Biodiscos y CBR

8/18/2019 Biodiscos y CBR

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TECNOLOGÍAS NO CONVENCIONALES

I MASTER EN INGENIERÍA DEL AGUA177

6.- BIODISCOS Y CBR (CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATIVOS)

Consiste en una serie de discos, los cuales suelen tener 3 m dediámetro y 1.5 m de espesor que giran en torno a un eje horizontal conseparaciones de 20-25 mm. El eje se sitúa dentro de un recipiente lleno deagua, de forma que la parte sumergida de los discos sea de un 40%, demanera que cuando este en funcionamiento y empiece a rotar quedenexpuestos sucesivamente al aire y al agua residual. Los discos giranlentamente entre 1-4 rpm.

Sobre el soporte se ira formando una película biomasa bacteriana, quecuando se encuentre expuesta al aire tomara oxigeno, y cuando se encuentresumergida cogerá nutrientes del agua residual. Se estima que el 95% de labiomasa activa que esta en el sistema se halla adherida, y el resto seencuentra en suspensión.

El espesor de la película oscila entre 0.2 y 3 mm, dependiendo de laconcentración de sustratos, si esta es baja o alta respectivamente. Elcrecimiento de biopelícula continua hasta que llega un momento en que nollega oxígeno a las capas mas profundas, entonces se produce eldesprendimiento de la capa bacteriana, quedando un lodo en suspensión quese extrae mediante clarificadores secundarios. Después del desprendimientocomenzara la formación de una nueva película. Así indefinidamente.

El agua de los CBR tiene que cumplir unos requisitos,

1- No debe contener grasas ni SS para lo cual debe pasar previamentepor un pretratamiento y una decantación primaria.

2- Tampoco puede contener elementos tóxicos o inhibidores de losprocesos biológicos.

3- La contaminación tiene que ser biodegradable.


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Entre las ventajas e inconvenientes de los CBR hay que destacar lassiguientes:

Ventajas:-No requiere personal especializado para el mantenimiento que controle

las constantes del proceso.

-No es necesario controlar el oxígeno disuelto en el depósito detratamiento, ni la concentración del licor de mezcla.

-El nivel de ruidos es bajo.

-No existen olores ni aerosoles.

-Las dimensiones de los depósitos de oxidación son menores que losutilizados por otros procesos, y debido a esto, los costes de instalación seabaratan considerablemente.

-El rendimiento del proceso es más estable en épocas frías debido alhecho de permanecer cubiertos los tanques.

-El consumo energético es muy reducido y a igualdad de resultados,comparado con un sistema de fangos activos, el consumo resulta ser la terceraparte.

-Sencillez de funcionamiento.

-Buena respuesta ante tóxicos.

-No es necesario la recirculación de fangos del decantador secundario ala zona biológica.

Inconvenientes:

-Alto gasto de inversión inicial.

-Necesidad de material soporte inicial.

DISEÑO DE BIODISCOS

Para el diseño de biodiscos se pueden tener en cuenta los siguientesmodelos:

a) SHULZE:

dS/dt = -K`S; S/S0=10-k` log(S/S0)=-K.(A/Q)

donde:


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K: ( m-2.m3.d-1 ) constante de Schulze. A: Superficie total del soporte.Q: Caudal tratado en ( m3.d-1 )

S0 Carga del agua a tratar ( mg DBO.l

-1

)b) KORNEGAY Y ANDREWS:

Q ( S0 – S 1 ) = C.A.(S 1 / ( K S + S 1 ))

donde:

C = La capacidad máxima de depuración (g DBO.m-2.d-1)KS = Constante de saturación del biofilm ( mg DBO.l

-1)

c) ECKENFELDER:

Q/A(S0 – S 1) = K.S1

donde:

K: Constante de conética del modelo de Eckenfelder.

d) PÖPEL:

A=(0.022Q(S0 – S i)1.4) / Si

0.4

donde:

S0: Carga de DBO inicial (g/m3).

Si: Carga de DBO en el efluente deetapa i (g/m3).

