Espesamiento de fangos mediante flotación por aire disuelto (DAF)

15 de diciembre de 2023 (Lectura 13 mins)
Jordi Fabregas

1. Introducción al espesamiento de fangos

Como consecuencia del tratamiento de las aguas residuales generadas en procesos industriales, se produce una concentración de residuos en forma de fangos, también denominados lodos, que pueden estar más o menos hidratados.

Los tratamientos de depuración de las aguas residuales se clasifican principalmente en procesos físicos, químicos y biológicos.

  • En el caso de los tratamientos fisicoquímicos, los fangos obtenidos son lodos frescos que están en forma de sólidos suspendidos en el agua (SST). Los fangos generados en procesos fisicoquímicos (fangos primarios), suelen están formados por materiales más densos que los procedentes de los tratamientos biológicos (fangos secundarios).
  • Por su parte, en los tratamientos biológicos y químicos se producen oxidaciones y reacciones que los transforman. Los fangos biológicos se componen de materia orgánica y mineral, así como de los restos de las bacterias que se alimentan de ellos (fangos activos). La densidad de estos fangos es menor que los primarios y son más difíciles de deshidratar.

Las plantas de tratamiento de efluentes disponen de una línea de tratamiento de aguas y otra línea para el tratamiento de fangos. El objetivo es obtener un agua que cumpla con los parámetros que les exigen las normas aplicables, y reducir el volumen de los fangos hasta que puedan ser enviados a un vertedero, o bien utilizados en compostaje, o para la producción de subproductos.

Como hemos visto, uno de los objetivos principales es reducir lo máximo posible el volumen del fango. En la mayor parte de vertederos se exige una concentración de MS mínima del 30%, que es solo obtenible por medios mecánicos (filtros prensa, filtros banda, centrífugas…), o bien por sistemas térmicos de secado.

Un proceso intermedio que reduce el tamaño de las costosas instalaciones de secado de fangos es el del espesamiento, o deshidratación.

2. Espesamiento de fangos en aguas residuales

El espesamiento de lodos es un proceso que se utiliza para reducir el volumen del fango antes de llevar a cabo cualquier otro tratamiento de deshidratación. Las dos fuentes principales de producción de fangos son el tratamiento primario y el secundario. Los sólidos sedimentados que se retiran del fondo de los decantadores primarios y secundarios son una mezcla acuosa que contiene los sólidos suspendidos separados. A esta mezcla la denominamos fangos o lodos.

Los fangos producidos en el tratamiento primario y secundario de la línea de agua de una EDAR presentan las siguientes características:

  • Tienen una gran cantidad de agua (95-99%), por lo que ocupan un volumen importante y son de difícil manipulación.
  • Tienen gran cantidad de materia orgánica, por lo que entran fácilmente en descomposición (putrefacción), produciendo malos olores.
  • Poseen una gran cantidad de organismos patógenos, causantes de enfermedades.

Todo ello hace que deban procesarse con sumo cuidado. Su tratamiento consta de tres fases, diseñadas para reducir al máximo los problemas anteriormente citados:

  • Reducción del agua presente en los fangos para reducir su volumen.                                         
  • Estabilización de la materia orgánica para evitar problemas de fermentación y putrefacción.
  • Conseguir una textura adecuada para que resulten manejables y transportables.

La cantidad y las propiedades del fango a tratar en una planta depuradora va a depender de las características de las aguas residuales de procedencia, así como del tratamiento a que sean sometidas.

El origen y principales características de los fangos son:

a) Fangos primarios:

Se originan en la decantación primaria. Estos fangos no han sufrido un tratamiento biológico, ni se han descompuesto, por lo que son altamente inestables y putrescibles. Al cabo de cierto tiempo producen mal olor. Un 60 % de estos fangos se consideran sedimentables.

Su color es normalmente gris, con altos contenidos de sólidos biodegradables y otros tipos de desechos. Liberan fácilmente su agua de constitución y se espesan bien. Su contenido en humedad varía entre el 95-99%.

b) Fangos biológicos

Se denominan comúnmente fangos en exceso y proceden del proceso de fangos activados. Suelen ser de color marrón oscuro, y su contenido en materia orgánica está parcialmente descompuesto.

Tienen un olor a tierra húmeda, no desagradable, pero, en su descomposición posterior, se hacen sépticos y producen malos olores. Su contenido en humedad varía entre el 98-99.5% y son difíciles de concentrar.

