Evaluacion del diseño de un sedimentador secundario

N 462370 IngenIera QumIca

Se ha realizado la evaluacin de un sedimentador secundario y sus condiciones de sedimentacin. Se analiza el efecto del sulfato de aluminio como coagulante para mejorar la contextura del lodo. Adems, se realiza un estudio de la incidencia de la cloracin sobre el hinchado de los lodos [1,2,3], complementndolo con la observacin microscpica para determinar la cantidad permisible de cloro.

DebiDo a que un gran nmero de plantas de tratamiento de aguas residuales se encuentran con pro-blemas por un mal diseo u operacin, surge la necesi-dad de evaluar y mejorar los sistemas ya implementados para obtener grandes rendimientos y conocimientos sobre la forma ms eficaz de ponerlos a operar.

La sedimentacin secundaria es una parte funda-mental en el proceso de lodos activados, que permite separar slidos en suspensin de las aguas residuales por la diferencia de peso especfico entre las partculas slidas y el agua residual. La sedimentacin, en el pro-ceso de lodos activados, se utiliza en los clarificadores primarios, que anteceden a los reactores biolgicos y en el que los slidos orgnicos y otros se separan, y en los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen a los reactores biolgicos y, en ellos, los lodos biolgicos se separan del efluente tratado [4].

un mejor funcionamiento del sedimentador secun-dario es una alternativa para cumplir el objetivo del proceso de lodos activados, que consiste en una remo-cin eficaz de lodos biolgicos y/o contaminantes en el efluente [5].

en este trabajo se realiz el estudio de los efectos fi-

D. Gallego, J. Osorio y E. Ramrezuniversidad nacional de colombia

Evaluacin del diseo de un sedimentador secundario para lodo activo

TATraTamIenTO De aguaS reSIDualeS

Septiembre 2008

sicoqumicos y microbiolgicos presentes en el proceso de sedimentacin, con el fin de obtener los parmetros adecuados de operacin de un sedimentador secunda-rio, logrando as hacer recomendaciones sobre el ma-nejo y operacin de este proceso, que es fundamental para lograr la remocin de slidos necesaria.

1maTerIaleS y mTODOS

1.1equiposLos equipos utilizados para los diferentes anlisis de las propiedades fisicoqumicas y microbiolgicas de las muestras de aguas residuales fueron: espectrofotme-tro Hach Dr/2000, termorreator merck Tr320, oxme-tro Schott Handylab ox12, encubadora boekel, mag-neto Heidolph mr1000, mufla omega lux LmF-a550, balanza anD Hr200, Phipps and bird Stirred model 7790-400, bomba emerson model Sa55nXgTC-4143 HP 1/3 r.p.m 1725 y filtros Whatman 47mm f

1.2evaluacin de las caractersticas fisicoqumicas y microbiolgicas del lodoSe tomaron muestras simples en el sedimentador y re-circulacin, a las cuales se les determin oxigeno di-suelto, temperatura, sedimentabilidad, slidos suspen-didos y observacin microbiolgica de los lodos. Las muestras se extrajeron en un recipiente plstico limpio (balde), con capacidad de 12 litros, en la alimentacin (anillo) central del sedimentador.

Los slidos suspendidos fueron determinados por el mtodo 2540b, totales, y 2540e, voltiles [6], con al-cuotas de 20 ml y una alcuota de 20 ml de una dilucin 1/5 de la recirculacin.

Se estudi la variacin del caudal y Dbo en la en-trada al sistema de lodos activados como factores que influyen en el funcionamiento del sedimentador secun-dario. Para ello, se tomaron muestras combinadas con-formadas por agua residual industrial y agua residual domstica; las muestras combinadas constan de peque-as muestras individuales (alcuotas) que se recolecta-ron proporcionales al caudal y fueron mezcladas para formar una muestra total de 100 ml. La medicin de los caudales se hizo como se explica a continuacin:

a. aguas residuales industriales: a travs de un ver-tedero rectangular dispuesto en el canal de entrada de aguas residuales; en dicho vertedero se hace la medi-cin de la altura del agua por encima de ste y, por me-dio de correlaciones matemticas, se obtiene el caudal en un instante dado.

b. aguas residuales domsticas: a travs de medi-cin con balde y cronometro (tres repeticiones), y rea-

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Para evaluar el diseo del sedimentador, se obtuvo una curva ideal de sedimentacin

TRATAmiEnTO DE AGuAs REsiDuAlEs


lizando un promedio en los dos tubos que dan entrada a las aguas residuales al primer reactor.

La medicin de Dbo se realiza por el mtodo 5110b [6], tomando una alcuota de 10 ml de la mues-tra total (100 ml) y llevada a 300 ml.

