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14 may 2016

SISTEMAS AVANZADOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS

Biorreactor de membrana

El agua ha sido siempre el recurso natural por excelencia alrededor del cual se han asentado las sucesivas culturas a lo largo de la historia. Las poblaciones más primitivas adaptaban sus costumbres y actividades al ciclo hidrológico hasta la llegada de la industria y el surgimiento de las grandes urbes, momento a partir del cual, la obtención de beneficios económicos y personales, primaban sobre su conservación. En este artículo te muestro el funcionamiento de uno de los sistemas avanzados de depuración de aguas que la ciencia y la tecnología han conseguido crear.

EDAR

El agua potable, un bien cada vez más escaso

El agua es un bien público escaso e irregularmente distribuido geográfica y temporalmente, cuya gestión durante décadas se ha basado directa y únicamente en el nivel de demanda de la misma, sin atender a criterios de ahorro o conservación. Esta mala gestión ha dado lugar al agotamiento y contaminación de numerosos acuíferos y a la destrucción y alteración de ecosistemas.

La problemática del agua, su escasez y su contaminación entre otras causas, ocasionó que la Directiva Marco del Agua obligara a considerar y preservar el buen estado ecológico de los sistemas hídricos.

EDAR

SISTEMAS AVANZADOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS

 

Previamente a entrar en detalles del diseño de cualquier sistema de depuración es necesario conocer una serie de datos de partida tales como:

  • Población del municipio en el cual se proyecta una EDAR
  • Habitantes equivalentes
  • Dotación de agua en litros/(habitante y día) de la cual dispone el municipio en cuestión
  • Las diversas concentraciones contaminantes destacando DBO5, sólidos en suspensión totales y nutrientes como fósforo y nitrógeno.

También es fundamental el estudio del propio núcleo de población afectado, su estructura política y empresarial, la orografía, la gestión del servicio de agua etc.

Además, es muy importante un estudio de ubicación de la EDAR ya que influiría mucho en la percepción en el municipio de los olores debido al tratamiento de aguas residuales. Una vez recopilada toda la información básica para cualquier sistema de depuración el ingeniero debe tener en mente el funcionamiento de todos esos sistemas y de cada uno de los elementos que los componen para encajar lo más completamente posible un sistema a los requerimientos que se le atribuye.

Básicamente se debe conseguir que la EDAR diseñada sea lo más barata posible, lo menos compleja posible y, a la vez, conseguir satisfacer los parámetros de salida de agua tratada impuestos por la normativa vigente.

La tecnología de membranas se ha desarrollado de manera muy significativa a partir de los años sesenta con la aparición de ósmosis inversa.

El esquema funcional de un sistema avanzado de este tipo es tal que así:

EDAR

Ilustración 1:Elaboración Propia: Proyecto Fin de Máster: Renovación y ampliación de la EDAR de Archidona

 

De manera general se diferencian la siguiente organización de los elementos de una EDAR (Estación Depuradora de Aguas Residuales):

Pretratamiento

  • Aliviadero general de entrada
  • Pozo de gruesos
  • Canal de desbaste con rejas de gruesos y rejas de finos
  • Desarenador -Desengrasador

Tratamiento secundario

  • Cámara anóxica del reactor biológico
  • Cámara óxica del reactor biológico
  • Depósito de Membranas

 

Tratamiento Terciario

  • Canal de desinfección con Rayos UV
  • Laberinto de cloración

Línea de Fango

  • Espesador de fangos

Deshidratación del fango

  • Centrífuga de secado
  • Tolva para cargar los camiones con el fango deshidratado

Dentro del tratamiento secundario ocurren los procesos biológicos involucrados en el tratamiento de aguas residuales.

Los procesos biológicos se utilizan para convertir la materia orgánica disuelta y coloidal en flóculos biológicos sedimentables.

Las principales aplicaciones de estos procesos son: la eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua residual, medida como DBO, carbono orgánico total o DQO; la nitrificación; la desnitrificación; la eliminación de fósforo; y la estabilización de fangos.

El proceso que ocurre en un biorreactor de membrana es un proceso similar al de fangos activos con la excepción de la separación sólido/líquido que se realiza por filtración mediante membranas. En estos biorreactores el decantador es sustituido por un sistema de filtración sobre membranas.

Se podría considerar este sistema como la combinación de un proceso de biodegradación y un proceso físico de separación por membrana, donde los sólidos en suspensión y la biomasa son separados del agua por filtración.

Las membranas se pueden instalar fuera o dentro del reactor, provocando por depresión la salida del agua tratada, permaneciendo toda la biomasa en el reactor.

Gracias al empleo de estas membranas de ultrafiltración o micro filtración, se puede llegar a retener sólidos disueltos de alto peso molecular.

