WO2002000558A1 - Tratamiento de aguas contaminadas a base de aeracion capilar y recirculacion de lodos clasificados - Google Patents

Tratamiento de aguas contaminadas a base de aeracion capilar y recirculacion de lodos clasificados Download PDF

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Definitions

  • Bubble aeration system consist of the generation of bubbles at the bottom of aeration tanks, where gas bubbles are diffused in the liquid system, in some cases it is necessary that the flow of rising bubbles causes sufficient agitation, to ensure that the gas that has been transferred, diffuses enough throughout the tank, sometimes stirring equipment is installed, to improve the mixing conditions
  • one of the most relevant characteristics of this type of systems is that refers to the large amount of interface area that is generated, and that is the surface through which the gas transfer is made
  • another notable feature is the contact time that is achieved between the volume of gas confined in the bubble and the liquid, which brings as a consequence that in this type of systems high uses of oxygen are obtained, being larger the smaller the diameter of gene bubbles radas;
  • the magnitude of the interface area is a function of the average diameter of the bubbles and the amount of air supplied;
  • the contact time is a function of the bubble ascent rate, which depends on their diameter, and the depth of the tank; considering that two systems participate, one gas and one liquid, both they have a
  • the transfer can also be analyzed, considering an interphase film in the gas system, in which case it will depend on the flow conditions in the liquid interface and the concentration conditions of the liquid interface; In both cases, both the concentration factor and the renewal factor must accelerate or slow down the speed with which the mass transfer is carried out according to its magnitude.
  • Some of the disadvantages of this type of aeration system refer to the impossibility of providing effective agitation in the gaseous system, and although agitation can be applied to the liquid system, the results may not be profitable for its implementation, since due to characteristics of the gas confined in the bubble, the only thing that would be done is to transport it from one place to another, without presenting a high degree of sliding of gaseous particles, precisely in the area of the interface film, and on the other hand the volume confined per unit of generated area is relatively small, causing the effects of a long contact time to be neutralized; Bubble diffuser systems have a relatively high maintenance cost, regardless of the cost of the energy needed to compress the air, and make it reach the diffusers.
  • Contact aeration systems are formed by concrete structural tanks, which are filled with a porous material-based packaging, which can be of mineral origin such as stones, pieces of glass or prefabricated plastic material, these provide an extensive surface where microorganisms adhere forming a biological film, which remains fixed to the surface, until it reaches a thickness in which conditions arise, which allow it to be removed periodically by itself; the organisms in the film breathe the oxygen that exists in the holes formed; the drainage system allows the circulation of air up or down, depending on the temperatures of the influent and the porous medium, in order to improve the oxygen provision, especially for the film that is in the lower parts; the most usual depth is 2 meters; In these systems, the liquid is spread continuously or intermittently, for high load or low load units respectively, at the top by means of a series of nozzles mounted on sprinkler tubes, which can be fixed or have rectilinear movement or circulate, depending on the configuration of the tank; microorganisms receive food from the liquid that drains over the surface; There are currently materials, which can provide 40 to
  • An advantageous feature of this type of system is its ability to withstand sudden variations in organic load; It is also necessary that, in low load systems, a percentage of nitrification is carried out, which is due to the fact that there are types of nitrifying bacteria that develop adhered to the contact surface, for having enough time and oxygen for its development.
  • the main disadvantage consists of the large spaces, which are required for the construction of the structures; maintenance to restore operation, when flooding phenomena occur, is one of the most common problems that arise; Another effect that constitutes a disadvantage is the generation of conditions conducive to the development of flies.
  • Mechanical aeration system mechanical aeration is characterized by the use of electromechanical equipment, which works directly submerged totally or partially in the liquid, such as agitation by means of a propeller or a turbine, a vane agitator or a brush-type agitator from Kessner, which is usually installed over the course of a canal or ditch.
  • the agitator element fulfill two basic functions that are: agitation, in order to generate a certain interface surface, and secondly to provide agitation, in order to achieve a mixture that provides adequate contact, between the contaminating organic nutrients, the bacteriological organisms that will be responsible for metabolizing the organic matter and dissolved oxygen, which is transferred through the generated interface surface.
  • Another aspect that compensates for, the deficit effects of a large area of 5 interface and long contact times, in these cases, is the application of longer retention times, a concept that involves managing large structures, making this a disadvantage of economic type .
  • the main advantages refer to the excellent conditions of 0 concentration, both in the liquid and gaseous interfaces, which are very favorable, and the renewal factors are excellent in both the liquid and gaseous systems, to the extent that they compensate for the deficits of a large interface area, or a long contact time.
  • Conventional aeration this consists of subjecting the sludge to the aeration process, which can be mechanical or of bubbles, during a certain period of time from 6 to 8 hrs; recirculating, from 20 to 30% of sludge, which is mixed with the influent;
  • the conventional process may be provided with a primary sedimentation stage, and a secondary sedimentation stage. 5
  • Staggered aeration In this system, the influent is distributed in several points of the tank, and the recirculated sludge is introduced at the initial point, where the influent's waters are entered, this implies that the concentration of solids is greater at the beginning and decreases, at as the waters go or moving towards the other stages; With this modification it is possible to reduce the retention time by up to 50%, as long as the residence time of sludge is handled between 3 to 4 days, in this process the basic aeration system is by means of bubbles, although it can also be Mechanic in some cases.
  • Graduated aeration This process has the peculiarity of assuming that the largest BOD is at the beginning of the. tank, and it decreases as it progresses, so that a greater injection of air is made at the beginning, and it decreases as it approaches the effluent outlet, in this process the basic aeration system is by means of bubbles.
  • Extended aeration Also known as prolonged aeration, this process is characterized by the application of longer retention times, to achieve high levels of BOD depletion, therefore the process can be applied with bubble aeration systems and mechanics.
  • Aeration activated here the excess sewage sludge is channeled, mixed with raw sewage, subjected to aeration to condition them and thus maintain a source of active sludge, which allows intensifying or restoring the continuity of biological activity, when it is affected by the introduction of toxic substances, or sudden overloads that inhibit biological activity;
  • the basic aeration process can be mechanical or bubble.
  • Classified aeration method consists in subjecting the sludge within a treatment system, to any compatible aeration process, but with recirculation of previously classified sludge, that is, it will no longer be recirculated discreetly, based on the following:
  • Light sludge these are constituted by fine particles that have the lowest sedimentation rates, which can be of organic matter, partially stabilized matter, or that has been assimilated in the generation of new bacteria, also small flocs formed by bacteria that initiate their development, which due to their size, they settle along with light sludge; All this makes light sludge the most biologically active, a quality that must be considered, to handle them more conveniently within the plant.
  • the objective of classified aeration is to contribute to improve the operation of treatment plants in the following aspects:
  • the inert bacteria which are the ones that mainly make up the largest and heaviest flocs, that is, the most stabilized ones, being these the ones that can be removed without running the risk of eliminating new sludge, and by recirculation, of the light sludge, it is guaranteed that the sludge in the process of development or new sludge, continue its development inside the tank, until they acquire the characteristics that can make them reach the section of heavy sludge.
  • Sludges that are channeled to be removed as excess sludge can be handled with less intense unpleasant odors, since they have been classified and They correspond to the most stabilized, so in case they are applied a final stabilization treatment, this will be with shorter retention times, and by the same degree of stabilization, the concentration or thickened operation is facilitated more, for its post treatment that can be drying in sand beds.
  • Capillary aeration system as such; It consists of a set of ducts that form plates or sheets of ducts, which can be manufactured with environmentally resistant covers, such as high density polyethylene and PVC, this system provides most of the oxygen that the process demands, since a Small part of oxygen is transferred on the surface of the oxidation tank, by the action of a small-scale mechanical aeration system, which is applied for mixing purposes to facilitate the contact of 0 2 , bacteria and contaminating organic matter, in addition to achieve a complementary aeration within the same tank;
  • the set of ducts was conceived in such a way that practically 100% of the available surface can be used, which is achieved by generating a liquid sheet over the entire perimeter of the duct internally, this is achieved through the design of flow deflectors, which are illustrated in the following:
  • Figure 1 plan view of a flow deflector, within the capillary duct.
  • Figure 2 view of a section of a side section of a flow deflector.
  • Figure 3 side view of a flow deflector.
  • Figure 4 view of a front section of a flow deflector.
  • baffles The ducts formed by PVC sheets (No 1), inside which are inserted a series of baffles (No 2), which can be of the same material as the duct, or a soft rubber to allow the introduction of a tool , to uncover if any type of plugging;
  • baffles are attached to the duct sheet, by means of the baffle support (No 3), these baffles provide several features that are described below:
  • This system is one of the most manipulable treatment systems, and also predictable, allow to vary flow conditions in the liquid system, flow conditions in the gas system and biological conditions of the sludge that is recirculated, all these variations can be managed independently to be studied, they can be observed and measured, so that they make the system among other applications suitable for the implementation of prototypes for scientific and university research; during the operation of the system, at the time of exposure, and due to diffusional characteristics, an amount of oxygen is absorbed by the liquid system, to be transported to the oxidation tank in the form of microbubbles or dissolved oxygen OD, an action that is facilitated because at the interface surface, intermolecular forces are in imbalance, so this surface will be more receptive to the OD; Due to their handling characteristics, it is clear that the effects of limitation, as they are confined volumes, as in the case of bubble systems, can be compensated here with the injection of more air, without considerable increases in energy or, of higher dosage of liquid.
  • the capillary aeration system has a novel feature, which refers to the possibility of designing and building an aeration system, which allows taking advantage of both the upper and lower surface of a duct, according to the profile shown in fig. 2, with this, the contact surface of the interface is increased by the use of the entire possible surface, that is, the liquid flows throughout the inner periphery of the pipeline, this can be generated thanks to the surface tension property of the water , which allows it to slide over the upper surface, under certain conditions of slope and roughness, allowing a second internal gaseous flow to pass, such that the oxygen concentration in the gas interface is improved, at levels that favor oxygen transfer, with Low power consumption
  • Figure 5 plan view of a sheet of capillary ducts.
  • Figure 6 side view of a block of capillary duct sheets.
  • Figure 7 front view of a block of capillary duct sheets.
  • Fig. 18 shows the behavior of the concentration, in the liquid system within the capillary aerator, first of all, the graphs (No 3), represent the variation of the concentration in the liquid interface films, which have a period of time, which It is a function of the contact time and the surface renewal factor, each cycle of these graphs starts with a corresponding Ctil concentration, to which the liquid sheet has inside the duct at that precise moment, reaching the concentration that allows the exposure of a new movie; the graph (No 4) represents the behavior of the oxygen concentration, in the liquid sheet inside the duct, the initial concentration of this graph is the Cio concentration of oxygen, which is normally maintained as an average in the biological oxidation tank;
  • the Clt (No 15) output concentration is that which is reached in the time of (No 8), in the liquid film inside the duct it can reach the saturation concentration Cls (No 1) in a time tls ( No 9) if you have enough length in the ducts, or the conditions of availability of oxygen and the thickness of the liquid film allow it, but
  • the graph (No 6) shows the time (No. 10), which would take the system to reach saturation concentration within the volume of the tank, under conditions of biological equilibrium;
  • the graph (No 6) shows the time (No 11) that is necessary, to satisfy the biochemical oxygen demand, of a volume equal to that of the oxidation tank, the time to achieve the BOD satisfaction of the tank volume, is what is commonly known as retention time TR, if this time is divided by the time required for saturation of the volume of the tank, this will indicate the number of times to be saturated, completely the volume of the tank , to meet the BOD demand of the tank volume;
  • the graph (No 7) serves as a reference point, since we will always try to provide sufficient oxygen to achieve the metabolism of BOD, contained in the daily volume, in the unit of time (No 12), which is usually one day, this serves to modulate our system at the time of design;
  • the axis of the ordinates (No 10) represents the concentration of dissolved oxygen in mg / l, and the axis of the coordinates represents
  • Fig. 19 represents the behavior of the gaseous system, within a treatment system, where the transfer takes place through a contact surface, so that the mathematical model of the interface films is applicable, which can be deduced from the figure in question;
  • the graph (No 4) represents the behavior of the oxygen concentration, in the atmospheric air inside the capillary duct, where in an analogous way, if it is of sufficient length and the conditions of the liquid system allow it, the oxygen concentration can decrease up to a concentration Cgs (No 2) in the time tgs (No 6), it is also necessary that in the gas flow, within the conduit the concentration Ctg (No 9) can be reached in the contact time TC (No 5), which may be the same as that used in the liquid system;
  • the graph (No 3) represents the behavior of the concentration in the gas interface, which begins in each cycle with the concentration Ctigo, which has the gas flow, within the duct at that precise moment; The gas flow will always start with the concentration of atmospheric air.
  • the factors that determine the flow turbulence, and with it the surface renewal factors are: the thickness of the flow sheet, the slope of the sheets, the number of baffles as well as the interior dimensions of the duct, all this allows manipulate or vary the Reynolds number, which is an indicator of the turbulence conditions being handled; the way in which the energy dissipates, is producing turbulent conditions precisely in the entire liquid film, to achieve high transfer rates, with lower energy consumption, than in the mechanical aeration systems, and with retention times Lower; the energy that is supplied to the fluid begins to be released in the descent of the liquid, developing a flow rate, which is a direct function of the slope and the roughness conditions, equivalent of the diffusers that have three specific functions, induce the formation of the upper fluid sheet, increasing the interface surface, It limits the speed of the flow, improving the contact time and helping to increase the turbulence, favoring the renewal of the interface limit film.
  • transition flow in this type of flow, the liquid film of the interface zone, begins to renew slowly, so that it is very feasible that there is a Reynolds number, which limits the laminar flow in order to establish the transfer that occurs in laminar flow conditions, so that later, a reference can be made with other speed conditions, for which the Reynolds number and the transfer, can give an idea of the theoretical number of films involved in a given system.
  • Vi Speed with which the interface moves in m / s.
  • this speed depends on the slope of the ducts, the density of baffles per unit length, the thickness of the flow sheet and the kinematic viscosity of the fluid, the indicated speed corresponds to a specific design , driving water at 20 ° C with a slope
  • Vd Daily volume in m / day of sewage.
  • NC Number of ducts.
  • 0.048 and 0.08 are the interior dimensions, intended for the passage of gas flow in a given duct.
  • the kinematic viscosity considered for the liquid is: 0.00000101 m / s
  • the kinematic viscosity considered for air is: 0.0000135 m / s
  • the thickness of the gas interface film is determined based on the flow provided by the required transfer, based on the utilization coefficient of each type of system.
  • the velocity constant K is a function of the diffusion coefficient of oxygen in the liquid, the thickness of the film considered, the varying concentration conditions, and of the surface renewal factor of the FRS system, and of a Kp factor, which represents the number of times, the oxygen diffusion coefficient, referenced at 20 ° C and at sea level, is multiplied by the level of saturation in the interface zone; Considering all these aspects, it is necessary that the rate constant in the oxygen concentration change, in the flow sheet inside the duct is:
  • Kdlc Speed coefficient with which the oxygen concentration change is made, in the liquid system within the ducts.