Para la determinacin de la relacin a/m, la can-tidad de microorganismos presentes en los reactores se tom como la concentracin de SSV en el primer reactor, ya que la alimentacin fresca llega a ste.

1.3evaluacin del sedimentadorCurva de sedimentacinSe realizaron dos tipos de ensayos para la obtencin de las curvas de sedimentacin:

realizando diluciones a una muestra simple de agua del recirculado, con concentracin (mg/L) ini-cial conocida.

Tomando muestras simples en la alimentacin al sedimentador cada hora, durante 8 horas.

Los ensayos consistieron en la medicin de la altura de la interfaz lodo clarificado a intervalos de tiempo de tres minutos durante 30 minutos. estos fueron rea-lizados en cilindros graduados de 1 L, con una altura de 34 cm y 6.2 cm de dimetro.

Posteriormente, los ensayos se realizaron utilizan-do agitacin previa a 4 rpm. esto se hizo en base a las recomendaciones hechas en la literatura [7], donde se propone una homogeneizacin del lodo durante un tiempo de 5 minutos; esta medida se hizo para evitar la influencia de la aireacin en la muestra, que general-mente causa flotacin en el lodo.

Ensayos de coagulacinPara realizar el estudio de coagulacin se utiliz sulfato de aluminio tipo b, logrando con esto la disminucin de las cargas presentes en el lodo, que no permitan su compactacin, promoviendo as una mejor sedimenta-cin. La cantidad de coagulante adecuada se obtuvo por medio de un diseo de experimentos, teniendo en cuenta su reaccin con la alcalinidad presente en el agua y a travs del ensayo de jarras [8].

Las variables tenidas en cuenta para el diseo de ex-perimentos fueron: concentracin de coagulante entre 700 y 1400 ppm, y concentracin de slidos suspendidos entre 1610 y 3702 mg SST/L. Se hizo necesario planear la experimentacin de tal manera que estuvieran represen-tados todos los posibles efectos de estas variables sobre la variable de respuesta, que para este caso fue el iVL.

Evaluacin del diseo Para evaluar el diseo del sedimentador se obtuvo una curva ideal de sedimentacin [9], que permiti compa-rar la sedimentacin bajo condiciones reales de funcio-namiento y bajo condiciones favorables del lodo.

La curva ideal se obtuvo de la siguiente manera:

- a partir del ensayo de coagulacin se obtuvo la do-sis de coagulante (sulfato de aluminio) que mejor pro-movi la sedimentacin, generando un lodo ms com-pacto y con zonas de sedimentacin ms definidas.

- Se realizaron luego diluciones del lodo de recircu-lacin, a las cuales se les adicion la dosis encontrada de sulfato de aluminio, y se obtuvieron las curvas de velocidad de sedimentacin. La determinacin de la concentracin de dicho lodo se realiz por medio de los slidos suspendidos totales.

- Finalmente, se realiz la curva de flujo de slidos [10]. esta curva permiti hacer la comparacin entre el comportamiento ideal del sedimentador y el com-portamiento real que ste present en su operacin diaria.

Teniendo en cuenta los datos obtenidos de la curva de velocidad de sedimentacin, como lo fueron VSZ, iVL, caudales y concentraciones, se determin el rea mnima de clarificacin [11].

1.4estudio de cloracinPara realizar el estudio de cloracin se utiliz hipoclo-rito de sodio al 13% [12] y se analiz la influencia de la concentracin de cloro y la concentracin de sli-dos suspendidos voltiles sobre el proceso de elimina-cin de microorganismos filamentosos. Se plane una experimentacin en la cual se estudiaron los posibles efectos de estas variables, en concentraciones entre 5 y 10 mg Cl2/g SSV [12] y 2000 y 5000 mg SSV/L, respec-tivamente, sobre la variable de respuesta, porcentaje de disminucin de slidos; todo esto acompaado de la observacin microscpica del lodo.

3reSulTaDOS y anlISIS

3.1Propiedades fisicoqumicas y microbiolgicas del lodoSe muestran en Tablas 1 y 2, y en las Figuras 1y 2.

observando los parmetros obtenidos durante el periodo de estudio juliooctubre de 2005), se pudo diagnosticar que el lodo presenta problemas de hincha-do ("bulking"), ya que existieron condiciones favorables para el desarrollo de microorganismos filamentosos causante de ello, como: altas temperaturas, bajo oxge-no disuelto y relacin alimento/microorganismo baja.

adems, en la observacin microscpica los micro-organismos filamentosos fueron una constante en el sistema.

a pesar de que en algunas curvas se present una buena sedimentacin, hay que tener presente la con-centracin de slidos a la cual fue realizada, y que en varias ocasiones el lodo fue disperso y dbil, y, por lo tanto, sedimentaba a una gran velocidad, presentn-dose una interfaz no homognea y lodo flotante en la interfase de clarificado. La generacin de un lodo disperso es debido a la baja relacin alimento/micro-organismos presente en el sistema.

