LAGUNAS DE SEDIMENTACION 1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO DE MAYOR APLICABILIDAD En general, el tratamiento de las aguas residuales puede englobarse bajo el siguiente espectro de alternativas viables de tratamiento: Otra alternativa que puede considerarse dentro de las del tipo Convencional de tratamiento biológico, la constituyen las Lagunas Aeradas (o aireadas), las que contemplan componentes unitarias del tipo No Convencional (Lagunas de Estabilización), incorporando elementos mecanizados para la transferencia de oxígeno. Dentro del espectro de alternativas comúnmente adoptadas se cuenta con Lagunas Aeradas a Mezcla Completa seguida de Lagunas de Sedimentación y Desinfección y Lagunas Aeradas Facultativas seguidas de Lagunas Facultativas y eventual Desinfección. En general, toda alternativa de tratamiento contempla los siguientes procesos dentro de su configuración: - Desinfección Tratamiento Preliminar Tratamiento Primario Tratamiento Secundario
LODOS El tratamiento preliminar, la generación de lodos (y su consecuente deshidratación previa a la disposición final) y la desinfección del efluente clarificado en forma previa a su disposición al cuerpo receptor o uso correspondiente, son comunes a todas las alternativas. En forma previa a la descripción de las principales características de las alternativas de tratamiento arriba mostradas, se señalan a continuación las componentes unitarias comunes a todas ellas.
1.1 COMPONENTES UNITARIAS COMUNES A LAS ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 1.1.1. Tratami T ratamiento ento Preliminar Las aguas residuales crudas son unificadas en el punto de ingreso al sistema de tratamiento, desde donde se envían al tratamiento preliminar, el que en general consta de las siguientes componentes unitarias, dependiendo del tipo de aguas residuales a tratar:
•Cámara de Rejas •Desarenación •Cámara Desgrasadora •Tanque de Compensación y/u Homogeneización
Las Cámaras de Rejas, son necesarias cuando se trata de aguas servidas domésticas y recomendables en la mayoría de las industrias, especialmente aquellas del tipo agrícola, alimenticio, papeleras, etc., y tienen por función el atrapar sólidos mayores tales como papeles, envases, trozos de madera, etc. Asimismo, en aguas servidas domésticas se contempla un sistema de Desarenación, en tanto que se incorporan en solamente algunos casos particulares de Residuos Industriales Líquidos (galvanoplastía, laminación, acereras, areneras, fundiciones, etc.). En cuanto a las Cámaras Desgrasadoras, no se contemplan en general en tratamiento de aguas servidas domésticas, pero sí con bastante frecuencia en industrias, especialmente las que procesan Hidrocarburos, Aceites y Grasas (mecánicas o alimenticias), así como aquellas que usan tales componentes para el lavado de sus unidades (por ejemplo, mayor cantidad de lavados al término de cada turno). Los Tanques de Compensación y/u Homogeneización no se contemplan en tratamiento de aguas servidas domésticas, pero son etapa prácticamente obligada en el tratamiento de Residuos Industriales Líquidos, especialmente cuando algunos o todos ellos son generados en forma Batch o Discontinua al interior del proceso productivo. Al tratarse de Residuos Industriales Líquidos, el Tanque de Compensación permite almacenarlos y entregar a la salida del mismo un caudal constante de ingreso al sistema de tratamiento así como el homogeneizar y permitir la tratabilidad de los distintos tipos de aguas residuales generadas al interior del proceso productivo, evitando sobrecargas puntuales de concentración.
En determinados tipos de aguas residuales, a veces es necesario incorporar componentes unitarias de Neutralización, Oxidación o Reducción, especialmente en Residuos Industriales Líquidos altamente concentrados o tóxicos, lo que se efectúa normalmente a través de regulación de pH o potencial REDOX.
1.1.2 Tratamiento y disposición de lodos a) Espesador de lodos Esta componente unitaria tiene por objetivo efectuar una concentración previa de los lodos antes de su deshidratación final o disposición, y su incorporación es práctica usual en tratamiento de aguas servidas domésticas (a objeto de reducir los volúmenes de lodo a deshidratar), en tanto que en Residuos Industriales Líquidos dependerá fundamentalmente del tipo de lodos generados. El espesador reduce la concentración de los lodos en un 1 - 1,7 %.
b) Deshidratación final y disposición de lodos Todos los sistemas de tratamiento producen una cierta cantidad de lodos que deben ser deshidratados antes de ser dispuestos en forma adecuada. Una alternativa relativamente económica de deshidratación de los lodos producidos, la constituye la adopción de Lechos de Secado, los que en general presentan un alto requerimiento de terreno para su emplazamiento, y en consecuencia poco aplicables cuando las industrias no cuentan con espacio suficiente. Alternativamente, se cuenta con sistemas Mecanizados de deshidratación de tecnología establecida y bajo costo, entre los que destacan los Filtros Banda, los que dependiendo del tipo y marca, permiten llegar a contenidos de humedad del lodo deshidratado del orden de 70 al 80 % (30 - 20 % de sólidos secos) y que pueden operar en forma continua. Por otro lado, y dependiendo del tipo de lodo generado (p.e. lodos con alto contenido de aceites y grasas), en ocasiones se hace necesario considerar deshidratación de lodos por métodos más caros pero efectivos y de mayor grado de deshidratación, como por ejemplo, Centrífugas o Filtros Prensa, los que tienen la ventaja de un mayor deshidratado de lodos, del orden de un 60 70 % de humedad (40 - 30 % de sólidos secos). Sin embargo, el funcionamiento de estas unidades es por ciclos (discontinuo), lo que conlleva mayores costos de operación por el personal requerido. Para una mejor deshidratación, se contempla en general una coagulación del lodo antes de ser deshidratado en los sistemas de filtro de banda, centrífugas, filtro prensa, etc.
