Análisis de procesos de tratamiento de aguas residuales afectadas por vertidos de vendimia en poblaciones con elevada estacionalidad aplicación para el diseño de la EDAR de Sanlúcar de Barrameda

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE SEVILLA TRABAJO FIN DE GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL ANÁLISIS DE PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AFECTADAS POR VERTIDOS DE VENDIMIA EN POBLACIONES CON ELEVADA ESTACIONALIDAD. APLICACIÓN PARA EL DISEÑO DE LA EDAR DE SANLUCAR DE BARRAMEDA. Autor/a: Tamara Sáenz Rondan Tutor/a: Laura Concepción Pozo Morales Cotutor/a: Emilio Díaz Ojeda Curso Académico: 2019/2020 RESUMEN Se presenta el dimensionamiento de la Estación Depuradora de Aguas Residuales de Sanlúcar de Barrameda (Cádiz) afectada por estacionalidad y por vertidos de la industria vitivinícola para obtener un tratamiento de depuración que cumpla con los requisitos legales de vertido. Para ello se estudian dos procesos biológicos, fangos activos y aireación prolongada, optando finalmente por el primero de éstos, el cual contempla el funcionamiento de una o dos líneas de proceso en función del caudal afluente. Palabras clave: fangos activos, aireación prolongada, estacionalidad, aguas residuales. ABSTRACT The dimensioning of the Wastewater Treatment Plant of Sanlúcar de Barrameda (Cádiz) is presented affected by seasonality and by discharges from the wine industry in order to obtain a purification treatment that complies with the legal landfill requirements. For this purpose, two biological processes, activate sludge and prolonged aeration are studied, opting finally for the first one, which contemplates the operation of one or two process lines depending on the tributary flow. Keywords: active sludge, prolonged aeration, seasonality, wastewater. 1 I. ÍNDICE GENERAL 2 3 I. INDICE GENERAL CAPITULO I: Índice general........................................................................... 1 CAPITULO II: Memoria descriptiva................................................................ 1 CAPITULO III: Memoria de cálculos.............................................................. 1 CAPITULO IV: Planos..................................................................................... 1 6 2. ALCANCE. El proyecto que se presenta, tiene el siguiente alcance:  Diseño y dimensionamiento de las principales etapas que constituyen una estación depuradora de aguas residuales urbanas mediante un proceso que de solución al vertido de una población creciente y estacional. No se dimensiona el pretratamiento ya que la EDAR existente cuenta con un sistema apropiado, que en cualquier caso podría ser necesario renovar pero sin diferencias significativas con respecto al diseño actual.  Comparación de las siguientes líneas de tratamiento: Depuración por fangos activos mediante sistema convencional con digestión anaerobia y cogeneración frente a un sistema de aireación prolongada.  Elección de la solución más apropiada. 3. ANTECEDENTES. Sanlúcar de Barrameda (Cádiz) en la actualidad dispone de una estación depuradora de aguas residuales urbanas (EDAR) que trata el agua residual procedente del municipio mediante un proceso de fangos activos. Sanlúcar de Barrameda se caracteriza por ser una zona de interés turístico, lo que implica que se produzca una demanda estacional de agua. La estacionalidad constituye un factor determinante de la eficiencia de los procesos ya que supone que una EDAR esté funcionando a plena capacidad sólo durante los meses de verano, siendo esto una problemática a la hora de diseñar ya que está puede sufrir problemas de infrautilización el resto del año. Además de sus vertidos urbanos, este municipio recibe aguas de la industria vitivinícola, la cual genera un elevado volumen de aguas residuales procedentes de limpiezas de equipos, circuitos y de la maquinaria empleada en su actividad (fermentación, prensas, barricas, etc.). Dichas aguas residuales contienen altos niveles de DQO, sólidos en suspensión y pH ácidos, por lo que es necesario realizar in situ previamente un tratamiento adecuado para el posterior vertido de estos efluentes a la EDAR. Desde el año 2000, la Unión Europea estableció el marco legislativo mediante la Directiva Marco del Agua (Directiva 2000/60/EC, 2000) para asegurar la calidad de las aguas. A nivel nacional, la legislación española (Real Decreto 606/2003; Ley de Aguas 2001) obliga a clasificar los vertidos generados en función de la actividad industrial desempeñada y establece la autorización para el vertido de aguas residuales industriales a partir de los límites establecidos. 7 La depuración de las aguas residuales es un objetivo medioambiental básico de la Unión Europea que persigue la protección del medio ambiente y la obligatoriedad de la depuración de las aguas residuales urbanas de todos los núcleos de población de más de 2000 habitantes. 4. DISPOSICIONES LEGALES Y NORMAS APLICADAS. Las disposiciones legales y normas aplicadas que se han empleado para la redacción de este proyecto son:  Normativa de carácter europeo. - Directiva 2000/60/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de octubre de 2.000, por lo que se establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas. - Directiva 2455/2001/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de noviembre de 2001, por lo que se aprueba la lista de sustancias prioritarias en el ámbito de la política de aguas, y por la que se modifica la Directiva 2000/60/CE. - Directiva del Consejo, de 21 de mayo de 1991, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas. - Directiva 98/15/CE de la Comisión de 27 de febrero de 1.998 por la que se modifica la Directiva 91/271/CEE, de 21 de mayo, del Consejo en relación con determinador requisitos establecidos en su Anexo I, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas.  Normativa de carácter nacional. - Ley 11/1995, de 28 de Diciembre, por lo que se establecen las normas aplicables al tratamiento de las aguas residuales. - Real Decreto 509/1.996, de 15 de marzo, de desarrollo del citado Real Decreto-Ley 11/1.995. Esta disposición complementa las normas sobre recogida, depuración y vertido de las aguas residuales urbanas, y completa la incorporación de la norma comunitaria al ordenamiento jurídico español. 8 - Plan Nacional de Saneamiento y Depuración de Aguas Residuales (1.995 – 2.005), aprobado por el Conejo de Ministros el 17 de Febrero y por la Secretaría de Estado de Medio Ambiente y Vivienda en la Resolución de 28 de abril de 1.995. - Real Decreto 606/2003, de 23 de mayo, por el que se modifica el Real Decreto 849/1986, de 11 de abril, por el que se aprueba el Reglamento del Dominio Público Hidráulico, que desarrolla los Títulos preliminar, I, IV, VI y VIII de la Ley 29/1985, de 2 de agosto, de Aguas. 5. DEFINICIONES Y ABREVIATURAS.  Abreviaturas o EDAR – Estación Depuradora de Aguas Residuales o DQO – Demanda Biológica de Oxígeno o DBO5 – Demanda Química de Oxígeno o INE – Instituto Nacional de Estadística o SSD – Sólido(s) en Suspensión Disueltos o SSS – Sólido(s) en Suspensión Sedimentables o SST – Sólido(s) en Suspensión Total o NTK – Nitrógeno Total Kejhanfi o P – Fósforo o MES – Materia en Suspensión o SS – Sólidos en Suspensión o mg – miligramos o L – litros o Nº - Número o hab. Eq. – Habitantes(s) Equivalente(s) o m – Metro(s) o m2 – Metro(s) Cuadrado(s) o m3 – Metro(s) Cúbico(s) o hab – Habitante(s) o h – Hora(s) o kg – Kilogramo(s) 9 o ml – Metro(s) Lineal(es) o Rend. – Rendimiento(s) o T.B. – Temporada(s) Baja(s) o T.A. – Temporada(s) Alta(s) o Sal. – Salida o trat. – Tratamiento(s) o Conct. – Concentración(es) o F. A. – Fangos Activos. o A. P. – Aireación Prolongada.  