UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA PFG GESTION AMBIENTAL
CALIDAD AMBIENTAL 2 TRAMO 2 TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO (Agua, aire y residuos sólidos) GUIA DIDACTICA (Parte I y II)
Profesores:
Leyda Tejedor y Nazareth Velasco
Caracas, enero de 2009
INDICE Página 1 Visión integral de la contaminación y sus 2
Presentación Introducción tratamientos Objetivo Competencias a lograr Contenido 1. Antecedentes de la calidad en el sistema ambiental 2.Flujo de los contaminantes en el sistema ambiental Actividades:
2 2 2 2 4 5
Módulo I Tecnología para el tratamiento de potabilización Objetivo Competencias a lograr Contenido I.1. Fuentes de aguas naturales I.1.1 Ciclo del agua vs calidad del agua I.1.2 Tipos de cuerpos de agua y características generales I.2. Potabilización del agua I.2.1 Introducción a la potabilización I.2.2 Potabilización del agua I.2.2.1 Tratamiento convencional de potabilización del agua Unidad de desbaste Desarenador Coagulación floculación Sedimentadores Filtración Estabilización química Desinfección I.2.2.2. Tratamientos avanzados y ecológicos de potabilización Osmosis Inversa (Filtración por membranas) Adsorción Intercambio iónico Destilación Actividades
6 6 6 6 6 6 8 10 10 11 13 13 13 16 16 16 16 17 17 17 19 20 21 22
Módulo II Tecnología para el tratamientos de las residuales Objetivo Competencias a lograr II.1 Generalidades del agua residual y su tratamiento II.1.1 Antecedentes
27
aguas
27 27 27 27
ii
Autoregeneración de cuerpos de agua II.1.2 Origen y clasificación de las aguas residuales Aguas residuales domésticas Aguas residuales industriales Aguas residuales agropecuarias Aguas residuales municipales Aguas negras y grises II.1.3 Características del agua residual II.1.3.1 Características físicas Aspecto Color Turbiedad Conductividad eléctrica Sólidos Temperatura II.1.3.2 Características químicas Potencial de Hidrógeno (pH) Alcalinidad y acidez Dureza Nutrientes (N y P) Constituyentes orgánicos Metales pesados Sulfatos y sulfuros II.1.3.3 Características biológicas Virus Bacterias Hongos Algas Protozoarios Organismos indicadores de interés sanitario II.1.4 Reducción en la fuente, reciclaje y reutilización del agua residual Segregación Reducción Reuso Reciclaje Recuperación de subproductos II.2 Tratamiento de las aguas residuales II.2.1 Tratamiento convencional agua residual municipal II.2.1.1 Pretratamiento Desbaste Desarenador Trampas de grasa y espumas II.2.1.2 Tratamiento Primario Neutralización Sedimentación
28 29 29 29 30 30 30 30 30 30 31 31 32 32 33 33 33 34 34 34 34 35 35 35 35 36 36 36 36 36 40 40 41 41 42 42 43 44 44 44 46 46 46 47 47 iii
Desinfección II.2.1.3 Tratamiento Secundario Lodos activados Filtros percoladores Biodiscos Reactores UASB Lagunas de estabilización II.2.1.4 Tratamiento terciario o avanzado II.2.1.5 Acondicionamiento de lodos II.2.2 Tratamiento ecológico del agua residual II.2.2.1 Baños secos II.2.2.2 Biodigestores II.2.2.3 Tanque Séptico II.2.4 Humedales artificiales II.2.5 Campos de infiltración Actividades: BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA
48 49 49 50 50 51 51 53 53 54 55 55 56 57 58 59 62
Módulo III. TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DE DESECHOS SÓLIDOS Objetivo Competencias a lograr Contenido III.1 Generalidades acerca de los residuos sólidos III.1.1 Definición de desechos sólidos III.1.2 Origen y clasificación de los desechos sólidos III.1.2.1 Residuos Domésticos III.1.2.2 Residuos comerciales III.1.2.3 Residuos institucionales III.1.2.4 Residuos de Construcción III.1.2.5 Residuos de servicios municipales III.1.2.6 Residuos provenientes de plantas de tratamiento III.1.2.7 Residuos Industriales III.1.2.8 Residuos agrícolas III.1.2.9 Residuos peligrosos III.1.2.10 Residuos especiales III.1.3 Composición de los residuos III.1.3.1 Detritos puramente orgánicos III.1.3.2 Detritos inorgánicos y orgánicos III.1.3.3 Cenizas III.1.4 Propiedades de los desechos sólidos III.1. 4.1 Propiedades físicas Composición gravimétrica Tamaño de partícula y distribución del tamaño Peso Especifico Compresibilidad
65 65 65 65 66 66 66 66 66 66 66 67 67 67 68 68 68 68 68 70 70 70 70 70 70 iv
Contenido de humedad Capacidad de campo Permeabilidad III.1.4.2 Propiedades químicas Análisis físico Punto de fusión de las cenizas Análisis elemental de los componentes de residuos sólidos Contenido energético de los componentes de los residuos sólidos Nutrientes esenciales y otros elementos III.1.4.3 Propiedades biológicas Biodegradabilidad Producción de olores III.2. Gestión y tratamiento de los residuos sólidos III.2.1. Enfoque en el tratamiento III.2.2 Tecnologías de tratamiento III.2.2.1 Tecnologías de tratamiento físico o pre tratamiento de residuos III.2.2.1.1 Separación de Componentes III.2.2.1.2 Reducción de tamaño III.2.2.1.3 Compactación o densificación de residuos III.2.2.2 Tecnologías de Tratamiento Químico III.2.2.2.1 Combustión (Oxidación química) III.2.2.2.2 Pirolisis III.2.2.2.3 Gasificación III.2.2.3 Tecnologías de Tratamiento Biológico III.2.2.3.1 Digestión aeróbica III.2.2.3.2 Digestión anaeróbica III.2.2.4 Disposición Final III.2.2.4.1 Vertederos III.2.2.4.2 Relleno Sanitario Actividades BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA MÓDULO IV TECNOLOGÍA PARA EL TRATAMIENTOS DE CONTAMINANTES DEL AIRE Objetivo Competencias a lograr Contenido IV.1 Introducción IV.2 Características importantes del aire IV.3 Climatología y contaminantes atmosféricos IV.3.1 Movimiento de los contaminantes atmosféricos IV.3.2. Aspectos atmosféricos que favorecen el movimiento de los contaminantes IV.3.3 Principales contaminantes del aire y sus efectos sobre
70 70 71 71 71 71 71 71 72 72 72 72 72 74 74 74 76 78 78 78 79 79 80 80 81 81 82 82 84 88 90 90 90 90 90 92 93 93 93 94 v
la salud, plantas, animales y materiales IV.3.3.1 Contaminantes primarios Material particulado Gases a.Los óxidos de Azufre b. Los óxidos de Nitrógeno c. Los hidrocarburos d. El monóxido de Carbono e. El anhídrido carbónico o dióxido de Carbono f. El Ozono IV.3.3.2 Contaminantes secundarios IV.3.3.3 Contaminantes terciarios Los radionúclidos Los metales pesados Los compuestos orgánicos a. Hidrocarburos aromáticos policíclicos b. Compuestos organoclorados Pesticidas organoclorados PCB Dioxinas c. Pesticidas naturales IV.3.4 Fuentes de contaminación IV.3.4.1 Fuentes Naturales IV.3.4.2 Fuentes Domesticas IV.3.4.3 Fuentes Comerciales. IV.3.4.4 Fuentes Agrícolas IV.3.4.5 Fuentes Industriales IV.4 Control de la Contaminación del aire y sistemas de tratamiento IV.4.1 Limpieza natural de la atmósfera IV.4.2 Control de la calidad de aire IV.4.2.1 Fuentes fijas: el Control de la emisión de partículas IV.4.2.1.1 Cámaras de sedimentación por gravedad IV.4.2.1.2 Colectores inerciales IV.4.2.1.3 Colectores húmedos o lavadores (scrubbers) IV.4.2.1.4 Colectores de tela y esterilla fibrosa IV.4.2.1.5 Precipitadores electrostáticos IV.4.3 Control de la emisión de gases IV.4.3.1 Procesos de absorción IV.4.3.2 Procesos de adsorción. IV.4.3.3 Control de los óxidos de nitrógeno de los procesos de combustión IV.4.3.4 Control de los óxidos de azufre IV.4.3.5 Control de la emisión de CO IV.4.4 La Fuente Móvil IV.4.4.1 Emisiones de escape de motores a gasolina
94 94 95 95 95 95 95 95 96 96 96 96 96 97 97 97 97 97 97 97 98 98 98 99 99 99 100 100 100 100 100 101 101 102 105 106 107 107 107 107 107 108 108 vi
IV.4.5 Control de olores IV.4.5.1 Adsorción IV.4.5.2 Absorción IV.4.5.3 Biofiltración Actividades BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA
108 108 109 109 109 115
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CALIDAD AMBIENTAL 2 TRAMO 2 TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO (Agua, aire y residuos sólidos) GUIA DIDACTICA
PRESENTACIÓN La Guía Didáctica de "Calidad Ambiental 2 Tramo 2, Tecnologías De Tratamiento (Agua, Aire Y Residuos Sólidos” está diseñada para apoyar a los profesores - facilitadores de la UBV en su propósito de contribuir al logro de las competencias en el conocimiento de las Tecnologías de Tratamiento como herramientas en el saneamiento y control ambiental. El primer objetivo de una estrategia de control ambiental es prevenir o reducir la generación de los contaminantes en su fuente, tanto a nivel doméstico como industrial. Sin embargo, en la práctica, las limitaciones tecnológicas y las restricciones impuestas por los procesos mismos hace casi inevitable la generación de residuos de producción, los cuales deben ser tratados antes de su descarga a los medios receptores (Zaror, 2000). Las tecnologías de tratamiento de residuos tienen como objetivo disminuir el impacto ambiental de dichas descargas, y generar residuos finales que cumplan con los flujos y concentraciones de contaminantes estipulados en la legislación vigente (Zaror, 2000). En esta guía se presentará en forma general una visión integral de la contaminación y sus tratamientos, modalidades de la tecnología para el tratamiento de potabilización y los principales procesos de tratamiento de los residuos líquidos, sólidos y gaseosos. En primer lugar, se describe los mecanismos generales de los sistemas de tratamiento de residuos y las consideraciones que se deben tener presentes en la selección de las operaciones unitarias. Esta guía didáctica expone de manera sencilla, los principales métodos de tratamiento convencionales y no convencionales en cada una de las áreas, así como también la normativa ambiental asociada y sus relaciones. La sencillez de esta guía no disminuye su validez didáctica, apta para todos aquellos que se inicien en el estudio de mejoramiento o saneamiento. Esta herramienta es básica para los proyectos sociocomunitarios. Esta unidad curricular ha sido diseñada de manera de suministrar una herramienta de utilidad y una estrategia didáctica que impulsará el trabajo autónomo, responsable y participativo de los alumnos, en la ejecución eficaz del diagnóstico integral sociocomunitario que se realiza durante el desarrollo de su Proyecto, así como posibles propuestas para solucionar los diferentes problemas de saneamiento y control ambiental.
1
INTRODUCCIÓN VISIÓN INTEGRAL DE LA CONTAMINACIÓN Y SUS TRATAMIENTOS
Objetivo Obtener una visión general de las interrelaciones de los componentes del sistema ambiental: agua, aire, suelo y biota en correspondencia con las actividades del ser humano.
Competencias a lograr -
Reconoce la importancia de conocer los antecedentes que conllevan a la necesidad de una gestión y tratamiento de los residuos como una forma de asegurar calidad de vida para las comunidades, así como también las herramientas que en Venezuela facilitarán el llevar a cabo dicha gestión.
-
Adquiere una visión general de la forma en que las sustancias pueden moverse a través de los diferentes compartimientos ambientales (agua, aire, suelo y biota) y los mecanismos de transporte que favorecen dicho movimiento.
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Comprende la necesidad de articular las competencias adquiridas en unidades tales como ciclos biogeoquímicos, aspectos ambientales en la industria, calidad 1 tramos 1 y 2, y calidad 2 tramo 1, en la gestión y tratamiento del agua, el aire y los desechos sólidos.
Contenido 1. Antecedentes de la calidad en el sistema ambiental Durante miles de años la especie humana habitó la tierra coexistiendo en armonía con las demás especies bióticas así como también con las especies abióticas. Sin embargo en los tiempos modernos la industrialización y el desarrollo tecnológico, marcaron el inicio de deterioros ambientales con la consecuente pérdida de armonía en muchos sistemas ambientales lo que se traduce en una afectación negativa de la calidad de vida para muchos pueblos. De forma natural, la tierra a través de la capacidad de autoregeneración puede regresar al equilibrio una vez es sometida a determinados impactos siempre y cuando los mismos no sobrepasen dicha capacidad, y es precisamente esta cualidad la que permitió el mantenimiento de la armonía en los tiempos pasados. Sin embargo cuando se sobrepasa la capacidad de 2
autorregeneración, a través del aumento de la presión desmedida de las actividades humanas sobre los diferentes sistemas, el colapso de los mismos no se hace esperar y en suma se tiene entonces el desmejoramiento de la calidad. Esta última situación, de la cual se conoce es una realidad hoy día, trae como en consecuencia la preocupación por un desarrollo sustentable como bandera en el desarrollo de muchos países. En el caso de Venezuela desde los años 40 la problemática ambiental empieza a cobrar peso dado el acelerado crecimiento industrial y demográfico situación tal que conduce a la necesidad de establecer bases jurídicas y legales que permitieran la toma de acciones correctivas, mitigantes y preventivas. A nivel de gobierno central se crea el en el año 1976 el Ministerio del Ambiente y los Recursos Naturales Renovables (MARNR), como órgano rector en materia ambiental y acompañando a la creación de mismo viene también un conjunto de leyes, decretos y normas específicas aplicables a diferentes ítems ambientales. En este sentido, y a los efectos del desarrollo del curso la normativa recomendada aplicable a Venezuela se lista a continuación: -
Gaceta Oficial nº 36.395, de fecha 13 de febrero de 1998. Normas sanitarias de calidad del agua potable.
-
Decreto nº 883 fecha 11 de octubre de 1995. Normas para la clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos.
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Decreto nº 2216, fecha 27 de abril de 1992. Normas para el manejo de los desechos sólidos de origen doméstico, comercial, industrial, o de cualquier otra naturaleza que no sean peligrosos.
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Decreto nº 2635, de fecha 3 de agosto de 1998. Normas para el control de la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de los desechos peligrosos.
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Decreto nº 638, fecha 24 de abril de 1995. Normas sobre calidad del aire y control de la contaminación atmosférica.
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2. Flujo de los contaminantes en el sistema ambiental
AIRE
3
1
Biot
2
RESIDUOS: LIQUIDOS SÓLIDOS GASEOSOS
4
Biot
5
SUELO
AGUA 6
Biot Figura 1. Movimiento de las sustancias en los diferentes compartimientos ambientales. Fuente: Elaboración propia, a partir de G. Ferrara 2001.
En la figura 1 se pretende esquematizar las distintas formas en que los residuos (los cuales pueden estar en fase líquida, sólida o gaseosa) derivados de la actividad humana se introducen en los diferentes compartimientos ambientales, gracias a los diferentes procesos fisicoquímicos que se mencionan a continuación: 1. Sublimación y arrastre de gases y partículas, por medio de los cuales sustancias que se encuentran en el suelo pasan a la atmósfera. 2. Precipitación y adsorción, fenómenos que favorecen a que sustancias que se encuentran en el aire pasen al suelo. 3. Evaporación, permite el paso de sustancias que se encuentran en el agua al aire. 4
4. Precipitación y absorción, favorecen el paso de sustancias que se encuentran en el aire a la masa de agua. 5. Precipitación y adsorción, por medio de tales sustancias que se encuentran en el agua pasan al suelo. 6. Disolución y lixiviación, fenómenos que propician el paso de sustancias contenidas en el suelo a los cuerpos de agua. Ejemplo: al disponer de una masa de residuos sólidos domiciliarios en un terreno poco impermeable se tiene el riesgo que al descomponerse dichos residuos además de la emisión de gases tipo metano y sulfuros, la humedad contenida lixivie a través del suelo arrastrando consigo diferentes compuestos químicos, que podrán alcanzar las aguas subterráneas. De igual forma, sustancias que se lleguen al aire, el agua o al suelo, van a tener la posibilidad de entrar en contacto con la biota en donde podrán darse procesos de biotransformación, eliminación y/o bioacumulación. Ejemplo: Continuando con el ejemplo anterior, los gases emitidos a la atmósfera pueden ser arrastrados por la precipitación como lluvia acida, la cual a su vez, puede afectar directamente a los seres vivos o llegar hasta los cuerpos de agua modificando condiciones de pH y afectando la vida acuática. Puede entonces apreciarse como al abordar problemas relativos a la gestión y tratamiento de los residuos, es necesario considerar el sistema como un conjunto integrado por varios elementos que al relacionarse entre sí conllevarán a soluciones más asertivas.
Actividades: 1. Individuales: -
Revise detallada mente la presente guía y amplíe en materia de de la definición de cada uno de los procesos fisicoquímicos o fenómenos de transporte de las sustancias químicas.
2. Grupales o Cooperativos :
-
Presente varios ejemplos en donde ilustre cada uno de los procesos fisicoquímicos que permiten el movimiento de sustancias en los componentes del sistema ambiental. Utilice casos de empresas, cooperativas, comunidades, etc. 5
3. Comunitarias: - Trasládese ahora a la comunidad en donde reside o realiza su actividad de Proyecto y describa un problemática referente a residuos sólidos, líquidos o gaseosos utilizando un esquema en donde se reflejen las posibles situaciones que se presentarán en cuanto al movimiento de las sustancias químicas. MÓDULO I POTABILIZACIÓN
TECNOLOGÍA
PARA
EL
TRATAMIENTO
DE
Objetivo Dotar al estudiante de herramientas básicas en el área del tratamiento de potabilización del agua.
Competencia a lograr -
Refuerza conceptos inherentes a las características del agua.
-
Obtiene una visión general de las características de las principales fuentes de agua.
-
Entiende la utilidad del decreto 883 en materia de gestión y conservación de cuerpos de agua.
-
Comprende la importancia del decreto 883 y la Gaceta 36.395 como herramientas guía necesarias a la hora suministrar y garantizar agua potable para una comunidad.
-
Conoce de una forma general tratamientos convencionales y no convencionales utilizados para potabilizar el agua.
Contenido I.1Fuentes de aguas naturales I.1.1Ciclo del agua vs calidad del agua El agua que constituye la hidrósfera total participa en sus diversas fases y formas en un proceso reiterativo, continuo, interminable y cerrado llamado 6
el ciclo hidrológico, cuyo motor es la energía solar que permite a la misma movilizarse a través de los diferentes compartimientos ambientales. Es así que el agua contenida en la superficie de la tierra al ser dinamizada por la energía solar se moviliza hasta la atmósfera en forma de vapor de agua; la atmósfera al sobresaturarse da a lugar la precipitación bien sea en forma de nieve, lluvia, rocío o granizo. Cuando el agua llega al suelo, se dan tres procesos distintos: a) el agua moja la superficie del suelo y el flujo calórico del mismo provoca una fuerte evaporación, b) parte del agua se infiltra llenando los poros del suelo y c) los excedentes se escurren según la inclinación de la superficie donde caen. La escorrentía fluye por la superficie hasta alcanzar arroyos y ríos que se dirigen al océano y a los mares interiores. En su camino el agua efectúa un trabajo físico al arrastrar parte del suelo y las rocas por donde se desliza y a su vez al depositar sedimentos arrastrados, afectando así la fisonomía del relieve y el paisaje. Pero también, el agua desde el punto de vista químico tiene la capacidad de disolver y lixiviar ciertos minerales que encuentra a su paso, y desde el punto de vista biológico tiene la capacidad de arrastrar microorganismos que pueden encontrar en la misma un medio favorable para desarrollarse. Puede entonces visualizarse como a medida que el agua se mueve en el ciclo hidrológico recibe o pierde elementos físicos, químicos y biológicos que van a determinar la característica o calidad de la misma, pudiéndose así definir la calidad del agua como “el conjunto de características físicas, químicas, biológicas y estéticas que le confieren al agua una determinada condición para un uso específico. (Ferrara de Giner et al.2001)”. Para conocer estas características se realizan estudios de calidad de agua, los cuales se orientan básicamente a determinar a través de ensayos físicos, químicos y biológicos los niveles y concentraciones de diferentes parámetros, que según la Gaceta 36.395 “Normas sanitarias de calidad del agua potable” se clasifican en: -
Componentes o parámetros organolépticos: hace referencia a características tanto físicas como químicas del agua que pueden ser percibidas por medio de los sentidos. Dentro de las tales se tienen el color, turbiedad, olor o sabor, sólidos disueltos totales, dureza total, pH, aluminio, cloruro, cobre, hierro total, manganeso total, sodio, sulfato, cinc.
-
Componentes o parámetros químicos inorgánicos: comprende aquellos compuestos en el agua que no poseen enlaces de carbono. Dentro de estos se tienen el arsénico, bario, boro, cobre, cadmio, cianuro, cromo
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total, fluoruros, mercurio total, níquel, nitrato, nitrito, molibdeno, plomo, selenio, plata y cloro residual. -
Componentes o parámetros químicos orgánicos: incluye aquellos compuestos del agua que contienen enlaces de carbono. Se encuentran en esta clasificación el bromoformo, cloroformo, dibromoclorometano, benceno, tolueno, xileno, aldrín, dieldrín, clordano, DDT y sus metabolitos, 2-4-D, heptacloro, heptacloroexpóxido, hexaclorobenceno, lindano, metoxicloro, acrilamida, benzopireno, 1-2 dicloroetano, 1-1 dicloroeteno, etilbenceno, pentaclorofenol, 2-4-6 triclorofenol.
-
Componentes o parámetros biológicos: hace alusión a los microorganismos tipo virus, bacterias, hongos, protozoarios, helmitios, heterótrofos, y plancton que puedan estar presentes en el agua.
-
Componentes o parámetros radiactivos: incluye aquellos elementos del agua que contengan átomos inestables capaces de emitir radiaciones energéticas. Aunque dentro de los elementos radiactivos se tienen compuestos tales como el plutonio, el uranio, Iodo radiactivo y el Cesio, la Gaceta 36.395 hace referencia a las radiactividades alfa y beta globales.