  • the value of the oxygen coefficient must be referred to the average operating conditions of the process where it is applied, considering the temperature and concentration of suspended solids.
  • Ecl Thickness of the liquid layer inside the capillary duct.
  • FRIG Renewal factor of the interface surface in the gas system, has dimensions s "1 and the initial value that this factor can have, is 1 due to the behavior of the films or sheets in a laminar flow in the gas system, and it can increase up to a value determined by the turbulence conditions induced by some means.
  • Kpl Adjustment factor that allows to adjust the mathematical model, developed for the liquid system, represents the number of times that Kd is multiplied due to the concentration conditions.
  • FRIL Renewal factor of the interface film in the liquid system, which has dimensions s "1 and depends on the flow conditions, that is, its minimum value must be 1 and corresponds to the static conditions or laminar flow At the transition flow, its optimum value will be when the turbulence conditions are provided that provide the highest transfer rate in profitable conditions.
  • Kdgc - Kdg x FRIL x Kpg Ec 20
  • Kpg Adjustment factor that allows to handle the mathematical model developed for the gas system, represents the number of times that Kd is multiplied, due to the oxygen concentration conditions in the gas system.
  • the coefficient 0.84 is based on the consideration, that the conditions that occur in bubble aeration systems are similar in terms of the way in which the transfer is carried out, but with their respective characteristics each, so It is considered that, on equal terms, there must be the same use, which is considered 16% of atmospheric oxygen, that is, in terms of this percentage, it is said that if a system uses 100% of usable oxygen, in.
  • the system only takes advantage of 16% of the atmospheric oxygen that passes through the system;
  • this coefficient differs when there are changes in the equilibrium conditions, from the stresses on the interface surface, which determine the intensity of the surface tension, due to the forces of Van der Walls, which is very feasible , and in the event that this hypothesis is confirmed, it would be positive as shown by mechanical aeration treatment systems, in these the interface surface is very small, but its reception capacity is very large, which may be due, in addition to the favorable concentration factors, to the condition of imbalance of the intermolecular forces, characteristics on a flat surface of a liquid such as water and that determine the surface tension, because as some studies of physics, the spherical surface of a drop or a bubble, they represent a surface whose efforts due to Van der Walls forces are balanced, which implies very rigid surface structures that can constitute a resistance, to a certain transfer being made through it, and of course, it is also very This structure is likely to represent a resistance to the surface renewal process, causing the transfer to be
  • the aeration system is capable of transferring a percentage of this gas, as mentioned by Motarjemi and Jameson according to Michael A. Wintler in his book Biological treatment of wastewater, on the use of oxygen in a bubble system, in such a way that under certain considerations, some proposed values have been estimated in the capillary systems, so a practical application should be supported with laboratory tests.
  • nterfase area which in the case of capillary systems, is the internal area of the conduit in operation, which limits the liquid system of the gas system, is determined as follows:
  • ANC Nominal duct width.
  • HNC Nominal duct height
  • ENLF Nominal thickness of the flow sheet, without baffles.
  • LRL Actual length of duct sheet.
  • the interface surface may have changes, such as the height of a bubble aeration tank, or the radius equivalent of the surface area of a mechanical aeration tank, or the length of the capillary ducts, through which changes in the interface surface are presented, to consider the relevant variations for each case, that is, the change is analyzed which manifests the surface within 1 s of this path; so we would have a series of bubbles of 1 mm in diameter, will travel a length of 0.13 meters. that is, at a speed of 0.13 m / s, which would correspond to a specific time of 1 s. in such a way that if the tank is 3 meters. deep, the contact time would be 23 s; in the case of ducts with a density of 3 deflectors per m. in length, driving a
  • Another concept involved is that which refers to a correction factor for the interface area, which, in the case of bubbles, depends on the difference in pressure, to which the air is injected and the pressure at which it is released, which corresponds to atmospheric pressure;
  • the analogous factor for capillary aeration systems is to establish a correction to the original area, produced by the structure of the duct walls, depending on the thickness of the liquid fluid sheet, and the variations that will occur, when develop a growth of biological film, on the inner walls of the duct; although it is sought not to promote this film when working the system continuously, and not to allow light infiltration, so that the surface of the ducts will generally be submerged, preventing the bacteria that develop attached to the walls, do not find the conditions conducive to your development; assuming that some biological development could occur, this can be limited by maintenance actions, when a film of 0.004 meters is presented, although it is feasible that these conditions do not occur, it is assumed that in case of certain bacteriological development, this behaves in the same way, as it behaves
  • the retention time is the time that the waters in process are subjected, to reach a certain degree of treatment, depending on the process that is applied, as well as the BOD levels of the influent and the BOD admitted in the effluent, making a study comparison between bubble aeration systems, a mechanical aeration system and classified capillary aeration systems, and given that the magnitude of the interface area is considered to be reasonably exceeded to the mechanical aeration system in the extended aeration mode, and assuming that the conditions of concentration, and interface surface renewal, are the most suitable for having a high oxygen transfer rate, and with an adequate culture of microorganisms, the estimated retention times will be between 6 and 12 hrs, depending on the objectives and conditions of each case.
  • TR Retention time in s.
  • Catm O 2 concentration in atmospheric air in mg / l.
  • % 0 2 d Percentage of atmospheric oxygen, which biological treatment systems can provide.
  • % 0 spicya Percentage of oxygen available, which is used by the treatment system with the conditions of each system.
  • the instantaneous air flow is determined by:
  • BODI oxygen transfer rate that is, the demand that the waters in process, or, that the system must handle in Kg 0 2 / s, and which is determined by:
  • BOD is the biochemical demand for oxygen in Kg 0 2 / m of sewage
  • the instant transfer rate can also be obtained from the following equations:
  • TTL and TTG in mg / (l x s), Ac in m / m, VI and Vg, in m / s, TR in s and Ecl and Ecg in m.
  • Kg O The amount of oxygen in Kg 0 2 that is required to lower the BOD, of the volume of sewage entered in the TR period, for practical purposes can usually be determined experimentally in a laboratory, not to rely on bibliographic references, for the reason of that the physical chemical and biological characteristics of water change from one place to another, theoretically, the Kg O can be calculated by.
  • TTLO TTL x (ai x VI x TC x TR x Ecl) / 1000 Ec 31
  • VI Speed of liquid flow inside the duct, in m / s.
  • Vg Speed of the gas flow inside the duct, in m / s.
  • Ecl Thickness of the fluid sheet inside the duct in m.
  • Ecg Thickness of the gaseous sheet inside the duct in m.
  • the rate of change of oxygen concentration in the liquid gas system would be determined by:
  • FCIL Concentration factor in the liquid interface, which normally has an initial value of 1 and will vary depending on the conditions of each system.
  • FCIG Initial concentration factor in the gaseous interfaces, this factor is dimensionless and will have an initial value of 1, for most cases, this factor, in capillary aeration systems, usually decreases to longer duct lengths, depending on the conditions of each system.
  • (Catm -Cgs) Equations 41 and 43 represent the mathematical model of the behavior of the liquid system as can be seen in fig. 18, where; the axis of the ordinates (No 14) represents the concentration of oxygen in mg / l of the liquid system, the axis (No 13) represents the time in seconds on a logarithmic scale; mass transfer is the sum of millions of transfer events in each cycle formed by the division of each second, in a number of cycles determined by the surface renewal conditions, these events are represented by the graphs (No 3) which are derived from the graph (No 4), and represents the transfer of oxygen that is transferred in each interface film segment, which as you can see, each cycle is different in the first place because the initial concentration Ctil is increasing as the liquid sheet moves; the speed with which the transfer is carried out is not constant and finally the reference frame that corresponds to the concentrations of both one system and the other changes with respect to time, so that the constants used in the equation must consider all these adjustments; Cls saturation concentration (No 1) is a transfer limiting factor
  • Equations 42 and 44 represent the mathematical model of the behavior of the gas system as can be seen in fig.
  • the transfer capacity depends on the flows of liquid and gas, which are channeled to the set of ducts, to form the surface of the liquid and gas sheet, with the appropriate thickness, in the
  • the management of the gaseous flow does not have any handling problem, due to the low amount of energy that its management requires, referring to the liquid flow, this requires greater care in the analysis, due since it is the means of transport of dissolved oxygen, which is transferred to the oxidation tank, so that the flow of liquid must be sufficient so that the flow of oxygen is as required, and does not have obstacles due to the concentration of sewage, to operating conditions such as temperature among others;
  • the efficiency of the system will obviously depend, on handling the lowest concentration at the entrance of the ducts, to achieve the greatest difference with the liquid outlet concentration, it will depend on achieving the longest possible contact time, and on the greatest possible turbulence but with the slope that implies the lowest height, so that the energy consumption is the lowest possible.
  • the purpose of the sieve design is to strain the influent's sewage so that it passes directly from the sieve to the oxidation tank, without the need for a discharge pipe at the outlet of the flow already cast, this element significantly decreases the BOD, by separating a certain amount of organic matter in the form of small suspended solids, which if introduced into the aerators could possibly cause blockages in the capillary systems; on the other hand, if the aeration system has the capacity to provide sufficient oxygen, to process these solids biologically, they can go through a crushing process and return them to the treatment, so as not to cause a large amount of untreated organic solids, which can cause contamination problems, proper management of these could be drying in the sun for subsequent incineration, or bury them in previously sealed pits, then close them and by an anaerobic process cause degradation; in this way, the oxidizing capacity of the treatment plants that could be applied to these solids is used to achieve better effluent quality; the design of the screen, considers that the structure is balanced
  • FIG 9 plan view of the screen.
  • Figure 10 side view of the screen.
  • Figure 11 front view of the screen.
  • Its operation consists of entering the waters, through the inlet pipe (No 3) to a landfill box (No 1), which distributes all the inlet flow, along a landfill plate;
  • the sieve is designed in such a way that the waters fall directly to the aeration tank, the waters that leave the spout, fall to the sieve (No 2), all separated solids skid over the sieve and fall into a wheelbarrow, where periodically they are removed for later handling;
  • the screen box has a purge (No 4), which has the function of maintaining cleaning and unwrapping if required;
  • the construction materials normally used are:
  • the entire structure can be made of carbon steel, and optionally stainless steel, the element that forms the sieve, as it is constituted by very thin elements, it is necessary that it invariably be stainless steel.
  • Mechanical stirrer It is an optional element, which in certain circumstances, can provide agitation, to prevent the formation of sediments in the oxidation tank, can reinforce the mixing action, or it can add by agitation, a complementary transfer of oxygen, this element, is illustrated in the following:
  • Figure 12 plan view of the mechanical agitator.
  • Figure 13 front view of the mechanical stirrer.
  • Figure 14 side view of the mechanical stirrer.
  • the agitator has been designed to suction a flow vertically and project it horizontally, to induce mixing or agitation within the capillary aeration tanks, optionally it can provide a complementary aeration within the classified capillary aeration process, for the treatment of sewage , where it is required to direct the flow conveniently, the agitator consists of a deflector elbow (No 1) that is submerged in the waters under treatment, in the lower part of the elbow the propeller (No 2) is housed, formed by blades, which they are solidly screwed to a blade holder, which has a cradle that solidly fixes the arrow, which is moved by the gearmotor (No 3), which can be replaced by a speed variator, to be able to supply a larger energy at certain times; the elbow is supported by a structural steel pedestal (No. 4), which hangs from a structural base (No. 5);
  • the design of the propeller is based on the following formulation:
  • the width of the propeller blade is:
  • the design attack angle is in the following range:
  • Qag Flow generated to create the required mixing conditions, approximately 60 Ips for each Ips to be treated in case it is required to achieve an additional oxygen transfer, the corresponding analysis should be done.
  • Vtan mean tangential velocity, which for practical purposes is considered the tangential velocity of a point, located 2/3 of the center of the propeller towards the end of it.
  • Vtan RPM / 60 Dme x p ⁇ Ec 48
  • the manometric height developed by the propeller is given by:
  • the acceleration of gravity is: 9.81 m / s.
  • the length of the blade is a function of:
  • DHE outer diameter of the propeller.
  • the power transmission capacity of the arrow is given by:
  • PHE depth at which the propeller is in m.
  • the power demand of the propeller is given by:
  • Ef Volumetric efficiency of the propeller, considering approximately 0.8. Functioning:
  • Assorted capillary aeration tank consists of an aration system, which is illustrated by fig. 8, this works as follows:
  • FIG. 15 shows a flow chart, where a treatment system is schematically represented, based on capillary aeration with recirculation of 2 strata of classified sludge, of a single stage, to remove the carbonaceous matter, which is described below:
  • the influent enters through a sieve of solids (No. 7), reaching the oxidation tank (No. 1), in this tank, where the waters are aerated and agitation is provided to have adequate mixing, in addition to that optionally, a greater amount of energy can also be dosed to generate a complementary aeration; after having received sufficient aeration, the treated liquor passes to the sedimentation tank (No 2), provided with a sludge sorting system, where the aerated liquor is clarified; the clarified water leaves the settler through the outlet pourer (No 5), towards the next stage that will usually be a tank where chlorine is applied, in order to eliminate pathogenic bacteria;
  • the classification of sedimented sludge is in two strata, which are: heavy sludge (No 6), which will be removed from the system, when there is an excess of sludge in the aeration tank, so that these do not acquire anaerobic conditions, they can be recirculated by a branch in section (No 3) of
  • FIG. 16 shows a flow chart, where a treatment system is schematically represented, based on capillary aeration with recirculation of 2 sludge strata classified, in two stages, to metabolize or the BODC in a first stage, and a nitrification that starts In the first stage and complemented in a second stage, this process is described below:
  • the influent enters through a sieve of solids (No 11), when it comes to the first stage, or by going to the oxidation tank (No 1)
  • the intermediate and light sludge, sedimented in the first stage will be recirculated daily to maintain in the aeration tank of the first stage, very active biological conditions, the clarified water in the first stage of sedimentation , it passes to the biological oxidation tank of the second stage (No 3), normally provided with the same aeration systems, in this tank, depending on the objectives and the specifications of the treatment, it is feasible that the BODc is finished down and partially a good proportion of the BOD, the aerated liquor in this tank passes to the final settler (No 4), where the heavy sludge settled in this stage, can be recirculated daily to the first stage, for the reason that they will carry a good proportion of nitrifying bacteria, which are of a slow development and therefore, it is not convenient to eliminate them at this stage, since by recirculating them, it is possible to return all viable nitrifying bacteria, causing the nitrification to start from the First stage
  • a flow chart is shown, where a treatment system is schematically represented, based on capillary aeration with recirculation of 3 strata of classified sludge, of three stages, this process partially eliminates a quantity of the BODC, and a small part of the BOD in the first stage, in the second stage the remaining BODc is eliminated and gradually a greater BODn, in the third stage the elimination of the BODn is complemented;
  • the process is described below:
  • the influent enters through a sieve of solids (No. 17), arriving at the oxidation tank (No. 1), where the same conditions occur as in an aeration tank of a single stage system; After having received sufficient aeration to achieve the removal of a good part of the BOD, reaching a small part of the biochemical demand of the nitrogen organic matter (BOD), the treated liquor passes to the sedimentation tank ( No 4), provided with a classifying system of three types of sludge, where the aerated liquor is clarified in the first stage, the clarified water leaves the settler towards the second aeration stage (No 2), the heavy sludge (No 7) , sedimented in the first stage of sedimentation, together with the heavy sludge of the second stage (No 10), are recirculated or are removed as excess sludges moving towards a final stabilization stage or thickening for subsequent drying; the intermediate sludge (No.
