Ejemplo de sistema de tratamiento (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Fundamentos de Ingeniería Ambiental
Año del apunte 2016
Páginas 5
Fecha de subida 09/04/2016
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EJEMPLO DE SISTEMA DE TRATAMIENTO: ESTACIÓN DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES.
Hacemos uso de un ejemplo de sistema de tratamiento en el que se presenta a partir de un caso concreto, el concepto de operación unitaria.
En la figura se ha representado el esquema de una estación depuradora de aguas residuales urbanas. La selección de operaciones unitarias en cada etapa de depuración depende de diversos factores, la cual cosa implica múltiples esquemas de tratamiento posibles. Es conveniente insistir en que solo estamos utilizando un ejemplo de entre las infinitas posibilidades disponibles.
El sistema de depuración produce separaciones y/o transformaciones a partir de componentes iniciales que están presentes en el agua residual, además produce diversas líneas de flujo de materia a lo largo de la instalación.
El agua residual de tipo doméstico tiene como principales agentes contaminantes compuestos orgánicos que se encuentran en suspensión, en dispersión coloidal y/o en disolución, por lo que se utiliza un reactor biológico. El resto de operaciones son necesarias para condicionar el agua para que se pueda llevar a cabo la transformación biológica y para poder tratar el residuo sólido generado.
La primera operación que se realiza, nada mas entra el agua en bruto a la estación depuradora, según se puede observar en el diagrama, es el desbaste. El recibe este nombre la operación de eliminación de sólidos gruesos que pueden dañar las instalaciones de depuración. Consiste en hacerla pasar a través de rejas y tamices. El enrejado consiste en una serie de barras de acero verticales o con cierta inclinación, separadas a distancias iguales a lo largo de un canal por donde circula el agua residual. Al circular el agua a través de estas barras, los sólidos quedan retenidos y son separados mediante una operación de limpieza de forma manual o automática.
En el desarenador se separan las partículas minerales con un peso específico superior al de los sólidos orgánicos como puede ser la grava, las arenas, etc. La eliminación de estos materiales de la corriente de agua residual permite proteger los elementos mecánicos móviles de la abrasión y del desgaste, permite reducir la formación de depósitos de pesado en el interior de los canales, de los cañonazos y de las conducciones, además reduce la frecuencia de limpieza del digestor, requerida por la excesiva acumulación de arenas.
Las aguas residuales siempre tienen una importante cantidad de grasas y de aceites que se tienen que eliminar ya que producen diversos problemas durante el proceso de tratamiento de estas aguas: provocan obstrucciones de los sistemas mecánicos; al tratarse de compuestos orgánicos, se incrementa la necesidad de realizar un tratamiento biológico; reducen el coeficiente de transferencia de oxígeno de los procesos biológicos; perturban la posterior separación de fangos, i dificulten el proceso de digestión de estos fangos más adelante.
El desengrasado se suele realizar mediante la introducción de aire en el corriente de agua con el propósito de favorecer la ruptura de la dispersión, de forma que las partículas de grasa se desplazaran por la superficie del agua por su menor densidad. También es posible eliminar las grasas en la sedimentación primaria, donde no hace falta utilizar aire, ya que el elevado tiempo de retención del agua en el clarificador primario posibilita la deposición superficial de la grasa.
Todo este conjunto de operaciones recibe el nombre de pretratamiento, su objetivo principal es condicionar el agua mediante la eliminación de los materiales que podrían causar problemas en las instalaciones del tratamiento posterior.
A continuación se somete el agua a un tratamiento primario. En el ejemplo considerado consiste en una decantación o sedimentación primaria con la cual se separan los sólidos en suspensión sedimentables del corriente de agua (alrededor del 60% del total de los sólidos), por lo que se reduce la velocidad de paso del agua. Al sedimentar este material, como la mayor parte es de carácter mineral, arrastra y absorbe en la caída una cierta cantidad de materia orgánica.
El principal agente contamínate del agua residual doméstica (material orgánico, principalmente soluble y coloidal) aun sigue estando presente después del pretratamiento y del tratamiento primario. La degradación de la materia orgánica tiene lugar en el reactor biológico, que es el núcleo principal de una estación depuradora de aguas residuales. Este reactor puede tener múltiples configuraciones, de entre las cuales el proceso de fangos activados de mezcla completa es el más utilizado en nuestro entorno. Consiste en un tanque agitado con tal de mantener en suspensión la mezcla de reacción (agua residual y microorganismos), y aireada para mantener el trabajo en unas condiciones aerobias.
En el reactor tiene lugar la degradación biológica de la materia orgánica por parte de los microorganismos heterótrofos (principalmente bacterias). La materia orgánica se utiliza como fuente de energía (catabolismo) y de carbono (anabolismo) para el metabolismo de la población microbiana. Así, parte de la materia orgánica inicial se oxida completamente en productos inertes (CO2 + H2O) y otra parte se transforma en materia celular. A pesar de ser un agente contaminante orgánico, las células formadas presentan la importante característica de ser separables por decantación. Es necesario, entonces, un sistema de sedimentación para poder separar la materia orgánica del corriente de agua residual (decantador secundario). De esta forma se obtiene un corriente con una concentración baja de materia orgánica (agua tratada) y otro corriente con una concentración alta de biomasa (microorganismos) que se recircula hacia el reactor, con la finalidad de mantener una concentración adecuada de población microbiana en el sistema. Parte del corriente de recirculación se purga para poder regular el funcionamiento del reactor y así eliminar el exceso de biomasa (fangos) producía, que se somete a un tratamiento posterior antes de su vertido o disposición.
