Estudio del estado del proceso de depuración de la EDAR de Cullera mediante técnicas de respirometría

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE VALENCIA ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DE GANDIA LIC. CIENCIAS AMBIENTALES “Estudio del estado del proceso de depuración de la EDAR de Cullera mediante técnicas de respirometría” TRABAJO FINAL DE CARRERA Autor/es: Angélica Nadal Angélica Director/es: Jesús Mengual Cuquerella Carolina Marco Montolio GANDIA, 2010 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 2 ÍNDICE I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………….7 1.1. ORIGEN Y POLUCIÓN DEL AGUA RESIDUAL…………………………………………………….…8 1.2. EFECTO DEL AGUA RESIDUAL EN EL MEDIO RECEPTOR…………………………………..10 1.3. TRATAMIENTOS APLICABLES A LOS PROCESOS DE DEPURACIÓN…………………….11 1.4. PROCESOS BIOLÓGICOS DE DEPURACIÓN. FANGOS ACTIVOS …………………………13 1.4.1. ELIMINACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA……………………………………………………………….15 1.4.2. ELIMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS……………………………………………16 1.4.3. ELIMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS DE FÓSFORO…………………………………………………18 1.4.4. CONTROL DE PROCESOS EN EL SISTEMA DE FANGOS ACTIVADOS ……………………………19 II. CINÉTICA DE LOS FANGOS ACTIVOS……………………………………………………22 2.1. MODELOS DE LOS FANGOS ACTIVOS ………………………………………………………………23 2.1.1. MODELO PARA UNA ESTACIÓN DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES……………………….23 2.1.2. MODELO ASM N°1 DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS……………………………………….25 III. RESPIROMETRÍA………………………………………………………………………………..33 3.1. RESPIROMETRÍA……………………………………………………………………………………………..34 3.1.1. ANÁLISIS DE DISTINTOS TIPOS DE RESPIRÓMETROS ………………………………………………34 3.1.1.1. RESPIRÓMETRO CONTINUO ………………………………………………………………………34 3.1.1.2. RESPIRÓMETRO DISCONTINUO (BATCH)…………………………………………………………35 3.1.1.3. RESPIRÓMETRO MANOMÉTRICO O DE WARBURG……………………………………………..35 3.1.1.4. RESPIRÓMETRO VOLUMÉTRICO………………………………………………………………….35 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 3 3.1.1.5. RESPIRÓMETRO ELECTROLÍTICO …………………………………………………………………36 3.2. RESPIRÓMETRO BM-T …………………………………………………………………………………….36 3.2.1. MODOS DE ENSAYO DEL REPIRÓMETRO BM-T …………………………………………………….37 3.2.1.1. MODO OUR: ESTÁTICO………………………………………………………………………………38 3.2.1.2. MODO OUR CÍCLICO: CÍCLICO………………………………………………………………………40 3.2.1.3. MODO R: DINÁMICO ………………………………………………………………………………40 3.2.2. TIPOS DE ANÁLISIS OUR Y SOUR ………………………………………………………………………42 3.2.3. TIPOS DE ANÁLISIS R ………………………………………………………………………………………43 3.3. APLICACIONES RESPIRÓMETRO BM-T……………………………………………………………..43 IV. EDAR CULLERA …………………………………………………………………………………45 4.1. ESTACIÓN DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DE CULLERA……………………46 4.1.1. UBICACIÓN EDAR DE CULLERA………………………………………………………………………….46 4.1.2. DATOS DE PARTIDA............................................................................................47 4.1.3. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES ……………………………………………………………….49 V. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO…………………………………………………………60 5.1. OBJETIVOS………………………………………………………………………………………………………61 5.2. PLAN DE TRABAJO…………………………………………………………………………………………..61 VI. MATERIALES, MÉTODOS Y RESULTADOS…………………………………………..63 6.1. DESCRIPCIÓN DEL RESPIRÓMETRO BM-T………………………………………………………..64 6.1.1. ANALIZADOR.....................................................................................................64 6.1.2. UNIDAD TERMOSTÁTICA …………………………………………………………………………………66 6.1.3. PC………………………………………………………………………………………………………………66 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 4 6.1.4. PROGRAMA………………………………………………………………………………………………….66 6.2. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS…………………………………………………………………..67 6.2.1. PREPARACIÓN FANGO ACTIVO………………………………………………………………………….67 6.2.2. PUNTOS RECOGIDA MUESTRAS…………………………………………………………………………67 6.3. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA EL CÁLCULO DE PARÁMETROS FÍSICO-QUÍMICOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS Y FANGOS DE LA EDAR DE CULLERA…………69 6.3.1. DETERMINACIÓN DE LOS SÓLIDOS TOTALES EN SUSPENSIÓN ………………………………….69 6.3.2. DETERMINACIÓN DE LOS SÓLIDOS VOLÁTILES EN SUSPENSIÓN ……………………………….70 6.3.3. DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE LODO SEDIMENTADO……………………………………..71 6.3.4. DETERMINACIÓN FOTOMÉTRICA DE LA DQO ……………………………………………………….72 6.3.5. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO…………………………………73 6.3.6. DETERMINACIÓN FOTOMÉTRICA DEL NITRÓGENO TOTAL……………………………………….75 6.3.7. DETERMINACIÓN FOTOMÉTRICA DEL NITRÓGENO AMONIACAL, NITRATOS Y NITRITOS…76 6.3.8. DETERMINACIÓN DEL OXÍGENO DISUELTO EN EL LICOR MEZCLA………………………………77 6.4. APLICACIONES DEL RESPIRÓMETRO EN LA EDAR DE CULLERA………………………..78 6.4.1. VALORACIÓN PRIMARIA DEL FANGO………………………………………………………………….78 6.4.2. FACTOR DE CARGA…………………………………………………………………………………………84 6.4.3. ANÁLISIS DE TOXICIDAD EN PROCESOS DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES POR FANGOS ACTIVOS…………………………………………………………………………………………………..91 6.4.3.1. TOXICIDAD GLOBAL. ANÁLISIS DE TOXICIDAD DE EFECTO RÁPIDO…………………………..91 6.4.4. DETERMINACIÓN PARÁMETROS ESTEQUIOMÉTRICOS Y CINÉTICOS DE LA BIOMASA HETERÓTROFA………………………………………………………………………………………………………94 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 5 6.4.4.1. COEFICIENTE DE RENDIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA RELATIVA A LA DEMANDA DE OXIGENO (YH,O2)…………………………………………………………………………….94 6.4.4.2. COEFICIENTE DE RENDIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA RELATIVA A LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS VOLÁTILES (YH,Xv)………………………………………………………..99 6.4.4.3. DETERMINACIÓN DE Kd DESDE LA RESPIRACIÓN ENDÓGENA FINAL ………………………100 6.4.4.4. TASA DE DECAIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA DURANTE LA RESPIRACIÓN ENDÓGENA (bH)……………………………………………………………………………………………104 6.4.4.5. ÍNDICE DE PRODUCCIÓN DE LA BIOMASA HETERÓTROFA OBSERVADA (Yobs)..............105 6.4.5. FRACCIONAMIENTO DE LA DQO………………………………………………………………………106 6.4.6. BIODEGRADABILIDAD ACTUAL DEL AGUA RESIDUAL EN UN FANGO ACTIVO ESPECÍFICO……………………………………………………………………………………………….118 6.4.6.1. BIODEGRADABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL DESDE LA RELACIÓN DQOb/DQO……………118 6.4.6.2. BIODEGRADABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL DESDE LA RELACIÓN DQOrb/DQO…………..119 6.4.7. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO…………………..121 6.4.7.1. DETERMINACIÓN DE LA TASA DE NITRIFICACIÓN POR RESPIROMETRÍA ………………….122 6.4.7.2. ESTIMACIÓN DE LA TASA DE DESNITRIFICACIÓN (NUR) …………………………………….130 6.4.7.3. MATERIA ORGÁNICA CARBONOSA PARA DESNITRIFICACIÓN ………………………………131 6.4.8. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS BIOCINÉTICOS DE LA BIOMASA AUTÓTROFA….133 6.4.8.1. CONCENTRACIÓN DE BIOMASA AUTÓTROFA (XA) ……………………………………………133 6.4.8.2. TASA ESPECÍFICA DE LA NITRIFICACIÓN (qN) ………………………………………………….134 6.4.8.3. TASA DE CRECIMIENTO DE LA BIOMASA AUTÓTROFA……………………………………….135 6.4.9. SONICACIÓN DEL FANGO Y ESTUDIO DE LA DQO MEDIANTE RESPIROMETRÍA ……………137 6.4.9.1. ULTRASONIDOS ………………………………………………………………………………….137 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 6 6.4.9.2. EQUIPO EXPERIMENTAL…………………………………………………………………………138 6.4.9.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ENSAYOS DE SONIFICACIÓN ……………………………139 6.4.9.3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL RESPIROMETRÍA FANGO SONICADO…………………..140 6.4.9.4. RESULTADOS …………………………………………………………………………………….140 VII. CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………147 VIII. BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………….150 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 7 I. INTRODUCCIÓN Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 8 1. 1. ORIGEN Y POLUCIÓN DEL AGUA RESIDUAL Los procesos de depuración se aplican para proceder a la eliminación de la carga contaminante de las aguas residuales. En las aguas residuales se incluyen toda combinación de líquidos o aguas que transporten residuos procedentes de residencias, instalaciones públicas, centros comerciales, industria, a las que, eventualmente, se pueden añadir aguas subterráneas, superficiales y pluviales (Metcalf & Eddy, 1991). El vertido directo de las aguas residuales al medio acuático puede producir una serie de efectos que dificultan la vida del ecosistema y de su entorno. Estas consecuencias varían en función de la composición del agua. Las principales fuentes del agua residual que llega al medio receptor son las siguientes:  AGUA RESIDUAL DOMÉSTICA La práctica habitual consiste en considerar que entre el 60 y el 90% del agua potable consumida en los hogares se convierte en agua residual. La generación de agua residual doméstica en una determinada ciudad presenta unos perfiles estables, con variaciones estacionales, semanales y diarias, y con picos por la mañana y por la noche y un valle al mediodía. El perfil de los vertidos domésticos se deriva de la aportación de sus distintos componentes. En general, los contaminantes contenidos en el agua residual doméstica son los siguientes (Butler et al., 1995): - Materia orgánica: carbohidratos, grasas y aceites. - Compuestos nitrogenados: nitrógeno orgánico, en forma de proteínas y urea, y nitrógeno amoniacal. - Fósforo. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 9  ESCORRENTÍA La escorrentía es el caudal superficial generado como consecuencia de la lluvia, por lo que presenta una gran variedad en su caudal y su composición (Bechmann et al., 1998). Durante los periodos de tiempo seco entre eventos de lluvia, los contaminantes sólidos, como hidrocarburos, plomo, metales, caucho y sólidos suspendidos, se acumulan en las superficies urbanas. Adicionalmente, el agua de lluvia es una fuente considerable de contaminantes presentes en la atmósfera, como metales pesados. Cuando la lluvia contaminada llega a la superficie, arrastra al sistema de saneamiento una parte o toda la contaminación depositada. El agua, ya contaminada cuando entra en la red de colectores, aumenta su concentración de contaminantes como consecuencia del arrastre y resuspensión de los sedimentos acumulados.  AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL Las características del agua residual industrial dependen fuertemente del tipo de industria implantada en la zona, pudiendo variar su composición desde un agua residual compuesta básicamente por materia orgánica, procedente de industrias alimenticias, al agua residual de alto contenido en nutrientes producida en granjas de animales e industrias y cultivos agrícolas (Buday et al., 1999). A pesar de que en muchos países el agua residual industrial necesita cumplir unos determinados requisitos de calidad para ser vertida a la red general de colectores, pueden contener sustancias inhibidoras de los procesos biológicos que tienen lugar en la estación de depuración de aguas residuales (EDAR). Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 16 2. Síntesis: conversión de una parte de la materia orgánica en nueva biomasa con la ayuda de la energía obtenida en la oxidación. Materia orgánica + O2 + energía nuevas células 3. Autooxidación: obtención de energía mediante la conversión de algunos constituyentes celulares en productos energéticamente inferiores. Materia orgánica + O2 CO2 + H2O + energía Simplificando el proceso se puede considerar que los microorganismos utilizan el oxígeno presente en el agua para poder consumir el sustrato o alimento, en este caso las moléculas orgánicas biodegradables contenidas en el agua residual y como resultado de este consumo los microorganismos obtienen la energía necesaria para mantener sus funciones vitales, al mismo tiempo que generan nuevos individuos. 1.4.2. ELIMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS NITROGENADOS El nitrógeno contenido en las aguas residuales municipales se presenta principalmente en forma de nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal. Generalmente, el primero es hidrolizado, mediante el proceso conocido como amonificación, durante el tiempo que permanece en la red de colectores. Por lo tanto, el nitrógeno que llega a la EDAR se encuentra en su mayoría en forma de nitrógeno amoniacal. La eliminación del mismo en la planta se produce mediante dos procesos consecutivos: la nitrificación y la desnitrificación. Microorganismos Microorganismos Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 17 La nitrificación es un proceso aerobio realizado por microorganismos quimiolitoautotróficos que pertenecen a la familia Nitrobacteriaceae. Esta familia está dividida en dos grupos: los amonioxidantes i los nitroxidantes, que son de respiración aerobia estricta. Obtienen la energía de compuestos reducidos del nitrógeno (amonio y nitrito) y su fuente de carbono es el CO2 disuelto en el agua (Madigan et al., 1997). Esta oxidación se realiza en dos pasos: 1. Oxidación del amoniaco a nitrito por parte de bacterias del género Nitrosomonas: 2NH4 + + 3O2 2NO2 - + 4H+ + 2H2O 2. Oxidación del nitrito a nitrato por parte de bacterias del género Nitrobacter: 2NO2 - + O2 2NO3 - Como puede observarse en las expresiones, el proceso de nitrificación reduce la alcalinidad del agua residual y utiliza únicamente el oxígeno disuelto como aceptor de electrones. Por su parte, la desnitrificación consiste en la reducción de los nitratos durante el proceso de respiración anóxica de los microorganismos heterótrofos. Los nitratos (y nitritos) son reducidos a nitrógeno gas, que escapa a la atmósfera: NO3NO2 - NO N2O N2 Mediante este proceso aumenta la alcalinidad, si bien en menor medida que la reducción de alcalinidad debida al proceso de nitrificación. Una gran parte de los microorganismos heterótrofos es capaz de utilizar nitratos y nitritos como aceptores Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 18 de electrones en lugar de oxígeno, por lo que el proceso de desnitrificación se encuentra limitado normalmente por la concentración de materia orgánica fácilmente biodegradable, utilizada como donante de electrones. Por otra parte, el oxígeno disuelto actúa como inhibidor de la desnitrificación, puesto que es utilizado preferentemente por las bacterias heterótrofas como aceptor de electrones. De ambos procesos, la nitrificación es el más complejo de diseñar y controlar, puesto que es un proceso lento e inestable debido a la sensibilidad de las bacterias nitrificantes a factores como la temperatura, el nivel de oxígeno disuelto, el pH y la presencia de inhibidores (Van Haandel et al., 1981; Orhon y Artan, 1994). El crecimiento de las bacterias autótrofas aumenta con la temperatura, el nivel de oxígeno y la concentración de amonio. No obstante, es un crecimiento más lento que el de las bacterias heterótrofas, lo que obliga a aumentar el tiempo de residencia de los microorganismos en la planta y, por lo tanto, el volumen de la misma. 1.4.3. ELIMINACIÓN DE LOS COMPUESTOS DE FÓSFORO A pesar de que el fósforo es uno de los nutrientes empleados en la biosíntesis de la biomasa activa, los procesos de eliminación de materia orgánica y compuestos nitrogenados no eliminan fósforo en la proporción necesaria para cumplir los requerimientos de efluente normalmente establecidos. Por lo tanto, la práctica habitual en las EDAR con eliminación de fósforo consiste en su eliminación mediante precipitantes químicos (CEIT, 1998). El fósforo presente en las aguas residuales urbanas se puede encontrar en tres formas distintas: fósforo orgánico, ortofosfatos y polifosfatos. El fósforo en forma de ortofosfatos es un factor limitante del crecimiento de muchos de los microorganismos presentes en los fangos activos, que lo incorporan en su tejido celular en forma de compuestos orgánicos fosfatados. Sin embrago, existen ciertos microorganismos capaces de asimilar fósforo en proporciones superiores a las correspondientes a los requisitos nutritivos normales bajo condiciones aerobias. Para que dichas bacterias se desarrollen correctamente necesitan la presencia de ácidos Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 19 orgánicos volátiles que, a su vez, se generan a partir de la degradación de la materia orgánica del agua en condiciones anaerobias. Estos dos requerimientos implican que la eliminación biológica de fósforo deba hacerse mediante la alternancia de etapas anaerobias y aerobias. 1.4.4. CONTROL DE PROCESOS EN EL SISTEMA DE FANGOS ACTIVADOS Los parámetros operacionales se han de tener en cuenta a la hora de diseñar la cuba de aireación y el clarificador, siendo a su vez controlados para mantener un óptimo funcionamiento de la planta. Dichos parámetros son:  Carga másica (Cm) Es la relación que existe entre la carga de materia orgánica que entra en el reactor biológico por unidad de tiempo, y la masa de microorganismos existentes en el mismo. Se expresa como: - Q: caudal (m3/t). - So: DBO5 de entrada (kg/m3). - V: volumen reactor (m3). - X: sólidos en suspensión volátiles del licor de mezcla (SSV) de la cuba de aireación (kg/m3). Cm = Q * So / V * X Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 20  Edad del fango (EF) Es la relación entre la masa de fangos existentes en la cuba de aireación y la masa de fangos en exceso extraídos por unidad de tiempo. Se expresa como: - V: volumen reactor (m3). - X: sólidos en suspensión volátiles del licor de mezcla (SSV) de la cuba de aireación (kg/m3). - Qp = caudal de la purga de fangos (m3/t). - Xp = SSV de la purga de fangos (kg/m3).  Carga volumétrica (Cv) Es la relación entre la masa de materia orgánica que entra en el reactor por unidad de tiempo, y el volumen de la cuba. Se expresa como: - Q: caudal (m3/t). - So: DBO5 de entrada (kg/m3). - V: volumen reactor (m3).  Rendimiento (R) Es la relación que existe entre la masa de materia orgánica eliminada y la del influente que entra en el reactor biológico. Se expresa en %. EF = V * X / Qp * Xp Cv = Q * So / V Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 21 - S = DBO5 de la salida del decantador secundario (kg/m3). - So: DBO5 de entrada (kg/m3).  Tiempo de retención Para que se pueda dar el proceso de oxidación biológica, es necesario que los microorganismos permanezcan un tiempo de contacto suficiente con las aguas residuales. Este tiempo de retención se debe tener en cuenta para diseñar las cubas, ya que en relación con el caudal a tratar y el tiempo que debe permanecer el caudal en la cuba, calcularemos el volumen de la misma.  Índice volumétrico de fangos (IVF) Se define como el volumen en ml ocupado por un gramo de sólidos en suspensión del licor de mezcla, tras una sedimentación de 30 minutos en una probeta de 1000 ml. Este valor nos da el comportamiento de los fangos en el decantador. Si el valor es menor de 100 implica fangos con desarrollo de organismos que sedimentan bien y por tanto buena separación sólido-líquido. Si el valor es superior, se han desarrollado organismos filamentosos con mala sedimentación, lo que nos lleva a una descompensación en el funcionamiento del sistema. R = (So – S) / So IVF = ml sólidos sedimentables * 1000 / ppm de SSLM Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 22 II. CINÉTICA DE LOS FANGOS ACTIVOS Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 23 2.1. MODELOS DE LOS FANGOS ACTIVOS Existen numerosos modelos de la interpretación de la depuración biológica de aguas residuales pero el modelo más utilizado y que generalmente se acepta como a estándar en el campo de la modelización biológica de los fangos activos es el modelo Activated Sludge Model Nº1ASM1. ASM1 que fue propuesto por el grupo de modelización matemática de la International Water Association (IWA). Existen hoy cuatro generaciones de modelos de la IWA, el ASM1 original y el reciente ASM3, capaces de predecir la degradación de la materia orgánica, nitrificación y desnitrificación en lodos únicos, y el ASM2 y su versión modificada ASM2d que incluyen además la remoción biológica del fósforo. 