Aireadores Mecánicos Aplicaciones | James C. Young Martin Balestie


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B&B LatAm TOP 5

Las dos funciones fundamentales

En el contexto de tratamiento biológico de efluentes, todos los aireadores [mecánicos]de superficie están diseñados para realizar o cumplir por lo menos dos funciones:

bombear líquido (relativamente hablando, cuanto más caudal mejor)
suministrar oxígeno “fragmentando” (“shearing”) la masa de líquido bombeado en gotas de manera que estas últimas, en su trayectoria en la atmósfera, incorporen oxígeno que integrarán al volver al seno de la masa acuosa de las lagunas o tanques.

Es importante remarcar que los distintos tipos de aireadores no presentan el mismo comportamiento tanto en contextos distintos como en cambios en las condiciones de proceso, e.g. nivel de agua.

La observación del punto 2. es fundamental para comprender porqué cierto tipo de aireadores mecánicos flotantes, aparentemente más eficientes, no lo son tales. Si comparamos aireadores de acople directo o alta velocidad (e.g. 4 – 6 polos, a 1500 – 965 rpm) con aireadores con elemento reductor o baja velocidad (e.g. 13.5 – 30 rpm por tomar algún valor ilustrativo), podemos ver que los aireadores de alta velocidad impulsan en muchos casos caudales de líquido menores y “poco abiertos” en cuanto a generación de gotas, esto es, groseramente, bombean líquido pero no lo separan lo suficiente, lo cual tampoco permite incorporar oxígeno en el tiempo de la trayectoria. Muchos aireadores de baja velocidad están diseñados cuidadosamente para maximizar la captación de oxígeno “en vuelo” y así lograr tasas de incorporación de oxígeno mayores, e.g. 20 – 25%.

Valores de transferencia "clásicos"

En un contexto de literatura y “opiniones” frecuentemente conflictiva ya legendario, de acuerdo a nuestros archivos, estimamos rangos de valores nominales para diseños “orden de magnitud”, por ejemplo:

a. 2.3 – 2.5 lbO2/hr por HP para aireadores mecánicos con acople directo

b. 3.125 lbO2/hr por HP para aireadores mecánicos con reducción

c. 1 lbO2/hr por HP para aireadores denominados de “aspiración”, salvo “modelos especiales”

Debe tenerse en cuenta que estos valores indican el posible comportamiento en condiciones “ideales” o standard, por lo cual el profesional responsable, además de estimar el rendimiento en condiciones de campo (en muchos casos AOR/SOR bastante desfavorables) debería diseñar “derrateando” cualquier valor nominal un 5, un 10 o un 15% para minimizar situaciones no previstas o tener en cada “paso” un saludable, pequeño márgen de seguridad en cada proceso unitario involucrado.

Las otras tres funciones fundamentales

Un aspecto frecuentemente “ignorado” (lamentablemente demasiado frecuente), tanto en muchas de las plantas que hemos analizado así como también en la literatura técnica (deberíamos decir mejor tal vez “semitécnica”), es que para realmente cumplir “su misión”, los aireadores deben cumplir por lo menos otras tres cosas más:

garantizar la distribución uniforme de oxígeno en todo el volúmen en cuestión, lo que identificaríamos como la dispersión, esto es, saber que a cada “rincón” del tanque le llegue su porción de oxígeno (una buena/uniforme distribución);
un buen grado de mezcla entre los distintos constitutivos de lo que “hay en la laguna”: biomasa, oxígeno, nutrientes, e.g. N, P, esenciales para que acontezca el proceso biológico; si no están en contacto poco proceso puede haber;
en ciertas condiciones, absolutamente NO permitir la decantación en el recipiente aireado de ningún tipo de sólido suspendido, incluyendo fundamentalmente la “masa trabajadora” (la biomasa)!

Densidad de potencia y régimen de operación

Para tener una idea de la gravedad del problema, si para cumplir con el punto 1. frecuentemente se especifica densidad de potencia del orden de simplemente 8 HP de aireador por aproximadamente 4,000 m3 de tanque o laguna (más exactamente 8 HP por 1 mg = 3785 m3), para cumplir con los otros puntos se especifica densidad de potencia fácilmente un orden de magnitud más, e.g. 70 - 100 HP por cada 4,000 m3 de tanque o laguna. En nuestro pequeño censo de “plantas con problemas” se destaca notoriamente este tipo de “distracción” que se manifiesta con inequívoca evidencia en por ejemplo antes de cumplirse un año desde la inauguración de la planta de tratamiento. Existen recomendaciones específicas, tanto en la literatura como en especialistas en aireación, para recurrir incluso a densidades de potencia mayores, e.g. 150 HP y más por 1 mg. Tanto por el tipo de industria, como por la aplicación involucrada (e.g. bioremediación en fase líquida), el dimensionamiento correcto del punto 5. debe ser evaluado o al menos reconocido como presente, ausente o “semi-semi.”

Nota: una densidad de 70 HP por 3785 m3 se considera “light” aunque Ud. no lo crea!

Para poder tener uniformidad de criterios nuestra definición recomendada de “mezcla completa” involucra que la concentración de sólidos suspendidos no varíe más allá de un 10%, por exceso o por defecto, de la concentración media en cualquier punto del tanque o laguna y que NO ocurra un significativo depósito o decantación en el fondo dicho reactor.

