Norma Efluentes Líquidos - PDVSA

 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SECCION AMBIENTAL TRATAMIENTO DE EFLUENTES

PDVSA N°

TITULO

MDP–09–EF–03

0

JUN.97

REV.

FECHA

APROB.

1994

SISTEMAS DE CONTROL DE EFLUENTES

APROBADA DESCRIPCION FECHA JUN.97

APROB.

49

R.P.

PAG.

REV.

L.R. APROB. APROB. FECHA JUN.97

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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PDVSA MDP –09 –09 –EF –EF –03 –03

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 SISTEMAS DE CONTROL DE EFLUENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Remoción primaria de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Tratamientos secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Lodos activados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Tratamientos terciarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 SISTEMAS DE CONTROL DE EFLUENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Remoción primaria de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Tratamientos secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Lodos activados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Tratamientos terciarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVO El objetivo de este cap ítulo es presentar los sistemas de control de efluentes en refiner ías en lo que respecta a los efluentes aceitosos.

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ALCANCE En este cap ítulo se presenta la informaci ón básica teórica, producto de revisiones bibliogr áficas de los procesos y tecnolog ías de remoci ón de aceite libre (API y separador de placas) y emulsionado (DAF e IAF), as í como tratamientos biol ógicos para la separaci ón de materia org ánica disuelta (lagunas de estabilizaci ón, lagunas aeradas y lodos activados). Otras tecnolog ías, son se ñaladas como referenciales.

3

REFERENCIAS Cordonnier, J. Bern é, F. “Industrial Water Treatment ”. Edition Technip, Par ís, 1995. Eckenfelder, W. “Principles of Water Quality Management ”. CBI Publishing Company, Boston, 1979. Vandermeulen , J. Hudrey, Hudrey, S. “Oil in Fresh Water ”. New York, Pergamon Press, 1987. Metcalf and Eddy “Wastewater Engineering: Graw – Hill. 1972.

Treatment/Disposal/Reuse ” Mc

Muñoz, A. “Depuraci ón de Aguas Residuales ”, Graficas Rogar, Rogar, Madrid 1992. INOS. “Normas para la elaboraci ón de proyectos de Sistemas de Tratamiento de Aguas Servidas ” 1976. WPCF. “Wastewater Treatment Plant Design ” 1977. Gaudy and Gaudy “Microbiology for Environmental Engineers ” Mc Graw –Hill. 1980 Winkler A. Michael “Tratamiento biol ógico de Aguas de Desecho ” Limusa – Noriega 1994. Parker W. Homer “Wastewater Systems Engineering ” Prentice – Hall. 1975.

4

SIS SI STEM TEMAS DE CONT CONTRO ROL L DE DE EFL EFLUE UENT NTES ES Los procesos de remoci ón de contaminantes de los efluentes l íquidos de refiner ía incluyen tres etapas, a saber: 1. Remo moc ción primaria de aceite 2. Trata Tratamien mientos tos secund secundario arios s 3. Trata Tratamien mientos tos terciari terciarios os Otros procesos complementarios requeridos se refieren al tratamiento y disposici ón de lodos.


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Una esquema simplificado es presentado en la Figura No. 1.

4.1 4.1

Rem emoc ociión prim prima aria ria de ace aceite ite Los procesos disponibles para el control de corrientes aceitosas tienen sus aplicaciones y limitaciones limitaciones en funci ón de la concentración y estado del mismo en el efluente.

4.1.1

Remoción de aceite libre El objeto de esta primera fase de tratamiento es permitir la remoci ón de aceite libre y s ólidos en suspensi ón, tales como, arena, arcillas, gravas finas y otros, sin la adición de sustancias qu ímicas, así como, facilitar el funcionamiento de las unidades unida des posteriores por los efectos de compensaci ón de flujo y regulaci ón de las concentraciones de hidrocarburos presentes en el efluente a ser tratado. En promedio se aceptan concentraciones de hidrocarburos de 50 a 200 mg/l, y dependiendo de la unidad seleccionada el di ámetro del glóbulo de aceite (d) puede variar entre 0.0060 cm < d < 0.015 cm. La separaci ón de aceite libre puede ser llevada a cabo mediante dos procedimientos, a saber:

– Separadores de gravedad: en los cuales las gotas de aceite se elevan hacia arriba con una velocidad definida por su gravedad espec ífica. – Gravedad artificial: centr ífugas y ciclones. El principio de separaci ón de gravedad est á basado en la diferencia de densidad entre el agua y el aceite insoluble. Bajo flujo laminar, Re < 800, la velocidad de ascenso de una gota de aceite (Vt) puede ser calculada por la siguiente ecuaci ón basada en la Ley de Stokes: Vt= g d 2(Pw–Po) / 18 η