Definiciones o By – pass – Conducto artificial mediante el cual se comunican dos puntos. o Estacionalidad – Que se produce en una de las estaciones del año. o Lixiviados – Líquidos formados del resultado de su paso a través de un sólido. o Flóculos – Conjunto de pequeñas partículas. o Licor Mezcla – Homogeneizado del agua residual con los flóculos. o Gasificación – Proceso donde un sustrato carbonoso es transformado en un gas combustible. o Polielectrolito – Polímeros que poseen grupos electrolitos. o Alimentación Escalonada – Tipo de proceso de fango activo en el cual se regula la alimentación del agua a lo largo del tanque. o Desnitrificación – Proceso de eliminación de nitrógeno. 6. BIBLIOGRAFÍA.  Hernández Lehmann, A. (2015). Manual de diseño de estaciones depuradores de aguas residuales., 2ª Edición . Garceta Grupo Editorial. Madrid. 10  Hernández Lehmann, A. (2015). Depuración y desinfección de Aguas Residuales., 6ª Edición . Garceta Grupo Editorial. Madrid.  Ramalho. R.S. (1991). Tratamiento de aguas residuales . Reverté, S.A. España.  http://depuradorasaguasresiduales.es/depuracion-de-aguas-residuales- industriales-en-la-industria-vinicola/  http://aguasindustriales.es/depuracion-de-aguas-residuales-industriales- mediante-tecnologia-mbr/  https://www.ine.es/jaxiT3/Datos.htm?t=2864  https://docplayer.es/20703239-Fichas-tecnicas-de-etapas-de-proceso- de-plantas-de-tratamiento-de-aguas-residuales-de-la-industria-textil- decantacion-primaria-convencional.html  https://www.gedar.com/residuales/tratamiento-biologico-aerobio/fangosactivos.htm  https://docplayer.es/36008154-Figura-esquema-de-un-tratamiento-de- aireacion-prolongada.html  https://idus.us.es/xmlui/bitstream/handle/11441/88845/Trabajo%20Fin%2 0de%20Grado.pdf?sequence=1&isAllowed=y  https://www.researchgate.net/figure/Digestor-anaerobio-de-fase-unica- tanque-de-agitado-continuo-Metcalf-and-Eddy-1995_fig1_306033975  https://www.intecsainarsa.com/images/BLOG/TRATAMIENTOS_BIOLOGICO_PROBLEMA TICA_2014_1.pdf  https://www.wateractionplan.com/documents/177327/558161/Tecnolog% C3%ADas+de+espesamiento.pdf/5937d248-06a9-c654-cd44- 4583aca5acdb  https://slideplayer.es/slide/10410765/  https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/309e2a94-6831- 4bac-b15b-a9cac54cbae0/language-es  https://www.boe.es/doue/1998/067/L00029-00030.pdf 11  https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=DOUE-L-2000-82524  https://www.boe.es/boe/dias/1995/12/30/pdfs/A37517-37519.pdf  https://www.boe.es/boe/dias/1996/03/29/pdfs/A12038-12041.pdf  https://www.boe.es/boe/dias/1995/05/12/pdfs/A13808-13824.pdf  https://www.boe.es/buscar/pdf/2010/BOE-A-2010-13465-consolidado.pdf  https://www.boe.es/buscar/doc.php?id=DOUE-L-1991-80646 7. REQUISITOS DE DISEÑO. En este apartado se expondrán los datos de partida que se emplearán para el dimensionamiento de la EDAR, tanto para temporada baja como temporada alta, así como el estudio de la población obtenido para un año horizonte de 20 años, dotación de caudal, datos de contaminación del agua residual bruta y resultados previstos a obtener. 7.1. ESTUDIO POBLACIÓN EQUIVALENTE DE DISEÑO. El estudio de crecimiento de la población y la previsión de la población futura es necesario para poder realizar un adecuado dimensionamiento de la estación depuradora, ya que gracias a él, se podrá obtener el caudal de agua a tratar. Posteriormente, determinada la población de diseño de una EDAR, se emplea el concepto de habitante equivalente a efectos de contaminación. Dicho concepto es una forma de expresar la cantidad de contaminación emitida por persona al día, se define como la carga orgánica biodegradable con una demanda biológica de 5 días (DBO5) de 60 g O2/día (artículo 2.d del Real Decreto-Ley 11/1995). Según los datos del censo de población del Instituto Nacional de Estadística (INE) del municipio de Sanlúcar de Barrameda, la evolución de la población en los últimos años, junto con el incremento anual de la población por año se refleja en la tabla 1. 12 AÑO HABITANTES INCREMENTO ANUAL (%) 1998 61.382 0 1999 61.648 0,433 2000 61.966 0,516 2001 61.737 -0,370 2002 61.908 0,277 2003 62.308 0,646 2004 62.662 0,568 2005 63.187 0,838 2006 63.509 0,510 2007 63.968 0,723 2008 64.434 0,728 2009 65.805 2,128 2010 66.541 1,118 2011 66.944 0,606 2012 67.308 0,544 2013 67.301 -0,010 2014 67.385 0,125 2015 67.433 0,071 2016 67.620 0,277 2017 67.640 0,030 2018 68.037 0,587 Tabla 1. Población e incremento anual del municipio de Sanlúcar de Barrameda. Gráfico 1. Incremento de la población de Sanlúcar de Barrameda. 58.000 60.000 62.000 64.000 66.000 68.000 70.000 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Habitantes Año POBLACIÓN SANLUCAR BARRAMEDA 13 Tanto en la tabla 1 como en el gráfico 1 se puede observar que la población estacional en los últimos 20 años ha crecido considerablemente. A partir de estos datos se obtendrán la población futura para los próximos 20 años mediante la siguiente expresión: Pfutura = Pactual x (1 + nº años x ( )) (7.1.1) Puesto que Sanlúcar de Barrameda es un pueblo turístico y por tanto posee estacionalidad, se tendrá que para la temporada baja, la población prevista será de 76.896 habitantes y para la temporada alta (épocas veraniegas), suponiendo en dicha época un incremento del 30 % de la población, se prevé una población de 99.965 habitantes. Por tanto, la población de diseño para temporada baja y temporada alta será de 80.000 habitantes equivalentes y 111.000 habitantes equivalentes respectivamente. En el caso de la temporada alta, se incrementa el número de habitantes con respecto a los resultados obtenidos debido a que durante esa época del año también se produce la cosecha de uvas y la posterior realización del vino en las industrias vitivinícolas por lo que se incrementa cierto porcentaje el efluente que llega a la EDAR. 7.2. DOTACIÓN DE CAUDAL. La dotación de caudal es el volumen medio diario estimado de agua por cada habitante. La dotación de agua en función de la población en España, tiene los valores indicados en la tabla 2. POBLACIÓN (hab.eq) DOTACIÓN (L/hab.eq.día) 2.000 150 – 200 2.000 – 50.000 200 – 250 50.000 – 500.000 250 – 300 > 500.000 300 - 350 Tabla 2. Dotación de caudal por habitantes equivalente. Se observa, por tanto, que para una población de 80.000 y 111.000 habitantes equivalentes, el caudal que se debe de tomar se comprende en el rango de 14 250-300 L/hab.eq.día. Teniendo en cuenta los hábitos de consumo de agua en la población objeto del presente, donde los periodos de sequía han creado hábitos de ahorro en el consumo de agua entre los habitantes de la misma, se toma como dato de partida 250 L/hab.eq.día. 7.3. CAUDALES DE DISEÑO. El caudal de agua a tratar es un dato esencial a la hora de realizar el dimensionamiento de una planta depuradora, ya que es necesario conocer el volumen de agua que llega diariamente, así como conocer su variación, valores máximos y mínimos y caudales puntas que pueden producirse en determinados momentos para poder realizar un correcto diseño que permita abordar dichas variaciones. Con los datos de población y de dotación de caudal de los apartados 7.1 y 7.2 respectivamente, se podrá obtener los caudales de diseño, los cuales son:  Caudal diario (Qd). Será el volumen diario total de efluente que llegará a la EDAR. Será el resultado de aplicarle a la población equivalente, la dotación de diseño asignada.  Caudal medio (Qmed). Es el mismo concepto que caudal diario pero siendo en este caso el caudal por hora que llega a la EDAR por día.  Caudal máximo (Qmax). Es el incremento de caudal que se produce sobre el caudal medio debido a la llegada a la planta de aguas pluviales, lixiviados u otros factores como la industria. Se obtiene mediante el empleo de un coeficiente máximo que se encuentra en el intervalo de 1,5 y 2,5, empleando 2,4 en este caso.  