En cuanto a densidad de potencia también es importante comentar que en procesos unitarios como ecualizadores (o tanque de homogeneización) o lagunas de pulimiento, donde habitualmente sólo se requiere una adecuada dispersión de oxígeno, podemos pensar en densidades entre 5 y 20 HP por cada 3785 m3 de tanque.

En el caso de lagunas en serie o lagunas aireadas de tipo facultativo, i.e. sólo instalado el BHP necesario para oxidación y niveles de turbulencia para una dispersión de oxígeno satisfactoria, las pautas pueden oscilar entre 15 y 20 HP por 1 mg de tanque. En el caso de tres o cuatro lagunas en serie pueden adoptarse distintos criterios, e.g. más intensidad en la primera celda, proporcionalidad a la remoción prevista, zig-zag, valor mínimo por mg, e.g. 30 HP per 1 mg.

Otra manera de decir lo mismo

Probablemente una mejor manera de distribuir las unidades de aireación mecánica sea utilizando lo que podríamos decir “fórmulas de alcance o influencia” de estos equipos. Así podemos presentar las siguientes formulaciones, cuyos coeficientes dependen de cada equipo, a efectos de racionalizar un diseño dado:

1. diámetro estimado de la zona de mantenimiento de mezcla completa (+/- 10%):

dcm = 6.8744 * (HP ^ 0.4125)

2. diámetro estimado de la zona de dispersión de oxígeno adecuado

dod = a * (HP ^ b)

3. profundidad de agua "asociada" en función de potencia de la unidad

swd = a * (HP ^ b)

Si bien en definitiva estos valores dependen de cada fabricante y modelo, típicamente el diámetro de la zona de dispersión uniforme de oxígeno es digamos, aproximadamente tres veces el diámetro de la zona de mantenimiento de condiciones de mezcla completa, y en todos los casos el proyectista responsable tomará sus márgenes de seguridad de estos valores obtenidos en condiciones ideales. En cuanto a la profundidad de operación “óptima”, para aireadores mecánicos teóricamente cualquier profundidad es posible. Sin embargo, en forma práctica deberemos recordar lo siguiente:

a. es evidente que todo aireador tiene un valor máximo o límite en cuanto a hasta cuan profundo puede tomar o extraer líquido; si la profundidad de nuestro diseño es “excesiva” es obvio que habrá zonas a las cuales el aireador no accederá y por lo tanto del punto de vista de mezcla o productividad habrá “zonas ociosas”, si estamos considerando un diseño de mezcla completa, i.e. lodos activados con retorno (nota: esto puede ser intencional en diseños de secuencias de lagunas de mezcla parcial o facultativas); para el caso de que, por las razones que sean, deba trabajarse con profundidades mayores a la capacidad de la unidad en cuestión, algunos fabricantes ofrecen tubos de succión o unidades auxiliares instaladas más abajo;

b. en el caso de reactores de poca profundidad puede haber restricción en la capacidad de bombeo así como graves instancias de erosión de fondo.

Configuraciones más frecuentes: Ejemplo ilustrativo

Exclusivamente a efectos de visualizar posibles contextos de operación preliminares de aireadores mecánicos en dos configuraciones “clásicas” (a. sucesión o “serie” de lagunas aireadas de mezcla parcial y b.plantas compacta o planta de lodos activados) se incluyen los archivos ejemplo1.pdf y ejemplo2.pdf.

Básicamente las especificaciones requieren procesar 1600 m3/día de una pequeña industria láctea, con una DBO5 cercana a 300 mg/L, TKN supuesto 34 mg/L en ausencia de datos. La alternativa de lagunas se plantea resolver con tres celdas facultativas (mezcla parcial) y aireadas en forma proporcional a la remoción prevista. Del punto de vista de proceso se toma un f/m muy bajo pues el proyecto podría NO incluir pretratamiento mediante DAF lo cual duplicaría la DBO5 de entrada, y en un futuro podría requerir nitrificación. El particionamiento del sistema, que muestra solamente las dos primeras lagunas, probadamente mejora el rendimiento del sistema total. Se incluye asimismo distintos valores de AOR/SOR para tener una mejor apreciación de la capacidad a instalar. En forma similar, para tener una mejor perspectiva en cuanto a alternativas, se presentan valores de HP para mezcla en distintos niveles de densidad de potencia, y se incluyen estimativos para aireadores de alta velocidad, baja velocidad y aireación difusa de referencia. Si bien el diseño no incluye retorno de lodos, cualquier mecanismo de particionado y/o retorno de biomasa es de recomendación inequívoca, a efectos de reducir pérdidas o arrastre de biomasa (“washed out”) por ejemplo en instancias de excesiva precipitación.

El diseño de la planta compacta sigue lineamientos convencionales y supone inexistencia de clarificador primario. Al igual que en el caso anterior, y a modo de referencia o ilustración, se incluye dimensionamiento preliminar empleando aireadores de alta y baja velocidad así como un sistema de aireación difusa de referencia. Se calcula asimismo un clarificador secundario con una tasa hidráulica (300 gpd/sq.ft.) y decantación conservadora (0.7% SS en lodo) y su correspondiente tasa de recirculado según distintas edades de lodo. Sin incluir el dimensionamiento del espesador (gravedad o mesa espesadora), se estima generación de lodos a deshidratar con pautas establecidas como razonables para efluentes municipales.