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Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales
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Bloque 2: DIMENSIONAMIENTO (20h)
2.1 BASES DE PARTIDA
El objeto del bloque es exponer las ideas necesarias para llegar a un dimensionamiento
suficientemente aproximado de una Estación Depuradora de Aguas Residuales.
2.1.1 Población de diseño y parámetros unitarios
Población (P)
Es el número de habitantes equivalentes
Dotación (d)
Son los litros/habitante/día. Debe considerarse la dotación de agua de abastecimiento
lo que supone dimensionar la instalación con un margen de seguridad del 25-40 %
sobre la situación del año de proyecto real.
Tabla 2.1 Dimensionamiento de la dotación por número de habitantes
Habitantes Equivalentes Dotación de abastecimiento [l/hab./día]
< 20.000 150 – 200
20.000 – 50.000 200 – 250
≥ 50.000 250 – 300
Deberá conocerse si la población es estable o variable. En este último caso se
consideran la duración de la temporada alta y los datos de las poblaciones estables y
estacionales.
Carga DBO
Viene dada mediante análisis según los parámetros de agua residual. Como
parámetros de diseño basados en la experiencia tenemos:
Tabla 2.2 Clasificación DBO según tipología urbana
Tipología urbana Carga [gr/hab./día]
Zonas residenciales con red separativa 50
Núcleos de población con red separativa 60
Núcleos de población con red unitaria 75
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Carga de sólidos en suspensión (SS)
Viene dada mediante análisis según parámetros de agua residual. Como parámetros de
diseño basados en la experiencia:
Tabla 2.3 Clasificación SS según tipología urbana
Tipología urbana Carga [gr/hab./día]
Zonas residenciales con red separativa 50
Núcleos de población con red separativa 75
Núcleos de población con red unitaria 90
Nota: Estas aproximaciones son para aguas residuales urbanas. En caso de que existan
industrias susceptibles de verter en la red urbana es necesario realizar un estudio de
contaminación.
2.1.2 Caudales de dimensionamiento
Caudal medio [��/��
Se calcula a partir de la dotación:
�� � ∙�� ∙��� (2.1)
Caudal máximo [��/��
Una fórmula de síntesis de origen empírico que podremos usar si no se dispone de
datos fiables con mediciones reales del ciclo de cargas y caudales de los colectores de
entrada a la EDAR:
���� � ���1,15 � �,�������
(2.2)
Normalmente no ha de tenerse en cuenta todo el caudal aportado por la lluvia ya que
provoca problemas en el funcionamiento de la planta.
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2.1.3 Características de la contaminación
Se expresan en mg/l y deben considerarse como mínimo la !"#$, SS, Oxígeno
disuelto, pH y Alcalinidad.
En casos concretos habrá que medir el contenido de nutrientes por si se quieren
eliminar para evitar la eutrofización u otros parámetros que pudieran distorsionar el
proceso biológico.
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2.2 OBJETIVOS DE TRATAMIENTO
2.2.1 Características del agua depurada
A continuación se presentan las directivas recogidas en el Real Decreto como requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas
residuales urbanas. Se aplicará el valor de concentración o el porcentaje de reducción.
Tabla 2.4. Parámetros de vertido
Parámetros Concentración
Porcentaje
mínimo de
reducción (1)
Método de medida de
referencia
Demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 a 20 ºC) sin nitrificación (2).
25 mg/l 02
70-90 40 de conformidad con el apartado 3 del artículo 5 R.D.L. (3).
Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Determinación antes y después de cinco días de incubación a 20 ºC ± 1 ºC, en completa oscuridad. Aplicación de un inhibidor de la nitrificación.
Demanda química de oxígeno (DQO).
125 mg/l 02 75 Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Dicromato potásico.
Total de sólidos en suspensión.
35 mg/l (4) 35 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (más de 10.000 h-e) (3). 60 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (de 2.000 a 10.000 h-e (3).
90 (4) 90 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (más de 10.000 h-e) (3). 70 de conformidad con el apartado 3 del art. 5 R.D.L. (de 2.000 a 10.000 h-e) (3).
Filtración de una muestra representativa a través de una membrana de filtración de 0,45 micras. Secado a 105 ºC y pesaje. Centrifugación de una muestra representativa (durante cinco minutos como mínimo, con una aceleración media de 2.800 a 3.200 g), secado a 105 ºC y pesaje.
2.2.2 Características del fango
La correcta y adecuada disposición del fango debe constituir una preocupación básica.
- Sequedad (% sólidos secos)
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Está en relación con el tipo de fango y su destino final. Viene impuesta por la facilidad
de manejo y existen condicionantes económicos y técnicos que la limitan:
Secado de eras > 30%
Secado de centrífugas 20 – 28 %
Secado de filtros banda 20 – 30 %
Secado por filtros prensa 38 – 50 %
- Estabilidad (% reducido en peso de sólido volátiles)
Debe exigirse como mínimo el 40 %.
2.3 CRITERIOS DE SELECCIÓN
2.3.1 Líneas de agua residual
Su número depende del tamaño de la EDAR y de las oscilaciones de caudal. Como
criterio de diseño tenemos:
Tabla2.5 Criterio de dimensionamiento de líneas
Tipo de población
Nº de habitantes
< 10.000 [10.000-20.000]
[20.000-50.000]
[50.000-200.000]
Estable 1 línea 1 línea 2 líneas iguales
%2 líneas iguales
Estacional 1 línea 2 líneas iguales
2 líneas iguales
%3 líneas iguales
Deberá estudiarse cada caso en particular para estaciones superiores a los 200.000
habitantes equivalentes.
