DISEÑO DEPURADORA DE OXIDACIÓN TOTAL

5/6/2018 DISEÑO DEPURADORA DE OXIDACIÓN TOTAL - slidepdf.com

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1. INTRODUCCIÓN

En este trabajo se pretenden describir todos los procesos de tratamientos físicos, químicos ybiológicos que debemos aplicar a un agua residual urbana, con unas característicasdeterminadas, para conseguir cumplir unos determinados requisitos de vertido. No se dispone

de una analítica del agua de entrada, por lo que se caracterizará el influente, según los datosde partida que se señalan en el enunciado del trabajo.

Someteremos el agua a diferentes tratamientos físicos para la eliminación de sólidos, comoson el desbaste, el desarenador aireado y decantador secundario. Se propone aplicar unproceso biológico de fangos activados por oxidación total en el reactor, para la eliminación denitrógeno y materia orgánica del agua, con lo que podemos prescindir del decantador primarioy de la digestión de los fangos, como se explica en apartados posteriores. Uno de los requisitosde los tanques de oxidación total son las altas necedades de oxígeno, por lo que se diseñará elsistema de aireación del reactor. Además incluiremos una precipitación química para laeliminación del fósforo, la cual se realizará en el reactor. El último tratamiento al que

someteremos el agua, es una desinfección por luz ultravioleta, para la eliminación depatógenos. Los fangos procedentes del decantador secundario pasan por un proceso deespesado y de deshidratación mecánica. Las diferentes líneas de las que dispondrá ladepuradora, se representan en el siguiente esquema:

La línea de agua (Flechas azules) esta compuesta por el pretratamiento y los tratamientossecundario y terciario. La línea de fangos (Flechas marrones), la forman la recirculación defangos al reactor biológico y el tratamiento de fangos. También hay que tener en cuenta lalínea de sobrenadante proveniente del tratamiento del fango, dicha línea se recirculará a lacabecera de planta.



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2. DATOS DE PARTIDA

Los datos, a partir de los cuales realizaremos la caracterización del agua, se han calculadosustituyendo el número de clave N, en los valores del enunciado. Los resultados son lossiguientes:

DATOS DE PARTIDA

Población (hab) 11000

N 1

Q (m³/hab*d) 0.203

DBOL (g/hab*d) 90.63

%Soluble 40.4

DQO (g/hab*d) 140.14

%Soluble 36.288

SS (g/hab*d) 68.544

%SSV 74.55NKT (g/hab*d) 10.03

%Soluble 70

PTOTAL (g/hab*d) 2.30552

%Soluble 67

Tª (ºC) 12

fpta 1.7964

DBO5/DBOL 0.68

Se ha supuesto que la depuradora se encuentra a nivel del mar.

Los requisitos de vertido que se deben cumplir, son los siguientes:

REQUISITOS DE VERTIDO

DBO5 (mg/l) 25

DQO (mg/l) 125

SS (mg/l) 30

NKT (mg/l) 4.5

PTOTAL (mg/l) 2



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3. CARACTERIZACIÓN DEL INFLUENTE

Se asume que el pretratamiento del agua no elimina sólidos suspendidos, con lo que lacaracterización corresponde al agua de entrada al reactor biológico. Al realizar estadeterminación se trabajará el diseño del lado de la seguridad.

A continuación se presentan los resultados obtenidos de todos los contaminantes que tiene elagua, en condiciones normales de funcionamiento. Para saber los valores punta basta conmultiplicar el valor por el factor punta o realizar las mismas operaciones utilizando el caudalpunta en vez del medio.

CARACTERIZACIÓN DEL INFLUENTE

QMEDIO (m³/h) 93.042 QPUNTA (m³/h) 167.14

DQO (mg/l) 690.345 XS (mg/l) 266.086

DQOS (mg/l) 250.512 XI (mg/l) 173.746

DQOSS (mg/l) 439.832 SS (mg/l) 337.655

DBOL (mg/l) 446.453 XSSV (mg/l) 251.722

DBOLS (mg/l) 180.367 XSSNV (mg/l) 85.933

DBOLSS (mg/l) 266.086 XSSVB (mg/l) 152.285

DBO5 (mg/l) 303.588 XSSVNB (mg/l) 99.437

DBO5S (mg/l) 122.650 SI (mg/l) 70.145

NKT (mg/l) 49.409 PTOTAL (mg/l) 11.357

SNHo (mg/l) 34.586 SPo (mg/l) 7.609

XNHo (mg/l) 14.823 XPo (mg/l) 3.748

El primer paso será determinar los caudales, a partir de los datos de partida:

díam Población DotaciónQQMED /223311000203.0)( 3=⋅=⋅=

horamQMED /04.93 3=

horamQ f Q MED PTA /14.16704.937964.1 3=⋅=⋅=

El siguiente paso será calcular los valores de las demandas biológicas y químicas, para laspartes solubles y suspendidas. Las cuales hallaremos mediante los porcentajes que muestranlos datos de partida. Las determinaremos en (mg/l)

El valor de la DBO, a los cinco días, lo calculamos mediante la relación:

68.05 = L DBO

DBO

En cuanto a los componentes particulados y solubles de los sólidos presentes en el agua, paralos SS, SSV y SSNV, se han calculado utilizando el porcentaje que muestra el enunciado y en elque se aprecia que la gran mayoría de sólidos se encuentran en estado volátil.

Para determinar la cantidad de nutrientes que se encuentran en el agua, disponemos de los

valores de nitrógeno y fósforo total además de los porcentajes solubles de cada uno.



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El resto de componentes se han calculado según las siguientes fórmulas:

SSV

SS

LSS SSVB X

DQO

DBO X ⋅= LSS S DBO X = LS S I DBO DQOS −=

I S S tot I S S X DQO X −−−= sol S DBOS lim=

Por los valores obtenidos en la caracterización se puede decir que estamos ante un agua concarga contaminante media, tanto en contenido se materia orgánica como de nutrientes.

También es conveniente resaltar que no se ha tenido en cuenta el agua sobrenadanteprocedente del espesado y la deshidratación del fango, las cuales no varían significativamentelos valores antes expresados.



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PRETRATAMIENTO

4. DESBASTE

El sistema de enrejados es un proceso físico que se aplica para eliminar todos aquelloselementos sólidos que puedan ocasionar daños en los equipos de la planta, tales comobombas, válvulas, etc.

Para ello, se disponen dos rejas con diferentes separaciones entre barrotes, que son elenrejado grueso y el fino. La velocidad de entrada del agua en las rejas es un parámetrodeterminante por lo que se debe controlar que esté entre 0.6 y 1 m/sg. para asegurar laretención de sólidos esperada, en condiciones punta esta velocidad no debe sobrepasar los 1.4m/sg. Además el canal de entrada debe ser cuadrado para que la distribución de dichavelocidad, a través del enrejado, funcione con la máxima efectividad. El cálculo del áreamínima que debe tener el canal se realiza de la siguiente manera:

• Lo primero es calcular las áreas mínimas y máximas que tiene que tener el enrejado,en función de las velocidades de paso:

Para el caudal medio

MAX PASO

MEDMI

V

Q A =

MI PASO

MEDMAX

V

Q A =

Para el caudal punta

MAX PASO

PTA PTA

V

Q A =

Los resultados son:

AMAX (m²) 0.0431 APTA (m²) 0.0332

AMIN (m²) 0.0258 A (m²)70% 0.0474

• Ahora elegimos el mayor área mínima que tendrá el enrejado, que corresponde con elAPTA. Hay que corregir el área elegida para el caso más desfavorable, suponiendo una

colmatación de la reja del 30% de sólidos:

2%30 0474.07.0

0332.0m A = →



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a) Diseño Rejas Finas

No son tan finas como para considerarlas tamices, por lo que las funciones son las mismas quelas de las gruesas.

Tenemos que escoger una separación de barrotes y un espesor. Interesa que el canal sea lomás cuadrado posible, con lo que la relación 1≈ Altura

Ancho . Para enrejado fino se trabaja

con espesores (e) entre 0.5 y 1 cm. Con separación entre barrotes (a) entre 1.5 y 2 cm. Semuestran los valores escogidos,

e (m) 0.01 a (m) 0.015

En principio, suponemos una altura, la cual variaremos si el ancho nos da muy diferente adicha altura. Las fórmulas utilizadas son las siguientes:

)()(

h Altura Areabbarrotesentre Espacio =

espaciometrosb Espacios /

º =

El número de barrotes necesarios coincide con una unidad menos, a la cantidad de espaciosnecesarios.

barrotemetros Barrotes espaciometros Espacios W /º/º ⋅+⋅=

Espacio barrotes b (m) 0.18 Nº Espacios 11.70 Ancho W (m) 0.28

El número de espacios se redondea a 12. Buscando la máxima igualdad entre el lado y elancho, se toma como altura h= 0.27 m. Las dimensiones del canal serán las mismas para elenrejado fino y para el grueso.