La producción diaria de lodos deberá ser evacuada a una zona de acopio adyacente al lugar de emplazamiento de la unidad deshidratadora, desde donde deberán ser cargados, transportados y descargados a un lugar adecuado o usados como acondicionador de suelos.
1.1.3 Desinfección final del efluente Cuando la calidad bacteriológica de las Aguas Residuales tratadas supera lo establecido por la Normativa Vigente, para su evacuación a un cuerpo receptor dado, se hace necesario contemplar una componente unitaria de desinfección. En la actualidad, los métodos de desinfección mas comúnmente aplicados son el Ozono, Radiación Ultravioleta y Cloración. Los dos primeros, presentan en general costos más elevados que la desinfección por Cloro; pero en el actual estado del arte, la Radiación Ultravioleta se ha tornado competitiva a determinados órdenes de magnitud en términos de población equivalente. El sistema de desinfección por Cloro consiste en dosificar una cantidad dada al ingreso de un Estanque de Contacto, el que tiene por objeto generar el contacto necesario entre el desinfectante y el efluente clarificado que permita la adecuada desinfección en forma previa a su disposición final. Al aplicar Cloro a un efluente, primero se consumirá en la oxidación de compuestos orgánicos y después actuará como desinfectante sobre las bacterias. Si la materia orgánica en el efluente es alta, se generarán compuestos organoclorados, actualmente considerados potencialmente cancerígenos. Por ello, es siempre recomendable aplicar Cloro a efluentes cuya DBO no sea superior a 50 mg/l.
1.2 ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO Un tratamiento biológico de aguas residuales consiste básicamente en aclimatar una flora bacteriana (biomasa) que utilice la materia orgánica como alimento (sustrato), convirtiéndola en gases (CO2) que escapan a la atmósfera y en tejido celular de las bacterias, que puede ser removido por sedimentación. Dependiendo del tipo de bacterias que se aclimate, se tratará de un proceso aeróbico (bacterias aeróbicas), anaerobio (bacterias anaerobias) o facultativo (bacterias que se desenvuelven tanto en ambientes anaerobios como aeróbicos). Existen también procesos anóxicos en que las bacterias utilizan compuestos que contienen oxígeno (p.e. nitrato) como fuente para respiración. Los sistemas de tratamiento pueden clasificarse en Convencionales y No Convencionales. Los procesos Convencionales abarcan aquellos que involucran mecanización de los sistemas, en tanto que los No Convencionales no involucran mecanización pero requieren grandes áreas de terreno y están enfocados mayormente al tratamiento de aguas servidas domésticas. Entre
estos sistemas se cuentan las lagunas de estabilización facultativas (en que, además de la biomasa, se generan algas por efecto de fotosíntesis), lagunas anaeróbicas y "Wetlands" (lagunas de baja profundidad con presencia de plantas como jacintos acuáticos o totora). El diseño de estas unidades está en general basado en el tiempo de retención y en la carga orgánica aplicada por unidad de superficie, lo que conlleva grandes requerimientos de superficie para la generalidad de los casos. Los sistemas Convencionales se dividen a su vez, según el tipo de cultivo que se trate, en: Cultivo Fijo (biomasa adherida en forma de película a un medio de soporte) o Cultivo Suspendido (biomasa llamada licor mezclado en suspensión en un estanque). En los procesos biológicos aeróbicos de cultivo suspendido, se suministra aire u oxígeno por distintos sistemas, tales como aireadores mecánicos de tipo superficial (lentos, rápidos o aspirante) y aireadores sumergibles. Otro sistema es el de aireación difusa, en que se usa sopladores que inyectan aire u oxígeno a través de difusores de burbuja fina, media o gruesa. El parámetro más apropiado para comparar aireadores es la transferencia de oxígeno medida en [KgO2/kW/hr]. Se destaca que dicha transferencia se especifica en general en agua limpia bajo condiciones estándar de temperatura y presión atmosférica, siendo necesario corregirla de acuerdo a las condiciones de campo. Para la generalidad de las instalaciones, las condiciones de campo se traducirán en transferencias del orden de un 60% de la correspondiente a condiciones estándar para aireadores mecánicos y de un 50% en el caso de aireación difusa (excepto para el oxígeno puro). Sin embargo, condiciones extremas como emplazamientos muy por sobre el nivel del mar o temperaturas muy altas del agua, conllevan transferencias a condiciones de campo significativamente menores a los valores anteriores. En los procesos biológicos aeróbicos de cultivo suspendido, se suministra aire u oxígeno por distintos sistemas, tales como aireadores mecánicos de tipo superficial (lentos, rápidos o aspirante) y aireadores sumergibles. Otro sistema es el de aireación difusa, en que se usa sopladores que inyectan aire u oxígeno a través de difusores de burbuja fina, media o gruesa. El parámetro más apropiado para comparar aireadores es la transferencia de oxígeno medida en [KgO2/kW/hr]. Se destaca que dicha transferencia se especifica en general en agua limpia bajo condiciones estándar de temperatura y presión atmosférica, siendo necesario corregirla de acuerdo a las condiciones de campo. Para la generalidad de las instalaciones, las condiciones de campo se traducirán en transferencias del orden de un 60% de la correspondiente a condiciones estándar para aireadores mecánicos y de un 50% en el caso de aireación difusa (excepto para el oxígeno puro). Sin embargo, condiciones extremas como emplazamientos muy por sobre el nivel del mar o temperaturas muy altas del agua, conllevan transferencias a condiciones de campo significativamente menores a los valores anteriores.