Después de un tratamiento en el que se ha eliminado la materia orgánica y los sólidos en suspensión, el corriente depurado contiene una cantidad de microorganismos como virus, bacterias o parásitos, que pueden ser portadores de enfermedades. Por lo que es necesario que se realice una mayor protección del corriente de aguas residuales tratas ya que si estas se derraman no afecten a zonas sensibles como son las zonas de baño, las zonas de provisión de riego, las zonas de acuicultura, etc. En estos casos normalmente se hace una desinfección química añadiendo cloro (cloración). El proceso de destrucción de microorganismos depende, además de la cantidad de cloro residual en el agua, también depende del tiempo de contacto.
Así, para realizar una buena desinfección se recomienda un periodo mínimo de contacto de quince minutos.
Los fangos producidos en el tratamiento primario y biológico se caracterizan por tener un alto contenido de materia orgánica, lo cual hace que no se puedan verter directamente sin un tratamiento previo. Es necesario realizar una estabilización que disminuya la fracción de materia orgánica degradable y reduzca el contenido de microorganismos patógenos. Esta estabilización se puede llevar a cabo mediante la digestión, es decir, mediante una descomposición biológica, aerobia o anaerobia, o también se puede realizar por medio de otros procesos de tipo químico o térmico. El sistema más utilizado por estaciones depuradoras de tipo medio o grande, es la digestión anaerobia ya que tiene un menor consumo energético y permite el aprovechamiento del biogás que se produce en el proceso, aun que la inversión de capital es mayor que en la digestión aerobia.
En la digestión aerobia la degradación se realiza mediante un tratamiento en ausencia de oxigeno en el cual se desarrolla una población microbiana capaz de transformar la materia orgánica en CO2 y CH4. Existen diferentes configuraciones, pero la más utilizada es la de las dos fases. En un primer tanque tiene lugar la digestión propiamente dicha. Es necesario calentar el sistema para trabajar a la temperatura adecuada y así mantener el medio en suspensión. En la segunda fase tiene lugar el almacenamiento y la concentración del fango digerido, y continúa el proceso de fermentación en el estratificador del fango. El liquido sobrenadante producido se recircula al principio de la planta.
Tal y como se puede observar en la figura, antes de realizarse la digestión de los fangos, es necesario disminuir la fracción líquida con el objetivo de minimizar el volumen de materia que se procesa (y por tanto, abatir la digestión posterior). Esta operación física se denomina espesamiento. Los fangos se pueden espesar de diferentes formas, entre las cuales están las siguientes: - Espesamiento por gravedad: se realiza en equipos de diseño muy similar a los decantadores de la línea de tratamiento de agua. Este sistema es más adecuado para la concentración del fango primario.
- Espesamiento por flotación: en este caso el fango se concentra en la superficie mediante la introducción de aire disuelto. La operación consiste en disolver aire en agua a alta presión y despresurizar el agua del tanque de separación de forma que se produzca una liberación del aire en forma de burbujas muy pequeñas que arrastran los sólidos hacia la superficie, desde donde son extraídos. Este sistema resulta más eficiente en el fango secundario, es decir, el que proviene del tratamiento biológico.
El agua que se separa del fango presenta un alto contenido de materia orgánica, por lo que es necesario recircularla al principio de la planta.
La deshidratación y el secado son operaciones físicas unitarias que sirven para reducir la humedad o el contenido de agua de los fangos estabilizados, paso previo a su destinación final.
La eliminación de agua del fango digerido es necesario como paso previo para cualquiera de las opciones que se escogen para la destinación final de los fangos: es necesario reducir la producción de lixiviados si se destinan a un vertedero; es necesario aumentar el poder calorífico si se utiliza la incineración, y es necesario reducir los costes de transporte en cualquiera de las opciones.
El esquema que se presenta en la figura, es solo un caso concreto entre las múltiples variaciones que se podrían plantear para el tratamiento del agua residual. Entre las diversas alternativas al esquema propuesto se pueden apuntar a las siguientes: 1. Digestión aerobia de los fangos (en estaciones depuradoras con poco volumen de tratamiento).
2. Trabajar con el reactor de alta carga y prescindir de la decantación primaria.
3. Diferentes opciones de reactor biológico: mezcla completa y flujo de pistón.
4. Mezclar fangos primarios y secundarios antes del espesamiento.
5. Deshidratar el fango mediante áreas de desecamiento, si el espacio disponible lo permite, con lo que se puede obtener un considerable ahorro energético.
6. Tratamiento fisicoquímico mediante la adición de reactivos que potencian la floculación del material coloidal y, por tanto, aumentar las capacidades de eliminación del decantador primario.
7. Introducir sistemas biológicos avanzados con tal de conseguir la eliminación de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que causan los problemas de eutrofización tan frecuentes en nuestro entorno, con el ejemplo paradigmático de l’Albufera.
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