I.1.2 Tipos de cuerpos de agua y características generales Los cuerpos de agua pueden ser caracterizados en función de sus propiedades hidrodinámicas, fisicoquímicas y biológicas. Las propiedades hidrodinámicas hacen referencia las propiedades mecánicas del agua, y se estudian en disciplinas tales como la hidráulica y la mecánica de fluidos. Las propiedades fisicoquímicas y biológicas se refieren a las características o cualidades del agua y como ya se mencionó antes, definen la calidad del agua. Cabe notar que de acuerdo a la localización del agua respecto a la superficie de la tierra se tienen cuerpos de agua superficial y cuerpos de agua subterránea. Los cuerpos de agua superficial, como su nombre lo dice se encuentran en la superficie de la tierra, son los que conjugan y pasan a formar parte de la paisajística terrestre. Las aguas subterráneas por su parte se encuentran fuera del alcance de la vista (a no ser que broten a través de manantiales), debajo de la superficie de la tierra, formando parte de los poros del suelo y el acceso a la misma se logra mayormente a través de la perforación de pozos. De acuerdo a las propiedades hidrodinámicas se tienen principalmente los cuerpos de agua que se mencionan a continuación:
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-
Ríos: cuerpos de agua en su mayoría superficial que se caracterizan por ser una corriente unidireccional con velocidad de flujo relativamente alta (0,1- 1 m/s) variable en el tiempo. La calidad del agua de los ríos y corrientes está determinada por el gran poder solvente de la misma y su movimiento durante el ciclo hidrológico; estará influida por el tipo de terreno donde se mueva, las características geoquímicas de la hoya de drenaje, la vegetación circundante, la temperatura y aún el aporte del agua de lluvia que atrapa gases y partículas en su descenso. La calidad de los ríos aunque de forma natural es cambiante en el tiempo puede verse radicalmente afectada por las actividades humanas cuando el efecto de las descargas domésticas, industriales y escorrentías agrícolas sobrepasan la capacidad de autopurificación del mismo.
-
Lagos y embalses: cuerpos de agua superficial naturales ó artificiales caracterizados por poseer corrientes multidireccionales, con velocidades promedio de corriente bajas (0,001- 0,01 m/s). En relación a la calidad de los lagos como sistemas lénticos a diferencia de los ríos y corrientes tienen menor capacidad de oxigenación y transporte de de contaminantes razón por la cual son susceptibles a problemas de eutrofización. La eutrofización, entendida como un proceso de “envejecimiento” natural de los lagos, es caracterizada por un aumento en la tasa de producción primaria. Si la misma es acelerada por la intervención humana a través del aporte excesivo de nutrientes se presenta entonces un acelerado crecimiento de microorganismos acuáticos con el consecuente aumento de materia orgánica, agotamiento de oxigeno, radiación solar y en resumen afectación de la vida acuática.
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Aguas subterráneas: se caracterizan por un patrón de flujo estable en términos de dirección y velocidad; la velocidad de flujo promedio normalmente varía entre 10-10 y 10-5 m/s, altamente gobernada por la porosidad y permeabilidad del material geológico. La variabilidad química de las aguas subterráneas es consecuencia de reacciones rápidas entre el agua y minerales acompañados por cambios en el transporte físico del material a través del medio poroso, así como también por un conjunto complejo de procesos químicos y biológicos que actúan dentro de un mismo sistema.
-
Océanos y mares: constituyen grandes masas de aguas salada que cubren la mayor parte de la tierra; la dinámica de estos está influenciada por las mareas las cuales se caracterizan caracterizan por movimientos periódicos con desplazamiento vertical, de ascenso y descenso, de la masa de agua debidos a la influencia gravitacional de la Luna en mayor 9
medida y en del Sol en menor orden. Con respecto a la calidad de las aguas de mar las cuales se caracterizan por los altos contenidos de sales, el parámetro más importante es la cantidad de sólidos disueltos totales que puede también expresarse a través de la conductividad. Sin embargo según Chapman (1992), existe también una clasificación para cuerpos de agua intermedios la cual se muestra a continuación: Tipo de cuerpo de agua Planicies de inundación
Sistemas intermedios entre: Ríos y lagos con variabilidad estacional. Ríos y lagos dependiendo de sus patrones de Reservorios operación con relación a la descarga del río con variabilidad estacional. Manantiales Lago y aguas subterráneas. Ríos y aguas subterráneas. Se diferencian entre Acuíferos aluviales y sí por la velocidad del flujo: lenta en el caso de los suelos aluviales, y muy rápido en los Cársticos cársticos. Fuente: Ferrara de Giner et al. (2001)
Al momento de considerar posibles fuentes de abastecimiento de agua potable los cuerpos de agua superficial son más susceptibles a ser afectados por las actividades del hombre razón por la cual para ser destinados al consumo humano mínimo deben ser sometidos a desinfección. Mientras tanto las aguas subterráneas al encontrarse por debajo de la superficie terrestre tienden a mantener su calidad la mayoría de las veces y las aguas marinas dadas las altas concentraciones de sólidos disueltos a remover para alcanzar los niveles aceptables son las más costosas en cuanto a tratamiento. Por su parte en los lagos y embalses el principal problema suele estar constituido por la presencia de algas que al llegar a los sistemas de tratamiento reducen la eficiencia de los mismos. I.2 Potabilización del agua I.2.1 Introducción a la potabilización Aunque conocemos desde nuestros primeros inicios en el mundo de la química que el agua es una sustancia compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno, la gran realidad es que de acuerdo a lo visto en el ciclo hidrológico el agua realmente es una solución en donde además de moléculas H2O pueden existir una cantidad de compuestos químicos inorgánicos, químicos orgánicos, biológicos y radiactivos, cuya presencia y concentración va a depender de factores tales como la geología, la concentración de gases en la atmósfera, la temperatura, la vegetación, las descargas realizadas en una cuenca, las actividades en la zona, etc..
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Es así que el agua que encontramos en los distintos cuerpos de agua viene a ser una sustancia tipo H2O + X, donde X viene ser la concentración de los diferentes constituyentes que se encuentran en la misma y determinan la calidad de este fluido. Puede entonces considerarse entonces que determinada agua es potable o apta para el consumo humano cuando las concentraciones de los constituyentes X presentes en la misma no representan riesgo alguno para la salud de los consumidores. En este sentido, de acuerdo a estudios toxicológicos y epidemiológicos se fijan los límites máximos aceptables para la concentración de cada parámetro, lo que constituye la base para el establecimiento de normativas de regulación de la calidad del agua potable. En Venezuela la regulación de la calidad del agua potable se establece en la Gaceta 36.395 “Normas Sanitarias de Calidad del Agua Potable”. En la misma se fijan valores máximos (por encima de los cuales existe un riesgo inminente a la salud), valores aceptables (valores por debajo del máximo pero que aportan a la mejora en la apariencia del agua), valores mínimos (en el caso del flúor específicamente, el cual otrora se suministraba a través del agua, hoy en la sal). En esta Gaceta además se fija una frecuencia de muestreo para el caso de los parámetros bacteriológicos. Decreto 883 y agua potable: En las Normas para la Clasificación y el Control de la Calidad de los Cuerpos de agua y Vertidos o Efluentes Líquidos se constituye en una herramienta útil en materia de gestión de cuerpos de agua y en especial de aquellos destinados al la obtención de agua potable. En el mismo se presenta una clasificación de las aguas, en donde las aguas de tipo 1 comprende aquellas “aguas destinadas al uso doméstico y al uso industrial que requiera de agua potable, siempre que ésta forme parte de un producto o sub-producto destinado al consumo humano o que entre en contacto con el”. Las aguas tipo 1 a su vez se desagregan en los subtipos 1A, 1B y 1C de acuerdo al tipo de tratamiento que ha de realizarse a las mismas para llevarlas a una condición potable. I.2.2 Potabilización del agua Puede definirse la potabilización al proceso o a la serie de procesos mediante los cuales el agua que es obtenida de una fuente natural o artificial y cuyas características le confieren un grado de riesgo para la salud es llevada a un nivel de calidad tal que pueda ser considerada como segura para el consumo humano. Es así como el tratamiento de 11
potabilización a aplicar al agua obtenida de una determinada fuente va a depender de las características de cada fuente, es decir de las concentraciones de los parámetros físicos, químicos y biológicos encontrados en la misma una vez se hayan realizado los respectivos análisis de caracterización. Ahora bien si se considera que aún para una misma fuente pueden presentarse variaciones a lo largo del año y aún a lo largo del día, ya sea por aspectos climáticos, uso de la tierra, actividades en la zona, etc., pueden entonces entenderse la tarea de producir agua potable como un proceso que requiere un control y monitoreo continuo de la fuente y una flexibilidad en los sistemas de tratamiento, los cuales permitan una asimilación de las variaciones y la obtención de agua con la calidad potable esperada. Planta de Potabilización
Red de Distribución
Fuente
Sistema de Bombeo
Figura I.1. Sistema de Abastecimiento de Agua Potable Fuente: elaboración propia a partir de apuntes Mari a V. Najul.
En la figura I.1 se ilustra un sistema de abastecimiento típico el cual se encuentra compuesto: −
Fuente: lugar de donde se toma el agua de abastecimiento; puede ser natural (río, lago, acuífero, etc.) o artificial (embalse, tanque, etc.). La toma de agua requiere de la implementación de obras de captación las cuales varían de acuerdo a la fuente; por ejemplo, en el caso de los ríos se tienen torre tomas, embalses, estaciones de bombeo flotantes, etc.; en el caso de aguas subterráneas se tienen pozos bombeados o tipo aljibe, etc. y en fin, en el mundo de la ingeniería de aguas se tiene un sin número de opciones en cuanto a captación.
−
Sistema o planta de tratamiento de potabilización, del cual se habla con mayor detalle en la presente guía.
−
Sistema o red de distribución, que se compone de tuberías, alcantarillas, estaciones de bombeo, etc., y que permite el transporte del agua tratada hasta los lugares de consumo. 12
A su vez, la interconexión de las 3 unidades que conforman el gran sistema de abastecimiento se realiza mediante elementos de conducción en los cuales se tienen tuberías, túneles, bombas de impulsión, turbinas, etc. I.2.2.1 Tratamiento convencional de potabilización del agua Un tratamiento convencional para de potabilización de agua incluye principalmente las operaciones de coagulación – floculación, sedimentación, desinfección, filtración y estabilización química. Adicionalmente, dependiendo de la calidad del agua de la fuente y de las condiciones de las redes de distribución también se incluyen operaciones tales como unidad de desbaste, desarenador, precloración y postcloración. En las figuras I.2 y I.3 se presenta un esquema convencional correspondiente a una planta de tratamiento de potabilización. De forma muy general cada una de estas unidades se define a continuación: Unidad de desbaste Consiste en elementos tipo rejillas y cribas que permiten la remoción de los constituyentes de mayor tamaño (trozos de árboles, ramas, trapos, etc.). La operación de desbaste más que mejorar la calidad como tal, garantiza la protección de los sistemas mecánicos (bombas, tuberías, etc.). Generalmente el desbaste se encuentra en la zona donde se realiza la captación. Desarenador Consiste en estructuras hidráulicas generalmente tipo canales con sección variable en donde aprovechando la fuerza de la gravedad se remueven partículas de arena en suspensión las cuales al ser abrasivas afectan también a los sistemas mecánicos.
13
Fuente de Abastecimiento
Coagulación Floculación
MR
ML
Fuente de Abastecimiento
Desarenador
Desinfección Distribución Estabilización uímica
Sedimentación
Filtros
Figura I.2. Planta de Potabilización Convencional Fuente: Elaboración propia a partir de J Romero 2005
Disposición y manejo de lodos
14
Figura I.3. Planta de Potabilización Convencional Fuente: http://www.aquapurificacion.com/agua-municipal.htm
15
Coagulación floculación Esta operación busca la remoción de partículas coloidales, las cuales tienden a permanecer en suspensión en el agua y ocasionan turbiedad. En primera instancia se añaden sustancias químicas tipo coagulantes (sulfato de aluminio, cloruro férrico, polímeros, etc.) y se realiza una mezcla rápida para poner a los coloides en contacto con la sustancia. Luego de lo anterior se realiza una mezcla lenta con el propósito de favorecer que los coloides, los cuales se encuentran dispersos y en suspensión se aglomeren formando flóculos de un tamaño tal que puedan precipitar pasando a formar lodos en el fondo y siendo removidos de esta forma del agua. Sedimentadores Un sedimentador es una estructura tipo tanque generalmente de forma rectangular o circular en el cual el agua permanece un tiempo adecuado para que se produzcan condiciones de estanqueidad y al mismo tiempo por la acción de la gravedad precipiten partículas en suspensión. En este proceso se remueven tanto las partículas en suspensión que vienen desde la fuente hasta las partículas floculentas que se forman en el proceso de coagulación floculación. Las partículas acumuladas en el fondo del sedimentador vienen a formar lodos que necesitan ser extraídos, tratados y dispuestos de forma adecuada. Filtración A pesar de que en la sedimentación se remueve una considerable porción de partículas en suspensión siempre queda un remanente de elementos que no logran precipitar ya sea por su pequeño tamaño, su baja densidad o que el tiempo de estanqueidad no fue suficiente y los mismos necesitan ser removidos entonces a través de unidades de filtración. Los filtros consisten también de tanques generalmente cuadrados en cuyo interior se disponen capas filtrantes de diferentes materiales (arena, antracita, granate, etc.), cuyos tamaños de partículas y espesores se diseñan de acuerdo a lo que se espere remover en el proceso de filtración. Estabilización química De forma natural o producto de los tratamientos realizados hasta este punto, el agua puede presentar una tendencia corrosiva o depositante; estas tendencias en el agua, aunque no siempre constituyen un riesgo para la salud, si son consideradas potencialmente dañinas para instalaciones tipo tuberías, calderas, aparatos sanitarios, etc. y es por esta razón que el 16
agua necesita ser sometida a un proceso de estabilización química, el cual consiste en agregar sustancias químicas que permitan llevar a la misma a un estado tal que no precipite ni solubilice. Desinfección La desinfección del agua para abastecimiento publico consiste en la inactivación de microorganismos que puedan estar presentes en la misma y puede realizarse utilizando métodos químicos y físicos. Dentro de los métodos químicos más utilizados está el añadir compuestos de cloro (hipoclorito de sodio y de calcio), sin embargo existen también tecnologías en donde se utiliza el ozono y la luz ultravioleta. I.2.2.2 Tratamientos avanzados y ecológicos de potabilización Cabe notar que si existiesen sustancias tóxicas en el agua, las cuales en su gran mayoría se presentan en estado disuelto, realmente no van a ser removidas por la modalidad de tratamiento convencional, razón por la cual cuando esto sucede su busca en primera instancia descartar la fuente y en segunda implementar tratamientos no convencionales o tratamientos avanzados que permitan la remoción de sustancias nocivas en estado disuelto; dentro de los tratamientos avanzados más utilizados hoy en día se tienen: −
Osmosis Inversa (Filtración por membranas)
Es una de las tecnologías de filtración por membranas que más se utilizan en la potabilización del agua y se usa ampliamente en aguas con altas concentraciones de sales, tales como las aguas marinas o aguas subterráneas salobres. Esta tecnología se basa en la aplicación de una presión sobre una solución concentrada (en este caso el agua salada) para forzar el paso de la misma a través de unas membranas semipermeables, provocando así una retención de la mayor parte de las sales disueltas obteniendo un agua con una concentración salina muy inferior a la disolución de partida, un esquema se observa en la figura I.4, I.5 en conjunto I.6.
17
Agua pura
... .. . . . . ... . . . . . .. . .. .... .. ..
S o l u c i ó n d e a l ta concentración
Membrana Semipermeable
Figura I.4. Esquema de funcionamiento de la osmosis inversa. Fuente: http://www.tratamiento-aguas.com.mx/osmosis/ planta_purisima.html
Figura I.5. Disposición Constructiva de una membrana comercial. Se observa el enrollamiento en espiral y la dirección de los flujos dentro del módulo. Fuente: http://www.tratamiento-aguas.com.mx/osmosis/ planta_purisima.html
Figura I.6. Planta de osmosis inversa Fuente: http://www.tratamiento-aguas.com.mx/osmosis/ planta_purisima.html
18
−
Adsorción
La adsorción es un proceso de acumulación o concentración de sustancias que están en solución sobre la superficie de un material. En el caso de la potabilización la adsorción consiste en remover sustancias disueltas ya sean orgánicas e inorgánicas por adherencia de las mismas a un sólido. El carbón activado es el sólido más utilizado y se produce al someter materiales orgánicos a diversos procesos fisicoquímicos para final mente obtener un carbón con gran cantidad de poros que se asocian a grandes superficies de contacto (entre 500 - 1500 m 2 /g). El tamaño de la superficie hace que el carbón tenga una adsorción ideal. El carbón activo viene en dos variaciones: Carbón activado polvo (PAC) y carbón activado granular (GAC). Dentro de las sustancias que pueden removerse con este material se tienen principalmente compuestos orgánicos, algunos ejemplos se observa en la figura I.7 y figura I.8.
A
b
Figura I.7. En la imagen a) material orgánico, conchas de coco. La imagen b) presenta una muestra de carbono activo granulado y en la imagen c) se muestra una ampliación microscópica de la elevada porosidad.
Figura I.8. Filtro de carbón activado Fuente fig. 7 y 8: Apuntes Maria V Najul.
19
−
Intercambio iónico
Consiste en una operación de separación basada en la transferencia de iones que se encuentran en una solución a una resina. Implica el intercambio reversible de iones (cationes o aniones) entre un líquido y un sólido, donde no existen cambios permanentes en la estructura del sólido. Puede ser considerado un proceso de sorción, ya que ocurre sobre una superficie y es similar a la adsorción. Las resinas utilizadas pueden ser naturales (tipo arcillas) y sintéticas (polímeros). En el campo de la potabilización las resinas se utilizan principalmente en operaciones de ablandamiento de aguas para remover calcio. Una resina, que puede estar cargada negativa o positivamente, contiene iones con carga opuesta en la superficie. Cuando la resina es puesta en contacto con la solución los iones que están en la superficie pasan a formar parte del líquido mientras dejando unos espacios que vienen a ser ocupados por los iones presentes que se desean remover.
Figura I.9. Principio de operación de las resinas de intercambio iónico. Fuente: http://www.ub.es/biocel/wbc/images/inmunocitoquimica-s3/cromatografia2.jpg
Figura I.10. Esquema típico de la instalación de una unidad de intercambio iónico Fuente: Apuntes Maria V Najul.
20
−
Destilación
La destilación es un proceso que se aplica también a la potabilización de aguas con elevadas concentraciones de sales tipo aguas de mar y el principio de trabajo se basa en intercambio de fases (líquido a vapor) en el agua al someterla a altas temperatura. En este proceso debido a la diferencia en las presiones de vapor del agua y los elementos contenidos en la misma se logra una recuperación de agua pura a partir de agua natural. La destilación opera bajo el principio de funcionamiento del ciclo del agua (evaporación – precipitación) pero de una forma más acelerada y es altamente eficaz en remover constituyentes Inorgánicos, Orgánicos y bacteriológicos en el agua. En materia de procesos de destilación se tienen: 1) Destilación térmica en donde la energía necesaria para realizar el proceso es obtenida de combustibles fósiles (carbón, gas natural, petróleo, etc.
Figura I.11. Diagrama de la compresión de vapor (CV) con evaporador de tubos verticales (VTE). Fuente: La desalación como alternativa al PHN (Plan Hidrológico Nacional – Zaragoza).2001
2) Destilación solar, adecuada para pequeñas comunidades en regiones áridas o semiáridas. Tiene dos variantes según utilice la energía del sol directamente o por captura del sol por mediante celdas solares. Un esquema se observa en la figura I.12.
Figura I.12. Esquema de un colector solar para destilación Fuente: La desalación como alternativa al PHN.2001
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Al hablar de tratamientos ecológicos se espera la aplicación de procesos que funcionen bajo los principios de operación y en condiciones similares a la naturaleza con un uso eficiente de energías renovables. En el caso particular de la potabilización en donde se espera la producción de una sustancia para el consumo humano cuya calidad sea tal que no constituya un riesgo para la salud humana, cobran vital importancia la conservación y el control de la fuente así como de las actividades susceptibles de afectar la misma, como lo son los controles de descargas puntuales y difusas, controles de deforestación, etc. No obstante, en diferentes partes del mundo se tienen diferentes experiencias en comunidades que no tienen acceso a los sistemas de abastecimiento centralizados, y las tendencias incluyen la fabricación de filtros con materiales de la zona, elaboración de carbón activado a partir de residuos de frutos de la palmera, montajes artesanales de sistemas de destilación y aireación, desinfección con luz solar o sometiendo el agua a ebullición. La disposición de un tratamiento convencional o no convencional así como el arreglo de las operaciones a considerar en el sistema de tratamiento va a depender entre otros factores de la calidad del agua de la fuente, la disponibilidad de terrenos para la implantación de las obras de ingeniería, los costos, nivel de instrucción de los operadores, etc. Sin embargo en una forma general, de acuerdo al material a remover las unidades se disponen en el siguiente orden: Tipo de Material
Operaciones Unitarias
Partículas suspendidas
Sedimentadores y filtros
Partículas coloidales
Coagulación floculación
Olor y sabor
Aireación, adsorción
Dureza, partículas disueltas
Precipitación membranas.
Organismos patógenos
Desinfección
química,
intercambio
iónico,
Actividades: Individuales: 1.
Consultar el significado y la importancia de los parámetros de calidad listados y regulados en la Gaceta 36.395. Ej. Turbiedad (UNT): característica física del agua definida como la medida de la capacidad que tiene la misma para dispersar la luz. Puede 22
ser causada por partículas suspendidas y coloidales las cuales a su vez pueden ser minerales (tipo arcillas) u orgánicas (algas). La turbiedad se constituye en un parámetro importante debido a que presencia de la misma puede generar rechazos del agua en la población que recibe el agua potable, lo que puede acarrear un problema de salud pública; a su vez las sustancias coloidales que producen la turbiedad pueden encubrir microorganismos patógenos. La turbiedad también en el cuerpo de agua interfiere con el paso de la luz solar, la cual es indispensable para muchas especies acuáticas. 2.
Al momento de dimensionar y diseñar sistemas de tratamiento se parte de la premisa de que una persona consume al día en sus diferentes actividades domésticas un promedio 250l de agua potable (caso caracas y sus alrededores). Durante el lapso de 1 semana observe, estime y anote las cantidades de agua que usted y/o su familia consumen en pro de la realización de las actividades del hogar y luego calcule la dotación o el consumo por persona aplicable a su casa. Incluya comentarios acerca de la experiencia. Ej. Litros consumidos por una familia de 3 personas; Actividad
Día 1
Día 2
Día 3
Día 4
Día 5
Día 6
Día 7
Baño
80
75
76
79
60
120
140
Lavado dientes y manos
2
1,5
3
2,4
2,6
1,8
5
Cocina
15
18
17
14
12
16
30
Lavado de ropa
0
0
0
80
0
0
200
Limpieza pisos
0
40
0
36
0
42
120
Riego de plantas
0
1,5
0
1,5
0
TOTAL
97
136
96
212,9
74,6
de
2 179,8
497
Total consumo de la familia por semana: 97+136+96+212,9+74,6+179,8+497 = 1293,3litros Total consumo por persona en la semana: 1293,3 litros / 3 personas = 431,1 l/p en 7 días
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Total consumo por persona por día (Dotación): Dotación= 431,1 l/p / 7 días = 61,59 l/p – d La dotación para la familia de 3 personas es de aproximadamente 62 litros por persona por día. 3.
Investigar y responder las siguientes preguntas:
-
Que se entiende por cationes y aniones mayoritarios en las aguas naturales y porque resulta importante su determinación para establecer la calidad del agua.