Finalmente el número de barrotes corresponde a un barrote menos que el número deespacios, por tanto ( NºBarrotes= 11).

b) Diseño Rejas gruesas

Se coloca como primera unidad física en la estación depuradora, se puede optar por un

enrejado con sistema de limpieza mecánico para evitar las variaciones de velocidad de entradadel agua, producidos cuando se realiza una limpieza manual de los residuos recogidos. Es unelemento de protección.Elegimos el espesor y la separación entre barrotes según los valores Standard para este tipo derejas, los valores oscilan entre los siguientes valores, 5 < a < 10 cm. y 1 < e < 2 cm. Escogemosuna separación entre barrotes (a= 5 cm), por otro lado el espesor del barrote será (e= 1 cm.)

barrotemetros Barrotes espaciometros Espacios h /º/º ⋅+⋅=

Conocemos el valor de h (calculado en el siguiente apartado de rejas finas), además sabemosque el nº de barrotes coincide con el nº de espacios menos uno. Por tanto, despejamos el nº

de espacios.



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Nº Espacios 5 Nº Barrotes 4

Para ajustar el ancho, los espacios de las dos esquinas tendrán una separación con el muro de0.45 cm.

c) Pérdidas de carga

La pérdida de carga en el desbaste con limpieza mecánica suele ser constante para undeterminado flujo. Es posible estimar dicha pérdida, según la expresión propuesta porRischmer, en función de la forma de las barras, aplicable solo a rejas limpias.

Calcularemos la pérdida para todas las condiciones, pero teniendo en cuenta que el caso másdesfavorable corresponde con el funcionamiento de la reja a caudal punta. La expresión deRischmer es la siguiente:

θ β sen g

v

b

W h ⋅

⋅⋅

=

2

234

Donde:

- 42.2= β .Según tabla 1, libro de Trat. Físicos y Químicos de Aguas Residuales.

- º90=θ . Ángulo del enrejado con la horizontal.

VPASO MIN (m/sg) 0.339 VPASO MIN (m/sg) 0.609

hMEDIO (m) 0.027 hPUNTA (m) 0.086

Las pérdidas son inferiores a 0.1 mca, con lo que cumplen con la limitación de 0.4 mca. Hayque tener en cuenta que la ecuación se refiere a rejas limpias, con lo que la pérdida será mayora la calculada, en determinadas situaciones de operación, aún así se considera que existesuficiente intervalo de seguridad para que se cumpla la condición.

d) Residuos recogidos

La cantidad de residuos recogidos depende del tipo de enrejado, así como el sistema dealcantarillado y la situación geográfica. Se estiman gráficamente utilizando la figura 5 del librode Tratamiento, conociendo la separación entre barrotes se puede estimar la cantidad desólidos recogidos a caudal medio y punta. Los residuos se calculan en condiciones normales deoperación, por tanto a caudal medio. Los valores calculados gráficamente son los siguientes:

Para 1.5 cm (m³/10^6 m³) 40 Para 5 cm (m³/10^6 m³) 5

Las expresiones utilizadas y sus resultados son los siguientes:

1000 MEDIO

FIAS GRAFICO

QV recogidostotalesSólidos =



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1000. MEDIO

GRAFICO

QV gruesarejaVol =

gruesarejaVol totalesSol finarejaVol ... −=

Sólidos Totales recogidos (l/d) 89.32Vol.reja gruesa (l/d) 11.165 Vol.reja fina (l/d) 78.155



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5. DESARENADOR AIREADO

La función principal que va tener el desarenador en la depuradora es la retención de partículasde gravas y arenas por el proceso físico de sedimentación discreta. La velocidad de distribucióndel agua es clave para asegurar la deposición de partículas, en caso de exceso de velocidad y

para que no se retenga materia orgánica en el tanque, cuando la velocidad es demasiadopequeña. Se incorpora la aireación del tanque que se realiza para controlar el tamaño de laspartículas a retener, según la velocidad de difusión del aire.

La velocidad de salida y entrada tiene que ser superior a 0.3 m/sg en cualquier condición decaudal. La salida del agua debe ser en ángulo recto a la entrada.

a) Diseño

Para determinar la geometría del desarenador se han tomado los valores típicos para el diseño

de desarenadores aireados, según lo expuesto en la Tabla 8 del libro de Tratamientos. Elproceso de cálculo utilizado es el siguiente,

Lo primero es fijar el tiempo de detención a caudal punta, min3=MAX θ . Es importante

asegurar utilizar el caudal punta para asegurar que bajo ninguna condición las arenas o gravaspuedan llegar a los elementos posteriores del tratamiento.

PTAMAX QV ⋅= θ

El volumen mínimo que puede tener un desarenador es de 24 3m , por tanto si el valor esinferior tomaremos el volumen mínimo requerido. Tomamos la altura mínima de 2 metros.Además, los valores mínimos del ancho y de la longitud, por tanto W=2 metros.

h

Vol Sup =

W

Sup L =

Efectivamente el volumen calculado es inferior al mínimo requerido, por tanto debemosmodificar el tiempo de residencia. Los valores obtenidos son los siguientes:

max (min) 3 final (min) 8.61552931

Vol (m³) 8.3570025 Vol. Mínimo (m³) 24

Finalmente, las dimensiones de nuestro desarenador son las siguientes:

Ancho (m) 2 H (m) 2

S (m²) 12 L (m) 6

Para determinar las cantidades de aire y arena necesarios para el correcto funcionamiento deldesarenador, utilizaremos los valores expuestos en la tabla 8 del Libro de Tratamientos.



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b) Necesidades de aire

Las calcularemos en base a las siguientes expresiones:

r desarenado Long hora

m mlongitud Q AIRE

.1

min60)min/(3.0)( 3

⋅⋅⋅=

r desarenadoVol mhora mVolumenQ AIRE .)/(1)( 33⋅⋅=

Escogemos el valor más alto de los dos calculados para asegurar que funciona bien comodesarenador.

Los valores de 0.3 y 1 corresponden a los valores típicos utilizados para desarenadotes.

Qaire/longitud (Nm³/min.m) 0.3 Qaire/volumen (Nm³/h.m³) 1

Qaire/longitud (Nm³/h) 108 Qaire/volumen (Nm³/h) 24

Por tanto, el caudal de aire necesario corresponde con 108 Nm³/h.

El diseño de la soplante y de la cantidad de difusores necesarios para el desarenador se hancalculado en el apartado 9 de esta memoria.

c) Residuos recogidos

Caudal de arena y espumas

)/()/(015.0 33 d mQml Q MEDIO AREA ⋅=

)/()/(25 33 d mQml Q MEDIO ESPUMA ⋅= /1000

El 0.015 y el 25 corresponden con los valores típicos utilizados.

Cantidad de arena (m³/10^3m³) 0.015 Espuma (ml/m³) 25

QARENA(l/día) 33.495 QESPUMA(l/día) 55.825



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TRATAMIENTO SECUNDARIO

6. PRECIPITACIÓN QUÍMICA

Se trata del método que se va a utilizar para eliminar el fósforo del sistema en forma de fango,ya que es muy perjudicial su vertido al medio. Se ha optado realizarla en el reactor biológico,para mantener un nivel de fósforo que permita el desarrollo de los organismos, se debe ajustarla dosificación para asegurar una cantidad de fósforo para que las bacterias puedan crecer.Para determinar la dosis óptima de coagulante sería necesario someter al agua a un Jar-Test.

Se decidió ajustar la cantidad de fósforo a eliminar a 8.526 mgP/l. Lo que supone que elfósforo en el efluente tenga una concentración de 1 mgP/l, con esto se aseguran los requisitosde las bacterias y se cumple el límite de vertido, fijado en 2 mgP/l. El reactivo elegido para laprecipitación es el sulfato de aluminio, cuya reacción con el fósforo se expresa de la siguientemanera:

( ) −−

+↔+2

44

3

4342 322 SO AlPO POSO Al

La concentración de fosfatos que debemos eliminar se calcula de la siguiente manera:

sidual S InfluenteS S PO PO PORe

444

−=

l mgP S PO

/526.81526.94

=−=

En la bibliografía se establece un intervalo de moles de aluminio necesarios por mol de fósforoa eliminar. Se considera el valor de 1,75, por lo tanto:

( )4

/ POS P Pa

Al Pammol mmolAl necesario Al ⋅⋅=

( ) l mgAl necesario Al /997.1297.30

86.26526.875.1 =

⋅⋅=

Donde el peso atómico del aluminio y de fósforo son 26.86 y 30.97 respectivamente.

( )( )

mmol

mg SO Al Pmolecular l Al mmol necesario Al SO Al 34

342

)(

21/)( ⋅⋅=

( ) l SO Al mg SO Al /)(412.8214.3422

198.26

997.1234342 =⋅⋅=

Donde el peso molecular del reactivo es 342.14.