  • the light sludge (No 9), the light sludge of the second stage (No 12) and the heavy sludge of the third stage, are recirculated to the first aeration stage, with the aim of generating a high degree of inoculation of both bacteria heterotrophic as nitrifiers of the first and second stage of nitrification, that is to say nitrosomonas and nitrobacter in this way, there is a gradual nitrification from the first stage; the liquor treated in the tank of the second stage passes to the sedimentator of the second stage (No 5), where, as already indicated, three types of sludge are obtained;
  • the nitrifying bacteria are retained, which, as already indicated, the heavy sludges that settle in this stage, are recirculated to the first stage, to promote nitrification from the first stage, and thus maintain a long time of residence, of the nitrifying bacteria that are of very very slow development, especially the nitrosomones that metabolize the ammoniacal nitrogen to nitrites; the light sludges are recirculated to the tank of the third stage, to always maintain the most intense nitrification in stage three; finally the clarified waters of this stage can pass to a chlorination tank, where chlorine disinfection is carried out, with disinfectant purposes to eliminate pathogenic bacteria; it is possible to make different combinations in the channeling of sludge, depending on the degree of contamination of the influent, the proportion of carbonaceous and nitrogen contaminants,

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Abstract

Tratamiento de aeración capilar con recirculación de lodos clasificados, para tratar aguas negras, municipales o residuales en algunos casos; formado por las siguientes etapas: Cribado del influente, mediante criba de sólidos, para aguas crudas únicamente. Bombeo de recirculación; de aguas con menor cantidad de oxigeno disuelto del tanque de oxidación biológica al aerador capilar. Inyección de aire; mediante ventilador de aspas, para mantener altas concentraciones de oxigeno en el aire dentro del aereador. Agitación; mediante agitador mecánico se proporciona opcionalmente agitación, mezclado y aeración complementaria. Aeración capilar, al recircular el licor mezclado, e inyectar aire, se genera la interfase líquida y gaseosa, que provocan la transferencia de oxigeno, dentro del aerador, formado por los conductos capilares. Sedimentación con clasificación de lodos, con la finalidad de no emplear lodos activados discrecionalmente en sus características cualitativas, en esta etapa se clasifican los lodos en pesados, intermedios y ligeros, para recircular los ligeros, y recircular o retirar los pesados, cuando existan exceso de lodos. El tratamiento, puede aprovechar la energía potencial, que se desperdicia en cursos rápidos de aguas negras, con desniveles de 5 a 30 mts, permitiendo un ahorro importante de energía, al disminuir la energía de rebombeo y agitación.

Description

TRATAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS A BASE DE AERACIÓN CAPILAR Y RECIRCULACION DE LODOS CLASIFICADOS.
Campo técnico:
Tratamiento biológico de lodos activados para aguas negras municipales o residuales industriales:
Antecedentes:
En la actualidad, se tienen conocidos varios métodos de aeración con recirculación de lodos activados, manejados discrecionalmente en sus caracteristicas cualitativas, en tratamiento de aguas negras, municipales o residuales industriales en algunos casos, en forma general se describen, las características de sistemas que se han manejado, para establecer la diferencia con respecto al que se ha denominado como aeración capilar clasificada.
Sistema de aeración por burbujas, estos consisten en la generación de burbujas en el fondo de tanques de aeración, donde burbujas de gas se difunden en el sistema líquido, en algunas ocasiones se tiene que el flujo de las burbujas en ascenso provoca la agitación suficiente, para lograr que el gas que ha sido transferido, se difunda lo suficiente en todo el tanque, en algunas ocasiones se instalan equipos de agitación, para mejorar las condiciones de mezclado, una de las características mas relevantes de este tipo de sistemas es la que se refiere a la gran cantidad de área de interfase que se genera, y que es la superficie a través de la cual se efectúa la transferencia del gas, otra característica notable es el tiempo de contacto que se logra entre el volumen de gas confinado en la burbuja y el líquido, lo cual trae como consecuencia que en este tipo de sistemas se obtengan altos aprovechamientos del oxigeno, siendo mayor entre más pequeño es el diámetro de burbujas generadas; la magnitud del área de interfase es función del diámetro medio de las burbujas y de la cantidad de aire que se suministra; el tiempo de contacto es función de la velocidad de ascenso de la burbuja, que depende del diámetro de las mismas, y de la profundidad del tanque; considerando que participan dos sistemas, uno gaseoso y otro líquido, los dos tienen una película límite que los divide, llamada superficie de interfase gaseosa y superficie de interfase líquida respectivamente, en torno al sistema líquido, hablando de una película de interfase líquida se tiene que la transferencia del gas, es función de las condiciones de flujo existentes en el sistema gaseoso, es decir, un flujo entre laminar y de transición tendrá un factor de renovación de interfase cercano a la unidad, por lo que la transferencia en estos casos, será función únicamente del coeficiente de difusión del gas en el líquido, y del espesor de la película de interfase líquida considerada, el factor de renovación se irá incrementando cuando se incremente la turbulencia del fluido gaseoso, la transferencia de gas hacia el sistema líquido, depende también de las condiciones de concentración del sistema gaseoso que proporciona el 02.
Se puede analizar también la transferencia, considerando una película de interfase en el sistema gaseoso, en cuyo caso se dependerá de las condiciones de flujo en la interfase líquida y de las condiciones de concentración de la interfase líquida; en ambos casos se tiene que, tanto el factor de concentración como el factor de renovación, aceleran o frenan la velocidad con que se efectúa la transferencia de masa según su magnitud.
Los materiales tensoativos, altas temperaturas y altas concentraciones de contaminantes, tienden a disminuir la velocidad de la transferencia de oxigeno, ya que la rigidez de la estructura esférica de la burbuja, sobre todo en las burbujas mas finas, demanda mas disipación de energía para que se de la renovación de la superficie de interfase líquida, específicamente esto se debe a que la tensión superficial del líquido, se incrementa y genera una mayor resistencia, a la deformación de la película esférica de ¡nterfase líquida, cuando esta superficie se encuentra en equilibrio, como sería en este caso las burbujas.
Algunas de las desventajas de este tipo de sistema de aeración, se refieren a la imposibilidad de proporcionar agitación efectiva en el sistema gaseoso, y aunque se puede aplicar agitación al sistema líquido, los resultados pueden no ser rentables para su implementación, ya que por las características del gas confinado en la burbuja, lo único que se haría es transportarlo de un lugar a otro, sin que se presente un alto grado de deslizamiento de partículas gaseosas, precisamente en la zona de la película de interfase, y por otro lado el volumen confinado por unidad de área generada es relativamente pequeño, haciendo que los efectos de un tiempo de contacto largo se neutralicen; los sistemas de difusores de burbujas tienen un costo de mantenimiento relativamente alto, independientemente del costo de la energía necesaria para comprimir el aire, y hacerlo llegar hasta los difusores.
Sistemas de aeración por contacto; estos están formados por tanques estructurales de concreto, los cuales, están llenos de un empaque a base material poroso, que puede ser de origen mineral como piedras, trozos de vidrio o material prefabricado de plástico, estos proporcionan una extensa superficie donde se adhieren los microorganismos formando una película biológica, la cual permanece fija a la superficie, hasta llegar a un espesor en el que se presentan condiciones, que permiten que esta se remueva por si misma en forma periódica; los organismos de la película respiran el oxigeno que existe en los huecos formados; el sistema de drenaje permite la circulación de aire hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de las temperaturas del influente y del medio poroso, con la finalidad de mejorar la disposición de oxigeno, sobre todo para la película que se encuentra en las partes bajas; la profundidad mas usual es de 2 mts; en estos sistemas, el líquido es esparcido en forma continua o intermitente, para unidades de alta carga o baja carga respectivamente, en la parte superior por medio de una serie de boquillas montadas sobre tubos aspersores, los cuales pueden estar fijos o bien tener movimiento rectilíneo o circular, dependiendo de la configuración del tanque; los microorganismos reciben el alimento del líquido que escurre sobre la superficie; en la actualidad existen materiales, que pueden proporcionar de 40 a
2 3
100 m /m de superficie específica, para cubrir un rango amplio de necesidades, por la forma de aplicación y disposición del área, se aprovecha aproximadamente de 40 a 85 % de la superficie, la cual es mojada a intervalos de aproximadamente cada 5 mín. para el caso de instalaciones de baja carga o bien, en forma continua para las instalaciones de alta carga; las unidades de baja carga, suelen manejar
3 2 una carga hidráulica de 1.5 a 6 m /m x día total, y una carga orgánica de 0.08 a
3
1.5 kg/m de volumen útil del tanque; las unidades de alta carga pueden manejar
3 2 3 una carga hidráulica de 7 a 25 m /m x día y una carga orgánica de 1.6 a 15 kg/m de volumen útil del tanque; los sistemas de aeración por contacto llamados también filtros goteadores, alcanzan a eliminar de 80 a 85 % para los de baja carga y 50 a 79 % para los de alta carga.
En referencia, exclusivamente al proceso de aeración por contacto, se tiene que este se inicia desde el momento, en que las boquillas de los aspersores, generan el conjunto de gotas que forman una lluvia, ya sea intermitente o continua según el caso, en esta etapa el tiempo de contacto y el área de interfase son muy pequeños por lo que sus efectos son insignificantes; al llegar las gotas y hacer contacto con el medio filtrante, el líquido se extiende y va escurriendo sobre las paredes del filtro, de tal forma que el espesor de la película líquida, va siendo cada ves mas pequeño hasta que llega un momento en que, debido a las propiedades de la tensión superficial y las condiciones viscosas del líquido, este se desplaza a una menor velocidad y por los efectos de la gravedad, el líquido se irá filtrando o drenando por los pequeños intersticios de la película, dando oportunidad para el caso de la aplicación intermitente, de que la película absorba líquido y este al escurrirse por los efectos de la gravedad, ayuda a que los espacios desocupados, se llenen de aire, el cual, al llegar una nueva película de líquido y materia orgánica contaminante, se posa en los espacios desalojados por el líquido de la película anterior, atrapando microburbujas de gas; es importante mencionar que cuando se está manejando una alimentación continua, el proceso se comporta como los proceso de lodos activados, es decir, la actividad biológica en la película, baja su intensidad y se genera una gran parte de la actividad biológica, por las bacterias que se encuentran suspendidas en el líquido; otra característica de estos sistemas, consiste en que tienen una inmensa superficie de contacto, y relativamente tiempos de contacto y un tiempo de retención relativamente corto, la configuración del sistema, demanda un volumen grande para la generación de la superficie de interfase, esto es por el espacio que ocupa el material sólido del filtro y los espacios vacíos, que constituyen una de las características de este tipo de unidades.
Una característica ventajosa de este tipo de sistemas, es su capacidad para soportar repentinas variaciones de carga orgánica; también se tiene que, en los sistemas de baja carga se efectúa un porcentaje de nitrificación, lo cual se debe al hecho de que existen tipos de bacterias nitrificantes, que se desarrollan adheridas a la superficie de contacto, por disponer del tiempo y del oxigeno suficiente para su desarrollo.
La principal desventaja consiste en los grandes espacios, que se requieren para la construcción de las estructuras; el mantenimiento para restituir el funcionamiento, cuando se presentan fenómenos de encharcamiento, es uno de los problemas mas comunes que se presentan; otro efecto que constituye una desventaja, consiste en la generación de condiciones propicias para el desarrollo de moscas.
Existen una serie de artificios introducidos a este tipo de sistemas de aereación, con la finalidad de adecuarlos a un mayor número de necesidades en el tratamiento, tales como la recirculación de lodos del sedimentador primario, del sedimentador secundario, del mismo efluente del tanque de aereación, en distintos porcentajes; también existen los sistemas de una y dos etapas, siendo normalmente la primera etapa de alta tasa y la segunda de baja tasa.
Sistema de aeración mecánica; la aeración mecánica se caracteriza, por el uso de un equipo electromecánico, que trabaja en forma directa sumergido total o parcialmente en el líquido, como puede ser la agitación por medio de una hélice o una turbina, un agitador de paletas o un agitador tipo cepillo de Kessner, el cual usualmente se instala sobre el curso de un canal o zanja.
En todos estos sistemas se busca que el elemento agitador, cumpla con dos funciones básicas que son: la de agitación, con la finalidad de generar una determinada superficie de interfase, y en segundo lugar la de proporcionar una agitación, con la finalidad de que se logre una mezcla que proporcione el adecuado contacto, entre los nutrientes orgánicos contaminantes, los organismos bacteriológicos que habrán de encargarse de metabolizar la materia orgánica y el oxigeno disuelto, que se transfiere a través de la superficie de interfase generada.
Las desventajas de este tipo de sistemas, consiste en que el área de interfase y el tiempo de contacto de las mismas, son pequeños en comparación con los demás sistemas que manejan grandes superficies de interfase, o mayores tiempos de contacto.
Otro aspecto que permite compensar, los efectos deficitarios de una gran área de 5 interfase y largos tiempos de contacto, en estos casos, es la aplicación de mayores tiempos de retención, concepto que implica manejar grandes estructuras, convirtiéndose esto en una desventaja de tipo económica.
Las ventajas principales se refieren a las excelentes condiciones de 0 concentración, tanto en la interfase líquida como gaseosa, que son muy favorables, además los factores de renovación son excelentes tanto en el sistema líquido como gaseoso, al grado que logran compensar los déficits de una gran área de interfase, o bien de un tiempo de contacto largo.
