desarrollo de un programa computacional para el diseo de plantas

DESARROLLO DE UN PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA EL DISEÑO DE
PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES TIPO LODOS
ACTIVADOS MEZCLA COMPLETA
Abraham VARGAS, Raudel RAMOS, Dora Luz FLORES, José Guillermo
RODRÍGUEZ
Calzada del Tecnológico No. 14418, Mesa de Otay Tijuana B.C., C.P. 22390,
Tel/fax: 01(664)6822790, abraham.v.m@gmail.com
Palabras clave: lodos activados, tratamiento biológico, diseño
RESUMEN
En la actualidad, el uso de paquetes computacionales que faciliten el diseño
de plantas de tratamiento es indispensable para obtener proyectos con un
dimensionamiento más adecuado a las condiciones reales. Esto se logra al
desarrollar un programa computacional de fácil operación para el análisis y diseño
de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) domésticas, tipo lodos
activados, mezcla completa. En este proyecto se elaboró una secuencia lógica de
cálculo, con la relación de ecuaciones necesarias para el dimensionamiento de los
sistemas de tratamiento. Para efectuar el cálculo se empleó el ambiente de
desarrollo integrado Visual Basic 6.0; en el que se alimentaron las ecuaciones. El
programa consiste en proporcionar los datos completos para el sistema, tales
como el Caudal, DBO de entrada, DBO de salida y otros datos comúnmente
usados en el diseño de plantas de tratamiento, en sus respectivas unidades;
posteriormente se despliega una ventana donde se observa el diagrama del
sistema de tratamiento, con las unidades que comúnmente conforman una planta
de tratamiento de este tipo de sistemas. Dicho diagrama cuanta con ligas en los
puntos más importantes, como lo es el sistema de pretratamiento, tratamiento
primario, reactor biológico y el sedimentador secundario, así como el sistema de
recirculación, tanque de desinfección y el tanque de espesado de lodos. Se
realizaron diferentes pruebas con el programa hasta lograr obtener los resultados
esperados, obteniéndose que la elaboración de éste programa se convierta en una
herramienta muy útil en el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales.
INTRODUCCIÓN
El principal objetivo del tratamiento del agua residual es producir un efluente
que pueda ser descargado sin causar daños al medio ambiente y en la salud
humana. El marco general de los procesos de tratamiento de aguas residuales es
muy amplio; existen diversas clasificaciones, sin embargo, la más común es la que
divide el tratamiento de las aguas residuales en:
-
Pretratamiento o tratamiento Primario
Tratamiento Secundario
Tratamiento Terciario o Avanzado
1
El desglose de esta clasificación es muy amplio, pues solamente en el
tratamiento secundario hay una gran variedad de procesos como: Lodos Activados
y sus variantes, filtros rociadores, biodiscos, sistemas lagunares, sistemas
anaerobios, sistemas combinados, etc. Otro tipo de clasificación de tratamiento de
aguas residuales se basa en los métodos y/o procesos utilizados para eliminar los
contaminantes, como son:
-
Métodos físicos: es el tipo de tratamiento en el cual se llevan a
cabo cambios a través de la aplicación de fuerzas físicas. Las
unidades típicas incluyen: cribado, mezclado, adsorción, desorción,
flotación, sedimentación, etcétera.
-
Procesos químicos: en este tipo de tratamiento, la remoción o
tratamiento de los contaminantes se realiza mediante la adición de
reactivos que llevan a cabo diferentes reacciones químicas. La
precipitación química, coagulación y desinfección son los
principales.
-
Procesos biológicos: en éstos, la remoción de los contaminantes
se realiza a través de la oxidación biológica de la materia orgánica.
El ejemplo mas conocido es el de lodos activados.
Sistema de tratamiento tipo lodos activados
Los sistemas de tratamiento biológicos se definen como procesos
bioquímicos en donde los microorganismos utilizan la materia orgánica y los
nutrientes biológicos contenidos en los desechos para su reproducción.
Los objetivos del tratamiento biológico del agua residual son la coagulación
y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la
materia orgánica y, en muchos casos, la eliminación de nutrientes como el
nitrógeno y fósforo. En el caso de los lodos activados, este es un proceso de
tratamiento por el cual el agua residual y los microorganismos son aireados en un
tanque denominado aireador o reactor biológico y completamente mezclados con
la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de alimento
para su producción.