Caudal punta (Qpunta). Es el incremento de caudal que se produce sobre el caudal medio de diseño, que se recibe en la planta depuradora en determinadas horas puntuales del día. Para su obtención se emplea un coeficiente punta comprendido entre 1,5 y 2,5. En este proyecto se empleará un coeficiente de punta de 1,5. Así pues, en función de lo habitantes equivalentes para cada temporada y de la dotación asignada se obtendrá que los caudales de diseño para esta planta depuradora serán los representados en la tabla 3. 15 CAUDAL TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Caudal diario (m3/día) 20.000 27.750 Caudal medio (m3/h) 833 1.156 Caudal punta (m3/h) 1.250 1.734 Caudal máximo (m3/h) 2.000 2.775 Tabla 3. Datos de caudales para temporada baja y alta. 7.4. CARGAS CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES BRUTAS. Son muchos los factores que provocan que un agua sea considerada residual (patógenos, bacterias, suciedad, etc.), pero dentro de los muchos parámetros, los principales que caracterizan un agua residual bruta y se deben tener en cuenta en mayor importancia para un buen dimensionamiento y desinfección de las aguas para que cumpla con el marco normativo legal son:  DBO5 o demanda biológica de oxígeno. Parámetro que mide la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los microorganismos, cuando se produce la degradación de la materia orgánica en determinadas condiciones y un tiempo, concretamente, en 5 días.  DQO o Demanda química de oxígeno. Parámetro que mide la cantidad de sustancias que disueltas en suspensión en una muestra de agua residual susceptibles de ser oxidadas por medios químicos, como por ejemplo, con dicromato potásico.  Sólidos en suspensión o Materia en suspensión (MES o SS). Mide la cantidad de sólidos totales, tanto orgánicos como inorgánicos, que se encuentran en suspensión en las aguas residuales. Estos a su vez pueden clasificarse en dos tipos: - Sólidos Suspensión Sedimentables (SSS), los cuales debido a su propio peso pueden sedimentar por efecto de la gravedad. - Sólidos Suspensión no Sedimentables (SSNS), que debido a su reducida masa o su estado coloidal no sedimentan. Existen otros parámetros fundamentales como el nitrógeno total (NTK) y fósforo (P), pero en este caso, no son de importancia relevante debido a que Sanlúcar de Barrameda se caracteriza por ser zona no sensible, siendo parámetros que se medirán puntualmente cada cierto tiempo para llevar un control pero no estando sujetos a obligación de depurar. 22 residual. El agua procedente del decantador primario se introduce de forma continua en el reactor, donde se encuentran los microorganismos que están siendo continuamente recirculados del decantador secundario. Estos se alimentan de las diversas sustancias que arrastra el agua, formándose en el proceso los denominados flóculos biológicos (agrupaciones de microorganismos, materia orgánica y sustancias minerales). Simultáneamente, se inyecta en el reactor oxígeno, teniendo éste la misión de producir la oxidación de la materia orgánica y a su vez, mantener una mezcla estable de las aguas y los microorganismos.  Decantador secundario. Una vez que la materia orgánica ha sido suficientemente oxidada en el reactor, el licor mezcla pasa al decantador secundario donde se dejará reposar para que los fangos floculados sedimenten, consiguiendo separar el agua clarificada de los fangos. El funcionamiento de un decantador se explicó en el apartado 8.1.1.1., por lo que se tiene salida de agua clarificada y fangos secundarios. En este caso, gran parte de los fangos serán recirculados de nuevo al reactor, ya que son ricos en microorganismos activos para la depuración de la materia orgánica procedente del decantador primario, mientras que los restantes pasarán a la línea de fangos que se verá más adelante (apartados 8.1.2). Los parámetros de diseño de los decantadores secundarios son los expuestos en el apartado 8.1.1.1. Seguidamente, los parámetros de diseño de los reactores biológicos son:  Cargas volumétricas.  Cargas másicas.  Tiempos de retención.  Edad de los fangos. Figura 8.1.1.2.1.1: Sistema de fangos activos. 23 8.1.1.2.2. DEPURACIÓN MEDIANTE AIREACIÓN PROLONGADA. Los principios de funcionamiento del tratamiento biológico mediante aireación prolongada son similares a los del tratamiento por fangos activos, excepto en algunos aspectos tales como:  Los tiempos de retención hidráulicos y edad de fangos son más elevados.  Cargas másicas inferiores.  La respiración se produce en la fase endógena Como consecuencia de la variación en estos parámetros, los microorganismos del tanque se mantienen en fase endógena, haciendo que el fango sea digerido en el propio reactor obteniéndose finalmente fangos secundarios que no precisan de estabilización posterior. Las condiciones de trabajo son tales que no es necesario un previo tratamiento de las aguas; es decir, no es necesaria la decantación primaria. Todo ello implica una importante simplificación de la línea de fangos. Figura 8.1.1.2.1: Sistema de depuración mediante aireación prolongada. 8.1.2. LÍNEA DE FANGOS. En la depuración de la línea de agua, se ha concentra los contaminantes separados en forma de lodos en dos etapas del proceso: en el tratamiento primario, lo llamados fangos primarios, y el secundario, fangos secundarios. La principal problemática de este subproducto generado, es que poseen un porcentaje muy elevado de materia orgánica o la presencia de organismos patógenos, siendo imposible su eliminación o reutilización sin un tratamiento 24 previo. Este tratamiento se divide en tres procesos: espesado, estabilización y deshidratación de lodos. 8.1.2.1. ESPESADO. El principal objetivo del espesamiento de los fangos es el aumento de sólidos del fango por separación de sus fases sólidas y líquidas, consiguiendo reducir volúmenes de lodos. Los métodos más conocidos son espesamiento por gravedad, para tratas los fangos primarios, y espesamiento por flotación, para tratar los fangos secundarios.  Espesamiento por gravedad. Su funcionamiento es similar al de un decantador común, diferenciándose fundamentalmente por las elevadas concentraciones iniciales en sólidos en suspensión. Se puede decir que se produce una separación sólido-líquido. El espesador consiste en una cuba cilíndrica el cual contiene dos brazos con rasquetas con objetivo de concentrar los sólidos y conducirlos a la parte central del fondo cónico para su extracción final hacia una poceta, mientras que la fase líquida se recoge por un vertedero perimetral y conducida a la cabecera de la planta.  Espesamiento por flotación. Se emplean para los fangos procedentes del tratamiento biológico debido al bajo peso específico de los flóculos que se forman. Su funcionamiento consiste en introducir aire a presión en los lodos que poseen sólidos, lo cuales tienen tendencia natural a flotar. Las burbujas se fijan a los sólidos provocando que estos floten a la superficie del espesador, debido a su menor densidad donde serán recogidos por una rasqueta superficial. Una vez espesados, estos pasarán a una cámara denominada cámara de mezcla, donde ambos fangos ya espesados se mezclará, para pasar a su estabilización. Los parámetros de diseño necesarios para el dimensionamiento de ambos espesadores son:  Tiempos de retención de los sólidos.  Cargas hidráulicas.  Cargas de los sólidos. 25 Figura 8.1.2.1.1: Espesador por gravedad. Figura 8.1.2.1.2: Espesador por flotación. 8.1.2.2. ESTABILIZACIÓN. DIGESTIÓN ANAEROBIA. Debido a la elevada presencia de materia orgánica que componen los fangos, estos deben ser tratados mediante un proceso de estabilización. La estabilización de los fangos consiste en la eliminación de esa materia orgánica, mediante digestión anaerobia en este caso. La digestión anaerobia consiste en la descomposición de la materia orgánica por parte de bacterias en ausencia de oxígeno, las cuales consiguen el oxígeno necesario para el proceso del propio alimento. En este proceso se producirá biogás, el cual se podrá aprovechar para generar energía para la propia planta o se quemará hacia la atmósfera mediante antorchas. 