Tabla 2.6 Principales operaciones unitarias
OBRA DE LLEGADA CON ALIVIADERO DE SEGURIDAD Y BY-PASS GENERAL
PRETRATAMIENTO - Desbaste (b) - Desarenado (b) - Desengrasado (o) - Tamizado (o) - Pre aireación (o) - Homogeneización y regulación de caudales (o)
MEDICIÓN DE CAUDAL
TRATAMIETNO PRIMARIO - Decantación primaria(e) - Tratamiento físico-químico
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(decantación + floculación) (e)
TRATAMIENTO SECUNDARIO - Lechos bacterianos (e) - Biodiscos (e) - Biofiltros (e) - Fangos activados normal (e) - Aireación prolongada (e) - Contacto estabilización (e)
DESINFECCIÓN - Cloración (o) - Rayos U.V (o)
TRATAMIENTO AVANZADOS - Eliminación por fósforo (o) - Eliminación de nitrógeno (o)
TRATAMIENTO TERCIARIO - Afino de DQO y SS (o) - Color y contaminación no
biodegradable (o)
VERTIDO DEL EFLUENTE
(e) Operaciones excluyentes; (o) Operaciones opcionales; (b) Operaciones básicas
Independientemente de las combinaciones de cada caso en particular, la línea con
frecuente conveniente para aguas residuales urbanas normales es:
LINEA RESULTADOS UTILIZACIÓN
-Obra de llegada -Pretratamiento -Medición de caudal -Elevación de aguas residuales -Decantación primaria -Tratamiento biológico por fangos activos -Decantación secundaria
90-92 % de eliminación de DQO y SS Eliminación casi total de las bacterias
Aguas residuales urbanas que no requieran por ley un tratamiento más riguroso.
a) Pretratamiento
El desarenado se hará conjuntamente con el desengrasado, salvo en aguas
residuales muy cargadas o contaminadas con hidrocarburos.
Puede adoptarse el tamizado, sustituyendo al desbaste fino.
La homogeneización de caudales, en ocasiones combinado con preaireación,
está aconsejado cuando hay grandes variaciones de caudal a lo largo del día,
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puntas de caudal muy altas o vertidos industriales puntuales cuya dilución
favorezca el tratamiento.
b) Decantación primaria
Puede suprimirse en los siguientes casos:
- Cuando se utilice como tratamiento biológico la aireación prolongada.
- Cuando se emplee el proceso de fangos activados convencional a media carga.
c) Tratamiento biológico
En aguas urbanas el más desarrollado se basa en los fangos activos,
recomendado para poblaciones superiores a 30.000 habitantes equivalentes.
El tratamiento ha de ir acompañado de una recirculación de fangos tanto
interna como desde los decantadores secundarios. De esta forma se garantiza
un equilibrio biológico del sistema proyectado.
2.3.2 Líneas de fangos
Tipo de población
Nº de habitantes
< 100.000 [100.000-200.000]
%200.000-
Estable 1 línea 2 línea Caso esp. estudio
Tabla 2.7 Principales operaciones unitarias
LINEA DE TRATAMIENTO DE FANGO
ESPESAMIENTO Gravedad Flotación Centrifugación
Estático o dinámico
ESTABILIZACIÓN Digestión aerobia (e) Digestión anaerobia (e) Estabilización química (e)
ACONDICIONAMIENTO Químico (e) Térmico (e)
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DESHIDRATACIÓN Eras de secado (e) Secado mecánico(e)
Centrifugas
Filtros banda o prensa
INCINERACIÓN Reducción del fango a su composición mineral
ALMACENAMIENTO Y EVACUACIÓN
Tolvas, contenedores, silos
Abono de suelos Compostaje Vertedero
En la práctica, las líneas de fangos recomendadas pueden ser con estabilización de
fangos o sin estabilización e incineración. El tratamiento en cuestión depende del
uso del producto final del análisis técnico económico comparativo entre las
soluciones posibles.
El uso más habitual es estabilizar el fango mediante la digestión aerobia o
anaerobia. Para la deshidratación, las técnicas de secado mecánico son las más
probables y su elección dependerá de las exigencias del fago en cuestión:
Tabla2.8 Técnicas de deshidratación
Sistema de
filtración
Consumo
energético
Consum
o de
reactivos
Coste Sequedad
de la torta
Funciona
miento
Otros
Centrífugas 40-60Kw/Tm
Bajo Normal 20-26 % Continuo Versatilidad en el fango
Filtro banda
5-20Kw/Tm Normal Bajo 20-26 % Continuo
Filtro banda prensa
10-30Kw/Tm
Normal Alto 27-37 % Continuo
Filtro prensa
20-40Kw/Tm
Alto Muy Alto
38 – 50% Continuo Fangos finales buen combustible
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2.4 EJEMPLO DE DIMENSIONAMIENTO
2.4.1 Bases de partida
- Población (P): 100.000 hab.
[Núcleo de población estable, industrias de apoyo a la vida comunitaria]
Dotación (d): 250 l/hab./día
Carga de &'(): 75 g/hab./día
Carga de SS: 90g/hab./día
2.4.2 Caudales de dimensionamiento
Caudal medio
��*� � ∙�� ∙��� [��/�� (2.4)
��*� � 100.000 ∙ 25024 ∙ 10� � 1.041,67��/� Caudal máximo
���� � ��*� ∙ 11,15 ��,)2)3�45�� � [��/�� (2.5)
���� � 1.041,67 ∙ 61,15 � 2,5751.041,67� 7 � 1.670,06��/�
Características del agua residual
&'() :2) 9:;</�∙����)� =:;</� = 300 mg/l
S.S: >� 9:;</�∙����)� =:;</� =360 mg/l
pH: 7,7 en aguas domésticas.