En los sistemas de cultivo fijo, los requerimientos de oxígeno se satisfacen a través de la circulación de aire por el medio de soporte (debido a la diferencia de la temperatura del agua y el aire), aunque también existen sistemas con inyección forzada de aire. A continuación, se describen las principales características de las alternativas de tratamiento comúnmente adoptadas.
1.2.1 Alternativas del tipo No Convencional a) Lagunas de Estabilización Dentro de este tipo de alternativas, las de mayor difusión las constituyen las Lagunas de Estabilización, con un amplio espectro de configuraciones dependiendo de las componentes unitarias involucradas. Las más aplicadas contemplan en general las siguientes configuraciones. •Facultativas en Serie y/o Paralelo •Anaeróbicas - Facultativas
Lagunas Facultativas Los sistemas de tratamiento sobre la base de Lagunas de Estabilización Facultativas tienen una amplia difusión al tratarse de aguas servidas domésticas netas, cuya carga orgánica en términos de concentración es del orden de 100 - 300 mg/l DBO. Sin embargo, no ocurre lo mismo al aplicar estos sistemas como alternativa de tratamiento para los Residuos Industriales Líquidos, los que por la alta carga orgánica que generalmente traen consigo, exigen grandes requerimientos de terreno. Para que el sistema se comporte como Facultativo, se debe cumplir con que la Carga Orgánica Aplicada no supere la Máxima Admisible. Si las aguas residuales traen consigo un alto contenido de sulfatos, el comportamiento y eficiencia de las unidades (en especial las componentes primarias) se torna bastante sensible y con tendencia a tornarse anaeróbica. Como consecuencia de ello, el sistema se ve propenso a la potencial generación de olores ofensivos.
Lagunas Anaeróbicas El proceso del tratamiento en una laguna anaeróbica obedece a dos etapas, siendo la primera la de fermentación (generada por bacterias del tipo
facultativo), y la segunda estrictamente anaeróbicas.
o
metanogénesis,
generada
por
bacterias
Las Lagunas Anaeróbicas son dimensionadas bajo el concepto de carga volumétrica aplicada, y permiten en general profundidades mayores que las facultativas, lo que redunda comparativamente en un menor requerimiento de terreno. Por las características propias de la población microbiana y el hábitat en que se desarrollan, las lagunas Anaeróbicas son especialmente sensibles a cambios como el pH y la Temperatura, de manera que una variación en 2 unidades de pH o 2 grados centígrados puede llevar al desequilibrio de la población microbiana, generando olores ofensivos en el entorno, el colapso temporal del sistema y una lenta recuperación.
b) Sistemas Wetland En los últimos años, el sistema de tratamiento "Wetland" ha ganado considerable interés, especialmente en los Estados Unidos, debido fundamentalmente a la alta remoción de todo tipo de parámetros, incluyendo metales tóxicos y pesados. El sistema contempla un tratamiento preliminar, consistente en sedimentación primaria, luego de lo cual las aguas servidas efluentes ingresan a una laguna de baja profundidad (1 metro) con 50 - 60 cm de grava incorporada, y en la que se encuentran plantadas determinados tipos de plantas como la Totora y el Bulrush, con el objeto de remover los parámetros contaminantes, incluidos metales pesados y tóxicos. Seguidamente, las aguas servidas pasan por un sector de la misma profundidad pero sin grava, en el que se encuentran emplazados los Jacintos Acuáticos, que son plantas del tipo flotante, y cuya función consiste en pulir la calidad del efluente.
Desde el punto de vista de la eficiencia de tratamiento, este proceso natural ha mostrado un alto grado de abatimiento de los parámetros contaminantes, incluidos los bacteriológicos, quedando la calidad del efluente final dentro de lo estipulado por las normativas más restrictivas.
Sin embargo, los criterios de diseño de esta alternativa son variados, y algunos de ellos no se encuentran establecidos uniformemente, por lo cual no se recomienda adoptarlo como tratamiento intensivo, sino más bien como tratamiento complementario cuando se busca un pulido más acabado del efluente final.