Esta sería la cantidad de reactivo a utilizar en caso de que este fuera puro, como el sulfato quevamos a utilizar posee un 54% de pureza la dosificación necesaria es la siguiente:

( ) l SO Al mg SO Al /)(615.15254.0

412.8234342 ==



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Teniendo en cuenta que el reactivo comercial posee una concentración de 10.000 mg/l ydebido a la pureza ya comentada, la cantidad de reactivo necesario en función del caudal será:

( ) d SO Al Kg

Q

SO Al Medio

/)(789.340

54.0

1000615.152

34342 =

⋅

=

El caudal de reactivo necesario se calcula de la siguiente manera:

reactivoConc

SO Al Q Al

.

)( 342= d mQ Al /034.0

000.10

798.340 3==

La precipitación del fósforo en forma de fosfato de aluminio supone un incremento de lacantidad de sólidos no volátiles, que deben ser tenidos en cuenta en el cálculo de laproducción de fangos en el reactor biológico. Teniendo en cuenta la reacción de formación delprecipitado, la cantidad de sólidos generados es la siguiente:

57.3395,12197,30

526,8

4

4

4 === AlPO

P

PO Pm

Pa

S formado AlPO

62,9691,341000

2233 4 ===∆ formado AlPOQSSV med

Finalmente, se debe preveer un descenso de la alcalinidad, debido a la precipitación química.Dicho descenso puede provocar la inhibición del proceso biológico si el pH baja por debajo delumbral requerido.

l mgCaCOl

mg ecesarioSO Al activomg

CaCOmg AlcConsumo /307.76615.1525.0)(

Re5.0. 342

3=⋅=⋅=



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7. REACTOR BIOLÓGICO DE FANGOS ACTIVADOS POR OXIDACIÓN TOTAL

Como nuestra depuradora tiene que soportar la dotación de una población pequeña, laelección de un proceso biológico de oxidación total es muy conveniente. La principal diferenciaentre este sistema y los de mezcla completa o flujo de pistón, es el alto tiempo de retención

que es necesario aplicar al tanque.Las bajas cargas másicas con las que opera el sistema ocasionan una situación de competenciaentre los microorganismos presentes y supone un alto tratamiento del agua. Por tanto, seobtiene un efluente de mucha calidad y un volumen bajo de fangos, al que no hará faltasometer a digestión. Hay que tener en cuenta que con este sistema suelen haber problemas deflotación de fangos en el decantador secundario, por lo que se deberá realizar un seguimientoexhaustivo.

El reactor será capaz de llevar a cabo el proceso de nitrificación y eliminación de materiaorgánica. Al no diseñar distintas etapas, como la anóxica o anaerobia no se produce laeliminación biológica de nutrientes, los cuales serán retirados como fango en la purga del

decantador secundario.

a) Cinéticas de los microorganismos

Las principales bacterias que se desarrollarán un reactor aerobio son las heterótrofas, que sonlas encargadas de eliminar la materia orgánica presente en el agua, y las autótrofas, tantoamonioxidantes como las nitritoxidantes, que son las encargadas de transformar el amonio ennitrito y las que consumen dicho nitrito que trasforman en nitrato, por el proceso denitrificación. Estas bacterias forman casi el 95% de la biomasa en este tipo de reactores, elrestante 5% son en gran mayoría protozoos, que son vitales para la eliminación de bacterias,

coliformes y patógenos. También es importante la presencia de bacterias filamentosas, para laformación de los flóculos, pero siempre controlando que no haya excesos, para evitarproblemas de sedimentación y compactación de fangos.

Microorganismos Heterótrofos

Todos los parámetros correspondientes a la cinética de los microorganismos han sido sacadosde los apuntes de la asignatura, correspondientes al diseño de fangos activados. Se ha aplicadola ecuación de Arrhenius, teniendo en cuenta que la temperatura del agua es de 12ºC. Lasexpresiones utilizadas y los resultados obtenidos son los siguientes:

210

2072,14072,14 201220

+⋅=

+⋅=

−−

OD Ks

ODT mH µ

201220 072,12,0072,12,0 −−⋅=⋅=

T H b

HETERÓTROFAS

Yh (gcelDQO/gDQO) 0.6

μh(d-1) 2.09

Ks (mgDQO/l) 10

bh(d-1) 0.11

fDH 0.2



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Bacterias Autótrofas

21

2111,1111,1 201220

+=

+=

−−

OD K

OD

H

T mA µ

201220

111,115,0111,115,0−−

⋅=⋅=T

Ab

AUTÓTROFAS

Ya (gcelDQO/gNH4) 0.24

μa(d-1) 0.34

KNH (mgNH4/l) 1

ba(d-1) 0.06

fDA 0.1

Las velocidades de consumo de sustrato dependen de la cantidad de oxígeno disuelto de la

que dispongan los organismos. Para lograr la oxidación total de la materia orgánica y lanitrificación se han fijado los valores de OD que debemos mantener en el reactor, son lossiguientes:

OD. COND. MEDIAS(mgO/l) 2

OD. COND. PUNTA(mgO/l) 1.5

b) Concentraciones en el efluente

Lo primero que debemos hacer es fijar el tiempo de retención celular, como vamos a trabajar

en oxidación total, lo vamos a fijar en el mínimo C =20 días.

Las concentraciones de materia orgánica y nitrógeno en el agua de salida del reactor secalculan con las siguientes expresiones:

( ))( 1

1

bh

bh KsSs

mH +−

⋅⋅=

−

−

θ µ

θ

)( 1

1

ba

ba K S

mA

H H

+−

⋅⋅=

−

−

θ µ

θ

La SS corresponde con la DQO biodegradable soluble del efluente del reactor. Por otro lado laSNH se considera como nitrógeno Kjenldahl total soluble a la salida.Los valores son:

SS (mg/l) 0.86

SNH (mgN/l) 0.50



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c) Biomasa producida

Heterótrofa

Vamos a suponer que toda la XS se hidroliza en el reactor, por lo que ST0 es la suma de sólidos

suspendidos particulados y solubles. Las fórmulas son las siguientes:

bh

SsS Y QVX TO H MED

H +

−⋅⋅=

−1

)(

θ

C

H H

VX X Q

θ =∆

H H DH HI VX b f X Q ⋅⋅=∆

Autótrofa

También para las heterótrofas suponemos el NT0 como la suma de la parte soluble y

suspendida. Siguen las siguientes expresiones:

ba f Y

VX bh f S Y QVX

C DAC A

H DH C H TO AMED A

⋅+⋅+⋅⋅+

⋅⋅⋅+⋅−−⋅⋅=

θ θ

θ

)1(087,01

)1(087,0)(

C

A A

VX X Q

θ =∆ A A DA AI VX b f X Q ⋅⋅=∆

Los resultados son los siguientes:

VXH (gDQO) 3155771.90 VXA (gDQO) 184854.44Q XH (gDQO/d) 157788.60 Q XA (gDQO/d) 9242.72

Q XHI (gDQO/d) 72378.12 Q XAI (gDQO/d) 1194.56

Se puede apreciar que las bacterias heterótrofas producen mucha mas biomasa que lasautótrofas. Esto es debido a que las bacterias heterótrofas predominan en ambiente aerobioante las autótrofas y en mayor medida debido a la baja temperatura del agua a tratar, hechoque afecta a la proliferación de autótrofas.



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Total

Biomasa total producida:

AI A HI H X Q X Q X Q X Q X Q ∆+∆+∆+∆=∆

Fangos totales expresados en DQO, los sólidos inertes asumimos que no sufren variaciónninguna después del paso del agua por el pretratamiento. Debido a que no hay decantadorprimario, estos sólidos entran y salen del reactor biológico y posteriormente, son extraídos enel fango purgado del decantador secundario.

X Q X Q X Q IOMEDT ∆+⋅=∆

La cantidad de sólidos suspendidos es necesario expresarla en SST. Para ello, se debe aplicar alfango producido en el proceso biológico, el coeficiente (iTSSBM), que es el factor de conversiónde unidades entre DQO y SST, su valor es el siguiente:

42,1

1== TSSBM i

SST

DQO

Cantidad de fangos totales expresados en sólidos suspendidos totales será:

X QiQX QX X Q TSSBM SSBSSV SST ∆⋅++=∆

Hay que tener en cuenta la proporción de sólidos proveniente de la precipitación química, porlo que los sólidos totales para el diseño del reactor son los siguientes:

PQSST SSTF X Q X Q X Q ∆+∆=∆

Los fangos volátiles se pueden calcular restando, a los calculados anteriormente, los sólidosinertes que entran con el agua de entrada y los procedentes de la precipitación del fósforo. Laexpresión utilizada es la siguiente:

El porcentaje de fangos volátiles será un factor clave para conocer el estado de laestabilización del fango. Los fangos que provienen de la precipitación química son inertes, porlo que no se deben tener en cuenta. La fórmula utilizada es la siguiente:

SST

SSV

X Q

X QSSV

∆

∆=%

SSV PQSSTF SSV X Q X Q X Q X Q ∆−∆−∆=∆



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BIOMASA TOTAL

Q X (gDQO/d) 240604.00

Q XT(gDQO/d) 628579.69

Q XSSNV 191888.93Q XSSVNB 222043.59

Q XSST (gSST/d) 923423.44

Q XSSTF (gSST/d) 998386.86

Q XSSV (gSST/d) 361328.37

%SSV 39.13

d) Volumen del reactor

Para poder hallar el volumen debemos fijar una determinada cantidad de sólidos quequeremos que se mantengan en el reactor, al trabajar en oxidación total podemos adoptareste valor entre ( 3000 – 6000 mg/l), se ha optado un valor que asegure que se cumplan losrequisitos de vertido y a su vez, que no halla problemas en la decantación de los fangos. Elvalor es de XTTS=4000 mgSST/l.

