Estudio sobre los rendimientos de las decantaciones con aguas residuales con diferentes concentraciones de contaminación

Resumen

INTRODUCCIÓN La operación física de sedimentación o decantación es la más ampliamente extendida en el tratamiento de aguas residuales. El presente trabajo de investigación tiene como propósito principal estudiar la influencia de la carga hidráulica superficial o velocidad ascensional, en el rendimiento de eliminación de contaminantes de los decantadores primarios y secundarios de las estaciones depuradoras de aguas residuales de fangos activos de media carga. El agua es un recurso de inestimable valor, esencial para todos los seres vivos. El continuo aumento de población e industrialización del último siglo ha supuesto la degradación de numerosos ecosistemas naturales como ríos y océanos, en parte como consecuencia del vertido de aguas residuales urbanas e industriales inadecuadamente tratadas. Por ello desde un punto de vista sanitario y ambiental, es de suma importancia asegurar correctamente el saneamiento de los núcleos de población y la depuración de sus aguas. La depuración consiste en la eliminación de la contaminación e impurezas incorporables en el agua a tratar, siendo las operaciones y procesos utilizables de tipo físico, químico o biológico; concretamente la operación física de sedimentación consigue eliminar por gravedad los sólidos en suspensión más pesados que el agua. El nivel de tratamiento de aguas residuales a alcanzar se establece en base al rendimiento de eliminación de contaminantes, tanto en la legislación vigente, en los criterios de diseño utilizados y también en la gestión de las plantas de tratamiento. La exigencia por parte de la legislación vigente, de alcanzar unos mayores requisitos en la calidad de las aguas de vertido, impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías y la optimización de las existentes, con el objetivo de alcanzar mayores rendimientos en eliminación de contaminantes, mejorando la sostenibilidad de los sistemas de tratamiento. El interés objetivo del tema se justifica por dos aspectos: primeramente la extensión mundial del proceso de sedimentación en las plantas de tratamiento y en segundo lugar, la prevalencia de la brecha existente entre el estado del arte y la posibilidad de la aplicación de las bases teóricas desarrolladas, al diseño y operación de las instalaciones. Con relación a su implantación mundial, el uso del proceso de sedimentación es sin duda el más extendido, pudiendo estar presente en varios de los puntos del sistema de tratamiento; se puede considerar que siempre se utiliza el proceso de decantación y lo que es más importante, la gran mayoría de las plantas que se diseñarán y construirán en un futuro incluirán procesos de sedimentación. Investigaciones previas manifiestan que la teoría de sedimentación de partículas en suspensión, puede aplicarse a estudios de laboratorio, pero esto no resulta abordable para el diseño o para la gestión. En el diseño práctico de los procesos de sedimentación, los modelos de referencia a nivel internacional toman unos criterios de dimensionamiento basados en dos parámetros hidráulicos principales: la carga hidráulica superficial o velocidad ascensional y el tiempo de retención hidráulico; estos valores tipificados se basan en experiencias previas y modelos unidimensionales simplificados, frente a los modelos hidrodinámicos multidimensionales y biológicos complejos desarrollados en la investigación, que manejan múltiples parámetros característicos. Las dudas que se plantean en el diseño incluyen la correlación entre el valor de los parámetros fijados y el rendimiento alcanzado, la variación de esta correlación con concentraciones de contaminantes bien diferentes y con procedencias distintas, la variación de la correlación en función de las condiciones de entrada del agua, la influencia de la época del año por distinta temperatura atmosférica o por diferencias de temperatura en el agua tratada. Respecto a la operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales existentes, se observa que aún empleando los métodos de dimensionamiento establecidos en la bibliografía existente, el rendimiento alcanzado en distintas plantas es bien diferente, debido a diferencias en concentración