5 Existen algunos procesos de aereación patentados, los cuales tienen como base cualquiera de los tres sistemas anteriores, pero introducen algunas modificaciones a los procesos como a continuación, se pueden resumir en los siguientes términos:
o Aereación convencional; esta consiste en someter los lodos al proceso de aereación, que puede ser mecánico o de burbujas, durante un determinado periodo de tiempo de 6 a 8 hrs; recirculando, del 20 al 30 % de lodos, los cuales se mezclan con el influente; el proceso convencional puede estar provisto de una etapa primaria de sedimentación, y de una etapa secundaria de sedimentación. 5
Aeración escalonada; en este sistema, el influente es distribuido en varios puntos del tanque, y los lodos recirculados se introducen en el punto inicial, por donde se ingresan las aguas del influente, ello implica que la concentración de sólidos sea mayor al inicio y van disminuyendo, a medida que las aguas van o avanzando hacia las demás etapas; con esta modificación se logra disminuir el tiempo de retención hasta en 50 %, siempre y cuando el tiempo de residencia de lodos se maneje entre 3 a 4 días, en este proceso el sistema básico de aeración es por medio de burbujas, aunque también puede ser mecánico en algunos casos. Aeración graduada; este proceso tiene la particularidad de que supone, que la mayor DBO se encuentra al inicio del. tanque, y va disminuyendo conforme se avanza, por lo que se hace una mayor inyección de aire al inicio, y se va disminuyendo conforme se acerca a la salida del efluente, en este proceso el sistema básico de aeración es por medio de burbujas.
Aereación extendida; conocido también como aeración prolongada, este proceso se caracteriza por la aplicación de mayores tiempos de retención, para lograr altos niveles de abatimiento de la DBO, por consecuencia el proceso puede ser aplicado con sistemas de aeración por burbujas y mecánica.
Aeración activada; aquí se canalizan los lodos residuales en exceso, se mezclan con aguas negras crudas, se someten a aeración para acondicionarlos y de esta forma mantener una fuente de lodos activos, que permiten intensificar o restituir la continuidad de la actividad biológica, cuando esta se ve afectada por la introducción de substancias tóxicas, o sobrecargas repentinas que inhiben la actividad biológica; el proceso básico de aeración puede ser mecánico o de burbujas.
Descripción
Método de aeración clasificado, consiste en someter los lodos dentro de un sistema de tratamiento, a cualquier proceso de aeración compatible, pero con recirculación de lodos previamente clasificados, es decir, ya no se recirculará en forma discreta, con base a lo siguiente:
Mediante un sedimentador clasificador de lodos, se dispone de tres posibles tipos de lodos, que son:
Lodos pesados; esto es en cuanto a una de sus características físicas como su alta velocidad de sedimentación, estos corresponden a los lodos que tienen un alto grado de tratamiento, que químicamente han sido reducidos por oxidación a substancias más simples y que biológicamente se pueden considerar estables; dependiendo de los objetivos que se persigan con los tratamientos, la mayor parte de los procesos se diseñan por cuestiones de rentabilidad, para lograr la estabilización de una parte de la DBO y mineralizar otra parte, dependiendo de la eficiencia de la planta, un pequeño porcentaje se va en el efluente, por lo que en estos casos, la DBO estabilizada está constituida por los lodos residuales o en exceso, esta materia incrementa innecesariamente la viscosidad de los lodos, ya que su permanencia dentro del tanque, en vez de incentivar el proceso biológico, lo inhibe al ocupar un espacio, que sería mas conveniente que lo ocuparan bacterias activas o materia orgánica; por sus características facilitará su tratamiento posterior, que puede ser su espesamiento, estabilización final o secado.
Lodos intermedios; formados por flóculos en desarrollo, los que por sus características físicas, químicas y biológicas, tienen una velocidad de sedimentación intermedia; el contenido de materia estabilizada es regular, así como también, el contenido de partículas y bacterias de tamaños pequeños es regular; todo esto da cierta característica a los lodos, que los hace muy versátiles para hacer ajustes, en la concentración de lodos dentro de la planta, sin caer en concentraciones extremas, estos lodos permiten cualquier manejo, que obviamente, no representan ningún riesgo, pero tampoco aportan efectos de importancia considerable, como cuando se retornan, el efecto de inoculación puede ser suficiente para mantener la actividad biológica o por ejemplo, su retiro en caso necesario, los olores desagradables deben ser menos intensos, como los causarían los lodos sin clasificar y mucho menos que los lodos ligeros, que contienen una mayor concentración, de materia orgánica fresca y organismos activos.
Lodos ligeros; estos están constituidos por partículas finas que tienen las más bajas velocidades de sedimentación, que pueden ser de materia orgánica, materia parcialmente estabilizada, o que ha sido asimilada en la generación de nuevas bacterias, también pequeños flóculos formados por bacterias que inician su desarrollo, que por su tamaño sedimentan junto con los lodos ligeros; todo esto convierte a los lodos ligeros en los más activos biológicamente, cualidad que debe ser considerada, para manejarlos mas convenientemente dentro de la planta. Como en muchos procesos ya conocidos, se manejan distintas proporciones de lodos, aunque esto es muy relativo, ya que el principal objetivo que se persigue con la recirculación, es la de mantener una concentración adecuada de lodos bacteriológicos, en función de la carga orgánica que se está alimentado a la planta, por lo que, el mantener esta concentración, dependerá de la habilidad del operador y de la forma de cómo se lleve a cabo, la recirculación o el retiro de los lodos en exceso, con base a esta relatividad, y con la finalidad de dar mas certeza a las operaciones del manejo de los lodos, las proporciones que sirven como base de diseño a los procesos de tratamiento de aeración clasificada, suponen que del total de los lodos que se sedimentan, los pesados corresponden a los que se recolectan sobre el 33.33 % de la longitud del sedimentador; para la mayoría de las aplicaciones se tendrán 2 secciones de 33.33 % c/u que se consideran ligeros; cuando exista una aplicación específica entonces, la sección intermedia, será considerada para los lodos intermedios.
Con un régimen de operación de lodos bien diseñado, se tendrá la posibilidad de generar, cualquier concentración que sea efectiva para el sistema.
El objetivo de la aeración clasificada, es el de contribuir, a mejorar el funcionamiento de las plantas de tratamiento en los siguientes aspectos:
Puede ayudar a mantener con mejores niveles de efectividad a los lodos activos, al poder retirar siempre lodos más estabilizados, y recircular los lodos biológicamente más activos.
Permite tener un control mas adecuado en la edad de los lodos activos, por el hecho de que las bacterias inertes, que son las que conforman principalmente los flóculos más grandes y pesados, es decir los más estabilizados, siendo estos los que se pueden retirar, sin correr el riesgo de eliminar lodos nuevos, y mediante la recirculación, de los lodos ligeros, se garantiza que los lodos en vías de desarrollo o lodos nuevos, continúen su desarrollo dentro del tanque, hasta que adquieran las características que los puede hacer llegar a la sección de los lodos pesados.
Los lodos que se canalizan para ser retirados como lodos excedentes, se pueden manejar con olores desagradables menos intensos, ya que han sido clasificados y corresponden a los mas estabilizados, por lo que en caso de que se les aplique un tratamiento de estabilización final, esta será con menores tiempos de retención, y por el mismo grado de estabilización, se facilita más la operación de concentración o espesado, para su tratamiento posterior que puede ser el secado en lechos de arena.
Independientemente de los sistemas de aeración conocidos, a los cuales se les puede implementar el método de clasificación de lodos, a continuación se presenta el desarrollo del sistema de aeración capilar como a continuación se describe.
Sistema de aeración capilar como tal; consiste en un conjunto de ductos que forman placas o láminas de conductos, que pueden ser fabricados con cubiertas resistentes al medio ambiente, como el polietileno de alta densidad y PVC, este sistema proporciona la mayor parte del oxigeno que demanda el proceso, ya que una parte pequeña de oxigeno es transferida en la superficie del tanque de oxidación, por la acción de un sistema de aeración mecánica a baja escala, la cual es aplicada con fines de mezclado para facilitar el contacto de 02, bacterias y materia orgánica contaminante, además de lograr una aeración complementaria dentro del mismo tanque; el conjunto de conductos, fue concebido de forma que se puede aprovechar prácticamente el 100 % de la superficie disponible, lo cual se logra al generar una lámina líquida sobre todo el perímetro del conducto interiormente, esto se logra mediante el diseño de deflectores de flujo, los cuales se ilustran en las siguientes:
Figura 1 , vista en planta de un deflector de flujo, dentro del conducto capilar. Figura 2, vista de un corte de una sección lateral de un deflector de flujo. Figura 3, vista lateral de un deflector de flujo. Figura 4, vista de un corte frontal de un deflector de flujo.
Los conductos formados por láminas de PVC (No 1), en cuyo interior se encuentran insertados una serie de deflectores (No 2), los cuales pueden ser del mismo material del conducto, o bien de un hule blando para permitir la introducción de una herramienta, para destapar en caso de que se presente algún tipo de taponamiento; estos deflectores se unen a la lámina de conductos, mediante el soporte del deflector (No 3), estos deflectores proporcionan varias características que a continuación se describen:
Este sistema, es uno de los sistemas de tratamiento mas manipulables, y también predecibles, permiten variar condiciones de flujo en el sistema líquido, condiciones de flujo en el sistema gaseoso y condiciones biológicas de los lodos que se recirculan, todas estas variaciones se pueden manejar en forma independiente para ser estudiadas, pueden ser observadas y medidas, por lo que hacen que el sistema entre otras aplicaciones, sea apto para la implementación de prototipos para investigación científica y universitaria; durante el funcionamiento del sistema, en el momento de la exposición, y por las características difusionales, una cantidad de oxigeno es absorbido por el sistema líquido, para ser transportado al tanque de oxidación en forma de microburbujas u oxigeno disuelto OD, acción que se facilita debido a que en la superficie de interfase, las fuerzas intermoleculares están en desequilibrio, por lo que esta superficie será más receptiva para el OD; por sus características de manipulación, es evidente que los efectos de limitación, por tratarse de volúmenes confinados, como el caso de los sistemas de burbujas, aquí los podemos compensar con la inyección de más aire, sin incrementos considerables de energía o bien, de una mayor dosificación de líquido.
Como se está manejando una mayor superficie de ¡nterfase, en condiciones turbulentas como en los sistemas de aeración mecánica, y como se mejoran las condiciones físicas, químicas y biológicas, es lógico que habrá una mayor oxidación o mineralización de materia orgánica contaminante, que se agrega hacia la atmósfera en forma de anhídrido carbónico, o se transforma en agua, que se suma al sistema líquido, esto ultimo se presenta principalmente en la nitrificación de la materia nitrogenada; la asimilación de una parte de contaminantes que dan como resultado la generación de nuevas células, siempre estará en condiciones de desarrollarse en mejores condiciones, ya que constantemente se retira la materia estable y se retornan los lodos, que forman el sistema de inoculación en mejores condiciones y por otro lado, se puede esperar que la absorción de la materia orgánica que genera lodos estabilizados, disminuya en cierto grado, lo cual debe de implicar una mayor reducción por oxidación o mineralización, siendo esto una condición deseable en la mayoría de las plantas; es importante tener presente, que los cambios posiblemente, apenas sean perceptibles a simple vista o que estos sean mínimos, en comparación con un proceso correctamente diseñado y operado, esto obedece al hecho, de que cualquier proceso que opere correctamente, en caso de superarlo apenas será en unas cuantas centésimas de eficiencia, otros indicios serán un menor consumo de energía y el uso de instalaciones de menor tamaño, al poder manejar menores tiempos de retención.
El sistema de aeración capilar tiene una característica novedosa, que se refiere a la posibilidad de diseñar y construir un sistema de aeración, que permite aprovechar tanto la superficie superior como inferior de un conducto, según el perfil mostrado en la fig. 2, con esto, la superficie de contacto de la interfase se incrementa por el aprovechamiento de toda la superficie posible, es decir, el líquido fluye en toda la periférie interior del ducto, esto se puede generar gracias a la propiedad de tensión superficial del agua, que permite que pueda deslizarse sobre la superficie superior, bajo ciertas condiciones de pendiente y rugosidad, permitiendo pasar un segundo flujo gaseoso interior, tal que permite mejorar la concentración de oxigeno en la interfase gaseosa, a niveles que favorecen la transferencia de oxigeno, con un bajo consumo de energía.
La forma en que se colocan una placa de conductos con respecto a otras, se ilustra en las siguientes figuras:
Figura 5, vista en planta de una lámina de conductos capilares. Figura 6, vista lateral de un bloque de láminas de conductos capilares. Figura 7, vista frontal de un bloque de láminas de conductos capilares.
La forma que se refiere al acomodo del conjunto de ductos, que se tiene en forma de placas como se ilustra en las figuras 5, 6 y 7, de tal forma que de una manera sumamente sencilla, podemos generar la cantidad de superficie de interfase, por el hecho de que podemos apilar "N" número de placas de conductos; el espacio requerido para generar cualquier requerimiento de superficie, dentro de rangos razonables, es sumamente reducido pero sobre todo eficiente; otro detalle importante, consiste en el hecho de que las placas del aerador, van montados sobre una estructura de concreto, lo que permite que en el tanque de oxidación, se pueda suministrar la agitación necesaria para mezclado y lograr optativamente, una transferencia complementaria de oxigeno, para satisfacer altas demandas de oxigeno, en caso de requerirse.
Teoría cinética aplicada:
La teoría que se ha tomado de base supone un modelo teórico, que cuenta con dos superficies de referencia para el estudio de la transferencia de oxigeno, muy similar al concepto planteado de dos películas de interfase, una gaseosa y otra líquida, planteadas por W.K. Lewis y W.C. Whitman en ( Principie of Absortion, Ind. Eng. Chem. ), según Gordon Maskew Fair, John Charles Geyer y Daniel Alexander Okun, en su libro Purificación de aguas, tratamiento y remoción de aguas residuales; en el sistema de aeración capilar se manejan algunos conceptos, tales como un factor de condiciones de concentración en las interfase FCIL y FCIG, que puede tener un sistema líquido o gaseoso respectivamente, para aumentar o disminuir la tasa de transferencia de una determinada cantidad de masa, en función del grado de saturación o deficiencia alcanzado por el sistema; para ilustrar este concepto, tenemos que, en un sistema de aeración mecánica, se tienen las mejores condiciones tanto para recibir en el caso del sistema líquido, o bien para ceder en el caso del sistema gaseoso, por la razón de que, el sistema líquido durante la operación, está sujeto a una intensa agitación, que permite que películas líquidas con bajas concentraciones de oxigeno se estén exponiendo una tras otra, un número de veces que está determinado por el factor de renovación de interfase líquida, y por las condiciones propias del sistema líquido, las películas que se van exponiendo, se puede considerar que inician con una concentración Ctilo, que es la concentración de inicio de la película de interfase; ahora bien, dicha interfase aumentará su concentración, tanto como lo permitan las condiciones del grado de saturación en el sistema gaseoso, que es igual a la concentración de 02 del aire atmosférico, así como del número de películas de la interfase gaseosa, que participen en dicha transferencia; en forma análoga sucede en el sistema gaseoso.