-
¿Porque razón para establecer la calidad bacteriológica del agua solo suele considerarse la medición de los organismos tipo bacterias coliformes?
-
¿Explique porque de todos los componentes inorgánicos solamente el fluoruro en el agua es limitado tanto en exceso como en defecto de acuerdo a la temperatura en el aire? Ver cuadro No.3 de la Gaceta 36.395.
-
¿A que se denomina Índice de Langelier y para que se utiliza en el campo de la potabilización del agua?
-
¿Que se entiende por demanda de cloro del agua y para que se utiliza?
Grupales o Cooperativos: 1. Se tiene la siguiente caracterización para varios cuerpos de agua de nuestro país: Fuente
Fecha muestreo Sólidos disueltos (mg/l) pH Oxigeno disuelto (mg/l) Hierro total (mg/l) Sodio (mg/l)
Río Caroní
Río Tuy
Embalse Camatagua
07/95 55 6,4 ND 0,6 0,86
09/93 190 7,0 3,0 14 10,3
11/93 150 7,3 4,4 0,5 8,3
Pozo el Saman. Caracas
08/99 650 6,8 4,8 ND 34
24
Fuente
Río Caroní
Río Tuy
Embalse Camatagua
Pozo el Saman. Caracas
Potasio (mg/l) 0,46 4,8 2,9 1,7 Inapreciable Inapreciable Cobre (mg/l) 0,46 0,2 Inapreciable Inapreciable Zinc (mg/l) 0,01 0,1 Inapreciable Inapreciable Aluminio (mg/l) ----Cloruros (mg/l) 0,7 10,9 4,4 35 Coliformes totales (NMP) --1,2x104 Coliformes fecales (NMP) --1,0x10 2 Fuente: Elaboración propia a partir de datos de la PETA – UCV, 2001
a. ¿Por qué razones en las aguas subterráneas (pozos) la concentración de sólidos disueltos totales tiende a ser mayor que en cuerpos de agua superficial? b. Utilizando el decreto 883, contraste cada uno de los cuerpos de agua que se presentan en la tabla cada uno de los tipos de aguas que establece esta norma y discuta acerca de la clasificación de los mismos. c. ¿Considerando que el río Tuy y el embalse Camatagua constituyen importantes fuentes de abastecimiento para la ciudad de Caracas, en que clasificación debería ubicarse? ¿Cree usted que esa clasificación se ajusta a la realidad del río Tuy en nuestros días?. ¿Dónde cree usted que radica el problema en el deterioro de la calidad?. ¿Qué piensa acerca del papel de la normativa (decreto 883) en esta situación?. Justifique cada una de sus respuestas con argumentos en lo posible comprobables. 2. Investigar acerca de 2 experiencias en materia de potabilización de agua con métodos ecológicos en ecoaldeas y pequeñas comunidades. Hable acerca del proceso de tratamiento, principio de operación, de que forma se modifica la calidad del agua, que elementos se remueven, ventajas y desventajas y en lo posible costos. En función de todo el conocimiento básico que usted ha adquirido en materia de tratamiento de potabilización realice sus comentarios. 3. Investigue acerca de 3 plantas de tratamiento en nuestro país, que tipo de tratamiento se aplica (convencional o no convencional), las operaciones unitarias que maneja y cuales son los parámetros que se miden de forma regular en al menos tres (3) hidrológicas de nuestro país. Averigüe cual es el caudal de operación de la planta, cual es la población servida y estime cual es la dotación que se está suministrando. Discuta y realice sus comentarios al respecto.
25
Comunitarias: 1. En la comunidad donde está asignado en la Unidad Curricular Proyecto realice un diagnóstico en cuanto al agua de abastecimiento de la población: - Lugar de procedencia del agua - Desde cuando disponen de este servicio público - Regularidad de servicio - Tipo de cancelación que realiza la comunidad - Mencione cuales problemas se les ha presentado con este servicio y cómo enfrentó esa situación, la comunidad.
Nota: Se recomienda realizar una prueba diagnóstica al finalizar cada modulo, a fin de validar el avance del proceso de aprendizaje o logro de las competencias esperadas.
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MODULO II TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Objetivo Presentar un panorama general en materia de caracterización, gestión y tratamiento de las aguas residuales.
Competencia a lograr -
Amplia sus conocimientos en materia de caracterización de aguas y más específicamente de agua residual.
-
Visualiza de una forma general el origen y el impacto ambiental de las aguas residuales.
-
Entiende la utilidad del decreto 883 en materia de gestión y tratamiento de las aguas residuales.
-
Conoce acerca de las tendencias y los enfoques relativos al manejo sustentable del agua en relación al agua residual.
-
Recibe una introducción general en el tema de los tratamientos tecnológicos y ecológicos aplicables al tratamiento de las aguas residuales.
II.1 Generalidades del agua residual y su tratamiento II.1.1 Antecedentes Los métodos de depuración de residuos se remontan a la antigüedad, habiéndose encontrado instalaciones de alcantarillado en lugares prehistóricos de Creta y en las antiguas ciudades asirias. Las canalizaciones de desagüe construidas por los romanos todavía funcionan en nuestros días. Aunque su principal función era el drenaje, la costumbre romana de arrojar los desperdicios a las calles, de modo que, junto con el agua de las escorrentías viajaban grandes cantidades de materia orgánica. De esta manera se procedía a la evacuación de aguas residuales fuera de los núcleos urbanos; ya en la antigua Atenas era utilizado este sistema, usándose el agua evacuada como posterior agua de riego. (Pérez, 2006) Sin embargo, el precedente de la recogida de las aguas residuales se sienta en el siglo XIX, surgiendo su tratamiento sistemático a finales del siglo pasado. El desarrollo de la teoría del germen a cargo de Koch y Pasteur en la segunda mitad del siglo XIX marco el inicio de una nueva era en el campo del saneamiento. Hasta ese momento se había profundizado poco en 27
la relación entre contaminación y enfermedades, y no se había aplicado la bacteriología al tratamiento de aguas, disciplina entonces en sus inicios (Metcalf, 1985, APHA, 1998). Más adelante, con el crecimiento de las ciudades, se puso de manifiesto la insuficiencia de los medios de autodepuración de los cauces receptores, razón por la cual el propósito del tratamiento fue acelerar los procesos naturales, bajo condiciones controladas. (Pérez, 2006) En Estados Unidos, el tratamiento y eliminación de las aguas residuales no recibió demasiada atención a finales del siglo XIX debido a que los daños causados por el vertido de aguas no tratadas en las relativamente grandes masas de aguas receptoras no eran graves. Sin embargo, a principio del siglo XX, los daños causados y las condiciones sanitarias impulsaron una creciente demanda de mayor eficiencia en el tratamiento y gestión de las aguas. Paralelo a la evolución de la práctica de ingeniería ambiental, se han desarrollado métodos analíticos para obtener la información real necesaria para la resolución y solución de problemas ambientales. En muchos casos se propusieron diferentes métodos para las mismas determinaciones; en un intento de unificar los métodos, la Asociación Americana de Salud Pública creó un comité para estudiar los diferentes métodos analíticos y publicó las recomendaciones en 1905 como “Métodos Estándar de Análisis de Agua”. Desde esa época, el campo que abarcan los “Métodos Estándar” se ha ampliado para incluir las aguas residuales (Sawyer, 2001). Autoregeneración de cuerpos de agua Las aguas residuales pueden disponerse de diferentes maneras: en el mar, sobre el suelo, en el subsuelo; no obstante, el método más común de disposición es sobre aguas superficiales, a través del sistema de alcantarillado. Sin embargo, el mantenimiento de la calidad del agua es, realmente responsabilidad de una entidad estadal de nivel nacional, departamental o municipal donde dichas entidades establecen y controlan el cumplimiento de estándares de calidad de agua que aseguren el uso benéfico propuesto para el recurso hídrico. (Romero J., 1996). Vale la pena destacar en este punto que en Venezuela la regulación y control de los cuerpos de agua es competencia del Ministerio del Poder Popular para el Ambiente, el cual cuenta entre otras herramientas, con el Decreto 883 “Normas para la clasificación y control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos”. Puede entenderse la capacidad de autoregeneración del sistema ambiental o de uno de sus componentes, como la capacidad que tiene el mismo para recuperarse y volver a su estado de equilibrio inicial luego de sufrir una 28
alteración proveniente de un agente externo. Esta capacidad va depender de los procesos físicos, químicos, biológicos y aún radiológicos que suceden el sistema, los cuales le permiten ejercer una regulación o amortiguamiento por medio del cual puede tender a regresar a ese estado de equilibrio inicial, o en su defecto, a un nuevo equilibrio. Ej. Un proceso biológico importante en la autopurificación de los ríos es el proceso metabólico realizado por los microorganismos, especialmente bacterias, las cuales descomponen la materia orgánica biodegradable en CO2 y agua consumiendo en dicho proceso el oxigeno libre disponible en el agua. Es así que al arrojar una descarga de material orgánico biodegradable a una corriente de agua, en dicha corriente se va a presentar un proceso de desoxigenación gradual hasta un nivel crítico de oxigeno, seguido de una reoxigenación hasta el nivel de oxigeno natural del cuerpo de agua, dándose a lugar una curva de combado de oxigeno que describe la capacidad de autoregeneración de la corriente ante la descarga recibida; este proceso es descrito a través del Modelo de Streeter y Phelps. II.1.2 Origen y clasificación de las aguas residuales Como se explica en el capítulo de tratamiento de potabilización, el agua que se encuentra en la naturaleza además de hidrógeno y oxígeno contiene otra serie de sustancias que se adquieren debido al paso de la misma a través del ciclo del agua. Dentro de esas sustancias algunas pueden tener un origen netamente natural, sin embargo, otro tanto tiene su origen en compuestos de desecho producidos como consecuencia de la actividad humana, los cuales pueden ser arrojados directamente al agua o bien llegar a ella como producto del arrastre de escorrentías subterráneas o superficiales por zonas que contienen estos desechos. En general las aguas residuales se definen como el conjunto de aguas que lleva elementos de desecho producto de las actividades de origen antrópico y pueden clasificarse de acuerdo a su origen de la siguiente forma:
−
Aguas residuales domésticas
Se consideran aguas residuales domésticas (ARD), los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales. “Este flujo de retorno transporta los desechos resultantes de los procesos vitales del hombre y sus actividades domésticas”. (Ferrara, 2001). −
Aguas residuales industriales
Se puede definir a las aguas residuales industriales (ARI), a los líquidos de desecho provenientes de las diferentes actividades productivas de la 29
industria: actividad manufacturera, industria extractiva y procesamiento de producto de la actividad agropecuaria.
−
Aguas residuales agropecuarias
Comprende los vertidos provenientes de actividades agropecuarias tales como centros porcinos, vaquerías, granjas avícolas, centros de cría y ceba de animales en general. Otros términos que hacen referencia a aguas residuales y que comúnmente pueden encontrarse en la literatura son los siguientes:
−
Aguas residuales municipales
Se encuentran dentro de estas a los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población. (Romero J., 1996). Comprende una combinación de las aguas provenientes de las residencias, edificios comerciales e institucionales, algunas industrias y aunque no es lo ideal, puede contener aguas provenientes de los sistemas de drenaje pluvial.
−
Aguas negras y grises
Las aguas negras son aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y orina, mientras que las aguas grises son las aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras (Romero J, 1996). II.1.3 Características del agua residual La calidad o caracterización física, química y biológica del agua residual envuelve una gama de parámetros cuya mayor o menor presencia va a depender del origen del agua misma; sin embargo los parámetros más importantes se resumen a continuación, realizando una breve descripción de los mismos en la Tabla II.1 : II.1.3.1 Características físicas −
Aspecto
Describe las características visibles del agua; mediante este término se establece cualitativamente la presencia de color, turbiedad, sólidos 30
flotantes, sedimentos, etc. La importancia de su determinación radica en que de acuerdo a lo observado en la muestra en el momento de su captación, se pueden hacer inferencias en relación a los posibles constituyentes del agua. Tabla II.1. Características del agua residual FISICOS
QUIMICOS
BIOLÓGICOS
Aspecto
pH
Virus
Conductividad específica
Alcalinidad y acidez
Bacterias
Sólidos
Dureza
Protozoarios
Temperatura
Nutrientes (N y P) Constituyentes orgánicos Metales pesados Sulfatos y sulfuros Gases
−
Color (UCV, Upt-Co)*
El color que presentan las aguas puede ser de origen mineral tal como el producido por compuestos de hierro y manganeso, ó vegetal, como el producido por materia orgánica en suspensión, algas, semillas, sustancias húmicas y plancton. Este se define en términos de color aparente, que incluye al debido a las sustancias tanto en solución como en suspensión, y color real, que es aquel que presenta la muestra después de habérsele removido la turbiedad. UCV: Unidades de color verdadero Upt-Co: Unidades de platinato de cobalto
−
Turbiedad (UNT)
Es una medida de la capacidad del agua para dispersar la luz y es causada por material suspendido generalmente del tipo coloidal. El origen de la turbiedad puede ser mineral (ej. Arcillas y compuestos de hierro) u orgánico (ej. fibras orgánicas y microorganismos). UNT: Unidades nefelométricas de turbiedad.
31
−
Conductividad eléctrica (µS/cm, µmho/cm)
Se define como una medida de la capacidad que tiene el agua para transportar la corriente eléctrica debido a los iones presentes en la misma. Este parámetro está directamente asociado a la presencia de sólidos disueltos en el agua y aumenta a medida que aumenta la concentración de iones presentes en el agua. µS/cm: microsiemens por centímetro µmho/cm: microomhos por centímetro -
Sólidos
Los sólidos en el agua pueden entenderse como toda la materia, excepto los gases y el agua, contenida en el líquido, sin embargo, la definición de sólidos (totales) hace referencia a todo el residuo que queda después de la evaporación y secado a una temperatura de 102 + 2 °C. En materia de tratamiento de aguas se manejan diferentes categorías de sólidos, los cuales son abordados de formas diferentes. En este sentido, los sólidos totales se pueden desglosar como se observa en la Figura II.1 y II.2.
Sólidos Sedimentables
Sólidos Suspendidos Sólidos No Sedimentables
Sólidos fi os Sólidos Volátiles Sólidos fi os Sólidos Volátiles
Sólidos Totales Sólidos Disueltos Sólidos Disueltos Sólidos Coloidales
Sólidos fi os Sólidos Volátiles Sólidos fi os Sólidos Volátiles
Figura II.1. Esquema de un colector solar para destilación Fuente: Manual del Recurso Hídrico. Ferrara, 2001.
32
Disueltos Bacterias Algas Sedimentables Virus Disueltos Tamaño de Partícula (mm)
10-8
10-7
Bacterias
Coloidales (Arcillas) 10-6
10-5
10-4
Suspendidas 10-3
10-2
0,1
1
Figura II.2. Esquema de un colector solar para destilación Fuente: Manual del Recurso Hídrico. Ferrara, 2001.
Los sólidos suspendidos son aquellos que se mantienen en suspensión en la corriente de agua residual; sin embargo en condiciones de estanqueidad parte de esos sólidos tendrán la capacidad de sedimentar (sólidos sedimentables), mientras que otra porción de sólidos tenderá a permanecer suspendido en la solución (sólidos no sedimentables). Los sólidos sedimentables (ml/l) se definen como una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de un cono de Imhoff, en un período de una hora y los sólidos no sedimentables son aquellos que permanecen en suspensión luego del período establecido. Mientras tanto los sólidos disueltos (mg/L) representan el material soluble, siendo los disueltos propiamente dicho, aquellas partículas de tamaño molecular o iónico que permanecen disueltas en el agua, y los coloides especies que aunque tienen un tamaño mayor tienden a permanecer en solución debido a que al poseer general mente cargas negativas tienden a repelerse entre sí.
−
Temperatura (°C)
La temperatura se considera un parámetro importante debido a sus efectos sobre las características del agua y más específicamente de la concentración de gases disueltos, las reacciones químicas y bioquímicas, y el tratamiento del agua residual. II.1.3.2 Características químicas -
Potencial de Hidrógeno (pH)
Medida de la concentración del ión hidrógeno en el agua y representa el grado de acidez o basicidad. Típicamente el pH va de 0 a 14 unidades en 33
soluciones acuosas, considerándose ácidas las soluciones con pH menores a 7, y básicas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la solución. En aguas naturales el pH se mantiene entre 7,2 y 7,6 unidades sin embargo pueden encontrarse aguas que atraviesan tierras muy calcáreas cuyo pH está muy por encima de 7 y aguas que pasan por terrenos muy pobres en caliza, cuyo pH puede ser aún menor de 6 unidades. pH = - log10(H+) -
Alcalinidad y acidez (mg/L de CaCO3)
La alcalinidad es la medida de la capacidad que tiene el agua para neutralizar ácidos; esta puede generarse por hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, magnesio, sodio, potasio o de amonio. La acidez por su parte es la medida de la capacidad que tiene el agua para neutralizar bases y se origina de la disolución de CO2 atmosférico, de la oxidación de la materia orgánica o de sustancias minerales.
−
Dureza (mg/L de CaCO3)
El agua dura o la dureza en el agua, son términos que se comienzan a utilizar cuando se observó que el agua de algunas fuentes requería más jabón para producir espuma que el agua de otras fuentes; estas aguas que requerían más jabón se llamaron aguas duras. La dureza puede entenderse como una medida de la concentración de cationes divalentes en el agua de calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) en mayor proporción, y en menor de cationes tales como el hierro (Fe 2+), manganeso y estroncio (Sr 2+).
−
Nutrientes (N y P) (mg/L)
El nitrógeno y el fósforo son elementos esenciales para el crecimiento de animales y plantas y por esta razón se identifican como nutrientes o bioestimulantes. El nitrógeno de acuerdo a su estado de oxidación va a aparecer en diferentes estados (NO 3-, NO2-, N2, NH3, Urea (CO (NH2)2) y nitrógeno orgánico). En el caso del fósforo, los compuestos de mayor interés en aguas residuales son los ortofosfátos, poli fosfatos y fósforo orgánico. Constituyentes orgánicos Dentro de estos se tienen compuestos orgánicos de origen natural como lo son los restos de materia viva, alimentos, heces, grasas y aceites de origen −
34
animal y vegetal, petróleo; existen también compuestos orgánicos sintetizados por el hombre, dentro de los cuales se tienen los biocidas, detergentes, plásticos, etc. La estimación de los compuestos orgánicos contenidos en el agua se realiza a través de ensayos tales como: DBO ó Demanda Bioquímica de Oxigeno, la cual es una medida de la concentración de oxigeno que necesitan los microorganismos para degradar la materia orgánica (biodegradable); DQO o Demanda Química de Oxigeno, que representa la cantidad de oxigeno equivalente a un oxidante fuerte, necesaria para degradar la materia orgánica (biodegradable y no biodegradable). Existen también ensayos específicos para la determinación de compuestos tales como los detergentes, aceites y grasas, hidrocarburos, biocidas y fenoles.
−
Metales pesados (mg/L, g/L)
En general, los elementos que pierden electrones fácilmente para formar iones positivos son llamados metales, los cuales en estado libre usualmente conducen la corriente eléctrica con facilidad. Sin embargo, aunque no existe una forma única que permita enumerar y clasificar los metales pesados, según Romero (1996) algunos criterios usados para definirlos han sido: • La densidad relativa del metal, mayor de cuatro o de cinco • Su localización dentro de la tabla periódica de los elementos • La respuesta específica zoológica o botánica • La toxicidad del elemento Entre los metales pesados se incluyen la plata, bario, cadmio, cromo, cobre, cobalto, níquel, plomo, zinc, hierro, mercurio, titanio, vanadio, niobio, molibdeno y manganeso.
−
Sulfatos y sulfuros (mg/L)
Los sulfatos se consideran iones bastante comunes en aguas residuales; estos son reducidos por las bacterias anaerobias, las cuales utilizan el oxigeno contenido en el produciendo el ácido sulfhídrico y sulfuros. II.1.3.3 Características biológicas Virus Entidad biológica que encierra en si misma la información genética para reproducirse; los virus además invaden células vivas y se reproducen a expensas de estas y son extremadamente específicos a los huéspedes. −
35
−
Bacterias
Organismos unicelulares que se agrupan por su forma en cocos, bacilos, vibrios y espirilos. Aunque en su mayoría son organismos heterótrofos, se tienen también bacterias fotoautótrofas y quimioautótrofas. En cuanto a su necesidad de oxigeno se tienen bacterias aerobias, anaerobias, facultativas y anóxicas. Por su parte, las bacterias constituyen el grupo más importante de microorganismos en el tratamiento de aguas residuales. −
Hongos
Protistas aerobios, multicelulares (excepto las levaduras, no fotosintéticos y heterótrofos. En su mayoría obtienen su energía a partir de la materia orgánica muerta y tienen una función importante en la degradación de la misma.
−
Algas
Organismos autótrofos, fotosintéticos y que contienen clorofila. Gracias a su función fotosintética juegan un papel importante en el ciclo del carbono y la concentración de oxigeno disuelto en cuerpos de agua, ya que a través de su relación simbiótica con las bacterias las algas consumen CO 2 y producen oxigeno que es utilizado por las bacterias mismas. La actividad de las algas en los cuerpos de agua puede afectar entre otros al pH y la concentración de oxigeno disuelto.
−
Protozoarios
Organismos eucarióticos unicelulares, en su mayoría viven libres pero algunos son parásitos de organismos primitivos como las algas o complejos, como los humanos. La mayoría son aerobios o facultativos; son heterótrofos, sobreviven en condiciones adversas formando quistes, depredan las bacterias y pueden ser saprofitos. (Ferrara G, 2001). −
Otros microorganismos que también pueden estar presentes en las aguas residuales son los helmintos, protozoarios, rotíferos y crustáceos, los cuales son básicamente organismos multicelulares.
Organismos indicadores de interés sanitario Realizar una caracterización de todos los microorganismos presentes en el agua, resulta ser una tarea engorrosa, costosa y de no acabar si se considera la amplia gama de especies existentes, sumado a que cada una
36
de ellas requiere un ensayo específico. Es por ello que surge la necesidad de contar con un organismo indicador, cuya presencia refleje la posibilidad de existencia de organismos patógenos y cumpla además con las siguientes características: • • • • • •
Aplicables a todo tipo de aguas Si existiesen patógenos deben estar presentes y ausentes si no los hay. Fáciles de determinar Inocuos Más resistentes que los patógenos en el medio y ante desinfectantes Su densidad debe estar relacionada con la probabilidad de la presencia de los patógenos.