Este volumen es el calculado, teniendo en cuenta los sólidos que produce la precipitaciónquímica a la que sometemos al reactor.

393.49914000

2086.998386m

X

X QV

SST

C SSTF =

⋅=

⋅∆=

θ

e) Microorganismos en el reactor

La cantidad de microorganismos debe corresponderse con los parámetros cinéticos calculadosanteriormente, como la velocidad de crecimiento y muerte de las bacterias.

Bacterias Heterótrofas

V

X Q X H

C H

∆⋅= θ

V

X Q X HI

C HI

∆⋅= θ

Bacterias Autótrofas

V

X Q X A

C A

∆⋅= θ

V

X Q X AI

C AI

∆⋅= θ



19

SSTF

T EFL I T

X Q

X QSS S Ss DQOS

∆

∆⋅++= 0)(

MICROORGANISMOS

XH (mgDQO/l) 632.17

XA(mgDQO/l) 37.03

XHI(mgDQO/l) 289.98

XAI(mgDQO/l) 4.79

Se puede observar que los resultados obtenidos concuerdan con los parámetros anteriores, enlos que las bacterias heterótrofas predominan ante las autótrofas.

Carga másica

Es un parámetro importante para estudiar la sedimentabilidad del fango. Se utiliza el valor de

la DBO5, que se ha calculado a partir del parámetro f que define la relación entre la DBOLIM y

la DBO5.

d KgSST KgDBO X V DBOQC

SST

MT ⋅=⋅

⋅=⋅⋅= /034.0

400093.499159.3032233 5

5

En la bibliografía se recomienda que la carga másica sea inferior a

d KgSST KgDBO

⋅507.0 , para procesos de oxidación total a temperaturas inferiores de

20ºC. En este caso, el valor del parámetro calculado indica que el decantador secundario notendrá problemas de sedimentación de fangos.

f) Calidad del agua del decantador secundario

Para calcular la calidad del efluente obtenida tras el tratamiento biológico hay que tener encuenta que se considera la parte soluble que sale con el agua y también lo que aportan lossólidos que pueden escapar del decantador secundario.

Los sólidos suspendidos en el efluente (SSEFL) deben tener una concentración menor de30 mgSS/l. Teniendo en cuenta que se va a someter al agua a un proceso de desinfecciónultravioleta, se tomará un valor de 20 mgSS/l, con lo que cumpliremos los requisitos de vertidoy mejoraremos la efectividad de la desinfección, a la que le afecta en gran medida la presenciade sólidos suspendidos.

Para hallar los sólidos totales, en forma de DQO:

También podemos calcular la cantidad de XS y XI que tendrá el agua de salida del decantadorsecundario, con las siguientes expresiones:

SSTF

H A EFL EFLS

X Q

X Q X QSS X

∆

∆+∆⋅=, EFLS

SSTF

T EFL EFL I X

X Q

X QSS X ,, −

∆

∆⋅=



20

Q X Q P Sp T ∆⋅−= 017,00

( ) ( ) f S X DBOS EFLS S T ⋅+=5

C A

H H

H

O O X S K

S

Ya

mAS S θ

µ ⋅⋅

+⋅+= −

SSTF

EFLT X Q

X QSS Sp P

∆

⋅∆

⋅+=

017,0

)( 4, PO P P T EFLT S S S P P −+−=

Ahora se muestran la ecuación correspondiente a la cantidad de materia orgánicabiodegradable en el efluente, en forma de DBO5:

Las ecuaciones de cálculo de la cantidad de nutrientes, son las siguientes:

La primera para la cantidad de nitrógeno total sin considerar los nutrientes que sueltan almedio las bacterias autótrofas y heterótrofas en su “Debris”. La segunda corresponde a lacantidad de nitratos producidos por la oxidación del NKT.

Para el fósforo sin tener en cuenta la precipitación química del mismo, las concentraciones seajustan a las siguientes expresiones:

La precipitación del fósforo hace que en el efluente exista la concentración resultante de lasiguiente ecuación:

El SPO4 es la cantidad de fósforo que vamos a eliminar por precipitación, definido en elapartado correspondiente.

Otros parámetros que hemos definido son la cantidad de sólidos volátiles y no volátiles a lasalida del decantador, con las fórmulas siguientes:

SSTF

SSV EFLSSV

X Q

X QSS X

∆

∆⋅= SSV EFLSSV X SS X −=

Para calcular los sólidos biodegradables y no biodegradables se opera de igual manera.

Los resultados de la calidad del agua del decantador secundario, son los que se muestran acontinuación:

ST (mgDQO/l) 83.59

ST (mgDBO5/l) 2.86

NKT (mgN/l) 0.79

SNO (mgN/l) 39.54

SP (mgP/l) 9.53

PT (mgP/l) 9.61

SP con precipitación(mgP/l) 1

PT con precipitación(mgP/l) 1.08

087.0⋅∆

∆+∆⋅+=

SSTF

A H EFL H

Q

X Q X QSS S KT



21

Se ha comprobado que estos valores cumplan con los requisitos de vertido marcados en elenunciado del ejercicio, como se puede comprobar en la siguiente tabla:

REQUISITOS DE VERTIDOVALOR

OBTENIDO

DBO5 (mgDBO/l) 25 2.86DQO (mgDQO/l) 125 83.59

SS (mgSS/l) 30 20.00

NKT (mgN/l) 4.5 0.79

PTOTAL (mgP/l) 2 1.08

Relación de recirculación

La recirculación de fangos procedentes del decantador secundario, que aplicaremos paramantener los sólidos en el reactor, se calcula a partir de la siguiente relación:

SST SSTr

SST

C X X

X r

−⋅

−=θ

θ 1

Para ello es necesario conocer la concentración del fango en el fondo del decantador (XSSTr).Como no disponemos de información para calcularlo, se estima que la concentración es de7000 mg/l (Valor típico).

El caudal de purga lo determinaremos en el apartado de tratamiento de fango. Los resultadosson los siguientes:

RECIRCULACIÓN

r 0.85

La bibliografía recomienda que el valor de “r” se encuentre entre 0.75-1.5, para oxidacióntotal, por lo que se cumple la condición.

g) Consumo de oxígeno

Las bacterias consumen oxígeno para poder desarrollarse, por tanto es importante calcular las

necesidades que van a tener, tanto en condiciones medias como en las puntas.

Condiciones medias

Para las bacterias heterótrofas, el oxígeno que consumen es la resta entre lo que necesitan lasbacterias para oxidar la materia orgánica y la que no es oxidada para obtener energía, sino quese incorpora al crecimiento de las células y pasa al fango. Las determinamos en base a losparámetros ya definidos anteriormente y según la ecuación que se muestra a continuación:

( ) ( ) HI H S ToMEDIO H X Q X QS S QMO ∆+∆−−=



22

Para las bacterias autótrofas se debe aplicar un factor que determina la oxidación delnitrógeno por el oxígeno “4.57” y multiplicarlo por el balance de entradas y salidas, de loscompuestos de nitrógeno, del reactor biológico. A demás se añade un término que representala fracción de nitrógeno consumido por las bacterias autótrofas y heterótrofas y que esincluido en su crecimiento “0.087·QΛX/QMEDIO”.

( ) AI A

MEDIO

H T MEDIO A X Q X QQ

X QS H QMO ∆+∆−

∆⋅−−⋅= 087.057.4 0

A H T MOMOMO +=

CONDICIONES MEDIAS

MOHmed (gO2/d) 635965.30

MOAmed(gO2/d) 393024.06

MOT(gO2/d) 1028989.35

Condiciones punta

Debemos calcular los parámetros punta así como la producción de biomasa en estascondiciones, para determinar las necesidades de oxígeno. Se supone que las condicionespuntas son momentáneas, con lo que no modifican la concentración de microorganismos ni ladebris.