26 Figura 8.1.2.2.1: Digestor Anaerobio. Las fases por las que pasa los fangos durante el proceso de estabilización son:  Hidrólisis. Fase en la que se transforman los compuestos de elevado peso molecular (proteínas, carbohidratos, aminoácidos, etc.), gracias a la acción de enzimas extracelulares, en compuestos que pueden servir como fuente de energía y de carbono celular, siendo el producto final del proceso ácidos orgánicos volátiles.  Acidogénesis. Conversión bacteriana de los elementos producidos en la hidrólisis en compuestos intermedios identificables de menor peso molecular.  Metanogénesis. Conversión bacteriana de los productos de la acidogénesis en productos más simples. En esta etapa de la digestión se produce la gasificación, donde se forma el biogás, compuesto principalmente de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), y la mineralización, donde la materia orgánica se descompone obteniendo un producto final inerte. Un factor importante a la hora de realizar el dimensionamiento de los digestores es el efecto de la temperatura, como se observa en la figura 8.1.2.2.2. 27 Figura 8.1.2.2.2: Efecto de la temperatura en el tiempo de digestión. Los organismos mesófilos son organismos cuya temperatura de crecimiento óptima está entre el 12ºC y el 35ºC, optimizándose el proceso entre 29ºC y 33ºC. En el lado opuesto, los organismos termófilos son capaces de soportar elevadas temperaturas, (entre el 37ºC y 65ºC), con óptimos próximos a los 55ºC. Si la digestión tiene lugar en zona termófila, provocará una menor permanencia de los organismos en los tanques de digestión debido a su sensibilidad a los cambios de temperatura. Por tanto, es recomendable la digestión en zona mesófila con temperatura controlada. Los parámetros de diseños necesarios para el dimensionamiento de un digestor anaerobio son:  Tiempos de retención.  Cargas de sólidos. 8.1.2.3. DESHIDRATACIÓN. Una vez espesados y estabilizados, los fangos poseen todavía una fracción líquida muy poco reducida por lo que se somete a un último tratamiento, denominado deshidratación, que consistirá en la eliminación del agua capilar y adherida a los fangos. La deshidratación se puede realizar mediante diversos sistemas; tanto naturales como artificiales, los cuales se resumen en la tabla 7. 28 MEDIO SISTEMA PROCESO Naturales Espesado -Espesador continuo o discontinuo Deshidratación - Eras de secado - Lagunas de fangos Secado - Eras de secado Artificiales Espesado - Espesador continuo o discontinuo - Espesador de flotación Deshidratación - Filtro banda - Filtración por vacío - Filtro prensa - Centrífugas Secado - Secador térmico. Tabla 7. Sistemas de deshidratación de los fangos 2 La elección del sistema más adecuado dependerá del contenido de materia seca deseada en el fango final. Dentro de los procesos de deshidratación y filtración utilizados se encuentran:  Eras de secado. Este método consiste en incorporar los fangos a una balsa, la cual contiene arena y fondo drenado, consiguiéndose una primera pérdida por drenaje gracias a la decantación de los fangos. También se producen perdidas por evaporación.  Filtros banda. Son dispositivos de alimentación continua que incluyen acondicionamiento químico, drenaje por gravedad y aplicación de presión para la deshidratación. El funcionamiento de estos filtros consiste en introducir el fango acondicionado en una zona de drenaje por gravedad. Pasado el drenaje, los fangos pasan a otra zona la cual se encuentra a baja presión, donde se comprime en dos telas porosas opuestas, prensándose. Estos esfuerzos de prensado favorecen la liberación de agua quedando como producto final tortas de fangos deshidratadas.  Centrifugación. Este método se basa en el principio de separación sólido – líquido por diferencia de densidad. El fango se introduce a un caudal constante en una cuba giratoria (la cual puede ser cilíndrica, cónica o cilindrocónica) donde se separan en una torta densa que contienen los sólidos y; por otro lado, en una corriente diluida compuesta por sólidos finos de baja densidad. 2 Hernández Lehmann, A. (2015), 20. 29 Figura 8.1.2.3.1: Centrífuga. Los parámetros de diseño que se necesitan para el dimensionamiento de un deshidratador son:  Tiempos de retención de los fangos.  Concentración de los fangos deshidratados.  Días de trabajo a la semana.  Horas de funcionamiento diarias. 9. JUSTIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN ADOPTADA. 9.1. DESCRIPCIÓN DE LAS SOLUCIONES ESTUDIADAS. En la actualidad, Sanlúcar de Barrameda cuenta con una Estación Depuradora de Aguas Residuales mediante un proceso de fangos activos. Aunque dicha depuradora se encuentra en funcionamiento y cumple con los límites marcados por el reglamento, se podría decir que se trata de una infraestructura obsoleta. Esto último se debe a ciertos factores, como por ejemplo los años que posee la infraestructura provocando constantes averías, así como la antigüedad de los equipos seleccionados en él (decantadores rectangulares, reactores biológicos en dos fases, líneas de pretratamiento, etc.), llevando todo esto a que su mantenimiento sea más costoso para poder 30 seguir obteniendo buenos rendimientos. Otro factor importante a tener en cuenta es su ubicación (en pleno casco urbano), lo que provoca malos olores aunque este dotada de un sistema de desodorización, provocando constantes quejas por parte de la población. Debido a ello, se decide proponer la construcción de una nueva EDAR la cual intentará abordar el principal problema que posee este municipio, su estacionalidad, de forma que los costos sean lo más reducidos posible para cada temporada del año y sus rendimientos sean óptimos. La solución que se estudia en este proyecto consiste en una única EDAR, la cual pueda funcionar en base a dos procesos de tratamiento biológico alternativos durante las temporadas bajas del año, se realizará una depuración mediante aireación prolongada mientras que en temporadas altas del año se empleará el proceso de fangos activos, anulándose simultáneamente un sistema u otro en función del mes del año en que se encuentre. Como se ha comentado anteriormente, la aireación prolongada es similar a la de fangos activos convencionales, con la excepción de que funciona en fase endógena, teniendo como consecuencia que el fango sea estabilizado en el mismo reactor. Esto poseerá ciertas ventajas entre ellas que la línea de lodos se vea reducida de ciertos elementos (dos tipos de espesadores que pasan a uno, digestores, línea de gas, etc.) y que no sea necesaria una decantación primaria. De esta forma se consigue una reducción de costes durante los 9 meses que se emplease este proceso puesto que su mantenimiento es fácil, económico y más sencillo de manejar que los procesos convencionales. Por otro lado, durante la temporada alta se emplearía el proceso de fangos activos teniendo en cuenta todos los elementos presentes en la línea de lodos, realizando el cambio de un proceso a otro mediante by-pass en ciertas zonas de la instalación. A continuación, se presenta los resultados obtenidos y finalmente se justifica la solución adoptada a partir de los cálculos realizados para el diseño y dimensionamiento de los principales componentes de una EDAR.  Línea de aguas. o Decantación primaria. Se instalarán dos decantadores circulares de gravedad como el mostrado en la figura 8.1.1.1.1, cuyos parámetros de diseño y dimensiones se muestran en la tabla 8. 