Uno de los indicadores más ampliamente utilizado en la ingeniería sanitaria son los coliformes, los cuales incluyen a los pertenecientes al género Escherichia y Aerobacter . Estos cumplen con las características antes mencionadas. Teniendo un ahora un panorama general de los principales parámetros característicos de las aguas residuales, pueden plantearse las caracterizaciones típicas para aguas residuales domésticas, industriales y agrícolas, como se observa en la Tabla II.2: Tabla II.2 . Composición típica del agua residual doméstica cruda Contaminantes
Concentración
Unidad Débil
Media
Fuerte
Sólidos totales (ST)
mg/l
350
720
1200
Sólidos disueltos totales (SDT)
mg/l
250
500
850
Sólidos disueltos fijos
mg/l
145
300
525
Sólidos disueltos volátiles
mg/l
105
200
325
Sólidos suspendidos (SS)
mg/l
100
220
350
Sólidos suspendidos fijos
mg/l
20
55
75
Sólidos suspendidos volátiles
mg/l
80
165
275
Sólidos sedimentables
ml/l
5
10
20
DBO5,20
mg/l
110
220
400
Carbono orgánico total (COT)
mg/l
80
160
290
DQO
mg/l
250
500
1000
Nitrógeno total
mg/l
20
40
85
Nitrógeno orgánico
mg/l
8
15
35
37
Contaminantes
Concentración
Unidad Débil
Media
Fuerte
Nitrógeno amoniacal
mg/l
12
25
50
Nitritos
mg/l
0
0
0
Nitratos
mg/l
0
0
0
Fósforo total
mg/l
4
8
15
Fósforo orgánico
mg/l
1
3
5
Fósforo inorgánico
mg/l
3
5
10
Cloruros
mg/l
30
50
100
Sulfato
mg/l
20
30
50
Alcalinidad como CaCO 3
mg/l
50
100
200
Grasa
mg/l
50
100
150
NMP/100ml
106 - 107
107 - 108
107 - 109
g/l
<100
100-400
>400
Coliformes totales Compuestos orgánicos volátiles.
Fuente: Ferrara, 2001., Metcalf y Eddy, 1995.
Ahora bien, con respecto a las aguas residuales industriales, el término industria envuelve un gran espectro de actividades económicas; de modo que, un intento por agruparlas por afinidad siempre produce un número apreciable de divisiones, sin embargo, en la literatura se encuentran caracterizaciones típicas para aguas servidas de diversos tipos de industrias, en donde se muestran los contaminantes que frecuentemente se encuentran. Algunos ejemplos se presentan en la Tabla II.3: Tabla II.3 . Composición típica de algunas aguas industriales Industria
Tipo de Contaminantes
Textiles
Alcalinidad, color DBO, alta temperatura, sólidos suspendidos.
Fabricación de Colas
DQO, DBO, pH alto, cromo, ácidos minerales fuertes.
Café
Alto DBO y sólidos suspendidos.
Fuente: Nemerow, 1977.
Por su parte, las aguas provenientes de la actividad agropecuaria se caracterizan por su alto contenido de materia orgánica, sólidos suspendidos y microorganismos. Como una referencia útil se incluye la Tabla II.4 en donde se presenta una lista de los parámetros comúnmente analizados para determinar la calidad del agua residual y el uso y significado de los mismos.
38
Tabla II.4. Análisis comúnmente usados para estimar los constituyentes encontrados en las aguas residuales Prueba
Abreviatura
Uso o significados del resultado
Características físicas
Sólidos totales (ST)
ST
Sólidos volátiles totales (SDT)
SVT
Sólidos fijos totales
SFT
Sólidos suspendidos totales
SST
Sólidos suspendidos volátiles
SSV
Sólidos suspendidos fijos
SSF
Sólidos disueltos totales
SDT
Sólidos disueltos volátiles
SDV
Sólidos disueltos fijos totales
SDF
Sólidos sedimentables Turbiedad Temperatura
Conductividad
Determinar la clase de proceso u operación más apropiada para su tratamiento. Estimar la reutilización potencial del agua residual .
SS UNT ° C o °F
Evaluar la calidad del agua residual tratada. Importante en el diseño y operación de instalaciones de tratamiento con procesos biológicos.
µS/cm, µmho/cm Evaluar el contenido de sales. Estimar su aptitud para usos agrícola. Características químicas
Amonio libre
NH4+
Nitrógeno orgánico
N-org
Nitrógeno total (Kjeldahl)
NTK (N-org + NH 4+) -
Nitritos
NO2
Nitratos
NO3-
Fósforo inorgánico Fósforo total Fósforo orgánico pH Alcalinidad Cloruros
P inorg
Usado como medida de nutrientes y para establecer el grado de descomposición del agua residual; las formas oxidadas pueden tomarse como una medida del grado de oxidación.
FT P org pH=log 1/(H+)
Medida de la acidez o basicidad de una solución acuosa.
ΣHCO3-+CO32-+OH--H+ Medida de la capacidad amortiguadora del agua residual.
Cl-
Importante al momento de evaluar la posibilidad de emplear el agua en la
39
Prueba
Abreviatura
Uso o significados del resultado
agricultura. Sulfatos
SO4
Metales
-
As, Cd, Ca, Cr, Co, Cu, Estimar la posibilidad de reutilizar el agua Pb, Mg, Hg, Mo, Ni, Se, residual y los posibles efectos tóxicos en el Na, Zn tratamiento. Las cantidades de metales son importantes en el tratamiento biológico. Evaluar la presencia o ausencia de un constituyente específico.
Compuestos y elementos inorgánicos específicos
Evaluar la presencia o ausencia de un constituyente específico.
Gases Demanda oxigeno
Estimar la formación potencial de olores y de tratamiento apropiado de lodos residuales.
O2, CO2, NH3, H2S, CH4 Presencia o ausencia de un gas específico bioquímica
de
de DBO - DQO
Demanda química de oxigeno
Medida del contenido de materia orgánica en el agua residual que define la cantidad de oxigeno que se consumirá en el cuerpo receptor de la descarga residual. La relación DBO/DQO biodegradabilidad del residuo.
define
la
Características biológicos
Organismos coliformes
NMP
Estimar la presencia de bacterias patógenas y la eficiencia de los procesos de desinfección.
Fuente: Ron Crites y Tchobanoglous, 2000.
II.1.4 Reducción en la fuente, reciclaje y reutilización del agua residual Cuando se apunta al manejo sustentable del agua, el tema del agua residual juega un papel trascendental razón por la cual al igual que la teoría de las 3R existen otras teorías para la gestión y uso eficiente de la misma; cada una de estas teorías va a tener un mayor o menor nivel de importancia y posibilidad de aplicación, dependiendo entre otros muchos factores, del origen del agua residual, el tipo de industria, tipo de residencias, comunidades, etc. La idea principal de estas teorías puede resumirse a continuación: −
Segregación
Segregar consiste en separar los diferentes tipos de aguas residuales o corrientes en un proceso industrial o doméstico según la afinidad de los contaminantes en la misma a los fines de realizar un tratamiento o uso eficiente de las mismas. A manera de ejemplo, se pueden observar los tipos de vertidos que generalmente se producen en un hogar: a) aguas de lavado de ropa,
40
lavamanos y duchas las cuales se caracterizan por contener detergentes, b) aguas provenientes de fregaderos, cargadas de jabones, detergentes aceites y grasas y sólidos, c) aguas de pocetas, en las cuales se ha de encontrar sólidos, fósforo, nitrógeno. Las aguas de la corriente a) podrían usar para bajar las pocetas las cuales no necesariamente requieren de agua de calidad potable y las aguas de la corriente c) contienen una cantidad de valiosos nutrientes que las hacen útiles en el riego de jardines. Las aguas de la corriente b) es posible que requieran tratamientos mínimos para su posterior reuso, los cuales se mencionarán más adelante. −
Reducción
La cantidad de agua residual producida generalmente es directamente proporcional a la cantidad de agua potable utilizada. De allí que la reducción en la fuente conlleva en si misma a la revisión de aspectos tales como los hábitos de consumo de agua potable, procesos industriales, tecnologías y aún controles en las redes de aguas blancas. Los hábitos de consumo doméstico hacen referencia a las cantidades de agua a utilizar en actividades de lavado y aseo personal (entre otros), en los cuales la educación en cuanto buenas prácticas del uso del agua juega un papel importante. Mientras tanto el conocimiento detallado de los diferentes procesos industriales va a permitir identificar puntos en donde se puedan realizar mejoras en materia de consumo de agua. Por último es importante considerar tanto en el ámbito doméstico como en el industrial la disponibilidad de tecnologías que permiten un ahorro significativo en el consumo de agua. Dentro de las mismas se tienen, por ejemplo, inodoros que requieren un volumen menor para realizar la misma evacuación de residuos, lavamanos con descarga y cierre regulado, riego por goteo, procesos de vaporización en vez de impregnación en empresas textiles, etc.
−
Reuso
Si se tiene en cuenta que las aguas servidas tratadas o no, generalmente van a terminar en algún compartimento ambiental, sea el suelo o un cuerpo de agua natural, se puede entender el reuso como la acción de utilizar las aguas residuales como fuentes potenciales de agua, en vez descargarlas en el suelo o en cualquier cuerpo de agua. Utilizar agua servida en vez de agua natural, también requiere de un conocimiento de la calidad de dicha agua servida, así como de la calidad requerida del agua a reutilizar con el fin de contemplar el tratamiento necesario. Ej. En Venezuela un ejemplo los constituye el Proyecto Planta de Reuso de Aguas Servidas (RAS), ubicada en el Complejo Petroquímico del Tablazo en 41
el estado Zulia. A esta planta llegan parte de las aguas servidas de la zona norte de la ciudad de Maracaibo, y luego a través de varios procesos de tratamientos se obtiene un agua de calidad tal, que es empleada en actividades de reposición de aguas en las torres de enfriamiento, reposición de agua para calderas y usos menores, tales como: riego, extinción de incendios y lavado de sanitarios.
−
Reciclaje
Requiere del diseño de sistemas cerrados que permitan que el agua una vez usada recircule una y otra vez a través del proceso hasta cumplir su período de reutilización, que puede entenderse como el momento en donde el agua está tan cargada de contaminantes que ya no sirve para la operación unitaria a la que se destina. Los residuos reciclados y concentrados se tratan al final del este período de reutilización. Ej. La reutilización es bastante aplicada en la industria textil en los procesos de tintura, en los cuales el agua residual proveniente del teñido se hace recircular a través del proceso una y otra vez optimizándose de esta forma el uso de la tintura, y disminuyéndose la cantidad de agua residual producida. −
Recuperación de subproductos
Asociados al agua residual y dependiendo del origen de la misma, existe una variada gama de compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser extraídos y aprovechados de una manera rentable y sustentable. Rentable si se considera que el producto extraído se puede aprovechar en otro proceso y sustentable en el hecho de que si se tiene una menor concentración de contaminantes a remover se espera un menor gasto de recursos energéticos, así como también el logro de una descarga menos nociva para el sistema receptor. Ej. En las industrias de curtido de pieles se utilizan las sales de cromo y magnesio en el curtido y fijado del cuero. Esta actividad, que se realiza en húmedo, genera un vertido con concentraciones tales de cromo, que existe una recuperación importante de este elemento a través de procesos de precipitación química con hidróxido de sodio. Esto permite un ahorro a nivel de materia prima al utilizar el cromo recuperado en la etapa de recurtido.
42
Según el Centro Nacional de Producción más Limpia (CNP+L) de Costa Rica, la jerarquía en las opciones para la gestión del agua residual es la siguiente: 1er lugar, evitar 2do lugar, reducir 3er lugar, reusar y reciclar 4to lugar, tratar 5to lugar, disponer en el medio natural Las tres primeras opciones son abarcadas por las teorías anteriormente expuestas, sin embargo, cuando se agotan todas estas posibilidades o cuando no exista la factibilidad de aplicación de las mismas, el tratamiento del agua constituye una medida para la mitigación de los impactos ambientales adversos que ocasionará una necesaria disposición de las aguas residuales en el sistema físico natural. II.2 Tratamiento de las aguas residuales El tratamiento de las aguas residuales comprende el conjunto de procesos y operaciones físicas, químicas y biológicas a que se someten las aguas residuales con el fin de modificar su calidad de acuerdo a un uso o fin específico, de modo tal que, si el agua va a ser reusada en una actividad determinada la calidad a alcanzar debe estar de acuerdo a la requerida para dicha actividad y de igual forma si el agua va a ser dispuesta en el medio físico natural, la calidad del agua a descargar también debería estar acorde con la capacidad de autodepuración del sistema receptor, evitando afectar patrones sociales, higiénicos, estéticos, económicos, etc. De acuerdo a lo anterior, la cantidad de opciones de tratamiento de las aguas residuales va a ser tan variada como la cantidad de tipos de aguas residuales que pueden producirse y la cantidad de usos que se les puede dar a las mismas. Sin embargo, limitando la presente guía a las aguas residuales municipales, las cuales generalmente contienen en mayor proporción aguas residuales domésticas, y en menor proporción aguas residuales industriales, los objetivos del tratamiento se listan a continuación: 1. Remover DBO, sólidos suspendidos y organismos patógenos. 2. Remoción de nitrógeno y fósforo 3. Remoción de sustancias orgánicas refractarias (detergentes, fenoles, pesticidas). Remoción de metales pesados y remoción de sustancias orgánicas disueltas.
43
II.2.1 Tratamiento convencional agua residual municipal De manera convencional, el tratamiento de las aguas residuales municipales comprende las siguientes etapas: − − − −
Pretratamiento Tratamiento primario Tratamiento secundario Tratamiento terciario o avanzado.
En la Figura II.3 se presenta un esquema convencional correspondiente a una planta de tratamiento de aguas residuales municipales en donde se incluyen todas estas etapas, y seguido a continuación se presenta una breve descripción de las mismas así como también de las principales operaciones unitarias que comprenden: II.2.1.1 Pretratamiento Conjunto de operaciones físicas cuyo objetivo principal es remover elementos contenidos en el agua que puedan causar dificultades de operación en los procesos posteriores o que son incompatibles de ser tratados conjuntamente con los demás constituyentes del agua residual. En esta etapa se busca la remoción de objetos de gran tamaño tales como trozos de arboles, restos electrodomésticos, gravillas, arenas, aceites y grasas, etc. Dentro de las operaciones unitarias de un proceso de que comprende un proceso de pre tratamiento de aguas están: −
Desbaste
Consiste de dispositivos tipo rejillas o cribas en donde se retienen los sólidos de mayor tamaño. Troncos, ramas, sólidos grandes van a afectar los sistemas mecánicos, obstruir tuberías y en general perturbar las instalaciones de la planta de tratamiento. Un ejemplo de unidad de desbaste se observa en la Figura II.4.
Figura II.4. Reja de desbaste Fuente: http://www.edasur.com/reja-de-desbaste -manual.html
44
TRATAMIENTO PRIMARIO
PRETRATAMIENTO Rejillas Desarenador
Separación de grasas
Sedimentador primario
Fuente Receptora
TRATAMIENTO SECUNDARIO
MANEJO DE LODOS
Disposición Final
Desinfección
Lechos de Secado
Tratamiento biológico
Digestor
Sedimentador
Fuente Receptora
Desinfección
Adsorción con carbón activado
Fuente Receptora
Coagulación Floculación
TRATAMIENTO TERCIARIO
Sedimentador
Figura II.3. Planta de tratamiento convencional de aguas residuales municipales. Fuente: Elaboración propia.
Desinfección
45
-Desarenador Estructura útil tanto en potabilización como en tratamiento de aguas residuales y como ya se mencionó antes su función es remover arenas y similares utilizando la fuerza de la gravedad entre otras; las arenas afectan principalmente a los sistemas mecánicos y las tuberías, al ejercer esfuerzos de corte en los mismos. Las partículas de arena y grava, precipitan al fondo de la estructura de donde periódicamente son retiradas y dispuestas como sólidos. Un desarenador típico se observa en la Figura II.5.
Figura II.5. Desarenador Fuente: http://www.etapa.net.ec/DGA/DGA_tra_agu_res_est_tra.aspx −
Trampas de grasa y espumas
La grasa en el agua residual además de afectar la calidad del agua, interfieren en la eficiencia tratamientos químicos y biológicos que se le aplican al agua misma y de allí que se requiera la instalación de dispositivos que permitan su remoción cuando esta está presente en cantidades significativas. Una trampa de grasa consiste en un tanque de flotación en donde la grasa se hace flotar hasta la superficie para luego ser barrida y retirada. Adicionalmente y dependiendo del caso también puede ser necesaria la remoción de espumas las cuales al igual que la grasa pueden interferir con el tratamiento y se remueven por barrido. II.2.1.2 Tratamiento Primario Una vez el agua residual haya sido pre tratada pasaría a la etapa de tratamiento primario en donde se realiza una remoción parcial de sólidos suspendidos, materia orgánica y organismos patógenos. En el tratamiento 46
primario se presenta una combinación de procesos físicos y químicos y las operaciones unitarias que pueden realizarse en esta etapa son: −
Neutralización
Se aplican procesos de neutralización cuando se tienen aguas ácidas o básicas cuyo pH está por encima de 8 o por debajo de 6. En esta etapa se realizan añadidos de ácido o base para levar al pH al nivel deseado. Un ejemplo ilustrativo se observan en las Figura II.6 y II.7.
Figura II.6. Sistema de neutralización de pH Fuente: Apuntes Maria V Najul.
Figura II.7. Sistema de neutralización de pH Fuente: Apuntes Maria V Najul.
−
Sedimentación
En la etapa de tratamiento primario del agua residual la sedimentación juega un papel importante en la remoción de sólidos suspendidos 47
sedimentables de naturaleza orgánica e inorgánica. Los sedimentadores en tratamiento de agua residual y de potabilización se conciben y funcionan de la misma forma. No obstante aunque en materia de aguas residuales no es frecuente anteceder al sedimentador con unidades de coagulación floculación, en algunas ocasiones estas sí están presentes y además de material sedimentable se remueven también coloides. Luego de la sedimentación, dependiendo de la calidad que se espera obtener el agua puede ser sometida a filtración a través de lechos filtrantes para continuar con la remoción de sólidos no sedimentables y flóculos. Mientras tanto los lodos acumulados en el sedimentador deben ser retirados, tratados y dispuestos de forma adecuada, un ejemplo se puede observar en la Figura II.8.
Figura NºII.8. Sedimentador Fuente: http://www.fotosearch.es/PHT383/paa383000005/ −
Desinfección
Luego del proceso de sedimentación el agua puede ser sometida a tratamiento de desinfección para disminuir la concentración de microorganismos patógenos y ser descargada a un cuerpo de agua o al suelo. Ver Figura II.3. Cabe destacar que con las operaciones unitarias expuestas hasta el momento existe la posibilidad de que el agua residual aún contenga materia orgánica e inorgánica suspendida y con toda seguridad materia disuelta que requiera ser removida y de allí que sea necesaria la aplicación de tratamiento secundario y/o terciario.
48
II.2.1.3 Tratamiento Secundario Cuando el agua residual previamente tratada o sin tratamiento alguno contiene materia orgánica biodegradable, se suele aplicar un tratamiento secundario, el cual tiene como función convertir la materia orgánica fina coloidal y disuelta en flóculo biológico sedimentable y sólidos inorgánicos, los cuales pueden ser removidos en tanques de sedimentación. En los procesos de oxidación biológica participan principalmente bacterias las cuales pueden ser aerobias (necesitan oxigeno) o anaerobias (no necesitan oxigeno). En materia de tratamiento biológico existen diferentes sistemas tecnológicos, de los cuales los más utilizados se listan a continuación: −
Lodos activados
El lodo activado es un proceso mediante el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos tipo bacterias) son mezclados y aireados en un tanque denominado reactor. Estas bacterias son previamente sometidas a un proceso cultivo y preparación. Durante el proceso de tratamiento con lodos activados los microorganismos se mezclan con la materia orgánica contenida en el agua de modo que esta les sirve de sustrato alimenticio. La materia orgánica es así oxidada a CO 2, agua y al mismo tiempo los microorganismos se reproducen formándose de esta manera los llamados fóculos biológicos, los cuales se hacen sedimentar en un tanque de sedimentación, lugar del cual se toma una parte y se hace recircular mientras la otra se retira y trata con tratamientos específicos para lodos. Como se observa en la Figura II.9. Tanto la mezcla como la inyección de aire se efectúan por medios mecánicos superficiales o sopladores sumergidos, los cuales tienen doble función: 1) producir mezcla completa y 2) agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle.
Figura II.9. Lodos Activados Fuente: http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso2/aguas.htm
49
-
Filtros percoladores
Un filtro percolador consiste en un tanque que contiene un lecho de material grueso, compuesto en la gran mayoría de los casos de materiales sintéticos ó piedras de diversas formas, de alta relación área/volumen, sobre el cual son aplicadas las aguas residuales por medio de brazos distribuidores fijos o móviles. Alrededor de este lecho se encuentra adherida una población bacterial que descompone las aguas residuales a medida que éstas percolan hacia el fondo del tanque. Después de cierto tiempo, la capa bacterial adquiere un gran espesor y se desprende hidráulicamente del lecho de piedras para pasar luego a un clarificador secundario en donde se efectúa la separación de los lodos formados. (Mindesarrollo. Colombia, 2000). Se puede observar un ejemplo en la Figura II.10.
Figura II.10. Filtros Percoladores Fuente: René Van Lieshout Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH)
-
Biodiscos
Son dispositivos compuestos de discos elaborados con material sintético colocados a corta distancia sobre un eje rotatorio horizontal. Los discos se mueven de manera alternada en el agua residual el aire y en la superficie de los mismos se desarrolla un crecimiento biológico, el cual de la misma forma que en los filtros biopercoladores ejerce la oxidación de la materia orgánica. En la figura II.11 se observa unbgalpón de biodiscos.
50
Figura II.11. Filtros Percoladores Fuente: René Egevasa. Empresa general valenciana del agua S.A.