La fig. 18 muestra el comportamiento de la concentración, en el sistema líquido dentro del aerador capilar, en primer lugar, las gráficas (No 3), representan la variación de la concentración en las películas de interfase líquida, las cuales tienen un período de tiempo, que es función del tiempo de contacto y del factor de renovación de superficie, cada ciclo de estas gráficas inician con una concentración Ctilo que corresponde, a la que tiene la lámina líquida dentro del conducto en ese preciso instante, alcanzando la concentración que le permite la exposición de una nueva película; la gráfica (No 4) representa el comportamiento de la concentración de oxigeno, en la lámina líquida dentro del conducto, la concentración inicial de esta gráfica, es la concentración Cío de oxigeno, que normalmente se mantiene como promedio en el tanque de oxidación biológica; la concentración de salida Clt (No 15), es la que se alcanza en el tiempo de (No 8), en la película líquida dentro del conducto puede llegar a alcanzar, la concentración de saturación Cls (No 1) en un tiempo tls (No 9) si se tiene la suficiente longitud en los conductos, o bien las condiciones de disponibilidad de oxigeno y el espesor de la película líquida lo permiten, pero por lo general, la longitud de los conductos, debe ser la que permita alcanzar la concentración Clt (No 15) en el tiempo Te (No 8), esto se maneja por lo general por razones de rentabilidad en el nivel de aprovechamiento del oxigeno atmosférico; la gráfica (No 5) muestra el tiempo (No 10), que tardaría el sistema en alcanzar la concentración de saturación dentro del volumen del tanque, en condiciones de equilibrio biológico; la gráfica (No 6) muestra el tiempo (No 11) que es necesario, para satisfacer, la demanda bioquímica de oxigeno, de un volumen igual al del tanque de oxidación, el tiempo para lograr la satisfacción de la DBO del volumen del tanque, es el que comúnmente se conoce como tiempo de retención TR, si se divide dicho tiempo, entre el tiempo que se requiere para la saturación del volumen del tanque, esto nos indicará el número de veces que se debe de saturar, completamente el volumen del tanque, para satisfacer la demanda de la DBO del volumen del tanque; la gráfica (No 7) nos sirve como punto de referencia, pues siempre se tratará de proporcionar el oxigeno suficiente, para alcanzar la metabolización de la DBO, contenida en el volumen diario, en la unidad de tiempo (No 12), que usualmente es un día, esto nos sirve para modular nuestro sistema a la hora de diseño; el eje de las ordenadas (No 10) representa la concentración de oxigeno disuelto en mg/l, y el eje de las coordenadas representa el tiempo en segundos, a una escala logarítmica.
La fig. 19 representa el comportamiento del sistema gaseoso, dentro de un sistema de tratamiento, donde la transferencia se da a través de una superficie de contacto, por lo que es aplicable el modelo matemático de las películas de interfase, el cual se puede deducir de la figura en cuestión; la gráfica (No 4) representa el comportamiento de la concentración de oxigeno, en el aire atmosférico dentro del conducto capilar, donde en forma análoga, si se tiene la suficiente longitud y las condiciones del sistema líquido lo permiten, la concentración del oxigeno puede descender hasta una concentración Cgs (No 2) en el tiempo tgs (No 6), también se tiene que en el flujo gaseoso, dentro del conducto se puede alcanzar la concentración Ctg (No 9) en el tiempo de contacto TC (No 5), que puede ser el mismo que se maneja en el sistema líquido; la gráfica (No 3) representa el comportamiento de la concentración en la interfase gaseosa, la cual inicia en cada ciclo con la concentración Ctigo, que tiene el flujo gaseoso, dentro del conducto en ese preciso instante; el flujo gaseoso iniciará siempre con la concentración del aire atmosférico.
Los factores que determinan la turbulencia de flujo, y con ello los factores de renovación de superficie son: el espesor de la lámina de flujo, la pendiente de las láminas, el número de deflectores así como también las dimensiones interiores del conducto, todo esto permite manipular o variar el número de Reynolds, que es un indicador de las condiciones de turbulencia que se están manejando; la forma en que se disipa la energía, es produciendo condiciones turbulentas justamente en toda la película líquida, para lograr altas tasas de transferencia, con consumos de energía menores, a los que se tienen en los sistemas de aeración mecánica, y con tiempos de retención mas bajos; la energía que se le suministra al fluido se empieza a liberar en el descenso del líquido, desarrollando una velocidad de flujo, que es una función directa de la pendiente y de las condiciones de rugosidad, equivalente de los difusores que tienen tres funciones específicas, inducen la formación de la lámina fluida superior, incrementando la superficie de interfase, limita la velocidad del flujo, mejorando el tiempo de contacto y ayudan a incrementar la turbulencia, favoreciendo la renovación de la película límite de interfase.
Existen otros factores que influyen en la generación y renovación de la superficie, tales como el escurrimiento lateral que se tiene dentro del conducto, el efecto de este escurrimiento, contribuye al mejoramiento del factor de renovación dentro del conducto, su efecto debe ser importante, y su determinación precisa, es factible que se pueda determinar en un prototipo, considerando que sus efectos son positivos, y por no tener mayores referencias, su efecto lo consideramos despreciable; por otro lado se tiene que el cálculo de la superficie de interfase, se hace en función del perímetro interior del conducto, formado por la lámina periférica interior del fluido, el tamaño del conducto interior, debe considerar el espacio suficiente para permitir el flujo gaseoso, aun con presencia de la película bacteriológica, aunque es importante mencionar que el sistema tiene previsto impedir la formación de la película biológica, al impedirse la incidencia de luz sobre la superficie de los conductos, y no se manejan las condiciones de intermitencia, en la aplicación del líquido sobre la superficie, por lo que las condiciones propicias para el desarrollo de una posible película biológica son mínimas.
Referente a la renovación que se da por la condición de la turbulencia, es decir un flujo laminar, tendrá un factor de renovación de interfase unitario y a medida que se incrementa la velocidad, la turbulencia generada provocará que la renovación de la película de interfase, se renueve con una mayor intensidad; para el caso de los aeradores capilares, estos efectos están asociados a la pendiente del aerador, es decir cuando la pendiente es cercana a cero, la velocidad del flujo es muy baja y por consecuencia, el flujo tiende a ser laminar y el factor de renovación de superficie F.R.S. tiende a la unidad; a medida que aumentamos la pendiente, aumenta la velocidad, se genera una mayor turbulencia, que ayuda a que la película de interfase se renueve con una mayor intensidad, pudiéndose manejar por cuestiones de rentabilidad pendientes entre 0.1 y 0.2, las pendientes grandes reducen significativamente, el tiempo de contacto de la interfase líquida, y demandan mayor cantidad de energía. Existe otra etapa del tipo de flujo que se desarrolla en un fluido en movimiento, llamada flujo de transición, en este tipo de flujo, la película líquida de la zona de interfase, se empieza a renovar lentamente, de tal forma que es muy factible que exista un número de Reynolds, que limite al flujo laminar con la finalidad de establecer la transferencia que se da en condiciones de flujo laminar, para que posteriormente, se pueda tener una referencia con otras condiciones de velocidad, para las cuales, el número de Reynolds y la transferencia, puedan dar una idea del número teórico de películas que intervienen en un determinado sistema.
En torno al número de Reynolds, y tomando como referencia el comportamiento de las diferentes etapas por las que atraviesa un flujo, tenemos que, mientras prevalezca un flujo laminar, bajo ciertas condiciones del espesor y la dimensión lineal que se involucre, la capa límite en contacto con el gas permanece en la zona de la interfase, y así puede transcurrir un cierto tiempo mientras las condiciones de flujo no cambien, esto implica, que de efectuarse una determinada transferencia de oxigeno, esta se daría muy similarmente como se da dicho fenómeno en un volumen estático, con la diferencia de que, aquí el volumen se va desplazando, y aunque existe un desplazamiento, entre partículas de la película adherida a la superficie, sobre la cual se desliza la película líquida, para los análisis de transferencia de masa que se plantean en la teoría de las dos películas de interfase en flujos capilares, definen una etapa bastante bien definida, la cual, debe estar caracterizada, porque la transferencia de gas por unidad de superficie líquida expuesta, depende directamente del coeficiente de difusión del gas en el líquido Kd; si se va determinando el Número de Reynolds, para diferentes condiciones de velocidad cuya transferencia de gas no cambia, se puede llegar a determinar un valor del número de Reynolds, para el cual la transferencia empieza a incrementarse con los incrementos de la velocidad, lo cual debe indicar las condiciones que limitan a una tasa de transferencia constante, con respecto a este número, y que determinan el inicio de una transferencia que cambia con respecto a un factor de renovación de superficie, el cual es muy probable, que guarde una relación logarítmica con el número de Reynolds. El criterio para determinar el número de Reynolds en función de parámetros análogos, quizá no se pueda determinar con precisión dada la complejidad de los distintos sistemas de tratamiento, pero puede dar una idea clara de sus efectos en el factor de renovación de superficie, considerándolo como a continuación se plantea:
No. R = Ei x Vi / ( v ) Ec 1
Donde:
Ei = Espesor de la película de interfase en m.
Vi = Velocidad con que se desplaza la interfase en m/s.
Para el sistema de aeración capilar, se tiene que una velocidad de referencia con que se desplaza la lámina de flujo, para un caso en particular es:
Vil = 0.83 m/ s
Se debe tener en cuenta que esta velocidad, depende de la pendiente de los conductos, de la densidad de deflectores por unidad de longitud, del espesor de la lamina de flujo y de la viscosidad cinemática del fluido, la velocidad indicada corresponde a un diseño específico, manejando agua a 20 °C con una pendiente
-4 3 de 0.125, con un flujo por conducto de 1.25 x 10 m /s con 3 deflectores por m. de longitud de conducto, la cual puede ser de 1.25 a 2 mts; el área de interfase
2 para un caso particular es de 0.1818 m ./(mg / 1) de DBO, ingresada por segundo con lo cual se puede determinar la longitud de los conductos para diversas condiciones, como se plantea mas adelante; este factor resulta de considerar, que es factible lograr la misma transferencia que en un sistema de aeración mecánica, aplicando un factor, por ejemplo, 2.5 sobre un promedio de superficie aplicada, dicho factor es relativo, por lo que para una aplicación mas definida, podría ser afinado con base en observaciones a un prototipo. La velocidad del flujo gaseoso dentro del conducto, se puede determinar para un estado particular de condiciones en la forma siguiente:
Vig = Qge x Vd / 86400 x NC x 0.048x 0.08 Ec 2
Donde:
3 3
Qge = Flujo de aire en m /m de aguas negras.
3 Vd = Volumen diario en m /día de aguas negras.
NC = Número de conductos.
0.048 y 0.08 son las dimensiones interiores, previstas para el paso del flujo de gas en un conducto determinado.
2
= Viscosidad cinemática del fluido que conforma la interfase en m /s.
2
La viscosidad cinemática considerada para el líquido es: 0.00000101 m /s
2
La viscosidad cinemática considerada para el aire es: 0.0000135 m /s
Ecl = Qs / ai Ec 3
Donde:
3
Qs = Caudal o flujo de recirculación de aguas negras en m /s, necesario, para
3 transferir el oxigeno requerido en Kg/m , considerando que la capacidad receptora, depende de las concentraciones inicial y la concentración alcanzada dentro del conducto Cío y Ctlc, respectivamente :
2 ai = Área de interfase que interviene en m /s. ai = No. De laminas x A.R.L. x L = Ec 4
La determinación del espesor de la película de interfase gaseosa, se hace en base al flujo que proporciona la transferencia requerida, en base al coeficiente de aprovechamiento que se tiene en cada tipo de sistema.
Ecg = Qg / ai Ec 5
Manejando las concentraciones en términos de la deficiencia de oxigeno disuelto, así como la deficiencia cubierta, se tiene que el comportamiento puede ser analizado mediante una ecuación de primer orden como sigue:
dD / dt = - K D Ec 6
Ordenando términos:
dD / D = - K dt Ec 7
Integrando se tiene:
/ dD / D = / -K dt Ec 8
Ln Dt - Ln Do + C1 = -K ( t - to ) + C2 Ec 9
Por las reglas de logaritmos se puede escribir como:
Ln ( Dt/ Do ) = - Kt + C3 Ec 10
Del comportamiento gráfico se puede inferir lo siguiente:
Dt = Cs - Ct Ec 11
Do = Cs - Co Ec 12 Eliminado el logaritmo natural de la ecuación 10, y considerando que la parte constante, la podemos representar como una suma de constantes, sin alterar la igualdad, y sustituyendo las ecuaciones 11 y 12 en 9, se tiene:
-Kt
Cs-Ct = (Cs-Co)e +Cs + Co Ec 13
Despejando Ct se tiene:
-Kt
Ct = (Cs-Co)- (Cs-Co)e +Co Ec 14
-Kt
Ct = Co + (Cs-Co) (1 -e ) Ec15
Como la constante de velocidad K, debe considerar factores que aceleran o desaceleran la transferencia dentro del conducto, dicha constante está en función del coeficiente de difusión del oxigeno en el líquido, del espesor de la película considerada, de las condiciones variantes de concentración, y del factor de renovación de superficie del sistema FRS, y de un factor Kp, que representa el número de veces, que se multiplica el coeficiente de difusión de oxigeno, referenciado a 20 °C y a nivel del mar, por el nivel de saturación existente en la zona de interfase; considerando todos estos aspectos, se tiene que la constante de velocidad en el cambio de concentración de oxigeno, en la lamina de flujo dentro del conducto es:
Kdlc = - Kdl x FRIG x Kpl Ec 16
Donde:
Kdlc = Coeficiente de velocidad con que se efectúa el cambio de concentración de oxigeno, en el sistema líquido dentro de los conductos.
Kdl = Kd/Ecl Ec17 -09 2
Kd 20»c = Coeficiente de difusión de oxigeno = 2.4167 x 10 cm /s.
(Para una aplicación específica, el valor del coeficiente de oxigeno, debe estar referido a las condiciones medias de operación del proceso donde se aplique, considerando la temperatura y la concentración de sólidos suspendidos. )
Ecl = Espesor de la capa líquida dentro del conducto capilar.
FRIG = Factor de renovación de la superficie de interfase en el sistema gaseoso, tiene dimensiones s"1 y el valor inicial que puede tener este factor, es de 1 debido al comportamiento de las películas o láminas en un flujo laminar en el sistema gaseoso, y puede aumentar hasta un valor determinado por las condiciones de turbulencia inducidos por algún medio.
FRIG = Kdgi / Kdgc Ec 18
Kpl = Factor de ajuste que permite ajusfar el modelo matemático, desarrollado para el sistema líquido, representa el número de veces que se multiplica Kd debido a las condiciones de concentración.
FRIL = Factor de renovación de la película de interfase en el sistema líquido, el cual tiene dimensiones s"1 y depende de las condiciones de flujo, es decir, su valor mínimo debe ser de 1 y corresponde a las condiciones estáticas o de flujo laminar a flujo de transición, su valor óptimo será cuando se tengan las condiciones de turbulencia que proporcionan la mayor tasa de transferencia en condiciones rentables.
FRIL = Kdli / Kdlc Ec 19
En forma análoga se tiene:
Kdgc = - Kdg x FRIL x Kpg Ec 20
Donde: Kdg = Kd / Ecg Ec 21
Kpg = Factor de ajuste que permite manejar el modelo matemático desarrollado para el sistema gaseoso, representa el número de veces que se multiplica Kd, debido a las condiciones de concentración de oxigeno en el sistema gaseoso.