A: Superficie (m2),Q: Caudal (m3/día).

e) HANSFORD:

S=QS0/ (Q+Q0(1+b11+b12/(1+K1))+KL AS(K1/(K1+1)))

donde:

K1: Constante adimensional del modelo de Hansford. AS: Superficie sumergida (m

2).KL: Coeficiente de transportes líquido/biofilm (m.d

-1)b11 y b 12 : Elementos de la matriz para valorar la evolución de la DBO con elgiro del tambor.

PREDISEÑO:


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A nivel de anteproyecto puede dimensionarse el sistema en función de lacarga orgánica y carga hidráulica. Son valores medios:

-

Carga orgánica entre 0.03 – 0.15 kg DBO u/m

2

.d. considerando lasuperficie total.- Carga hidráulica 0.2 m 3/m2.d- Tiempo de retención > 0.5 h por etapa. ; > 1.5 – 3.0 h. en total.

En el cálculo de los biodiscos y biocilindros se emplea el parámetro de la(SDBO), o DBO soluble, como base de la formación de la película biológica enbiodiscos y biocilindros. La DBO no soluble se elimina en el decantador primario y en los flóculos formados en el reactor biológico y eliminados en ladecantación secundaria. Se considera como (SDBO) la DBO no eliminable por filtración. Normalmente para aguas urbanas las aguas de entrada tienen una

(SDBO) del orden del 35-40% de la DBO y las aguas decantadas un 50-55%de la DBO.

Los biodiscos pueden utilizarse igualmente para la eliminación denitrógeno, precisándose primero una reducción de la DBO a valores inferiores a30 mg/l, precisando igualmente 7.14 mg de alcalinidad por cada mg deNitrógeno amoniacal eliminado.

El incremento de lodo producido en el reactor biológico debido a lautilización del substrato, puede considerarse como SS = 0.96 ((SDBO) E –(SDBO)S).

Cuando exista la posibilidad de vertidos industriales, deberá tenerse encuenta las substancias que puedan inhibir el proceso. Así habrá que considerar los valores de las siguientes tablas.

SUSTANCIAS INHIBIDORAS

Sustancias que pueden inhibir la reducción de la DBO Amoniaco Cobre Mercurio Arsénico Cianuros Niquel Boro Hierro Plata Cadmio Plomo Cinc Cromo(tri o texa) Magneso Fenoles


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SUSTANCIAS INHIBIDORAS DE NITRIFICACIÓN

Concentración de sustancias que pueden inhibir la nitrificaciónSubstancia mg/l Substancia mg/l

Cromo(hexal) 0.2Cobre 0.05Cianuros 0.3Plomo 0.5Magnesio 50.0

Niquel 0.025Sulfatos 500.0Cinc 0.1Fenol 5.02-dinitro Fenol 150.0

Como consideraciones generales para el dimensionado, deberáintentarse regular los caudales y las cargas, buscando una situación defuncionamiento con valores medios, lo que permitirá reducir las dimensiones de

la depuradora.

La carga orgánica se puede basar también sobre el caudal medio diario,a menos que la relación entre la punta y la media sea superior a 2.5, o semantengan por periodos superiores a las dos horas.

DIMENSIONADO DE LOS BIODISCOS

De la ecuación de conservación del sustrato, en condiciones de régimen,se tiene:

Q.S=QS0-RC.A

donde:

Q = Caudal del proyecto (m3/d)S0= Concentración del sustrato en entrada (mg/l)S= Concentración del sustrato en salida (mg/l)Rc= Sustrato específico consumido (g/m

2.d) A= Superficie de los rotores (m2)

a) Tratamiento para eliminación de DBO:

Siendo en la expresión anterior:

S 0=(SDBO5)E en entrada S=(SDBO 5)S en salida

Se tiene:

A=(Q(S0-S).Tc.P)/Rc


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Donde se han incorporado dos factores:

- Para tener en cuenta la repercusión de la temperatura se ha

introducido un factor Tc.- Para tener en cuenta el estado de aireación de las aguas

residuales, se introduce un factor P.