31 PARÁMETRO SIMBOLO (UNIDAD) VALOR T.B T.A Qmed Qmax Qmed Qmax Diámetro d1 (m) 20 Superficie Horizontal Sh1 (m2) 315 Volumen V1 (m3) 860 Altura recta en vertedero h1 (m) 2,74 Pendiente Solera α1 (º) 12 Velocidad Giro Puente v1 (m/h) 36 Carga Superficial Cs1 (m3/m2.h) 1,33 1,99 2,84 2,84 Tiempo de Retención tR1 (h) 2,1 1,4 1,5 1 Tabla 8. Dimensiones unitarias y parámetros de diseño en decantadores primarios. Los rendimientos que se le van a exigir a la decantación primaria para obtener la mayor eliminación de sólidos en suspensión sedimentables van a ser de 35 % para DBO5, 60 % para SST y un 35 % para la DQO, obteniendo con ellos la producción de fangos mostrados en la tabla 9. 2 3 INDICE: MEMORIA DE CÁLCULOS 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 5 2. DATOS DE PARTIDA.......................................................................... 5 2.1. Población de diseño.................................................................. 5 2.2. Caudales de diseño.................................................................. 5 2.3. Cargas contaminantes.............................................................. 7 2.4. Rendimientos de la planta y calidad del efluente..................... 8 3. LÍNEA DE AGUA................................................................................ 8 3.1. Decantador primario................................................................. 8 3.2. Depuración biológica................................................................ 14 3.2.1. Proceso de fangos activos.................................................. 14 3.2.2. Proceso de aireación prolongada....................................... 25 3.3. Decantador secundario............................................................ 27 4. LÍNEA DE FANGOS.......................................................................... 29 4.1. Espesador por gravedad......................................................... 30 4.2. Espesador por flotación.......................................................... 33 4.3. Digestor anaeróbico................................................................ 36 4.4. Deshidratador........................................................................... 42 4 5 1. INTRODUCCIÓN. El objetivo de la presente memoria será el desarrollo y justificación del proceso de cálculo empleado para la obtención del dimensionamiento de la EDAR del municipio de Sanlúcar de Barrameda. Todo esto se ha obtenido con la ayuda de diversos manuales y guías; principalmente entre ellos “MANUAL Y DISEÑO DE ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES” por Aurelio Hernández Lehmann, los cuales se exponen en la bibliografía de este documento y los cálculos numéricos se han realizado mediante el apoyo de hojas de cálculo (software Microsoft Office Excel). También se hará referencia a la normativa y de los diversos datos teóricos empleados para la obtención de las dimensiones y solución final adoptada de este proyecto. 2. DATOS DE PARTIDA. 2.1. POBLACIÓN DE DISEÑO. Para calcular el número de habitantes equivalentes se empleará los datos expuestos en la tabla 1 de la memoria descriptiva. A partir de estos datos se obtendrán la población futura para los próximos 20 años mediante la siguiente expresión: (2.1.1) Teniendo en cuenta un incremento anual medio del 49,3 % y un incremento de población de un 30 % en las temporadas altas del municipio se llega a la conclusión que los habitantes equivalentes para los próximos 20 años es de 80.000 habitantes equivalentes para temporada baja y 111.000 habitantes equivalentes para temporadas altas. 2.2. CAUDALES DE DISEÑO.  Caudal diario. Éste se obtendrá mediante la ecuación 2.2.1. (2.2.1.) 6 Donde: - Qd = Caudal diario (m3/día) - Hab. Eq = Habitantes equivalentes - D = Dotación de caudal (L/hab/día) Los valores empleados para cada parámetro se representan en la tabla 15. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Hab. Eq 80.000 111.000 D (L/hab/día) 250 250 Tabla 15. Datos de habitantes equivalentes y dotación de caudal empleados. Por tanto, sustituyendo estos datos en la ecuación 2.2.1 se tendrá que el caudal diario para temporada baja será de 20.000 m3/día y para temporada alta de 27.750 m3/día.  Caudal medio. El caudal medio se obtendrá dividiendo el caudal diario de llegada a la entrada por 24 horas que posee el día teniendo que para temporada baja el caudal será de 833 m3/h y para temporada alta 1.156 m3/h.  Caudal punta. Éste se obtendrá mediante el caudal medio y el empleo de un coeficiente punta, el cual poseerá un valor de 1,5. Qpunta = Qmed*F (2.2.2.) Donde: - Qpunta = Caudal punta (m3/h) - Qmed = Caudal medio (m3/h) - F = Coeficiente de punta. Siendo los valores de estos parámetros los expuestos en la tabla 16. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Qpunta (m3/h) 1.250 1.734 F 1,5 Tabla 16. Valores de caudal medio y coeficiente punta. 7 Por tanto, sustituyendo estos datos en la ecuación 2.2.2 se tendrá que el caudal punta para temporada baja será de 1.250 m3/día y para temporada alta de 1.734 m3/día.  Caudal máximo. Éste se obtendrá mediante el caudal medio y el empleo de un coeficiente máximo, el cual poseerá un valor de 2,4. Qmax = Qmed*C (2.2.3.) Donde: - Qmax = Caudal máximo (m3/h) - Qmed = Caudal medio (m3/h) - C = Coeficiente de máximo. Reflejándose los valores de estos parámetros en la tabla 17. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Qmed (m3/h) 833 1.156 C 2,4 Tabla 17. Valores de caudal medio y coeficiente de máximo. Por tanto, sustituyendo estos datos en la ecuación 2.2.3 se tendrá que el caudal punta para temporada baja será de 2.000 m3/h y para temporada alta de 2.775 m3/h. 2.3. CARGAS CONTAMINANTES. Gracias a los datos proporcionados por la EDAR Guadalquivir, se empleará los datos de cargas contaminantes producidas en el año 2018. Estos datos se recogieron en la tabla 4 de la memoria descriptiva, a los cuales se le realizó una media en función de los meses que se encuentran en temporada baja y temporada alta. Se considera que los meses desde octubre hasta mayo pertenecen a la temporada baja y los meses de junio a septiembre son de temporada alta. Realizando una media de estos valores se obtiene que las cargas contaminantes de este proyecto sean los valores expuestos en la tabla 5 de la memoria descriptiva de este proyecto. 8 2.4. RENDIMIENTOS DE LA PLANTA Y CALIDAD DEL EFLUENTE. Tanto los rendimientos previstos a obtener en la planta como calidad de efluente se exponen en la tabla 18. PARÁMETRO CONCENTRACIÓN SALIDA (mg/L) T. BAJA T. ALTA Rend. (%) Sal. Planta (kg/día) Rend. (%) Sal. Planta (kg/día) MES 35 90,28 700 92,04 971 DBO5 25 87,18 500 89,8 694 DQO 125 69,88 2.500 76,2 3.469 SSV 45 - - - - ESTABILIDAD 55 - - - - SEQUEDAD 25 - - - - Tabla 18. Valores de concentración de salida y rendimientos. Otro dato de partida importante a nombrar es las temperaturas a las que trabajará el reactor biológico. En este caso la temperatura mínima (Tmin) será de 15ºC y la temperatura máxima (Tmax) será de 25 ºC. 3. LÍNEA DE AGUA. 3.1. DECANTADOR PRIMARIO.  Velocidad ascensional: Se define como el cociente entre el caudal a tratar y la superficie de decantación. (3.1.1) Siendo: - Vasc = Velocidad ascensional (m/h). - S = Superficie de decantación (m2). - Q = Caudal medio o máximo a tratar (m3/h). 9 Los valores de la velocidad ascensional se encuentran tabulados en la tabla 19. CAUDAL (m3/h) VELOCIDAD ASCENSIONAL (m/h) Valor Mínimo Valor Típico Valor máximo Caudal medio 1 1,50 2 Caudal punta 2 2,50 3 Tabla 19. Velocidades ascensionales a caudal medio y punta para decantadores circulares. Se tomará como valores de partida unas velocidades ascensionales de 1,50 m/h y 2,50 m/h para caudal medio y caudal punta respectivamente, empleándose las mismas tanto para temporada baja como temporada alta. Con éstas se podrá obtener la superficie de decantación para ambas temporadas, sustituyendo en la ecuación 3.1.1. Los resultados se reflejan en la tabla 20. CAUDAL (m3/h) SUPERFICIE HORIZONTAL (m2) TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Caudal medio 556 771 Caudal punta 500 694 Tabla 20. Superficies horizontales para caudal medio y punta en temporada alta y baja. Puesto que se van a instalar dos decantadores se tendrá que las superficies unitarias son: CAUDAL (m3/h) SUPERFICIE HORIZONTAL (m2) TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Caudal medio 278 385 Caudal punta 250 347 Tabla 21. Superficies horizontales unitarias para caudal medio y punta en temporada alta y baja. 10 En función de los resultados obtenidos, se llega a la conclusión que la superficie unitaria final adoptada de los decantadores implantados será de 300 m2.  