El tratamiento de las aguas residuales son procesos de intensivo consumo de energético, debido a su uso en sistemas de aireación, bombeo, filtración, etc. Sin embargo es la aireación la que representa más del 50% del uso de energía, el cual es un porcentaje significativo en los costos operativos. En ese sentido se debe fomentar las estrategias y tecnologías que brinden una mayor eficiencia energética. Estas estrategias deberán estar enfocadas al desarrolla de una correcta ingeniería.
Objetivos de la aireación en aguas residuales
El objetivo de la aireación es doble: suministrar oxígeno a los microorganismos (respiración exógeno y endógena) y proporcionar la mezcla para que los microorganismo estén suspendidos y en contacto con la materia orgánica presente en el agua residual. De acuerdo al tipo de tecnología aerobia la mezcla es un componente crítico que si no es contemplada, afecta negativamente el tratamiento.
Consideraciones y criterios para diseñar un sistema de aireación
Uno de los errores más frecuentes, cuando se desarrollan o diseñan los sistemas de aireación es no considerar las condiciones de lugar, calidad de agua residual, calidad de agua tratada y criterios diseño. Los cuales son fundamentales al momento de diseñar estos sistemas y forman parte del análisis de la siguiente lectura.
A. Consideraciones iniciales para diseñar un sistema de aireación
Estas consideración son el punto de partida al definir la tecnología de aireación y acompañada con los criterios diseño nos permitirán determinar los requerimientos de oxigeno
- Caracterización del agua residual: Es importante conocer la carga orgánica (DBO5 y DQO), Solidos suspendidos totales (SST) y nutrientes (nitrógeno y fosforo), debido a que forman parte de la materia orgánica disuelta a remover del agua residual.
- Calidad de agua tratada: De acuerdo a las exigencias de remoción de parámetros críticos. Estas establecen un papel importante, al determinar los requerimientos de oxígeno, debido a que están relacionadas de forma directa, por ejemplo una mayor remoción de DBO5 requerirá un mayor requerimiento de oxígeno.
- Tipo de tecnología aerobia: De acuerdo el tipo de tratamiento los requerimientos de oxígeno y de mezcla, son distintos. Siendo los principales: lagunas aireadas, lodos activados, MBBR, SBR y MBR.
- Dimensiones: Una información precisa de los tratamientos son las dimensiones de los tanques o componentes, tales como: área, profundidad (cuanto más profunda, mayor es la transferencia de oxigeno debido a que la burbuja tiene mayor tiempo de ascendencia)
B. Criterios de diseño de un sistema de aireación
Los criterios de diseño son la base técnica y nos permitirán, si son usadas correctamente optimizar el caudal de aire por ende los consumos energéticos.
- Tasa de transferencia de oxigeno (SOTE)
Es la eficiencia de transferencia oxigeno (%) obtenida a través de la relación entre la masa de oxígeno transferido por el sistema y la existente en el aire alimentado al mismo en condiciones normales
El SOTE es el parámetro fundamental al momento de seleccionar las principales tecnologías de aireación, que nos permita reducir el caudal de aire y mejora la transferencia de oxígeno, sin embargo, está influenciado por las siguientes variables:
- Difusores: De acuerdo al tamaño de la burbuja de aire (fina o gruesa) se logra una mayor o menor transferencia, siendo en la burbuja fina la que generar mayor transferencia de oxígeno, debido al menor tiempo de ascensión de burbuja y mayor contacto en el agua.
2. Distribución de difusores: Un mayor número de difusores permite una mayor transferencia debido a que evita efecto slip y permite una mayor distribución de caudal de aire.
3. Altura útil: A mayor altura de columna de agua permitirá que las burbujas tengan un mayor recorrido y por ende un mayor transferencia.
- Solubilidad de oxigeno
En cualquier lugar la solubilidad de oxigeno es distinta, especialmente cuando nos encontramos en condiciones ambientales diferentes, tales como en la costa, sierra y selva. Estando en función de las siguientes variables:
- Temperatura: A mayor temperatura, más rápido las moléculas de oxígeno están en movimiento y más fácil escapan de la superficie del agua.
- Presión: Cuanto menor es la presión atmosférica menor es la presión de oxígeno.
- Salinidad: La velocidad de difusión del oxígeno variará proporcionalmente a la solubilidad del oxígeno en el agua de mar, que disminuye con el aumento de la salinidad.
C. Requerimientos de oxígeno y caudal de aire en el tratamiento de aguas
- Requerimientos de oxigeno
Para terminar los requerimientos de oxígeno, depende del tipo de tecnología de tratamiento, sin embargo en todas ellas se considera un oxígeno disuelto (OD) de 2.0 mg/L. En la tecnología de tratamiento por bioreactor de lecho móvil o también llamado MBBR, la cantidad de oxigeno requerido es de 2.5-5.0 kgO2/DBO5 eliminada, la cual se expresa en la siguiente ecuación.
Donde:
- Caudal de aire
Los caudales de aire, depende principalmente de la tasa de transferencia (SOTE), requerimientos de oxígeno y condiciones del lugar, representado en la siguiente ecuación:
Donde:
Por ejemplo:
¿Cuánto es el caudal de aire que debo suministrar al reactor MBBR para remover la carga orgánica (DBO5) en un agua residual domestica? De acuerdo a la siguiente información:
Datos:
- DBO5 Ingreso: 250 mg/L
- Eficiencia (remoción DBO5): 90%
- Caudal: 100 m3/día
- Ubicación: 500 msnm
- Altura útil (reactor): 4.0 m
- Aireación: Difusores de Burbuja Fina (SOTE: 6.0-9.0% x mca)
- Horas de funcionamiento: 24 horas/día
- Densidad del aire: 1.201 kg/m3
1. Calculo de los requerimientos de oxigeno
El primer paso consiste en obtener los requerimientos de oxigeno
Paso 1:
2. Calculo del caudal de aire
Una vez obtenida los requerimientos de oxígeno, se calcula el caudal de aire
Paso 1:
Paso 2:
D. Errores comunes en el diseño de sistemas de aireación
- Mezcla insuficiente: Una mezcla insuficiente es un factor relevante, debido que permite mantener en contacto a los microorganismos a la carga orgánica presente en el agua residual.
- Condiciones desconocidas: Es común observar diferentes plantas de tratamiento para distintas aguas residuales, tales como industriales y/o domésticas. Una incorrecta caracterización del agua residual en el desarrollo de ingeniería y en específico en la determinación de los requerimientos de oxígeno, puede generar sorpresas o incluso problemas en obtener las eficiencias de remoción esperadas.
- Bajo SOTE: Una incorrecta selección de los equipos de aireación y desconocimiento de los criterios de diseño, genera un bajo de SOTE que origina, para poder suplirlo un incremento del caudal de aire.
- Elevado consumo energético: Un sobredimensionamiento de los caudales de aire o baja transferencia de oxígeno, genera incrementos de consumo energético por requerir de equipos mayor potencia.
- Insuficiente presión de descarga: Esta información se determina a partir de las pérdidas de presión presentes en todo el recorrido de la tubería y la generada en vencer a la columna de agua. Una incorrecta determinación podría originar no generar la aireación en los reactores.
Autor: Ing. Leoncio Uturi