Así pues, el papel de los microorganismos en los lodos activados consiste
en la eliminación de la carga orgánica carbonosa, coagulación de los sólidos
coloidales no sedimentables y la estabilización de materia orgánica.
Algunos de los sistemas de lodos activados mas utilizados son los
siguientes:
ƒ
Convencional: El agua decantada y el lodo activado recirculado entran en
el tanque se aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores
2
mecánicos. El suministro de aire suele ser uniforme a lo largo de toda la
longitud de canal. Durante el periodo de aireación, se produce la adsorción,
floculación, y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado
se separan en un decantador secundario.
ƒ
Canal de oxidación: El canal de oxidación consiste en un canal circular u
ovalado equipado con dispositivos de aireación mecánica. El agua residual
tamizada entra en el canal, se agita y circula a una velocidad entre 0.24 y
0.35 m/s. Normalmente, los canales de oxidación funcionan según un
esquema de aireación prolongada con largos tiempos de detención y de
retención de sólidos. En la mayoría de las aplicaciones se emplean tanques
de sedimentación secundaria.
ƒ
Aireación prolongada: El proceso de aireación prolongada es similar al de
lodos activados convencional excepto en que funciona en la fase de
respiración endógena de la curva de crecimiento, lo cual precisa una carga
orgánica reducida y un largo periodo de aireación. Este proceso se emplea
mucho en plantas prefabricadas para pequeñas comunidades.
ƒ
Reactor de Mezcla Completa: El proceso es una aplicación del régimen
de flujo de un reactor de flujo continuo agitado. El agua residual decantada
y el lodo activado recirculado se introducen, normalmente, en varios puntos
del tanque de aireación. La carga orgánica y la demanda de oxigeno son
uniformes en toda la longitud del tanque.
Algunos parámetros de diseño para los procesos de lodos activados se
mencionan en la siguiente tabla I:
Tabla I. Parámetros de diseño para algunos sistemas tipo lodos activados
Θc,d
F/M,
kgDBO5/
kg
SSVLM·
d
Carga
volumétrica,
kg DBO5 /
m3·d
SSLM, mg/l
V/Q,
h
Qr/Q
Eficiencia
de
remoción
de DBO,
%
Convencional
5-15
0.2-0.4
0.32-0.64
1,500-3,000
4-8
.25-0.75
85-95
Mezcla
completa
5-15
0.2-0.6
0.8-1.92
2,500-4,000
3-5
.25-1.0
85-95
Aireación
extendida
20-30
0.05-0.15
0.16-0.40
3,000-6,000
18-36
.50-1.50
75-95
Zanja de
oxidación
10-30
0.05-0.30
0.08-0.48
3,000-6,000
8-36
.75-1.50
75-95
Modificación
de Proceso
El sistema de Reactor de Mezcla Completa es utilizado en aplicaciones
generales, es resistente frente a cargas de choque, pero es susceptible al
desarrollo de crecimientos de organismos filamentosos y requiere de un sistema
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primario o de pretratamiento, que generalmente se compone de rejillas y
desarenador.
- Rejillas: su principal función, junto con un sistema de colección, es
prevenir que troncos, madera, rocas, botellas de plásticos y otros objetos
voluminosos entren a la planta de tratamiento.
La unidad de rejillas consiste de barras de acero verticales o inclinadas,
espaciadas a intervalos iguales, situadas en forma perpendicular al canal a través
del cual fluye el agua residual, éstas son usadas antes de las bombas para el
manejo del agua residual, medidores, desarenadotes y sedimentadotes primarios.
La abertura de las barras se define en función del tipo de basura que se quiera
retener. Las rejillas se diseñan usando la siguiente ecuación:
W = ndi + (n+1)Db
Ecuación 1
Donde, w = ancho de canal
n = espacios entre barras
n+1 = número de barras
di = separación entre barras
Db = espesor o diámetro de barras
- Desarenador: elimina el arena del agua residual, protegiendo a los
equipos mecánicos de la abrasión y el desgaste; los materiales que caen en la
categoría de arenas son: partículas de arena, grava y trazas minerales, y
orgánicos no putrescibles como granos de café y semillas.
Diseño de las plantas de tratamiento de lodos activados tipo mezcla
completa.