1.2.2 Alternativas del tipo Biológico Convencional Las alternativas de tratamiento del tipo Convencional se clasifican bajo 2 áreas específicas:
•Cultivo Suspendido Aeróbico (Lodos Activados) •Cultivo Fijo (Lechos Bacterianos)
a) Cultivo Suspendido Aeróbico (Lodos Activados) En este sistema, la biomasa se mantiene en agitación en el estanque de aireación desde donde pasa a la unidad de sedimentación. La biomasa sedimentada es devuelta parcialmente al tratamiento biológico, para mantener una población adecuada, y una parte se purga del sistema como lodo en exceso. Algunas de las variantes del proceso de lodos activado son: Convencional flujo pistón •Aireación graduada (Tapered aeration) •Mezcla completa •Aireación con alimentación escalonada (Step aeration) •Aireación modificada •Contacto y estabilización •Aireación extendida (prolongada) •Zanja de oxidación •Aireación de alta carga •Sistema de oxígeno puro •Reactor Discontinuo Secuencial (Sequencing Batch Reactor, SBR) •Lagunas Aireadas a mezcla completa. Este proceso utiliza estanques con un alto período de retención (2 a 5 días), y es asimilable a un lodo activado sin recirculación, en que la edad del lodo es igual al tiempo de retención hidráulico. En este sistema, se requiere de energía no sólo para degradar la materia orgánica, sino también para proveer la mezcla completa del líquido en la laguna.
Los parámetros de diseño de un sistema de lodos activados son la Edad del Lodo (q c), que indica el tiempo que el lodo debe permanecer en el sistema, y la relación Alimento/Microorganismos, conocido como F/M por sus siglas en inglés. La aplicación de parámetros de diseño como el Tiempo de Retención hidráulico, no tiene sentido teórico, y los valores que se encuentran en la bibliografía son cuando mucho apropiados para aguas servidas domésticas. Para aireación extendida y aguas servidas domésticas, la "Edad del Lodo" o "Tiempo de Retención Celular" oscila entre 20 y 30 [días], en tanto que para Lodos Activados Convencionalmente, Mezcla completa, Contacto Estabilización y Alimentación Escalonada, varía entre 5 y 15 [días]. Se acepta que un proceso con una Edad del Lodo mayor a 20 - 25 [días] producirá un lodo mineralizado que no necesitará digestión posterior. Para el caso de los procesos por aireación extendida, la razón F/M fluctúa entre 0,05 y 0,15 [KgDBO/KgSSVLM/día] (equivalente a 0,038 - 0,11 [KgDBO/KgSSLM/día]). Las principales ventajas de sistemas de tratamiento por Lodos Activados en sus distintas versiones son:
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Flexibilidad de operación a través de un control racional de la biomasa presente en el proceso Eficiencia de remoción de carga orgánica sustancialmente más alta que la que se alcanza en otros procesos como los del tipo Convencional por Cultivo Fijo (Filtración Biológica, Biodiscos, etc.), logrando valores superiores a un 90 %
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Minimización de olores y ausencia de insectos
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Puede incorporar desnitrificación al proceso
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Posibilidades de regular energía consumida para variaciones de carga orgánica
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Prescinde de sedimentación primaria, y los lodos generados son altamente mineralizados, por lo que no requieren de tratamiento posterior
Entre las desventajas se pueden citar fundamentalmente las siguientes:
•Control permanente, tanto operativo como de análisis de laboratorio •Altos costos de operación, asociados fundamentalmente a los requerimientos de oxígeno, los que se proveen en forma mecanizada
•Bajo abatimiento bacteriológico, logrando en general abatir no más allá de un ciclo logarítmico en términos de Coliformes Fecales, con la consecuente necesidad de efectuar desinfección final al efluente.
Los Sistemas de Tratamiento por Lodos Activados en la versión por Aeración Extendida, presentan la ventaja de prescindir de sedimentación primaria y generar lodos altamente mineralizados, permitiendo en consecuencia su disposición como acondicionador de suelos (previo acondicionamiento en zona de acopio) sin necesidad de tratamiento posterior. Adicionalmente, el hecho de prescindir de la componente unitaria de sedimentación primaria, trae como ventaja el obviar la consecuente necesidad de efectuar tratamiento a los lodos crudos que se generen. Existen numerosas variantes del proceso por Aeración Extendida, entre las que destacan por su competitividad técnico - económica las Zanjas de Oxidación, los sistemas por Decantación Alternada y los Sequencing Batch Reactor o SBR, cuyas principales características se describen a continuación:
Zanjas de Oxidación Las Zanjas de Oxidación, se constituyen en una de las versiones ampliamente aplicadas a tratamiento de aguas residuales, por lo que se presenta a continuación una descripción del sistema de tratamiento a lo largo de sus diversas componentes unitarias, destacando que los principios que la rigen son similares a las otras versiones por aeración extendida. Luego del tratamiento preliminar, las aguas servidas ingresan a una Cámara de Premezclado, donde se mezclan con los lodos de recirculación provenientes del sedimentador secundario, para ingresar conjuntamente al Tanque de Aireación, donde tiene lugar la degradación biológica por parte de la población microbiana mantenida al interior del mismo en una concentración dada. El efluente del Tanque de Aireación, es enviado al Sedimentador Secundario, desde donde se recolecta el agua servida clarificada para enviarla a un sistema de desinfección, donde tiene lugar el abatimiento bacteriológico, antes de ser evacuado al cuerpo receptor. Por otro lado, parte del lodo decantado en el sedimentador es recirculado al tanque de premezclado, a objeto de mantener una proporción dada entre los microorganismos y el sustrato al interior del tanque de aireación. El resto de los lodos, es enviado a un espesador, desde donde pasan a un filtro prensa o lechos de secado, según sea el caso, donde se deshidratan hasta una humedad que permita su manipulación y disposición final. La deshidratación de los lodos puede efectuarse por lechos de secado, los que si bien es cierto que tienen un bajo costo de operación y mantenimiento, no lo es menos el hecho de que exigen de un gran requerimiento de área y un costo
relativamente elevado en términos de obra civil y tuberías, o en su defecto sistemas mecanizados como Filtros Prensa, por lo que la elección de uno u otro sistema dependerá de cada caso en particular.