-
Reactores UASB
A diferencia de los lodos activados y los lechos biopercoladores que trabajan en condiciones aerobias el UASB o Reactor Anaeróbico de Flujo ascendente es una tecnología que opera en ausencia de oxigeno. Este sistema es una tecnología patentada y comercial inventada en los años 70. El sistema de operación consiste en hacer circular el flujo de agua residual de manera ascendente a través de un lecho de lodos donde los microorganismos se ponen en contacto con el sustrato a degradar el cual viene contenido en la corriente. El lecho de lodos se compone de microorganismos que naturalmente tienden a formar gránulos de 0.5 a 2 milímetros de diámetro. Estos gránulos tienen una alta velocidad de sedimentación y gracias a esto resisten el pasaje de la corriente del sistema. Durante el proceso de degradación de la materia orgánica además de CO2 y agua se producen gases biológicos o biogás. Cabe notar que la implementación de sistemas anaerobios requiere que se contemple el manejo y la disposición final del biogas de modo que no se generen impactos negativos en las comunidades residentes en los alrededores de la planta de tratamiento, debido a explosiones o malos olores. -
Lagunas de estabilización
La tecnología de lagunas de estabilización aunque se ha utilizado ampliamente como parte del tratamiento convencional podría considerarse 51
como un método ecológico dependiendo de su concepción y operación. Estas pueden definirse como reservorios artificiales, que ocupan relativamente grandes extensiones de terreno, en donde el agua residual ingresa y permanece un tiempo en el cual los microorganismos o las condiciones del medio ejercen el tratamiento esperado. Además de remoción de materia orgánica, la cual se realiza a través de lagunas aerobias, anaerobias y facultativas, en una laguna también puede suceder la remoción nutrientes y de microorganismos patógenos a través de las llamadas lagunas de maduración. De modo que, cuando se habla de tratamiento a través de lagunas, existen varias opciones en cuanto al diseño y disposición de las mismas, de manera tal que se encontrarán lagunas para tratamiento biológico en medio de una planta de tratamiento convencional que contiene unidades de desbaste, desarenadores, sedimentadores, etc., o por el contrario se tendrán plantas de tratamiento compuestas básicamente por lagunas orquestadas de diferente forma. Una laguna aerobia es una laguna de poca profundidad que mantiene oxigeno disuelto en toda la columna de agua; este oxigeno disuelto puede estar presente en la laguna debido a la presión atmosférica o puede ser inyectado por aireación mecánica cuando no es suficiente (lagunas aireadas). Las lagunas anaerobias, son lagunas en las cuales se realiza el tratamiento de agua en ausencia de oxigeno disuelto en toda la columna, razón por la cual se producen gases tales como el metano (CH 4) y el sulfuro de hidrógeno (H2S). Una laguna facultativa es aquella en la cual el contenido de oxigeno varía de acuerdo con la profundidad y la hora del día. Es así que en la parte superior de la laguna se tienen condiciones aerobias y en la parte inferior se tienen condiciones anaerobias. En una laguna de maduración los principales instrumentos de remoción son las bacterias y otros microorganismos que en particular son gobernados por la actividad de las algas en sinergia con la foto-oxidación. Las lagunas son unidades poco profundas (1.0-1.5 m) y presentan menos estratificación vertical, al tiempo que exhiben una buena oxigenación a través del día en todo su volumen. Luego de que el agua haya pasado por un reactor biológico, a menos que se utilice una laguna, será necesario llevar a la misma hasta un sedimentador en donde precipiten y luego se remuevan los flóculos y/o biopeliculas provenientes del tratamiento biológico, de manera que el agua clarificada hasta este punto dependiendo de su calidad, puede ser sometida a 52
desinfección seguida de disposición en el medio físico natural o por el contrario requerir un tratamiento avanzado que permita la remoción de sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas remanentes. Ver Figura II.2. II.2.1.4 Tratamiento terciario o avanzado Cuando se apunta al reuso del agua residual en actividades que requieren aguas de estricta calidad, o cuando los estándares legales de vertimiento son tales que la adopción de los procesos de pretratamiento, tratamiento primario y tratamiento secundario no arrojan la calidad esperada en el agua a descargar puede ser necesaria la aplicación de tratamientos terciarios o avanzados. El tratamiento terciario incluye procesos fisicoquímicos en donde se utilizan los principios de la adsorción, filtración, precipitación, coagulación floculación, cambio de fases, intercambio iónico y electroquímica. Las operaciones unitarias y/o sistemas que incluye un tratamiento avanzado, son prácticamente las mismas que se utilizan en un tratamiento de potabilización y dentro de estos se tienen: -
Coagulación – floculación Osmosis inversa Filtración por membranas Adsorción con carbón activado Intercambio iónico Destilación
II.2.1.5 Acondicionamiento de lodos El termino lodo en tratamiento de aguas representa al todo el material en estado sólido y semisolido que resulta de los diferentes procesos de cribado y sedimentación. En este sentido se tienen lodos orgánicos e inorgánicos provenientes de la sedimentación con o sin coagulación – floculación y se tienen los lodos biológicos generados en los procesos biológicos de las aguas residuales. La mayor parte de los lodos provenientes de un sistema de tratamiento contiene un gran contenido de humedad y consecuente mente bajo contenido de sólido, de ahí que surja la necesidad de concentrar los sólidos mediante la máxima remoción posible de agua. Por otro lado, los lodos provenientes de aguas residuales municipales se caracterizan por contener gran contenido de material orgánico, la cual eventualmente se descomponte y causa los mismos efectos indeseables en el agua residual cruda (Romero J, 1996).
53
En resumen, el tratamiento de los lodos requiere una caracterización previa de los mismos, en donde se determinan aspectos tales como los sólidos totales, sólidos suspendidos, nitrógeno total, fósforo y metales. De igual forma, dentro de las operaciones unitarias que comprende un sistema de tratamiento de lodos se tienen, la concentración, digestión, acondicionamiento, desecación, secado, incineración y disposición. Tabla III. 5 . Fuentes de sólidos y lodos en el tratamiento de las aguas residuales Unidad
Tipio de sólido o de lodo
Cribado
Sólidos gruesos
Desarenadores
Arena y espuma
Preaireación
Arena y espuma
Sedimentación Primaria
Lodo y espuma primarios
Tratamiento biológico
Sólidos suspendidos
Sedimentación secundaria Lodo y espuma secundarios Tratamiento de lodos
Lodo, compost, cenizas
Observaciones
Los sólidos retenidos por la criba son removidos manual o mecánicamente. A menudo, se omite la remoción de espuma en desarenadores. A menudo, se omite la remoción de espuma en la preaireación. Puede ocurrir sedimentación de arena si no existiesen desarenadores antes de la preaireación. La cantidad depende del tipo de agua residual del afluente. Los sólidos suspendidos son el resultado de la síntesis biológica de la materia orgánica. La remoción de espuma es un requisito exigido por la EPA. El lodo obtenido depende de su origen y del proceso usado en su tratamiento.
Fuente: Romero, J 1996. Tratamiento de Aguas Residuales
II.2.2 Tratamiento ecológico del agua residual Según el Instituto para el Manejo de Aguas Residuales Municipales e Industriales de la Universidad de Tecnología de Hamburgo (TUHH) el manejo ecológico de las aguas residuales comprende: manejo seguro de heces, reuso del agua, reuso de nutrientes y descentralización de conceptos. Sin embargo generalizando se tiene que el manejo ecológico va a contemplar al menos los siguientes aspectos: - Teorías para la gestión y el uso eficientes del agua (segregación, reducción, reuso, reciclaje y recuperación de subproductos). - Consumo de energía renovable - Manejo descentralizado de los sistemas de tratamiento
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De acuerdo a estos conceptos se tienen un sin número de sistemas de tratamiento ecológico, los cuales tienen sus ventajas, desventajas y factibilidad de aplicación de acuerdo a cada situación específica. A continuación se presentan algunos de ellos: II.2.2.1 Baños secos Un baño seco es un baño que no se utiliza agua para la evacuación de orina y excrementos. El sistema del baño seco se ha desarrollado mucho durante los últimos años. Los equipos modernos se distinguen de los antiguos porque las heces no van directamente al suelo, lo que producía desagradables olores. Los baños secos no necesitan agua para su funcionamiento y no se conectan a la red de aguas residuales. Además son muy eficaces biológicamente ya que aprovechan los residuos humanos y favorecen la economía doméstica, ahorrando dinero y energía, un ejemplo se observa en la Figura II.12.
Figura II.12. Baños Secos Fuente: René Egevasa. Empresa general valenciana del agua S.A.)
II.2.2.2 Biodigestores Un biodigestor es un contenedor que produce biogás y abono natural a partir de material orgánico, principalmente excrementos (animales y humanos) y desechos vegetales. Se trata de un sistema sencillo y económico que recicla los residuos orgánicos convirtiéndolos en energía y fertilizantes para usos agrícolas, ideal para comunidades rurales y países en vías de desarrollo.
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Ej. Biodigestor de estructura flexible: este digestor el gas se acumula en la parte superior de la bolsa, parcialmente llena con Biomasa en fermentación; la bolsa se va inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder la presión de trabajo de la misma. Ver Figura II.13.
Figura II.13. Filtros Percoladores Fuente: René Egevasa. Empresa general Valenciana del agua S.A.
II.2.2.3 Tanque Séptico Sistema individual de disposición de aguas residuales para una vivienda o un conjunto de viviendas que combina la sedimentación y la digestión. Es el más antiguo y sencillo digestor anaeróbico que se conoce, utilizado normalmente para la disposición de aguas residuales domésticas. Se cree que de allí deriva el uso potencial de los gases producidos por la fermentación anaeróbica, para el uso doméstico. Para la correcta operación de estos pozos es requisito indispensable aislar las aguas servidas que caen en él, de las que contienen jabón o detergentes. El efecto de los jabones y en especial los detergentes, inhibe la acción metabólica de las bacterias, razón por la que los pozos se colmatan con rapidez y dejan de operar, haciendo necesario destaparlos frecuentemente para recomenzar la operación, un esquema de ellos se observa en la Figura II.14.
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Figura II.14. Tanque Séptico Fuente: Mindesarrollo. Colombia, 2000
II.2.4 Humedales artificiales Un humedal artificial es un sistema de tratamiento de agua residual (estanque o cauce) poco profundo, construido por el hombre, en el que se han sembrado plantas acuáticas. En un humedal se reproducen de forma controlada las condiciones existentes en los sistemas lagunares someros o de aguas lenticas los cuales, en la naturaleza, ejecutan la limpieza natural del agua, un dibujo de este se observa en la Figura II.15. En el tratamiento con humedales artificiales se involucran procesos bacterianos aerobios-anaerobios que suceden en el entorno de las raíces de las plantas, las cuales además de aportar oxigeno consumen elementos sustancias de las aguas y lo transforman en follaje.
Figura II.15. Tanque Séptico Fuente: Mindesarrollo. Colombia, 2000 57
II.2.5 Campos de infiltración Suelen ubicarse aguas debajo de un tanque séptico y consisten en una serie de trincheras angostas y relativamente superficiales rellenadas con un medio poroso (normalmente grava). Deben ubicarse en suelos cuyas características permitan una absorción del agua residual que sale de los tanques sépticos a fin de no contaminar las aguas subterráneas. (Mindesarrollo. Colombia, 2000). En la figura II.16 se puede observar una imagen típica de un sistema de tratamiento mediante la infiltración en tierra.
Figura II.16. Campo de infiltración Fuente: http://lampa.olx.cl/estanques-fosas-septicas-plantas-de-tratamiento-de-aguas-servidaspara-casa-o-terreno-iid-9375740
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Actividades: Individuales: 1. Investigue y discuta acerca de la influencia que tienen la biomasa y la biodiversidad de un sistema en su capacidad de autoregeneración. 2. Hacer una lista de aspectos domésticos en los cuales se puede minimizar el consumo de agua y diseñe un plan para la implementación de los mismos en su hogar y en su comunidad. 3. Averiguar acerca de un (1) estudio de caso de en donde se aplique una tecnología ecológica que permita una reducción en el consumo y la generación de agua residual. 4. Investigue cuales son las características típicas de las aguas residuales domésticas las aguas residuales industriales y las aguas residuales agropecuarias. Grupales o Cooperativos : 1. Investigue cuales son los efectos de cada uno de los parámetros del agua residual citados, en la salud humana y en el sistema físico natural. Ej. Parámetro físico, turbiedad: en cuanto a la salud humana en primer lugar se va a producir rechazo en la población pasando a ser un problema de salud pública y en segundo asociado a la turbiedad puede estar la presencia de microorganismos patógenos. En cuanto al sistema físico natural la turbidez afecta la cantidad de luz que llega a los cuerpos de agua causando interferencia en el desarrollo de las especies que dependen de la luz solar. 2. Investigue acerca de una experiencia de tratamiento ecológico aplicable al agua residual, asociada a las 5 teorías para la gestión y uso eficiente del agua, consumo de energía renovables o al manejo descentralizado de los sistemas de tratamiento. Ej. Baños secos, humedales, pozos sépticos, etc. En su investigación considere en la medida de lo posible lo siguiente: - Origen de la experiencia - Descripción - Tipo de agua residual aplicable - Contaminantes que remueve - Ventajas y desventajas 59
-
Costos Como puede emplearse a nuestra comunidad.
3. Completar las Tablas A y B donde aparecen las características de 2 vertidos correspondiente a las industrias X y Y, respectivamente: Tabla A. Principales constituyentes (1)
Sólidos suspendidos Cromo Plomo Aluminio Arsénico
Unidad (2)
Concentración medida (3)
mg/l
6,2
mg/l mg/l mg/l mg/l
8,2 2,7 10,4 1,2
Limite máx. para descarga en cloaca (4)
Concentración a remover (5)
Tratamiento a aplicar (primario, secundario, terciario) (6)
Limite máx. para descarga en cloaca (4)
Concentración a remover (5)
Tratamiento (pretratamiento, primario, secundario, terciario) (6)
Tabla B. Principales constituyentes (1)
Unidad (2)
Concentración medida (3)
DBO Aceites y grasas animales Colif. Totales NH3 Solid. Susp.
mg/L mg/L
840 516
NMP mg/L mg/L
82.500 70 610
a. Utilice el decreto 883 para llenar las columnas 4 y 5 de cada tabla. b. En la columna 6, indique que tipo de tratamiento debería ser aplicado para llevar la concentración del contaminante al límite aceptable. c. De acuerdo a los parámetros especificados en las tablas, y apoyándose en las características típicas de las diferentes aguas industriales (Ferrara 2001, Nemerow, 1977 etc.), deduzca a que actividad productiva se dedica la industria X y la industria Y. Utilice la información que investigó en el punto 4 de la actividad individual.
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Comunitarias: 1. A la hora de prever que tan grande va a ser un sistema de tratamiento de agua residual, se parte de la premisa que dice que del 100 por ciento del agua potable que se suministra a una comunidad, entre el 60 y el 80% retorna a la cloaca como agua residual. Dicho de otra forma entre el 60 y 80% de la dotación (60 - 80% de 250l/p-d), retorna al alcantarillado. De acuerdo a lo anterior, estime cuánta agua residual en m3/d, se producirá en los siguientes casos: −
− − −
−
Una familia de 5 personas Una población de 8000 habitantes Una comunidad de 800 habitantes Un edificio de 30 apartamentos, suponiendo 3 habitantes por apartamento. Un sector de la comunidad donde desarrolla sus actividades de proyecto
Ejemplo para una aldea de 20 personas: QAR= (60 – 80%) QAP Tomando un promedio del 70% como retorno a la cloaca, QAR = 70/100 x (250 l/p-d) x 20p = 3500 l/d Si recordamos que 1m3= 1000 litros, QAR = 3500 l/d x 1m3/1000 l = 3,5 m3/d
Nota: Se recomienda realizar una prueba diagnóstica al finalizar cada modulo, a fin de validar el avance del proceso de aprendizaje o logro de las competencias esperadas.
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BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA: BÁSICA 1. Clair N. Sawyer y Perry L. Mc Carty (2001). Química para Ingeniería Ambiental. Mc Graw Hill. 2. APHA.AWWA.WEF. (1998). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19a Ed. 3. Arboleda V. Jorge. (2000). Teoría y Práctica de la purificación del agua. Acodal-Mc Graw Hill. 3° Edición. 4. Normas Sanitarias de Calidad de Agua Potable. Gaceta Oficial Venezuela N° 36395. 5. Romero, Jairo Alberto. (1996). Acuiquímica. Dpto. Publicaciones Escuela Colombiana de Ingeniería. 6. Romero, Jairo Alberto (1995). Acuipurificación. Dpto. Publicaciones Escuela Colombiana de Ingeniería. 7. Ferrara G, Giner y colaboradores. (2001). Calidad del Recurso Hídrico. Universidad Central de Venezuela. Facultad de Ingeniería Civil. Escuela de Ingeniería Civil. Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. 8. Crites y Tchobanoglous. (2000). Sistemas de Manejo de Aguas Residuales para Núcleos Pequeños y Descentralizados. Editorial Mc Graw Hill. 9. Romero Jairo A.. (2005). Tratamiento de Aguas Residuales. Teoría y Principios de Diseño. Escuela Colombiana de Ingeniería. 10.
Nemerow
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Teorías, aplicaciones y tratamiento. Madrid. 11.
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Desarrollo
Económico,
Colombia.
(2000).
República de Colombia. Reglamento Técnico del Sector de Agua 62
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COMPLEMENTARIA 1. Davis M., Cornwell D. (1991). Introduction to Environmental Engineering. 2ªed. McGraw Hill International Editions, Singapore. 2. Droste, Ronald L. (1997). Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment. John Wiley & Sons, Inc. 3. Henry J.G., Heinke G.W. (1996). Ingeniería Ambiental. 2ª ed. Prentice Hall. México. 4. Itsemap Ambiental. (1994). Manual de Contaminación Ambiental. Fundación MAPFRE, Madrid. 5. Kelly
G.
(1998).
Environmental
Engineering.
McGraw
Hill
International Editions., Singapore. 6. Masters G.M. (1998). Introduction to Environmental Engineering and Science, 2ª ed. Prentice-Hall International (UK) Limited, London. 7. Ortega R., Rodríguez I. (1994). Manual de Gestión del Medio Ambiente, Fundación MAPFRE, Madrid. 8. Seoanez M. (1995). Ecología Industrial. Ed. Mundi-Prensa. Madrid. 9. Zaror Claudio A. (2000). Introducción a la Ingeniería Ambiental para la Industria de Procesos. Departamento de Ingeniería Química Facultad de Ingeniería – Chile. Universidad de Concepción. Concepción. 10.
Pérez Calvo, Ma. del Mar. (2006). Tratamiento Avanzado de
Aguas Residuales para Riego Mediante Oxidación con Ozono: Una Alternativa Ecológica. Comunicación Técnica, Congreso Nacional del Medio Ambiente (CONAMA). 11.
Chará, J. y Pedraza G. (1999). Valoración Económico
Ambiental de una Propuesta Alternativa de Descontaminación de las 63
Aguas de Lavado de Cerdos. Seminario sobre Instalación y Mantenimiento del Biodigestor Plástico de Flujo Continuo. Memorias, Guanare, Venezuela. 12.
Zaror C. (2000). Introducción a la Ingeniería Ambiental para la
Industria de Procesos. Universidad de Concepción, Chile. 13.
EcoSanRes Programme (2004). Guidelines for the Safe Use of
Urine and Faces in Ecological Sanitation Systems., Stockholm Environment
Institute.
Disponible:
http://www.ecosanres.org/pdf_files/ESR_Publications_2004/ESR1web.pdf
14.
Guidelines on the use of urine and faeces in crop production.
Disponible: http://www.ecosanres.org/pdf_files/ESR_Publications_2004/ESR2web.pdf
15.
Organización de México, informaciones y talleres sobre baños
secos. Disponible: http://www.sarar-t.org/index.php
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Módulo III. TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO DE DESECHOS SÓLIDOS
Objetivo Suministrar al alumno herramientas básicas que le permitan concebir una visión general de la gestión y el tratamiento de los residuos sólidos.
Competencias a lograr -
Adquiere una visión general de lo que representa la problemática de los residuos sólidos, como requisito fundamental a la hora de estudiar situaciones relacionadas con los residuos sólidos.
-
Amplía sus conocimientos en materia de residuos sólidos, sus características, composición, propiedades y la importancia de estos aspectos al momento de estudiar soluciones de tratamiento.
-
Desarrolla un espíritu analítico y critico, capaz de proponer soluciones en materia de gestión de residuos sólidos con una visión ambiental.
-
Obtienen una visión general de las distintas tecnologías de tratamiento físico, químico y biológico de los residuos sólidos.
Contenido III.1 Generalidades acerca de los residuos sólidos III.1.1 Definición de desechos sólidos Según el decreto 2216 (Normas Para el Manejo de los Desechos Sólidos de Origen Doméstico, Comercial, Industrial, o de Cualquier Otra Naturaleza Que no Sean Peligrosos), puede definirse al desecho como el material o conjunto de materiales resultantes de cualquier proceso u operación que esté destinado al desuso, que no vaya a ser utilizado como materia prima para la industria reutilizado, recuperado o reciclado. Complementando lo anterior, puede entenderse como desecho o residuo sólido a todo aquel material proveniente de las diferentes actividades humanas o animales que es sólido en condiciones normales, y de cual nos desprendemos por carecer de uso o valor.
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III.1.2 Origen y clasificación de los desechos sólidos III.1.2.1 Residuos Domésticos Son aquellos provenientes de las diferentes viviendas: casas, edificios unifamiliares y multifamiliares, etc. Este tipo de desechos contienen principalmente comida, papel, cartón, plásticos, textiles, cueros, maderas, vidrio, aluminio, residuos especiales y domésticos peligrosos. III.1.2.2 Residuos comerciales Generados por tiendas, restaurantes, supermercados, mercados populares, hoteles, centros comerciales etc. Contienen primordialmente papel, cartón, plásticos, aluminio, madera, vidrio, metales, residuos orgánicos, y residuos peligrosos. III.1.2.3 Residuos institucionales Dentro de este tipo de residuos se tienen los producidos por escuelas, universidades, hospitales, cárceles, universidades, centros gubernamentales y otros. Se componen mayormente de papel, cartón, plástico, maderas, vidrio, metales, residuos orgánicos y residuos especiales. III.1.2.4 Residuos de Construcción Residuos provenientes de obras de ingeniería tales como nuevas construcciones, remodelaciones, reparación de pavimento, canalizaciones etc. Contienen principalmente madera, vidrio, trozos de concreto y ladrillo, acero, plástico y tierra. III.1.2.5 Residuos de servicios municipales Desechos generados como producto de las actividades de servicios municipales tales como barrido y limpieza de calles, mantenimiento de parques, limpieza de canales y obras de drenaje, paisajismo, podas, playas, etc. Estos residuos se caracterizan por contener básicamente recortes de árboles y plantas, arena, papel, plástico, lodo, vidrio y acero. III.1.2.6 Residuos provenientes de plantas de tratamiento En las diferentes plantas de tratamiento de agua se generan una serie de materiales sólidos que dependen tanto del tipo de agua tratada como del tipo de tratamiento aplicado. Es así que mientras que en las operaciones de desbaste se pueden retener trozos de plástico, madera, latón, cartón, etc., en las operaciones de tratamiento biológico aeróbico se producen lodos 66
orgánicos que requerirán ser finalmente deshidratados y tratados como un desecho sólido. Hasta este punto, se ha hecho referencia a un conjunto de residuos que se enmarcan dentro de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) , los cuales se incluyen aquellos residuos producidos en la actividad cotidiana de una ciudad residencial. III.1.2.7 Residuos Industriales Se originan como producto de la actividad industrial en general. La industria produce directa o indirectamente una gran variedad de desechos sólidos cuya composición va depender tanto de las operaciones propias como de las actividades internas de la industria misma. Los residuos industriales podrán entonces contener desde materiales químicos inorgánicos tales como aluminio, hierro, azufre etc. hasta químicos orgánicos, tales como restos de piel, cartón, madera, etc., residuos peligrosos, radiactivos, etc. III.1.2.8 Residuos agrícolas Provenientes de las actividades agrícolas y pecuarias tales como cosechas de campo, árboles frutales, viñedo, ganadería, granjas, etc. Se caracterizan por contener gran cantidad de materiales orgánicos, plásticos, cartón, vidrio, envases de plaguicidas y residuos peligrosos. Otros tipos de residuos sólidos importantes pero cuya naturaleza es tal que requieren ser abordados de forma especial son los siguientes: III.1.2.9 Residuos peligrosos El decreto 2632 “Normas Para el Control de la Recuperación de Materiales Peligrosos y el Manejo de los Desechos Peligrosos”, se define como desecho peligroso a aquel desecho en cualquier estado físico, sólido, líquido o gaseoso que presenta características peligrosas o que está constituido por sustancias peligrosas y que no conserva sus propiedades físicas ni químicas útiles y por lo tanto no puede ser reusado, reciclado, regenerado u otro diferente. Los desechos peligrosos poseen además al menos una de las siguientes características de peligrosidad: Corrosivo, inflamable, reactivo, explosivo, radiactivo, tóxico, patógeno. (CRETIP). Puede entonces considerarse también como desecho peligroso a los envases, empaques y embalajes que hayan estado en contacto con materiales peligrosos.