Para calcular Rc, (g/m2.d) de (SDBO5) eliminado, en el caso de aguas

urbanas domésticas o similares, se utiliza la ecuación de Monod. Así se tiene:

Rc = 19.4.S/(15.1+S)

Siendo S la (SDBO5)S

Con otro tipos de aguas será necesario hallar la cinética de la reacciónmediante pruebas de laboratorio.

Para el cálculo de Tc se puede considerar la siguiente ecuación:

Tc = 1.0537(12.7-T)

Válida para temperaturas a los 12.7ºC. Para temperaturas iguales osuperiores los 12.7ºC, Tc=1 siendo T la temperatura en ºC.

Para el cálculo de P se toma:

P=1; para aguas no tratadas previamente o pretratadas aeróbicamente.

P=1.5; para aguas tratadas anaeróbicamente (fosas sépticas).

En los procesos por biodisco o biocilindro convendría establecer cuatrofases, colocando módulos diferenciados o tabicando. Es conveniente enconsecuencia prever una distribución en etapas. A la primera etapa podráaplicarse una carga específica inferior a 24.4 g/m2.d .A la segunda etapa podráaplicarse una carga específica inferior a 12.4 g/m2.d, teniendo presente que laeliminación durante la primera etapa se puede calcular aproximadamente en el60% de la /SDBO5)E.

b) Eliminación de la DBO y nitrógeno amoniacal:

Entrando en la ecuación de conservación, se tiene:

Q.S = Q.S 0 – R N.AN S 0 = (NH 4

+)E S = (NH4

+)S


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Se tiene:

AN = (Q(S 0-S).TN)/RN

Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce unfactor TN.

Para el cálculo de RN, (g/m2.d) del NH4

+ eliminado se utiliza una fórmulaque tiene en cuenta la cinética que depende de (NH4

+)E y de (NH 4+)S

RN = (NH 4+)S.(NH4

+)E / ( (NH 4+)E+(NH4

+)S+0.05(NH4+)E(NH4

+)S)

Para el cálculo de TN se utiliza la fórmula siguiente:

TN = 0.7.T/(T-4.13)

Válida para valores de T (en ºC) inferiores a 12.7ºC; para valores de Tiguales o superiores a 12.7ºC , TN es igual a 1.

La superficie AN así determinada, es complementaria de la superficienecesaria para reducir la (SDBO5)S a un valor inferior a 15 mg/l.

La superficie total necesaria para la eliminación de DBO y del nitrógenoamoniacal será:

Atot = A + A N

En el tratamiento del nitrógeno es interesante subdividir AT en etapas,con un mínimo de cuatro.

c) Desnitrificación:

Sustituyendo en la ecuación de conservación:

Q.S = Q.S0 – R D.AD

donde

S0 = (NO 3 – N) ES = (NO3 – N) S

Se tiene:

AD = (Q(S 0-S).TD)/RD


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Para tener en cuenta la influencia de la temperatura se introduce unfactor TD.

La carga específica RD (g/m2) de NO3 – N eliminado depende del

número de reciclados realizados. Siendo:M=QR/Q= relación entre el caudal reciclado y el caudal afluente.

Se calcula:

RD = (M 0.4 / (M+1)2).((SDBO)E-2.4.E.(NO3-N)E+M.(SDBO)S)

Donde:

E = ((NO3-N)E-(NO3-N)S / (NO3-N)E

Se puede observar que el valor RD presenta un máximo, a igualdad deotras condiciones, para un determinado valor de M.

Para el cálculo de TD se utilizará la fórmula siguiente:

TD = 1.06 ( 15 – T )

Obsérvese que cada mg/l de (NO3 – N ) supone la eliminación de 2.4mg/l de (SDBO5), en la etapa de desnitrificación puesta en cabeza de la etapade oxidación.

Ejemplo 1:

Proyecto de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanasbuscando sólo reducción de la DBO.