Entre las ventajas podemos encontrar:

  • Utilización de elevadas concentraciones de biomasa, lo que conlleva unos tamaños del reactor más pequeños y unos rendimientos superiores a los obtenidos en los métodos clásicos.
  • Trata influentes con cargas de DBO superiores a las de los otros procesos.
  • Baja generación de lodos.
  • El efluente se encuentra libre de sólidos en suspensión (menor de 5 ppm) y desinfectado.
  • Absorben fácilmente variaciones importantes de composición.
  • Optimizan la retención de biomasa en el reactor.
  • No se ve afectado por los problemas de operación de otros sistemas biológicos como: bulking, fango fino, etc.
  • Perfecto control de la edad del fango.
  • Posibilidad de ampliar instalaciones existentes sin necesidad de obra civil.

El dimensionamiento del reactor biológico de membrana se plantea en función de los datos de partida anteriormente descritos.

El proceso de dimensionamiento de un reactor biológico de membrana consiste en calcular el volumen y la superficie necesaria en función de varios parámetros. Además, será necesario calcular la superficie total de membrana a dependiendo del caudal de entrada y de la permeabilidad de la membrana elegida.

Diseño del Reactor Biológico

Los parámetros de diseño para el cálculo de volumen total de reactor y superficie total son:

  • Tiempo de retención celular (Edad del fango): Este parámetro se define como la relación entre la masa de fangos existentes en el reactor y la masa de fangos en exceso extraídos por unidad de tiempo.

T_{RC}\in [18 días – 36 días]

  • MLSS: Sólidos en suspensión en licor mezcla. Para un reactor biológico de membrana:

MLSS\in [5000-7500]\frac{mg}{l}

  • Tasa de producción:

Y=0,5+0,675\cdot\frac{SS_T}{DBO_5}-0,007\cdot T_{RC}\cdot (1+\frac{SS_T}{DBO_5})

  • K_D. Es un parámetro que va en función de la temperatura. \frac{1}{Dia}.

K_D =0,02(Invierno); 0,04 (Verano)

  • DBO_5 salida =20 \frac{mg}{l}
  • Caudal medio de entrada:  Q_m=\frac{m^3}{dia}
  • DBO_5 entrada=\frac{mg}{l}

 

Con todos estos valores se procede a calcular el volumen del reactor biológico necesario, teniendo en cuenta que el caudal medio, las concentraciones de DBO5 de entrada y Kd varían en función del tiempo y del periodo del año en el cual nos encontramos (verano-invierno).

V_R=\frac{Q_m\cdot T_{RC}}{MLSS}\cdot \frac{Y\cdot (DBO_5 entrada-DBO_5 salida)}{1+K_D\cdot T_{RC}}

Una vez calculado el volumen necesario de reactor biológico se decide cuantos números de reactores se pondrán y la forma que se adoptará.

A partir de los resultados realizamos las comprobaciones de tiempo de retención hidráulico:

T_{RH}=\frac{V}{Q_m}

 

Diseño de la Cámara Anóxica

Sin entrar en detalles de dimensionamiento en este apartado, el volumen de esta parte del reactor biológico debe ser inferior al 20% del volumen total del reactor.

 

Previsión de futuro

Actualmente, en el contexto de la Ingeniería Civil en España, la construcción de obra civil se ha colapsado casi por completo.

El futuro de la ingeniería civil en España pasa por conservación y rehabilitación de las obras ya realizadas y por la apuesta y las grandes inversiones en los campos de energía renovable y de la depuración de aguas.

Centrándonos en el tema de depuración de agua residuales de España se puede decir que existe un amplio abanico de oportunidades laborales para los ingenieros civiles, en general, tanto técnicos como superiores como también para otras titulaciones tales como ingenieros químicos o biólogos.

En mi opinión, a corto y medio plazo no parece que se vayan a producir cambios realmente importantes en los procesos de tratamiento y, en consecuencia, los procesos biológicos van a continuar siendo el pilar básico de las estaciones depuradoras, eso sí, más refinados, mejor entendidos, y potenciados por la aplicación de elementos de apoyo cada vez más sofisticados, tales como la modelística y los sistemas informatizados de automatización y control.

EDAR

SISTEMAS AVANZADOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS

 

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SISTEMAS AVANZADOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS

Con relación al desarrollo de procesos nuevos, que puedan significar una sustitución de los actuales, me inclino por apostar por la tecnología de las membranas. Este tipo de procesos, que se vienen utilizando desde hace muchos años en campos que dan lugar a valores añadidos, tales como la industria o potabilización de agua y que, por lo tanto, permiten aceptar unos costos comparativamente muy altos respecto a los usuales en el tratamiento del agua residual, entiendo que tienen un futuro enormemente prometedor ya que han demostrado gran eficacia y garantía de estabilidad y sus posibilidades son, prácticamente, ilimitadas y es de esperar que la investigación pueda proporcionar nuevos materiales y sistemas de funcionamiento mucho más económicos, sencillos y, lógicamente, más eficaces en un futuro no muy lejano.

Artículo: SISTEMAS AVANZADOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS

Autor: BOGDAN N. BALTATESCU

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