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III.1.2.10 Residuos especiales Según Tchobanoglous se clasifican dentro de estos a aquellos residuos de origen doméstico o comercial que incluye artículos voluminosos, electrodomésticos de consumo, productos de línea blanca, residuos de jardín, baterías, aceite, neumáticos, etc., que no pueden ser incluidos dentro de la basura cotidiana. III.1.3 Composición de los residuos La composición de los residuos va a depender entre otros factores del nivel de vida la una población, la estación del año, la cultura, la zonificación, el clima y el día de la semana (J Garrido, 1975). No obstante de forma cualitativa los desechos en términos generales se componen de (Andraca, 1987): III.1.3.1 Detritos puramente orgánicos Restos de alimentos, vegetales y materia orgánica en general. III.1.3.2 Detritos inorgánicos y orgánicos Relativamente estables, como papeles, metales, tejidos, vidrios y plásticos. III.1.3.3 Cenizas Residuos de quemas de determinados combustibles como el carbón Cuantitativamente, la proporción de los diferentes componentes en un residuo determinado va a depender del tipo y origen del mismo, y se expresa como un porcentaje en peso. A modo de ejemplo se tiene la siguiente tabla:
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Tabla III.1. Distribución estimada de los RSU generados en una comunidad típica. % en peso
Categoría de Residuos
Rango
Domésticos y comerciales Especiales Peligrosos Institucionales Construcción Servicios municipales: Limpieza de calles Paisajismo Parques y zonas de recreo Sumideros Lodos de plantas de tratamiento Total
50 3 0,01 3 8 -
Valor Típico
75 12 - 1 5 20
62 5 0,1 3,4 14
2 - 5 2 - 5 1,5 - 3 0,5 - 1,2 3 - 8
3,8 3,0 2,0 0,7 6,0 100
Fuente: Tchobanoglous. 1994 En nuestro país según de acuerdo a estudio realizado en Ciudad Guayana se obtuvo la siguiente distribución:
Tabla III.2. Características de los RSU en Ciudad Guayana Venezuela Constituyente Metales Plástico y gomas Papel y cartón Vidrio Textiles Restos de alimento y desechos de jardín Madera Anime Otros
% en peso Urbanizaciones
Barrios
Comercios
2,32 7,98 13,57 3,30 1,63 70,42
1,36 5,48 7,80 2,19 1,49 81,11
1,39 9,41 17,20 5,38 0,53 62,29
0,32 0,06 0,40
0,10 0,05 0,42
0,42 0,04 3,34
Fuente: Asociación para la Defensa del Ambiente y la Naturaleza (ADAN, 2001) Ahora bien, los residuos sólidos poseen propiedades y al mismo tiempo pueden sufrir transformaciones físicas, químicas, biológicas y radiológicas que afectan su forma y composición, las cuales a su vez van a definir el 69
tipo de gestión y/o tratamiento a aplicar. Las principales propiedades y transformaciones se mencionan a continuación: III.1.4 Propiedades de los desechos sólidos III.1. 4.1 Propiedades físicas -
Composición gravimétrica (%)
Hace referencia el peso porcentual de cada componente en relación con el peso total de una muestra de residuos sólidos. - Tamaño de partícula y distribución del tamaño Ambas propiedades son importantes dentro de la recuperación de materiales, especialmente con medios mecánicos como cribas, tromel (clasificador de áridos), y separadores magnéticos. -
Peso Especifico (kg/m 3 y g/cm3))
Se define como el peso por unidad de volumen, numéricamente es igual a la densidad. Para referirse al peso específico debe indicarse si los residuos están sueltos, compactados o semicompactados. -
Compresibilidad (%)
Grado de compactación o reducción de volumen de una masa de residuos sólidos bajo presión determinada. -
Contenido de humedad (%)
Cantidad de agua contenida en el residuo sólido expresada como un porcentaje del peso total del material. Se puede expresar de 2 formas: como peso húmedo, cuando la humedad se expresa como porcentaje del material húmedo y como peso seco cuando la humedad se expresa como un porcentaje del peso seco del material. -
Capacidad de campo (%)
Cantidad total de humedad que puede ser retenida por una muestra de residuo sometida a la acción de la gravedad. Determina la formación de lixiviados y depende de la presión aplicada a los residuos y de estado de descomposición de los mismos.
70
-
Permeabilidad
Capacidad que tienen los residuos para conducir el agua; gobierna el movimiento de líquidos y gases dentro de los desechos. III.1.4.2 Propiedades químicas Dentro de las más importantes se tienen, -
Análisis físico (%)
Incluye los siguientes ensayos: Humedad, es la pérdida de agua de la muestra cuando se calienta a 105°C durante una hora. Material volátil combustible, es la pérdida de peso adicional a 950°C en un crisol cubierto. Carbono fijo, es el rechazo combustible dejado después de retirar el material volátil. Ceniza, es el rechazo después de la incineración en un crisol abierto. -
Punto de fusión de las cenizas (°C)
Es la temperatura en la que la ceniza resultante de la incineración de residuos se transforma en sólido (escoria) por la fusión y la aglomeración. Las temperaturas oscilan entre 1100°C y 1200°C. -
Análisis elemental de los componentes de residuos sólidos (%)
Implica la determinación del porcentaje de C, H, O, N, S y ceniza. Se puede incluir la determinación de halógenos. Este análisis se utiliza para caracterizar la composición química de la materia orgánica de los RSU. -
Contenido energético de los componentes de los residuos sólidos (%)
Los residuos sólidos municipales contienen alrededor del 50% de materia volátil (combustible); el resto consiste en proporciones más o menos iguales de humedad y sólidos inertes. A causa del contenido volátil, los residuos suelen quemarse para deshacerse de ellos y en ocasiones se utilizan como fuente de energía. Se determina a través de la medición del calor de combustión. 71
-
Nutrientes esenciales y otros elementos
Este análisis es importante cuando la fracción orgánica de los RSU se va a utilizar como alimentación para la elaboración de productos biológicos de conversión como por ejemplo: compost, metano y etanol. Dentro de las características químicas puede considerarse también el pH, la alcalinidad, el sodio, calcio, potasio, etc. III.1.4.3 Propiedades biológicas -
Biodegradabilidad
Capacidad que tienen los residuos sólidos para ser estabilizados a través de los microorganismos. Esta propiedad se determina en función al contenido de lignina (material polimérico). -
Producción de olores
Normalmente los olores se producen por la descomposición anaeróbica de los componentes orgánicos que se encuentran en los RSU. Por ejemplo el sulfato puede ser reducido a sulfuro cuyo olor característico es de huevo podrido. III.2. Gestión y tratamiento de los residuos sólidos III.2.1. Enfoque en el tratamiento “A lo largo de la historia, el primer problema de los residuos sólidos ha sido su eliminación, pues su presencia es más evidente que la de otro tipo de residuos y su proximidad resulta molesta. La sociedad “solucionó” este problema quitando los residuos de la vista, arrojándolos a las afueras de las ciudades, a los cauces de los ríos o en el mar, u ocultándolo mediante enterramiento. El crecimiento acelerado de la población en los últimos años, así como el proceso de industrialización, han aumentado la generación de residuos”. (CEPIS/OPS) Por otra parte, debido a sus características y a la tasa de generación de los mismos en los últimos tiempos en las sociedades modernas, los RSU se han convertido en uno de los más serios problemas ambientales derivados de las actividades productivas y de consumo. De modo que el planteamiento de soluciones en materia de residuos sólidos requiere del compromiso y la activa participación de la comunidad, industrias, entes
72
gubernamentales y no gubernamentales, etc., en el diseño implementación de políticas, proyectos, programas y planes de gestión.
e
La Red de Municipios y Comunidades Saludables de Perú plantea la necesidad de inspirar un cambio de mentalidad para el desarrollo de buenas prácticas respecto del manejo de residuos sólidos, en la población en general, para lo cual consideran favorable la consideración de las seis R: reducir, rechazar, reutilizar, reparar, reciclar, con responsabilidad; estas se describen en la tabla No. III.3:
Tabla III.3. Las 6 R para la gestión de los residuos sólidos R
LAS SEIS R ¿Qué se debe hacer?
¿Cómo hacerlo? -
Reducir
Evitar todo aquello que produce un desperdicio innecesario.
-
Rechazar
No aceptar un producto que es dañino.
Volver a usar un producto: por ejemplo los envases de vidrio y Reutilizar plástico pueden servir para guardar otros productos. Arreglando lo que aún puede servir alargando su tiempo de Reparar vida útil, como zapatos, ropa, artefactos eléctricos, muebles. Aprovechando los residuos para Reciclar fabricar nuevos productos. Actuar como ciudadano, profesional, empresario, líder o autoridad, siendo responsables Responsabilidad para evitar causar daño a la salud y al ambiente. Implica el cambio de hábitos y paradigmas.
-
Haciendo el mercado en bolsas de tela. Consumiendo bebidas en botellas de vidrio. Utilizando bolsas de papel para comprar el pan. No consumiendo en envases plásticos descartables. Evitando el uso de pañales descartables. Guardando los envases de vidrio y volviéndolos a usar. Conservar las bolsas de plástico y volverlas a usar. Arreglando zapatos, artefactos y ropa que puede servir. Reparando los artefactos eléctricos. Elaborando papel. Elaborando compost Emprendiendo acciones de compromiso frente al ambiente y a la salud en cada momento de nuestra vida y desde cualquier función que desarrollemos.
Fuente: Alicia Castro. Organización Panamericana para la Salud (OPS). 2006
Cabe citar también el ejemplo de la Unión Europea, en donde hoy por hoy se han adoptado jerarquías de manejo de los residuos sólidos en donde se considera el siguiente orden de opciones: -
Primera opción evitar producir el residuo Segunda opción recuperar de materiales (reutilización y reciclaje) 73
- Tercera opción debe ser el tratamiento (compostaje e incineración con o sin recuperación de energía) - Cuarta y última opción, utilizar los rellenos sanitarios. III.2.2 Tecnologías de tratamiento A diferencia del tratamiento de aguas en donde se habla de procesos convencionales y no convencionales, en materia de residuos sólidos existe una variada gama de posibilidades para el tratar y/o procesar los residuos. Sin embargo, según la Comisión Nacional del Medio Ambiente de Chile (CONAMA) las principales técnicas y procesos asociados se presentan a continuación: -
Disposición final mediante rellenos sanitarios
- Tecnologías de tratamiento biológico y químico los cuales permiten transformar la fracción orgánica de los residuos sólidos domiciliarios en productos gaseosos, líquidos o sólidos. - Tecnologías de tratamiento térmico, las cuales consisten en la conversión de los residuos sólidos en productos gaseosos, líquidos y sólidos, con la simultánea o subsiguiente emisión de energía en forma de calor. - Tecnologías de pretratamiento de residuos, diseñadas para modificar las características físicas de los residuos. Tomando como referencia lo anterior, complementando y reorganizando, se presenta a continuación una breve descripción de los procesos tecnológicos más utilizados para el tratamiento de los residuos sólidos:
III.2.2.1 Tecnologías de tratamiento físico o pre tratamiento de residuos Incluye operaciones y procesos en donde predominan los esfuerzos mecánicos para transformar físicamente los residuos. Dentro de estas tenemos: III.2.2.1.1 Separación de Componentes Consiste en separar mediante medios manuales ó mecánicos los residuos en componentes más o menos homogéneos. A su vez, la separación de componentes se puede hacer de las siguientes formas:
74
-
Separación por densidad, a través de clasificadores neumáticos, por inercia y por flotación Separación magnética, usada para la separación de materiales férreos y no férreos. Separación por tamaño, a través de cribas y tromeles.
Estas operaciones son fundamentales para las actividades de reutilización, reciclaje y recuperación de materiales y energía. En las figura III.1 y III.2 se ilustra una maquina de cribar consistente en un tambor de metal laminado y perforado; el material gira dentro del tromel, la máquina va cribando el material adherido y húmedo, como por ejemplo, el compost, la tierra y los residuos domésticos. La turba y el césped se criban sin problemas. Mientras que la III.3 muestra un proceso manual de separación de residuos.
Fig. III.1 Criba – Tromel . Fuente: Representaciones www.rsccomercial.com
Santa
Clara,
S.L.
(RSC).
Barelona.
2007.
Fig. III.2 Interior de la Criba – Tromel . Fuente: Representaciones Santa Clara, www.rsccomercial.com
S.L.
(RSC).
Barelona.
2007.
El tratamiento consiste en que la basura seleccionada pasa por un trómel que separa, gracias a la acción conjunta del aire e imanes, los desechos que no pertenecen a la cadena en curso. Por ejemplo, si se está 75
seleccionando plástico, se eliminan demás residuos, que pasarán de nuevo por el proceso en su turno.
Figura III. 3 Separación manual de residuos sólidos Fuente: Desarrollo de equipos industriales S.A .Selección de Residuos - Planta Buenos Aires www.desarrollosindustriales.com
III.2.2.1.2 Reducción de tamaño Comprende las operaciones de trituración, desfibrado y molienda; consiste en reducir el tamaño de los residuos sólidos para obtener un material uniforme y manejable. En las figuras III.4y III.5 se presentan dos modelos de trituradoras utilizadas en actividades de compostaje para cortar material de podas y ramas en general. En la figura III.6 se presentan una serie de equipos utilizados en la trituración de metales.
Figura III. 4 Trituradora de árboles y ramas Fuente: Equipos y maquinarias para el compostaje de Alpeorujos. España. www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/portal/www/portal/com/bin/portal/DGAEcologica
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Figura III. 5 Trituradora de árboles y ramas Fuente: Equipos y maquinarias para el compostaje de Alpeorujos. España. www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/portal/www/portal/com/bin/portal/DGAEcologica
Fig. III.6 Trituradora para metales. Fuente: Guía para selección de tecnologías de manejo integral de residuos sólidos. Ministerio del Medio Ambiente. Colombia. 77
III.2.2.1.3 Compactación o densificación de residuos Consiste en una reducción mecánica del volumen de los residuos a través de la aplicación de fuerza o presión. La compactación es útil para producir materiales aptos para diversos usos alternativos, como por ejemplo, troncos para chimenea, madera prensada, etc. En la figura III.7 se presenta un sistema de compactación de residuos consistente de tolva, pistón y contenedor móvil.
Fig. III. 7 Esquema de compactación de residuos Fuente: Guía para selección de tecnologías de manejo integral de residuos sólidos. Ministerio del Medio Ambiente. Colombia.
III.2.2.2 Tecnologías de Tratamiento Químico Normalmente implican cambios de fase, como por ejemplo de sólido a líquido o de sólido a gas. Dentro de las tecnologías que utilizan procesos químicos se tienen: III.2.2.2.1 Combustión (Oxidación química) Consiste en hacer reaccionar la materia orgánica con el oxigeno para producir compuestos oxidados. Durante este proceso se produce generalmente luz y calor y se producen gases compuestos de nitrógeno, dióxido de carbono, agua, oxigeno y ceniza.
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III.2.2.2.2 Pirolisis Rompimiento de sustancias orgánicas en fracciones gaseosas, líquidas y sólidas a través de cambios térmicos y reacciones de condensación en un ambiente libre de oxigeno. Dentro de los productos se tiene: -
Hidrógeno gas, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros gases. Alquitrán y/o aceite
En la figura III.8 se presenta una planta electroquímica en donde se pueden realizar tratamientos de pirolisis, oxidación y gasificación de residuos sólidos.
Fig. III.8 Planta termoquímica Fuente: Trabajo en la Web de la Universidad de Pinar del Río. "Hermanos Saíz Montes De Oca". Facultad Geología-Mecánica.
III.2.2.2.3 Gasificación Durante este proceso, se produce una conversión del desecho orgánico en un gas combustible, que actúa de portador de energía, mediante una oxidación parcial a alta temperatura. Se define también como un proceso de combustión parcial de un combustible carbonoso para generar un gas combustible rico en monóxido de carbono, hidrógeno y metano.
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Fig.III.9 Proceso de gasificación Fuente: http://www.cps.unizar.es/~proter/Gasificaci%F3n.htm
III.2.2.3 Tecnologías de Tratamiento Biológico Consiste en someter el material a una reducción de peso y volumen mediante el uso de organismos vivos tipo bacterias y hongos, en condiciones aerobias y anaerobias, para producir compost y metano. De acuerdo a las condiciones de oxidación se tienen los siguientes tipos de compostaje: III.2.2.3.1 Digestión aeróbica: Consiste en una conversión biológica de la materia orgánica contenida en los residuos sólidos, en presencia de oxigeno. El compost resultante de este proceso de conversión de residuos sólidos es un material orgánico estable cuya calidad depende de la naturaleza del residuo mismo, del control de la humedad, los nutrientes disponibles, temperatura, pH y cantidad de oxigeno entre otros. En las figuras III.10 y III.11 hacen referencia a las técnicas de tratamiento aeróbico de residuos orgánicos.
Fig.III.10 Compostaje en granja. EEUU Fuente: http://www.yelmworms.com/composting-methods/ . 2009
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Fig. III.11 Sitio de compostaje. Universidad de Lowell. EEUU. Fuente: http://www.yelmworms.com/composting-methods/ . 2009
III.2.2.3.2 Digestión anaeróbica Conversión biológica de la materia orgánica contenida en los residuos sólidos, en condiciones anaeróbicas, con la consecuente producción de gases, tipo metano. La figura III.12 se muestra un biodigestor de residuos sólidos con tolva receptora de residuos.
Fig.III.12 Planta de Biogas Agrícola Fuente: Oscar Bartomeu. Ingenieríena y Ambiente. Pamplona. España
III.2.2.4 Disposición Final Según el deber ser, luego de haber agotado las opciones establecidas en la jerarquía para el manejo de los residuos sólidos: evitar, recuperar, tratar, se optaría por la opción de depositar los residuos el suelo, lo cual representa la última etapa de la gestión. En este sentido, se tienen las siguientes opciones: 81
III.2.2.4.1 Vertederos En Venezuela, suele entenderse por vertedero a un terreno en el que se descargan de manera simple y no controlada los residuos sólidos de una o varias comunidades. En un vertedero no se contemplan medidas de protección del aire, suelo ni de las aguas subterráneas, así como tampoco de la salud pública, de manera que se descargan los residuos a cielo abierto sin aplicar ningún tipo de tratamiento.
Fig. III.13 Vertedero de basura San Vicente de Maracay Venezuela Fuente: Universidad de Carabobo. Facultad de Ciencias de la Salud. Salud Comunitaria. 2008
III.2.2.4.2 Relleno Sanitario Según del Decreto 2216 el relleno sanitario se define como “un dispositivo destinado a la recepción y colocación adecuada, ordenada y como de almacenamiento permanente en el suelo, de los desechos sólidos y semi – sólidos, que es proyectado, construido y operado mediante la aplicación de técnicas de ingeniería sanitaria y ambiental, con el objetivo de evitar riesgos a la salud y controlar los desequilibrios ambientales que puedan generarse”. Otra definición interesante concibe al relleno como una instalación física utilizada para evacuar en la superficie terrestre los rechazos provenientes de los residuos sólidos. Esta instalación, como una obra de ingeniería requiere de la concepción de una serie de etapas que van desde la planificación hasta la clausura y post clausura.
82
Fig. III.14 Relleno sanitario La Bonanza. Venezuela Fuente: Ministerio del Poder Popular para la Comunicación y la Información. Venezuela. 2007.
En un relleno sanitario se busca aprovechar al máximo una superficie de terreno, la cual ha sido seleccionada previamente en función de criterios socio ambiéntales, técnicos, económicos, etc. Esta área es luego preparada mediante movimientos de tierra, obras de drenaje, compactación e impermeabilización de suelos, demarcación, etc., para luego dar cabida a la recepción de los residuos sólidos que llegan al mismo los cuales serán dispuestos en áreas específicas del vertedero, compactados, y luego cubiertos con material seleccionado. En la figura III.15 se presenta un sistema de manejo del biogás en el relleno sanitario de la Bonanza en Venezuela. Mientras tanto, en la figura III.16 se presenta un sistema de manejo de lixiviados en el mismo relleno.
Fig.III.15 Sistema de suministro de Gas Metano en relleno sanitario La Bonanza incorporado por PDVSA GAS. 2007 www.cotecnica.com
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Fig.III.16 Tratamiento de Lixiviados en el Relleno Sanitario La Bonanza. 2007 www.cotecnica.com
Adicionalmente es necesaria la previsión del tratamiento de gases y lixiviados que se producen en estas instalaciones; y por último, una vez el relleno llega a su máxima capacidad se debe realizar la clausura, diseño de la cobertura final del área y planes de supervisión ambiental.
Actividades: Individuales: 1. Investigue y razone acerca de los factores que han contribuido al agravamiento del problema de los residuos sólidos durante las últimas décadas. 2. Investigue acerca de cómo se ha dado la evolución histórica de los residuos sólidos urbanos, en los aspectos concernientes a la generación, disposición y el tratamiento. 3. Consultar y contestar las siguientes preguntas relacionadas con los rellenos sanitarios: -
¿Cuales son y en que consisten cada una de las etapas de un relleno sanitario? ¿Cuales son los tipos de relleno sanitario que existen? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de implementar un relleno sanitario?
84
Grupales o Cooperativos : 1. Realizar una descripción general de los siguientes aspectos inherentes a un determinado tipo de planta de tratamiento de residuos sólidos: a) Descripción del tipo de tratamiento, b) Principales componentes (realizar también esquema), c) Características del residuo a tratar, d) Potenciales impactos ambientales, e) Ventajas y desventajas. Se sugiere que cada grupo escoja una de las siguientes plantas de tratamiento: -
Planta recuperadora de materiales reciclables Planta de compostaje Planta de conversión biológica para producir biogas Planta de incineración de residuos Planta de pirolisis Planta de gasificación Relleno sanitario
2. La comunidad villa Plaza, del municipio Sucre del estado Miranda cuenta con un total de 203 familias; con el propósito de realizar un plan de gestión de residuos sólidos se realizó un muestreo de la cantidad de residuos generados por una muestra de familias, el cual se resume en tabla a continuación: Familia Kg/familia/día
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
4.8
3.9
5.2
3.3
5.6
3.8
2.7
6.7
7.3
4.7
8.6
4.5
3.4
5.1
4.9
a) Estimar la masa total de residuos generado por la comunidad, tomando como referencia la producción media arrojada por el muestreo. Masa total de residuos (Kg) = Tasa promedio (Kg/familia) x N° Familias Resp.: Tasa promedio = 4.96kg/familia ; Masa total residuos= 1007kg
b) Estimar las distintas fracciones que componen el residuo para una comunidad de bajos ingresos. Utilizar la tabla 3.2 Fracción de material = % en peso x Masa total de residuos Resp. Metales 4.64, plástico 15.96, papel 27.14, vidrio 6.6, textiles 3.26, restos de alimentos 140.8, madera 0.64, anime 0.12, otros 0.8. Todos expresados en kilogramos.
b) Para cada una de las fracciones de residuo estimadas, plantee un uso específico a nivel de reutilización, reciclaje o recuperación de energía, indicando el rendimiento para la cantidad de desechos que genera la
85
comunidad en estudio. Para el rendimiento, investigar acerca de experiencias relacionadas. Ej. Con el papel de desecho se puede producir papel reciclado artesanal. Obteniéndose un aproximado de 30 láminas de 35cmx18cm para la cantidad de papel generado por la comunidad.