Tiempo de retención: Se define como el cociente entre el volumen del tanque de decantación y el caudal a tratar. (3.1.2.) Siendo: - V = Volumen de decantación (m3). - Q = Caudal medio o máximo a tratar (m3/h). - tR = Tiempo de retención (h). Los valores del tiempo de retención pueden obtenerse de la tabla 22. CAUDAL (m3/h) TIEMPOS DE RETENCIÓN (h) Valor Mínimo Valor Típico Valor Máximo Caudal medio 1,50 2 3 Caudal punta 1 1,50 2 Tabla 22. Tiempo de retención a caudal medio y punta para decantadores circulares. Se tomará como valores de partida los valores típicos para ambas temporadas y sustituyendo en la ecuación 3.1.2 dichos valores, se obtendrá el volumen teórico del decantador, los cuales se reflejan en la tabla 23. CAUDAL (m3/h) VOLUMEN (m3) TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Caudal medio 1.667 2.313 Caudal punta 1.875 2.602 Tabla 23. Volúmenes para caudal medio y punta en temporada alta y baja. Igual que con la superficie horizontal, se tendrá que los volúmenes unitarios son: 11 CAUDAL (m3/h) VOLUMEN UNITARIO (m3) TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Caudal medio 833 1.156 Caudal punta 938 1.301 Tabla 24. Volúmenes unitarias para caudal medio y punta en temporada alta y baja. En función de los resultados obtenidos en la tabla 24, se adopta un volumen unitario final de decantación de 860 m3.  Relaciones dimensionales: Para la obtención de la altura y el diámetro del decantador, se tiene en cuenta las siguientes ecuaciones, las cuales hacen una relación dimensional con la superficie y el volumen obtenidos del decantador. (3.1.3) (3.1.4) Siendo: - S = Superficie horizontal de decantación (m2). - D = Diámetro del decantador (m). - V = Volumen de decantación (m3). - h = Altura del decantador (m). Sustituyendo los valores finales adoptados de superficie y volumen de decantación en las ecuaciones 3.1.3 y 3.1.4, se obtendrá que las dimensiones unitarias de los decantadores sean: PARÁMETRO SÍMBOLO (UNIDAD) VALOR Superficie Horizontal Sh1 (m2) 300 Volumen Decantación V1 (m3) 860 Diámetro d1 (m) 20 Altura h1 (m) 2,74 Tabla 25. Dimensiones unitarias decantadores primarios. 18 Para poder obtener el oxígeno consumido tanto en la síntesis como en la endogénesis, es necesario el empleo de unos coeficientes los cuales se denominan “A” para la síntesis y “B” para la endogénesis. Sus valores pueden obtenerse mediante tablas o con el empleo de fórmulas, variando su valor en función del autor al que se refieran. En este caso, los valores de “A” y “B” se obtendrán mediante el autor “MASTANTUONO”, los cuales son en función de la carga másica que se obtenga. CARGA MÁSICA COEFICIENTES A B 0,1 0,66 0,065 0,2 0,59 0,065 0,3 0,56 0,08 0,4 0,53 0,08 0,5 0,50 0,08 Tabla 34. Coeficientes A y B para la obtención de las necesidades de oxigeno3. Realizando interpolación se obtiene que los valores de “A” y “B” sean de 0,5765 y 0,07175 respectivamente. Se procede al cálculo del oxígeno consumido en la síntesis y endogénesis celular. (3.2.1.7) O2(ENDOGÉNESIS) = B* Vr*DBO5 (3.2.1.8) Donde: o = Rendimiento reactor (%). o Vr = Volumen del reactor (m3 ). 3 Hernández Lehmann, A. (2015). Manual de diseño de estaciones depuradores de aguas residuales., 2ª Edición . Garceta Grupo Editorial. 19 Sustituyendo, se obtiene que el oxígeno consumido en ambas fases y el total sean: PARÁMETRO (kg/día) VALOR TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA O2(SÍNTESIS) 1.173 2.148 O2(ENDOGÉNESIS) 718 1.184 O2(TOTAL) 1.891 3.332 Tabla 35. Oxigeno teórico consumido.  Necesidad de oxígeno teórica en situación punta: Para su obtención, se aplica un coeficiente punta en la síntesis celular. (3.2.1.9) Siendo: o O2 (PUNTA) = Oxígeno punta (kg(O2)/h). o kp = coeficiente punta. El coeficiente punta se obtiene mediante la ecuación 3.2.1.10. kp = 0,45*P + 55 (3.2.1.10) Donde “P” es la punta de carga orgánica en %. En este caso, “P” será de 200 %, por lo que el coeficiente punta tiene un valor de 150 % al sustituir en la ecuación 3.2.1.10. Sustituyendo en la ecuación 3.2.1.9, se tendrá que el oxígeno punta será de 103 kg (O2)/h para temporada baja y 184 kg (O2)/h para temporada alta.  Necesidad de oxígeno real: El oxígeno obtenido en los apartados anteriores, hace referencia al oxígeno consumido en condiciones normales las cuales son necesarias pasarlas a condiciones reales de funcionamiento de los reactores. Para obtener el oxígeno real consumido por la masa bacteriana se emplea la ecuación 3.2.1.11. 20 (3.2.1.11) Siendo: o O2 (REAL) = oxígeno real consumido por la masa bacteriana (kg(O2)/día). o Kt = coeficiente global de transferencia de oxígeno. Para la obtención de dicho coeficiente, se requiere la multiplicación de otros tres coeficientes, siendo estos: (3.2.1.12) kt2 = 1,024(T-10) (3.2.1.13) kt3 = í (3.2.1.14) Donde: o C´s = Concentración de saturación del tanque de aireación (mg/L). o Cx = Concentración media en oxígeno (mg/L). o Cs = Saturación en agua clara (mg/L). El valor de “Cx” es de 2 mg/L puesto que en el proceso no se lleva a cabo la desnitrificación. En el caso de “Cs”, su valor esta tabulado en función de la temperatura, los cuales se muestra en la tabla 36. 21 T (ºC) Cs (mg/L) T (ºC) Cs (mg/L) 1 14,23 16 9,95 2 13,84 17 9,74 3 13,48 18 9,54 4 13,13 19 9,035 5 12,80 20 9,17 6 12,48 21 8,99 7 12,17 22 8,83 8 11,87 23 8,68 9 11,59 24 8,53 10 11,33 25 8,38 11 11,08 26 8,22 12 10,83 27 8,07 13 10,60 28 7,92 14 10,37 29 7,77 15 10,15 30 7,63 Tabla 36. Valores de Cs en función de la temperatura T (Hernández Lehmann, 2015)4 Se tomará un valor de “CS” de 8,38 mg/L. La concentración de saturación del tanque de aireación se obtiene mediante la ecuación 3.2.1.15. C´s = β*Cp*CA (3.2.1.15) Siendo: o β = coeficiente de materias en suspensión. o Cp = Coeficiente de presión. o CA = Coeficiente de altura del agua. Los valores de estos coeficientes así como los resultados de sustituir en las ecuaciones se resumen en la tabla 37. 4 Hernández Lehmann, A. (2015), 17. 22 PARÁMETRO VALOR β 0,98 Cp 0,99 CA 1,17 C´s 9,61 Cs 8,38 Cx 2 kt1 0,91 kt2 (Tmin) 0,79 kt2 (Tmax) 1,43 kt3 0,55 kt (Tmin) 0,39* kt (Tmax) 0,71 Tabla 37. Valores coeficientes para la obtención de kt. * Se emplea el valor más pequeño por ser el más desfavorable. Sustituyendo el valor más desfavorable de kt y los valores de la tabla 35 en la ecuación 3.2.1.11, se obtiene el oxígeno necesario real para ambas temporadas. PARÁMETRO (kg/día) TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA O2(REAL) 4.801 8.460 O2(REAL) 200 352 O2(PUNTA) 262 466 Tabla 38. Necesidades de oxígeno reales.  Producción de fangos en exceso: En este caso, el rendimiento mínimo exigido para los sólidos en suspensión total será de un 80%, suponiendo que de estos la fracción de sólidos volátiles es de un 56 %. Los fangos en exceso producidos se obtiene con la ecuación 3.2.1.16. F2(SST) = I´ * (Cd – Sp) (3.2.1.16) 23 Siendo: o F2(SST) = Fangos producidos en el tratamiento biológico (kg/día). o I´ = Índice de producción de fangos (kg(FANGOS)/kg(DBO5) ELIM.). o Cd = Carga diaria entrada planta (kg/día). o Sp = Carga diaria salida planta o eliminada (kg/día). El índice de producción de fangos se define con la ecuación 3.2.1.17. I´ = (1,2*Cm0,23) +(0,5*(R(SST/DBO5) – 0,6)) (3.2.1.17) Siendo: o Cm = Carga másica (kg(DBO5)/kg(MLSS)). o R(SST/DBO5) = Relación entre los sólidos totales en suspensión y la DBO5. Las cargas diarias de entrada y salida se definen en función de del caudal diario de entrada de la planta y la concentración en mg/L de entrada y salida de DBO5, ([DBO5]). (3.2.1.18) Para la obtención de los fangos en exceso volátiles, se empleará la ecuación 3.1.6, descrita en el apartado 3.1. El caudal de fangos a extraer se obtendrá como: (3.2.1.19) Siendo “Cf2” la concentración de fangos en exceso a extraer en kg/m3. En la tabla 39 se recogen los valores de estos parámetros, así como la producción final de ambos fangos (totales y volátiles) y el volumen de fangos en exceso a extraer del tratamiento biológico una vez sustituidos dichos parámetros en las ecuaciones citadas anteriormente. 