Diseño de biofiltros. Tratamiento de aguas residuales (página 2)

Los fabricantes de medio plástico ofrecen niveles
de remoción de DBO asociados a la carga orgánica
específica a 20ºC, Cie. En la figura 2 se presenta la
gráfica de Hexacell y en la figura 3 la gráfica de
Ecotrick. Existen otros fabricantes de estos productos, que
cuentan con sus propias gráficas, todas ellas similares
para aguas residuales de origen doméstico.

Figura 2. Gráfica con
remoción de DBO a diferentes valores de carga
orgánica específica a 20ºC, Cie. Tomado de
Hexacell plastic media.

Figura 3. Gráfica con
remoción de DBO a diferentes valores de carga
orgánica específica a 20ºC, Cie. Tomado de
Ecotrick Ecoplast.

Carga orgánica específica a Tinv en
Kg/d/m3, CieT

CieT = Cbi20ºC*1.035^(Tinv-20)

Cálculo del volumen de empaque en m3,
V

Se selecciona la mayor de Z y Z". (ver ejemplo
numérico)

Producción de Sólidos Suspendidos
Volátiles, SSV

PSSV = 0.35 g de SSV producidos / g de DBO
oxidada

Remoción de nitrógeno
amoniacal

RNNH3 = 0.60 g NNH3 / d / m2 (Sedlak p.31)

Se refiere a m2 de área de contacto Ac

Remoción de Ortofosfatos

RPO4 = 0.023 g de PO4 / g de SSV producidos (Sedlak
p.92)

Requerimiento de ventilación

Área de ventanas = 2 m2 / 1000 m3 de
empaque.

Peso del empaque con biopelícula por m2 de
área transversal del biofiltro

W = D*Ep*g*Z

W = Peso / área transversal Ton / m2

D = Densidad del empaque en m2 / m3

Ep = Espesor medio de biopelícula 0.006
m

g = Peso específico promedio 1.1 ton /
m3

Z = Altura empacada en m

4. EJEMPLO
NUMÉRICO DEL DISEÑO BASE

Calcular un biofiltro, para tratar un caudal medio de
350 l/s con 220 mg/l de DBO soluble, 44 mg/l de nitrógeno
total, 27.5 mg/l de nitrógeno amoniacal, 16.5 mg/l de
nitrógeno orgánico, 19 mg/ de fosfatos totales,
11.4 mg/l de ortofosfatos y 7.6 mg/l de polifosfatos.

El agua tratada debe alcanzar un promedio diario de 77
mg/l de DBO.

No existen valores máximos permisibles para las
concentraciones de fósforo y nitrógeno en el agua
tratada.

La temperatura promedio del aire en verano es de 29.8
ºC y la temperatura promedio del aire invierno es de 21.9
ºC.

La temperatura promedio del agua residual en verano es
de 26.9 ºC y la temperatura promedio del agua residual en
invierno es de 22.9 ºC.

El medio plástico tiene 88m2/m3 de
empaque.

La película biológica tiene un espesor es
de 6 milímetros, el peso específico de la
biopelícula es de 1.1 ton/m3.

Determinar:

Diámetro del biofiltro

Recirculación de agua tratada

Altura empacada

Producción de Sólidos Suspendidos
Volátiles SSV

Remoción de fósforo y nitrógeno del
agua cruda

Peso del medio plástico con
biopelícula

Requerimientos de ventilación,

En los cuadros 1, 2, 3 y 4 se presentan los
cálculos típicos del diseño funcional
base.

Los cuadros corresponden a una hoja de cálculo de
Excel, en el cual se aplican las ecuaciones y criterios de
diseño mencionadas en el inciso 2.

Cuadro 1. Diseño funcional base
parte 1 de 4

Cuadro 2. Diseño funcional base,
parte 2 de 4

Cuadro 3. Diseño funcional base,
parte 3 de 4

Cuadro 4. Diseño funcional base,
parte 4 de 4

Resumen de la hoja de cálculo.

Diámetro del Biofiltro = 37.00 m

Altura del lecho empacado = 2.43 m (8 pies)

mg/l de DBO agua cruda = 220.00 mg/l

mg/l de nitrógeno agua cruda = 44.00
mg/l

mg/l de fosfatos agua cruda = 19.00 mg/l

mg/l de DBO agua tratada = 77.00 mg/l

mg/l de nitrógeno agua tratada = 39.42
mg/l

mg/l de fosfatos agua tratada = 17.85 mg/l

Gasto masa de DBO agua cruda = 77.00 g/s = 6,653
Kg/d

Gasto masa de remoción de DBO = 50.05 g/s = 4,324
kg/d

Gasto masa de producción de SSV = 17.51 g/s =
1,513 kg/d

5.
ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD AL DISEÑO BASE. EJEMPLO
NUMÉRICO

La información y gráficas de este inciso
corresponden a una hoja de cálculo de Excel.