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(��?@A*BCD: 1 mg/l
Los valores máximos se estiman en 1,5 veces los valores medios: &'()= 450 mg/l
S.S= 540 mg/l
Objetivo de depuración &'():25 mg/l
S.S: 30 mg/l
pH: 5,5-9,5
E.Coli: 1.000/100 ml
Sequedad del fango: 25 %
Estabilidad del fango: 40 %
2.4.3 Tratamiento propuesto
Tratamiento con agua residual
Nº de líneas: 2 líneas
Se componen de las siguientes operaciones unitarias:
- Obra de llegada con aliviadero de seguridad y by-pass general (1).
- Pretratamiento: desbaste de gruesos (2), desbaste de finos (2), desarenador-
desengrasador (2).
- Medida de caudal (1).
- Tratamiento secundario mediante fangos activos convencional.
- Reactor biológico (2).
- Recirculación de fangos (2).
- Decantación secundaria (2).
- Desinfección mediante cloración (1).
Tratamiento de los fangos
- Nº de líneas iguales
Se componen de las siguientes operaciones unitarias:
- Envío de fangos a tratamiento (1).
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- Espesamiento por gravedad mediante espesadores dinámicos (2).
- Estabilización mediante digestión anaerobia en dos (2) etapas.
- Acondicionamiento del fango.
- Deshidratación mediante secado mecánico con centrífugas.
ESQUEMA DE TRATAMIENTO
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2.4.4 Dimensionamiento
a) Pretratamiento
Protege el resto de la instalación evitando interferencia en el proceso. Se
instalarán 2 rejas de gruesos automáticas, seguidas de dos de finos también
automáticas. En by pass: 1 RG y 1 RF manuales.
En el paso del agua a través de las rejas se cumple:
E �3F ∙ GH*G ∙ �I (2.6)
Q = Caudal de paso (��/J
S = Sección del campo de reja ��� KLMLNLOPLQ�
V = Velocidad efectiva de paso para Q (m/s)
E =Distancia entre barrotes
e = Espesor de barrotes
C = coeficiente de atascamiento R 0,70
Rejas de gruesos
La separación entre barras se toma de 60 mm y su espesor de 12 mm. Dado
que:
S��;TS��45 U 1,4 y que
3���3�*� � 1,603 se puede comprobar que la velocidad de
paso a Qmax con colmatación del 30 % es U 1,4.
Para calcular la superficie de las rejas a caudal máximo:
���� � 1.6070,06��W = 0,464 ��@ , dividendo entre dos rejas (2), esto es
0,232 ��@
XY � 0,2321,4 ∙ 60 � 1260 ∙ 10,7 � 0,284��
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Se instalarán 2 rejas de gruesos de 60 mm de separación entre barras, 12 mm
de espesor de las mismas y sección mojada perpendicular a la corriente % 0,284��.Serán de limpieza mecánica, por temporizadores y diferencia de
nivel. Una (1) reja manual en by pass.
Rejas de finos
La separación entre barras se elige de 10 mm, con un espesor de 6 mm.
XY � 0,2321,4 ∙ 10 � 1210 ∙ 10,7 � 0,379��
Se instalarán 2 rejas de finos de 10 mm de separación entre barras, mide
espesor de las mismas y sección mojada perpendicular a la corriente% 0,0379 ��. Serán de limpieza mecánica, por temporizadores y diferencia de nivel. Se
instalará una reja de finos de limpieza manual (RFM) en by-pass.
La evacuación de los residuos se hará mediante cintas transportadoras a los
contenedores. Además, es aconsejable intercalar una prensa para la reducción
del volumen de dichos residuos.
b) Desarenado- desengrasado
Este proceso se lleva a cabo para eliminar los aceites y grasas, así como las
partículas de tamaño superior a 200 \�, con objeto de evitar abrasiones,
desgastes en las bombas y sobrecargas e inferencias en las operaciones
unitarias posteriores.
La cantidad de arena es muy variable, dependiendo de las zonas. A título
orientativo, puede oscilar, según la bibliografía, entre 5 y 15 l/hab./año.
- Se consideran 2 unidades rectangulares, capaces cada una para el 50 % del
caudal.
- Se adoptan los siguientes valores de cálculo.
- Carga hidráulica:
��*� � 15�� ��⁄ /�
���� � 24�� ��⁄ /�
- Tiempo de permanencia, en minutos:
��*� � 16�
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���� � 10�
- Aireación:
��*� � 5�� �⁄ /��
���� � 8�� �⁄ /��
Con estos valores procedemos al dimensionamiento, superficie unitaria:
X � 1670,062 ∙ 24 � 34,8��~36��
Anchura = 2 m, longitud = 18 m
Volumen unitario:
E � 1670,062 ∙ 1060 � 139,2��~140��
Sección transversal unitaria: 7,78 ��
Inyección de aire: 8�� �⁄ /��
Resulta: 36 �� ∙ 2 ∙ 8�� �⁄ /�� = 576 ��/�
Los equipos a instalar en esta zona son:
Aire
Se instalarán 3 compresores (1 R) capaces de suministrar 288 �� de aire
mediante difusores instalados a una profundidad ~ 3,30 m (aprox. 4 m.c.a).
Extracción de arenas
En cada puente móvil existirá una bomba de succión de mezcla arena-agua. La
capacidad de extracción será % 50 Q/�� de agua residual por tratarse de red
unitaria. Luego, la capacidad de extracción será:
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~1670,06�� �⁄ ∙ 50 ∙ 10_� � 83,5~90�� �⁄
Se instalarán 2 bombas especiales para arenas, una por aparato, capaces cada
una de elevar, como mínimo, un caudal de 45 �� �⁄ de mezcla agua y arena a
una altura manométrica de ~ 2,5 m.c.a.