Comunitarias: 1. En la comunidad donde realiza las actividades de Proyecto o donde reside, realice la siguiente investigación: a) Cantidad total de desechos en kilogramos que genera la comunidad. Considere la nota al final y el número de habitantes de la comunidad.
Nota: Considere que Según la Asociación para la Defensa del Ambiente y de la Naturaleza (ADAN), se estima que en Venezuela, cada ciudadano genera entre 0,5 – 1,5 kg/día de basura. b) Estime el volumen (m 3) que de los residuos sólidos generados por la comunidad utilice la tabla incluida al final de la pregunta. c) Investigue cual es el número y la capacidad (volumen m 3) de los contenedores disponibles para recoger la basura generada por la comunidad. Use la tabla III.4 para escoger la densidad aplicable a los residuos de la comunidad en estudio. Recuerde que la densidad es igual a la masa sobre el volumen. d) Utilizando los resultados obtenidos en b) y c), estime en cuantos días se llenarán los contenedores disponibles. e) Averigüe cual es la frecuencia de recolección de la basura en la comunidad en estudio. Compare la frecuencia de recolección real con los resultados obtenidos en la pregunta d). f) Para la cantidad de residuos obtenida, estime cada una de las fracciones que componen dicho residuo. g) Bosquejar un anteproyecto para la gestión y el manejo de los residuos sólidos de la comunidad en donde organice toda la información recopilada y procesada hasta este punto, dando al final recomendaciones de reutilización, reciclaje, tratamiento y/o disposición final.
86
Tabla III.4. Densidades representativas componentes de Residuos Sólidos Municipales
sin
compactación
para
Componentes Densidad a Papel, cartón, plásticos 80 135 Residuos de alimentos 300 500 b Escombros diversos 160 270 Cenizas, polvo, ladrillo, 480 800 metal ferroso Residuos sólidos 150 250 municipales Las características amplias antes indicadas incluyen plástico, metales no ferrosos, envases de lata y residuos antes de jardín. Cuando estos componentes se recolectan por separado, los pesos específicos son los siguientes: Plástico 65 110 Aluminio 160 270 Envases de lata 90 150 Residuos de jardín 100 170 aLa densidad real puede variar hasta en un 50% respecto a los valores representativos que se muestrean, de acuerdo con la naturaleza de los componentes y su contenido de humedad. bLos escombros diversos incluyen vidrio, metal no ferroso, madera, caucho, cuero y textiles. Fuente: J Glynn Henrry. 1999
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BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA: BÁSICA 1.Thobanoglous, George y col. “Gestión integral de residuos sólidos. Volumen I y II”. Madrid – España. McGraw-Hill, [1998]. 2. Seoánez Calvo, Mariano. “Residuos: problemática, descripción, manejo, aprovechamiento y destrucción”. Madrid: Mundi-Prensa, 2000. 3. Barrera, Clara; Andraca Soto, J.A.; Camarena Santiesteban, J. “Recolección y Disposición de desechos sólidos”. ECO; Instituto Mexicano del Seguro Social. Guía de saneamiento básico industrial. México D.F., IMSS/ECO, 1987, p.204-238 Ilus. CEPIS; CENSA; DBCINSET; OPS/OMS-CO; CARIS-INA; OPS/OMS-VE; IBAMA; OPS/OMSSV;
OPS/OMS-HN;
INE.CIE.
http://www.bvsde.paho.org/cgi-
bin/wxis.exe/iah/. 4. Alicia Castro. “Manejo de Residuos Sólidos en Municipios Saludables”. Red de Municipios y Comunidades Saludables de Perú. Ministerio de Salud. Organización Panamericana de la Salud. 2006. 5. Comisión Nacional del Medio ambiente (CONAMA). “Tecnologías de Tratamiento y Disposición Final de Residuos Sólidos Domiciliarios”. Gobierno de Chile. 2001
COMPLEMENTARIA 1. Decreto 2216, Normas Para el Manejo de los Desechos Sólidos de Origen Doméstico, Comercial, Industrial, o de Cualquier Otra Naturaleza que no sean Peligrosos. 2. Fernández Colomina Alejandro. “Guía para la Gestión Integral de los Residuos Sólidos Urbanos”. Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI). 2007
88
3. Lopez Garrido Jaime y col. “Basura Urbana. Recogida, Eliminación y Reciclaje”. Editores Técnicos Asociados, S.A. Barcelona. 1975 4. André Saurin. “Composición, Recogida y Tratamiento de las Basuras”. Editores Técnicos Asociados, S.A. Barcelona. 1970 5. J Glynn Henrry y Gary W. H. “Ingeniería Ambiental”. Pearson Educación. Segunda Edición. México. 1999
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MÓDULO IV TECNOLOGÍA CONTAMINANTES DEL AIRE
PARA
EL
TRATAMIENTOS
DE
Objetivo Dotar al estudiante de herramientas básicas en el área del tratamiento de residuos gaseosos.
Competencia a lograr -
Refuerza conceptos inherentes a las características del aire.
-
Entiende la utilidad del decreto 638 al momento de establecer las normas para el mejoramiento de la calidad del aire y la prevención y control de la contaminación atmosférica producida por fuentes fijas y móviles capaces de generar emisiones gaseosas.
-
Conoce de una forma general tratamientos convencionales y no convencionales utilizados para eliminar los diferentes contaminantes de la corriente residual de aire.
Contenido IV.1 Introducción El aire es un recurso vital para los seres vivos, tiene una composición natural que incluye, expresados en porcentajes en volumen, a los gases: N2 (79%), O2 (20%), Ar (0,9%), CO2 (0,03%) y otros componentes en mucha menor proporción (tales como Ne, He, CH4, NO2, H2, entre otros). Los contaminantes del aire son sustancias que, cuando están presentes en la atmósfera, afectan de manera adversa la salud de humanos, animales, plantas o vida microbiana; dañan materiales, o interfieren con el disfrute de la vida y el uso de sus propiedades (Glyn J y Gary W, 1999). Ahora bien, haciendo referencia a los antecedentes, Inglaterra es uno de los primeros países en registrar problemas de contaminación del aire, por haber sido el primer país en vivir una Revolución Industrial, la cual trajo consigo la mayor concentración de contaminantes a la atmósfera en zonas industriales. En cuanto a Estados Unidos, en 1947 aparece la primera legislación en la ciudad de Los Angeles para el control de compuestos de azufre y humos negros a los que, erróneamente, se atribuyó como causantes de la niebla gris que cubre gran parte de la ciudad. En realidad el problema que aparece en esta ciudad, y en aquellas ciudades con alta densidad de tráfico y situadas en latitudes donde la radiación solar es intensa, es el preludio de un nuevo tipo de contaminación desconocida
90
hasta aquellas fechas como consecuencia del uso masivo de los automóviles.
Contaminación del aire en el siglo XX: episodios y accidentes La diferencia entre un episodio y un accidente de contaminación del aire es fundamental. Un episodio ocurre cuando los contaminantes del aire “inocuo”, diario, propio del siglo XX, se combinan con otros factores, como las anormalidades meteorológicas y la topografía, para crear una atmósfera amenazante para la salud, algunos ejemplos se citan en la Tabla IV.1. A pesar de que el hombre es el responsable del factor contaminación, la concurrencia de los otros factores es incontrolable. En contraste, un accidente de contaminación del aire es una descarga inadvertida y evitable de sustancias químicas tóxicas, a menudo atribuible a fallas mecánicas o al error humano.
Tabla IV.1: Episodios famosos de contaminación del aire en el siglo XX Episodio
Año
Meuse Valley Donora
1930 1948
Exceso de mortalidad 60+ 20
Causas propuestas
38 ppm de SO 2, H2SO4 0.5-2 ppm de SO 2 , material particulado 1.34 ppm de SO 2, 4500g/m 3 de material Londres 1952 4.000+ particulado Fuente: Elaboración propia, adaptado de Masters, 1974 y Perkins, 1974.
Las tres tragedias coincidieron con una condición meteorológica conocida como inversión térmica. Normalmente, el aire caliente de la superficie terrestre asciende y el aire de la parte superior de la atmósfera —más frío— cae, con lo cual se crea una circulación natural que dispersa los contaminantes superficiales del aire. Una inversión ocurre cuando las capas de aire de la atmósfera inferior son más frías que las superiores. La circulación natural sufre una interrupción y tanto el aire superficial acumulado como los contaminantes del aire se concentran alrededor de sus fuentes. A continuación, se presenta un resumen de algunos sucesos relacionados con la contaminación atmosférica en la Tabla IV.2.
91
Tabla IV.2: Principales acontecimientos relacionados con la contaminación atmosférica Año
Suceso Noticias sueltas. Por ejemplo:
-
Ordenanzas prohibiendo el uso del carbón mineral en Londres a Hasta comienzos del siglo XIV por la gran contaminación que producían. - Medidas tomadas en Talavera de la Reina a comienzos del siglo XVII el para evitar las molestias que producían las emisiones de los hornos de cerámica. siglo XX - Estudio del Parlamento Británico de 1772 para analizar el grave problema de la polución del aire en Londres en 1911 se inventa la palabra "smog" (mezcla de humo y niebla) Londres Inglaterra. Se informó de un exce so de 1300 muertos durante un período de 4 días de niebla intensa. 1939 Donora, Pensilvania. Del 25 al 31 de octubre. 20 personas mur ieron y 1440 sufrieron efectos graves. Espeso humo y niebla no se disipó durante el día. El smog causa 12000 muertos en Londres, Partículas 4500 µg/m3 y SO 2 1952 1.34ppm Londres Inglaterra. 1000 fallecimientos, Partículas 2400 g/m 3 y SO2 1956 0.55 ppm. 1957 Londres Inglaterra. 200-250 fallecimientos Londres Inglaterra. 700 fallecimientos, SO 2 1.98 ppm (promedio de una 1962 hora). 1963 Nueva York. 200-400 muertos. 1964 Nueva York. 168 muertos. Se crea en Estados Unidos la EPA (Envir onmental Protection Agency) y se 1970 ponen en marcha las primeras medidas para conseguir un aire limpio: CAA (Clean Air Acta) 1986 Comienza a comercializarse la gasolina sin plomo en Gran Bretaña Conferencia de las Naciones Unidas sobre Medio Ambiente y Desarrollo 1992 en Río de Janeiro Fuente. Elaboración propia, adaptado de Masters, 1974, Stern, 1975, y Lipfert, 1995.
A raíz del primer episodio acontecido en Londres, el Parlamento Británico aprobó la Ley de Aire limpio (Clean Air Act) que se convirtió en la primera ley europea que combatió este fenómeno. Desafortunadamente, recientes episodios han demostrado que deberá continuarse con los esfuerzos para controlar la polución del aire y proteger el ambiente para las futuras generaciones. IV.2 Características importantes del aire Dentro de las características del aire que se consideran de mayor interés en el tratamiento del aire se tienen: -
Peso molecular Calor de fusión y de vaporización Peso específico
92
-
Conductividad térmica Viscosidad Solubilidad
IV.3 Climatología y contaminantes atmosféricos Dentro de los contaminantes de aire se pueden encontrar fuentes puntuales y fuentes difusas; de igual forma dichos contaminantes son transportados dispersos y concentrados, debido a condiciones meteorológicas y topográficas. IV.3.1 Movimiento de los contaminantes atmosféricos Contaminante
Transporte
Difusión
Depósito
Biótico
Abiótico
Figura IV.0 Fuente: elaboración propia.
IV.3.2. Aspectos atmosféricos que favorecen el movimiento de los contaminantes: -
Radiación solar, esta implica las radiaciones que favorecen la formación de ozono.
-
Vientos, que son movimientos de masas de aire debido a diferencia de calor y presión.
- Turbulencia, la cual describe la forma del movimiento del viento en diferentes direcciones. -
Características especiales de la atmósfera, estado eléctrico, contenido de CO2, aportes no naturales presentes.
93
-
Humedad, se debe a la condensación del agua y luego es un medio que atrae a las partículas.
-
Precipitación, esta arrastra partículas y disuelve gases, lo cual conlleva a la lluvia ácida en algunas partes.
-
Masas de agua, las cuales pueden afectar la temperatura y favorecer la humedad.
-
Relieve, el cual favorece la actividad meteorológica e influye sobre las condiciones de contaminación atmosférica. Un ejemplo típico lo constituyen los vallen en donde tienden a acumularse de una manera preferencial las partículas de polvo.
-
Cubierta vegetal, forma parte de la influencia de los vientos, la temperatura y el ciclo del agua.
-
Actividad volcánica
-
La actividad humana
IV.3.3 Principales contaminantes del aire y sus efectos sobre la salud, plantas, animales y materiales: IV.3.3.1 Contaminantes primarios Son aquellas sustancias que son emitidas directamente a la atmósfera desde la fuente contaminante ya sea de origen natural o de origen antrópico. Estas sustancias son de composición y características muy variadas y son producidas en diversos tipos de fuentes. Dentro de estos tenemos: -
Material particulado.
Son dispersiones de partículas sólidas y líquidas que podemos encontrar en el aire. Sus propiedades más importantes son el tamaño de las partículas y su composición química. Su tamaño típico suele ser entre una y diez micras. Las partículas mayores de 10 micras sufren los efectos gravitatorios y sedimentan rápidamente. Las partículas submicrónicas, de tamaño inferior a una micra, se comportan en la atmósfera como moléculas gaseosas realizando movimientos al azar y produciendo choques aleatorios.
94
-
Gases
Los gases contaminantes típicos son: los óxidos de Azufre, los óxidos de Nitrógeno, los hidrocarburos, el monóxido de carbono (CO) y el anhídrido carbónico (CO2).
a. Los óxidos de Azufre.- Son los compuestos del tipo SO x. Dentro de los principales se tienen el SO 2 y el SO3. El SO3 se encuentra en mucha menor cantidad que el SO2 (un máximo del 2%). El SO 2 es incoloro, picante y produce irritación en concentraciones superiores a 3ppm. El anhídrido sulfúrico, SO3, es un gas muy reactivo e incoloro: reacciona rápidamente con el agua produciendo ácido sulfúrico H 2SO4. En la atmósfera, el SO2 reacciona con el O2 para producir SO3. Cualquier proceso de combustión atmosférica donde hay azufre produce SO x. Las principales fuentes de este tipo de contaminante son las centrales térmicas y diversas emisiones industriales. Provienen de usar carbón y petróleo que contengan azufre. Son los responsables de la lluvia ácida que produce daños importantes en masas forestales y edificios. b. Los óxidos de Nitrógeno.- Son los compuestos del tipo NO x. Son, principalmente el NO y el NO x. Ambos gases son tóxicos y se generan por oxidaciones del Nitrógeno en los diferentes procesos de combustión en motores de combustión interna. Se generan de una manera importante en centrales térmicas y como consecuencia de la descomposición de nitratos fertilizantes. Contribuyen a la lluvia ácida y destruyen la capa de Ozono. c. Los hidrocarburos.- Son los compuestos del tipo C xH y. Son gases a temperatura ambiente que son emitidos por los vehículos automóviles. Tienen un número pequeño de átomos de Carbono (de 1 a 4). El Metano CH4 contribuye al efecto invernadero. d. El monóxido de Carbono.- Es el contaminante más abundante en la atmósfera de fórmula CO. Se genera como consecuencia de los procesos de combustión de los carburantes de los vehículos automóviles cuando hay deficiencia de Oxígeno. Es tóxico y une la hemoglobina en la sangre impidiendo el transporte de Oxígeno. e. El anhídrido carbónico o dióxido de Carbono.- No es tóxico y se encuentra en la atmósfera de una manera natural. Tiene como fórmula el CO2. En los últimos años se ha venido observando un aumento del mismo como consecuencia de los procesos de combustión de los vehículos automóviles, principalmente. Como consecuencia se ha producido el llamado efecto invernadero.
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f. El Ozono.- Tiene como fórmula O 3. Es un oxidante fuerte nocivo para la vida. En las capas bajas de la atmósfera es considerado como un contaminante. Sin embargo, en las capas altas de la atmósfera es beneficioso dada su capacidad para absorber la radiación ultravioleta siendo indispensable para la vida. Se produce en ambientes de alta energía eléctrica como, por ejemplo, en los lugares donde hay motores eléctricos. En concentraciones elevadas, puede producir irritaciones oculares y anemias. En las capas altas de la atmósfera se destruye por efecto de los clorofluorocarbonos y de los óxidos de Nitrógeno que los descomponen en moléculas de oxígeno. IV.3.3.2 Contaminantes secundarios Son los contaminantes que no son emitidos directamente a la atmósfera desde los focos emisores sino que aparecen como consecuencia de las transformaciones y reacciones químicas y fotoquímicas que sufren los contaminantes primarios al reaccionar entre sí o con otras sustancias o con la luz. Los procesos más típicos, y más importantes, son la contaminación fotoquímica (el smog de las grandes ciudades), la acidificación del medio (lluvia ácida) y la alteración de la capa de ozono. IV.3.3.3 Contaminantes terciarios Son elementos traza especialmente peligrosos y hay que tenerlos en cuenta en todo análisis ambiental. Dentro de los tales se tienen: -
Los radionúclidos.
Las radiaciones emitidas por elementos radioactivos se pueden clasificar en tres tipos: Radiación alfa que son núcleos con cargas positivas, Radiación beta que son electrones con carga negativa y Radiación gamma que son fotones de alta energía que acompañan a la radiación alfa y beta. -
Los metales pesados.
Este nuevo tipo de contaminante es muy peligroso ya que estos elementos no son degradados ni química ni biológicamente. Los más importantes son el Mercurio (Hg) y el Plomo (Pb). También el Cromo (Cr), el Cobre (Cu), el Manganeso (Mn), el Vanadio (V), el Níquel (Ni), el Arsénico (As), el Cadmio (Cd), el Zinc (Zn). Los podemos agrupar en dos grupos: Los que no tienen ninguna función en el organismo (Cd, Pb, Hg) y los que son tóxicos solo cuando superan una concentración determinada (el resto). Aparecen debido a la minería, al uso de combustibles fósiles, a la industria metalúrgica y electrónica. 96
-
Los compuestos orgánicos.
Se agrupan de una manera independiente a los hidrocarburos. Este grupo de compuestos se ha tenido en cuenta de una manera especial ya que son potencialmente peligrosos para el medio ambiente. Los compuestos orgánicos provienen de combustiones incompletas de procesos industriales y de evaporaciones a la atmósfera de este tipo de sustancias. Los contaminantes orgánicos se agrupan de las siguientes maneras: a. Hidrocarburos aromáticos policíclicos. - Son compuestos orgánicos cancerígenos. El más peligroso es el benzo(a)pireno. Provienen de procesos como la pirolisis en productos de los motores de combustión interna, en las emisiones de las centrales térmicas, de los automóviles en general, de sistemas de calefacción, de los incendios forestales, en petróleo crudo y en derivados del mismo. b. Compuestos organoclorados: pesticidas, PCB y dioxinas.- Son tóxicos y tienen Cloro en su estructura. Los consideraremos en tres grupos diferentes: -
Pesticidas organoclorados.- El ejemplo más importante fue el DDT que fue el primero. Actualmente está prohibido pero tiene mucha presencia en el ambiente debido a su alta persistencia medioambiental. Después surgieron el ALDRIN, DIELDRIN, ENDRIN, que están también prohibidos. Todos ellos atacan al sistema nervioso y muscular.
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PCB. Los policlorobifenilos.- Existen 209 y en el medio ambiente se han detectado 102. Son tóxicos y muy persistentes.
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Dioxinas.- Son 75 sustancias naturales y sintéticas con propiedades cancerígenas. La más tóxica es la 2,3,7,8-tetracloro-p-dibenzodioxina que tiene una fuerte acción cancerígena sobre los animales aunque no se han demostrado sus efectos sobre el hombre.
c. Pesticidas naturales, organofosforados y carbamatos.- Son menos persistentes que los organoclorados pero aparecen en productos agrícolas y, por filtración, pueden llegar a las aguas subterráneas.
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En resumen en la Figura IV.1 se observa el Ciclo generativo / regenerativo de los contaminantes gaseosos.
Figura IV.1. Ciclo generativo / regenerativo de los contaminantes gaseosos. Fuente. Zaror C, 2000
IV.3.4 Fuentes de contaminación. Se pueden clasificar en: IV.3.4.1 Fuentes Naturales. Las emisiones de contaminantes naturales varían de un lugar a otro, con las condiciones estacionales, geológicas y meteorológicas y con el tipo de vegetación. Ejemplos son las erupciones volcánicas que presentan una fuente natural concentrada y localizada de todo tipo de gases y partículas. Otro ejemplo es la “hondonada polvorienta” del suroeste de Estados Unidos durante la década de 1930. También los incendios forestales. IV.3.4.2 Fuentes Domesticas. En las áreas residenciales las actividades domésticas son la causa principal de la emisión de contaminantes. En la Tabla IV.3 se muestran algunas actividades y tipos de contaminantes que se emiten. Además, en 98
los rellenos sanitarios se libera metano gaseoso y ácido sulfhídrico, actualmente en operaciones de relleno organizados se recogen las emisiones de metano, el cual se utiliza como combustible. Tabla IV.3. Actividades domésticas vs. contaminantes emitidos Actividad Calentamiento de espacios Cocina Limpieza Jardinería Pintura Lavado de ropa Fuente: Glynn J y Gary W, 1999.
Contaminantes emitidos CO, CO 2, NOx, SOx, hollín, humo (sí se queman combustibles fósiles en la residencia) Grasas (sólidos, líquidos y vapores) partículas, olores Vapores de disolventes, polvo, pelusa Plaguicidas, fertilizantes (algunos pueden ser muy tóxicos) Principalmente vapores de disolventes Partículas de detergente, jabón y pelusa
IV.3.4.3 Fuentes Comerciales. Estas incluyen las industrias de servicios públicos. Como por ejemplo, la limpieza en seco de la ropa, pues casi todo el disolvente que se utiliza se evapora hacia la atmósfera. El disolvente que se emplea en casi todas las máquinas pequeñas de limpieza doméstica y comercial es el percloroetileno, un hidrocarburo clorado. Otros establecimientos comerciales que liberan contaminantes incluyen restaurantes, hoteles, escuelas, la imprenta y la aplicación de pintura. Bien sea por aquello que se evapora o por la basura que luego emite gases contaminantes. IV.3.4.4 Fuentes Agrícolas. En esta clasificación se encuentran los rastros y las empresas con comederos masivos de animales, como en el caso de gallineros, la operación de cosechadoras, carga de camiones y transporte en el campo, los plaguicidas e insecticidas. IV.3.4.5 Fuentes Industriales. Estas son las más notorias y variadas porque en general las emisiones se descargan por una sola chimenea o conducto.
