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

Enviado por David Gómez Salas



Partes: 1, 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.

Monografias.com

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

Monografias.com

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

Monografias.com

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

DISEÑO FUNCIONAL BASE DEL BIOFILTRO

Empacado con medio plástico

Cálculos y resultados típicos

PLANTA:

Ejemplo Numérico

CLIMA:

Cálido – Húmedo

PARA:

Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ciencias

REFERENCIA:

FEMISCA

DATOS DE DISEÑO

Unidad

Valor

Caudal de agua cruda, Qi

l/s

350.00

DBO en el agua cruda, Li

mg/l

220.00

Remoción de DBO en el agua cruda

%

0.65

DBO en el efluente del biofiltro. Le

mg/l

77.00

Temperatura promedio del aire en invierno. T1

ºC

21.90

Temperatura promedio del aire en verano. T2

ºC

29.80

Temperatura promedio del agua en invierno, T1'

ºC

22.90

Temperatura promedio del agua en verano, T2'

ºC

26.90

Recirculación, tanto por uno

Adim.

0.50

1. CALCULO DEL DIÁMETRO DEL TANQUE

Unidad

Valor

Caudal de recirculación, Qr

l/s

175.00

Caudal total de entrada al biofiltro, Qo

l/s

525.00

Alimentación por unidad, Qo

m3/hr

1,890.00

Carga superficial específica. q(1,5 a 2 m/hr)

m3/hr

1.75

Área transversal, A.

m2

1,080.00

Diámetro calculado del tanque.

m

37.08

Diámetro seleccionado del tanque.

m

37.00

Área transversal, A.

m2

1,075.21

Carga hidráulica superficial resultante. q

m3/m2/hr

1.76

Cuadro 2. Diseño funcional base, parte 2 de 4

DISEÑO FUNCIONAL BASE DEL BIOFILTRO

Empacado con medio plástico

Cálculos y resultados típicos

PLANTA:

Ejemplo Numérico

CLIMA:

Cálido – Húmedo

PARA:

Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ciencias

REFERENCIA:

FEMISCA

2. CALCULO DE PROFUNDIDAD DEL EMPAQUE.

Ecuación de Germaín

Unidad

Valor

DBO entrada al biofiltro con recirculación, Lo

mg/l

172.33

Carga superficial, q en:

gpm/ft2

0.716158

Constante especifica del empaque, n

Adim.

0.50

Constante k a 20 ºC

Gpm0.5/ft2

0.08

Temperatura del aire, dentro de biofiltro en invierno. Tinv

Tinv = (T1' -T1) / LN (T1'/T1), º C

ºC

22.40

Constante k a la temperatura T1'

k = k20 * 1.035 ^ (T1-20)

día -1

0.09

Profundidad calculada del empaque, D

D = (ln(Lo/Le)*q^n)/k

ft

7.85

D = En metros

m

2.39

Método de carga orgánica vs eficiencia de remoción

Unidad

Valor

Carga de DBO actuando en el biofiltro, Cbi

Cbi = Li * Qi

g/d

6,652,800

Carga de DBO actuando en el biofiltro, Cbi

Kg/d

6,653

Carga orgánica específica, Cbi a 20ºC

De Figura 2, gráfica Hexacell

Kg/d/m3

2.48

Temperatura del aire, dentro de biofiltro en invierno. Tinv

Tinv = (T1' –T1) / LN (T1'/T1), º C

ºC

22.40

Carga orgánica especifica a temp. Media invierno

CbiT = Cbi20ºC*1.035^(Tinv-20)

Kg/d/m3

2.70

Cálculo del volumen de empaque requerido, m3

m3

2,468

Altura del biofiltro en m

m

2.29

Altura seleccionada. De los 2 métodos: la mayor

m

2.39

Altura del paquete de empaque

Ft

2.00

Altura de paquete de empaque

m

0.61

Número de camas de empaque

Adim

4.00

Altura seleccionada en múltiplos del empaque

m

2.44

Volumen de empaque resultante

m3

2,622

Volumen de empaque resultante

ft

92,587

Carga de DBO con recirculación. Cbo

Kg/d

7,817

Carga de DBO específica con recirculación. Cboe

Kg/d/m3

2.98

Cuadro 3. Diseño funcional base, parte 3 de 4

DISEÑO FUNCIONAL BASE DEL BIOFILTRO

Empacado con medio plástico

Cálculos y resultados típicos

PLANTA:

Ejemplo Numérico

CLIMA:

Cálido – Húmedo

PARA:

Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ciencias

REFERENCIA:

FEMISCA

3. CALCULO DE PRODUCCIÓN DE LODOS

Unidad

Valor

SSV producidos / DBO oxidada

Adimensional

0.35

DBO oxidada

mg/s

50,050

SSV producidos

mg/s

17,518

4. CALCULO DE REMOCIÓN DE NITRÓGENO

Unidad

Valor

Concentración de nitrógeno total en agua cruda

mg/l

44.00

Concentración de nitrógeno orgánico, agua cruda

mg/l

16.50

Concentración de nitrógeno amoniacal, agua cruda

mg/l

27.50

Nitrógeno total

mg/s

15,400

Nitrógeno total

g/d

1,330,560

Nitrógeno orgánico

mg/s

5,775

Nitrógeno orgánico

g/d

498,960

Nitrógeno amoniacal

mg/s

9,625

Nitrógeno amoniacal

g/d

831,600

Carga hidráulica aplicada

(l/s)/m2

0.49

Tasa de remoción (Sedlak p.31)

g/d/m2

0.60

Área del medio

m2

230,718

Nitrógeno amoniacal removido

g/d

138,431

Nitrógeno amoniacal remanente

g/d

693,169

Nitrógeno amoniacal remanente

mg/s

8,023

Concentración nitrógeno orgánico

mg/l

16.50

Concentración nitrógeno amoniacal efluente

mg/l

22.92

Concentración nitrógeno total del efluente

mg/l

39.42

5. CALCULO DE REMOCIÓN DE FÓSFORO

Unidad

Valor

Concentración de fosfatos en agua cruda

mg/l

19.00

Concentración de ortofosfatos en agua cruda

mg/l

11.40

Concentración de polifosfatos en agua cruda

mg/l

7.60

Fosfatos totales

mg/s

6,650

Ortofosfatos

mg/s

3,990

Polifosfatos

mg/s

2,660

Ortofosfato removido (Sedlak p.92)

mg/s

402.90

Ortofosfato remanente

mg/s

3,587

Concentración de ortofosfatos en el efluente

mg/l

10.25

Concentración de polifosfato en el efluente

mg/l

7.60

Concentración de fosfatos en el efluente

mg/l

17.85

Cuadro 4. Diseño funcional base, parte 4 de 4

DISEÑO FUNCIONAL BASE DEL BIOFILTRO

Empacado con medio plástico

Cálculos y resultados típicos

PLANTA:

Ejemplo Numérico

CLIMA:

Cálido – Húmedo

PARA:

Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ciencias

REFERENCIA:

FEMISCA

6. PESO DEL EMPAQUE CON BIOPELICULA

Unidad

Valor

Área de contacto / M3 de empaque

m2/m3

88.00

Espesor de biopelícula, incluye espesor de hoja de PVC

m

0.006

Volumen total biopelícula / m3 de empaque

m3

0.53

Peso especifico de biopelícula

ton/m3

1.10

Peso total del medio por m3 de empaque

m3

0.58

Peso unitario para área del biofiltro (altura 2.4m)

ton/m2

1.42

7. CALCULO DE LA VENTILACIÓN

Unidad

Valor

Volumen empacado

m3

2,622

Ventilación recomendada: m2 / 1000 M3 de empaque

m2/1000m3

2.00

Área de ventilación

m2

5.24

Tamaño de ventanas

Largo

m

0.60

Alto

m

0.40

Área por ventana

m2

0.24

Número de ventanas calculado

Adimensional

21.85

Número de ventanas seleccionado

Adimensional

24.00

Total de área de ventanas definitivas

m2

5.76

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

Monografias.com

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.

Monografias.com

Cuadro 6. Análisis de sensibilidad por caudal de entrada

Monografias.com

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.

Monografias.com

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

Monografias.com

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.

Monografias.com

Cuadro 8. Análisis de sensibilidad por temperatura en biofiltro

Monografias.com

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

Monografias.com

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

Partes: 1, 2


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