Pueden espesarse directamente, o enviarse a la decantación primaria, donde decantan juntamente con los fangos primarios, dando lugar a los fangos mixtos.

c) Fangos digeridos aeróbicamente

Son fangos de color marrón oscuro. Tienen apariencia floculada y su olor no es especialmente fuerte.

d) Fangos de precipitación química

Su velocidad de descomposición es algo menor que la de los primarios. Son de color oscuro, rojizo si tienen mucho hierro. El olor puede ser desagradable, aunque no tanto como el de los fangos primarios.

3. Espesamiento de fangos de aguas residuales por sedimentación

El espesamiento de fangos por sedimentación, o espesado mecánico, es un proceso que se desarrolla en equipos de planta circular que contienen un puente que gira lentamente, y está provisto de rasquetas de fondo. El puente tiene incluido un conjunto de picas verticales que facilitan la eliminación de compuestos volátiles al abrir surcos en el manto de fangos, facilitando así el espesado.

Las rasquetas del fondo barren el lodo espesado hasta una salida, desde donde se purga periódicamente.

Habitualmente se dispone de un limitador de par en el motor de accionamiento, a fin de evitar que se atasque el puente giratorio y se produzcan averías.

La altura total de estos equipos no suele superar los 3,5 metros, y la inclinación de las paredes del fondo es del orden del 15%.

El dimensionamiento de un espesador mecánico se basa en la curva de sedimentación del fango, de acuerdo con la teoría de Kynch, según la cual, la velocidad de caída de un tipo de partícula depende únicamente de la concentración local en dicha partícula.  

La zonat1 – t2   corresponde a los decantadores de tipo hidráulico vertical con lecho de fangos fijo.  A partir del punto t2 se produce un descenso progresivo en la velocidad de caída de las partículas sólidas, hasta el punto t3 en que los sólidos se tocan y ejercen una compresión sobre las capas inferiores. Esta zona t2 – t3 se utiliza para los espesadores mecánicos de fangos.

En un espesador mecánico de fangos, la carga específica está entre 25 y 70 Kg MS/m2. d. A lo largo de la operación, se mantiene una amplia capa de fango en el fondo para facilitar que se concentre mejor. Una variable operacional de estos equipos es la relación de volumen de fango (RVF), que es el volumen de la capa de fangos de espesador dividido por el volumen de fango espesado a diario. Los valores de RVF oscilan entre 0,5 y 2 días, siendo los valores más bajos los del tiempo cálidos.

4. Espesamiento de fangos utilizando Flotación por aire disuelto (DAF)

La flotación por aire disuelto (DAF) es una técnica que se emplea para la separación de partículas sólidas, líquidos y separación/espesamiento de lodos.

En este proceso, los lodos ascienden a una velocidad mucho mayor que la de una sedimentación por gravedad. Este lodo, ya espeso, es recogido en la superficie del flotador mediante un sistema de rasquetas. Los equipos DAF logran muy altos rendimientos en plantas de tratamiento urbanas e industriales.

En comparación con otros sistemas de espesamiento de lodos, la flotación por aire disuelto (DAF) tiene varias ventajas:

  • En primer lugar, el proceso de DAF es más rápido que la sedimentación por gravedad, lo que permite un mayor rendimiento en aplicaciones para plantas de tratamiento de aguas residuales . 
  • En segundo lugar, la flotación DAF es más efectiva en la eliminación de partículas finas y coloides que la sedimentación por gravedad. 
  • Además, los equipos DAF pueden manejar cargas de sólidos más altas, lo que resulta en una mayor eficiencia en la separación de sólidos y líquidos. 

Los DAF también se usan como sistemas de separación fisicoquímicos de lodos biológicos, ya que con el mismo caudal tratado, ocupan aproximadamente 5 veces menos espacio que un sedimentador estático. Además, pueden usarse para espesar lodos ya separados, y generalmente permiten aumentar la concentración de lodos hasta un 8-10% de materia seca, dependiendo de su procedencia.

Esquema espesador de fangos DAF

La flotación por aire disuelto (DAF) es un proceso que se emplea para la separación de partículas sólidas de los líquidos que las contienen. En este proceso, las partículas sólidas se adhieren a burbujas de aire muy finas, lo que les confiere una velocidad de ascensión muy rápida. Las burbujas de aire se generan mediante la disolución de aire en agua, a alta presión, y su posterior despresurización y liberación en un tanque de flotación.

SIGMADAF ha instalado equipos DAF para la separación de TSS en clarificación primaria y secundaria, así como en el espesamiento de fangos.

La coagulación / floculación previa favorece la eficiencia de los DAF, y el incremento de deshidratación de los lodos.