3.2 Obtencin de las curvas de sedimentacinLuego de observar el comportamiento de las curvas de sedimentacin, se opt por realizar una agitacin



previa a la sedimentacin del agua con lodo, para pro-mover una mejor formacin del flculo y observar la influencia de dicho fenmeno sobre la sedimentacin (Figs. 3 y 4).

este mtodo fue utilizado por recomendacin de la literatura [7], pues en sta se dice que se debe realizar una agitacin previa para simular el comportamiento del sedimentador en continuo y, adems, para eliminar de alguna forma la etapa en la cual el lodo se estabiliza y luego comienza a sedimentar. este comportamiento se puede ver en varias de las grficas de sedimentacin presentadas, en donde el lodo comenzaba a sedimen-tar luego de transcurrido un intervalo de tiempo, aun a bajas concentracin de slidos.

en general se pudo observar que la agitacin mejo-

ra la sedimentacin, especialmente para concentracio-nes altas. el comportamiento de las curvas con concen-traciones de 2260 y 1575 es inusual, y se pudo deber a que el lodo antes de la agitacin estuvo disperso y la agitacin promovi la formacin de flculos

3.3resultados de los ensayos de coagulacinel polinomio que modela la superficie de respuesta (Fig. 5) es:

iVL = -59,2321 + 0,20375* Concsulfato +0,093252* Concslidos -0,000066* Concsulfato*Concslidos

en la superficie de respuesta se observ que, a concentraciones de slidos cercanas a 1600 mg/L, se deben utilizar concentraciones de sulfato inferio-res a 1000 ppm, pues el iVL presenta una pendien-te pronunciada al incrementar la concentracin de sulfato.

Para concentraciones de slidos superiores a 2700 mg/L, el iVL no se afect por el aumento en la con-centracin de sulfato, lo que se ve reflejado en que la superficie es casi plana.

Teniendo en cuenta el anlisis estadstico (Tabla 3), se pudo analizar que la concentracin de sulfato

tabla 1

ParmeTrOS fISIcOQumIcOS y mIcrObIOlgIcOS PrOmeDIO en el SeDImenTaDOr

Meses Microorganismos Oxgeno Temp. S.S.T. deestudio disuelto C (mg/L)

Julio Euchlanis, Protozoo 1,79 1,02 24,2 1,9 ciliado, Filamentosa

agosto Rotatoria Euchlanis, 1,39 0,51 24,5 1,6 1930 590 Ciliado, Epistylis, Oxytricha, Flagelado, Filamentosa

septiembre Vorticella Convallano 0,83 0,37 25 2 2050 740 y Microstoma, Rotatoria Aspidisca, Euchlanis, Ciliado, Ciliado sector, Epistylis, Oxytricha, Filamentosa.

octubre Rotatoria, Nematodo, 1,55 0,58 23 2,2 4130 1670 Aspidisca, Euchlanis, Ciliado, Ciliado sector, Epistylis, Oxytricha, Flagelado, Filamentosa

tabla 2

relacIn a/m

A/M(kgDBO5/kgSSV*d)Caudaltotal(L/s)

0,21 36,09

0,19 30,27

0,22 36,4

0,16 22,63

0,15 21,76

0,16 23,41

0,15 21,81

figura 1 sedimentabilidad de los lodos en agosto

figura 2 sedimentabilidad de los lodos en septiembre



como variable independiente no es significativa como factor que influye sobre el ndice volumtrico de lodos (iVL), caso contrario a la concentracin de slidos. La interaccin entre las variables influy en el comporta-miento del iVL.

La influencia de las variables o la interaccin de ellas sobre el iVL se midieron con el valor P, aceptn-dose como influyentes aquellos factores con un valor P menor que 0.05.

3.4resultados de la evaluacin del diseo del sedimentadorPara evaluar el diseo del sedimentador se analizaron diferentes situaciones de cargas, concentracin y cau-dales que se presentaron durante el tiempo de experi-mentacin (Tabla 4). adems, para dicha evaluacin se compar la curva de flujo de slidos real con la ideal (Fig. 6) para concluir acerca de los problemas que se presentaron.