2.1.1. MODELO PARA UNA ESTACIÓN DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES Para la elaboración correcta de un modelo de los procesos que tienen lugar en un sistema de fangos activos se propone seguir una metodología estandarizada, que consiste en primer lugar en determinar exactamente las variables de estado que intervienen en el sistema, en identificar los procesos individuales que suceden entre las variables de estado, en desarrollar un sistema de ecuaciones que representen el sistema real a partir de la relación entre procesos y variables de estado y finalmente en calibrar y validar los resultados obtenidos a partir del sistema de ecuaciones. Los cambios que se producen en el interior de un reactor se describen como consecuencia de los procesos de crecimiento de la biomasa, la muerte de la biomasa y el consumo de sustrato durante el crecimiento. A continuación, se presentan los procesos: Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 24 1. CRECIMIENTO DE LA BIOMASA La velocidad de crecimiento de la biomasa se puede expresar según la fórmula cinética de Monod, donde el crecimiento de la biomasa es proporcional a la cantidad de biomasa presente en el sistema: - vcrecimiento: velocidad de crecimiento de la biomasa (g DQO/m3 ·d). - µ: velocidad específica de crecimiento (d-1). - X: concentración de biomasa (g DQO/m3). - µmax: velocidad específica máxima de crecimiento (d-1). - S: concentración de sustrato (g DQO/m3). - Ks: constante de saturación del sustrato (g DQO/m3). 2. MUERTE DE LA BIOMASA La concentración de biomasa presente en el sistema disminuye debido al proceso de muerte y su velocidad de desaparición se representa de forma proporcional a la cantidad de biomasa. La constante de proporcionalidad se denomina constante de muerte o de descomposición endógena y tiene un valor negativo debido a la disminución de biomasa: vcrecimiento = µ · X SK S μμ S max   Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 25 - vmuerte: velocidad de muerte de la biomasa (g DQO/m3 ·d). - Kd: constante endógena (d-1). - X: concentración de biomasa (g DQO/m3). 3. CONSUMO DE SUSTRATO - vconsumoS: velocidad de consumo de sustrato (g DQO/m3 ·d). - Y: biomasa formada por sustrato consumido (g X-DQO/ g S-DQO). - µmax: velocidad específica máxima de crecimiento (d-1). - S: concentración de sustrato (g DQO/m3). - Ks: constante de saturación del sustrato (g DQO/m3). 2.1.2. MODELO ASM N°1 DEL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS El modelo ASM1 fue desarrollado por el Task group en 1987. Tiene como propósito simular la degradación de la materia orgánica así como la nitrificación y desnitrificación de los procesos de lodos activados de tipo lodos únicos. El modelo fue presentado utilizando la notación matricial. El modelo cuenta con: - 13 componentes en total: 7 disueltos y 6 de partículas - 9 procesos: 3 de crecimiento, 2 de decaimiento y 4 de hidrólisis. vmuerte = -Kd · X vconsumoS= - · vcrecimiento= - µ· X= - ·µmax · · X Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 32 condiciones aerobias como en condiciones anóxicas. Se utiliza un factor de corrección ηh (<1) para tomar en cuenta el hecho de que la tasa de hidrólisis es menor en medio anóxico comparado al medio aerobio.  Hidrólisis del nitrógeno orgánico particulado. El nitrógeno orgánico particulado (XND) es parte de la materia orgánica particulada (XS), por lo que la tasa de hidrólisis del primero está determinada por la tasa de hidrólisis (ρ7) del segundo componente. El modelo utilizado muestra una proporcionalidad entre las dos tasas. A continuación, se muestra en la Tabla 1 una lista de valores típicos de los parámetros cinéticos según el modelo ASM1: Tabla 1. Valores típicos parámetros cinéticos según modelo ASM1 . A lo largo de este estudio se verá como mediante técnicas de respirometría se puede calcular ciertos parámetros cinéticos y estequiométricos que representan el comportamiento de los microorganismos dentro del sistema. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 33 III. RESPRIROMETRÍA Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 34 3.1. RESPIROMETRÍA Las técnicas respirométricas están basadas en la medida e interpretación del consumo biológico de oxígeno, debido a la respiración aerobia, de una población microbiana bajo unas condiciones determinadas. El consumo biológico de oxígeno está directamente relacionado con el crecimiento bacteriano y con el consumo de sustrato para la obtención de energía. Sólo una parte del sustrato consumido se utiliza para obtener energía, el resto pasa a la formación de nueva biomasa. El consumo de oxigeno se considera asociado solamente al consumo de sustrato para obtener energía mediante una reacción de oxidación. La biomasa, durante su proceso de muerte, se divide en materia orgánica inerte y materia orgánica lentamente biodegradable que después de hidrolizarse puede ser utilizada para mantenimiento e incluso para el crecimiento. Así se explica que, aún cuando todo el sustrato extracelular se ha consumido, siga existiendo un consumo de oxígeno (respiración endógena). Por lo tanto, la respirometría es una técnica que mide el consumo de oxígeno de las bacterias contenidas en un fango activo. 3.1.1. ANÁLISIS DE DISTINTOS TIPOS DE RESPIRÓMETROS Según la bibliografía y dentro de los diferentes tipos de respirómetros, los más significativos se muestran a continuación: 3.1.1.1. RESPIRÓMETRO CONTINUO En un respirómetro continuo el aire circula de manera continua en el recipiente donde se lleva a cabo la determinación. Se mide el caudal y concentración de oxígeno en el aire de entrada y a la salida de forma permanente, para así poder determinar por Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 35 diferencia el consumo instantáneo de oxígeno. A partir de la curva de consumos instantáneos de oxígeno frente a tiempo se podrán obtener por derivación las velocidades instantáneas de consumo de oxígeno. 3.1.1.2. RESPIRÓMETRO DISCONTINUO (BATCH) En un respirómetro discontinuo el aporte de oxígeno depende de dos valores de consigna, un máximo y un mínimo de concentración de oxígeno dentro del recipiente donde se lleva a cabo la repirometría. Se inyecta aire hasta alcanzar el valor máximo de concentración de oxígeno establecido. Una vez alcanzado se deja de inyectar oxígeno y se espera a que los microorganismos lo consuman, hasta llegar a la consigna mínima. Se mide el tiempo que emplean los microorganismos en consumir el oxígeno, con el que se obtiene la velocidad instantánea de consumo de oxígeno. 3.1.1.3. RESPIRÓMETRO MANOMÉTRICO O DE WARBURG En un respirómetro manométrico el oxígeno utilizado se mide con respecto al tiempo, anotando la disminución de presión en el recipiente donde se está realizando la respirometría, que tiene volumen constante, es hermético y se ha de mantener a una temperatura constante. En el recipiente se introduce la muestra a analizar dejando una cámara de aire y, además, se ha de colocar un vaso con una solución de hidróxido potásico para que absorba el anhídrico carbónico producido, de tal forma que la disminución de la presión sea una medida de la concentración de oxígeno consumido. 3.1.1.4. RESPIRÓMETRO VOLUMÉTRICO De forma análoga al respirómetro de Warburg, el oxígeno consumido se mide en función de la disminución del volumen que se produzca en el recipiente adecuado que mantenga la presión y la temperatura constantes. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 36 3.1.1.5. RESPIRÓMETRO ELECTROLÍTICO El respirómetro electrolítico está formado por un recipiente dotado en su interior de un absorbedor de CO2 (recipiente con sosa), una célula electrolítica y un manómetro. A medida que los microorganismos consumen el oxígeno para la oxidación de la materia orgánica, se produce una disminución de presión en el sistema, que es registrada por el manómetro. Éste, a su vez, a través de un sistema de control, activará la célula electrolítica en función de dicha disminución de presión, tratando así de mantener la presión constante. La cantidad de oxígeno liberado en la electrolisis es proporcional a la cantidad de energía eléctrica que ha sido necesaria suministrar. Registrando esta energía se puede inferir directamente el consumo de oxígeno. 3.2. RESPIRÓMETRO BM-T El principio de respirometría utilizado en el BM-T se fundamenta en el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos contenidos en el fango activo del reactor biológico de una estación depuradora de aguas residuales. Su funcionamiento está basado en un método batch de circuito cerrado, por medio de medidas en régimen continuo del oxígeno disuelto en el fango activo y la mezcla formada por el fango y la muestra a analizar. Este oxígeno es el resultante de la respiración de los microorganismos del fango activo en su proceso de metabolización de la materia orgánica y su propio consumo. La Respirometría BM-T básicamente mide el consumo de oxígeno de los microorganismos en el proceso de oxidación de un sustrato. Este consumo de oxígeno se mide y aplica principalmente bajo las siguientes variantes:  Velocidad de consumo de oxígeno: Tasa de respiración.  Evolución de la tasa de respiración durante la eliminación del sustrato a depurar. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 37  Cantidad de oxígeno consumido para degradar una muestra a tiempo parcial o total.  Fracción biodegradable de la DQO.  Inhibición de consumo de oxígeno: Toxicidad referida a la actividad de un fango determinado. Mediante el respirómetro BM-T podemos analizar diferentes puntos del proceso de depuración por fangos activos:  Valorar de forma práctica y rápida cómo se encuentra la salud actual del proceso.  Detección de problemas potenciales de toxicidad.  Cinética del proceso.  Biodegradabilidad relacionada con las fracciones biodegradables de la DQO.  Carga másica actual (F/M).  Capacidad de nitrificación y desnitrificación.  Edad del fango mínima (TRCN) para la nitrificación. 