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IV.4 Control de la Contaminación del aire y sistemas de tratamiento IV.4.1 Limpieza natural de la atmósfera. Las características físicas de las partículas influyen en los mecanismos de eliminación. Las partículas pequeñas rebotan con movimientos aleatorios como las moléculas de un gas y si chocan con otras crecen por coagulación y se precipitan como partículas grandes. Aquellas con carga eléctrica crecen o coagulan al atraer partículas con carga opuesta. Los gases se pueden lavar de la atmósfera por precipitación (absorción), o adsorberse (depositarse) sobre partículas sólidas y eliminarse por gravedad. También reaccionan con otros gases o partículas de la atmósfera para formar compuestos nuevos que pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, los cuales en algunos casos son sustancias que no son nocivas o en otros casos son contaminantes secundarios. IV.4.2 Control de la calidad de aire El objetivo del control para la contaminación del aire consiste en conservar una atmósfera en la cual los contaminantes no tengan un efecto negativo en las actividades humanas. A continuación se mostraran los tratamientos para Fuentes Fijas, Control de la emisión de gases, Fuentes Móviles y Control de olores. IV.4.2.1 Fuentes fijas: el Control de la emisión de partículas. Se define fuente fija de contaminación atmosférica a la edificación o instalación existente en un sitio dado, temporal o permanentemente, donde se realizan operaciones que dan origen a la emisión de contaminantes del aire. IV.4.2.1.1 Cámaras de sedimentación por gravedad. Estas son colectores sencillos y económicos en los cuales las fuerzas gravitatorias dominan el movimiento vertical de las partículas. Estos colectores son en esencia simples expansiones en un conducto, en ellos la velocidad horizontal de las partículas se reduce para dar tiempo a que se sedimenten por gravedad, un ejemplo se observa en la Figura 4.2.
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Figura IV.2. Cámara de sedimentación por gravedad. Fuente.Glyn J y Gary W, 1999 .
IV.4.2.1.2 Colectores inerciales. Estos dependen de las fuerzas centrífugas para separar las partículas más pesadas de aquellas moléculas de gas que son más ligeras. Se puede observar dos tipos en la Figura IV.3. El colector de la Figura IV.3.a es un colector sencillo que aumenta simplemente la concentración de partículas en una corriente gaseosa separada, la cual se podría hacer pasar por un colector gravitatorio. El colector de la Figura IV.3.b es un separador de partículas llamado ciclón, el cual es ampliamente utilizado para capturar cenizas y polvos. Se basan en la acción de la fuerza centrífuga sobre la partícula. Está formado por un cuerpo principal cilíndrico-cónico, donde los gases son alimentados tangencialmente. Al interior del equipo se forman dos vórtices: uno periférico (descendente) y otro central (ascendente). Las partículas más pesadas son lanzadas hacia las paredes, depositándose en la parte inferior del cono. El resto del gas forma un vórtice central, que circula hacia arriba y sale por la parte superior del cilindro. La capacidad de separación del ciclón aumenta con la velocidad tangencial de alimentación. El factor de separación depende de la velocidad tangencial y del diámetro del cilindro. IV.4.2.1.3 Colectores húmedos o lavadores (scrubbers). Estos tienen como objetivo aumentar el tamaño de partícula por medio de agua o de gotitas de suspensión, porque es más fácil recolectar las 101
partículas más grandes. Existen diferentes diseños de lavadores, entre ellos tenemos los convencionales y los venturi. En la Figura IV.4.a se muestra un lavador con varios modos de recolección de partículas. En la parte superior de la torre las gotas de agua chocan con las partículas de los gases que fluyen hacia arriba y las recogen. En la sección empacada se agregan formas especiales para aumentar el área de contacto entre el líquido y el aerosol (gas más partículas). Sin embargo se tienen problemas de obstrucción y en ocasiones se introducen sustancias químicas para reducir la tensión superficial o para aumentar la capacidad de absorción de los gases. En el lavador venturi que se muestra en la Figura IV.4.b el gas se hace pasar a través de una contracción donde aumenta su velocidad. En el punto donde la velocidad alcanza un valor máximo, se inyecta agua de lavado, la que se dispersa en múltiples gotas de pequeño tamaño, generando una gran área de contacto. El material particulado choca violentamente con las gotas de agua. La eficiencia de depuración depende directamente de la velocidad del gas, la que se debe mantener al máximo valor posible. Este tipo de lavadores tiene una mayor eficiencia de remoción de material particulado que los otros diseños, alcanzando valores superiores a 99% para partículas de 1µm y 90-95% para tamaños menores de 1 µm. Debido a la gran pérdida de carga que se produce, los costos de operación son más altos que para los otros tipos de lavadores. IV.4.2.1.4 Colectores de tela y esterilla fibrosa. Los colectores de tela son similares a una aspiradora en gran escala, estos equipos se utilizan para extraer partículas secas de corrientes gaseosas secas y a baja temperatura (0 a 275ºC). Se suspenden medias de tela de 15 a 30cm de diámetro y de hasta 10m de largo en una cámara y el aire que se fuerza apasar por la media de descarga a través de la tela. En la Figura 4.5 se muestra un esquema de una cámara de sacos de tipo industrial. La tela se hace de materiales como algodón, fibras sintéticas y fibra de vidrio, cada uno de los cuales se adapta en distinto grado a la temperatura del gas y las partículas, y a sus características físicas y químicas.
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Figura IV.3. Colectores inerciales simples de partículas: (a) sencillo recogedor centrífugo de partículas; b) colector de ciclón. Fuente. Glyn J y Gary W, 1999.
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Figura IV.4.a. Dibujo de un absorbedor o lavador. Fuente. Glyn J y Gary W, 1999.
Figura IV.4.b. Lavador venturi. Fuente.Glyn J y Gary W, 1999.
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Mientras que los colectores de esterilla de fibras trabajan con caídas de presión muy pequeñas y suelen ser desechables, aunque muchas se pueden lavar y reutilizar varias veces. Estas se emplean extensamente en los sistemas domésticos de aire acondicionado y calefacción de aire caliente, así como para filtrar el aire que entra en los motores de combustión interna.
Figura IV.5. Típica cámara de sacos con sacudimiento mecánico. Fuente.Glyn J y Gary W, 1999.
IV.4.2.1.5 Precipitadores electrostáticos. Se basan en la acción de un campo eléctrico sobre las partículas sólidas cargadas eléctricamente. Las partículas son cargadas mediante una corriente de electrones que circula entre los electrodos por efecto corona, gracias al alto voltaje existente entre ellos (del orden de 60 kvolts). Las partículas son atraídas hacia electrodos colectores, donde se depositan y separan del resto de la corriente gaseosa. El gas fluye en dirección paralela a los electrodos (Figura IV.6). Son altamente eficientes para remover partículas de tamaño pequeño, incluso menores de 1 µm y presentan mínimas pérdidas de carga. Puede recolectar más del 99% de las cenizas de los gases de combustión. Las principales desventajas de estos equipos radican en su pérdida de eficiencia frente a condiciones variables de temperatura, flujo y composición del gas. Además, la presencia de partículas de alta resistividad afecta negativamente la eficiencia de recolección. Si la cantidad de partículas finas es muy grande, es conveniente instalar primero un ciclón antes del precipitador electrostático, para reducir la acumulación de material particulado al interior del equipo. Los precipitadores
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electrostáticos son muy caros y tienen costos de operación elevados, debido a los altos requerimientos de energía eléctrica. Finalmente, este tipo de equipos no es recomendable cuando se tiene presencia de compuestos combustibles o explosivos porque tiene el peligro de incendio y explosión.
Figura IV.6. Precipitador electrostático elemental. Fuente.Glyn J y Gary W, 1999.
IV.4.3 Control de la emisión de gases. Existen cuatro formas fundamentales de reducir la emisión de gases indeseables: -
Reducir o eliminar la producción de gases indeseables. Inducir a los gases a reaccionar después de su producción en procesos químicos para generar emisiones menos inconvenientes. Extraer de manera selectiva el producto indeseable de una corriente gaseosa por absorción, que es la transferencia de moléculas gaseosas a un líquido. Extraer de manera selectiva el gas indeseable por adsorción, que es el depósito de moléculas gaseosas en una superficie sólida.
Los compuestos gaseosos contenidos en el gas residual, tales como óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles, ácido sulfhídrico, amoniaco y compuestos odoríferos (mercaptanos y aminas volátiles), pueden ser eliminados en base a diferentes tipos de procesos físicos y químicos. A continuación, se describen los principios y aplicaciones de tales procesos. 106
IV.4.3.1 Procesos de absorción. Se emplean absorbedores o torres rociadoras (scrubbers). Si el compuesto gaseoso es soluble en un líquido, se puede absorber y retirarlo en solución líquida. El agua es el medio absorbente más utilizado a escala industrial. En muchos casos, se agrega solutos al medio acuoso, tales como hidróxido de sodio o aminas, para incrementar la solubilidad del gas que se requiere absorber. Generalmente, se utiliza columnas de relleno para aumentar el área de contacto gas-líquido. Alternativamente, se pueden utilizar columnas de platos. El gas se hace circular en contracorriente con el líquido absorbente. IV.4.3.2 Procesos de adsorción. Se utiliza un sólido con capacidad para adsorber y retener selectivamente los compuestos que se desea retirar de la fase gaseosa. Como agentes adsorbentes se utilizan sólidos con alta superficie específica, como por 2 ejemplo, carbón activado (del orden de 1.000 m /g). También se pueden utilizar zeolitas, que, a pesar de poseer un área específica menor 2 (aproximadamente, 200 m /g), presentan una estructura porosa adecuada. Los sistemas basados en adsorción varían de acuerdo al tipo de contacto existente entre la fase gaseosa y la fase sólida. IV.4.3.3 Control de los óxidos de nitrógeno de los procesos de combustión. Se realiza a través de una reducción en la cantidad de contaminante que se produce. La cinética química indica que el óxido nítrico se produce con mayor rapidez a medida que la temperatura de la reacción aumenta. Por lo tanto se ha tratado que sea menor esta temperatura quemando el combustible lentamente. De allí que los programas de investigación se dirigen en el empleo de catalizadores, la extracción en seco y en húmedo, y el control de la temperatura de los hornos. IV.4.3.4 Control de los óxidos de azufre. Para esto se aplica extracción selectiva de SO 2 a alta concentración de gases de fundición, extracción selectiva de H 2S a alta concentración de gas natural sulfuroso, extracción selectiva de SO 2 a baja concentración de corrientes gaseosas. IV.4.3.5 Control de la emisión de CO. Para este control generalmente, se opera con un 10-20% de exceso de aire para asegurar una combustión completa y evitar la formación de CO e hidrocarburos volátiles; sin embargo, ello permite la oxidación del N 2 que 107
resulta en la formación de NO X. Al reducir dicho exceso de aire, se puede reducir la emisión de NOX. Los sistemas de combustión en dos etapas (con dos cámaras de combustión en serie) también son usados con tales fines, ya que se puede usar una menor cantidad de aire para completar la combustión y, al mismo tiempo, mantener una menor temperatura de llama. La reducción de la temperatura de combustión tiene un gran efecto en prevenir la formación de NOX. IV.4.4 La Fuente Móvil Hace referencia a un vehículo de transporte en el cual se generan contaminantes del aire, como consecuencia de los procesos u operaciones que se realizarán para producir el desplazamiento de un sitio a otro. IV.4.4.1 Emisiones de escape de motores a gasolina. El sector del transporte de nuestra economía genera alrededor de un tercio de las emisiones totales de COV (compuestos orgánicos volátiles), óxidos de nitrógeno y plomo, y más de dos tercios del monóxido de carbono. Se hace necesario realizar más investigaciones, aunque se están aplicando los reactores catalíticos que transforman químicamente las emisiones de escape producidas por el motor combustible interna, a dióxido de carbono, nitrógeno y vapor de agua. En Venezuela rigen las Normas sobre emisiones de fuentes móviles, Decreto 2673 del 19 de agosto de 1998, Gaceta oficial Nº36532 de fecha 04 de septiembre de 1998. IV.4.5 Control de olores. Los olores no se pueden caracterizar o cuantificar fácilmente, y por lo tanto representan un problema de diseño especial. El control de olores se lleva a cabo mejor en origen, lo cual implica la identificación de su causa, en lugar del olor en sí mismo y un cambio de las condiciones de operación, métodos, diseño o de las materias primas utilizadas, con objeto de eliminar o minimizar el olor. IV.4.5.1 Adsorción. En la adsorción para control de olores se usa un lecho simple, generalmente un filtro de carbón, y normalmente la unidad es no regenerativa pues los compuestos olorosos quedan ligados químicamente al carbón.
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IV.4.5.2 Absorción. Esta opción es similar a la descrita en la emisión de control de gases. IV.4.5.3 Biofiltración Mediante lechos de tierra, filtros de lecho de turba y lavadores biológicos. Para los lechos de tierra se emplea normalmente tierra arcillosa húmeda, a un metro de profundidad de la salida del gas. Es la población microbiana del suelo la que elimina los compuestos olorosos. Generalmente se complementa con la plantación de vegetales de raíces superficiales, para mantener el suelo suelto. Éstas pueden además, ejercer el efecto secundario de mantener bajo control las concentraciones de sulfatos del suelo. Los filtros de lecho de turba consisten en una turba de fibra gruesa y sin polvo, procedente de la capa superficial de un pantano. Este se emplea en Europa. El lecho de turba en sí no tiene más de un metro de profundidad, para evitar que se compacte. La temperatura del lecho se mantiene entre 10y 45ºC. el pH deberá estar siempre en el rango de 4 a 7,5. Para corrientes altamente olorosas el flujo del aire no ha de ser mayor de 110130m3/hm2 de lecho. Para olores menos intensos el flujo puede incrementarse hasta 200m3/hm2 de lecho. En Venezuela rigen las Normas sobre Calidad del aire y control de la contaminación atmosférica, decreto 638 de fecha 26 de abril de 1995.
Actividades: Individuales: 1. Revise detalladamente la presente guía y amplíe en materia de la definición de cada uno de los contaminantes del aire. 2. Defina cada una de las características del aire consideradas en el punto 2 y mencione porque esa cualidad es importante a la hora de llevar a cabo un proceso de tratamiento de aire. 3. Investigue en el Decreto 638 las siguientes definiciones: Contaminante del Aire, Contaminación Atmosférica, Límite de Calidad de Aire. 4. Investigue la capacidad de separación de los ciclones convencionales y los de alta eficiencia, para diferentes rangos de tamaño de partículas. 109
Grupales o Cooperativos: 1. Presente varios ejemplos en donde ilustre ejemplos de reportaje de contaminación atmosférica en prensa a nivel nacional e internacional. 2. Investigue en su ciudad o en el país cual es el órgano gubernamental que controla las emisiones atmosféricas. 3. Investigue con respecto al control de olores en que consiste: la Oxidación por flama y la neutralización y enmascaramiento. Comunitarias: 1. Trasládese ahora a la l a comunidad en donde reside o realiza su actividad de Proyecto y describa un problemática referente a residuos gaseosos utilizando un esquema en donde se reflejen las posibles situaciones que se presentarán en cuanto al movimiento de las sustancias químicas. 2. Adapte y aplique el siguiente plan a su comunidad. 3. Se anexa un plan de acción para mejorar la calidad del aire adáptelo en su comunidad.
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OPS/CEPIS/PUB/00.50
CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS DE CALIDAD DEL AIRE: PLAN DE ACCIÓN PARA MEJORAR LA CALIDAD DEL AIRE El cumplimiento de las normas de calidad del aire implica evaluar la necesidad de tomar medidas para prevenir la contaminación y controlar las fuentes de emisión. Un instrumento importante para lograr esa meta es la elaboración de un Plan de Acción para Mejorar la Calidad del Aire (PAMCA). El plan debe ser diseñado e implementado en el nivel nacional y local y debe contener los elementos necesarios para establecer o fortalecer programas de vigilancia y medidas para mejorar la calidad del aire. Es un documento vivo que debe evaluarse y actualizarse periódicamente. Por ejemplo, en México se están implementando PAMCA para las zonas metropolitanas del valle de México, de Monterrey, de Guadalajara, del valle de Toluca y ciudad de Juárez (véase: http://www.ine.gob.mx/ dggia/cal_aire/espanol/mecaai.html). En Chile, se está implementando un PAMCA para la región metropolitana de Santiago (véase: http://www.conama.cl/Plan_descontaminacion/ plan_descontaminacion.htm) y planes para las zonas afectadas por las megafuentes mineras (véase: http://www.conama.cl/Planesfundición.htm). Se destaca que el Gobierno del Distrito Federal de México está elaborando un nuevo PAMCA para la zona metropolitana del valle de México para el periodo 2000-2010 (véase: http://sma.df.gob.mx/sima/dgpa/indice_espanol.htm) y la CONAMA ha realizado recientemente una auditoria del PAMCA para la Región Metropolitana de Santiago (véase: http://www.conama.cl/Plan_descontaminacion/auditoria/ indice_auditoria.htm). Los principios generales del PAMCA deben definirse en las políticas y reglamentos. Un aspecto clave es designar quién será responsable de elaborar e implementar el PAMCA y quién fiscalizará su cumplimiento. Los reglamentos deben definir claramente la función de cada institución involucrada y los pasos necesarios para la aprobación de un PAMCA. Un típico PAMCA debería incluir: a. Información general de la zona En esta sección se caracteriza la geografía, el clima, el transporte, la industria, la población y el desarrollo urbano de la zona. En particular, esta sección debería incluir una descripción de:
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Geografía y clima
- Las condiciones topográficas y climáticas - El comportamiento de la atmósfera superficial y superior - El uso de tierras. Transporte e industria
- La cantidad y tipo de combustible que se consume - El volumen y edad del parque automotor, los índices y tendencias de crecimiento - La distribución del transporte urbano - La situación actual de las rutas - El número y tipo de industrias. Población y desarrollo urbano
- La estructura y tendencia histórica del crecimiento demográfico - El desarrollo urbano y sus actividades socioeconómicas - La distribución demográfica y geográfica de los empleos. b. Origen de la contaminación En esta sección se caracterizan las emisiones contaminantes de origen antropogénico y natural de la zona. Las fuentes antropogénicas se clasifican generalmente en móviles y estacionarias. Las fuentes móviles son los automóviles, camiones y motocicletas, mientras que las estacionarias son las fuentes puntuales de gran magnitud como las industrias químicas; las fuentes de área son, por ejemplo, las panaderías y tintorerías que son demasiado pequeñas y numerosas para ser consideradas fuentes puntuales. Los datos de las emisiones se obtienen de encuestas, mediciones, cálculos de balance de masas, extrapolaciones y modelos. Los métodos para estimar las emisiones van desde simples evaluaciones rápidas (OMS, 1993a y 1993b) hasta el uso de modelos complejos como los desarrollados por la EPA (véase: http://www.epa.gov/ttn/.chief/ y por el Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long Range Transmission of Air Pollutants in Europe (EMEP) y The Core Inventory of Air Emissions in Europe (CORINAIR) (véase: http://themes.eea.eu.int/toc.php/state/air?doc=39186&l=en). La precisión de los modelos está limitada por problemas inherentes a la simplificación de factores complejos que afectan a las emisiones contaminantes. Para identificar los vacíos en el inventario de emisiones es esencial hacer una evaluación minuciosa del mismo. c. Evaluación de la calidad del aire En esta sección se caracteriza la calidad del aire de la zona con los datos del programa de monitoreo y si es posible los resultados de los modelos de 112
predicción de la calidad del aire. En particular, esta sección debería incluir una descripción de: - La distribución espacial y temporal de los contaminantes del aire durante los episodios de alta contaminación y los escenarios meteorológicos durante esos episodios. - La distribución espacial y temporal de la exposición humana a los contaminantes del aire durante los episodios de alta contaminación y durante periodos prolongados de tiempo (por ejemplo, de 1 a 5 años). - La comparación entre los niveles de concentración de los contaminantes del aire y las normas. - Las tendencias temporales de las concentraciones de los contaminantes del aire durante un periodo prolongado de tiempo (por ejemplo, de 5 a 10 años). - Los vacíos en el programa de monitoreo y en los modelos de predicción. d. Evaluación del impacto en la salud y el ambiente En esta sección se caracteriza el impacto sobre la salud y el ambiente asociado con la contaminación del aire. Esta sección debería incluir una descripción de: - Las estadísticas sobre los efectos en la salud asociados con la contaminación del aire, incluido un análisis de las estadísticas por diferentes grupos (ubicación geográfica, edad, sexo, estrato socioeconómico). - Los efectos en el ambiente asociados con la contaminación del aire. - Un análisis causal del impacto en la salud y el ambiente asociado con la contaminación del aire y su atribución a las fuentes de emisión. - La evaluación económica del impacto en la salud y el ambiente asociados con la contaminación del aire. e. Medidas para mejorar la calidad del aire En esta sección se describen las medidas para mejorar la calidad del aire de la zona. Éstas deben ser realistas, apropiadas para el lugar y eficientes en función de los costos. El establecimiento de medidas efectivas en función de los costos requeriría un análisis de costo-beneficio o al menos un análisis de costo efectividad. Las medidas para mejorar la calidad del aire pueden incluir: - Medidas políticas - Establecimiento o fortalecimiento de las instituciones responsables de la elaboración e implementación de los PAMCA, de las instituciones 113
fiscalizadoras de los PAMCA y de las instituciones responsables de los programas de vigilancia. - Constitución de comités técnicos multi institucionales e interdisciplinarios para apoyar la preparación y revisión de políticas, normas y reglamentos. - Establecimiento de programas para la elaboración y revisión de normas, reglamentos y planes de urgencia atmosférica en casos de alta contaminación. - Elaboración de normas de calidad del aire y límites máximos permisibles de emisión para fuentes móviles y estacionarias. - Formulación de reglamentos que incentiven el uso de tecnologías eficientes en energía y menos contaminantes y el uso de fuentes de energía menos contaminantes o renovables. - Inclusión del componente calidad del aire en los planes nacionales y locales de desarrollo y ordenamiento territorial. - Promoción del cumplimiento de las normas ISO 14000. - Medidas técnicas - Uso de dispositivos que reduzcan las emisiones de los vehículos. - Mejoras en la calidad del combustible. - Establecimiento de programas de revisiones técnicas de vehículos. - Elaboración de programas para mejorar el sistema de manejo del tráfico y la infraestructura del transporte. - Establecimiento de controles al final del proceso industrial. - Desarrollo y uso de tecnologías eficientes en energía y menos contaminantes. - Uso de fuentes de energía renovable o menos contaminante. - Medidas sociales - Sensibilización pública y promoción de cambios de conducta. f. Instituciones responsables y financiamiento En esta sección se especifican las instituciones responsables de la elaboración y ejecución del PAMCA y las fuentes de financiamiento para ejecutar las medidas identificadas. g. Proyecciones para el futuro En esta sección se define el alcance del PAMCA y se brinda información sobre las medidas o proyectos de largo plazo.
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