de contaminantes, procedencia del agua bruta y temperaturas del agua; en una explotación rutinaria, las características del agua de entrada influyen y deben ser consideradas de forma continua por el jefe de planta. Durante su vida útil, la instalación de tratamiento se verá sometida a cambios cuantitativos y cualitativos en su funcionamiento; así por ejemplo, en España se ha observado un descenso en el consumo de agua potable en los últimos años, esta tendencia tiene su repercusión en el funcionamiento de las plantas depuradoras, puesto que los caudales tratados han disminuido para una misma población equivalente, pero la concentración de contaminantes ha aumentado; esto implica que a idéntica carga hidráulica superficial o velocidad ascensional, los rendimientos pueden ser diferentes, que es lo que se pretende determinar. Con el objetivo de obtener unos resultados experimentales extrapolables, considerando las características del agua y la ubicación del emplazamiento considerado, se realizó una experimentación mediante una planta piloto. La sedimentación del agua bruta o primaria se realiza en cualquier sistema de tratamiento, excepto en sistemas de fangos activados de baja carga en los que la digestión de los fangos se realiza en el reactor; sí se utiliza en sistemas de fangos activados de media carga (los más utilizados en el mundo en poblaciones por encima de 50.000 habitantes-equivalentes h-e); y también en los tratamientos de biopelícula o en tratamientos mixtos biopelícula-fangos activados. Tampoco se emplea la sedimentación primaria en pequeñas depuradoras de sistemas de bajo coste. Por otro lado la decantación secundaria sería bien diferente si está precedida por un reactor de fangos activos, que por uno de biopelícula; aunque a nivel mundial la utilización de sistemas de fangos activados es más frecuente, con un porcentaje superior al 90%. Por lo anterior, la planta piloto se utilizó con aguas pretratadas y aguas procedentes del licor mezcla de un proceso de fangos activos de media carga, puesto que este tipo de reactor precisa un gran volumen, la planta piloto se ubicó en la estación depuradora en funcionamiento de tratamiento convencional por fangos activos de media carga de Rincón de León, en Alicante. DESARROLLO ¿TÉCNICO El alcance de este estudio incluye decantadores primarios y secundarios circulares de flujo predominantemente vertical, los secundarios dentro de un tratamiento secundario con reactor biológico de fangos activados de media carga, quedando para futuras investigaciones otros procesos de fangos activados y sistemas de depuración con procesos de biopelícula. Las variables y parámetros considerados fueron la temperatura, la carga hidráulica superficial o velocidad ascensional, el tiempo de retención hidráulico, sólidos en suspensión, demanda química de oxígeno, demanda biológica de oxígeno y conductividad. La planta piloto incluía un decantador, consistente en un vaso circular de dimensiones de 1 m diámetro y 3 m de altura; un equipo de bombeo y un variador de frecuencia. La impulsión de la alimentación (entrada) se sitúa en el eje del vaso y en la parte final superior se dispone de la correspondiente campana deflectora. Para la salida del agua decantada, la parte superior del vaso dispone de vertedero dentado de salida, de diámetro exterior 100 cm. Así mismo, el elemento decantador dispone de salidas equidistantes a distintas alturas, para toma de muestras. En el decantador de la planta piloto, también se incorpora un cilindro transparente comunicante con el vaso del decantador que permita determinar niveles en el interior del decantador, por lo que incorpora graduación de longitudes sobre el mismo. La parte inferior tiene forma tronco-cónica de altura 30 cm y dispone de una purga inferior para los lodos sedimentados. El variador de frecuencia permitía impulsar en un determinado rango de caudales, acordes a las cargas hidráulicas adecuadas para los decantadores. La planta piloto fue ubicada para operar primeramente como decantador primario situándose a la salida del pretratamiento desarenador-desengrasador de la estación depuradora, en paralelo con los decantadores primarios y previamente a los reactores biológicos de fangos activos existentes en la estación depuradora. Durante la fase