Para los cálculos correspondientes, es necesario manejar al oxigeno disponible en el sistema gaseoso, como una proporción del volumen del gas, que el sistema de tratamiento biológico es capaz de extraer, variando la concentración en el sistema gaseoso, para lo cual, es necesario plantear una concentración análoga a la concentración Cls en el líquido, la cual la representamos como:
Cgs = 0.84 Catm. = 229.32 mg/l Ec 22
El coeficiente 0.84 se basa en la consideración, de que las condiciones que se presentan en los sistemas de aereación por burbujas, son similares en cuanto a la forma en que se lleva a cabo la transferencia, pero con sus respectivas características cada una, por lo tanto se considera que en igualdad de condiciones, debe existir el mismo aprovechamiento, que se considera del 16 % del oxigeno atmosférico, es decir, en términos de este porcentaje, se dice que si un sistema aprovecha el 100% del oxigeno aprovechable, en. términos reales, el sistema solo viene aprovechando el 16 % del oxigeno atmosférico que pasa por el sistema; ahora bien, es posible que este coeficiente difiera al existir cambios en las condiciones de equilibrio, de los esfuerzos en la superficie de interfase, que determinan la intensidad de la tensión superficial, debida a la fuerzas de Van der Walls, lo cual es muy factible, y en el caso de que dicha hipótesis se confirmara, sería positiva como lo muestran los sistemas de tratamiento de aereación mecánica, en estos la superficie de interfase es muy reducida, pero su capacidad de recepción es muy grande, lo cual se puede deber, además de los factores favorables de concentración, a la condición de desequilibrio de las fuerzas intermoleculares, características en una superficie plana de un líquido como el agua y que determinan la tensión superficial, pues como lo plantean algunos estudios de la física, la superficie esférica de una gota o de una burbuja, representan a una superficie cuyos esfuerzos debidos a las fuerzas de Van der Walls, están equilibrados, lo que implica estructuras superficiales muy rígidas que pueden constituir una resistencia, a que se efectúe una determinada transferencia a través de esta, y desde luego, es también muy probable que dicha estructura represente una resistencia al proceso de renovación de superficie, propiciando que la transferencia, se vea obstaculizada por las limitaciones, que representan las concentraciones de saturación.
Ahora bien, de la masa de gas disponible, el sistema de aeración es capaz de transferir un porcentaje de este gas, como lo mencionan Motarjemi y Jameson según Michael A. Wintler en su libro Tratamiento biológico de aguas de desecho, sobre el aprovechamiento del oxigeno en un sistema de burbujas, de tal manera que bajo ciertas consideraciones, en los sistemas capilares han sido estimados algunos valores propuestos, por lo que una aplicación práctica deberá ser apoyada con pruebas de laboratorio.
El cálculo del área de ¡nterfase, que para el caso de los sistemas capilares, es el área interna del conducto en operación, que limita al sistema líquido del sistema gaseoso, se determina como sigue:
aic = NC x (ANC + HNC - ENLF ) x 2 x LRL Ec 23
Donde:
ANC = Ancho nominal del conducto.
HNC = Altura nominal del conducto.
ENLF = Espesor nominal de la lamina de flujo, sin deflectores.
LRL = Longitud real de la lamina de conductos.
Es importante definir la dirección en la cual, la superficie de interfase puede tener cambios, tales como la altura de un tanque de aeración por burbujas, o el radio equivalente del área superficial de un tanque de aeración mecánica, o la longitud de los conductos capilares, a través de los cuales se van presentando cambios en la superficie de interfase, para considerar las variaciones pertinentes para cada caso, es decir, se analiza el cambio que manifiesta la superficie en 1 s de este trayecto; así tendríamos que una serie de burbujas de un 1 mm de diámetro, recorrerá una longitud de 0.13 mts. es decir, a una velocidad de 0.13 m/s, lo que correspondería a un tiempo específico de 1 s. de tal manera que si el tanque es de 3 mts. de profundidad, el tiempo de contacto sería de 23 s; para el caso de conductos con una densidad de 3 deflectores por m. de longitud, manejando un
3 flujo de 0.000125 m /s por conducto, donde se tiene que la velocidad desarrollada por el flujo es de 0.83 m/s, con una pendiente de 0.125 y para un diseño en particular, tendríamos:
TC = tiempo de contacto en s.
Tci = 1 / FRS Ec 24
La definición de los tiempos TC y Tci, permiten hacer un análisis teórico de los cambios que experimenta cada elemento de área de interfase que pueden ser en la lamina fluida dentro del conducto, o bien una película de ¡nterfase respectivamente.
Otro concepto que interviene, es el que se refiere a un factor de corrección para el área de interfase, el cual, en el caso de las burbujas depende de la diferencia de la presión, a la que se inyecta el aire y la presión a que es liberado, que corresponde a la presión atmosférica; el factor análogo para los sistemas de aeración capilar, consiste en establecer una corrección al área original, producida por la estructura de las paredes del conducto, en función del espesor de la lámina del fluido líquido, y de las variaciones que se presentarán, cuando se desarrolle un crecimiento de película biológica, sobre las paredes internas del conducto; aunque se busca no fomentar esta película al trabajar el sistema en forma continua, y no permitir infiltración de luz, por lo que la superficie de los conductos generalmente estará sumergida, impidiendo que las bacterias que se desarrollan adheridas a las paredes, no encuentren las condiciones propicias para su desarrollo; suponiendo que se pudiera presentar algún desarrollo biológico, este puede ser limitado por acciones de mantenimiento, cuando se presente una película de 0.004 mts, aunque es factible que estas condiciones no se presenten, se supone que en caso de que se diera cierto desarrollo bacteriológico, este se comportase de la misma manera, como se comporta en los filtros percoladores o sistemas de cultivo fijo, es decir, la película como parte de su ciclo de desarrollo, inicia, crece y llega hasta un espesor que promueve que las células que están adheridas a la pared, mueran propiciando el desprendimiento de la película, y en el ultimo de los casos, el diseño del aereador puede permitir, con el uso de una herramienta adecuada destapar los conductos de una forma sencilla, por lo tanto para fines de diseño, con las dimensiones del conducto y espesor de lamina biológica indicados, se puede establecer que:
FCS = ai / ac = 0.62 Ec 25
El tiempo de retención es el tiempo que las aguas en proceso son sometidas, para alcanzar cierto grado de tratamiento, dependiendo del proceso que se aplique, así como de los niveles de DBO del influente y de la DBO admitida en el efluente, haciendo un estudio comparativo entre sistemas de aeración por burbujas, un sistema de aeración mecánica y sistemas de aeración capilar clasificada, y dado que se considera que la magnitud del área de interfase, es superada en forma razonable al sistema de aeración mecánica en la modalidad de aeración extendida, y suponiendo que las condiciones de concentración, y de renovación de superficie de interfase, sean los mas adecuados para tener una alta tasa de transferencia de oxigeno, y con un adecuado cultivo de microorganismos, los tiempos de retención estimados estarán entre 6 y 12 hrs, dependiendo de los objetivos y condiciones de cada caso.
TR = Tiempo de retención en s.
Habiendo definido la mayoría de los parámetros, que de alguna manera intervienen en la determinación de la transferencia de oxigeno, podemos definir en los términos de la teoría de las películas de interfase, la tasa con la que se da dicha transferencia como sigue: DBO = Qge x Catm x % O d x % O, a / ( 1000 x 10000 ) Ec 26
Donde:
3 3
Qge = caudal de gas suministrado en m /m de aguas negras.
Catm = Concentración de O2 en el aire atmosférico en mg/l.
%02 d = Porcentaje de oxigeno atmosférico, que los sistemas de tratamiento biológico pueden disponer.
%0„ a = Porcentaje de oxigeno disponible, que es aprovechado por el sistema de tratamiento con las condiciones propias de cada sistema.
El flujo instantáneo de aire, está determinado por:
Qgi = Qge x Vd / 86400 Ec 27
Puede ser práctico establecer una demanda bioquímica instantánea, o tasa de transferencia de oxigeno DBOi, es decir, la demanda que las aguas en proceso, o bien, que el sistema debe manejar en Kg 02/s, y la cual está determinada por:
DBOi = DBO x Qli Ec 28
3 Donde la DBO es la demanda bioquímica de oxigeno en Kg 02/ m de aguas negras;
La tasa de transferencia instantánea, también la podemos obtener a partir de las siguientes ecuaciones:
DBOil = TTL x ac x FCS x VI x TC x Ecl / 1000 Ec 29
DBOig = TTG x ac x FCS x Vg x TC x Ecg / 1000 Ec 30 Las unidades empleadas son:
TTL y TTG en mg/(l x s), Ac en m / m, VI y Vg, en m/s, TR en s y Ecl y Ecg en m.
La cantidad de oxigeno en Kg 02 que se requieren para abatir la DBO, del volumen de aguas negras ingresadas en el periodo TR, para fines prácticos normalmente puede ser determinada experimentalmente en un laboratorio, para no basarse en referencias bibliográficas, por la razón de que las características físicas químicas y biológicas del agua, cambian de un lugar a otro, teóricamente, los Kg O pueden ser calculados mediante.
TTLO = TTL x ( ai x VI x TC x TR x Ecl ) / 1000 Ec 31
TTGO = TTG x ( ai x Vg x TC x TR x Ecg ) / 1000 Ec 32
2 ai = Área de interfase en m /m de longitud de conductos.
VI = Velocidad del flujo líquido dentro del conducto, en m/s.
Vg = Velocidad del flujo gaseoso dentro del conducto, en m/s.
TC = Tiempo de contacto
Ecl = Espesor de la lamina fluida dentro del conducto en m.
Ecg = Espesor de la lamina gaseosa dentro del conducto en m.
La tasa de cambio de concentración de oxigeno en el sistema líquido gaseoso, estaría determinado por:
TTL = 1000 x DBOI / ( a x VI x TC x TR x Ecl ) Ec 33
TTG = 1000 x DBOg / ( a x Vg x TC x TR x Ecg ) Ec 34 Partiendo de que la transferencia es un flujo de masa, que se da a través de una sucesión de películas de interfase, se puede plantear una ecuación que nos permita determinar la variación de la concentración de oxigeno, que el sistema experimenta en la unidad de tiempo y por unidad de área, y considerando solo para este planteamiento, que los cambios en las películas de interfase, fueran uniformes, manejando las concentraciones en mg/l, se podría escribir:
TTL = ( Ctil - Cltio ) x FRIL / x 1000 Ec 35
O bien:
TTL = ( Ctlc - Cloc ) / (TC x 1000 ) Ec 36
Donde:
Ctil = Concentración de oxigeno en la película líquida de interfase, lograda en un periodo de tiempo t = 1/ FRIL.
Cltio = Concentración inicial para la película líquida de interfase, como se está considerando que la magnitud del cambio en la concentración, es uniforme, la representación esquemática de este planteamiento, solo es posible, haciendo la suposición de que Cltio = Cío, en t = 0.
Ctlc = Concentración de la lamina líquida que sale del conducto para t = TC.
Cío = Concentración inicial para la lamina líquida dentro del conducto en t=0.
Análogamente se tiene:
TTG = ( Ctig - Cgtio ) x FRIG / 1000 Ec 37
O bien:
TTG = ( Ctgc - Catm ) / ( TC x1000 ) Ec 38 Donde:
Ctig = Concentración de oxigeno en la película gaseosa de interfase, que se tiene en un periodo de tiempo t= 1/FRIG.
Cgtio = Concentración inicial para la película gaseosa de interfase, de igual manera, como se está considerando que la magnitud del cambio en la concentración, es uniforme, este planteamiento, solo es posible, haciendo la suposición de que Cgtio = Catm, en t = 0.
Cgtc = Concentración de lamina de gas que sale del conducto en el tiempo t = TC.
Catm = Concentración inicial para la lamina gaseosa dentro del conducto, en el tiempo t = 0.
A partir de la ecuaciones 35 y 37, y con la misma consideración de cambios de concentración uniformes, las concentraciones que alcanzarían las películas de interfase, líquida y gaseosa, con esta perspectiva sería:
Ctil = ( TTL x 1000 / FRIL ) + Cltio Ec 39
En forma análoga se tiene:
Ctig = (TTG x 1000 / FRIG ) + Catm Ec 40
En realidad, los cambios de concentración de oxigeno, tanto en el sistema líquido, como en el sistema gaseoso, no son uniformes, como se puede apreciar en las figs. 18 y 19, por lo que se puede aplicar las ecuaciones 16,17,18,19 20 y 21 en la ecuación 15, con lo cual se llega a las ecuaciones 41 , 42, 43 y 44 siguientes:
La concentración inicial en la interfase líquida, para la ultima película expuesta considerando que, en el tiempo Tci = 1 seg, se exponen FRIL películas, para t = TC-1/FRIL es: Λ -Kdlcx FRIGx(TC-Tci/FRIL)XKp¡l
Ctloι,=TC-ι/FRiL=Cltoc+(Cls-Cltoc)xFCIGx(1-e ) Ec 41
En forma análoga se tiene que la concentración inicial en la interfase gaseosa, para t = TC-1/FRIG es:
Λ -Kdgcx FRILx(TC-Tc¡/FRIG)XKpig
Ctgoι,=τc-ι/FRig=Cgtoc+(Cgs-Cgtoc)xFCILx(1-e ) Ec 42
Aplicando las ecuaciones de la 16 a la 21 respectivamente, en la ecuación 15, y desarrollándola, se llega a las ecuaciones 41 , 42, 43 y 44, que describen la concentración en las laminas fluidas, y también para las películas de interfase, para la concentración en t = TC, considerando la ganancia que se tiene en la ultima película de interfase respectivamente como sigue:
-Kdl¡xFRIGx(Tci/FRIL)xKp¡l Ctlct=τc=Ctloit=τc-1/FRiL+(Cls-Ctloit=τc-ι/FRi )xFCIGx(1-e ) Ec 43
-Kdl¡xFRILx(Tci/FRIG)xKpig
CtgCt=τc=Ctgoit=τc-ι/FRig+(Cgs-Ctgoi,=Tc-ι/FRig)xFCILx(1-e ) Ec 44
FCIL = Factor de concentración en la interfase líquida, el cual, normalmente tiene un valor inicial de 1 y variará en función de las condiciones de cada sistema.
( Cls - CI c )
FCIL = Ec 45 ( Cls - Cío )
FCIG = Factor de concentración inicial en la interfaces gaseosa, este factor es adimensional y tendrá un valor inicial de 1 , para la mayoría de los casos, este factor, en los sistemas de aeración capilar, normalmente disminuye a mayor longitud de conductos, según las condiciones de cada sistema.