Primero se hallan las entradas de materia orgánica y nutrientes, así como el tiempo deresidencia punta.

f S S ToToPTA ⋅= f KT KT ToToPTA ⋅= PTA

PTAQV

=θ


QPUNTA (m³/d) 4011.36

fPTA 1.80

El valor de SSPTA lo hemos hallado resolviendo la siguiente ecuación de segundo grado:

0)( ,,

2

, =⋅−⋅⋅+−⋅+ S ToPTA PTA H PTATO PTAS PTAS K S X Yh

mH S KsS S θ

µ

Dicha ecuación es el resultado de despejar la incógnita “SSPTA” en el balance de sustrato parala materia orgánica, que tiene la siguiente forma:

PTA H

PTAS S

PTAS

H

mH PTAS PTAT X

S K

S

Y S S θ

µ ⋅⋅

+⋅=−

,

,

,,0

SToPTA(mgDQO/d) 698.32

NKToPTA(mgN/d) 88.76

PTA (d) 1.24



23

AI HI HPTA PTA APTA X Q X Q X Q X Q X Q∆−∆−∆−∆=∆

De manera que resolvemos la siguiente ecuación:

A·x²+Bx+C=0 Siendo “x=Sspta”

Los valores obtenidos serán:

A 1 B 2045.51 C -6983.25

SSPTA(mgDQO/d) 3.41

Producción de biomasa

Ya podemos hallar la producción de biomasa de las bacterias heterótrofas:

Solo nos falta determinar el SNHPTA, así como las producciones de biomasa de las autótrofas ylas totales. Para resolver las incógnitas se ha estimado un valor inicial de SNHPTA=2 mgN/l,luego se ha calculado el valor de producción de biomasa total, con las ecuaciones que semuestran:

Ahora calculamos la producción de las bacterias autótrofas:

El último paso es calcular de nuevo la SNHPTA despejándola de la ecuación de producción debiomasa autótrofa:

A A

PTA

PTA HPTAToPTA A PTA APTA X V b

Q

X QS KT Y Q X Q ⋅⋅−

∆⋅−−⋅=∆ 087.0

Despejando tenemos:

A PTA

PTA

PTA A PTAToPTA A PTA A A APTA

HPTAY Q

Q X QY Q KT Y Q X V b X Q

S ⋅

∆⋅⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−∆−

=

087.0

( )

087.0

)( A HPTAmA HPTA H A HPTAToPTA PTA PTA

X V S S K Y S KT Q X Q

⋅⋅⋅−+⋅⋅−⋅=∆

µ

H H PTAS PTATO H PTA PTA H X V bS S Y Q X Q ⋅⋅−−⋅⋅=∆ )( ,,,



24

Por último debemos recalcularlo todo, lo que haremos será resolver en la hoja Exel aplicandola herramienta “buscar objetivo” a una casilla que corresponde a la suma de las dos SNHPTA, laestimada y la hallada mediante la última fórmula, se establece que el error entre los dosvalores sea cero.

SNHPTA(mgN/d) 2.26 Q XPTA(gDQO/d) 1464863.78

El resultado nos indica que la primera estimación fue buena. Ahora si podemos calcular lasnecesidades de oxígeno del reactor en condiciones extremas de funcionamiento.

Necesidades de oxígeno

( ) ( ) HI HPTASPTAToPTA PTA HPTA X Q X QS S QMO ∆+∆−−=

( ) AI APTA

PTA

PTA HPTAToPTA PTA APTA X Q X Q

Q

X QS H QMO ∆+∆−

∆⋅−−⋅= 087.057.4

APTA HPTATPTA MOMOMO +=

Los resultados obtenidos son los siguientes:

MOHPTA(gO2/d) 1404537.09

MOAPTA(gO2/d) 921472.44

MOTPTA(gO2/d) 2326009.52



25

8. SISTEMA DE AIREACIÓN DEL REACTOR Y DEL DESARENADOR

Una vez definidas las necesidades de oxígeno del reactor podemos diseñar el sistema deaireación que suministrará el aire necesario para el correcto funcionamiento.

La aireación es un proceso físico por el que se pretende aportar el oxígeno necesario para elcrecimiento de las bacterias y conseguir la turbulencia adecuada para la mezcla total de loscomponentes en el reactor.

a) Parámetros de diseño

El coeficiente “F”, se utiliza para relacionar la capacidad de oxigenación en condicionesstandard (COS) con la capacidad real en otras condiciones (COR). Se define segúa la expresión:

( ) ( )

( ) V C K

V C C K

COS

COR F

S LA

S T LA

⋅⋅

⋅⋅⋅⋅⋅==

º20

α β

Donde,- V=Volumen del reactor.- OD=Necesidades de oxígeno del tanque, calculadas en el apartado anterior.

- = β 0.97

- =T LA K )( Ecuación de Arrhenius

- =α 0.7 Depende del tipo de aireador

- 77.10=S C Suponiendo la EDAR a nivel del mar.

Las condiciones de oxígeno que queremos mantener en el reactor son las siguientes,

l mgOC MEDIAS /0.2 2= l mgOC PUTA /0.1 2=

Se puede simplificar el calculo del parámetro F en condiciones medias y puntas, de la siguienteforma:

( ) ( )602.0

08.9

7.00.177.1097.0024.1 2012

=⋅−⋅

⋅=−

PTA F

( ) ( )539.0

08.9

7.00.277.1097.0024.1 2012

=⋅−⋅

⋅=−

MEDIAS F

El COS lo fijamos en 9.08 ya que se trata de condiciones estandar, a 20ºC.



26

b) Diseño de difusores

He elegido los difusores de la casa SIDERPOL S.p.A. En el catálogo viene definido el caudal máx.de trabajo del difusor y el número de discos que puede haber por metro cuadrado. En la figura15 de dicho catálogo obtenemos los siguientes valores:

2/1 mdif d MI =l 2/6 mdif d MAX =l h mQMAX /5.6 3=

Para alargar la vida útil del difusor, no se recomienda trabajar al 100% de su capacidad, con locual tomaremos el caudal máximo de funcionamiento, como el 80% de su capacidad, portanto:

h mQMAX /58.05.6 3=⋅=

c) Oxígeno aportado por los difusores

La aportación de oxígeno la calculamos con la siguiente relación:

120523.003

2⋅⋅⋅⋅=

⋅d d Qhhm

grOl

ε

Donde,

- =h0ε Relación entre la eficacia de los difusores en función del calado

del reactor biológico.

- =d l Densidad de difusores (dif/m²).

- =d Q Caudal unitario (m³/h·dif)

- =23.0 Porcentaje de peso de oxígeno en el aire.- =1205 Densidad del aire en condiciones standard (g/m³).

Para densidad de difusores mínima ( 1=d l )

120523.05103

2⋅⋅⋅⋅=

⋅ MI hhm

grO ε

Al no conocer el calado que va a tener el reactor, debemos sacar una media para el valor de larelación entre la eficacia y el calado. Los valores fueron sacados de la “figura 15” del libro de“Tratamientos Físico-Químicos de AR”.

(0516.0

3

105

8.254

1.213

1.15 2

0 =

⋅++

=

−

MI hε

Para densidad de difusores máxima( 6=d l )

120523.05603

2⋅⋅⋅⋅=

⋅ MAX hhm

grO ε



27

Se opera de igual forma para la relación con la densidad máxima de difusores obteniendo elsiguiente resultado:

0581.00 =MAX h

ε

Finalmente, los valores de las capacidades máximas y mínimas de los difusores elegidos son:

(grO2/m³h)MIN 71.45 (grO2/m³h)MAX 483.07

d) Necesidades del tanque

En este apartado, comprobaremos si nos sirven los difusores estudiados, calculando lasnecesidades de oxígeno que tiene el tanque. Se utilizarán las necesidades en condiciones

punta que calculamos en el último apartado del reactor biológico además de el factor punta“Fpta”, para pasarlo a condiciones standard.

Los valores obtenidos para las necesidades del reactor, expresadas en Kg/h, son:

MOT(KgO2/h) 43

MOTPTA(KgO2/h) 97

hm grO F V

MO

PTA

TPTA⋅=

⋅

⋅=

⋅

3

2 /23.32602.093.4991

100097

El resultado es menor que la mínima aportación de los difusores estudiados por tanto,tomamos como valor óptimo el mínimo que nos ofrecen los difusores.

45.713

2=

⋅hm

grO

Una vez definida la cantidad de aire se determina la densidad de difusores necesarios paragarantizar el suministro.

La relación entre la eficacia de transferencia y el calado depende linealmente de la densidadde difusores, con lo que podemos definir una ecuación para obtener dicha densidad.

bd ah +⋅= l0ε

Donde:

MI MAX d d hha

ll −

−

=

minmax 00 ε ε

00131.016

0516.00581.0=

−

−=a

MI d ahb l⋅⋅= min0ε 0503.0100181.00516.0 =⋅⋅=b



28

Ahora sustituimos el valor de la ecuación lineal resultante en la ecuación de la cantidad deoxígeno que transfieren los difusores:

( ) 120523.050503.000131.045.713

2⋅⋅⋅⋅+⋅==

⋅d d

hm

grOll

La ecuación resultante será:

045.71703.69812.12

=−⋅+ d d ll

El siguiente paso es resolver la ecuación de segundo grado, obteniendo así la densidad dedifusores que debemos aplicar.