Aeración Extendida con Decantación Alternada Esta alternativa tiene ventajas comparativas desde el punto de vista técnico económico, por cuanto a diferencia de la anterior, prescinde de componentes como la recirculación de lodos, manteniendo las componentes propias de los sistemas de lodos activados convencionales como la aeración, sedimentación/clarificación. El proceso de esta alternativa comprende una componente unitaria, consistente en una laguna dividida simétricamente a través de una pantalla divisora (baffle), en la cual se instala un número determinado de aeradores (pares). El circuito hidráulico del sistema es tal que permite el ingreso por una u otra de las secciones de la laguna; el principio de funcionamiento del sistema obedece a los siguientes criterios generales:
•El caudal afluente es ingresado a una de las secciones, siguiendo su paso por toda la laguna y evacuando a la salida de la otra sección. Durante tal operación, se mantienen en funcionamiento el total de los aeradores con excepción de aquel ubicado a la salida del sistema, en consideración a que esta zona opera como componente unitaria de sedimentación. •Posteriormente, se invierte el circuito hidráulico y el sistema de aeración, de manera que en esta oportunidad se echa a andar el aerador detenido en el circuito anterior, con lo que se resuspende el licor mezclado de la anterior zona de sedimentación y se detiene el último aerador para que sea esa zona la que oficie de componente de sedimentación.
Sequencing Batch Reactor Los principios operativos de esta alternativa de tratamiento (variante del proceso de Lodos Activados en su versión por Aeración Extendida), obedecen al siguiente detalle: Una vez que las Aguas Residuales pasan por el tratamiento preliminar, ingresan al sistema de tratamiento propiamente tal, el que conceptualmente obedece a uno del tipo lodos activados batch o discontinua, sobre la base de llenado y vaciado de las unidades que lo componen. En su calidad de tal, los SBR son capaces de dar cuenta de todo tipo de aguas residuales que son viables de tratar por plantas de lodos activados. La experiencia extranjera indica que tanto las aguas servidas domésticas netas como diversos tipos de Aguas Residuales, han sido tratados exitosamente al aplicar esta modalidad.
Las componentes unitarias involucradas en los sistemas de lodos activados convencionales y SBR son idénticas, y consideran tanto la aeración como sedimentación/clarificación. Sin embargo, existe una diferencia sustancial, la que consiste en que mientras en las plantas convencionales los procesos unitarios son efectuados simultáneamente en tanques separados, en el SBR los procesos se llevan a cabo secuencialmente en un mismo tanque. El uso de procesos batch de llenado - vaciado para el tratamiento de las aguas servidas se constituye en un proceso de tecnología establecida, y el principio de la secuencia de tratamiento de los sistemas SBR obedece a 5 etapas de acuerdo al siguiente detalle: •LLENADO •REACCION (Aeración) •SEDIMENTACION (Sedimentación / Clarificación) •VACIADO EFLUENTE •REPOSO
Las ventajas comparativas de este sistema con respecto a los convencionales, puede resumirse del siguiente modo:
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Un tanque SBR sirve como tanque ecualizador durante la etapa de LLENADO, pudiendo en consecuencia tolerar mayores caudales peak y/o altas cargas orgánicas de DBO sin degradar la calidad del efluente. Dado que la descarga del efluente es periódica, es posible, dentro de ciertos límites, mantener el efluente hasta que alcance los requerimientos de calidad estipulados. Durante los inicios del período de previsión, en que los caudales son inferiores a la capacidad de diseño, se pueden instalar sensores de nivel del líquido y fijarlos al nivel bajo, de manera de utilizar solamente una parte de la capacidad del tanque. Desde ese punto de vista, los ciclos de tratamiento pueden mantenerse constantes sin perder potencia innecesariamente por sobreoperación.
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Los Sólidos Suspendidos del Licor Mezclado pueden mantenerse en el tanque tanto como sea necesario.
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No se requiere de bombas de retorno de lodos, dado que el Licor Mezclado se encuentra siempre en el reactor.
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La separación sólido-líquido ocurre bajo condiciones cercanas a la quietud. No existen cortocircuitos durante la etapa de SEDIMENTACION. Adicionalmente, reactores de gran tamaño alcanzan tasas superficiales de sedimentación bajas, permitiendo en consecuencia la sedimentación de
partículas pequeñas que en sistemas de flujo continuo pueden salir junto con el efluente.
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Crecimientos filamentosos pueden ser fácilmente controlados variando las estrategias de operación durante el LLENADO.
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Un sistema SBR puede ser operado para alcanzar nitrificación, desnitrificación y remoción de fósforo sin adición de reactivos químicos.
Entre las desventajas, se puede citar la creciente sofisticación requerida para los tiempos de operación y sensores de niveles en la medida que los sistemas van aumentando en tamaño.