( Cg -Cgs )
FCIG = Ec 46
( Catm -Cgs ) Las ecuaciones 41 y 43 representan el modelo matemático del comportamiento del sistema líquido que como se puede ver en la fig. 18, donde; el eje de las ordenadas (No 14) representa la concentración de oxigeno en mg/l del sistema líquido, el eje (No 13) representa al tiempo en segundos a escala logarítmica; la transferencia de masa, es la suma de millones de eventos de transferencia en cada ciclo formado por la división de cada segundo, en un número de ciclos determinado por las condiciones de renovación de superficie, estos eventos son representados por las gráficas (No 3) que se derivan a partir de la gráfica (No 4), y representa la transferencia de oxigeno que es transferido en cada segmento de película de interfase, que como se puede ver, cada ciclo es diferente en primer lugar porque la concentración inicial Ctilo va aumentando conforme se va desplazando la lámina líquida; la velocidad con que se efectúa la transferencia no es constante y finalmente el marco de referencia que corresponde a las concentraciones tanto de un sistema como del otro van cambiando con respecto 5 al tiempo, de tal forma que las constantes empleadas en la ecuación, deben de considerar todos estos ajustes; la concentración de saturación Cls (No 1) es un factor limitante de la transferencia; la concentración Cío inicial dentro de los conductos (No 2) al ir desplazándose el flujo de la lámina líquida varía hasta que alcanza la concentración Ctlc (No 15) en el tiempo de contacto (No 8) 0 determinado por la longitud de los conductos y por la velocidad del flujo, por lo que, de tener la longitud suficiente alcanzaría la saturación en un tiempo Tls (No 9); la gráfica (No 5) muestra el tiempo (No 10) que el sistema tardaría, en saturar el volumen del tanque en condiciones biológicamente estables; la gráfica (No 6), muestra el tiempo TR (No 11) que el sistema tardaría en satisfacer la DBO del 5 volumen del tanque y finalmente la gráfica (No 7) muestra el tiempo de referencia y que corresponde a un día, este marca el tiempo (No 12) en que el sistema debe de satisfacer la DBO del volumen diario.
Para la aplicación de las ecuaciones 41 y 43 en la interfase líquida, representada o por la gráfica (No 3) de la fig. 18 es importante hacer notar que el coeficiente de proporcionalidad es el factor de renovación de la superficie de interfase considerado para el sistema líquido, es decir: Las ecuaciones 42 y 44 representan el modelo matemático del comportamiento del sistema gaseoso que como se puede ver en la fig. 19, es una gráfica análoga a la de la figura 21, pero en este caso en vez de que la masa entre, esta sale del sistema; en primer lugar se tiene que el flujo gaseoso entra a los conductos con la concentración del oxigeno atmosférico Catm (No 1), por otro lado existe una concentración crítica Cgs (No 2) de oxigeno, alcanzada por la gráfica (No 4) que es la concentración, hasta donde la mayoría de los sistemas biológicos aerobios, son capaces de funcionar, siempre y cuando, las demás condiciones necesarias de su ecosistema, existan en la forma que se requiera, en este caso, si los conductos tienen la longitud suficiente, se alcanzará la concentración Cgs (No 2) en el tiempo tgs (No 6), la gráfica (No 4) muestra también el tiempo TC (No 5) que tarda el sistema en condiciones biológicas estables, en descender hasta la concentración Ctg (No 9), la gráfica (No 3) representa la transferencia en una película de interfase; el eje de las ordenadas (No 8), representa la concentración de oxigeno en mg/l, y el eje de las coordenadas (No 7), representa al tiempo en segundos, a una escala logarítmica.
Como se puede ver en el sistema capilar, la capacidad de transferencia depende de los flujos de líquido y gas, que se logren canalizar hacia el conjunto de conductos, para formar la superficie de la lámina líquida y gaseosa, con el espesor adecuado, en la forma más económica y práctica, de inmediato se puede observar que el manejo del flujo gaseoso no tiene ningún problema de manejo, por la baja cantidad de energía que requiere su manejo, referente al flujo líquido, este requiere de mayores cuidados en el análisis, debido a que es el medio de transporte del oxigeno disuelto, que se transfiere al tanque de oxidación, por lo que el flujo de líquido debe ser suficiente para que el flujo de oxigeno sea el requerido, y no tenga obstáculos por la concentración de aguas negras, a las condiciones de operación tales como la temperatura entre otros; la eficacia del sistema dependerá obviamente, de manejar a la entrada de los conductos la menor concentración, para lograr la mayor diferencia con la concentración de salida del líquido, dependerá de lograr el mayor tiempo de contacto posible, y de la mayor turbulencia posible pero con la pendiente que implique la menor altura, para que el consumo de energía sea el menor posible. A continuación, se describen las generalidades de los componentes, que integran el sistema mostrado en la fig. 8 en forma independiente .
Criba de sólidos; el diseño de la criba tiene por objeto colar las aguas negras del influente para que pasen directamente del cedazo al tanque de oxidación, sin ser necesaria una tubería de descarga a la salida del flujo ya colado, este elemento disminuye en forma importante la DBO, al separar una determinada cantidad de materia orgánica en forma de pequeños sólidos suspendidos, que de introducirse a los aeradores posiblemente provocarían taponamientos en los sistemas capilares; por otro lado, si el sistema de aeración tiene capacidad para proporcionar el oxigeno suficiente, para procesar biológicamente estos sólidos, se pueden pasar por un proceso de trituración y reincorporarlos al tratamiento, para no provocar una cantidad grande de sólidos orgánicos sin tratar, que pueden ocasionar problemas de contaminación, un manejo adecuado de estos podría ser el secado al sol para su posterior incineración, o bien enterrarlos en fosas previamente selladas, para posteriormente cerrarlas y por un proceso anaerobio provocar su degradación; de esta manera, la capacidad oxidante de las plantas de tratamiento que se pudiera aplicar a estos sólidos, se aprovecha en lograr mejor calidad del efluente; el diseño de la criba, considera que la estructura esté balanceada con la finalidad de facilitar su montaje, su construcción puede ser de acero al carbón, con un recubrimiento adecuado; las especificaciones de cribado que normalmente satisfacen los requerimientos son:
Diámetro máximo del paso de sólidos 0.00095 mts. Capacidad de flujo, según requerimiento. Pendiente nominal del cedazo: 1.428
Siendo la criba también un elemento importante dentro del proceso, a continuación se ilustra en las siguientes figuras:
Figura 9, vista en planta de la criba. Figura 10, vista lateral de la criba. Figura 11 , vista frontal de la criba. La operación de esta consiste en ingresar las aguas, a través del tubo de entrada (No 3) hacia una caja vertedora (No 1), la cual distribuye todo el flujo de entrada, a lo largo de una placa vertedora; la criba está diseñada de tal forma que las aguas caen directamente hacia el tanque de aeración, las aguas que salen del vertedor, caen al cedazo (No 2), todos los sólidos separados derrapan sobre el cedazo y caen a una carretilla, donde periódicamente son retirados para su manejo posterior; la caja de la criba, tiene una purga (No 4), la cual tiene la función de dar mantenimiento de limpieza y desazolve en caso de requerirse; los materiales de construcción normalmente empleados son:
Toda la estructura puede ser de acero al carbón, y opcionalmente de acero inoxidable, el elemento que forma el cedazo, como está constituido por elementos muy delgados, se hace necesario que invariablemente sea de acero inoxidable.
Agitador mecánico; es un elemento opcional, que en determinadas circunstancias, puede proporcionar una agitación, para impedir la formación de sedimentos en el tanque de oxidación, puede reforzar la acción de mezclado, o bien, puede adicionar mediante la agitación, una transferencia complementaria de oxigeno, este elemento, es ilustrado en las siguientes:
Figura 12; vista en planta del agitador mecánico. Figura 13; vista frontal del agitador mecánico. Figura 14; vista lateral del agitador mecánico.
El agitador ha sido diseñado para succionar un flujo verticalmente y proyectarlo en forma horizontal, para inducir un mezclado o agitación dentro de los tanques de aeración capilar, opcionalmente puede proporcionar una aeración complementaria dentro del proceso de aeración capilar clasificado, para el tratamiento de aguas negras, donde se requiere dirigir el flujo convenientemente, el agitador consta de un codo deflector (No 1) que va sumergido en las aguas en tratamiento, en la parte inferior del codo se encuentra alojada la hélice (No 2), formada por aspas, que están sólidamente atornilladas a un porta aspas, que lleva un cunero que fija sólidamente la flecha, que es movida por el motorreductor (No 3), el cual puede ser sustituido por un variador de velocidad, para poder suministrar una mayor energía a determinadas horas; el codo está soportado por un pedestal de acero estructural (No 4), el cual cuelga de una base estructural (No 5); el diseño de la hélice se basa en las siguiente formulación:
El ancho de la aspa de la hélice es:
a = Qag / ( L x Vtan x Cos ang x Tan ang x 4 ) Ec 47
Donde:
El ángulo de ataque de diseño se encuentra en el siguiente rango:
ang = ( 30° a 36° )
Qag = Flujo generado para crear las condiciones de mezclado requeridos, aproximadamente 60 Ips por cada Ips a tratar en caso de que se requiera lograr una transferencia de oxigeno adicional, se deberá hacer el análisis correspondiente.
Vtan = velocidad tangencial media, que para fines prácticos se considera la velocidad tangencial de un punto, ubicado a 2/3 del centro de la hélice hacia el extremo de esta.
Vtan = RPM / 60 Dme x p¡ Ec 48
Número de aspas = 4.
La altura manométrica desarrollada por la hélice viene dada por:
HMT = Vtan x Tan ang / ( 2 x 9.81 ) Ec 49
Donde:
2
La aceleración de la gravedad es: 9.81 m/s . La longitud del aspa está en función de:
L = 0.5 x0.9xDHE Ec50
Donde 0.9 es un factor que depende del tamaño del mamelón del porta aspas.
DHE = diámetro exterior de la hélice.
La capacidad de transmisión de potencia de la flecha esta dada por:
2 21/2
P = NDf x (( S ( 2 x F / pi x Df ) ) Ec51
Donde:
F = empuje axial = P/m x PHE + peso de la hélice + Ke x HMT. Ec 52
P/m = Peso de la flecha en Kg por m. de longitud.
PHE = profundidad a que se encuentra la hélice en m.
Constante de empuje axial de la hélice.
Ke = 234.25 x DHE2 Ec53
Diámetro medio de la hélice en m.
Dme = 2 x DHE/ 3 Ec54
La demanda de potencia de la hélice está dada por:
BHP = QagxHMTxPe/76xEf Ec55
Pe = Peso específico de las aguas en proceso
Ef = Eficiencia volumétrica de la hélice, considerando aproximadamente 0.8. Funcionamiento:
Tanque de aeración capilar clasificado consiste en un sistema de aración, el cual se ilustra mediante la fig. 8, este funciona de la manera siguiente:
Las aguas del influente, junto con los lodos clasificados que se recirculan y que pueden proceder de una etapa cualesquiera que esta sea, de tratamiento primario o secundario, según sea el objetivo, ingresan por un tubo de entrada (No 5) y normalmente en la primer etapa, pasan a una criba (No 11), la cual separa todos los sólidos de las aguas frescas que pudieran obstruir, el sistema de conductos del aerador; las aguas negras ya cribadas o coladas, ingresan al tanque de oxidación (No 10) de donde el licor mezclado, es recirculado mediante un equipo de bombeo (No 8) hasta el tanque distribuidor No (No 4), para ser distribuido en forma de regadera mediante la placa perforada (No 2); a todas las láminas de conductos, los cuales forman bloques de placas o láminas de conductos (No 1), que van colocados sobre una rampa de concreto, la cual es construida con la pendiente requerida, y va soportada por columnas de apoyo (No 9); al estar en operación el sistema, ventiladores de aspas (No 3) inducen un flujo de aire, el cual es inducido a circular por todos los conductos, para mantener siempre altas concentraciones de oxigeno en la interfase gaseosa; se puede aplicar opcionalmente una agitación moderada y una aeración, mediante un agitador, formado por un motorreductor (No 7) y un codo deflector (No 6) el cual aloja en su interior la hélice, este codo sirve para dirigir convenientemente las corrientes de flujo dentro del tanque, dependiendo del objetivo que se persiga; las aguas tratadas, salen hacia el sedimentador por el tubo de salida ubicado en el punto mas bajo del piso del tanque, con la finalidad de estar retirando todos los flóculos que se formen, con buenas características de sedimentabilidad, el fondo tiene una pendiente mayor a 15 % con la finalidad de que con poca agitación, se puedan inducir los lodos pesados hacia la tubería de salida, la cual debe de contar con un registro de purga de sedimentos pesados, tales como arena fina que se pudiera inducir y acumular como sedimento, esto es con la finalidad de evitar azolve dentro del tanque y tubería de salida; el sistema de aeración capilar, formado únicamente por el aerados (No 1) y el ventilador de aspas (No 3), se pueden acondicionar, para ser instalados en estructuras de tanques, construidos sobre el curso de arroyos o ríos de aguas negras, suprimiendo el uso de las bombas de recirculación y de los agitadores, generando los sistemas de tratamiento intensivo con menor consumo de energía.
Aplicaciones típicas de un tratamiento a base aeración capilar, con recirculación de lodos clasificados; a continuación se muestran tres tipos de procesos de tratamiento, los cuales es factible desarrollar, pero aquí lo único que debe quedar claro, es la "forma de manipular" los diferentes extractos de lodos, en las diferentes etapas por las que atraviezan, los cuales habrá que analizar para cada caso en particular, tomando en consideración el tipo de carga orgánica, que puede ser baja, media y alta; la constitución de la naturaleza de la carga orgánica, como materia orgánica carbonosa y materia orgánica nitrogenada, así como las posibilidades de cada tipo de proceso, para proporcionar el oxigeno y la concentración de organismos requeridos.
En la fig. 15 se muestra un diagrama de flujo, donde se representa esquemáticamente un sistema de tratamiento, con base a aeración capilar con recirculación de 2 estratos de lodos clasificados, de una sola etapa, para eliminar la materia carbonosa, el cual se describe a continuación:
El influente hace su ingreso a través de una criba de sólidos (No 7), llegando al tanque de oxidación (No 1), en este tanque, es donde se aeran las aguas y se les proporciona agitación para tener un mezclado adecuado, además de que opcionalmente, también se puede dosificar una mayor cantidad de energía para generar una aeración complementaria; después de haber recibido la aeración suficiente, el licor tratado, pasa al tanque de sedimentación (No 2), provisto de un sistema clasificador de lodos, donde se clarifica el licor aerado; el agua clarificada sale del sedimentador a través del vertedor de salida (No 5), hacia la siguiente etapa que por lo general, será un tanque donde se aplica cloro, con el objeto de eliminar bacterias patógenas; en este caso, la clasificación de los lodos sedimentados, es en dos estratos, que son: los lodos pesados (No 6), son los que se retirarán del sistema, cuando se tenga un exceso de lodos en el tanque de aeración, para que estos no adquieran condiciones anaerobias, se pueden recircular mediante una derivación en la sección (No 3) de la tubería de lodos pesados; los lodos intermedios y ligeros, formarán el segundo estrato (No 4), que se recircularán en forma cotidiana; con esta operación, siempre que se produzcan excesos de lodos, se retirarán siempre los lodos más estabilizados y se ejercitará una inoculación mas intensa, mediante la recirculación de los lodos mas activos, 5 lo que mejorará la actividad biológica de la planta.