3.2.1. MODOS DE ENSAYO DEL REPIRÓMETRO BM-T El BM-T está dotado de tres modos distintos de ensayo: 1. Modo OUR: Estático 2. Modo OUR: Cíclico 3. Modo R: Dinámico Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 38 3.2.1.1. MODO OUR: ESTÁTICO Mide la velocidad de consumo de oxígeno del licor-mezcla en una sola medida para un determinado periodo de tiempo (tasa de respiración estática). El ensayo transcurre en dos etapas, como se muestra en la Figura 4: Figura 4. Esquema ensayo modo OUR estático. En la etapa 1 se fija el oxígeno inicial de referencia (Cb) y se mantiene la recirculación a su nivel máximo, con el fin de que el rápido flujo del fluido aporte una máxima homogeneización y ecualice las condiciones en todo el conjunto del vaso reactor. En la etapa 2 se para la aireación y la recirculación (pero se sigue agitando ininterrumpidamente). El hecho de parar la bomba de recirculación trae consigo el cierre de una membrana que divide el recinto superior del inferior, dejando automáticamente aislada del exterior el recinto inferior del vaso reactor durante el ensayo de respirometría. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 39 A partir de este momento, automáticamente se empieza a registrar la pendiente de caída del oxígeno (Cs) por consumo del mismo por parte de los microorganismos. La pendiente es la velocidad de consumo de oxígeno o tasa de respiración denominada por el programa como OUR. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de un respirograma OUR & SOUR. Figura 5. Respirograma OUR & SOUR Las medidas que se calculan automáticamente son las siguientes:  OUR total (mg/l.h): Tasa de respiración.  OUR parcial (mg/l.h): Tasa de respiración parcial.  SOUR (mg/gVSS.h): OUR específico.  SOUR parcial (mg/l.h): OUR específico parcial. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 40 3.2.1.2. MODO OUR CÍCLICO: CÍCLICO Se trata así mismo de un modo de trabajo batch secuencial tradicional, que está optimizado así mismo por una medida perfectamente aislada de la aspiración del aire de la atmósfera. Durante el ensayo se van ejecutando secuencialmente ensayos OUR de forma automática. Para ello, además de la configuración propia del ensayo, en el oxímetro se programa un punto alto y otro bajo de consigna, con el fin de que el ensayo se mueva entre ambos. 3.2.1.3. MODO R: DINÁMICO El sistema de medida puede seguir considerándose como un sistema batch con reactor de mezcla completa en donde la aireación y recirculación se mantienen activas durante todo el ensayo. El ciclo del ensayo R transcurre en dos etapas, como se muestra en la Figura 6: Figura 6. Esquema ensayo modo R dinámico. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 41 En la etapa 1 se utiliza solamente fango activo libre de carga. En esta etapa se fija y almacena en la memoria el oxígeno de referencia o línea base (Cb). En la etapa 2, una vez determinada la línea base (Cb), el programa nos da la orden para que se añada la muestra a analizar. De este modo el fluido que en un principio era solo fango ahora pasa a estar constituido por fango más muestra. Tan pronto empieza a reaccionar la muestra añadida con el fango activo el oxígeno inicial empezará a descender como señal de que se está llevando a cabo una oxidación biológica (salvo que no exista materia biodegradable) y automáticamente empezará a generarse un respirograma con los valores de la tasa de respiración por oxidación del sustrato. Así mismo, automáticamente se calcula el oxígeno consumido (OC) a lo largo del tiempo y la fracción biodegradable de la DQO. En la Figura 7 se muestra un ejemplo de un respirograma Rs. Figura 7. Respirograma Rs. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 48 En las Tablas 4, 5, 6 y 7 se analiza la evolución del proceso depurativo en el reactor biológico, decantación secundaria, flotador/espesador y deshidratación respecto a los valores contemplados en el dimensionamiento inicial de la EDAR de Cullera. Tabla 4. Evolución del proceso depurativo en el reactor biológico. REACTOR BIOLÓGICO PROYECTO T. BAJA PROYECTO T. MEDIA PROYECTO T. ALTA Tiempo de retención hidráulico (h) 47,51 23,75 15,84 Carga másica (Kg DBO5/Kg MLSSV/d) 0,042 0,056 0,11 Carga volúmica (Kg DBO5/m3/d) 0,13 0,25 0,38 Edad del fango (d) 24 20,2 18,7 Kg DBO5 eliminados 1.840 3.680 5.520 Producción de fangos en exceso (Kg MS/d) 1.765,9 3.535,8 5.091,9 Qr/Q (%) 92 122 193 Tabla 5. Evolución del proceso depurativo en decantación secundaria. DECANTACIÓN SECUNDARIA PROYECTO T. BAJA PROYECTO T. MEDIA PROYECTO T. ALTA Tiempo de retención hidráulico (h) 12,3 12,3 8,22 Velocidad ascensional (m3/m2/h) 0,33 0,33 0,49 Carga sobre vertedero (m3/m/h) 3,06 3,06 4,61 Carga de sólidos (Kg SS/m2/h) 2,2 3,7 8,6 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 49 Tabla 6. Evolución del proceso depurativo en el flotador/espesador. FLOTADOR/ESPESADOR PROYECTO T. BAJA PROYECTO T. MEDIA PROYECTO T. ALTA Tiempo de retención hidráulico (h) 12,97 8,6 6,7 Carga hidráulica (m3/m2/h) 0,19 0,28 0,55 Carga de sólidos (Kg SS/m2/d) 27,8 55,6 80,1 Concentración de salida (% MS) 4,5 4,5 4,5 Tabla 7. Evolución del proceso depurativo en deshidratación. DESHIDRATACIÓN PROYECTO T. BAJA PROYECTO T. MEDIA PROYECTO T. ALTA Fango a deshidratación (Kg MS/mes) 52.948 106.042 152.790 Fangos evacuados (gr MS/m3) 220,74 221,04 212,20 Dosis media de poli (Kg Poli/Tm MS) 5 5 5 Producción horaria (Kg MS/h) 73,6 147,4 212,2 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 50 4.1.3. DESCRIPCIÓN DE LAS INSTALACIONES El sistema de saneamiento y depuración de Cullera consta de los siguientes elementos:  COLECTORES:  Colector de impulsión de aguas residuales desde la E.B. del Xúquer hasta la EDAR, de 600 mm de diámetro, y 1.110 m de longitud.  Colector por gravedad de agua tratada desde la EDAR hasta el río Xúquer, de 700 mm de diámetro y 850 m de longitud.  ESTACIÓN DE BOMBEO:  Bombeo de agua bruta a la EDAR mediante 3 bombas sumergibles, una en reserva, de 1.000 m3/h de caudal unitario a 14 m.c.a. y 55 Kw de potencia.  Bombeo de agua bruta al emisario submarino mediante 2 bombas sumergibles de 500 m3/h de caudal unitario a 6 m.c.a. y 15 Kw de potencia.  Bombeo de agua bruta al río mediante 2 bombas sumergibles de 3.240 m3/h de caudal unitario a 5 m.c.a. y 60 Kw de potencia.  Grupo electrógeno de 485 Kw de potencia.  Equipo de desodorización compuesto por ventilador de 1.620 m3/h.  Compuerta motorizada de entrada de agua a la estación de bombeo.  Reja automática de cadena, de 2 cm de luz de paso y 0,7 Kw de potencia.  Tamiz automático de 1,1 Kw de potencia.  Compactador de 1,27 m3/h de capacidad.  Polipasto Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 51  EDAR: A continuación, se describen las fases de tratamiento en el proceso de depuración en la EDAR de Cullera (Figura 9), se diferencian dos líneas, la línea de agua (Figura 10) y la línea de fangos (Figura 17). Figura 9. Esquema EDAR Cullera Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 52  LÍNEA DE AGUA: Figura 10. Diagrama línea de aguas EDAR Cullera. 1. Obra de llegada: consiste en un pozo diseñado para la descarga de la impulsión de agua bruta, dotándose de un vertedero sumergido en la entrada. Se dispone además, de un aliviadero de seguridad, apto para el caudal máximo de diseño, con conexión a by-pass. 2. Desbaste-Tamizado: el desbaste está formado por tres líneas automáticas (Figura 11), aptas para el caudal máximo de diseño 1.800 m3/h. Los tamices son autolimpiables y tienen un diámetro de paso de 3 mm. Se dispone de un canal de reserva del desbaste, dotado de una reja de limpieza manual para retención de gruesos de 15 mm de separación y una reja de limpieza manual para retención de finos, de 4 mm. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 53 Figura 11. Desbaste-Tamizado EDAR Cullera. 3. Desarenado-Desengrase: se trata de una obra mixta, que reúne las condiciones necesarias para retener la arena, grasas, aceites y pequeños flotantes. Está formado por tres canales de desarenado-desengrase (Figura 12). Figura 12. Desarenado-Desengrase EDAR Cullera. Las arenas y los depósitos se recogen en el fondo de los canales y se extraen, mediante bombas fijas. Las arenas recogidas en el fondo del desarenador se envían a un clasificador para su escurrido y carga directa a un contenedor. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 54 La instalación para la eliminación de las grasas y los aceites se proyecta una aireación mediante burbuja fina, mediante difusores alimentados por soplantes. Los flotantes y grasas que provienen de los retornos de los decantadores y en general todos los sobrenadantes, se envían para su espesamiento al desnatador, consiste en un sistema de rascado continuo que envía los elementos flotantes a un contenedor. El clasificador de arenas y el desnatador se encuentran recogidos en el edificio de Pretratamiento, permitiendo su completa desodorización. 4. Reactor biológico: el tratamiento biológico se realiza mediante el sistema Orbal, trabajando en la modalidad de aireación prolongada. Provisto de tres canales: el canal exterior representa el 50% del volumen total, el canal medio el 34 % y el canal interior e 16% restante, con un volumen total de 15.836,5 m3 y con 712 discos totales, distribuidos en 12 rotores (Figura 13). Figura 13. Esquema del reactor Orbal de la EDAR de Cullera. El aporte de oxígeno se realiza mediante un sistema de aireación superficial mediante los rotores. Los discos que presentan estos equipos favorecen Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 55 durante su funcionamiento la dispersión del agua en el aire y del aire en el agua, permitiendo así una difusión del oxígeno y una homogeneización del licor mezcla (Figura 14). Los aireadores (rotores) pueden girar en ambos sentidos, pudiéndose realizar la aireación tanto en modo base (mayor aporte de oxígeno), como en modo vértice (menor aporte de oxígeno). Figura 14. Reactor Biológico (Orbal) EDAR Cullera El agua residual una vez sale del proceso del Desarenado-Desengrasado entra directamente al ORBAL para sufrir los procesos de oxidación de la materia orgánica y la eliminación de nutrientes (Nitrógeno y Fósforo). Desde el reactor biológico, el licor mezcla pasa por gravedad a los Decantadores 2º, desde los que parte del fango se recircula de nuevo al ORBAL para mantener la biomasa. 5. Dosificación Cloruro Férrico: en caso de que sea necesario, para garantizar la eliminación de fósforo, se procederá a la adición de cloruro férrico. Mediante el proceso de precipitación simultánea en las cámaras de aspiración de las bombas de recirculación de fangos, previo a la decantación secundaria. 