Cuadro 5. Análisis de sensibilidad
por recirculación

Se observa que 30% de recirculación
promedio serían suficientes para alcanzar la
concentración de 77 mg/l de DBO en el agua tratada.
Utilizar 50% de recirculación asegura la eficiencia de
remoción requerida. La figura 4 muestra resultados para
recirculación de 0 a 100%.

Figura 4. Efecto de la recirculación
sobre la calidad del agua tratada.

Cuadro 6. Análisis de sensibilidad
por caudal de entrada

Se observa que 370 l/s de caudal promedio de agua cruda
serían suficientes para alcanzar la concentración
de 77 mg/l de DBO en el agua tratada. La figura 5 muestra
resultados para caudal promedio de 250 l/s a 450 l/s de agua
cruda

Figura 5. Efecto del caudal de agua cruda
sobre la calidad del agua tratada.

Cuadro 7. Análisis de sensibilidad
por DBO del agua cruda.

Se observa que aún con 250 mg/l de DBO en el agua
cruda se podría alcanzar la concentración de 77
mg/l de DBO en el agua tratada. La Figura 6 muestra resultados
desde 120 mg/l a 320 mg/l de DBO en el agua cruda

Figura 6. Efecto de la DBO en el agua
cruda, sobre la calidad del agua tratada.

Cuadro 8. Análisis de sensibilidad
por temperatura en biofiltro

Se observa que aún con temperatura promedio de 20
ºC en el biofiltro se podría alcanzar la
concentración de 77 mg/l de DBO en el agua tratada. La
gráfica 7 muestra resultados desde 16 ºC a 36 ºC
de temperatura promedio en el biofiltro.

Figura 7. Efecto de la temperatura promedio en el
biofiltro, sobre la calidad del agua tratada

6.
CONCLUSIONES

La aplicación de las ecuaciones y criterios de
diseño, se explica con ejemplos numéricos, para
facilitar su comprensión. Sin embargo se recomienda no
perder de vista los conceptos teóricos que sustentan
dichos criterios y ecuaciones.

Las ecuaciones de diseño de ingeniería
sanitaria, son aplicables a las condiciones promedio que se
presentan durante 24 horas del día. Las variaciones
horarias ya están contempladas en dichas ecuaciones, en
virtud que las condiciones máximas y mínimas solo
se presentan por algunas horas al día.

Cuando las variaciones promedio al día son
mayores a las que normalmente se presentan en los sistemas
urbanos de alcantarillado, (el caudal varía según
número de Harmon y las concentraciones de DBO, N, P
varían 10 %); es posible modificar las condiciones de
operación para lograr la calidad deseada en el agua
tratada.

El análisis de sensibilidad se realiza con la
intención de alcanzar la calidad deseada en el agua
tratada, aún cuando no se presenten los valores
establecidos en los datos de diseño. Los proyectistas
pueden realizar análisis postóptimos a sus
diseños básicos, para prever las
soluciones.

Se puede determinar como debe operar la
recirculación para alcanzar la DBO deseada en el agua
tratada, a pesar de variar la concentración promedio de
DBO en el agua cruda ó de variar el caudal promedio
diario. Permite seleccionar mejor las características de
la estación de bombeo de la recirculación y sus
parámetros de control.

7.
REFERENCIAS

Ecotrick. (1991). Attuale Corpo di riempimento a
geometría ordinata per biofiltri. Ecoplast Nuova. Cesano
Madermo. Italia.

Hexacell. (1990). Manual of application technology for
biological filters filled with Hexacell. Pannomplast. Budapest.
Hungary.

Metcalf & Eddy. (1991).Wastewater Engineering. Treatment,
disposal and reuse. Third edition. Mcgraw-Hill international
editions. USA

Sedlak R. (1991). Phosphorus and nitrogen removal from
municipal wastewater. Principles and practice. Second Edition.
Lewis Publishers.

Vismaro R. (1988).Depurazione Biologica. Teoria e
processi. Seconda edizione. Editore Ulrico Hoepli Milano.
Italia.

Water Environmental Federation, American Society
Engineers (1998). Design Municipal Wastewater Treatment Plants.
Fourth Edition. USA.

Autor:

M. I. David Gómez Salas

Congreso Ciencia y Conciencia: compromiso
nacional con el medio ambiente

Federación Mexicana de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias Ambientales.
2000