Teniendo en cuenta los caudales y los slidos sus-pendidos voltiles presentes en el sistema, se calcul la relacin de recirculacin como:

QR 17r = = = 0,68

QF 25

otra alternativa para calcular dicha relacin es:

Xv,R1 3.391r = = = 0,31

Xv,R - Xv,R1 14.415 - 3.391

Dicha relacin es la que se debe manejar para man-tener constante la concentracin de slidos suspendi-dos voltiles en todo momento.

a partir de las condiciones de operacin reales, se dise el sedimentador requerido (Tabla 5).

Con base la Tabla 5, y teniendo en cuenta que las di-mensiones del sedimentador construido son: dimetro: 13.5 m, y altura: 3 m, se realiz un anlisis de la situa-cin de carga actual (Fig. 7) y se estudiaron alternativas

tabla 3

ANlisis EstAdstiCO dE lA COAgulACiN

MODeLOpreDiCTiVO

Term.estimac.err.est.Tpr>|t|

Concsulf 9,501 4,87 1,949 0,063541

Concsol 24,51 4,90 5,007 0,0001

Concsulf*Concsol -24,340 5,97 -4,08 0,000461

figura 3 comportamiento de sedimentabilidad del lodo sin agitacin

figura 4 comportamiento de sedimentabilidad del lodo con agitacin

figura 5 superficie de respuesta para la coagulacin

Septiembre 2008

tabla 4

cOnDIcIOneS De OPeracIn realeS

QF (l/s) Qu (l/s) Q0 (l/s)

Desviacin estnDar 5 3 8

MeDia 25 17 42

Xu (mg/l) Xe (mg/l) Xo (mg/l)

Desviacin estnDar 3439 10 998

MeDia 18000 37 2704

tabla 5

DISeO Del SeDImenTaDOr real

Qe (m3/d) 2150 430

Qu (m3/d) 1480 260

Vs (m/min) 0.00557

ac (m2) 270 20

at (m2) 127

altura Sedimentador (m) 6

Dimetro (m) 18

gT(kgsol/m2*da) 77 40

figura 6 comparacin de flujo de slidos real vs ideal. construccin empleada para determinar la situacin de carga

---- Condicin normal de carga del sedimentador---- Condicin recomendada de carga para buen funcionamiento del sedimentador.

Para evaluar el diseo del sedimentador se analizaron diferentes situaciones de cargas, concentracin y caudales

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de operacin, basndose en el comportamiento ideal de sedimentacin.

Teniendo en cuenta la concentracin de recircula-do promedio y el flujo de slidos totales (GT) maneja-dos en el sedimentador, se observa que ste present sobrecarga de espesamiento, por lo cual los slidos no pueden dirigirse al fondo del sedimentador. Tan rpi-do como aparecen, el lodo se acumula en el sedimenta-dor y, eventualmente, la capa de lodo puede ascender y pasar a la corriente efluente.

Para el flujo de slidos presentes en el sistema, es necesario que la concentracin a la cual estn los lodos de extraccin sea aproximadamente 6000 mg/L, para garantizar una sedimentacin sin sobrecarga.

3.5resultados de la cloracin el polinomio que modela la superficie de respuesta (Fig. 8) es:

% de disminucin = 2,401515 + 0,901515*ConcCloro

en la superficie de respuesta se observ que el por-centaje de disminucin de slidos es independiente de la concentracin de slidos; es decir, si se quiere obtener un porcentaje de disminucin alto, la dosis de cloro debe ser alta y estar sujeta a la observacin mi-croscpica.

Teniendo en cuenta el anlisis estadstico (Tabla 6), se pudo analizar que la concentracin de slidos no es un factor significativo que influye sobre el porcentaje de disminucin, caso contrario a la concentracin de cloro. La interaccin entre las variables no influy en el comportamiento del porcentaje de disminucin.

La influencia de las variables o la interaccin de ellas sobre el porcentaje de disminucin se midieron con el valor P, aceptndose como influyentes aquellos factores con un valor P menor que 0.05.

4cOncluSIOneS y recOmenDacIOneS

4.1conclusiones

a bajas concentraciones de oxgeno y bajas rela-ciones alimento/microorganismo, existe una prolifera-cin de microorganismos filamentosos, causantes del fenmeno del bulking o hinchado de los lodos.

Los microorganismos son un buen indicador del funcionamiento del proceso de lodos activados; segn su presencia, se concluye acerca de problemas o el buen desarrollo del proceso, especialmente la presencia de rotferos que indican una buena oxigenacin del lodo.

La agitacin debe ser baja, debido a que puede ocasionar estrs hidrodinmico y el rompimiento del flculo. adems, debe simularse la del sedimentador al realizar los ensayos a nivel de laboratorio.