- Datos del influente;

Pretratado con lejia fina.Habitantes 10000DBO5 60 g/hab.dSS 75 g/hab.dTemperatura mínima 11.5 ºCCaudal medio Qm 2000 m

3/hCaudal punta Qp,horaria 125 m

3/hTKN 12 g/hab.d

-

Datos del efluente:


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(DBO5)S < 40 mg/l(SS)S < 80 mg/l

- Cálculo:

(DBO5)E = 300 mg/l(SS)E = 375 mg/l(SDBO)E = 0.35 (DBOS) E = 105 mg/l(SDBO)S = 0.50 (DBOS)S = 20 mg/lRc = 11.05 g/m

2. dP = 1

A = ( 2000(105-20)x1.06x1) / 11.05 = 16.307 m2

A 1ª etapa = ( 2000x105x0.6x1.06 ) / 24.4 = 9123 m2

A 2ª etapa = ( 2000x105x0.35x1.06) / 12.2 = 6386 m2

Ejemplo 2:

Proyecto de una planta para el tratamiento de aguas residuales urbanascon reducción de DBO5 y nitrificación.

- Datos del influente:

Igual al ejemplo 1.

- Datos del efluente:

BOD5 < 40 mg/lNH4

+ < 15 mg/l

- Cálculos:

Nitrógeno orgánico 4 g/hab.d

(NH4+)E = (0.667x12x18x10000) / 14x2000 = 51.45 mg/l.

T c = 1.06 R c15 = 9.66 g/m

3x d

Ac – 15 = (2000(105-15)x1.06x1) / 9.66 = 19751 m2

RN = (15 x 51.45) / ( 2(15+51.45+0.05 x 15 x 51.45)) = 3.67 g/m2.d

TN = 0.7 x 11.5 / (11.5 – 4.13)


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AN = (2000(51.45 – 15) x 1.09) / 3.67 = 21651 m2

AT = A C – 15 + AN = 41402 m2

-

Subdivisión en etapas:1ª etapa (2000 x 105 x 1.06) / 24.4 = 9122 m2

2ª etapa (2000 x 0.35 x 105 x 1.06) / 12.2 = 6386 m2

Se podrán hallar después las otras 3 etapas :

3ª etapa: S = 6967 m2

4ª etapa: S = 8128 m2

5ª etapa S = 10451 m2

Ejemplo 3:

Se requiere desnitrificar el efluente del ejemplo anterior hasta alcanzar en la salida 20 mg/l de (NO3 – N), con fase de desnitrificación puesta en lacabeza de la fase de oxidación.

- Efluente a la desnitrificación:

(SDBO)E = 105 mg/l(SDBO)S = 5.32 mg/l(NO3 – N ) = 27.57 mg/lT = 11.5 ºC

Se establece que RD es máximo para M = 1.25

Por lo tanto:

RD = 0.4 x 1.25 / (1.25+1)2 = (105-2.4x0.275+1.25x5.32) = 9.23 g/m2.d

TD = 1.226

Por lo tanto:

AD = (2000(27.57-20)1.226) / 9.23 = 2.011 m2

PARAMETROS DE CONTROL


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Existen unos parámetros de control y d diseño del agua residual quedependiendo de su valor se aplicará una tecnología u otra. Estos son DBO,DQO, SS, SSV, pH, NT y P T.

-D.B.O5. (Demanda bioquímica del oxígeno): Mide la cantidad deoxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar ese aguaresidual en un periodo normalizado de 5 días. Cuanto más alto es el valor peor calidad tiene el agua.

-D.Q.O. (Demanda Química de Oxígeno): Es el oxígeno equivalentenecesario para estabilizar la contaminación que tiene el agua, pero para ello seemplean oxidantes químicos enérgicos.

-Sólidos en suspensión o materias en suspensión: Corresponden a lasmaterias sólidas de tamaño superior a 1 µm independientemente de que su

naturaleza sea orgánica o inorgánica. Gran parte de estos sólidos son atraídospor la gravedad terrestre en periodos cortos de tiempo por lo que sonfácilmente separables del agua residual cuando ésta se mantiene en estanquesque tengan elevado tiempo de retención del agua residual.

-PH: El pH del agua afecta la solubilidad de los metales y pueden alterar el equilibrio del suelo.

-Nitrógeno. Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residualson las amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos.

-Fósforo: bien como fósforo total, bien como ortofosfato disuelto.