24 PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA R(SST/DBO5) 1,14 1,11 Cm 0,250 Entrada Salida Entrada Salida [DBO5] 126,75 25 159,25 25 Cd (kg/día) 2.535 4.419 Sp (kg/día) 500 694 I´ 1,14 1,12 F2(SST) (kg/día) 2.321 4.191 F2(SSV) (kg/día) 1.300 2.347 QF2 (m3/día) 387 699 Tabla 39. Cantidades de producción y extracción de fangos en el tratamiento biológico.  Recirculación de fangos: Ésta se realizará desde el decantador secundario hacia el reactor biológico. El caudal de recirculación de fangos se representa por la ecuación 3.2.1.20. (3.2.1.20) Donde: o QR = Caudal de recirculación de lodos (m3/h). o X = Concentración MLSS en el reactor (kg/m3). o I = Índice de Mohlman. Por otro lado, la concentración de recirculación (XR) se obtiene como: (3.2.1.21) Siendo sus unidades en kg/m3. Los valores de cada parámetro y los resultados de sustituir en las ecuaciones 3.2.1.20 y 3.2.1.21, se resumen en la tabla 40. 25 PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA X (kg/m3) 2 3,3 I 200 Qmed (m3/h) 833 1.156 QR (m3/h) 556 771 XR (kg/m3) 5 5 Tabla 40. Caudales de recirculación de fangos. 3.2.2. PROCESO DE AIREACIÓN PROLONGADA.  Volumen del reactor: Se realiza el cálculo para aireación prolongada para dos reactores, cuyo volumen se define por la ecuación 3.2.1.1. Sustituyendo los valores correspondientes en dicha ecuación se obtienen los resultados recogidos en la tabla 41. PARÁMETRO VALOR S0 (kg/m3) 3,5 - 8 Cm 0,04 – 0,10 Tabla 41. Valores típicos de los parámetros de diseño de un rector biológico en aireación prolongada. Se empleará un valor de carga másica de 0,05 kgDBO5/kgMLSS y un valor de 4 kg/m3 de MLSS para ambas temporadas. En el caso del peso de DBO5 eliminada se tendrá que para temporada baja y alta son de 3.400 kg/día y 6.105 kg/día, respectivamente. Sustituyendo estos valores en la ecuación 3.2.1.1, se tendrá que el volumen total de los reactores para cada temporada es de 17.000 m3 y 30.525 m3. Con estos resultados, se adopta un volumen unitario de 20.000 m3.  Comprobación límites de los parámetros: Estos parámetros serán los mismos que se comprobaron para el dimensionamiento de fangos activos, por tanto sustituyendo los valores correspondientes en las ecuaciones de dicho apartado te obtendrá los resultados de la tabla 42. 26 PARÁMETRO VALOR tRA (h) 15 – 24 Cv (kg/m3/día) 0,14 – 0,40 E (día) 15 – 25 Cm 0,04 – 0,10 Tabla 42. Rango de valores de los parámetros de diseño. Se tiene por tanto, que sustituyendo en las ecuaciones, los valores para ambas temporadas serán: PARÁMETRO VALOR TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA tRA (h) 24 26 Cv (kg/m3/día) 0,17 0,20 E (día) 16 Cm 0,05 Tabla 43. Comprobación de los parámetros de diseño. En la tabla 43, se observa que todos los valores se encuentran dentro de los límites exigidos de la tabla 42 por lo que se puede dar por válido el dimensionamiento de los reactores cuyas dimensiones unitarias se resumen en la tabla 44. PARÁMETRO SÍMBOLO (UNIDAD) VALOR Volumen VA (m3) 20.000 Superficie SA (m2) 4.000 Altura de agua hA (m) 5 Ancho aA (m) 25 Longitud total LA (m) 80 Tabla 44. Dimensiones unitarias de los reactores biológicos en aireación prolongada. 27 3.3. DECANTADOR SECUNDARIO. El proceso de dimensionamiento de la decantación secundaria es similar a la empleada en la decantación primaria, siendo la única variante, los valores de los parámetros de diseño y sus límites, los cuales se resumen en la tabla 45. PARÁMETRO Qmed Qpunta TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Qmed Qpunta Qmed Qpunta Vasc (m/h) ≤1,35 ≤2 0,8 1,50 0,80 1,50 tR (h) ≥2 ≥1,5 3 2 3 2 Cs ≤6,2 ≥2 - - - - Tabla 45. Parámetros en la decantación secundaria.  Superficie de decantación: Se obtendrá mediante la velocidad ascensional, la cual se definió en el apartado 3.1. Sustituyendo los valores de la tabla 45 para caudal medio y punta, y los valores de caudales expuestos en el apartado 2.2, se tiene que superficie de decantación total. CAUDAL (m3/h) SUPERFICIE HORIZONTAL TEMP. BAJA TEMP. ALTA Caudal medio 1.042 1.445 Caudal punta 833 1.156 Tabla 46. Superficies horizontales para caudal medio y punta en temporada alta y baja. Se van a instalar dos decantadores cuyas superficies unitarias son: CAUDAL (m3/h) SUPERFICIE HORIZONTAL TEMP. BAJA TEMP. ALTA Caudal medio 521 723 Caudal punta 417 578 Tabla 47. Superficies horizontales unitarias para caudal medio y punta en temporada alta y baja de los decantadores secundarios. 34 (4.2.1) Donde: - SEF = Superficie del espesador (m2). - QF2 = Caudal horario de fangos en exceso o secundarios que entran en el espesador (m3/h). - CH(EF) = Carga hidráulica (m3/m2/h). - QRF = Caudal horario de recirculación (m3/h). El caudal de recirculación se calculará mediante la siguiente expresión: QRF = k´´ * QF2 (4.2.2) Donde “k´´” se trata de un caudal de recirculación adoptado de 1,5. En el caso de la carga hidráulica, se recomienda unos valores comprendido entre 3 y 5 m3/m2/h, ya que si ésta supera el valor de 25 m3/m2/h, puede provocar turbulencias, afectando a la capa de fangos flotantes volviéndose inestable. En estos casos es necesaria la adicción de una sustancia, denominada polielectrolito. Para el caudal de entrada de fangos, se establece que las horas de funcionamiento del espesador serán de 16 horas al día. En la tabla 56 se encuentra los resultados obtenidos. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA QRF (m3/h) 36,26 32,74 QF2 (m3/h) 24,17 21,83 CH(EF) (m3/m2/h) 3 SEF (m2) 20,14 18,19 Tabla 56. Parámetros de diseño y superficie unitaria del espesador por flotación. 35 Se adopta una superficie por espesador de 25 m2 puesto que si se emplea uno menor los parámetros no cumplirán.  Volumen del espesador: El volumen del espesador se define como el producto de la altura del espesador y su superficie adoptada. VEF = SEF * hEF (4.2.3) Donde: - VEF = Volumen del espesador por flotación (m3). - hEF = Altura del espesador por flotación (m). Para la altura se adoptará un valor de 3 metros y sustituyendo en la ecuación 4.2.3 el valor de superficie final adoptada se obtendrá un volumen de espesador unitario de 75 m3.  Comprobación de los parámetros de diseño: Para la comprobación de dichos parámetros, se empleará las ecuaciones 4.2.1, 4.2.4 y 4.2.5. (4.2.4) (4.2.5) Los valores obtenidos se resumen en la tabla 57. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA tR(EF) (h) 1,24 1,37 CH(EF) (m3/m2/h) 3 3 CSOL(EF) (kg/m2/día) 92,84 83,82 Tabla 57. Comprobación de los parámetros de diseño. 36 Los valores de la tabla 57 cumplen con los límites y rangos recomendados por bibliografía por lo que se puede dar por válidas las dimensiones.  Concentración fangos espesados: El caudal final de fangos concentrados que pasarán a ser deshidratados se obtiene por la ecuación 4.2.6. (4.2.6) Siendo: - QF(EF) = Caudal de fangos espesado (m3/día). - CF(EF) = Concentración de fangos espesados (kg/m3). Suponiendo una concentración de espesamiento de fangos del 40 kg/m3, se tendrá que los caudales finales espesados para temporada baja y alta son de 58 m3/día y 105 m3/día, respectivamente. 4.3. DIGESTOR ANAERÓBIO.  