Las arenas se enviarán a un lavador de arenas y posteriormente a contenedores
para su retirada a vertedero.
Los flotantes y las grasas se retiran también en contenedor.
c) Medida de caudal
Se instalarán un medidor tipo PARSHALL de rango de mediad 0- 1.700 �� �⁄ ,
para la medida del caudal del agua a tratar, con indicador, registrador y
totalizador en cuadro de control.
d) Decantación primaria
Se utiliza con objeto de eliminar los sólidos sedimentables y resto de material
flotante, reduciendo el contenido de DQO y SS del agua a tratar. En el caso que
nos ocupa, que son las aguas residuales urbanas, con valores para la carga
hidráulica superficial de ~1,3� �⁄ y un tiempo de retención de 2,5 h
ambos a ��*� , pueden obtenerse los siguientes rendimientos:
- Eliminación de SS = 2/3 (65 %) del total
- Eliminación DQO = 1/3 (33 %) del total
Se proponen instalar 2 unidades circulares con rasquetas, puente móvil y sistema de
recogida de flotantes y evacuación de los mismos al concentrador de grasas.
La extracción de fangos será regulable y controlable mediante temporizadores.
- Superficie total ~ 3�45I�`a�W?�`áAB?c� � �� �,d2�,� � 801,28��
- Volumen total = 2,5 ∙ 1041,67 � 2.604,18��
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Dos (2) decantadores de las siguientes características:
Diámetro �∅ = 23 m
Diámetro 23 m
Superficie unitaria 415,5 ��
Volumen unitario 1.302 ��
Calado vertical vertedero 2,8 m
Calado zona central 3,8 m
Carga hidráulica superficial ��*� � 1,25�� ��⁄ /� ���� � 2,00�� ��⁄ /�
Tiempo de retención hidráulica ��*� � 2,5� ���� � 1,56� Carga máxima sobre el vertedero 11,56 �� �⁄ /�Q Velocidad máx. perimetral del sist. de fangos
U 130�/�
e) Tratamiento biológico
El rendimiento en la eliminación de la &'() depende de la concentración inicial (X�)
y de la carga másica (f�):
f� � gh&'()ghijXX
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Kg MLSS = V x M; Volumen del reactor biológico y la concentración de sólidos en el
reactor (mg/l) los valores normales oscilan entre 2.500-4.000 p.p.m.
Fig. 2.2 Reducción de la DBO respecto a la carga másica
Rendimiento empírico de reducción de demanda biológica de oxígeno en función de
los valores finales de la carga másica. Condiciones iniciales X�= 150-200 p.p.m. Los
valores experimentales arrojan la relación debida a una componente soluble y a otra
consecuencia de los SS en dicho efluente.
&'() � klm*nC`����*B`*�cCD`��9= �Ho�∙pqr�4stu;5;;=u4;vtwux∙y�∙�.zzz (2.7)
g� = factor de eliminación de &'() en PíL_� g� ºC
120 5
180 10
360 20
720 30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Re
du
cció
n d
e D
BO
(%
)
Carga másica Cm
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Volumen necesario:
La &'() de entrada en el reactor es:
L= 2/3 ∙7.500 kg/día =5.000 kg/día (200 mg/l)
Como los resultados a obtener de acuerdo al Real Decreto son: &'() efluente U 25�h/Q
S.S. efluente U 30�h/Q
el rendimiento debe ser:
| % X� } X*X� ∙ 100 � 200 } 25200 � 87,5%
Valores de diseño:
Carga másica �f� 0,4
Concentración de sólidos (M) 3.000 mg/l
Volumen de aireación = E��� � �aklmI�∙Y 4.166,7 ��
Tiempo de retención=�� � S3� 4 h &'()J�QO�Q���QO���� 6,5 mg/l &'()J�Q�P�JJOJK��J�ó� � ��f� � 0,8 ∙ f��/� 15,2 mg/l &'()���LQ 21,7 mg/l
Como vemos, estamos por debajo de los parámetros exigidos por norma.
Necesidades de oxígeno
El oxígeno a suministrar se compone, al no producirse nitrificación como más adelante
se verá, de dos sumandos:
- Síntesis de células, proporcional a la DBO) eliminada [1]
- Respiración de la masa celular, proporcional a dicha masa [2]
( � L ∙ ���� ∙ j11� �g` ∙ E ∙ i12� (2.8)
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a: coeficiente de necesidad de oxígeno para la síntesis de materia orgánica
disuelta. Se pueden adoptar los valores de la siguiente tabla:
f� U 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 % 0,5
a 0,66 0,652 0,625 0,590 0,572 0,555 0,530 0,500
g`: coeficiente de respiración endógena:
f� U 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4 g` 0,041 0,067 0,080 0,092 0,100 0,109 0,118
En nuestro caso resulta que:
(` ��h( ��í�� � 0,53 ∙ 0,875 ∙ 5.000 � 0,118 ∙ 3 ∙ 4.166,7� 3.793,76gh(�
Las necesidades medias horarias de oxigenación son:
(�*� � 3.793,7624 � 158,07gh(�/día
Las necesidades punta se estiman con un coeficiente de 1,5 según las experiencias de
cálculo:
(� � 240,19gh(�/día
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Capacidad de oxigenación [caso aireadores]
Dado que son necesidades del oxígeno en condiciones reales y el aporte específico de
los sistemas de aireación viene referido a condiciones standard de laboratorio, se hace
necesario conocer la capacidad de oxigenación requerida:
(. f.� (` I�∙��I�_I� ∙ �k�zk� ∙ z4 ∙ �� (2.9)
Siendo: fF ∙ 10: Concentración de saturación de oxígeno en agua pura a 10 ºC. Su
valor es 11,33 mg/l.
fF: Concentración de saturación de oxígeno en la cuba de aireación a
temperatura del licor de mezcla. Su valor es 20 ºC.
f�: Concentración de oxígeno a mantener en el licor de mezcla: 2 mg/l.