Donde: g

= aceleraci ón de gravedad

P w

= Den Densida sidad d del del ag agu ua

P o

= Densid sidad del aceite eite

d

= diámetro de la gota

η

= viscosidad din ámica del aceite


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Los dos tipos m ás importantes de separadores de gravedad son: convencionales tipo API (longitudinales) (longitudinales) y separadores separadores circulares. – Separadores convencionales – Separadores de placa . En esta clasificaci ón se incluyen los separadores de placas paralelas, PPI, los separadores de placas corrugadas, CPI. – Separadores API El diseño estándar de los separadores separadores rectangulares API se inici ó en el año 1948 y estuvo a cargo de Engineering Experiment Station de la Universidad de Wisconsin. Su función es la de separar el aceite libre proveniente de efluentes de refiner ía principalmente. En términos del tamaño del glóbulo de aceite , la remoci ón se basa en aquellos con di ámetros de 0.015 cm., por lo cual el funcionamiento de estas unidades depende de la naturaleza del aceite, caracter ísticas del flujo, dise ño y tamaño de la unidad. Pueden ofrecer eficiencias altas en el orden de un 75% o más. Los separadores API consisten de estanques rectangulares multicanales, los cuales disponen de una zona de entrada, una zona de separaci ón aceite / agua y una zona de salida. Ver Ver las Figuras No. 2, 3 y 4. 1.

Zona de entrada La zona de entrada comprende un un canal de pre –separación que cumple las funciones de: a) reducci ón de velocidad del flujo entrante por la tuber ía de acceso y b) remoci ón de material flotante (sólidos y aceites). Al final del canal se incorpora un mecanismo de remoci ón de sólidos flotantes que pueden interferir aguas abajo de la unidad (barras espaciadas de 2, 5 a 5 cm e inclinadas entre 45 y 60 °), un desnatador para remoci ón de aceite libre y una pantalla de retenci ón localizada generalmente a 15 cm del desnatador. Generalmente, el canal de pre –separaci ón está cubierto para minimizar las pérdidas por evaporaci ón. Las velocidades recomendadas para esta secci ón son de 10 pie/min. a 20 pie/min. (0.05 – 0.10 m/seg.). Estas velocidades, por ser tan bajas, permiten el asentamiento de s ólidos sedimentables, por lo que esta secci ón debe contar con un mecanismo o estructura que permita remover los mismos. Los tiempos de retenci ón satisfactorios en esta secci ón oscilan entre 1 y 2 min. Así mismo, dicha zona contempla el ingreso del efluente al estanque de separaci ón, el cual se hace a trav és de un número de compuertas de fondo por cada canal y posteriormente una pantalla de distribuci ón con ranuras verticales a fin de garantizar que el flujo entrante a la zona de separaci ón propiamente dicha, lo haga de forma distribuida. Dichas ranuras deber ían ofrecer un área en el orden del 3 al 7% de la secci ón transversal de la unidad y estar espaciadas lo m ás cercano posible .


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2.

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Zona de separaci ón La zona de separaci ón básicamente est á conformada por los canales de separaci ón (estructuras rectangulares dimensionadas de acuerdo a ciertos criterios), los cuales disponen de las tolvas de recolecci ón de lodos, el desnatador y la pantalla de retenci ón. Las tolvas de recolecci ón de lodos consisten en pir ámides invertidas con pendientes internas de 45 °, las cuales se ubican inmediatamente a la entrada de la unidad. En estas se recolectan principalmente los s ólidos sedimentables, los cuales son arrastrados desde cualquier punto de la longitud del canal mediante el mecanismo de remoci ón. Estas tolvas est án conectadas a tuber ías que conducen este lodo hasta una tanquilla de lodos, desde donde ser án posteriormente bombeados. Por otra parte, el aceite es continuamente removido mediante un mecanismo desnatador, de los cuales se encuentran varios modelos. Dichos mecanismos, requieren de ciertas velocidades de rotaci ón y sumergencia óptimas. Para garantizar la retenci ón del aceite en esta zona, la unidad deber á ser provista de una pantalla con un m áximo de sumergencia de 55% de la profundidad del agua. Esta pantalla se ubicar á al extremo de la unidad (antes de la zona de salida) y con una separaci ón aproximada de 1 pie del mecanismo del desnatador.