Lagunas Aeradas Otra alternativa que puede considerarse como alternativa Convencional de Tratamiento Biológico, la constituyen las Lagunas Aeradas (o aireadas), las que contemplan componentes unitarias del tipo No Convencional (Lagunas de Estabilización), incorporando elementos mecanizados para la transferencia de oxígeno. Las lagunas aeradas, en que se provee oxígeno en forma artificial, surgieron como respuesta a la incapacidad de las lagunas facultativas de absorber la carga orgánica afluente en los meses más fríos del año. Básicamente, las lagunas aeradas, se dividen en dos tipos: laguna aireada a mezcla completa y laguna aireada facultativa.
Laguna Aireada a Mezcla Completa Las lagunas aeradas a mezcla completa pueden ser asimiladas a un proceso de lodos activados sin recirculación. Ello permite tener criterios de diseño claramente definidos (Tiempo de retención: 2 a 5 días, Demanda de Oxígeno : 1,25 [KgO2/KgDBO], etc.). Adicionalmente, este tipo de unidades debe prever una laguna posterior de decantación en que se acumulan y digieren anaeróbicamente los sólidos. Se estima una reducción de volumen por digestión anaeróbica de 50-60% el primer año y del orden de 40% el segundo año. El lodo debe ser purgado en forma continua o semicontínua para no acumular más que lo que se dispone para dicho efecto. Si se desea evitar la proliferación de algas en la unidad de sedimentación, el tiempo de retención de ésta (descontando el volumen ocupado por el lodo), no debe exceder de aproximadamente un día.
Alternativamente, se puede considerar una laguna de decantación con tiempos de retención significativamente mayores, bajo la premisa que ésta funcione no sólo como laguna de acumulación de lodos, sino también como laguna facultativa tradicional con presencia de algas. Esto implica, sin embargo áreas significativamente mayores. Las lagunas son equipadas con aeradores, los que pueden ser del tipo flotante, fijos o sumergidos y rápidos o lentos, siendo los más comunes los flotantes de alta o baja rotación. En la elección del aireador, no sólo se debe considerar la potencia necesaria para suplir los requerimientos de oxígeno, sino también la potencia necesaria para proveer mezcla completa (mantención de los sólidos en suspensión).
Las principales ventajas de estos sistemas son los siguientes:
•Proceso simple y confiable •Baja producción de lodos •Buen grado de estabilización de lodos
Las principales desventajas que presentan estos sistemas son los siguientes:
•Requerimiento de terreno mayor a las alternativas convencionales como Lodos Activados •Altos requerimientos de energía a bajas condiciones de carga •Necesidad de proporcionar energía para mezcla, que puede ser mayor a la requerida para remover DBO •Necesidad de desinfección del efluente o lagunas facultativas posteriores
Lagunas Aireadas Facultativas Este tipo de lagunas prescinde de la mezcla completa y se diseña para tiempos de retención mayores (5 - 12 días), con lo que el espacio requerido aumenta considerablemente produciéndose además, por un lado, acumulación de sólidos y, por otro, generación de algas en la laguna.
b) Cultivo Fijo (Lechos Bacterianos) Los Lechos Bacterianos son reactores de Cultivo Fijo, donde los microorganismos se desarrollan adheridos a un lecho o medio de soporte (el cual puede ser fijo o móvil) en forma de superficies de cultivo, asemejando una carpeta biológica (mucílago o capa mucilaginosa). El material del medio de soporte puede ser roca, madera o plástico, teniéndose entre 45 y 200 m2 de superficie específica por cada metro cúbico para el desarrollo de la carpeta biológica. El sustrato es aplicado en forma intermitente y alternada con períodos de aeración en los cuales se produce la fase de respiración de los microorganismos. Una de las versiones de lecho fijo más difundida, la constituyen los Biofiltros o Filtros Percoladores, mientras que entre las de lecho móvil destacan los Biodiscos o Contactores Biológicos Rotatorios (CBR).
Filtros Biológicos (Biofiltros) Los Biofiltros son estanques generalmente circulares rellenos con medio de soporte de roca o plástico, a través del cual fluye verticalmente el afluente, el que es recogido junto a la Biomasa en exceso que se desprende del medio, a través de un fondo falso, desde donde pasa a la sedimentación secundaria. El criterio de diseño de estas unidades es la carga orgánica (KgDBO) aplicada diariamente por metro cúbico de medio de soporte y la carga hidráulica aplicada (m3/día) por metro cuadrado de superficie horizontal del Biofiltro. Este sistema presenta ventajas como la estabilidad ante variaciones de la carga y concentración afluente, bajos costos de operación y mantenimiento comparados con otros procesos del tipo Convencional, producen un lodo estable concentrado (en general bien floculado y fácil de decantar) y son de fácil puesta en marcha luego de una detención. Las principales ventajas de los biofiltros son:
•Estabilidad ante variaciones de la carga y concentración afluente. •Bajos costos de operación y mantenimiento comparados con otros procesos del tipo Convencional. •Producen un lodo estable concentrado, en general bien floculado y fácil de decantar. •De fácil puesta en marcha luego de una detención.
Las principales desventajas son:
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Baja posibilidad de incluir remoción de nutrientes en el proceso.
