Diseño de biofiltros. Tratamiento de aguas residuales

RESUMEN.

Se presenta una metodología para diseño de biofiltros, el procedimiento contempla: requerimientos de información para el diseño, variables que participan en los procesos, ecuaciones que se aplican para representar el comportamiento de los procesos y criterios aplicables en el diseño de biofiltros. Se analiza la aplicación del biofiltro en el tratamiento de aguas residuales de origen doméstico o urbano con baja influencia industrial. Se elabora un diseño base y se calcula el comportamiento para diferentes valores de caudal y concentración de DBO en el influente. El análisis de sensibilidad permite obtener un diseño que asegura alcanzar los niveles de calidad deseados en el agua tratada bajo diferentes restricciones. Además, contribuye a determinar los criterios de operación y control del proceso.

1. INTRODUCCIÓN

Este trabajo hace referencia a las aplicaciones más comunes proceso del biofiltro, que son los dos casos siguientes:

a. El agua residual a pasa a través del biofiltro una sola vez, no hay recirculación alguna.

b. El agua residual pasa a través del biofiltro, en promedio, más de una vez. Se recicla el efluente.

En la figura 1 se representa el caso general para los alcances de este trabajo.

Otras aplicaciones menos comunes, son: con recirculación de lodos del biofiltro, con recirculación de lodos activados en un sistema dual, con recirculación de agua tratada clarificada. Estos casos no están incluidos debido a que este trabajo esta orientado a atender el tratamiento de aguas residuales de origen doméstico y urbano con baja influencia industrial, para lo cual es suficiente un sistema con recirculación del efluente o sin recirculación alguna.

Qi = Caudal de agua cruda

Qr = Caudal de recirculación

Qo = Caudal de influente al Biofiltro

Li = Concentración de DBO en agua cruda

Le = Concentración de DBO en efluente del biofiltro

Lo = Concentración de DBO de entrada al Biofiltro

r = Recirculación = Qr / Qi

Figura 1. Representación esquemática del sistema funcional analizado

2. DATOS BÁSICOS DE DISEÑO

En virtud que el diseño del biofiltro generalmente se realiza para remover materia orgánica, la información requerida es la siguiente:

Qi Caudal promedio diario del agua cruda, generalmente en l/s.

Li Concentración de DBO en el agua residual cruda, generalmente en mg/l.

Le Concentración de DBO en el agua residual tratada, generalmente en mg/l

T1 Temperatura promedio del aire en invierno.

T1' Temperatura promedio del agua en invierno,

T2 Temperatura promedio del aire en verano.

T2' Temperatura promedio del agua en verano

En los casos en que se interesa conocer la remoción de nitrógeno y de fósforo, es necesario contar también con la información siguiente:

Para el agua cruda:

Norgi Concentración de nitrógeno orgánico, generalmente en mg/l

NNH3i Concentración de nitrógeno amoniacal, generalmente en mg/l

PO4i Concentración de fosfatos totales, generalmente en mg/l

Para el agua tratada:

Norge Concentración de nitrógeno orgánico, generalmente en mg/l

NNH3e Concentración de nitrógeno amoniacal, generalmente en mg/l

PO4e Concentración de fosfatos totales, generalmente en mg/l

3. ECUACIONES Y CRITERIOS DE DISEÑO

Ecuación de Germaín

Altura empacada,

Z = Altura del empaque en ft

Lo = DBO del influente en mg/l

Le = DBO del efluente en mg/l

q = Caudal específico en gpm/ft2

n = Constante del empaque, = 0.5, adimensional.

k = Constante cinética a temperatura media del biofiltro, en gpm 0.5/ ft2

Área transversal del biofiltro en ft2, At

At = Qo/q

Qo = Caudal del influente en gpm

Área de contacto en ft2, Ac

Ac = At .Z. D

D= Densidad del empaque en ft2 / f ft3

Constante cinética de acuerdo a la temperatura.

k = k20 *1.035^T-20

k = Constante cinética a temperatura T en gpm 0.5/ ft2

k20 = Constante cinética a 20 ºC = 0.8 gpm 0.5/ ft2

Cálculo de temperaturas medias para el proceso

Temperatura media del proceso en invierno

Tinv = (T1' -T1) / LN (T1'/T1), º C

Temperatura media del proceso en verano

Tver = (T2' –T2) / LN (T2'/T2), º C

Rango recomendado para caudal específico

Verificación de la altura de empaque. Método de carga orgánica específica y eficiencia de remoción

Carga de DBO en el agua cruda en kg/d, Ci

Ci = Li * Qi