El único valor que se puede utilizar es el siguiente:

d (dif/m²) 1

Ahora podemos hallar las dimensiones que tendrá el reactor biológico. Utilizamos el gráfico Cde la “Figura 17” del libro de “Trat. Fis-Qui. A.R.” para determinar el calado del tanque enfunción del volumen del mismo.

Con los 4991.93 m³ de volumen hallados para el reactor, obtenemos que debemos tener uncalado de 4.5 metros, como el gráfico es para aireadores superficiales, tenemos que sumarle0.5 metros al calado hallado gráficamente. También es posible hallar la superficie que tendrá elreactor. Los resultados son los siguientes:

mh 55.05.4 =+= 239.9985

93.4991m

h

V S ===

La cantidad de difusores será su densidad por la superficie del tanque, con lo que:

Nº Difusores 999

Esta no es la cantidad definitiva porque todavía quedan por diseñar las soplantes, en todo casose podrán colocar difusores de más, nunca de menos a los calculados en este apartado.

e) Diseño de las soplantes

Lo primero es hallar las presiones que tendrá la tubería en superficie y en el fondo del tanque,para saber la diferencia de presiones que debe salvar la soplante. Para ello, se deben hallar laspérdidas de carga que sufre la tubería y todos los accesorios que van asociados a ella, en lascondiciones más desfavorables de funcionamiento. Los cálculos son los siguientes,

...33.10 acm P SUP = Por estar la depuradora a nivel de mar.

FILTROVÄLVULAS DIFUSORTUBERÏA ESTÄTICASUP FODO hhhhh P P ∆+∆+∆+∆+∆+=

La pérdida estática corresponde con la suma del calado del reactor más 10 cm. de resguardo:

mhh ESTÄTICA 1.51.051.0 =+=+=∆



29

Las siguientes pérdidas están tabuladas y corresponden a las condiciones más desfavorablesde funcionamiento:

acmhTUBERÏA ..15.0=∆ acmhVÄLVULAS ..2.0=∆ acmh FILTRO ..4.0=∆

La pérdida del difusor, corresponde con la del modelo de difusor que elegimos. En el catálogoaparece referenciada. El modelo elegido tiene una abertura de 7 mm. Y el valor de la pérdidalo determinamos mediante la Figura 16 del libro TFQAR :

acmh DIFUSOR ..46.0=∆

Por tanto, la presión de fondo será:

acm P FODO ..64.164.02.046.015.01.533.10 =+++++=

La diferencia de presiones es la resta de la de fondo menos la superficial.

acm P P P SUP FODO ..31.533.1064.16 =−=−=∆

milibares P 63.6182.10

100081.5 =⋅=∆

El caudal que debe suministrar la soplante es función del número de difusores por el caudalque suministra cada uno.

( ) ( ) min/25.83/4995/5999333

mh mdif h mdif QT ==⋅⋅=

Ahora se selecciona el modelo de soplante que vamos a instalar por medio del ábaco queproporciona el fabricante, en el que se sugiere un modelo en función de la variación de presión(ΛP) en milibares y el caudal total que aporta la soplante (Qt), en metros cúbicos por minuto.El modelo que nos ofrece el ábaco del fabricante es el modelo RNB/RN 27.2 del “grupo LIGP”con las siguientes características:

• milibares P 700=∆

• min/1500. vueltasmotor Vel =

• min/3.90 3mQT =

• Kw P 138=

Con las características del modelo elegido podemos calcular el caudal de aire que aporta lasoplante (W):

sg Kg sg gr kg Densidad QW T /81.1

60min1

10001

12053.90 =

⋅

⋅⋅=⋅=



30

f) Consumo energético

Determinamos el caudal de diseño mediante la expresión que se muestra a continuación,teniendo en cuenta el caudal de aire que nos ofrece la soplante seleccionada.

Densidad Difusores QW MAX ⋅⋅= º

sg Kg W /51.0120599960/3.90 =⋅⋅=

Recalculamos las pérdidas de carga del difusor, otra vez mediante la Figura 16, del libro TFQAR,suponiendo una abertura del orificio de 7 mm.

acmh DIFUSOR ..5.0=∆

acm P FODO ..68.164.02.05.015.01.533.10 =+++++=

Ya se puede calcular la potencia que necesita la soplante y el consumo medio de operaciónque tendrá.

7457.0175

1⋅

−

⋅⋅

⋅⋅=

n

SUP

FODO

P

P

n

T RW P

l

Donde n y R son constantes, T1 es la temperatura a la entrada de la soplante y e, es la eficaciadel conjunto motor-soplante.

Kw P 47.317457.0133.10

68.16

7.0283.075

29327.2951.0283.0

=⋅

−

⋅⋅

⋅⋅=

día Kwhd

h P medioConsumo /7552417.32

1

24=⋅=⋅=



31

g) Diseño de las tuberías de aireación

Para el diseño de las tuberías se ha utilizado la relación de diámetros y velocidades de paso deun determinado fabricante con los siguientes valores:

Ø (mm)VMAXPASO

(m/sg)

25 6

75 8

100 9

250 13

300 14

400 15

600 18

1000 20

1500 38

Para la tubería donde van enganchados los difusores se ha optado que sea mm100=φ . Una

vez fijado este valor ya podemos hallar el número definitivo de líneas y de difusores quetendrá el reactor.

( )89.50

360015

1.04

9º2

,=

⋅⋅

=⋅

==

sg hQ

SecciónV

Q

Q Línea

Difusores

UITARIO

MAXpaso

UITARIO

TUBMAX π

líneas Difusor Líneas Difusores Líneas 2064.19

89.501999ºº ≈=⋅=⋅=

difusoreslineas

dif Difusores 5097.49

20

999º ≈==

difusores Difusores 10002050º =⋅=

Ya podemos determinar los diámetros de las tuberías que aportan el aire al reactor biológico,como solo disponemos de un tanque tendremos una tubería que va desde la soplante hasta el

tanque y otra que engancha con la tubería de 100 mm, antes calculada.

⋅= sg hQ Difusores Q MAX TUBERÏA 3600

1º Sección

QV TUBERÏA PASO =

Hay que elegir el diámetro con el cual se consigue una velocidad de paso lo inferior a laexpresada en la relación de diámetros que se presentó al principio de este apartado. Losresultados obtenidos para cada tubería son los siguientes:

Tubería que lleva el aire al tanque

Q DISEÑO (m³/sg) 1.39 VMAXPASO (m/sg) 11.05

Ø (m) 0.4



32

Tubería que engancha con la 100 mm.

Q DISEÑO (m³/sg) 0.69 VMAXPASO (m/sg) 9.82

Ø (m) 0.3

h) Diseño del sistema de aireación del desarenador aireado

Ya sabemos las necesidades de aire que necesita el desarenador para el correctofuncionamiento.

Qaire (Nm³/h) 108

Se han elegido los mismos difusores que los utilizados para el reactor biológico, con lo cualposeen las mismas características. El número de difusores lo calculamos según la siguientefórmula:

DIFUSOR

AIRE

Q

Q Dfusores =º

Qdifusor (Nm³/h) 5 Nº Difusores 22

Ahora diseñamos la soplante siguiendo la misma secuencia de cálculo que la realizada para elreactor biológico. Los resultados para las presiones de fondo y las pérdidas asociadas a ella,son los que se muestran a continuación:

ΛhVÁLVULAS (m.c.a) 0.2

ΛhFILTRO (m.c.a) 0.4

ΛhESTÁTICA (m.c.a) 2.1

ΛhDIFUSOR (m.c.a) 0.46

ΛhTUBERÍA (m.c.a) 0.15

PATMOSFERICA (m.c.a) 10.33

PFONDO (m.c.a) 13.64

ΛP (mbar) 324.51

Qaire (Nm³/min) 2

Ya podemos elegir el modelo de soplante por medio del ábaco del fabricante elegido para elreactor, utilizando los valores del caudal de aire y la variación de la presión. El modelo quecumple las condiciones de caudal y de presión es el siguiente:

• milibares P 400=∆

• min/3000. vueltasmotor Vel =

• min/32.2 3mQT =

• Kw P 138=



33

9. DECANTADOR SECUNDARIO

El proceso físico de decantación secundaria tiene la función de separar los fangos del agua queproviene del reactor biológico, por sedimentación. Los fangos quedarán en la parte inferior deldepósito y el agua clarificada pasará por superficie a la desinfección por luz ultravioleta.

a) Diseño

Para diseñar el decantador se incluye el criterio de carga de sólidos (Csol), debido a que lasedimentación que predomina es la zonal. Además hay que tener en cuenta la carga desuperficial, al igual que en el desarenador aireado.