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Necesidad de Sedimentación Primaria para suspendidos afluentes a la componente biológica.
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Riesgo de desarrollo de moscas psychoda, especialmente en climas cálidos o templado durante las estaciones de alta temperatura.
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Requieren de un eje hidráulico de 3 o más metros de desnivel.
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En las versiones de Alta Tasa, requieren de un gasto de recirculación que hay que bombear.
disminuir
los
sólidos
Contactores Biológicos Rotatorios (Biodiscos) En un sistema de este tipo, el agua pasa horizontalmente a través de un tanque, en el cual giran unos ejes con discos de gran diámetro, suficientemente separados, a muy baja velocidad para permitir el crecimiento de biomasa sobre su superficie. La biomasa en exceso se desprende de los discos y se retienen en los sedimentadores secundarios, desde donde se bombea hasta el sistema de tratamiento de lodos. Aproximadamente el 40% de la superficie de los discos está en contacto con el agua en todo momento. Cuando los discos giran, la materia orgánica es absorbida en la película biológica que crece sobre los discos, poniéndose alternativamente en contacto con el aire al salir del agua. De esta forma se produce la transferencia de oxígeno a las colonias de bacterias, protozoos, rotíferos y demás microorganismos que producen la oxidación de la materia orgánica. Los discos no sólo sirven para aerar la película biológica, sino que también son responsables de la aeración del licor-mezcla presente en el tanque y, por último, por esfuerzos tangenciales, producen el desprendimiento del exceso de biomasa. Los criterios de diseño de estas unidades son la Carga Orgánica (Kg DBO) y la Carga Hidráulica aplicada diariamente por metro cuadrado de superficie efectiva de medio de soporte. En general, se utilizan o han sido usados con éxito para pequeñas poblaciones. Su gran ventaja reside en el bajo requerimiento de energía para accionarlos, ya que sólo hay que hacer girar los discos.
Las principales ventajas de los Contactores Biológicos son:
•Bajos requerimientos de energía. •No requieren de bombeo, recirculación ni elevación, ya que su pérdida de carga es mínima. No requiere de eje hidráulico significativo. •Tienen mejor eficiencia que los biofiltros debido a la activación del lodo que se desprende de los discos.
Sus principales desventajas son:
•No son apropiados para poblaciones equivalentes grandes debido al tamaño máximo de los módulos, no permitiendo en consecuencia economías de escala y tornando complicada la operación y mantenimiento de las mismas. •Tendencia a generar olores, especialmente en determinadas épocas del año en climas relativamente extremos. •Determinados tipos de Aguas Residuales deben estar sujetos a pretratamiento obligado, especialmente cuando contiene una cantidad apreciable de grasas y aceites. •Se pueden desequilibrar cuando los esfuerzos al eje no están simétricamente distribuidos a lo largo de la componente.
1.3 Tratamiento Fisicoquímico A diferencia de la alternativa biológica, el tratamiento fisicoquímico no involucra el mejoramiento de la calidad de las Aguas Residuales por medio de un proceso biológico, sino fundamentalmente por reacción física y química sobre la base de adición de reactivos específicos. Las componentes unitarias de este sistema, son fundamentalmente de tipo físico (sedimentación, flotación, filtración, etc.) y a veces vienen complementadas con adición de ciertos reactivos (coagulantes, polielectrolitos, polímeros etc.) generando reacciones estequiométricas que aumentan la eficiencia de remoción de los parámetros de interés. La adición de coagulantes permite la aglomeración de las partículas presentes en las Aguas Residuales, formándose partículas de mayor tamaño llamadas flóculos, que son más fáciles de remover que las partículas del Agua Residual cruda. La mayor o menor formación de flóculos, así como su tamaño y peso, depende del tipo y cantidad de floculante empleado.
Las componentes unitarias involucradas dependerán del tipo de aguas residuales a tratar, contemplando en general algunas de las componentes unitarias comunes a toda alternativa (pretratamiento, ecualización, deshidratado) y algunas de las siguientes:
•Regulación - Ecualización •Coagulación - Floculación •Sedimentación o Flotación •Acidulación •Filtración
A continuación se presenta una descripción somera de las componentes unitarias más importantes de este tipo de tratamiento.
1.3.1 Coagulación-Floculación Los criterios de diseño de esta componente unitaria se deben obtener a partir de pruebas de jarras (jar-test) efectuadas al agua residual. Una prueba de jarras consiste en simular a escala de laboratorio, la respuesta de las Aguas Residuales a determinados agentes coagulantes. Un jar-test típico consta de seis jarras, a cada una de las cuales se le adiciona una distinta cantidad de agente coagulante con o sin ajuste de pH. Para ajustar el pH se usa ácido sulfúrico y soda o cal, mientras que para la coagulación, los productos más usados son el cloruro férrico y el sulfato de aluminio. En algunos casos, en particular con los desechos de origen orgánico, el lodo generado puede ser reutilizado como alimento animal, aunque ello depende de los productos químicos usados. En particular, la cal y el sulfato de aluminio pueden no ser aptos para este fin a determinadas concentraciones. Por otro lado, el uso de cal ayuda a una mejor deshidratación de los lodos en sistemas de filtro prensa o de banda.