&���&� ∶ Coef. Difusión a 10ºC y Tª.
En nuestro caso:
T = 20 ºC - �k�zk� � 0,8299
��: Presión atmosférica al nivel del mar = 760 mmHg
�W: Presión atmosférica a altitud de la EDAR. En nuestro caso 500 ms.n.m =>
716 mmHg
�: Coeficiente de intercambio entre licor y agua pura. Para aireadores de
superficie, 0,9; para burbuja fina, 0,6-0,7.
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Luego:
(. f.� (` ∙ 1,653 (2.10)
Lo que equivale a un coeficiente de transferencia: mumy � 0,605
Capacidad de oxigenación media: 158,07x 1,653= 261,29 gh(�/día
Capacidad de oxigenación punta: 240,19x 1,653= 397,03 gh(�/día
Fig. 2.3 Solubilidad del oxígeno disuelto
Los equipos utilizados en este apartado son:
Teniendo en cuenta el aporte específico de las turbinas existentes en el mercado oscila
de 1,8 a 2 gh(�/Kwhy que el rendimiento del motor puede cifrarse en 0,9, resulta:
KW= 397,03/ (1,9x0,9) =232,18 KW
Cv= 232,18/0,736= 315,47 CV
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25 30 35
Ox
íge
no
dis
ue
lto
(m
g/l
t)
Temperatura ºC
Solubilidad del oxígeno disuelto
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Se proponen 8 turbinas de 40 CV con 4 m de calado útil a la aireación, resulta:
� E�QO���(¡�h��LN�ó��NLQLP� ∙ 4.166,74 � 1041,68��
Se proponen 2 tanques de aireación de dimensiones 23x23x4 �� útiles, con cuatro
aireadores de las características indicadas, cada uno. El factor de servicio de los
reductores será % 2.Regulación automática mediante arranque y parada por
temporización y en función del oxígeno disuelto.
Oxigenación en caso de nitrificación [caso con difusores]
La capacidad de oxigenación para el caso que se produzca la nitrificación habitual en
procesos biológicos, para las siguientes condiciones de contorno:
Tª = 22,5 ºC fF: 8,32 mg/l
�k�zk �: 0,7921
Calcular la capacidad de oxigenación utilizando difusores de burbuja fina, es:
(I � (` ∙ 2,319
Lo que equivale a un coeficiente de transferencia de 0,431.
Una vez conocemos las necesidades reales, tenemos que condicionarlas a la tecnología
que vamos a implantar, en este caso difusores de burbuja fina. Para ello utilizamos la
expresión O.C=Or∙2,31, teniendo en cuenta que hay una nitrificación, donde la
bibliografía de campo al respecto sugiere optimizar caudales medios con una
corrección de 10 % por mayorar el caudal de oxígeno durante la discusión, y un 5 %
para los caudales punta, quedando;
Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales
23
capacidad de Oxigenación media: 261*0,9*2,319= 543, 69 kg 02/h (Aprox.)
capacidad de Oxigenación punta: 397*0,96*2,319= 884,65 kg 02/h (Aprox.)
Los equipos en este caso serán:
El aire atmosférico contiene 20,9 % de oxígeno en volumen (23,9 %) y pesa 1,248
Kg/m3 a 10 ºC y a presión atmosférica. Por tanto, 1 m3 de aire, en condiciones
normales, contiene 1,248x0,239 gh(�/�� ~0,3gh(�/��. Por otra parte, el
rendimiento de los difusores de burbuja fina puede estimarse en un 4 % por m. de
sumergencia, obteniéndose con 5 m un 20 % de rendimiento total de difusión.
Las necesidades de aire serían:
Necesidades punta: 884,65/0,3/0,2 = 14.474 Nm3/h
Necesidades medias: 543,69/0,3/0,2 = 9.061,5 Nm3/h
Con un caudal de aire por difusor de 3 Nm3/h, se necesitarán 14.474/3 = 4.914
difusores, es decir 2457 por línea.
El volumen de la cuba ha de ser, según lo calculado más arriba, 4.166,7 m3. Al
disponerse de dos (2) líneas, cada una con una unidad de dimensiones útiles
11,8x35,4x5,15 = 2.151,25 m3, el volumen real final será de 4.302,5 m3.