Se han escogido los valores típicos para oxidación total que, según la bibliografía, proporcionanuna concentración de SS por debajo de los 30 mg/l., en el efluente del decantador secundario.Los valores son los siguientes,

Cs (m³/m²·h) 0.5

CsPTA(m³/m²·h) 0.917

Csol (kg/m²·h) 1.8

CsolPTA (kg/m²·h) 3.2

Hay que tener en cuenta los valores ya calculados que se muestran:

XSST (Kg/m³) 4

SSEFL(mgSS/l) 20

Ahora podemos hallar las áreas asociadas a las cargas en las diferentes condiciones defuncionamiento. Las expresiones y los resultados obtenidos son:

S

S C

Q A

A

QC =⇒=

sol

SST SST sol

C

X Q A

A

X QC

=⇒=

Para la carga superficial:

A,QMEDIO(m²) 186.08

AQPTA(m²) 182.33

Para la carga de sólidos:

Asol,MEDIO(m²) 206.76

Asol,PTA(m²) 208.93

Ahora se elige como área mínima que tiene que tener el decantador, la máxima calculadaanteriormente. Por tanto:

AMIN(m²) 208.93



34

Se ha optado por colocar dos decantadores para asegurar el funcionamiento de la planta encaso de que halla algún problema en uno de los decantadores, ya que se dispone de otro pararealizar la decantación de los fangos. Cada decantador tendrá la mitad del área mínimarequerida.

246.1042

93.208º

mn

A A ES DECATADOR

MIIMAUITARIA ===

m AUITARIA

UITARIO 5.1146.10444

=⋅

=⋅

=π π

φ

Ahora calculamos el calado, según la recomendación que propone la EPA, es posible buscar elvalor del calado que asegure la máxima economía en la instalación del decantador, según unaserie de valores predefinidos. En este caso, el diámetro de cada de decantador es de 11.5metros con lo que, el calado corresponde con el mínimo requerido. Una vez determinada la

altura, podemos calcular el volumen del que dispondrá el decantador. Los valores son:

H(m) 3

V (m³) 313.39

El siguiente paso el la comprobación de la carga sobre vertedero (CSV). Si supera los valoreslímite impuestos, se corre el riesgo de arrastrar sólidos en el efluente. La carga es función delcaudal, en este caso de divide entre dos para tener en cuenta las dos unidades de las quedisponemos, y de la longitud del vertedero, que coincide con el diámetro.

Vertederosn L

QC SV

º

2/

⋅= π φ ⋅= L

CsV,MEDIA 1.28 <12

CsV,PTA 2.31 <20

Cumple con los requisitos de funcionamiento, por lo que en principio no habrá problemas dearrastre de sólidos con el efluente.

El siguiente valor a comprobar el tiempo de residencia hidráulico, que en caso de no cumplir,supondría correr el riesgo de tener problemas de flotación de fangos provocados por procesosde desnitrificación de los fangos.

MEDIO(h) 3.37 3 <θ < 5

PUNTA(h) 1.88 1 <θ < 5

Los resultados indican que el tiempo de residencia cumple con los requisitos marcados, con loque solo falta volver a determinar la carga superficial y la carga de sólidos para sucomprobación.

Para la carga superficial:

Cs (m³/m²·h) 0.45 0.33 < Cs < 0.66

CsPTA(m³/m²·h) 0.8 0.91 < Cs < 1.33



35

Para la carga de sólidos:

Csol (kg/m²·h) 1.78 1 < Csol < 3

CsolPTA (kg/m²·h) 3.20 Csol < 7

En el caso de carga superficial en condiciones punta, se corre el riesgo de no cumplir losrequisitos de 20 mgSS/l, en el agua del salida del decantador secundario. Todos los demásparámetros se acercan mucho al valor óptimo para la eliminación de SS del efluente.



36

TRATAMIENTO TERCIARIO

10. DESINFECCIÓN POR LUZ ULTRAVIOLETA

La desinfección del efluente tiene como objetivo principal la eliminación de los patógenos en elagua, en particular bacterias y virus, que no hallan sido eliminados por prelación, adsorción osedimentación en las etapas anteriores. La utilización de luz ultravioleta tiene un granrendimiento frente a los virus y es importante que el agua tenga el menor número de sólidossuspendidos, que sirven de protección a los patógenos, disminuyendo la eficacia del proceso.Se trata del último proceso al que se somete al agua de entrada a la depuradora.

La desinfección por luz ultravioleta es un proceso físico basado en la transferencia de energíaelectromagnética desde una lámpara hasta el material celular de un organismo. Es un procesomuy económico frente a otros como la cloración o la ozonización.

a)

Diseño

Las dosis de radiación necesaria depende de la cantidad de sólidos suspendidos que tenga elagua del efluente. Buscando la máxima eficacia y el menos coste de operación, se fijó SS=20mgSS/l.

Se ha optado por elegir el sistema de luz utravioleta, de la marca “Trojan Bank”, cuyascaracterísticas las estimamos en función de la transmitancia, que en aguas residuales se sueleutilizar el valor de 55% y en función de los sólidos suspendidos del efluente.

Transmitancia UV(%) 55

Intensidad (μW/cm²)Año 3000Dosis(μW·sg/cm²) 28000

En principio, necesitamos obtener el valor del caudal punta en l/sg, para poder trabajar con losdatos del catálogo. Además se muestran algunas características de las lámparas que vamos ainstalar.

Separac.entre barras(") 3

Ø (") 0.9

QPUNTA (l/sg) 46.43

Ahora fijamos el modelo necesario utilizando el catálogo del fabricante, a partir de losrequisitos que impone el caudal punta:

Modelo UVM 4-64

QDISEÑO (l/sg) 65 LTOTAL(") 64

Lamp/bastidor 4 LARCO(") 58

El tiempo teórico de residencia hidráulico se obtiene de la siguiente manera:

sg ensidad

requerida Dosis H 33.93000

28000

int ===θ Ahora calculamos el volumen teórico que debe tener el canal de paso del agua:



37

33

43.01000

133.43333.943.46 ml

ml QV H PTACAAL ==⋅== θ

El siguiente paso es determinar el número de lámparas que se necesitan, hallando primero el

volumen neto por lámpara:

VlámparalámparaVtotal lámparaVneto −=

ARCO LAMPARA ARCO L L separaciónlámparaVneto 4

22 φ π ⋅−=

lamp pul lámparaVneto /10,485589,04

583 322=⋅⋅−⋅=

π

lamp pul L separaciónlámparaVtotal ARCO /522 32=⋅=

lamp pul VnetoVtotal Vlámpara /9.361.485522 3=−=−=

Una vez definidos los volúmenes podemos saber el número de lámparas, con la siguienteexpresión:

Ahora determinamos el número de módulos que colocaremos en el canal.

módulos

módulo Lamp

lámparas Modulos 1475.13

4

55

/

ºº ≈===

Se debe modificar el nº de lámparas en función a la cantidad de módulos que debemoscolocar:

lámparasmódulo LampMódulos lámparas 56414/ºº =⋅=⋅=

Finalmente, se deben recalcular los parámetros teóricos calculados anteriormente, teniendoen cuenta que los valores de diseño sean superiores a los teóricos:

35

45.05610639,11,485º mlámparas lámparaVnetoV CAAL=⋅⋅=⋅=

−

sg Q

V

PTA

CAAL H 59.9

1000/43.46

45.0===θ

La dosis real será:

2/23.28770300059.9 cm sg W Intensidad real Dosis H ⋅=⋅=⋅= µ θ

Solo falta determinar las dimensiones del canal por donde pasará la lámina de agua que sesometerá a la desinfección.

lámparasraVnetolámpa

V lámparas reactor 555.54

10639,11,485

43,0º

5≈=

⋅==

−



38

metros

cm

separaciónmódulos Ancho 05.1100

5,2

37º =⋅⋅=⋅=

metroscm

módulos separaciónlamplongitud grupos o L 45.325,0100

5,2642ºarg =+⋅⋅=+⋅=

345.305.13.0arg mo L AnchoCaladoV CAAL =⋅⋅=⋅⋅=

metroscm

Separaciónbastidor LámparasCalado 3.0100

5.234/ =

⋅⋅=⋅=



39

TRATAMIENTO DE FANGOS

11. CARACTERIZACIÓN DEL FANGO

Hay que tener en cuenta que el fango a tratar es el mismo que se recircula al reactor biológico.Anteriormente se estimó la concentración de sólidos del fango en el fondo del decantador:

l SST mg X SSTr /7000 −=

El caudal de purga se halla de la siguiente manera,

d m X

X QQ

SST

SSTF PURGA /63.142

7000

86.998386 3==

∆=

Los valores de los componentes solubles ( S S , I S , H S ) coinciden con los calculados en elapartado del reactor, para la calidad del agua del decantador secundario.

En cuanto a los componentes particulados, tanto para la materia orgánica como para losnutrientes, se ha supuesto que sufren una hidrólisis total en el reactor, con lo cual suconcentración es despreciable.