Para llevar a cabo el diseño de una planta de tratamiento de tipo lodos
activados mezcla completa con el programa desarrollado, donde se incluye el
cálculo del reactor y el sedimentador secundario, se requiere de la siguiente
información:
Datos de alimentación inicial y calidad del efluente:
•
•
•
•
•
•
Caudal de diseño (Q)
Demanda Bioquímica de Oxígeno del afluente (DBOa)
Demanda Bioquímica de Oxígeno del efluente (DBOe)
Concentración de Sólidos Suspendidos Volátiles en el efluente del
reactor (X).
Concentración de Sólidos Suspendidos Volátiles en la línea de
recirculación (Xr)
Qr
Relación de recirculación ( R =
)
Q
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Constantes cinéticas y criterios de diseño establecidos por algunos autores:
Constante de degradación de la materia orgánica, d-1
Masa de células producidas por unida de masa consumida de
materia orgánica.
f : Factor de conversión de DBO5 en DBOu: (0.45 a 0.68)
Kd Constante de degradación endógena, d-1
Θc Tiempo de retención celular, días
H
Profundidad del reactor y profundidad del sedimentador
secundario, m
C.S.:Carga superficial del sedimentador secundario, m3/m2 d
k:
Y:
Para el dimensionamiento del sistema biológico se emplearon las siguiente
ecuaciones, propuestas por Metcalf y Eddy:
Volumen del reactor:
Vr =
YQθc (So − S )
X (1 + kdθc )
Ecuación 2
Tiempo de retención hidráulica:
Vr
Q
Ecuación 3
Px = Yobs Q(So − S )
Ecuación 4
TRH =
Producción de lodos:
Caudal de recirculación:
Qr = RQ
Ecuación 5
Requerimiento de oxígeno:
Kg O2 Q (So − S )
=
− 1. 42Px Ecuación 6
día
f
Relación F/M:
F/ M =
So
θX
Ecuación 7
Carga Volumétrica:
5
CV =
SoQ
Vr
Ecuación 8
Dimensionamiento del sedimentador:
Para el dimensionamiento del sedimentador secundario se emplearon los
siguientes criterios (Metcalf y Eddy): Carga Superficial (C.S.) de 8 a 16 m3/m2 d y
un tirante de agua de 4 m.
Para calcular el tiempo de residencia hidráulico del sedimentador, se divide el
Volumen del sedimentador secundario entre el caudal de entrada al sedimentador.
METODOLOGÍA
Las ecuaciones antes mencionadas son las utilizadas en la metodología
empelada por Metcalf and Eddy, Ramalho y Aurelio Hernández. Para efectuar el
cálculo se empleó el ambiente de desarrollo integrado Visual Basic 6.0 el cual es
un lenguaje de programación visual, también llamado lenguaje de 4ª generación,
esto quiere decir que un gran número de tareas se realizan sin escribir código,
simplemente con operaciones gráficas realizadas con el ratón sobre la pantalla.
Visual Basic 6.0, está orientado a la realización de programas para
Windows, pudiendo incorporar todos los elementos de este entorno informático
como: ventanas, botones, cajas de diálogo y de texto, botones de opción y de
selección, barras de desplazamiento, gráficos, menús, etc.
Los programas interactivos exigen la intervención del usuario en tiempo de
ejecución, bien para suministrar datos, bien para indicar al programa lo que debe
hacer por medio de menús, éstos limitan y orientan la acción del usuario. Por su
parte los programas orientados a eventos son los programas típicos de
Windows, tales como Netscape, Word, Excel y PowerPoint; cuando uno de estos
programas ha arrancado, lo único que hace es quedarse a la espera de las
acciones del usuario, que en este caso son llamadas eventos, el usuario dice si
quiere abrir y modificar un fichero existente, o bien comenzar a crear un fichero
desde el principio. Estos programas pasan la mayor parte de su tiempo esperando
las acciones del usuario (eventos) y respondiendo a ellas. Las acciones que el
usuario puede realizar en un momento determinado son variadísimas, y exigen un
tipo especial de programación: la programación orientada a eventos. Este tipo
de programación es sensiblemente más complicada que la secuencial y la
interactiva, pero Visual Basic 6.0 la hace especialmente sencilla y agradable.
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Figura 1. Diagrama de Flujo del Programa Computacional para el Diseño de
Plantas de Aguas Residuales Tipo Lodos Activados Mezcla Completa.