Cada zona anóxica (sin aireación) tendrá unas dimensiones en planta de 3,54x11,8 m2,
quedando otras tres (3) zonas por línea, cada una de dimensiones en planta de
10,62x11,8 m2 en las que se instalarán los difusores para abastecer las necesidades de
aire con nitrificación de forma gradual:
42 % de zona1………………………..1032 difusores/línea………………………………….8,24 dif./m2
35 % de zona2…………………………..860 difusores/línea……………………..……………8,24 dif/m2
23 % de zona3…………………………..565 difusores/línea…………………………………8,24 dif/m2
La potencia del motocompresor puede calcularse, aproximadamente, por la expresión:
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24
� � 0,164 ∙ ��?`* ∙ 1��� ^0,283 – 1] (2.11)
Siendo: ��: Presión absoluta de entrada = 9,43 mca (717 mmHg) ��: Presión absoluta de salida = 9,43 mca + 5 m (sumergencia lámina de agua)+ 0,57 m
(pérdidas) = 15 mca ��?`*: Caudal de aire en Nm3/h
Luego, las potencias requeridas para las necesidades de aireación: �£�AnC� � 339,42g¤�461fE
�£�*�?� � 208,65g¤�283,5fE
Se proponen tres (3) turbocompresores (1 de reserva). Cada uno será para un caudal
máximo lo más aproximado a 7.372 m3/h para una relación P2/P1 = 1,59 y potencia de
motor lo más próxima a 230 CV. Dado que la capacidad de regulación es continua
entre el 45 % y el 100 % del caudal máximo, se cubre toda la gama de caudales de aire
necesarios, como parte del sistema, se instalarán las correspondientes sondas de
medida de oxígeno disuelto, cuyas señales actuarán sobre la regulación de los turbos.
Nivel de agitación
La potencia necesaria para mantener los sólidos en suspensión puede estimarse, en el
caso de difusión mediante burbuja fina y con cuba de aireación de geometría
convencional, en unos 25 W/m3, pudiéndose estimar el caudal de aire
correspondiente por la expresión �� � 9,74 ∙ 10_ ∙ �= 1,461 m3 aire/h.
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25
A continuación un resumen de las especificaciones técnicas del reactor:
Nº unidades 2
Volumen total 4.302,5 m3
Calado medio 5,15 m
Dimensionamiento 11,8 x 35,4 m
Porcentaje zona anóxica 10 %
Carga másica =0,4
Concentración licor-mezcla 3.000 mg /l
Tiempo de retención hidráulica
Caudal medio 4,13 h
Caudal máximo 2,57 h
DBO5 eliminada 4.375 Kg/d
Nº difusores 5.506 u
Nº de turbos 2 + 1 R
Potencia unitaria 230 CV
Distribución de difusores
Zona 1 42 %
Zona 2 35 %
Zona 3 23 %
Potencia agitadores 15 CV
f) Recirculación de fango
En el reactor biológico deberá mantenerse la concentración (M) fijada mediante el
caudal de recirculación proveniente del clarificador que regresa al reactor con una
concentración Mr que es la requerida para mantener la concentración M. De acuerdo
con este principio:
|�%��*�?D � 3u3 ∙ 100 � YYu_Y ∙ 100 (2.12)
Caudal medio: 1041,67 m3/h
Concentración (M): 3 g/l
Concentración de purga (i` : 6,70 mg/l
Recirculación (R): 81,8 %
Se instalarán 3 bombas (1 R) capaces cada una del 50 % del caudal medio (521 m3/h) y
pudiendo funcionar las tres en paralelo.
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26
g) Decantación secundaria
En un decantador secundario pueden distinguirse cuatro zonas funcionales:
- Clarificación debiendo ser su altura útil h1% 0,5�
- Separación de la mezcla agua–fango cuya altura útil (h2) bien dada por la
expresión:
�� � �,)∙¥¦∙��H�S �_IFS/���� (2.13)
- Almacenamiento con objeto de mantener el rendimiento del proceso biológico
en caso de lluvia o con red unitaria. Su altura útil:
�� � �, )∙¥FS¦∙��H�S )�� (2.14)
- Espesamiento y barrido:
� � �, )∙¥FS¦∙��H�S ∙CGI (2.15)
Siendo:
qSV = la carga volumétrica de fangos a no sobrepasar, siendo su valor U )� =��W l/m2/h
si se quiere tener un contenido de S.S en el efluente U 20�aB . En nuestro caso SS 30
mg/l, qSV=500l/m2/h
CSV= M x SVI (ml/l) el volumen comparativo de fangos. En nuestro caso: 450 ml/l
qA= qSV/CSV (m/h) la carga hidráulica superficial. En nuestro caso 1,11 m/h
RV = el porcentaje de recirculación de licor mixto. 0,818 (81,8 %)
C = 300 x tE + 500 (l/m3), la concentración de la zona de espesamiento. 1.100 l/m3
tE= el tiempo de espesamiento expresado en horas (h) para obtener una
concentración de sólidos en el fondo del decantador. 2 h.
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27
Con los valores anteriores se obtiene:
S= Qmax/qA= 1.505 m2 (2 de diámetro 31 m)
H1= 0,5 m
H2= 1,83 m
H3= 0,82 m
H4= 1,65 m
§¨ � 4,80�
h) Desinfección
Se desinfectará el efluente tratado mediante la adicción de cloro-gas. El tiempo de
contacto a Qmax debe ser de 15 minutos y la autonomía % 15PíLJ. Dosis: 6 ppm
Tiempo contacto a Qmax: 15 min.
Caudal máximo Qmax: 1.670,06 m3/h
Consumo de cloro: 10,02 Kg/h
H1
H2
H3
H4
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28
Volumen de la cuba: 417,50 m3
Altura de agua: 3 m
Superficie de la cuba: 139 m2
Peso de cloro necesario para 15d: 3.602,2 Kg
Nº de contenedores de 1000 Kg en el almacén: 4 u
Se instalarán 2 equipos de cloración automáticos (1R) con dosificación proporcional
al caudal. Su capacidad unitaria es de 0-10 kg/h. Se dispondrá de un sistema de
detección y previsión de posibles fugas así como de neutralización de las mismas. Si
la desinfección solo se va a realizar en casos de emergencia es aconsejable sustituir
la instalación para disolución de cloro gaseoso por otra dosificación de hipoclorito
sódico.
