TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA CATEDRA INTERNACIONAL 2008
ING. CARLOS JULIO COLLAZOS
CONTENIDO 1. GENERALIDADES 1.1. Definiciones 1.2. Conceptos básicos 2. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS E INDUSTRIALES 2.1. Introducción 2.2. Clasificación sistemas de tratamiento 2.3. Tratamientos preliminares 2.4. Tratamientos primarios 2.5. Tratamientos secundarios 2.6. Tratamiento de lodos
CONTENIDO 3. Tratamiento anaerobio 3.1. Ventajas y desventajas de los procesos anaerobios 3.2. Aplicaciones y tendencias 3.3. Tipos de reactores 3.4. Postratamientos 4. Estudio de casos 4.1. Tratamiento de aguas residuales con tecnología UASB 4.2. Evaluación del módulo
1. GENERALIDADES 1.1 Definiciones
DEFINICIONES AFLUENTE Líquido que ingresa a un reservorio o a un proceso de tratamiento EFLUENTE Líquido que sale de un reservorio o de un proceso de tratamiento EFLUENTE FINAL Efluente de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales - PTAR
DEFINICIONES AGUA RESIDUAL DOMESTICA Residuos líquidos provenientes de viviendas edificaciones comerciales o institucionales
o
de
AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL Vertimientos líquidos provenientes de actividades de manufactura o de procesamiento de recursos naturales (variable) AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES Residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una localidad. Incluye aguas residuales domésticas e industriales. Predominan las aguas residuales de tipo doméstico y se conocen también como aguas negras
DEFINICIONES AGUA CRUDA Afluente sin tratar
SUSTRATO Compuesto o sustancia a degradar
REACTOR Reservorio donde se lleva a cabo una transformación fisicoquímica o biológica de un sustrato SÓLIDOS TOTALES Toda sustancia o material contenida en una muestra de agua excluyendo el agua misma
DEFINICIONES CARGA ORGANICA Producto de la concentración de DQO ó DBO por el caudal CARGA VOLUMETRICA Caudal o masa de un parámetro por unidad de volumen y por unidad de tiempo CARGA SUPERFICIAL Caudal o masa de un parámetro por unidad de área y por unidad de tiempo
DEFINICIONES TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO Tiempo medio teórico que permanecen las partículas de líquido en un proceso de tratamiento EDAD DE LODOS Tiempo medio de residencia celular en un reactor o proceso de tratamiento EFICIENCIA DE TRATAMIENTO Relación entre la masa (carga) o concentración removida y la masa (carga) o concentración afluente para un proceso o sistema de tratamiento
1. GENERALIDADES 1.2 Conceptos
DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)
Es la cantidad de oxígeno necesaria para que una población microbiana heterogénea estabilice la materia orgánica biodegradable presente en una muestra de agua residual
La DBO representa una medida indirecta de la concentración de materia orgánica e inorgánica degradable o transformable biológicamente
En condiciones normales de laboratorio la DBO se cuantifica a 20ºC durante un período de 5 días, con valores expresados en mg/l O2 (DBO5)
DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO) Principales aplicaciones
Medición de la calidad de las aguas residuales y superficiales Establecimiento de límites de descarga Diseño de unidades de tratamiento biológico Evaluación de PTARs
DBO - FORMULACION MATEMATICA
Aunque en la práctica se ha demostrado que la DBO no es una reacción de primer orden esta presunción se considera válida
En una reacción de primer orden la variación de la concentración con el tiempo es directamente proporcional a la concentración remanente en cualquier momento
DBO - FORMULACION MATEMATICA De acuerdo con Streeter y Phelps: d [DBO − dt
]α [DBO ]
ó
d [DBO] − = K [DBO] dt
donde: [DBO]: concentración de materia orgánica biodegradable K: constante de velocidad de la reacción
DBO - FORMULACION MATEMATICA También: Integrando, donde:
dL t − = KL dt
Lt = Le
− Kt
= L10
− kt
Lt = DBO remanente o por ejercer, mg/L L = DBO total o DBOuc, mg/L K = velocidad de reacción base ℮, d-1 (K = 2,303k) k = velocidad de reacción base 10, d-1 t = tiempo de reacción, d
DBO - FORMULACION MATEMATICA De acuerdo con lo anterior, la DBO ejercida en cualquier tiempo:
− Kt
Yt = L − Lt = L − ( Le También,
Yt = L(1 − e
− kt
) = L − ( L − 10 )
− Kt
) = L(1 − 10 )
donde:
− kt
Yt = DBO ejercida después de un tiempo t, mg/L
REPRESENTACION GRAFICA DE LA DBOc
DBO (mg/l)
Variación de la DBOc 120 100 80 60 40 20 0
Lt L= DBOuc Yt= DBOt
0
2
4 Tiempos (d)
6
8
DBO NITROGENADA
