Tratamiento y Estabilización de Fangos en EDAR: Procesos y Equipos

Edad del Fango

La edad del fango (días) es el factor decisivo para el dimensionamiento de plantas de fangos activos. Se corresponde con el tiempo de estancia medio de los microorganismos en el reactor biológico. Se obtiene como cociente entre los sólidos en el reactor y la producción diaria de fango en exceso. Para evitar que se "fuguen" los microorganismos del sistema, la edad del fango debe coincidir con la inversa de la tasa de crecimiento bacteriano. Así, la tasa de crecimiento bacteriano se define como el incremento de microorganismos diario referido al total de microorganismos del sistema.

Producción de Fangos

Fangos primarios: Son más minerales. Un 60% de su peso es materia orgánica (sólidos volátiles) y un 40% es materia inorgánica. Una vez decantados se pueden extraer a concentraciones del orden del 2 al 4%.

Fangos secundarios o en exceso: Son más orgánicos. Están compuestos por un 80% de materia orgánica y un 20% de materia inorgánica, fracción mineral o cenizas. Una vez decantados pueden extraerse a concentraciones del 0,8% si son arrastrados en el decantador por rasquetas de arrastre, o al 0,6% si son aspirados por rasquetas de succión.

Fangos totales o mixtos: Se pueden obtener a una concentración del 2-3%. Este 2-3% de concentración tiene la ventaja de que la mezcla de fangos frescos tiene menor contenido en agua que si los mezclamos una vez decantados por separado. El volumen de los fangos secundarios es importante, del orden del 40-50% del total de fangos a mezclar, pero con una tercera parte de la concentración de los primarios, esto es, tienen mucha agua. Así, al enviarlos al decantador primario se extraen al 2-3% y se ha eliminado bastante agua. Requiere menores instalaciones.

Espesamiento de Fangos

Objetivo fundamental: reducir los volúmenes a manipular al mínimo. Esto permite:

1. Minimizar las dimensiones de los elementos, con ahorro de volúmenes, equipos y conducciones.
2. A igualdad de capacidad, aumenta los tiempos de retención.
3. Reduce los costes energéticos de trasiego, calefacción y manipulación.

Espesamiento por Gravedad

Objetivo: Aumentar por medios únicamente físicos la materia sólida presente en el fango por eliminación de parte de la fracción líquida.

Principio físico de funcionamiento: El proceso de espesamiento se explica por la teoría de la sedimentación por zonas o interferida, que se presenta en suspensiones con concentraciones medias y se caracteriza porque los sólidos sedimentan en forma de manto. Para tiempo t= 0, la concentración en todo el volumen del líquido es uniforme. Al cabo de un tiempo t se forma:

• Interfase: Delimita la zona de agua clarificada y la superficie del manto de sólidos. Desciende a velocidad constante.
• Zona Interfacial: Debajo de la interfase.
• Zona de compactación: Simultáneamente a la formación de la interfase, comienza una zona de compactación de sólidos en el fondo. Se caracteriza por una concentración constante y una velocidad de ascensión constante.
• Zona de transición: Entre la zona interfacial y la zona de compactación. En ella existe un gradiente de concentraciones que aumenta con la profundidad.

El parámetro fundamental a definir para el dimensionamiento de un espesador de gravedad es la superficie, mediante ensayos de sedimentabilidad.

Elementos de un espesador de gravedad:

• Tanque prefabricado o de obra civil, generalmente circular.
• Puente móvil con rasquetas accionado centralmente mediante motorreductor. Velocidad periférica entre 4-6 m/min.
• Partes: Tren de espesamiento, Paletas de amasado, Campana de reparto, Vertedero perimetral para evacuar el rebose y envío a cabecera.
• Cubierta que evita la emisión de olores.
• Válvulas, generalmente de manguito elástico, para purgas.

Espesador por Flotación

Separa, por procedimientos físicos, la fracción sólida de la fase líquida. Se utiliza especialmente para el espesamiento de fangos biológicos debido a su densidad próxima a la del agua y débil compactación. Sólo presente en instalaciones de tamaño medio-grande. Operación más compleja que los de gravedad por requerir aporte de aire comprimido y, en muchos casos, acondicionamiento de fangos mediante polielectrolito.