2.4.4 Tratamiento de los fangos
4.244 Kg/día
Producción de fango &'(): entrante 7500 Kd/día
SS entrante: 9.000 Kg/día
Fangos primarios = 2/3 x S.S. 6.000 Kg/día &'() eliminada en el biológico: 0.875 x 2/3 x 7.500 Kg/día
En rigor, el esquema debe reflejar la flecha de purga de fangos en exceso del
secundario enlazando con la purga del primario, es decir, una mezcla de ambos
fangos post decantación primaria. Calcular el volumen de purga de fangos
primarios, bajo una suposición de que tienen una densidad parecida al agua, viene
dado por la expresión:
DECANTACIÓN 1ª
6.000 Kg/día
ESPESAMIENTO
DECANTACIÓN 2ª
633 m3/día;
0,67 % 6,7 g/l
373 m3/día
1,6 %
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29
V=(m3/d)=K/(10xC)
K: Cantidad de SS del fango primario (kg/día)
C: concentración del fango primario;
Si tenemos en cuenta una concentración cercana al 3 % (1,6) , el volumen a purgar
es de Aprox. 373 m3/día
En cuanto al caudal de purga de fangos de la decantación secundaría, la filosofía es
la misma, suponiendo concentraciones entre 0,67 % (que son las exigidas por
pliego/ BOE) y los fangos generados en exceso según la expresión [2.16], entonces:
V (m3/d)=4.244/(10x0,67)= 633,43 m3/d
La fórmula empírica de Huisken, con un factor de seguridad el 90 %, para el cálculo
de la producción de fangos en exceso:
©*�c � 1,2 ∙ f��,�� ∙ ���� ∙ jklm)�2.16)
Por tanto la producción de fangos en exceso es 4.244 Kg/día
Los equipos empleados, son:
Fangos en exceso [RECIRCULADOS] (purgando cada 6 h)……………………… 105,5 m3/h
Se instalan 3 bombas (1R), capaces de bombear a decantación primaria…. 53 m3/h
Fangos a espesamiento (purgando cada 6 h)………………………………………... 62,2 m3/h
Se instalan 3 bombas (1R) capaces de enviar a los Espesadores………………. 31 m3/h
Espesadores
Se utiliza con objeto de reducir el volumen necesario en la etapa de digestión. Para
los fangos mixtos, los parámetros de diseño están comprendidos entre los
siguientes valores:
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30
FANGOS MIXTOS
Carga de sólidos (Kg/m2/d)
Carga hidráulica (m3/m2/h)
Tiempo de retención (h)
Concentración fango espesado (g/l)
35-70 0,45-0,90 ≥ 24 40-70
Se instalan 2 espesadores dinámicos, de puente móvil con rasquetas que tengan las
siguientes características:
Aportación prevista 373 m3/día [10.244 KgSS/día]
Concentración de entrada 2,5-3 %
Concentración de salida 5-5,5 %
Destino del sobrenadante Cabecera de la instalación
Diámetro 11 m
Superficie útil 95 m2
Pendiente del fondo 12 %
Calado del borde 2,65 m
Volumen unitaria útil 210 m3
Carga hidráulica 0,33m3/m2/h
Carga de sólidos 54 KgSS/m2/d
Tiempo de retención medio 27 h
Carga sólidos U 40�h/�
Bombeo de fangos espesados a digestión
Con una concentración de salida del 5-5,5 % obtenemos un volumen de
10.244KgSS/día/52,5 = 195,1 m3/día. Mediante 3 bombas de 10 m3/h (1R), se
envían los fangos a la digestión anaerobia.
Otra posibilidad es considerar que haya un espesamiento por gravedad de los
fangos primarios y una flotación de los fangos secundarios.
- Fangos primarios 6.000 Kg/d al 8 %: 7 m3/d
- Fangos activados en exceso 4.244 Kg/d al 4%: 106,1 m3/d
La suma de fango mixto es de 14 m3/d en volumen de la digestión, a cambio de
una mayor inversión en el capítulo de espesamiento de fangos y de una mayor
complicación en la explotación de la EDAR debida a la existencia de una serie de
equipos adicionales. La principal ventaja es la estabilidad del sistema.
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31
Digestión anaeróbica de fangos
Es un procedimiento biológico con el que, mediante fermentación bacteriana
productora de metano, se consigue una degradación importante de las materias
orgánicas. Así, se obteniene un fango estabilizado que puede ser deshidratado con
relativa facilidad para proceder a su transporte.
Temperatura de digestión: 32,5 ºC
Fangos frescos a digerir:
Volumen: 195,1 m3/día
M. seca: 10.244 Kg/día
M. seca volátil: 6.915 Kg/día
M. seca inorgánicos: 3.329 Kg/día
Concentración de entrada 50-55 g/l
Reducción de volátiles: 45 %
Tiempo de digestión (32,5 ºC) teórico: 24 d
TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICA EN EL DIGESTOR
T ºC 10 16 21 27 32 38 43 49
Tiempo de retención
75 56 42 30 25 24 20 16
Digestión primaria
Con 20 días de retención de fango, resulta:
Volumen: 20 x 195,1 m3= 3.902 m3
Se proponen dos digestores primarios de 17 m de diámetro y 8 m de altura
cilíndrica, provistos del correspondiente sistema de agitación.
Carga de volátiles= 6.915/3.902= 1,77 KgSV/d/m3
En una etapa secundaria, dado que el proceso se ha completado según la
experiencia en torno a un 95 %, suele implantarse un depósito tampón de
espesamiento para estabilizar los fangos durante 4-6 días antes del secado.