En la descomposición de la materia orgánica se produce material no carbonáceo como el amoníaco
El nitrógeno amoniacal es oxidado por bacterias nitrificantes a nitrito y nitrato (ciclo del nitrógeno)
Esta demanda de oxígeno se conoce como DBON
REACCIONES DE NITRIFICACION Bacterias
NH3 + 1,5O2
Nitrosomonas
NO2- + H++H2O
Bacterias
H++NO2- +0,5O2
Nitrobacter
NO3-+ H2O
En general: NH3 + 2O2
NO3-+ H++H2O
En conclusión se requieren 4,57 mg/l de O2 para oxidar 1 mg/L de N
EFECTO DE LA DBO NITROGENADA
DBO (mg/l)
RELACION ENTRE DBOc y DBOn 160 140 120 100 80 60 40 20 0
DBOc
DBOn
y = L(1-10-kt)
0
5
10 TIEMPO (d)
15
20
DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)
La DQO es una medida de la cantidad de oxígeno consumido en la oxidación química de la materia orgánica presente en una muestra de agua
Para su determinación se emplea un agente oxidante fuerte, en medio ácido y con elevada temperatura, en presencia de un catalizador (sulfato de plata)
PRINCIPIO DE LA DETERMINACION M. O. +
Cr2 O
−2 7
+H
+
CATALIZADOR
∆
Cr +3 + CO2 + H 2 O
Las aguas residuales domésticas poseen relaciones promedio :
DQO = 1 .2 − 2 .5 DBO5
Entre más baja es esa relación más biodegradable es el residuo
CARBONO ORGANICO TOTAL (COT)
La determinación involucra la oxidación de la materia orgánica mediante un proceso de combustión, hasta obtener CO2 y H2O
El CO2 liberado es proporcional a la concentración de carbono en la muestra y de esa manera se obtiene el valor de COT
La concentración de COT es también una medida del grado de contaminación de una muestra de agua y por lo tanto puede correlacionarse con la DQO y la DBO
DEMANDA TEORICA DE OXIGENO (DTO) Cantidad teórica de oxígeno requerido para oxidar la fracción orgánica de un desecho hasta dióxido de carbono y agua C6H12O6 + 6O2 180 192 Ejemplo:
→
6CO2 + 6H2O
La DTO de una solución de glucosa de 300 mg/L será: DTO = 192/180 x 300 DTO = 321 mg/L
CORRELACION ENTRE COT, DTO, DQO y DBO 100 %
50 %
COT
DTO
DQO
DBOuc
DBO5
CLASIFICACIÓN DE LOS SÓLIDOS SF: Fracción inorgánica Sólidos Suspendidos Totales
Sólidos Totales Fijos
SSF
Sólidos Suspendidos Fijos
SST
STF STT STV Sólidos Totales Volátiles
SV: Fracción orgánica
SSV
Sólidos Suspendidos Volátiles
SDF
Sólidos Disuelltos Fijos
SDV
Sólidos Disuelltos Volátiles
Sólidos Totales Totales
SDT Sólidos Disueltos Totales
COMPOSICION APROXIMADA DE UN AGUA RESIDUAL DOMESTICA AGUA RESIDUAL Agua
99.9%
0.1% Sólidos
70%
30%
Orgánicos
Proteínas 65%
Carbohidratos 25%
Inorgánicos Grasas 10%
Arenas
Metales Sales
Fuente: Díaz, C.
CLASIFICACION PROMEDIO DE SOLIDOS EN AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS 50%
Orgánico
75%
Sedimentables
Mineral
25%
Suspendidos 30%
No sedimentables 50%
TOTALES 10% 70%
Orgánico
Orgánico
75%
Mineral
25%
80%
Coloidal
Mineral
20%
Orgánico
40%
Mineral
60%
Disueltos
Soluble 90%
Concentración típica del agua residual doméstica PARAMETRO
UNIDAD
RANGO Mínimo Máximo Promedio DBO5 mg/l 110 400 210 DQO mg/l 250 1000 500 SST mg/l 100 350 210 NTK mg/l 20 85 35 Fósforo Total mg/l 4 15 7 Grasas y Aceites mg/l 50 150 90 ColiformesTotales NMP/100 ml 106 109 107 Coliformes Fecales NMP/100 ml 103 107 106 Fuente: Tratamiento de aguas residuales (Romero,J.)
Composición de las aguas residuales industriales Dependiendo de la naturaleza de la industria, las aguas residuales pueden contener una amplia variedad de contaminantes, entre otros: CONTAMINANTE
EFECTOS
Orgánicos solubles
Agotan el oxígeno disuelto
Sólidos suspendidos
Agotan el oxígeno disuelto y emanan gases
Orgánicos trazas
Imparten olor, sabor y toxicidad
Metales pesados
Son tóxicos
Turbiedad y color
Afecta la estética de los cuerpos receptores
Nutrientes (P y N)
Producen eutroficación
Sustancias refractarias
Resistentes a la biodegradación y tóxicos
Aceites y flotantes
Insignificante en la mayoría de los casos
Sustancias volátiles
Contaminan el aire (H2S y otros COV)
Concentración de las aguas residuales de industrias típicas INDUSTRIA
Contaminantes
DBO5 (mg/L)
DQO (mg/L)
SST (mg/L)
Cervecerías
Carbohidratos y proteínas
500 - 1300
1700
90
Carbohidratos
7000 - 20000
10000 - 60000
Bajo
Lácteos
Carbohidratos, grasas, proteínas
1000 - 2500
1500 - 3000
200 - 400
Enlatados (frutas)
Carbohidratos y sólidos suspendidos
500 - 2000
variable
variable
Proteínas y sólidos suspendidos
1500 - 2500
2000 - 4000
800
Curtiembres
Proteínas, sólidos suspendidos y sulfuros
1000 - 2000
2000 - 4000
2000 - 3000
Refinerías de azúcar
Carbohidratos, sólidos suspendidos
200 - 1700
1000 - 3000
150 - 600
Destilerías
Mataderos, frigoríficos
