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Aún circunscribiéndonos en esta presentación al caso de zanjas de oxidación, (vs. otras implementaciones de aireación extendida), no es posible indicar criterios de diseño transferibles o genéricos, dado que existe un gran número de variantes o variaciones.
Dentro de las tecnologías o configuraciones disponibles comentaremos brevemente aquellas que de alguna manera derivaron del trabajo pionero de Dr. Pasveer, los valles o zanjas de oxidación, y cuyos canales conforman formas similares a órbitas, óvalos, anillos o herraduras/(letra U). Las modificaciones posteriores al sencillo circuito de Pasveer incluyeron conexión en serie de los tanques, empleo de múltiples zonas de aireación, disposición anidada o mediante meandros o bucles. En algunos casos las patentes originales sólo cubrían el diseño del aireador empleado y no la configuración o circuito, e.g. sistemas orbitales. Veamos un ejemplo numérico de proyecto concreto reciente de una configuración UCT, alternativa extremadamente atractiva.
| SRT Sludge Age Sizer | 9/18/2018 | |||||||||||||
| T | 20 | °C | T | 20 | °C | T | 20 | °C | ||||||
| Yoc | 0.5 | Yon | 0.31 | Ydn | 2.28 | |||||||||
| Kd | 0.200 | Kd | 0.200 | Kd | 0.200 | |||||||||
| flow in | 2000 | m3/d | 0.528 | mgd | ||||||||||
| CODin | 483 | mg/L | 2126 | lbCOD/day | 964 | kgCOD/day | TKNin | 44 | mg/L | |||||
| TKNin | 44 | mg/L | (for nitrif!) | 194 | lbTKN/day | 88 | kgTKN/day | |||||||
| Nitrates | 44 | mg/L | 194 | lbCOD/day | 88 | kgNO3/day | 0 | used up for COD removal/growth | ||||||
| nVSS | 0 | mg/L | 0 | lbSS/day | 0 | kgSS/day | TKNin used for growth | 0 | mg/L | |||||
| Percent | 100 | % Treated | 964 | kgCOD/day | TKNin avail for nitrification | 44 | mg/L | |||||||
| Percent | 95 | % COD removed | 916 | kgCOD/day | ||||||||||
| Vreactor | 899300 | gallon | 3404 | m3 | (from order of magnitude sizing) | |||||||||
| 0.8993 | mg | 0.28 | kgCOD/day per m3 | |||||||||||
| Target MLVSS | ballpark bug mix | |||||||||||||
| 1086 | mg/L | heterotrophs | 3690 | kg heterotrophs | 1086 | mg/L | 68 | % of Target MLVSS | ||||||
| 61.5 | mg/L | nitrifiers | 209 | kg nitrifiers | 62 | mg/L | 4 | % of Target MLVSS | ||||||
| 450 | mg/L | denitrifiers | 1529 | kg denitrifiers | 450 | mg/L | 28 | % of Target MLVSS | ||||||
| 0 | mg/L | other solids | 0 | kg other | 0 | mg/L | 0 | % other | (this entry's not used) | |||||
| 1598 | mg/L | |||||||||||||
| 1598 | mg/L | 11967 | lb bugs | 5428 | kg bugs | |||||||||
| Heterotrophic Calcs | ||||||||||||||
| SRT | 30.04 | days | (iterates automatically) | |||||||||||
| Yn = | 0.134 | |||||||||||||
| biomass yield = | 123 | kg/day bugs | ||||||||||||
| Global Sludge Age | ||||||||||||||
| Nitrifiers | 30.01414 | 181 | kg/day | |||||||||||
| SRT | 30.16 | days | (iterates automatically) | synthesis | ||||||||||
| Yn = | 0.083 | |||||||||||||
| biomass yield = | 7 | kg/day bugs | ||||||||||||
| Denitrifiers | ||||||||||||||
| SRT | 29.93 | days | (iterates automatically) | |||||||||||
| Yn = | 0.612 | |||||||||||||
| biomass yield = | 51 | kg/day bugs | ||||||||||||
| HRT = V / Q = | 1.7 | days | ||||||||||||
El encanto de los sistemas orbitales es que ilustran muy bien las mismas etapas de procesos posteriores/sofisticados, e.g. A2/O (anaerobic/anoxic/oxic), incorporando tres zonas claramente diferenciadas: una primera zona anaeróbica (con deficit de oxígeno) para predisponer remoción biológica de fósforo, una segunda zona anóxica para denitrificación y pre-remoción de DBO5, y una tercera zona o celda óxica, concentrada en remoción de DBO5 y nitrificación.
El caso de los sistemas orbitales es especialmente atractivo dado que las pautas de diseño se han documentado de manera muy extensa. En configuraciones municipales frecuentemente se distribuye el volumen total de la instalación asignando un 50% a la celda anaeróbica (visando promoción de nitrificación y denitrificación simultánea en dicha zona), un tercio del volumen total para la zona anóxica con niveles de oxígeno disuelto oscilando entre 0 y 2 mg/L en el transcurso del día, y una tercer celda de pulimiento, en la cual se mantendrá 2 mg/L. La mayoría de los nitratos formados en la segunda y la tercera celda son enviados a la primer celda, lo cual genera créditos de oxígeno por ejemplo asumiendo lograr sólo el 80% de denitrificación y dentro de esto sólo poder recuperar un 50%. En estos casos se especifica poco más del 50% de entrega de oxígeno para el primer canal, aproximadamente un 30% al segundo canal y el resto al tercero.