6. Decantación secundaria: para la decantación la planta cuenta con dos decantadores circulares, con un diámetro de 36 mm cada uno (Figura 15). Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 56 Figura 15. Decantadores secundarios EDAR Cullera. La función en esta etapa de tratamiento es la de clarificación, para producir un efluente bien tratado y la extracción de fangos a una concentración suficiente. La recogida de fangos se realiza mediante un sistema de succión. 7. Cloración: etapa diseñada para procurar la desinfección del agua tratada, por adición de hipoclorito sódico en un laberinto de 252 m3 (Figura 16). Figura 16. Cloración EDAR Cullera. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 57  LÍNEA DE FANGOS: Figura 17. Diagrama línea de aguas EDAR Cullera. 1. Recirculación de fangos: para la recirculación de fangos activos hay instaladas tres bombas sumergibles, una en reserva, con un caudal unitario de 1000 m3/h. El dimensionado de la recirculación está diseñado para poder recircular al 50 al 100 o 200% del caudal medio. 2. Bombeo fangos en exceso: el bombeo de fangos en exceso se realiza mediante dos bombas sumergibles, una en reserva de 35 m3/h. El cálculo de la extracción de fangos en exceso depende fundamentalmente de las condiciones de diseño dispuestas en aireación. Los fangos en exceso son bombeados directamente a flotación y posterior deshidratación. 3. Flotador fangos en exceso: se dispone de un flotador de fangos en exceso estabilizados, de 9 metros de diámetro (Figura 18). Después de optimizar el funcionamiento del flotador de fangos durante los primeros meses de explotación (septiembre –diciembre 2002), se consideró la posibilidad de Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 64 6.1. DESCRIPCIÓN DEL RESPIRÓMETRO BM-T A continuación, se van a describir las diferentes partes que componen el respirómetro BM-T. 6.1.1. ANALIZADOR El respirómetro utilizado en el proyecto (Figura 21) es un sistema batch provisto de recirculación, en donde existen tres modos de ensayo (Estático OUR, Cíclico OUR y Dinámico R). Figura 21. Respirómetro BM-T. La bomba de recirculación está provista de tres velocidades y una posición de paro. En el modo estático y cíclico OUR, la recirculación no ejerce influencia en la medida final (batch). En el modo dinámico R la recirculación funciona ininterrumpidamente y por ello el sistema de medida debe calibrarse (batch modificado). Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 65 En el recinto superior del vaso reactor (Figura 22) se sitúa el difusor de aire proporcionando el nivel de oxígeno adecuado que se transfiere al recinto de medida, que está protegido de de la influencia de posible burbujas que pudieran influir en el sensor la cabeza del sensor, así como de la influencia de la aspiración de aire desde la atmósfera por el efecto centrífugo del sistema de agitación. En este recinto, el sensor de oxígeno realiza las medidas actuales de oxígeno disuelto resultante de la respiración de los microorganismos a lo largo de los ciclos de medida de cada uno de los modos de ensayo. Figura 22. Vaso reactor del Respirómetro BM-T. El vaso reactor además, está dotado de una cámara de termostatización que rodea sus recintos. Por esta cámara circula agua termostatizada que proviene de la unidad termostática. El sistema de aireación está dotado de un regulador en % que permite programar un nivel de oxígeno acorde con el objetivo de la aplicación de Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 66 respirometría. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que el modo dinámico R debe calibrarse para cada nivel de caudal de oxígeno. El oxímetro manda las señales de las medidas de oxigeno en curso al ordenador en donde, por medio de un programa específico se procesan para llevar a cabo la generación automática de respirogramas y el cálculo de tasas de respiración, consumo de oxígeno y fracción biodegradable de la DQO. Así mismo, por medido del programa se auto-generan archivos exportables con sus correspondientes respirogramas. 6.1.2. UNIDAD TERMOSTÁTICA Se trata de un baño termostático que es capaz de programar una termostatización del agua entre 0 y 60 °C. El sistema está adaptado para que el agua se bombee de forma continuada a la cámara termostatizable del vaso reactor del analizador. El papel de la termostatización del vaso reactor tiene dos funciones principales: que las reacciones de respirometría puedan realizarse con temperaturas equivalentes a las del proceso real, y que los ensayos (especialmente los del modo cíclico y dinámico) comiencen y terminen a la misma temperatura. 6.1.3. PC En el ordenador van procesando las medidas de oxígeno al realizar los ensayos, generando automáticamente los respirogramas. 6.1.4. PROGRAMA El programa es específico del sistema de medida BM-T y en el mismo es donde se pueden programar y configurar los distintos modos de ensayo. La configuración de los ensayos es bastante abierta y flexible a distintas posibilidades, tales como la Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 67 utilización de fangos con distintas concentraciones de sólidos, utilización de distintos volúmenes de muestras y modificar coeficientes y factores (con consigna de entrada). 6.2. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS Antes de llevar a cabo cualquier ensayo con el respirómetro se deben realizar unos preparativos previos y tener en cuenta unas determinadas condiciones. 6.2.1. PREPARACIÓN FANGO ACTIVO  Por precaución contra posibles sólidos gruesos o desperdicios, el fango se debe colar antes de poner la muestra en el vaso reactor.  Para los ensayos R y aplicaciones relacionadas con Rs, OC y DQOb normalmente se utilizará fango en fase de respiración endógena. Este fango se consigue a partir del recogido de la salida del biológico o en su acceso al clarificador (decantación secundaria). Para que el fango alcance condiciones endógenas se debe dejar un mínimo de 24 horas aireándose, para ello se utiliza un aireador. 6.2.2. PUNTOS RECOGIDA MUESTRAS Según la aplicación que se vaya a realizar con el respirómetro, las muestras se tomarás de los siguientes puntos:  FED OUR & SOUR: se utiliza fango del inicio del proceso del reactor biológico.  UNFED OUR & SOUR: se utiliza fango del final del proceso del reactor biológico.  OC Y DQOb: se utiliza fango del final del proceso del reactor biológico e influente al reactor (después de pretratamiento). Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 68  TOXICIDAD: se recoge fango del final del proceso del reactor biológico e influente o vertido a la EDAR. Todos los puntos de muestreo quedan recogidos en la Figura 23. Figura 23. Esquema puntos recogida de muestra. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 69 6.3. MÉTODOS ANALÍTICOS PARA EL CÁLCULO DE PARÁMETROS FÍSICO-QUÍMICOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS Y FANGOS DE LA EDAR DE CULLERA A continuación, se describen los métodos analíticos que son necesarios realizar al agua y fangos de la EDAR de Cullera para poder hacer el estudio respirométrico. Para ello, se utiliza como referencia los “Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales” de APHA-AWWA-WPCF (1992). 6.3.1. DETERMINACIÓN DE LOS SÓLIDOS TOTALES EN SUSPENSIÓN  ÁMBITO DE APLICACIÓN: El método se aplicará a muestras de: licor mezcla y recirculados de licor mezcla.  MATERIAL: - Horno de secado a 105 ± 15°C. - Balanza analítica. - Filtros de microfibra de vidrio de 47 mm. - Equipo de filtración. - Matraz kitasatos. - Desecador. - Lámina de aluminio.  PROCEDIMIENTO: a) Preparación del filtro de fibra de vidrio. - Colocar el filtro con la cara rugosa hacia arriba en el aparato de filtrado. - Hacer vacío y lavar tres veces con 20 ml de agua destilada. - Succionar hasta eliminar toda el agua de lavado. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 70 - Poner el filtro en la lámina de aluminio y secar en el horno a 105 ± 15 °C durante 1 hora. - Enfriar un máximo de 10 minutos en desecador y pesar. b) Análisis de la muestra. - Filtrar un volumen de muestra bien mezclado por el filtro de fibra de vidrio. - Separar el vidrio con cuidado, pasar a la lámina de aluminio y secar en el horno a 105 ± 15 °C durante 1 hora. - Enfriar un máximo de 10 minutos en desecador y pesar.  CÁLCULOS: mg sol. tot. En susp./l = (A-B)*1000/Vol. Muestra (ml) - A= peso del filtro + residuo seco (mg). - B= peso del filtro (mg). 6.3.2. DETERMINACIÓN DE LOS SÓLIDOS VOLÁTILES EN SUSPENSIÓN  ÁMBITO DE APLICACIÓN: El método se aplicará a muestras de: licor mezcla y recirculados de licor mezcla.  MATERIAL: - Balanza analítica. - Horno mufla para incinerar a 550 ± 50 °C. - Filtros de microfibra de vidrio de 47 mm. - Desecador. - Lámina de aluminio. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 71  PROCEDIMIENTO: a) Datos y determinaciones necesarias. Para determinar la fracción de sólidos volátiles es necesario, primero, determinar los sólidos totales en suspensión según el punto anterior (3.1.). b) Análisis de la muestra. - Incinerar el filtro de fibra de vidrio, con el residuo seco, en un horno mufla a 550 ± 50 °C, durante unos 20 minutos. - Enfriar un máximo de 10 minutos en desecador y pesar.  CÁLCULOS: % de sólidos volátiles= [(A-C) x 100] / (A-B) - A= peso del residuo y el filtro tras el secado. - B= peso del filtro. - C= peso del residuo y el filtro después de la calcinación. 6.3.3. DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE LODO SEDIMENTADO  ÁMBITO DE APLICACIÓN: El método se aplicará a muestras de: licor mezcla y recirculados de licor mezcla.  MATERIAL: - Probeta de 1 l. - Cronómetro. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 72  PROCEDIMIENTO: - Agitar la muestra que deberá estar recién tomada y llenar rápidamente con ella la probeta graduada de 1 l. - Poner en marcha el cronómetro y tras 30/60 minutos registrar el volumen de lodo sedimentado en ml. 6.3.4. DETERMINACIÓN FOTOMÉTRICA DE LA DQO  ÁMBITO DE APLICACIÓN: Este método se aplicará a muestras de: influente, efluente, vertidos, licor mezcla y recirculados del licor mezcla.  