SIGMADAF propone una amplia gama de flotadores DAF para estas aplicaciones:

  • SIGMADAF FPAC Compact:  Desde 3 – 200 m3/h construidos en tanque metálicos.
  • SIGMADAF FPAC-CW:  Desde 1000 – 4000 m3/h en t anques construidos en hormigón.
  • SIGMADAF FPHF Compact: Desde 100 – 1000 m3/h Equipos compactos en metal o plástico.

Todos estos equipos resisten la acción de altas salinidades en los efluentes.

Diseño del Flotador por Aire Disuelto

Si consideramos un sistema de flotación DAF frente a la utilización en decantadores primarios y secundarios, observamos que los equipos de flotación tienen importantes ventajas sobre las tecnologías de sedimentación convencionales, ya que su velocidad ascensional es aproximadamente 5 veces mayor que la velocidad de decantación en clarificador por gravedad, lo que ahorra tiempo y espacio.      

La superficie del equipo se decide en base a parámetros como la carga de sólidos y la carga superficial (también conocida como velocidad ascensional). La carga de sólidos se expresa en kgSS/(m²·d) y la carga superficial en m³/(m²·h). Los valores típicos para estos parámetros son: 50-100 kgSS/(m²·d) y 3-5 m³/(m²·h).

El flotador por aire disuelto puede diseñarse con o sin recirculación, según las necesidades específicas de la depuradora.

Espesamiento de los Fangos Flotados

Para deshidratar los fangos flotados, se utiliza un sistema estático basado en placas inclinadasy un scraper de movimiento simple. Este sistema logra un contenido en sólidos secos 3 a 4 veces superior a cualquier sistema convencional. 

La flotación con aire presurizado se utiliza, normalmente, para el espesamiento de fangos activados y la recuperación de fibras celulósicas, pero también es aplicable para fangos más espesos, como es la mezcla resultante de fangos primarios y fangos activados.

Aunque suele dosificarse floculante para ayudar al proceso, también se puede hacer el espesamiento sin adición de este producto, pero con concentraciones de MS inferiores.

El dimensionamiento de los flotadores para espesado de lodos se calcula en base a los siguientes parámetros:

ParámetroValores diseño
Carga específica5 – 10 Kg de MS/m2.h
Velocidad1 – 3 m3/m2.h
Concentración fangos activados flotantes30 – 50 g/l
Fangos primarios + activados flotantes50 – 70 g/l
Masa volúmica manto flotantes0,75 – 0,9 kg/l

En resumen, un sistema DAF es una herramienta eficaz para concentrar fangos en las plantas de depuración de aguas residuales, reduciendo su volumen y facilitando su posterior tratamiento.

5. Comparativo espesamiento de fangos mediante tecnología DAF y tecnología con sedimentadores mecánicos

La Flotación por Aire Disuelto (DAF) y el Espesador de Gravedad son dos tecnologías utilizadas para el espesamiento de fangos en las líneas de  fangos de plantas depuradoras de aguas residuales. A continuación, comparamos sus ventajas e inconvenientes:

Espesador por Flotación por Aire Disuelto (DAF)

Ventajas:

  • Eficiencia de Espesamiento: El DAF logra una alta concentración de sólidos suspendidos en el agua mediante la formación de microburbujas de aire. Esto reduce significativamente el volumen de los fangos. La concentración obtenible en los fangos espesados es del orden del 4 – 6%, con mezclas de fango primario y fango activo en exceso (incluso ≥ 8%). La utilización de polielectrolitos como agentes floculantes del fango, permiten mejorar la separación de sólidos desde el 85% hasta el 98 – 99%
  • Rápida Separación: La flotación permite una separación rápida de los sólidos, lo que es beneficioso en situaciones con alta carga de fangos.                                                                       
  • Menor Espacio Requerido: El DAF ocupa menos espacio que los espesadores de gravedad.

Inconvenientes:

  • Costos Iniciales: La tecnología de inyección de microburbujas de aire y los sistemas de recirculación pueden aumentar los costos iniciales.
  • Consumo de Energía: Requiere mayor energía eléctrica para generar microburbujas y recircular el fango.

Espesador de Gravedad:

Ventajas:

  1. Costos Iniciales Bajos: Los espesadores de gravedad son más económicos en términos de inversión inicial.
  2. Menor Consumo de Energía: No requieren sistemas de aireación, lo que reduce los costos operativos.
  3. Robustez: Son equipos simples y robustos.

