plástico: Modelo propuesto por Germain y Schultz

Como comentario inicial, se ha de indicar que el cálculo de los procesos de biopelícula fija tanto de lechos bacterianos como de los biodiscos se recomienda emplear el parámetro de la (SDBO), o DBO soluble, como base de la formación de la película biológica. La DBO no soluble se elimina en el decantador primario y en los flóculos formados en el reactor biológico y eliminados posteriormente en la decantación secundaria. Se considera como (SDBO) la DBO no eliminable por filtración. Normalmente para aguas urbanas las aguas de entrada tienen una (SDBO) del orden del 35-40% de la DBO total y las aguas decantadas un 50-55%. Este concepto habrá que tenerlo muy presente y fijarse bien si los ratios de diseño van referidos a DBO soluble o a DBO total

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2.3.2.1. Una etapa: Norma ATV-A281E El proceso de cálculo que se va explicar en este tema sigue las indicaciones de la norma ATV-A281E para el dimensionamiento de plantas de lechos bacterianos de cualquier tamaño y de una sola etapa. Se trata de un método de tipo empírico, que emplea la carga volumétrica (kg /m3.d) máxima permisible, como parámetro fundamental de diseño.

En la siguiente tabla se resumen los parámetros básicos de diseño:

Objetivo de depuración

Carga

Eliminación de materia orgánica (DBO5,