MATERIAL: - Espectrofotómetro Modelo Hach-Lange (equipo adecuado para la lectura de test en cubetas Dr. Lange). - Bloque digestor capaz de alcanzar y mantener la Tª de 148 ± 5 °C. - Tubos de reacción (cubeta test) preparados de DR. Lange. - Termómetro. - Vasos de precipitados. - Micropipeta automática (puntas desechables). - Agitador magnético.  PROCEDIMIENTO: - Conectar el bloque digestor a 148 ± 5 °C. Para asegurarnos de que la Tª de reacción es correcta introducir el termómetro de vidrio en el orificio destinado a tal fin. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 73 - Seleccionar la cubeta test en función del tipo de muestra a analizar. - Agitar la cubeta varias veces para que el sedimento quede en suspensión. - Homogeneizar la muestra con el agitador magnético y posteriormente pipetear 2 ml de muestra cuidadosamente. - Cerrar la cubeta, agitarla y colocar en el digestor a 148 °C durante 2 horas. - Finalizada la digestión, sacar la cubeta caliente, invertir cuidadosamente 2 veces y dejar enfriar. - Posteriormente, se limpia bien el exterior de la cubeta y se realiza la medición en el espectrofotómetro. 6.3.5. DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO  ÁMBITO DE APLICACIÓN: Este método se aplicará a muestras de: influente, efluente, vertidos, licor mezcla y recirculados del licor mezcla.  MATERIAL Y REACTIVOS: - Equipo manométrico de DBO, con sensor de presión. - Incubadora (frigotermostato) a 20 ± 2 °C. - Solución de N-Aliltiourea al 0.05%. - Sodio Hidróxido en lentejas. - Probetas o matraces adecuados para medir el volumen de muestra necesario. - Botellas de cristal. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 80  PROCEDIMIENTO: - Se coge 1 l de muestra de fango del final del proceso (final del reactor). - La muestra se filtra para evitar queden sólidos gruesos, a continuación se introduce en el vaso reactor. - Se pone en marcha el agitador, la bomba de recirculación en su máximo nivel y la aireación. - Una vez el oxígeno se estabiliza, se para la bomba de recirculación y la aireación, instantáneamente la concentración de oxígeno empezará a disminuir, debido a su consumo por los microorganismos. - El ensayo de detendrá cuando los microorganismos hayan consumido todo el oxígeno. - La pendiente de la gráfica que se obtiene en el respirograma es la velocidad de consumo de oxígeno o tasa de respiración denominada por el programa como OUR. • OUR (mg O2/l·h)= Tasa de consumo de oxígeno en el licor-mezcla. • SOUR (mg O2/g·h)= OUR específico. • MLVSS (g/l)= Sólidos volátiles. SOUR (mg O2/g MLVSS·h) = OUR / MLVSS Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 81  RESULTADOS: A continuación, se muestra en las Figuras 24, 25 y 26, los respirogramas que se han obtenido al realizar el UNFED OUR en los meses de Junio, Julio y Agosto. - JUNIO Figura 24. Respirograma UNFED OUR EDAR CULLERA (JUNIO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 4,706 1,25 3,765 Al comparar el SOUR final que se ha obtenido en el ensayo con el SOUR medio (6,5 mg O2/g·h) de la tabla de referencia, vemos que está un poco por debajo de la media, por lo tanto, puede haber problemas de toxicidad o infracarga. A continuación, se estudiará con más detalle. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 82 - JULIO Figura 25. Respirograma UNFED OUR EDAR CULLERA (JULIO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 9,933 1,54 6,45 Al comparar el SOUR final que se ha obtenido en el ensayo con el SOUR medio (6,5 mg O2/g·h) de la tabla de referencia, vemos que el valor es casi igual. En un principio el fango no muestra ningún tipo de problema, es decir, su actividad biológica es la correcta. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 83 - AGOSTO Figura 26. Respirograma UNFED OUR EDAR CULLERA (AGOSTO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 7,222 1,35 5,35 Al comparar el SOUR final que se ha obtenido en el ensayo con el SOUR medio (6,5 mg O2/g·h) de la tabla de referencia, vemos que está un poco por debajo de la media, por lo tanto, puede haber problemas de toxicidad o infracarga. A continuación, se estudiará con más detalle. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 84 6.4.2. FACTOR DE CARGA El Factor de Carga (FC) es la relación entre el SOUR del inicio del proceso (FED SOUR) con el SOUR final (UNFED SOUR), nos permite llevar a cabo un diagnóstico primario de la carga a que está siendo sometido el proceso de depuración. Según el Factor de Carga que se obtenga, tendremos un diagnóstico u otro (Tabla 9). Tabla 9. Valores Factor de Carga y diagnóstico. Fuente: Ron Sharman (sharmar @ linnbenton.edu), Water and Wastewater Technology, LBCC. (1) Cuando el UNFED SOUR está por encima del rango de normalidad.  PROCEDIMIENTO: - El procedimiento es el mismo que se utiliza para calcular el UNFED SOUR (procedimiento apartado 6.4.1.), en este caso la muestra se recoge al principio del reactor (FED SOUR), es decir al inicio del proceso. - Una vez terminado el ensayo, se calcula el Factor de Carga y se superponen los dos respirogramas. FC = FED SOUR / UNFED SOUR Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 85  RESULTADOS: A continuación, se muestra en las Figuras 27, 29 y 31, los respirogramas que se han obtenido al realizar el FED OUR en los meses de Junio, Julio y Agosto. Y en las Figuras 28, 30 y 32 los respirogramas del Factor de Carga. - JUNIO Figura 27. Respirograma FED OUR EDAR CULLERA (JUNIO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 19,992 1,25 15,994 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 86 Figura 28. FACTOR DE CARGA EDAR CULLERA (JUNIO). UNFED SOUR (mg O2/g·h) FED SOUR (mg O2/g·h) FC 3,765 15,994 4,25 El DIAGNÓSTICO para un FC igual a 4,25 es de una CARGA ACEPTABLE (Tabla 9) en el mes de Junio. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 87 - JULIO Figura 29. Respirograma FED OUR EDAR CULLERA (JULIO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 30,617 1,54 19,881 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 88 Figura 30. FACTOR DE CARGA EDAR CULLERA (JULIO). UNFED SOUR (mg O2/g·h) FED SOUR (mg O2/g·h) FC 6,45 19,881 3,08 El DIAGNÓSTICO para un FC igual a 3,08 es de una CARGA ACEPTABLE (Tabla 9) en el mes de Julio. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 89 - AGOSTO Figura 31. Respirograma FED OUR EDAR CULLERA (AGOSTO). OUR FINAL (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR FINAL (mg O2/g·h) 7,065 1,35 5,233 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 96  RESULTADOS: A continuación, se muestra en las Figuras 34, 35 y 36, los respirogramas que se han obtenido al realizar el ensayo para calcular la YH,O2 de los meses de Junio, Julio y Agosto. - JUNIO Figura 34. YH,O2 EDAR CULLERA (JUNIO). OCac (mg/l) DQOac (mg/l) YH,O2 25,486 123 0,79 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 97 - JULIO Figura 35. YH,O2 EDAR CULLERA (JULIO). OCac (mg/l) DQOac (mg/l) YH,O2 31,922 122 0,74 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 98 - AGOSTO Figura 36. YH,O2 EDAR CULLERA (AGOSTO). OCac (mg/l) DQOac (mg/l) YH,O2 35,974 122 0,71 Los valores obtenidos de YH,O2 son ligeramente superiores a los que propone ASM1, un rango que varía entre 0,46 y 0,69. Ello se podría deber a que el valor de rendimiento varía en función de la naturaleza del sustrato y de la población de microorganismos que lo degradan. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 99 6.4.4.2. COEFICIENTE DE RENDIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA RELATIVA A LA CONCENTRACIÓN DE SÓLIDOS VOLÁTILES (YH,Xv) Se calcula YH,Xv desde la siguiente expresión matemática: • fcv (mg DQO/mg MLVSS) = 1,48 (por defecto: valor normal) Fuente: The Activated Sludge Resource Book - K.C. Landrea - La Trobe University, Bendigo (Australia)  RESULTADOS: MES YH,Xv JUNIO 0,66 JULIO 0,50 AGOSTO 0,48 Los valores que se han obtenido de YH,Xv representa los coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa relativa a la concentración de sólidos volátiles. El rango de valores típicos de YH,Xv está sobre 0,6, por lo tanto, está dentro del rango YH,Xv (mg MLVSS / mg DQOs) = YH,O2 / fcv fcv = DQOrb {bact.} / MLVSS Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 100 6.4.4.3. DETERMINACIÓN DE Kd DESDE LA RESPIRACIÓN ENDÓGENA FINAL Kd: Fracción de MLVSS por unidad de tiempo oxidada durante el proceso de oxidación endógena. Se calcula Kd desde la siguiente expresión matemática: • 1,42: es una forma práctica de cálculo, comúnmente aceptada, que proviene de la supuesta fórmula empírica de los MLVSS como C5H7NO2. Fuente: "Tratamiento de Aguas Residuales" R.S. Romalho 1991.  PROCEDIMIENTO: - Se coge 1 l de muestra de fango del final del proceso (final del reactor). - La muestra se filtra para evitar queden sólidos gruesos, a continuación se introduce en el vaso reactor. - Para que el fango alcance condiciones endógenas se debe dejar un mínimo de 24 horas aireándose, para ello se utiliza un aireador. - Se pone en marcha el agitador, la bomba de recirculación en su máximo nivel y la aireación. - Una vez el oxígeno se estabiliza, se para la bomba de recirculación y la aireación, instantáneamente la concentración de oxígeno empezará a disminuir, debido a su consumo por los microorganismos. - El ensayo de detendrá cuando los microorganismos hayan consumido todo el oxígeno. Kd = SOUR end (Kg O2/ Kg·d) / 1,42 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 101 - La pendiente de la gráfica que se obtiene en el respirograma es la velocidad de consumo de oxígeno o tasa de respiración denominada por el programa como OUR.  RESULTADOS: A continuación, se muestra en las Figuras 37, 38 y 39, los respirogramas que se han obtenido al realizar el ensayo para calcular la OUR end de los meses de Junio, Julio y Agosto. - JUNIO Figura 37. Respirograma OUR end EDAR CULLERA (JUNIO). SOUR end (mg O2/g MLVSS·h) = OUR end / MLVSS Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 102 OUR end (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR end (mg O2/g·h) SOUR end (Kg O2/ Kg·d) Kd 2,58 1,25 2,064 0,050 0,035 - JULIO Figura 38. Respirograma OUR end EDAR CULLERA (JULIO). OUR end (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR end (mg O2/g·h) SOUR end (Kg O2/ Kg·d) Kd 5,69 1,54 3,695 0,089 0,062 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 103 - AGOSTO Figura 39. Respirograma OUR end EDAR CULLERA (AGOSTO). OUR end (mg O2/l·h) MLVSS (g/l) SOUR end (mg O2/g·h) SOUR end (Kg O2/ Kg·d) Kd 5,498 1,35 4,043 0,097 0,068 Revisando la bibliografía se ha encontrado que la constante cinética Kd obtenida por los diferentes investigadores que han trabajado con sistemas de lodos activados a escala laboratorio suelen presentar un rango muy amplio, siendo de 0,0120,19. Por lo tanto, los valores obtenidos de Kd mediante respirometría están dentro del rango de valores bibliográfico. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 104 6.4.4.4. TASA DE DECAIMIENTO DE LA BIOMASA HETERÓTROFA DURANTE LA RESPIRACIÓN ENDÓGENA (bH) bH: Kg de oxígeno consumido por día por Kg de MLVSS utilizado en el proceso de respiración endógena. Se calcula Kd desde la siguiente expresión matemática: • fp: fracción de la biomasa particulada = 0,08 Fuente: Ekama et al. (1986).  RESULTADOS: MES bH d(-1) JUNIO 0,13 JULIO 0,19 AGOSTO 0,20 Los valores calculados de bH representan la constante de muerte de la biomasa heterótrofa. Estos valores están dentro del rango de valores que propone el modelo de ASM1. Los valores siguen una tendencia a aumentar de manera que se incrementa la temperatura ambiente. bH = Kd / [1 - YH,O2 (1 – fp)] Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 105 6.4.4.5. ÍNDICE DE PRODUCCIÓN DE LA BIOMASA HETERÓTROFA OBSERVADA (Yobs) Yobs: Coeficiente de rendimiento de la biomasa heterótrofa observada. Se calcula Yobs desde la siguiente expresión matemática: • TRC: Edad del fango.  RESULTADOS: MES TRC (d) YH,Xv Kd Yobs JUNIO 20 0,66 0,035 0,39 JULIO 22 0,50 0,062 0,37 AGOSTO 21 0,48 0,068 0,34 Yobs (mg MLVSS/mg DQOs) = YH,Xv / (1 + Kd * TRC) Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 112 - JULIO Figura 44. Respirograma DQOb EDAR CULLERA (JULIO). OCb (mg/l) YH,O2 DQOb (mg/l) 69,755 0,74 268,29 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 113 Figura 45. Respirograma DQOrb EDAR CULLERA (JULIO). OCrb (mg/l) YH,O2 DQOrb (mg/l) 31,586 0,74 121,48 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 114 Figura 46. Respirograma FRACCIONAMIENTO DQO EDAR CULLERA (JULIO). DQO (mg/l) DQOb (mg/l) DQOrb (mg/l) DQOlb (mg/l) 558 268,29 121,48 146,81 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 115 - AGOSTO Figura 47. Respirograma DQOb EDAR CULLERA (AGOSTO). OCb (mg/l) YH,O2 DQOb (mg/l) 40,571 0,71 139,90 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 116 Figura 48. Respirograma DQOrb EDAR CULLERA (AGOSTO). OCrb (mg/l) YH,O2 DQOrb (mg/l) 35,093 0,71 121,01 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 117 Figura 49. Respirograma FRACCIONAMIENTO DQO EDAR CULLERA (AGOSTO). DQO (mg/l) DQOb (mg/l) DQOrb (mg/l) DQOlb (mg/l) 380 139,90 121,01 18,89 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 118 6.4.6. BIODEGRADABILIDAD ACTUAL DEL AGUA RESIDUAL EN UN FANGO ACTIVO ESPECÍFICO La biodegradabilidad contemplada desde la respirometría es específica para un determinado fango activo. El carácter biodegradable de la muestra a analizar se considera no solamente desde su porcentaje de biodegradabilidad sino además de la velocidad de degradación de la DQO biodegradable. 6.4.6.1. BIODEGRADABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL DESDE LA RELACIÓN DQOb/DQO La relación de la DQOb con la DQO total, nos permite valorar el porcentaje de DQOb eliminada desde la DQO total y, de este modo, establecer el carácter biodegradable de una muestra desde una perspectiva global (Tabla 10). Tabla 10. Biodegradabilidad DQOb/DQO. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 119  RESULTADOS: MES DQOb DQO DQOb/DQO JUNIO 236,93 330 0,72 JULIO 268,29 558 0,48 AGOSTO 139,90 380 0,37 • En el mes de JUNIO, el agua influente presenta un carácter BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOb entre el 70-80%. • En el mes de JULIO, el agua influente presenta un carácter POCO BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOb entre el 30-70%. • En el mes de AGOSTO, el agua influente presenta un carácter POCO BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOb entre el 30-70%. 6.4.6.2. BIODEGRADABILIDAD DEL AGUA RESIDUAL DESDE LA RELACIÓN DQOrb/DQO Para un proceso de fangos activos, es también muy importante analizar la biodegradabilidad desde la relación DQOrb/DQO (Tabla 11), ya que la DQO fácilmente asimilable es la que el fango realmente debe dar prioridad, ya que cumple la función de nutriente y da el paso previo al proceso de la nitrificación. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 120 Tabla 11. Biodegradabilidad DQOrb/DQO.  RESULTADOS: MES DQOrb DQO DQOrb/DQO JUNIO 107,44 330 0,33 JULIO 121,48 558 0,22 AGOSTO 121,01 380 0,32 • En el mes de JUNIO, el agua influente presenta un carácter MUY BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOrb mayor de 30%. • En el mes de JULIO, el agua influente presenta un carácter BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOrb entre el 10-30%. • En el mes de AGOSTO, el agua influente presenta un carácter BIODEGRADABLE, con un porcentaje de eliminación de DQOrb mayor de 30%. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 121 La EDAR de Cullera da servicio a una población costera que duplica sus habitantes durante los periodos estivales, lo que produce un caudal de agua con marcado carácter estacional y una composición típicamente urbana, mostrando una gran dispersión de datos en verano e invierno debido probablemente a que en esta estación es cuando se produce un mayor aporte de materia oxidable. Los meses en que es mayor este incremento son los de Julio y Agosto. Es por ello, que el agua residual de estos meses muestra un carácter menos biodegradable con relación a DQOb/DQO, podría ser porque la carga contaminante influente de estos meses es menos biodegradable. 6.4.7. DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ELIMINACIÓN DEL NITRÓGENO El tratamiento biológico para la eliminación del nitrógeno está compuesto por los procesos de Nitrificación (medio aerobio) y la Desnitrificación (medio anóxico), por lo que conocer el nivel de oxígeno que hay en el reactor biológico es de gran importancia para su eliminación. Si el oxígeno disuelto que hay en el reactor es limitado, el proceso de depuración siempre da prioridad a la eliminación de la DQO fácilmente biodegradable (DQOrb), y el efecto final es que la nitrificación empieza demasiado tarde y probablemente sin la actividad adecuada. Por esta razón, el proceso no puede conceder suficiente tiempo de retención hidráulica para que la nitrificación pueda completarse normalmente y el resultado final es el de una nitrificación incompleta (parcial) o inhibición de la nitrificación. Mediante la respirometría se pueden conocer diferentes parámetros y tasas que nos ayudan a conocer qué capacidad de eliminación de nitrógeno tiene el proceso. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 128 A continuación, se calcula el tiempo de retención hidráulica y el tiempo de nitrificación: Vr (m3) Q (m3/d) TRH (h) 16.000 12.157 31,59 [N-NH4 INF] (mg/l) Rn (mg N-NH4 / l·h) Tn (h) 34 7,46 4,6 En el mes de Julio el Tn es menor que TRH, por lo tanto, el proceso tiene suficiente tiempo para realizar la nitrificación completa. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 129 - AGOSTO Figura 52. Respirograma NITRIFICACIÓN EDAR CULLERA (AGOSTO). Rs. Max (mg O2/l·h) Rn (mg N-NH4 / l·h) AUR (mg N-NH4 / g VSS·h) 18,858 4,13 3,03 Si comparamos los valores de Rn y AUR con los de la Tabla 12, vemos que si que están dentro del rango de normalidad, en un principio parece que en el mes de Agosto, el proceso tiene una correcta capacidad de nitrificación. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 130 A continuación, se calcula el tiempo de retención hidráulica y el tiempo de nitrificación: Vr (m3) Q (m3/d) TRH (h) 16.000 15.346 25,02 [N-NH4 INF] (mg/l) Rn (mg N-NH4 / l·h) Tn (h) 36 4,13 8,7 En el mes de Agosto el Tn es menor que TRH, por lo tanto, el proceso tiene suficiente tiempo para realizar la nitrificación completa. 6.4.7.2. ESTIMACIÓN DE LA TASA DE DESNITRIFICACIÓN (NUR) La Desnitrificación se lleva a cabo en medio anóxico por medio de bacterias heterótrofas facultativas y por lo tanto utilizan DBO como fuente de carbón orgánico para la síntesis y energía, así como el nitrato (NO3-) como fuente de oxígeno. La tasa de desnitrificación (NUR) es la velocidad de consumo de nitratos. Se calcula mediante la siguiente expresión matemática: NUR (g NO3- –N/g VSS·d) estimado = FED SOUR (g O2/ g VSS·d) / 2,8 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 131  RESULTADOS: Los siguientes valores de NUR representan los gramos de NO3consumidos por sólidos volátiles y por día, de los meses de Junio, Julio y Agosto. MES FED SOUR (g O2/ g VSS·d) NUR (g NO3- –N/g VSS·d) JUNIO 0,002 0,018 JULIO 0,004 0,032 AGOSTO 0,004 0,035 6.4.7.3. MATERIA ORGÁNICA CARBONOSA PARA DESNITRIFICACIÓN Es fundamental conocer si se dispone de suficiente materia orgánica carbonosa para satisfacer los requerimientos del proceso de la desnitrificación. Podríamos disponer de una buena tasa de desnitrificación (NUR) pero si no hay suficiente materia carbonosa, ésta no se podrá completar. Consideramos como materia carbonosa necesaria para la desnitificación a la DQO soluble fácilmente biodegradable (DQOrb). La relación de DQOrb con los nitratos a desnitrificar (N-NO3-d), para una desnitrificación completa es la siguiente: DQOrb / N-NO3-d = 2,86 Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 132 • N_NH4n: nitrógeno a nitrificar en la zona aerobia (mg/l). • Norg: nitrógeno orgánico en el efluente de planta (mg/l). • N_NO3-e: nitrato en el efluente de planta (mg/l).  