Principio de funcionamiento: Las partículas de densidad muy similar a la del agua o inferior tienden a flotar (flotación natural). Para acelerar los procesos, se fomenta la flotación con el aporte de aire (flotación aireada). La forma más común, por ser la más efectiva, es aportar el aire disuelto en el agua (F.A.D.).

Sistema de presurización:

1. Compresor para inyección de aire con medida de presión y medida de caudal de aire aportado.
2. Válvula reductora de presión.
3. Balón de presurización donde se produce la disolución.
4. Bombas de presurización.
5. Unidad de dosificación de reactivo.

Parámetros de funcionamiento:

• Relación aire introducido/sólidos a flotar: Es el factor más importante. Su aumento supone mayor rendimiento hasta un máximo a partir del cual no se consigue aumento de la eficacia. La relación varía entre el 0,5% y el 6%. Una banda tan amplia se debe a: Tipo de fango y características, Función del sistema de presurización y su eficiencia, Sistema de mezcla aire-sólidos, Profundidad del lecho de fangos, Carga de sólidos, Carga hidráulica, IVF y adición de Polielectrolito.

Elementos de un espesador de flotación:

• Flotador.
• Tren de rasqueta.
• Accionamiento por motorreductor de velocidad variable.
• Campana de reparto.
• Tolva.
• Vertedero.

Digestión Anaerobia

Fermentación alcalina que degrada la materia orgánica, transformándola, en el mayor grado posible, en metano y CO₂. Los fangos se estabilizan en ausencia de oxígeno, por la acción de microorganismos anaerobios. Proceso lento que requiere condiciones de operación muy específicas al convivir microorganismos con condiciones vitales y cinéticas distintas. Es el método universalmente más utilizado para obtener un fango final aséptico. Su contenido en patógenos es muy bajo, al someter a éstos a condiciones ambientales muy distintas a las del agua residual en la que vivieron.

Fases del Proceso

Fase acidogénica o fermentativa: Proceso relativamente rápido llevado a cabo por bacterias facultativas. Utilizan el sustrato disuelto de la fase anterior transformándolo en ácidos, CO₂ y H₂O. Los productos finales obtenidos en esta fase dependen de la concentración de H₂ en el medio. Si la concentración de H₂ es muy baja hay preferencia en formar acético. Si es alta, aumenta la tendencia en producir propiónico, butírico, valeriánico, etc., alargando el camino. En esta etapa se elimina cualquier traza de oxígeno disuelto. Crecimiento rápido, con tiempo mínimo para duplicarse en torno a 30 minutos.

Fase acetogénica: Bacterias facultativas sintróficas que utilizan el sustrato generado por la fase anterior generando como especie fundamental acético. Su metabolismo está regulado por la concentración de H₂O.

Fase metanogénica: Bacterias estrictamente anaerobias. Las únicas capaces de catabolizar anaeróbicamente el acético y el H₂. El pH óptimo está cercano a 7,2. Su cinética de reproducción es mucho más lenta que las fases anteriores. Estos microorganismos crecen muy despacio, con tiempo de generación que van desde los 3 días a 35ºC hasta los 50 días a 10ºC. Dos tipos fundamentales: Bacterias metanogénicas acetoclásticas y Bacterias metanogénicas utilizadoras de H₂.

Control del Proceso

Temperatura: En función de la temperatura se desarrollan un tipo de bacterias: Psicrófilas, Mesófilas y Termófilas. A menor temperatura, mayor volumen de reactor o menor estabilización para volumen dado. Por encima de 65ºC disminuye la actividad de las bacterias. Por debajo de 10ºC las bacterias se enquistan, sin morir.

Alcalinidad: Directamente relacionada con el pH. Mide la capacidad tampón que tiene el digestor para absorber un contenido alto de ácidos volátiles e impedir la bajada de pH. Se expresa en equivalentes de Carbonato cálcico. Viene generada por el carbono inorgánico solubilizado.

Concentración de ácidos grasos volátiles: Los forman los ácidos propiónico, butírico, acético, valérico, en la fase líquida. Se encuentra en tres especies: CO₂, HCO₃^- o CO₃^2-.

pH: Al existir distintos microorganismos en el digestor con diferentes condiciones, se debe mantener un equilibrio entre ambas poblaciones.