En la Figura 1 los rombos son representan las decisiones que se pueden
tomar en el proceso, las líneas con flecha representan el flujo o curso que toman
los datos, las líneas con punto son conectores, es decir, una vez analizada la
información desplegada y cerrar la ventana, regresa al usuario a la pantalla
anterior y las demás figuras representan ventanas desplegadas con los datos
calculados.
Como se muestra en la Figura 1, al iniciar el programa, se despliega una
pantalla donde se introducirán los datos, con los cuales se desea dimensionar la
planta de tratamiento de aguas residuales, dicha pantalla es tomada como la
principal, debido a que en esta se realizan todos los cálculos necesarios, cuyas
7
ecuaciones fueron introducidas como parte del código de diseño del programa,
como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Pantalla principal del programa
Una vez introducidos todos los datos necesarios, y activar el botón
‘Calcular’ de la pantalla principal, se realizan los cálculos y se despliega una
segunda pantalla, donde se observa un diagrama de flujo ilustrado del tratamiento
de agua residual que comúnmente se lleva a cabo en lodos activados de tipo
mezcla completa.
En la pantalla de la Figura 3 se cuenta con ligas en los puntos más
importantes del proceso, como lo son el reactor, clarificador, rejillas, bomba de
recirculado, entre otros; los cuales despliegan la información de dimensionamiento
calculada con los datos que fueron introducidos anteriormente en la pantalla
principal.
La Figura 3 muestra los datos del reactor que fueron calculados con datos
previamente alimentados, al fondo se puede observar la ventana del programa
que contiene el diagrama de flujo antes mencionado.
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Figura 3. Diagrama de Flujo de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales y
pantalla con los datos del reactor calculados
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Con apoyo de este programa se realizaron cálculos hipotéticos de literatura,
reportados por Metcalf/Eddy, también se utilizaron datos reales de algunas
plantas de tratamiento; que se han construido en la ciudad de Tijuana y que
operan eficientemente en cuanto a remoción de materia orgánica. Los resultados
obtenidos de estas plantas no presentaron diferencias significativas en los
resultados que arrojo el programa, en cuanto a dimensiones de los sistemas y
algunos criterios de operación y diseño calculados.
En cambio al utilizar datos de plantas de tratamiento que no están operando
eficientemente; se determinó que no cumplen con los criterios de diseño indicados
en la tabla I, en cuanto a la relación F/M, eficiencia de remoción y relación de
recirculación, ya que algunas plantas no tienen forma de evaluar el caudal y
mucho menos el de recirculación, como para poder calcular y controlar este factor
y por ende la relación F/M; aunado a otros problemas de operación que se
identificaron a simple vista, por problemas de aireación, por la presencia de olores
desagradables. Ni tienen un sistema de monitoreo constante del proceso. Lo que
nos lleva a concluir que posiblemente no fueron diseñadas adecuadamente, tienen
problemas de operación y mantenimiento, o bien están sobrecargadas en cuanto a
materia orgánica.
Consideramos que este programa es una herramienta útil para dimensionar
o proyectar una planta de tratamiento de lodos activados, tipo mezcla completa. O
9
bien, se puede utilizar para evaluar algunos parámetros de operación del sistema
de tratamiento.
AGRADECIMIENTOS
A la Comisión Estatal de Servicios Públicos de Tijuana y Facultad de
Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California,
por su apoyo en la realización de este proyecto
REFERENCIAS
Metcalf and Eddy, (1996). Capítulo 8 Procesos Biológicos Unitarios. Ingeniería de
Aguas Residuales, Tratamiento, Vertido y Reutilización. McGraw-Hill, Tercera
Edición, México D.F. p409-504.
Cevallos, Fco. Javier; (1992) Microsoft Visual Basic, aplicaciones para Windows;
1ra. Edición, Ed. Ra-ma,
García de Jalón, Javier; (1999) , Aprenda Visual Basic 6.0; Ed. San Sebastián.
Crites, Tchobanoglous, (2000) Capítulo 6 Tratamiento biológico y remoción de
nutrientes. Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones, Editorial
McGraw Hill, Primera edición. México D.F. 2000, p345-473.
CNA, (1993), Operación y Mantenimiento de Plantas de Tratamiento de Lodos
Activados, INRA, S.A. consultores, Mexico D.F., pags. 1-5.
Loyola Robles Adalberto, (2000) Alternativas de Tratamiento de Aguas residuales,
IMTA, Mexico D.F., pags. 56-68.
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