Curso de Diseño y Explotación de Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales
32
El biogás generado se extrae hacia un gasómetro independiente para dar
estabilidad y seguridad al proceso y, posteriormente, se quema o se hace una
recuperación térmica mediante cogeneración.
En el proceso de digestión aerobia, hablamos de 67-81% en la eliminación de SS a
20 Cº. La temperatura es una de las variables que más influyen en el proceso, cuya
eficacia decrece por debajo de 15ºC. Por esta razón, el proceso anaerobio tiene
especial relevancia en climas áridos. En el ejemplo, tendríamos un 70% de
eliminación: 3.073,2 KgSS/d en la salida.
Calentamiento de fango
Hipótesis de temperaturas
Fangos en digestión 32,5 ºC
Mínima de fangos frescos 5 ºC
Media de fangos frescos 16 ºC
Mínima de aire ambiente -4 ºC
Media de aire ambiente 15 ºC
Mínima de suelo 6 ºC
Media de suelo 13 ºC
Esto dependerá de la zona de ubicación de la EDAR
Coeficientes globales de transmisión
Con un aislamiento térmico adecuado de las paredes y de la cúpula de los
digestores, los valores de K pueden ser:
Para la cúpula y pared vertical, salvo los 2 primeros metros: g� (Kcal/m2hºC) R 0,6 } 0,8
Para la solera y la pared vertical, en los 2 primeros metros:
Suelo seco g� (Kcal/m2hºC) R 0,25
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33
Suelo húmedo (estudio geotécnico) g� (Kcal/m2hºC) R 0,6 } 0,8
En caso de que no haya ningún aislamiento térmico como, por ejemplo, con el
hormigón armado:
α (Kcal/m2hºC) R 1,3 los valores de k pueden ser del orden de tres veces los
descritos anteriormente.
En general, independientemente de que en cada caso particular sea el
correspondiente balance energético el que indique la conveniencia o no del
aislamiento, éste puede ser necesario únicamente si se incluye la posibilidad de
recuperación térmica. En nuestro caso consideramos K= 2 Kcal/m2 ∆ºf.
Pérdidas y calentamiento
Se supone que la parte cilíndrica estará enterrada 3 metros.
Cúpula
X � ¬ ∙ �8,5 � 2 ∙ �8,5 } 2 � } 1,7� � 2� ∙ ¬ � 234��
Pared vertical
7x17xπ =374 ��
Total: 608 ��
Diferencia de temperatura
Máxima: 36,5 ºC
Media: 17,5 ºC
Pérdidas (Kcal/h) ∆¨ � � ∙ g ∙ ∆®
Máximas: 44.384 Kcal/h
Medias: 21.280 Kcal/h
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34
Solera y pared vertical enterrada superficie total 287,4 ��
Diferencia de temperatura
Máxima 26,5 ºC
Media: 19,5 ºC
Pérdidas (Kcal/h)
Máximas: 15.232 Kcal/h
Medias: 11.209 Kcal/h
Calentamiento
Volumen diario de fangos: 195,1 m3/d
Caudal horario: 8,13 m3/h
Diferencia de temperatura
Máxima 27,5 ºC
Media 16,5 ºC
Necesidades horarias
Máximas: 8.130x1x27,5= 223.575 Kcal/h
Medias: 8.130x1x16,5 = 134.145 Kcal/h
Necesidades totales
Cuadro resumen de potencia térmica para calentamiento de fangos
Intercambiadores y
calderas
Máximos (Kcal/h) Medios (Kcal/h)
Pérdida 59.616 32.489
Calentamiento digestor 111.788 67.073
Total para un (1) digestor 171.404 99.562
Total para dos (2) digestores
342.808 199.124
Potencia de intercambiadores:
Necesidades térmicas (máx.) + pérdidas (10%) 377.089 Kcal/h
Necesidades clóricas de las calderas:
Potencia de intercambiadores + pérdidas (10 %) 442.595 Kcal/h
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35
Resumen unitario de la digestión
Aportación prevista 195,1 m3/d
Concentración entrada 10,244 Kg SS/d
Nº de unidades (primarios + tampón) 2 +1
Volumen unitario digestores 1951 m3
Volumen del tampón 1.171 m3
Carga orgánica de proyecto 1,77 Kg SV/m3/d
Tiempo de estancia total 26 d
Tiempo de estancia en primario 20 d
Temperatura de digestión 32,5 ºC
Calor a suministrar 442.595 Kcal/h
Calor utilizado en los fangos 342.808 Kcal/h
Capacidad del intercambiador (2) 225.000 Kcal/h
Capacidad de la caldera (2) 275.000 Kcal/h
Deshidratación de fangos
El sistema de dosificación de fangos se dimensiona para una capacidad estándar de
5 Kg/T.m M.S. Las unidades de deshidratación suelen dimensionarse para un
funcionamiento de 7 horas diarias, 5 días a la semana.
Fangos deshidratados
Parámetro Por día Por semana Por día laboral
Volumen máximo 195,1 m3 1.365,7 m3 273,14 m3
MS 7.132,25 Kg 49.925,75 Kg 9.985,15 Kg
Concentración mínima 36,56
Horas de trabajo 7 h
Carga horaria 1.412,16 Kg/h
Volumen horario máximo 39,02 m3/h
Equipos a instalar en la deshidratación:
Centrifugas, tres unidades (2 + 1R), con una carga de 235 KgMS/h; la sequedad
requerida es del 25 %, alimentados con (3 + 1R) bombas de 4-20 m3/h; la dilución
del polielectrolito ha de ser con una dosificación entre 2,5-5,5 Kg polielectrolito/Tm
MS para favorecer la aglomeración del flóculo y facilitar el secado del fango antes
de almacenarlo.