experimental como decantador primario, la planta piloto se operó en tres fases correspondientes a caudales de entrada diferentes, que dadas las dimensiones del decantador, correspondían a los siguientes valores de carga hidráulica superficial o velocidad ascensional y tiempo de retención hidráulica: q=vasc TRH (m3/m2h) (hh:mm) Fase 1 1,4 02:00 Fase 2 1,0 03:00 Fase 3 0,8 04:00 Posteriormente, finalizada la experimentación como decantador primario, se trasladó la planta piloto, para poder operar como decantador secundario, a una nueva ubicación tras los reactores biológicos de fangos activados en paralelo con los decantadores secundarios existentes en la estación depuradora. Durante la fase experimental como decantador secundario, la planta piloto se operó en tres fases correspondientes con tres caudales diferentes, que dadas las dimensiones del decantador, correspondían a los siguientes valores de carga hidráulica superficial o velocidad ascensional y tiempo de retención hidráulica: q=vasc TRH (m3/m2h) (hh:mm) Fase 4 1,1 02:30 Fase 5 0,7 04:15 Fase 6 0,5 06:00 Tras el ensayo con diferentes valores de carga hidráulica superficial o velocidad ascensional y el análisis de contaminantes como sólidos en suspensión, demanda química de oxígeno y demanda biológica de oxígeno a la entrada y salida de los decantadores; se obtuvieron datos representativos de cada una de las fases propuestas de: la temperatura ambiental y la temperatura del agua a la entrada y salida de los procesos; la evolución de sólidos en suspensión, de la demanda química de oxígeno y de la demanda biológica de oxígenos durante el periodo de experimentación. En base a estos datos, se determinaron los rendimientos de eliminación de los distintos contaminantes para cada una de las fases. El análisis de los resultados de eliminación de contaminantes, se realizó basándose en los valores de rendimiento de eliminación obtenidos y gráficos correspondientes, realizándose en algunos casos un ajuste lineal o en otros casos un ajuste exponencial, para observar la tendencia que presentan, así como el grado de relación entre distintas variables como la carga hidráulica superficial o velocidad ascensional, el tiempo de retención hidráulico, concentración de sólidos en el afluente o, en el caso de la decantación secundaria, profundidad dentro del tanque y carga de sólidos. También se realizó un estudio comparativo de rendimientos, con estudios existentes, para los dos tipos de decantadores; de igual forma se consideraron en este estudio los resultados con diferentes modelos de sedimentación de aguas brutas. El estudio se completo con un análisis estadístico de varianzas ANOVA realizado a los datos, diferenciando entre decantación primaria y secundaria, que desveló diferencias estadísticamente significativas en el rendimiento de eliminación de sólidos en suspensión y materia orgánica en las diferentes cargas hidráulicas superficiales o velocidades ascensionales, indicando que este factor es en parte responsable de los diferentes valores de rendimiento obtenidos. CONCLUSIÓN Como conclusiones de síntesis de los resultados del trabajo y respuesta a los objetivos planteados en la presente investigación se han obtenido curvas de evolución de rendimientos según velocidad ascensional, que pueden servir de base, en condiciones ambientales y características del agua residual similares, para el diseño de decantadores primarios y secundarios. El efecto de la temperatura ambiental no ha resultado relevante sobre la temperatura de las muestras, que han alcanzado valores entre 21ºC y 24ºC para la experimentación de la decantación primaria y valores entre 25,5ºC y 27 ºC para la experimentación de la decantación secundaria, a pesar de producirse una mayor variación en las temperaturas ambiente medidas. Por lo que se puede concluir que a temperaturas por encima de 20ºC y con variaciones entre 1ºC y 3ºC, la temperatura no influye en el funcionamiento de las decantaciones. El rendimiento de eliminación de sólidos en suspensión en decantación secundaria, a las distintas profundidades del tanque, indican una considerable mejora a medida que disminuye la carga hidráulica o velocidad ascensional. Al mismo tiempo, vasc>1 m3/m2h, no facilitan en ningún momento la decantación de flóculos de licor mezcla.