Se concluye que la coagulacin promueve una compactacin del lodo, generando una interfaz lodo-clarificado definida, evitando flotacin de lodo e incre-mentando la velocidad de sedimentacin.

el sedimentador trabaj a sobrecarga y apelmaza-do del lodo durante el perodo de estudio.

figura 7 construccin empleada para determinar la situacin de carga

tabla 6

ANlisis EstAdstiCO dE lA ClORACiN

MODeLOpreDiCTiVO

Term.estimac.err.est.Tpr>|t|

Concsulf 2.254 1,130 1,994 0,05929

Concsol

Concsulf*Concsol

figura 8 superficie de respuesta para la cloracin



La cloracin es un mtodo efectivo para la dis-minucin de microorganismos filamentosos, pues, despus de sta, la contextura del lodo mejora. Pero se debe tener en cuenta que un exceso de cloro pue-de causar la muerte de microorganismos beneficiosos para el proceso; por tanto, un estudio de cloracin siempre debe estar acompaado de una observacin microscpica del lodo para asegurar la presencia de microorganismos como los rotferos.

4.2recomendaciones

realizar un estudio hidrulico de trazadores para determinar la capacidad real a la cual est trabajando el sedimentador, qu tipo de funcionamiento tiene: mezcla completa, flujo pistn o una combinacin, y/o si presenta zonas muertas o cortos circuitos.

a partir de la curva ideal de sedimentacin, se recomienda trabajar a una carga mxima de 37 kg s-

lidos/m2 da y con una concentracin de recirculacin de aproximadamente 9400 mg/L, cumpliendo la rela-cin de recirculacin de 0.31.

a partir del ensayo de coagulacin se recomien-dan las siguientes dosis de coagulante para garantizar una mejor sedimentacin:

- Para concentraciones a la entrada del sedimenta-dor entre 1600 y 2700 mg/L, se deben manejar concen-traciones de sulfato de 1000 ppm.

- Para concentraciones superiores a 2700 mg/L, se debe utilizar concentraciones de sulfato de 1400 ppm.

Para encontrar una optimizacin del iVL se pue-de utilizar el modelo encontrado, ajustndolo a las con-diciones de slidos presentes, que es la variable que ms influye sobre el iVL.

Teniendo en cuenta la mxima cantidad de sli-dos presentes a la entrada del sedimentador y su velo-cidad de sedimentacin durante el periodo de estudio, se recomienda que la altura requerida para el espesa-miento, sin que interfiera en la sedimentacin, sea de 1.4 m.

La dosis de cloro recomendada es:

- Para concentraciones entre 2000 y 3000 mg/L de slidos suspendidos voltiles, utilizar 5 mg Cl2/g SSV.

- Para concentraciones entre 4000 y 5000 mg/L de slidos suspendidos voltiles, utilizar 10 mg Cl2/g SSV.

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agradecimientosA la ingeniera gladis Palacio de la Corporacin la Cimarrona y a la universidad Nacional de Colombia, sede Medelln, por su apoyo en la realizacin de este estudio.

NOMENClAtuRA

AC: rea mnima de clarificacin, m2.

A/M: relacin alimento/microorganismo, kg Dbo5/kg SSV*d.AT: rea mnima de espesamiento, m

2.DBO: Demanda bioqumica de oxigeno, mg/L.Gb: Flujo de slidos en funcionamiento disconti-nuo, kg slidos/m2*d.GT: Flujo total de slidos, kg slidos/m

2*d.IVL: SVI: ndice Volumtrico de lodos, ml/gOD: oxigeno disuelto, mg o2/l.Qe: Caudal efluente del sedimentador, m

3/d L/sQF: Caudal alimentacin fresca, m

3/d L/sQO: Caudal afluente del sedimentador, m

3/d L/sQU: Caudal de recirculacion, m

3/d L/sQW: Caudal de purga, m

3/d L/sr: relacin de recirculacinrsed: radio del sedimentador, mS.S.T: Slidos suspendidos totales, mg/L.S.S.V: Slidos suspendidos voltiles, mg/L.T: temperatura, CXe: concentracin de slidos en el efluente del se-dimentador, mg SST/L.Xi: concentracin de slidos , mg SST/L.XL: concentracin de slidos en la zona donde la densidad de flujo es mnima, mg SST/L.XO: concentracin de slidos en el afluente del se-dimentador, mg SST/L.XU: concentracin de slidos en la recirculacin, mg SST/L.XV,R1: concentracin de slidos en el primer reac-tor, mg SSV/L.XV,R: concentracin de slidos en la recirculacin, mg SSV/L.

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