Ahora calculamos el resto de parámetros particulados y suspendidos, según las ecuaciones quese muestran,

P

AI HI I MED

I Q

X Q X Q X Q

X

∆+∆+⋅=

0

P

H HP

Q

X Q X

∆=

P

A AP

Q

X Q X

∆=

P

SST SSTP

Q

X Q X

∆=

P

SSV SSVP

Q

X Q X

∆=

P

SSVoSSVP

Q

X Q X

⋅= SSV SSV SSTP X X X +=

( )

P

AI HI SSVBOMEDIO

SSVBQ

X Q X Q X Q X

42,1∆+∆+⋅

=



40

Los resultados de la caracterización del fango son los siguientes,

CARACTERIZACIÓN DEL FANGO

XSSTS (g/m³) 7000

QP(m³/d) 142.63SSF (mgDQO/l) 0.86

XSF (mgDQO/l) 0.00

SIF (mgDQO/l) 70.15

XIF (mgDQO/l) 531.50

SNHF (mgN/l) 0.50

XNHF (mgN/l) 0.00

SPF (mgP/l) 1.08

XPF (mgP/l) 0.00

SNOF (mgN/l) 39.54

XHF (mgDQO/l) 1106.30XAF (mgDQO/l) 64.80

XSSTF (mgSST/l) 7000.00

XSSVF (mgSSV/l) 2533.39

XSSNVF (mgSSNV/l) 1345.39

XSSVNBF (mgSSVNB/l) 1920.08

Ahora se debe comprobar que el fango realmente esta estabilizado, para ello tiene quecumplir los siguientes requisitos,

ESTABILIZACIÓN DEL FANGO

%SSV 36.19 CUMPLE <60%

%SSVNB/SSV 75.79 CUMPLE >65%

Eliminación SSV 51.45 CUMPLE >40%

Se puede observar que se cumplen los requisitos establecidos con lo que podemos asegurarque el fango que sale del reactor biológico está completamente estabilizado más aún,teniendo en cuenta que estos cálculos no tienen en cuenta la estabilización que sufre el fangoen el fondo del decantador secundario y en el espesador, hecho que mejora los porcentajes deestabilización de los lodos.



41

12. ESPESADOR DE FANGOS

Hay que recordar que al trabajar en oxidación total, la cantidad de fango que sale del reactores baja y altamente tratado, por tanto digerido, con lo que nos ahorramos el tener que diseñaruna digestión, ya sea aerobia o anaerobia, con lo que simplificamos mucho la explotación de la

planta.

a) Diseño

Los fangos que salen del decantador secundario se deben espesar antes de someterlos adeshidratación. Se ha optado por colocar un espesador por gravedad cuyo objetivo esconcentrar el fango, reduciendo de esta manera el volumen a tratar.

La forma de diseñar el espesador es similar a la que se utilizó para el decantador secundario,pero esta vez solo utilizaremos el caudal de purga de fangos y las cargas ,superficial y desólidos, para la determinación del área mínima necesaria.

A

QC F

S = S

F

C

Q A =

A

X QC SST F

sol

=

sol

SST F

C

X Q A

=

Para el diseño se deben cumplir los siguientes requisitos:

hmmC S ⋅≤23

/45.0 d m Kg C SOL ⋅≤2/35 hh 2412 ≤≤ θ

mhm 45.2 ≤≤

As(m²) 13.21 Asol(m²) 28.53

Elegimos como área de diseño la calculada para la carga de sólidos.

El resto de parámetros son los siguientes:

Ø(m) 6.03 h(m) 3

(h) 14.4

El tiempo de retención del fango y el calado, cumplen con los requisitos establecidos. Ahoradebemos comprobar cual es la carga de sólidos y la superficial.

Cs (m³/m²·h) 0.208 Csol (Kg/m²·d) 35

Se puede observar que las cargas cumplen con lo estipulado, de manera que concluye eldiseño del espesador, considerando que solo se colocará una unidad.



42

b) Caracterización del sobrenadante

La corriente de fangos que sale del espesador se divide en dos, una parte pasa a ladeshidratación y la otra se recircula a cabecera de planta (Sobrenadante). Para determinar loscaudales de cada corriente se hay que realizar un balance de entrada y salida de sólidos al

espesador. Se asume que la cantidad de sólidos totales que van con el sobrenadante esdespreciable, debido que dichos sólidos son menores que los entran en el influente. Para laconcentración de sólidos que hay en el espesador, escogemos un valor típico para este tipo desistemas (Xsstd=25000 mgSST/l).

El balance del cual obtendremos los valores de los caudales será el siguiente,

SSTD DSSTS S SSTF F X Q X Q X Q += S D F QQQ +=

Los valores obtenidos para cada corriente, se muestran a continuación:

QF(m³/d) 142.6 QD (m³/d ) 39.9 QS(m³/d) 102.7XSSTF (mgSST/l) 7000 XSSTD (mgSST/l) 25000 XSSTS (mgSST/l) 0

Las características del sobrenadante, en base a las suposiciones realizadas, corresponde conlas características de los componentes solubles con los que sale el fango del decantadorsecundario:

CARACTERIZACIÓN DEL SOBRENADANTE

XSSTS (mgSST/l) 0

QS(m³/d) 102.69

SSS (mgDQO/l) 0.86XSS (mgDQO/l) 0

SIS (mgDQO/l) 70.15

XIS (mgDQO/l) 0

SNHS (mgN/l) 0.50

XNHS (mgN/l) 0

SPS (mgP/l) 1.08

XPS (mgP/l) 0

SNOS(mgN/l) 39.54

XHS (mgDQO/l) 0

XAS (mgDQO/l) 0XSSVS (mgSSV/l) 0

XSSNVS(mgSSNV/l) 0

XSSVNBS (mgSSVNB/l) 0

Es necesario saber como afectan estas concentraciones solubles a la caracterización del aguade entrada, con lo que debemos recalcular los valores de los componentes.A priori, debido a que el caudal de entrada es mucho mayor al del sobrenadante, lasconcentraciones no variarán en gran medida.



43

Se han calculado los componentes según la siguiente relación:

S Q

QS S

MED

S ⋅+= 01

Donde S1 es el componente con el sobrenadante aplicado, So es la concentración de entrada yS la del sobrenadante.


SI1 (mg/l) 74.63

SS1 (mg/l) 124.15

SNH1 (mg/l) 34.59

SP1 (mg/l) 7.61

Se aprecia que en el caso de la materia orgánica inerte y soluble, los valores aumentan, perosolo en pequeña medida. En cuanto a los nutrientes, la modificación es despreciable.

Después del estudio de variabilidad de los componentes podemos aceptar los valoresobtenidos para el diseño de la depuradora, a pesar de la recirculación del sobrenadante. Otraopción es juntar el sobrenadante con el efluente, debido a que las características cumplen conlos requisitos de vertido.



44

13. DESHIDRATACIÓN DE FANGOS

Hemos optado por realizar una deshidratación física de fangos por bombas centrifugas.

a) Diseño

En procesos de oxidación total se establecen los siguientes criterios:

Capacidad (kgMS/h) 200-300

Polielectrolitro (gr/KgMS) 3-6

Sequedad (%) 14-22

Para la capacidad y la sequedad se escogen los valores intermedios, en el caso delpolielectrolitro se a supuesto el mínimo considerado:

Capacidad (kgMS/h) 250

Polielectrolitro (gr/KgMS) 3

Sequedad (%) 18

Ahora hallaremos el tiempo de funcionamiento en base a las siguientes expresiones:

( ) h KgSST hd

g Kg X QG SSTD D /6.41

241

10001

250009.39 =⋅

⋅⋅==

( )d hCapacidad

Gento funcionamideTiempo /166.0

250

6.41===

La cantidad de polielectrolito que debemos añadir es la siguiente:

( )d g Golito Polielectr olito Polielectr Cantidad /8.1246.413 =⋅=⋅=

El fango que sale de las bombas tendrá una sequedad del 18% y posee unas característicassimilares al fango que entra en el espesador.

En cuanto el sobrenadante, las concentraciones son iguales a las del sobrenadante delespesador. Debido a que el caudal es todavía menor al del sobrenadante del espesado no

afectará a las concentraciones de entrada de la planta, en caso de recircularlo. Lascaracterísticas cumplen los requisitos de vertido.



45

14. BIBLIOGRAFÍA

- Tratamientos biológicos de aguas residuales. José Ferrer Polo y Aurora SecoTorrecillas. Universidad Politécnica de Valencia (UPV). 2007.

- Tratamientos Físicos y Químicos de Aguas Residuales. José Ferrer Polo y Aurora SecoTorrecillas. Universidad Politécnica de Valencia (UPV). 2007

- Tratamiento de Aguas. Tomo 1, Introducción a los Tratamientos de Aguas. José FerrerPolo y Aurora Seco Torrecillas. Universidad Politécnica de Valencia. 2008

- Ingeniería de aguas residuales. Metcalf & Eddy, Inc (2007). International Edition.

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DISEÑO DEPURADORA DE OXIDACIÓN TOTAL