RESULTADOS: MES N_NH4n Norg N_NO3-e N-NO3-d JUNIO 40,1 2,80 3,50 33,80 JULIO 34,0 2,98 3,00 28,02 AGOSTO 36,0 1,28 1,53 33,19 MES DQOrb N-NO3-d DQOrb / N-NO3-d JUNIO 107,44 33,80 3,19 JULIO 121,48 28,02 4,34 AGOSTO 121,01 33,19 3,65 En los meses de Junio, Julio y Agosto la relación DQOrb / N-NO3-d es mayor que 2,86, por lo tanto, hay suficiente materia orgánica carbonosa para satisfacer los requerimientos del proceso de la desnitrificación y se desarrolla correctamente. N-NO3-d = N_NH4n - Norg - N_NO3-e Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 133 6.4.8. DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS BIOCINÉTICOS DE LA BIOMASA AUTÓTROFA 6.4.8.1. CONCENTRACIÓN DE BIOMASA AUTÓTROFA (XA) XA (mg/l): Concentración de la biomasa autótrofa. XA se calcula a partir de la relación DBO5/NKT (Tabla 13), de la cual se obtiene la fracción de nitrificantes (Fn): Tabla 13. Influencia de la relación DBO5/NKT en la nitrificación: • Fracción de nitrificantes (Fn): factor sobre la concentración total de MLVSS (mg/l). Se calcula XA desde la siguiente expresión matemática: XA (mg/l) = Fn *ML VSS Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 134  RESULTADOS: MES DBO5 (mg/l) NKT (mg/l) DQO5/NKT Fn JUNIO 150 57,00 3 0,083 JULIO 170 48,24 4 0,064 AGOSTO 150 51,12 3 0,083 MES MLVSS (mg/l) XA (mg/l) JUNIO 1923 159,60 JULIO 2270 145,28 AGOSTO 1900 157,70 Los valores obtenidos de XA de los meses de Junio, Julio y Agosto representa la concentración de biomasa autótrofa por mg/l. La concentración de biomasa autótrofa es muy similar en los tres meses. 6.4.8.2. TASA ESPECÍFICA DE LA NITRIFICACIÓN (qN) Desde el valor de Rn (tasa de nitrificación), se calcula la tasa específica de nitrificación (qN) correspondiente, con la siguiente expresión matemática: qN (mg N-NH4 / mg MLVSSA·d) = Rn * 24 / XA Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 135  RESULTADOS: MES Rn (mg N-NH4 / l·h) XA (mg/l) qN (mg N-NH4 / mg MLVSSA·d) JUNIO 4,01 159,60 0,60 JULIO 7,46 145,28 1,23 AGOSTO 4,13 157,70 0,63 6.4.8.3. TASA DE CRECIMIENTO DE LA BIOMASA AUTÓTROFA Desde el valor de qN, se calcula la tasa de crecimiento máxima (μA.max) correspondiente, con la siguiente expresión matemática: • YA= Coeficiente de rendimiento de la biomasa autótrofa en función de la biomasa autótrofa. YA= 0,15. Se toma este valor como referencia a una temperatura de 25-28 °C. La determinación de la tasa de crecimiento máxima (μA.max) es esencial la caracterización de la biomasa autótrofa, ya que determina la velocidad máxima de crecimiento de los microorganismos autótrofos y por tanto el tiempo mínimo de retención de fangos que necesita un sistema para llevar a término la nitrificación. μA.max (d-1) = YA * qN Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 136  RESULTADOS: MES YA qN μA.max (d-1) JUNIO 0,15 0,60 0,09 JULIO 0,15 1,23 0,18 AGOSTO 0,15 0,63 0,09 Los valores que se han obtenido de μA.max en los meses de Junio, Julio y Agosto están por debajo del rango de valores típico de ASM1 (0,34-0,8 d-1 a 20 °C). Se puede deber a que las características ambientales y de funcionamiento del sistema condicionan enormemente el valor de μA.max que presentan los fangos activos. La temperatura influye en la actividad de las bacterias y por lo tanto queda reflejada en su velocidad máxima de crecimiento. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 137 6.4.9. SONICACIÓN DEL FANGO Y ESTUDIO DE LA DQO MEDIANTE RESPIROMETRÍA En este punto, se va a realizar un estudio de la influencia del tiempo de sonicado en la biodegradabilidad del fango, mediante respirometría. En este estudio, se ha considerado constante el resto de variables (temperatura e intensidad). Para estas experiencias se ha utilizado la temperatura de 17 °C. Se realiza el estudio en el mes de Agosto, utilizando muestras de fango de la EDAR de Cullera. 6.4.9.1. ULTRASONIDOS Ultrasonido es el término que se emplea para describir las ondas de energía, con frecuencias alrededor de los 230 kHz, que se propagan por un medio, como resultado de un mecanismo de compresión/rarefacción. Originariamente, esta técnica era empleada para extraer el material intercelular de las células microbianas (Harrison, 1991). Más tarde, este método ha sido reconocido por Chiu et al. (1997) y Thiem et al. (1997, 2001), como un pretratamiento adecuado para la reducción del fango que se produce en las depuradoras de aguas residuales. Con esta técnica se producen ondas de sonido de elevada intensidad que se van a propagar por el medio, produciendo una disipación de la energía y la rotura de las fuerzas atractivas de las moléculas de agua. Muchos estudios han demostrado que la aplicación de ultrasonidos antes de la digestión anaerobia, no sólo mejora el proceso de digestión y deshidratación, sino que también aumenta la solubilidad del fango y con ello, su biodegradabilidad. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 144 - SEGUNDO ENSAYO La Figura 55 corresponde al respirograma de cada una de las DQOb que se han obtenido en los diferentes tiempos de sonicado de las muestras de fango sin filtrar, para ello se ha superpuesto todos los respirogramas obtenidos. Figura 55. Respirograma DQOb FANGO EDAR CULLERA (t= 0, 1, 3 y 6 minutos). En la Figura 55, se observa al igual que en el primer ensayo, que cuando mayor es el tiempo de sonicado, la DQOb aumenta. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 145 La Figura 56 corresponde al respirograma de cada una de las DQOrb que se han obtenido en los diferentes tiempos de sonicado de las muestras de fango filtradas, para ello se ha superpuesto todos los respirogramas obtenidos Figura 56. Respirograma DQOrb FANGO EDAR CULLERA (t= 0, 1, 3 y 6 minutos). En la Figura 56, también se observa que cuando mayor es el tiempo de sonicado, la DQOrb aumenta. A continuación, en la Tabla 15, se muestra las DQO obtenidas en los diferentes tiempos de sonicado del segundo ensayo. Al igual que en el primer ensayo la DQO total y la DQO soluble total, están calculadas mediante tubos de reacción (cubeta test) preparados de DR. Lange. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 146 Tabla 15. Resultados DQO fango sonicado a diferentes tiempos (EDAR Cullera). t=0 t=1 t=3 t=6 DQO TOTAL 2.277 2.281 2.193 2.230 DQO SOL. TOTAL 19,9 57,9 130 194 DQOb 7,559 23,188 42,776 132,477 DQOrb 6.274 7,734 14,198 46,578 DQOlb 1,285 15,454 28,578 85,899 Al igual que en el primer ensayo, se ve un aumento de la fracción soluble de la DQO cuando mayor es el tiempo de sonicado. Es este caso hay que destacar un aumento significativo de la fracción soluble de la DQO para un tiempo de sonicado de 6 minutos. Por lo tanto, en los dos ensayos puede observarse un aumento considerable de la fracción soluble de la DQO. Este hecho denota que durante la aplicación de ultrasonidos, parte de la fracción orgánica particulada se solubiliza, es decir, una porción de la fracción orgánica se disgrega pasando a la fracción soluble. Hay que resaltar, que según los dos ensayos realizados, únicamente del fango que se utiliza sólo un 0,3% es biodegradable (a t=0), DQOb/DQO total, lo cual es improbable. Por lo tanto, mediante respirometría se puede estimar como aumenta la fracción biodegradable del fango debido a la sonicación. Pero en sí, la técnica respirométrica no permite determinar la biodegradabilidad de fangos. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 147 VII. CONCLUSIONES Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 148 7. CONCLUSIONES  La utilización de un respirómetro BM-T permite conocer en todo momento cómo se encuentra el proceso de depuración, ponerlo a punto y prevenir importantes problemas.  Desde la valoración primaria del proceso y la actividad biológica se puede detectar con anticipación un problema de inhibición de actividad o toxicidad de efecto progresivo. La respirometría determina posibles síntomas de toxicidad e inhibición específica dentro de una amplia variedad de procedimientos basados en el análisis de la evolución de la tasa de respiración dinámica provocada por el agua residual en el fango activo. En el mes de Agosto la E.D.A.R. de Cullera muestra síntomas de toxicidad.  El cálculo de la capacidad de nitrificación nos permite averiguar si la actividad de la biomasa nitrificante está actuando dentro de unos niveles normales o por el contrario está mermada o inhibida. En la E.D.A.R. de Cullera los meses analizados presentan una capacidad de nitrificación correcta y por lo tanto, hay suficiente tiempo para realizar la nitrificación completa.  Con la determinación de la capacidad de desnitrificación valoramos la materia orgánica carbonosa disponible para el proceso de la desnitrificación y la posibilidad de que este proceso se complete o no satisfactoriamente por este concepto. En la E.D.A.R. de Cullera los meses analizados hay suficiente materia orgánica carbonosa para satisfacer los requerimientos del proceso de la desnitrificación y se desarrolla correctamente.  Por medio del respirómetro se pueden valorar las fracciones biodegradables de la DQO y la biodegradabilidad del agua residual desde la relación DQOb/DQO y DQOrb/DQO. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 149  Los ensayos de respirometría permiten el cálculo de parámetros biocinéticos que caracterizan el proceso de los fangos activos a partir de las velocidades de consumo de oxígeno de la biomasa presente en el sistema.  La sonicación de fangos puede ser valorada mediante técnicas de respirometría. Se puede estimar como aumenta la fracción biodegradable del fango cuando mayor es el tiempo de sonicado, pero la técnica respirométrica no permite determinar la biodegradabilidad de fangos. Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 150 VIII. BIBLIOGRAFÍA Estudio del Estado del Proceso de Depuración de la EDAR de Cullera Mediante Técnicas de Respirometría 151 8.1. BIBLIOGRAFÍA  APHA-AWWA-WPCF. “Métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales”. Madrid, Díaz de Santos, ISBN: 84-7978-031-2. 1992.  BECHMANN, H; MARINUS, K.; MADSEN, H. and KJØLSTAD, N. “Control of sewer systems and wastewater treatment plants using pollutant concentration profiles”. Water Science and Technology 37 (12): 87-93. 1998.  BUDAY, J. M.; DRTIL, M.; HUTÑAN and DERCO, J. “Substrate and Product Inhibition of Nitrification”. Chemical Papers: 53(6): 379-383. 1999.  BUTLER, D. et al. “Urban Drainage” – E & FN SPON – London, UK. 2000.  GRADY, J.; DAIGGER, G. and LIM, H. “Biological wastewater treatment”. 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