En la fig. 16 se muestra un diagrama de flujo, donde se representa esquemáticamente un sistema de tratamiento, a base de aeración capilar con recirculación de 2 estratos de lodos clasificados, en dos etapas, para metabolizar o la DBOc en una primer etapa, y una nitrificación que inicia en la primer etapa y se complementa en una segunda etapa, este proceso se describe a continuación:
El influente hace su ingreso a través de una criba de sólidos (No 11), cuando se trata de la primer etapa, o bien pasando al tanque de oxidación (No 1)
5 directamente cuando se trata de las etapas subsiguientes, donde se dan las mismas condiciones que en un tanque de aeración de un sistema de una sola etapa; después de haber recibido la aeración suficiente, para lograr la remoción de una buena parte de la DBOc, se alcanza a nitrificar una pequeña parte de materia orgánica nitrogenada, dicho en otras palabras, se abate una pequeña o parte de la demanda bioquímica de la materia orgánica nitrogenada (DBOn), el licor tratado, pasa al tanque de sedimentación (No 2), provisto de un sistema clasificador de lodos, donde se clarifica el licor aerado en la primer etapa, el agua clarificada sale del sedimentador hacia la segunda etapa de aeración, los lodos pesados (No 5), sedimentados en la primer etapa de sedimentación, se
5 recircularán o retirarán según requiera el sistema, los lodos intermedios y ligeros, sedimentados en la primer etapa, se recircularán cotidianamente para mantener en el tanque de aeración de la primer etapa, condiciones biológicas muy activas, el agua clarificada en la primer etapa de sedimentación, pasa al tanque de oxidación biológica de la segunda etapa (No 3), provista normalmente de los o mismos sistemas de aeración, en este tanque, dependiendo de los objetivos y las especificaciones del tratamiento, es factible que se termine de abatir la DBOc y parcialmente una buena proporción de la DBOn, el licor aerado en este tanque pasa al sedimentador final (No 4), donde los lodos pesados sedimentados en esta etapa, cotidianamente se pueden recircular a la primer etapa, por la razón de que llevarán una buena proporción de bacterias nitrificantes, las cuales son de un desarrollo lento y por lo mismo, no es conveniente eliminarlos en esta etapa, ya que al recircularlos, se logra retornar todas las bacterias nitrificantes viables, propiciando que la nitrificación se inicie desde la primer etapa, los lodos intermedios y ligeros, se recirculan en este proceso al tanque (No 3) para no perder los lodos nitrificantes, que se desarrollan principalmente en este tanque; las aguas clarificadas en la segunda etapa, nitrificadas en gran parte, salen del sedimentador de la segunda etapa, para pasar a un tanque de cloración donde se desinfecta mediante la aplicación de cloro, con el objeto de eliminar bacterias patógenas; con la clasificación de los lodos, el control biológico de la planta de tratamiento, se facilita, al tener la posibilidad de hacer ajustes mas objetivos, pues siempre se podrán retirar los lodos más estabilizados y se recircularán los lodos mas activos según la etapa de que se trate, lo que mejorará la actividad biológica de la planta.
En la fig. 17 se muestra un diagrama de flujo, donde se representa esquemáticamente un sistema de tratamiento, a base de aeración capilar con recirculación de 3 estratos de lodos clasificados, de tres etapas, este proceso elimina parcialmente una cantidad de la DBOc, y una pequeña parte de la DBOn en la primer etapa, en la segunda etapa se elimina las DBOc restante y gradualmente una mayor DBOn, en la tercer etapa se complementa la eliminación de la DBOn; el proceso se describe a continuación:
El influente hace su ingreso a través de una criba de sólidos (No 17), llegando al 5 tanque de oxidación (No 1), donde se dan las mismas condiciones que en un tanque de aeración de un sistema de una sola etapa; después de haber recibido la aeración suficiente para lograr la remoción de una buena parte de la DBOc, alcanzando a nitrificar una pequeña parte, de la demanda bioquímica de la materia orgánica nitrogenada (DBOn), el licor tratado, pasa al tanque de o sedimentación (No 4), provisto de un sistema clasificador de tres tipos de lodos, donde se clarifica el licor aerado en la primer etapa, el agua clarificada sale del sedimentador hacia la segunda etapa de aeración (No 2), los lodos pesados (No 7), sedimentados en la primer etapa de sedimentación, junto con los lodos pesados de la segunda etapa (No 10), se recirculan o bien, se eliminan como lodos excedentes pasando hacia una etapa de estabilización final o espesamiento para su secado posterior; los lodos intermedios (No 8) de la primera y segunda etapa (No 11), se recirculan al tanque de aeración (No 2) de la segunda etapa, con la finalidad de mantener una actividad biológica equilibrada en la segunda etapa de aeración, en esta etapa se puede remover una proporción importante de la DBOc, y gradualmente una mayor remoción de la DBOn, en situaciones donde la carga orgánica es mixta y relativamente alta; los lodos ligeros (No 9), los lodos ligeros de la segunda etapa (No 12) y los lodos pesados de la tercer etapa, son recirculados a la primer etapa de aeración, con el objetivo de generar un alto grado de inoculación tanto de bacterias heterotróficas como nitrificantes de la primera y segunda etapa de nitrificación, es decir nitrosomonas y nitrobacter de esta manera, se tiene una gradual nitrificación desde la primera etapa; el licor tratado en el tanque de la segunda etapa, pasa al sedimentador de la segunda etapa (No 5), donde como ya se indico, se obtienen tres tipos de lodos; el agua clarificada en este sedimentador, pasa al tanque de oxidación biológica (No 3), de la tercer etapa, donde se efectúa predominantemente el proceso de nitrificación, de tal forma que el licor tratado pasa al tanque sedimentador (No 6), donde por medio de la sedimentación, se retienen las bacterias nitrificantes, que como ya se indico, los lodos pesados que sedimentan en esta etapa, se recirculan a la primer etapa, para propiciar la nitrificación desde la primer etapa, y de esta manera mantener un largo tiempo de residencia, de las bacterias nitrificantes que son de mucho muy lento desarrollo, especialmente las nitrosomonas que metabolizan el nitrógeno amoniacal a nitritos; los lodos ligeros, se recirculan al tanque de la tercer etapa, para mantener siempre la mas intensa nitrificación en la etapa tres; finalmente las aguas clarificadas de esta etapa, pueden pasar a un tanque de cloración, donde se lleva a cabo una desinfección mediante cloro, con propósitos desinfectantes para eliminar bacterias patógenas; es posible hacer diferentes combinaciones en la canalización de lodos, en función del grado de contaminación del influente, la proporción de contaminantes carbonosos y nitrogenados, de la capacidad del proceso y de la calidad deseada en el efluente, por ejemplo; el carbón orgánico que contienen los lodos pesados, e intermedios, pueden ser recirculados, para proporcionar una parte del carbón orgánico necesario para la desnitrificación de las aguas provenientes de una etapa de nitrificación.

Claims

Reindicaciones
Habiendo descrito suficientemente mi invención, considero como una novedad y por tanto, reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1- El tratamiento de aguas contaminadas a base de aeración capilar y recirculación de lodos clasificados, que consta de las siguientes etapas:
a) Cribado de sólidos; consiste en colar las aguas crudas en la primer etapa, mediante una estructura para cribado, diseñada para poder verter las aguas cribadas directamente al tanque de oxidación biológica, sin necesidad de una extremidad bridada en la descarga, la criba tiene la función de separar todos los sólidos que pueden obstruir el aerador capilar.
b) Bombeo de recirculación; mediante bombas de flujo axial, que bombean grandes volúmenes a poca altura de licor mezclado dentro del tanque de oxidación biológica, y desde un punto donde la concentración de oxigeno, ha descendido a los niveles mas bajos, para enviar a la etapa de aeración, las aguas mas receptiva de oxigeno, hacia un tanque distribuidor, que distribuye mediante una placa en forma de cedazo el flujo en forma de regadera, a todos los conductos capilares, para que de esta forma se genere una superficie de interfase líquida, dentro de los bloques de láminas de conductos; cuando el proceso se instala sobre el curso rápido de un arroyo o río, el bombeo de recirculación puede no ser requerido.
c) Inyección de aire; mediante un ventilador de aspas, que maneja grandes volúmenes a baja presión, cuya cubierta está acondicionada para generar el flujo gaseoso, a través de los conductos capilares, donde el líquido en forma de película deslizante sobre la pared interior, pasa a ser el contorno de un segundo conducto, donde se genera la superficie de interfase gaseosa; el flujo de aire, no vence ninguna carga estática de líquido, venciendo únicamente las perdidas por fricción que se generan, y que son mínimas. d) Agitación; mediante un agitador mecánico opcional se proporciona agitación para tener un mezclado adecuado, además de que también, se puede dosificar una mayor cantidad de energía para generar una aeración complementaria, este agitador mediante un codo deflector, toma un flujo de líquido en posición vertical y lo proyecta en forma horizontal, para dirigir el flujo hacia el punto de entrada del influente y propiciar la difusión de este, también puede desarrollar funciones de mezclado y evitar sedimentación dentro del tanque; cuando el proceso de instala sobre un curso rápido de un río o arrollo de aguas negras, el agitador puede no ser necesario, con un diseño apropiado del tanque .
e) Aeración capilar, con recirculación de lodos clasificados, función que se realiza al estar funcionando la recirculación del licor mezclado y la inyección de aire, dentro del aerador capilar, donde se generan las condiciones para que se efectúe, la transferencia de oxigeno, para mantener niveles adecuados de oxigeno disuelto en el tanque de oxidación biológica.
f) Sedimentación y clasificación de los lodos, que salen del tanque de oxidación biológica por la tubería de salida, que se ubica preferentemente en la parte más baja del fondo del tanque de oxidación biológica, con la finalidad de que no se acumulen sedimentos en el fondo, esta salida conduce las aguas tratadas hacia la etapa de sedimentación, donde, en ves de manejar lodos activados en forma discrecional en cuanto a sus características cualitativas, se clasifican en esta etapa, en activos, intermedios y estabilizados, recirculando al tanque de aeración los lodos mas activos biológicamente y retirando los mas estabilizados cuando se generan excesos, logrando mejores condiciones biológicas en el tanque de oxidación biológica, que dan como resultado un efluente de buena calidad, con un consumo de energía bajo.
Características del tratamiento:
a) Control más sencillo, fácil y confiable, sobre el tiempo de residencia de los lodos activos, particular mente útil en los procesos de nitrificación. b) Facilidad para mantener una mayor proporción de bacterias activas dentro del proceso y por consecuencia, disminuir la proporción de materia estabilizada dentro de este tanque, lo que permite manejar menores concentraciones de sólidos en suspensión, lo que implica incrementar la concentración de saturación de oxigeno, en las aguas que se envían al aerador, aumentando las posibilidades de transferencia de oxigeno.
c) Inoculación mas efectiva, al tener la posibilidad de recircular los lodos mas activos biológicamente.
d) Mejor calidad en el grado de estabilización de los lodos pesados, que se recirculan o retiran cuando constituyen, un exceso de lodos en el tanque de oxidación, con lo que facilita las etapas de su tratamiento posterior.
e) Mayor posibilidad de manipulación de las condiciones de interfase, tanto en el sistema líquido como gaseoso, para lograr buenos niveles de eficiencia global.
2. -El tanque de aeración capilar, en su conjunto, ilustrado en la (fig. 8) el cual está formado por los componentes siguientes:
a) La estructura del tanque en cuyo interior se encuentra una estructura soportada por columnas, que sirve para montar sobre rampas, los bloques de láminas de conductos, la misma estructura sirve para montar sobre esta, las bombas de recirculación, los agitadores mecánicos y los ventiladores; sobre una parte de la pared del tanque, se monta una criba, cuando se trata de la primer etapa de aeración; el fondo del tanque lleva una pendiente mayor de 15 %, para propiciar con una suave agitación, que los sedimentos sean inducidos hacia, la tubería de salida, que puede llevar en el punto mas estratégico, un registro para purga de sedimentos pesados.
b) El agitador mecánico opcional, tiene la función de propiciar un mezclado adecuado y evitar la formación de sedimentos, dirigiendo convenientemente el flujo del líquido, pudiéndose a través del mismo suministrar la energía suficiente para generar una transferencia complementaria de oxigeno, para de esta manera, tener mayor transferencia de oxigeno, lo cual se puede manejar opcionaimente en las horas críticas de mayor carga orgánica, generando un ahorro de energía y generando la capacidad, en el sistema para proporcionar una transferencia adicional, cuando esta es requerida a determinadas horas, esto es factible mediante el accionamiento por medio de un variador de velocidad en vez del motorreductor; este agitador, en cuanto a la especificación de los materiales, es factible su construcción de los materiales siguientes: pedestal de soporte en acero al carbón, flecha de acero inoxidable, hélice y chumaceras de bronce, o bien fabricación total en acero inoxidable, para atender distintas necesidades en cuanto a la calidad química del agua.
c) El ventilador de aspas, quel proporciona el flujo de aire necesario para generar el flujo gaseoso dentro de los conductos capilares; y cuya configuración de cubierta, es adecuada a las necesidades estructurales del sistema de aeración capilar; siendo la cubierta de dicho ventilador de acero inoxidable, por la razón de que está expuesto a salpicaduras de las aguas en proceso, las cuales por lo general pueden tener características corrosivas, el espesor de la lámina, no se requiere que sea grueso, pues la estructura, aunque manejará grandes volúmenes de aire, trabajará a presiones muy bajas; la hélice puede ser de aluminio y el motor recomendable puede ser de armazón TCCVE.
d) Criba de sólidos, la cual es diseñada para poder verter el agua cruda, libre de sólidos que pueden obstruir el aerador capilar, directamente al tanque de oxidación biológica, sin necesidad de un tubo de descarga adicional, es decir, la estructura en el fondo, está abierta con la finalidad de permitir el drenado de las aguas coladas al 100 % de tal forma que su funcionamiento es mas sencillo, por otro lado la estructura es balanceada, con la finalidad de que su colocación se pueda hacer de la manera mas fácil sobre cualquier punto de la pared del tanque.
e) El aerador capilar, que sirve para lograr la formación de películas líquidas y gaseosas, en una forma controlada, con la finalidad de manipular los diferentes factores que intervienen en la transferencia de oxigeno, de los procesos de aeración, en el tratamiento aerobio de aguas contaminadas, mediante el conjunto de conductos construidos, en forma de placas, y cuya instalación, se puede hacer dentro de un tanque, fuera del líquido como se ilustra en la (fig. 8).
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