En forma alternativa uede asignarse en volumen total de la instalación prescribiendo dos tercios a la primera celda, poco más de 20% para la segunda zona y el resto para la zona de pulimiento. En este caso se destina un 70% del oxígeno base al primer canal, 18% para el segundo y el resto al tercero.
En todos los casos debe incluirse un margen de seguridad, 1.3. – 1.5, e incluso más, como ya mencionáramos en otros ejemplos.
La implementación de sistemas orbitales y sus variantes puede llevarse a cabo empleando aireadores mecánicos de alta eficiencia (caja de reducción), rotores horizontales, o discos aireadores mecánicos. Las eficiencias en condiciones standard de las dos primeras alternativas (mecánicas) son bien conocidas. En el último caso, variando según la velocidad de rotación, e.g. 40-50 rpm, y submergencia, e.g. 50 cm, pueden entregar entre 1.1 y 2.5 lbO2/h requiriendo entre 0.4 y 0.9 HP en forma unitaria, dependiendo además del régimen de funcionamiento de los mismos, i.e. base vs. apex.
A continuación presentaremos el dimensionamiento de un sistema orbital “genérico”, fundamentalmente a efectos ilustrativos, comentando pautas de diseño simplificadas de manera de poder esbozar la “solución” sin tener que apelar a herramientas de cálculo sofisticadas, i.e. programas de selección o dimensionamiento de las distintas casas matrices o especialistas. Según sea el sistema de aireación seleccionado, i.e. turbina eje vertical, rotor eje horizontal, discos mecánicos, aireación difusa, deberá modificarse lo que llamaríamos un procedimiento standard, a los efectos de obtener un diseño preliminar/orden de magnitud.
El valor central del tiempo de detención hidráulica puede pensarse alrededor de 1 día o 24 horas. En el caso de aplicaciones municipales, con rangos de DBO5 digamos entre 150 mg/L y 250 mg/L podemos proponer como tiempo de detención (horas) preliminar aproximadamente un 12% del valor de DBO5 especificado:
tiempo de detención (horas) = ca. DBO5 * 0.12
Por ejemplo, supongamos la aplicación indique DBO5 = 190 mg/L, asignaríamos entonces 22.8 horas de tiempo de retención hidráulico. Enfaticemos que la determinación definitiva deberá estar dentro de la responsabilidad del proyectista teniendo en cuenta el porte de la planta, caracterización del efluente, misión a cumplir (niveles de descarga), régimen de operación previsto.
Fijado el tiempo de detención hidráulica y conocido el caudal, queda automáticamente determinado el volumen de tanque requerido por la aplicación, al menos idealmente, como sigue:
V = Q * t = e.g. 10,000 m3/día * 0.5 = 5,000 m3
Tal como anotáramos anteriormente podemos optar por subdividir el volumen en típicamente una de dos formas, i.e. 50/33/17 o 65/23/12, correspondiendo respectivamente asignaciones de oxígeno de proceso 55/30/15 y 70/18/12.
Tomando un único coeficiente (0.93), común para todos los canales o celdas, pretenderemos englobar groseramente en él todas las correcciones por temperatura, altitud, alfa y beta. En la realidad emplearíamos coeficientes discriminados/calculados para cada celda o canal específico, e.g. 0.747 para la primera celda, 0.647 para la segunda.
De todas maneras podemos mejorar la aproximación introduciendo la correción adicional según el nivel de oxígeno disuelto especificado para cada celda o canal, empleando la fórmula siguiente:
factor de corrección = (9.07 - o.d. en mg/L) / 9.07
Para los clásicos valores empleados obtendríamos por ejemplo la siguente tablita:
0 mg/L 1.0
1 mg/L 0.89
2 mg/L 0.78
Suponiendo instalar un sistema de aireación de discos mecánicos de aireación a digamos 53cm, variando la velocidad de rotación entre aproximadamente 40 y 55 rpm, obtendríamos 0.75 kgO2/h y 1.1 kgO2/h por disco mecánico, requiriendo respectivamente entre casi 0.5 HP y 0.83 HP por disco.
Estipulando un margen de seguridad o reserva, frecuentemente alto, e.g. 60%, sea como previsión de capacidad o ampliación, podemos determinar tanto la cantidad de discos como el BHP del sistema, con frecuencia propuesto nominalmente equivaliendo a un sistema de aireación mecánica empleando aireadores de acople directo y hélice tornillo Arquímedes con AOR/SOR = 0.55
Imponiendo finalmente que el largo de la zanja sea aproximadamente seis veces el ancho de la misma, respetando velocidades de líquido entre 0.25 y 0.35 m/s, adoptando una profundidad de líquido, e.g. 3m, y espesor de pared 30 cm, podemos determinar fácilmente las dimensiones de la obra civil involucrada,
Si hemos llevado a cabo la aritmética correctamente, deberemos poder verificar cocientes carga orgánica/inventario de biomasa cercanos a 0.05 – 0.1, cargas orgánicas por unidad de volumen no mayores a 15-20 lbBOD/day per 1,000 cu.ft. y significativos caudales de circulación de líquído a lo largo de los canales, e.g. 64 veces el caudal (m3/día) del proyecto.