1.3.2 Sedimentación Una vez hecha la prueba, y sedimentado el lodo, al sobrenadante de cada jarra se la efectúan los análisis de los parámetros de interés según el caso (DBO, DQO, SS, Color, Turbiedad, etc.), debiéndose además registrar el pH residual, y el volumen decantado de lodos. El volumen de lodos decantado constituye un índice de la producción de lodos que se tendrá en una planta de este tipo, el cual puede variar grandemente según el tipo de residuo. De hecho, si el volumen es muy grande, ello se traducirá en una necesidad de tratar un volumen de lodos inmanejable, lo que
puede desvirtuar el tratamiento fisicoquímico, aún cuando las eficiencias de remoción sean satisfactorias.
1.3.3 Flotación La flotación se emplea en sustitución de la sedimentación, cuando el agua residual contiene una alta concentración de aceites y grasas, el floc es liviano y de difícil sedimentabilidad o el volumen de lodos decantado es muy alto. La flotación se produce mediante la introducción de aire en forma de microburbujas. Las partículas se fijan a las microburbujas, produciéndose su remoción al ascender a la superficie. La introducción de aire de la forma antes citada suele conseguirse generalmente mediante el sistema de flotación por aire disuelto (DAF) y últimamente por Flotación por aire inducido (IAF) o cavitación (CAF). Para casos específicos, suele además emplearse electroflotación u otros sistemas. En determinados casos, la flotación suele además usarse sin coagulación floculación (aireación mecánica por burbuja gruesa) o como etapa posterior a la acidulación. En general, se espera que el lodo flotado por alguno de los métodos anteriores presente una humedad del orden de un 95%, utilizando coagulantes.
1.3.4 Filtración Esta componente es menos utilizada, a menos que se desee pulir el efluente en términos de determinados parámetros (sólidos del tipo coloidal o disuelto, etc.), o para efectos específicos como remoción de color, olor, etc. Finalmente, debe destacarse que todos los sistemas de tratamiento requieren de un mayor o menor grado de operación y mantenimiento, a cargo de operadores y técnicos debidamente capacitados. En general, se asocia los problemas de una planta de tratamiento a diseños incorrectos aunque suele encontrarse que el problema real es una incorrecta o deficiente operación.
1.4 DISEÑO Y NORMAS PARA LA CONSTRUCCION En los Item anteriores se menciona de manera general algunos parámetros de diseño de los principales sistemas de tratamiento de aguas residuales. A continuación y a manera de ejemplo se describen algunos de los parámetros tenidos en cuenta para diseñar una laguna.
Al diseñar una laguna se tienen en cuenta los siguientes parámetros:
1.4.1 Dimensiones Básicas Se adoptan interiormente paredes con talud 1 vertical por 3 horizonatal.
1.4.2 Cargas de funcionamiento Para tratar este parámetro se considera el siguiente ejemplo, asumimos una población (P) de 4000 habitantes:
-
Consumo per cápita: 250 Lit/hab-día
-
Caudal total de aguas servidas (q) = 250 x 0.8 = 200 lit/hab-día
-
400 x 200 Caudal total de aguas servidas = ----------------- = 9.25 Lit/seg. 86.400
- Concentración inicial de DBO =
54000 --------- = 270 mg/día 200
-
Carga orgánica por habitante = 54 gramos de DBO5 / hab / día
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Carga orgánica total aplicada = 270 x 10 x 9.26 x 66400 = 216 kg DBO 5 /día
1.4.3 Capacidad de tratamiento de una laguna Facultativa (Método Gloyna – Marais) Para una profundidad útil de 1.20 m.
- Volumen del estanque = A x Profundidad A = 9075 m2 V = 9075 m2 x 1.20 = 10.890 m3 10890 m3 - Tiempo de rotación = ---------------------- = 13.6 días 800 m3 /día
- Temperatura media del mes más frío = 20° C k - K = -----------θ
35 -T
k 35 °C = 1.2 θ = Coeficiente de reacción temperatura = 1.085
La constante de reacción a 20 °C será entonces: 1.2 K20 = ------------------- = 0.35 días 1.085 35 -20
-1
Lo 270 - DBO en el efluente (Lp) = --------------- = ------------------------ = 47 mg / lit KxR+1 0,35 x (13,6) + 1 - Eficiencia = ( 1 – Lp/Lo) x 100 = ( 1 – 47/270) x100 = 82,6 %
1.4.4 Chequeos Carga orgánica superficial aplicada = 2,16 / 0.9075 = 238 Kg DBO 5 / Hab – día a. Para el diseño de lagunas facultativas el ingeniero Earnest F. Gloyna, sugiere para condiciones ambientales con clima tropical, soleamiento y sin nubosidad estacional el uso de cargas superficiales entre 150 y 300 kg DBO/ hab-día. b. Según el criterio de carga máxima aplicable, para una temperatura mínima mensual de 20 °C, la carga máxima que puede aplicarse a una laguna facultativa sin provocar su falla, es decir convertirla en anaerobia en toda su profundidad sería: Csm = 60,29 (1.0993) 20 = 400 kg BDO / Hab – día c. La selección correcta de la constante K es el factor que garantiza que la calidad del efluente que se obtendrá con una laguna en operación sea apróximadamente la esperada, obtenida con la expresión de diseño: Lo Expresión de diseño = ----------KR – 1