En el caso de los contactores biológicos, los parámetros que debemoscontrolar son,

-Temperatura. El rendimiento de este sistema aumenta al aumentar latemperatura.

Sobre la superficie del disco existe una capa líquida muy fina que esmuy propensa a congelarse en caso de temperaturas extremas.

-Carga orgánica. Una sobrecarga de en la primera etapa provocaría: una

oxigenación insuficiente, colapso en el eje, un crecimiento excesivo de lapelícula biológica, lo que produciría malos olores, bajo rendimiento del proceso.

-Concentraciones de ácido sulfhídrico. Si las concentraciones de ácidosulfhídrico son elevadas conviene hacer una preareación o precloración parareducir la demanda de O2 y prevenir el desarrollo de organismossulforreductores.

-O2 disuelto. La ausencia de oxígeno daría lugar a condicionesanaerobias y malos olores.

-pH. Debe de estar entre 6,5 y 8,5. Para conseguir una nitrificación el pHdebe aproximarse a 8,4.


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-Alcalinidad. Si se desea una nitrificación los valores deben ser sieteveces superior a la concentración de amoniaco en el influente.

-Precipitaciones. La lluvia produce un desprendimiento de la películabiológica. Por ello, es importante aislar el sistema del exterior.

Ventilación. Es un factor muy importante que se debe controlar en casode que el sistema este aislado del exterior.

En la siguiente tabla recogemos las variables que deben analizarse, sufrecuencia, localización y los valores normales.

Análisis Frecuencia Localización Valoración normal

O2 disuelto diaria En todas lasetapas Variable

Sólidossuspensión

Diaria Influente 0,2-6 mg/l

PH Diaria Influente 6,5-8,5Temperatura Diaria Influente >10°C

DBO5 semanal Influente 150-400 mg/lCloro residual Diaria Efluente 0,5-3 mg/l

RENDIMIENTOS DE LA DEPURACIÓN

En la siguiente tabla se muestran los rendimientos medios obtenidos enlos contactores biológicos rotatorios.

Tabla. Rendimientos de depuración en los contactores biológicosrotatorios.

Parámetros Rendimiento, %Sólidos en suspensión 75-95

DBO5 80-90DQO 70-85Nitrógeno total 30-75Fósforo total 10-30

Dos factores que hay que tener en cuenta, ya que nos pueden variar considerablemente los valores de rendimiento de los CBR, son “la política detormentas” y la “colmatación”.

-Política de tormenta. Como hemos dicho anteriormente, la lluvia es unproblema para los biodiscos, ya que produciría un desprendimiento de la


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película biológica, y por tanto un rendimiento mucho más bajo. La solución aesto es aislar el biodisco del exterior.

-Colmatación. Se produce cuando hay una sobrecarga de materia

orgánica. Para este problema se realiza un by-pass de parte del agua residual,evitando que se colapse el sistema.

ANOMALIAS: PROBLEMAS Y SOLUCIONES.

Los problemas más comunes con los que nos podemos encontrar son,

■ Pérdida de biomasa.■ Desarrollo de biomasa blanca.

■ Disminución de la eficacia de la depuradora.

Pérdida de biomasa

Causas:

-Esto es normal si ocurre durante las dos primeras semanas de puestaen marcha, es decir, al iniciar la operación.

-En funcionamiento normal, puede ser debido a la presencia de

sustancia tóxicas o inhibidoras.

Solución:

-Para la presencia de sustancias tóxicas en el agua residual, lavar rápidamente el CBR para permitir la recuperación natural de la biomasa.

Desarrollo de biomasa rápida.

Causas:

-Aguas residuales sépticas en la entrada de la EDAR.-Altas concentraciones de ácido sulfhídrico(H2S).

Soluciones:

-Controlar vertidos industriales con alta concentraciones de ácidosulfhídrico.

-Restablecimiento de las condiciones aerobias, para que las bacteriasencargadas de la depuración prevalezcan sobre los microorganismos blancos.

Disminución de la eficacia de la depuradora.