Agitación: Fundamental para la correcta operación del proceso. Permite: Homogeneizar la concentración y la temperatura. Evita cortocircuitos que reducen el tiempo de retención.

Carga de sólidos volátiles: Se debe controlar la cantidad de sólidos que se introducen, expresados como materia volátil, por día y por metro cúbico de digestor. Un exceso repentino sin tiempo para el reajuste de las cinéticas provocará un aumento de los ácidos.

Circuitos:

1. de fango
2. de gas
3. Equipos para calentamiento de fangos
4. Equipos para homogeneización
5. Equipos de control, medida y seguridad

Elementos

Digestor: Depósitos de obra civil con cubierta fija o flotante, estancos. La parte inferior debe tener pendiente para evitar zonas muertas. Cuenta con: Ojo de buey, Boca de hombre, Calorifugado y Rompecostras.

Equipamiento:

1. Calentamiento del fango:
   • Calderas: Utilizan como combustible el metano generado. Como elemento transportador de calor, el agua.
   • Quemadores.
   • Intercambiadores.
2. Equipos para homogeneización. Dos tipos:
   • a) mecánico:
     • a.1) Recirculación de fangos: Se extrae de partes inferiores y se bombea a la parte superior.
     • Agitadores mecánicos: Por ejemplo, agitadores de hélice. Requieren explotación cuidadosa.
   • a.2) Por gas: El biogás generado se comprime y se introduce a través de lanzas al interior del digestor. Las burbujas provocan la agitación.

Línea de gas: El principal equipamiento de la línea de gas son:

• Gasómetro.
• Antorcha.
• Válvulas de seguridad: apagallamas (por enfriamiento), térmica (por fusión), de sobrepresión y vacío, reductoras de presión.
• Trampas de sólidos.
• Botes de purga.
• Elementos de detección de fugas.

Cogeneración: Producción secuencial de energía eléctrica y de energía térmica o mecánica aprovechables en los procesos de una E.D.A.R., a partir de una misma fuente de energía primaria, el biogás.

Estabilización Aerobia

Eliminación de la materia orgánica por proceso biológico aerobio, operado con elevadas edades de fango, llegándose a la autooxidación (respiración endógena). La respiración endógena supone hacer consumir a las bacterias sus reservas para poder respirar, moverse y ejercer sus funciones vitales. En esta situación, el tejido celular se oxida a dióxido de carbono, agua y amoníaco por vía aerobia.

Ventajas:

• Fácil control y explotación.
• Mejor calidad del sobrenadante.
• Reducción casi total de olores.
• Reducción de volátiles en proporciones similares a la digestión anaerobia con menores tiempos de retención.
• Residuo final de mayor capacidad fertilizante para el terreno.

Inconvenientes:

• Elevados costes de explotación, ante altos consumos energéticos.
• Proceso muy expuesto a las variaciones térmicas de la climatología.

Parámetros: Cantidad y características, Tiempo de retención hidráulico, Tiempo de retención celular, Carga de sólidos volátiles, Rendimiento en la eliminación de sólidos volátiles, Temperatura, Necesidades de oxígeno, Agitación.

Estabilización con Oxígeno Puro

A. Reactores cerrados: Provoca una estabilización termófila, con temperaturas entre 40-60º por las reacciones fuertemente exotérmicas de oxidación. Muy indicada en climas fríos o en zonas con ausencia de suelo. Mayor velocidad de reacción. Tiempos de retención en torno a los 4 días. Mayor eliminación de bacterias y virus.

B. Reactores abiertos: Temperaturas de trabajo menores, mayores volúmenes de reactor.

Estabilización Química

La adición de reactivos a la masa de fango espesada o deshidratada busca detener la actividad bacteriana. No reduce la materia orgánica ni el volumen. Se crean las condiciones fisicoquímicas capaces de inhibir los procesos de degradación biológica, se evita la producción de olores. Se puede utilizar cal o cloro. Por su bajo coste y su fácil manipulación, la cal es el reactivo utilizado. Se añade cal suficiente para elevar el pH.