Volumen de digestor: El volumen del espesador se define como el producto entre el caudal diario de entrada y el tiempo de retención. El caudal que se incorpora diariamente al digestor será la suma de los caudales procedentes de ambos espesadores (ecuación 4.3.1). VD = QFM tRD (4.3.1) Donde: - VD = Volumen del digestor (m3). - QFM = Caudal de fangos mixtos (m3/día). - tRD = Tiempo de retención en el digestor (días). El caudal de fangos que entrarán en el digestor para ambas temporadas se encuentra en la tabla 52. En el caso del tiempo de retención de los fangos en el digestor, se recomienda que estos se encuentren entre 10 y 20 días en función de la temporada en la que se encuentre. La tabla 58 resumen los resultados obtenidos. 37 PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA tRD (día) 20 15 VD (m3) 2.240 2.945 Tabla 58. Tiempo de retención y volumen del digestor. Se adoptará finalmente un volumen de digestor de 3.000 m3.  Superficie del digestor: Esta se define como el cociente entre el volumen del digestor y su altura (ecuación 43.2). (4.3.2) Donde: - SD = Superficie de digestión (m2). - hD = Altura de digestión (m). Adoptando una altura de 10 metros y empleando el volumen adoptado, sustituyendo en la ecuación 4.3.2, se tiene que la superficie de digestión es de 300 m2. Para la obtención del diámetro, empleándose la ecuación 4.1.3 se obtendrá un diámetro de 9,8 m, adoptándose un diámetro final de 10 m.  Comprobación de los parámetros de diseño: Para la comprobación de dichos parámetros, se empleará las ecuaciones 4.3.3 y 4.3.4. (4.3.3) (4.3.4) Los valores obtenidos se resumen en la tabla 59. 38 PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA tD (día) 26,8 15,28 CSOL(D) (kg/m2/día) 1,37 2,37 Tabla 59. Comprobación de los parámetros de diseño.  Calentamiento del digestor: Para el calentamiento del digestor se adopta los valores de diseño de la tabla 60. PARÁMETRO VALOR Temperatura (ºC) Digestión (TD) 35 Fangos Frescos (TF) 12 Aire (TA) 0 Suelo (TS) 6 Coeficientes de conductividad (kcal /hm2.ºC) Cúpula (kC) 0,44 Pared cilíndrica sobre terreno (kP) 0,43 Pared cilíndrica bajo terreno (kE) 0,44 Solera (kS) 2,20 Espesores (cm) Hormigón en cúpula 30 Hormigón pared vertical 35 Hormigón solera 35 Hormigón en masa 20 Capa espuma poliuretano 4 Tabla 60. Valores de diseño del calentamiento del digestor. La cantidad de calor necesaria para el calentamiento de los fangos en condiciones extremas se define como: (4.3.5) 39 Sustituyendo valores se obtiene que para temporada baja y alta, el calor necesario es de 107.325 kcal/h y 188.128 kcal/h, respectivamente.  Pérdidas de calor: Para la obtención de las pérdidas de calor se empleará la expresión general 4.3.6. (4.3.6) Donde: - q = Pérdidas de calor (kcal/h). - S = Superficie (m2). - k = Coeficiente de conductividad (kcal /hm2.ºC). - = Variación de temperatura (ºC). Las pérdidas de calor en el digestor ocurren en diferentes zonas. Estas pérdidas y sus valores se resumen en la tabla 61. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA Pared sobre terreno (SP (m2)) 439 Pared bajo terreno (SE (m2)) 189 Cúpula (SC (m2)) 322 Solera (SS (m2)) 339 qC (kcal/h) 4.838 qP (kcal/h) 6.619 qE (kcal/h) 2.405 qS (kcal/h) 20.043 Tabla 61. Pérdidas de calor en el digestor anaeróbico. Las pérdidas de calor totales son de 33.906 Kcal/h. 40  Capacidad del intercambiador de calor: Se define como el cociente entre la cantidad de calor necesaria para el calentamiento del fango fresco y la eficiencia del intercambiador (ecuación 4.3.7). (4.3.7) Donde: - QI = Capacidad del intercambiador de calor (Kcal/h). - QCALOR = Calor necesario para mantener temperatura del digestor (Kcal/h). - EI = Eficiencia del intercambiador (%). El calor necesario para mantener la temperatura del digestor se define como: (4.3.8) Sustituyendo en las ecuaciones 4.3.7 y 4.3.8, se obtiene el valor final de todos los parámetros, así como la capacidad del intercambiador de calor. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA QCALOR (kcal/h) 151.963 240.847 EI (%) 90 QI (kcal/h) 168.848 267.608 Tabla 62. Demandas térmicas y calor necesario del intercambiador de calor. En base a lo obtenido, se concluye que en temporada baja será necesario un calor de 170.000 Kcal/h y en temporada alta, 270.000 Kcal/h.  Almacenamiento del biogás y antorcha: El consumo de biogás total en las calderas se obtiene mediante la ecuación 4.3.9. 41 (4.3.9) Donde: - QGAS = Consumo total de gas en las calderas (m3.N/h). - = Rendimiento global para la combustión del biogás (%). - Poder calorífico del biogás (Kcal/m3). En el caso del almacenamiento y quemador del biogás se tiene que: (4.3.10) Donde: - PGAS = Producción horarias de biogás (m3.N/h). - PTEÓRICO = Producción teóricas de biogás (m3.N/kg). - VGAS = Volumen de gas producidos ((m3.N/h). El volumen de gas producido se define como el cociente entre la cantidad de fangos orgánicos a la entrada del digestor y la reducción de dicha materia. (4.3.11) El volumen de gas que se encontrará en exceso será la diferencia entre el gas producido y el gas consumido. (4.3.12) Finalmente, sustituyendo en las ecuaciones, se obtiene los resultados mostrados en la taba 63. 42 PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA (%) 85 Poder Calorífico Biogás 5.000 QGAS (m3.N/h) 867 1.374 PTEÓRICO (m3.N/kg) 1 Reducción (SSV) 45 VGAS (m3.N/h). 1.848 3.199 PGAS (m3.N/h) 1.848 3.199 EG (m3.N/h) 982 1.825 Tabla 63. Resultados referentes al biogás. El volumen necesario del gasómetro se obtiene en función del tiempo que se tenga almacenado el biogás. Suponiendo que la capacidad de almacenamiento son 12 horas de producción diaria, se tendrá que el volumen del gasómetro en función de la temporada es de 924 m3 y 1.599 m3. Se toma como valor definitivo que el volumen del gasómetro será de 930 m3. Puesto que en temporada alta el volumen debe ser mayor, se reducirá las horas de almacenamiento del gas. La capacidad de combustión de la antorcha de quemado será superior a un 25 %. 4.4. DESHIDRATADOR.  Fangos procedentes de la digestión: Estos fangos se obtienen mediante la ecuación 4.4.1. (4.4.1.) Donde: - FDIG(SST) = Fangos procedentes de la digestión (kg(SST)/día). - FM(SSI) = Fangos mixtos inertes de entrada a la digestión (kg(SSI)/día). - = Rendimiento digestión (%). 43 - FM(SST) = Fangos mixtos totales de entrada a la digestión (kg(SST)/día). En la tabla 64 se resumen los resultados obtenidos. PARÁMETRO TEMPORADA BAJA TEMPORADA ALTA FM(SSI) (kg/día) 2.533 4.408 FM(SST) (kg/día 4.108 7.109 (%) 60 FDIG(SST) (kg/día) 4.998 8.673 Tabla 64. Fangos procedentes de la digestión anaeróbica. La concentración de fangos digeridos será: (4.4.2.) Sustituyendo, se tiene que la concentración de fangos en temporada baja y alta es de 36,7 kg/m3 y 36,2 kg/m3, respectivamente.  Condiciones de funcionamiento: Se empleará un sistema de filtro banda cuyas condiciones de funcionamiento son las siguientes (tabla 65) PARÁMETRO VALOR Concentración Fango deshidratado CF(DESH) (%) 25 Días de trabajo a la semana dS (días/semana) 5 Horas funcionamiento diarias hD (h/día) 8 Tabla 65. Condiciones de funcionamiento de los deshidratadores mediante filtros banda.  Depósito tampón de fangos digeridos: El volumen de dichos depósitos se define como el producto entre el tiempo de retención de los fangos y el caudal de fangos de llegada (ecuación 4.4.3). 2 3 INDICE: PLANOS 1. PLANO1: Decantador primario......................................................... 5 2. PLANO 2: Reactor biológico............................................................. 7 3. PLANO 3: Decantador secundario................................................... 9 4. PLANO 4: Espesador por gravedad................................................. 11 5. PLANO 5: Espesador por flotación.................................................. 13 6. PLANO 6: Digestor anaeróbico......................................................... 15 4 5 6 7 8 9 10 11