Inconvenientes:

  1. Velocidad de Espesamiento: La velocidad de los fangos es sensiblemente menor que en el DAF.
  2. Mayor Espacio Requerido: Ocupan más espacio en la planta.
  3. Menor Eficiencia: La concentración de sólidos no es tan alta como en el DAF.

Comparativo de costes

El proceso DAF es una opción eficaz para la concentración de fangos en lasplantas depuradoras de aguas residuales. Sin embargo, es importante considerar los costos en comparación con otros procesos. A continuación, planteamos algunas consideraciones:

Costos de Inversión Inicial

  1. El DAF requiere una inversión inicial para la adquisición e instalación del equipo. En comparación con otros procesos, como los decantadores convencionales, puede ser más costoso debido al sistema de compresión, descompresión de aire y la necesidad de sistemas de recirculación.
  2. Otros procesos, como los decantadores, pueden tener costos iniciales más bajos en equipos mecánicos, pero también debe evaluarse la obra civil precisa para equipos más grandes.          

Costos Operativos

  1. Los costos operativos del DAF incluyen energía eléctrica para la generación de microburbujas por compresión y disolución de aire y la recirculación del fango. Estos costos pueden variar según el tamaño de la planta y la eficiencia del equipo.
  2. En comparación, los decantadores convencionales tienen costos operativos más bajos, ya que no requieren sistemas de aireación.

Eficiencia y Ahorro de Espacio

  1. El DAF ofrece una mayor velocidad ascensional de los fangos, lo que ahorra espacio en la planta. Esto puede ser beneficioso en áreas con limitaciones de espacio.

Costos de Mantenimiento y Reparación

  1. El mantenimiento y las reparaciones del DAF pueden ser más costosos debido a la complejidad de los sistemas de aireación y recirculación.
  2. Los espesadores mecánicos y otros procesos más simples pueden tener costos de mantenimiento más bajos.

Secado de fangos A pesar de su eficacia, el DAF no es adecuado para alcanzar concentraciones de sólidos extremadamente altas. No obstante, sí que puede mejorar los procesos alternativos, y por ello, reducir el tamaño y el coste de los sistemas de deshidratación posteriores.

Para obtener fangos más concentrados se utilizan otros sistemas, como los filtros prensa o las centrifugadoras.

Tipo de fango% MS Sin espesar% MS EspesadoCarga sólidos (kg/m2.h)
Fangos separados   
Fango primario2,5 – 5,58 – 104 – 6
Filtro percolador4 – 77 – 91,6 – 2
Aireación modificada2 – 44,3 – 7,91,4 – 3,7
Activado0,5 – 1,22,5 – 3,30.8 – 1,6
    
Fangos combinados   
Primario y filtro percolador3 – 67 – 92,4 – 4
Primario y aireación modificada3 – 48,3 – 11,62,4 – 4
Primario y activado2,6 – 4,84,6 – 91,6 – 3,2

Concentraciones de fangos espesados y sin espesar y cargas de sólidos para espesadores mecánicos (Metcalf – Eddy.  Ed. Labor)

En las plantas de fangos activos que utilizan digestión, conviene que se espese el fango activado en exceso, o el fango crudo combinado previamente a la digestión, para reducir costes de construcción y operativos.

Las consideraciones a tener en cuenta al diseñar un espesador son:

  • Dotarle de suficiente capacidad, para satisfacer las demandas punta.
  • Evitar la septicidad y los problemas de olor inherentes que se presentan durante este proceso.
Tipo de fangoCarga en kg/m2. h
Activado (líquido mezcla)1 – 3
Activado (sedimentado)2 – 4
50% primario + 50% activado4 – 8
Solo primarioHasta 10

Carga de cálculo en los DAF partiendo de distintos tipos de fangos

Es preferible utilizar el efluente de la planta, en lugar del efluente de la flotación, para la recirculación presurizada, debido a la posibilidad de ensuciar los equipos que la componen.

6. Conclusión

Los fangos producidos en las depuradoras de aguas residuales deben ser concentrados y tratados, hasta valores de carga e inertización que haga viable su envío a vertederos autorizados. Habitualmente se utilizan sistemas decantación y espesamiento por gravedad (espesamiento mecánico), o sistemas de clarificación y espesamiento por equipos de flotación de aire disuelto (DAF).

El proceso DAF es más eficiente en términos de concentración y separación de sólidos, pero puede ser más costoso en inversión y energía. El espesador de gravedad es más económico y robusto, pero requiere más espacio y obra civil de mayor tamaño. La elección depende de las necesidades específicas de cada planta y su presupuesto disponible.

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