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Causas:

-Disminución de la temperatura del agua residual. Por debajo de 10°C,

se produce una reducción de la actividad biológica.-Variaciones grandes de caudal o carga orgánica.-Alteraciones del pH y alcalinidad.-Acumulación de sólidos en los discos. Si la eliminación previa de los

sólidos en suspensión no es la adecuada, puede bloquear el paso del aguaresidual en la biopelícula y provocar el desarrollo de malos olores.

Soluciones:

-Mantener los CBR protegidos de la intemperie (se les suele colocar unacubierta).

-Si el caudal o la carga orgánica son pequeñas, recircular el agua paraevitar la pérdida de biomasa.-Si el caudal o la carga orgánica son grandes, realizar un by-pass de

parte del agua residual de entrada, para que no se colapse el sistema.-Para evitar el desequilibrio de la biomasa del disco, aumentar la

velocidad de giro o aplicar una aireación suplementaria. Si estas medidas noson suficientes se tendrá que parar el sistema y volverlo a poner en marcha.

MANTENIMIENTO DE LOS CBR

Para un buen mantenimiento de los CBR, es fundamental que empiece a

funcionar bien desde el principio, por lo que la puesta en marcha de sistema esmuy importante ejecutarla correctamente.

Puesta en marcha de los CBR

Lo primero de todo es estudiarse las instrucciones del manual deoperaciones y mantenimiento.

En los primeros días de funcionamiento, la biopelícula es muy débil, por lo que el sistema no funcionará adecuadamente, por ello se recomienda unarecirculación de las aguas residuales, dicha recirculación irá disminuyendo amedida que va aumentando la biomasa adherida a los discos, aumentando a

su vez el caudal a depurar.

El proceso de puesta en marcha abarca:

1- El crecimiento progresivo de una biopelícula. Al aumentar la biomasaaumenta el grado de depuración, hasta que se consigue los resultadosoperacionales previstos para la carga hidráulica y orgánica.

2- Al cabo de las 24 horas empezará la formación de la biomasa y alcabo de las 48 horas será visible al ojo humano. El crecimiento pleno sealcanzará en el plazo de tres semanas para temperaturas altas y de unas ochosemanas para temperaturas bajas.


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3- Los discos deben girar inmediatamente una vez que se llene eldepósito, para evitar el desequilibrio en el crecimiento de la biomasa.

4- Deben eliminarse de las aguas residuales los objetos extraños,flotantes o no, antes de su entrada en el depósito, para evitar daños en los

discos y atascos en las canalizaciones.Control del proceso de funcionamiento.

1-Control visual diario.

Existen numerosos indicadores que nos permiten conocer elfuncionamiento del CBR. Por ello, el operario, realizará un paseo diario por laplanta, a la misma hora preferiblemente, en el cual, hará una serie deobservaciones, por las cuales, sabremos si todo marcha correctamente. Setomará nota de:

-Pérdida brusca de la biopelícula.-Acumulación de materia en los biodiscos, que pueden bloquear el paso

del aire y provocar condiciones anaerobias en el interior.-Formación de espumas en el tanque de los biodiscos, que indican la

presencia de altas concentraciones de detergentes que producirían una maladepuración.

2- Control analítico.

Tanto del efluente como del influente, es necesario realizar una serie deanálisis químicos, con ellos sabremos el rendimiento diario del CBR.

Es importante controlar el caudal, ya que afecta a las cargas hidráulicasy orgánicas, determinando el tiempo de retención del agua residual en losreactores.

Para un correcto funcionamiento, se tendrá que controlar laconcentración de oxígeno disuelto. Los valores típicos son de 0,5 a 1 mg/L enla primera etapa y de 1 a 3 mg/L en la última etapa.

El color de la biomasa nos indica el correcto funcionamiento, siendo decolor marrón- grisáceo en la primera etapa de la biodegradación carbonácea(mayor crecimiento de la biomasa) y parduzco en la etapa de nitrificación(menor crecimiento de la misma).

Otra forma de seguimiento del proceso es la observación de lamicrobiología.

El cultivo de la biomasa sana da un color marrón gris, sino estuviesesana el color sería gris oscuro, negro o blanco.


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