3.

Zona de salida

La zona de salida se refiere al vertedero de pared localizado despu és de la pantalla de retenci ón de aceite, a una distancia de 2 pie (0.61 m) de la misma. El agua fluye por arriba para un canal que distribuir á ésta a otras unidades en caso de ser requerido. – Separadores de placas – Separador de placas paralelas (P.P.I.) Este separador de placas paralelas com únmente llamado PPI (Paralell Plate Interceptor), fue desarrollado posteriormente a la aparici ón del separador API, con la intenci ón de minimizar las deficiencias que éste presentaba, en cuanto a requerimiento de espacio,costo de construcci ón, peligro de incendio, olores, etc. En cierta literatura, se le conoce como separador Lamella, prototipo desarrollado en Suecia. Presentado por el grupo SHELL Co. a finales de los a ños cincuenta, fue utilizado en las refiner ías, en la soluci ón de problemas de efluentes l íquidos de procesos con contenido de aceites y s ólidos, disposici ón de agua de desecho de industrias procesadoras de metales y la misma filosof ía se aplica en procesos de clarificaci ón en el tratamiento de agua. La primera versi ón del PPI se logró, acortando la trayectoria de la gota de aceite en un separador API. Para ello se introdujo una serie de l áminas paralelas en


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el sentido longitudinal o del flujo, de tal manera que vista la unidad en secci ón transversal, ten ían una inclinaci ón de 45° (formando una “V”). De esta manera, se consigui ó que la lámina de aceite se desplazara desde el fondo, hasta la parte superior en donde era capturada en una canaleta central, mientras que, los sedimentos se mov ían de la mitad hasta depositarse en el fondo para ser removidos. El agua tratada, se recog ía en un vertedero. El incremento en el área transversal útil, y la posibilidad de tener mas área de separaci ón en un mismo volumen, hicieron a este separador m ás pequeño que su equivalente API. Aproximadamente diez a ños de experiencia condujeron a mejorar éste separador, para dar paso al Corrugated Plate Interceptor (CPI), tambi én llamado Tilted Plate Interceptor (TPI). El PPI se basa en el mismo principio de sedimentaci ón de alta tasa, pero la separaci ón del aceite se produce mediante flotaci ón. Con la introducci ón de las placas paralelas en los separadores, se logra adem ás de incrementar la capacidad de separaci ón, dividir la velocidad ascencional tantas veces, como n úmero de placas existan. Por consiguiente, al pasar un caudal mas peque ño a través de cada separaci ón, el régimen de flujo en los separadores PPI, es del tipo laminar, por lo que aplica la ley de Stokes. Esta caracter ística es la ideal para la t écnica de separaci ón por gravedad, por lo que le di ó una gran ventaja a estos separadores, con respecto a su equivalente API.

– Separador CPI Aunque se obtuvieron beneficios con el separador original PPI, ésto no fue suficiente. Inicialmente presentaba dificultades en cuanto a construcci ón, dado que los sistemas de drenaje de los tanques de concreto, requer ían cálculos muy precisos fuesen las unidades superficiales o construidas bajo la superficie. Por otra parte, las placas eran de acero lo que trajo como consecuencia problemas de corrosi ón y presencia de asperezas o rugosidades indeseables. Con estos antecedentes, los investigadores decidieron trabajar en el logro de una unidad más pequeña que el prototipo, s ólo que introduciendo algunas modificaciones al mismo. Primero se le di ó un grado de inclinaci ón de 45° a las placas paralelas para obligar al agua conteniendo aceite, a viajar en contracorriente al flujo y los lodos descender en el mismo sentido del agua. El material de las placas fue cambiado por un material corrugado y pl ástico. Con estas modificaciones se superaron las expectativas. Particularmente el material plástico le dio la suficiente rigidez para permitir disminuir la separaci ón entre placas, dando como resultado un separador peque ño, liviano y f ácil de modificar.


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Por otro lado, las gotas de aceite fluyendo hacia arriba y el lodo hacia abajo de las placas corrugadas, eran protegidas contra la aceleraci ón y movimiento de la masa de agua. La recolecci ón del aceite se hac ía al final del separador. Este prototipo deriv ó en el separador CPI (Corrugated Plate Interceptor), llamado también TPI (Tilted Plate Interceptor) o separador de flujo transversal. Ver Figura No. 5. Aplica lo mismo que para los separadores PPI originales, por lo que trabaja en flujo laminar y se utiliza la ley de Stokes. En este caso, se logran mejores eficiencias al obtenerse distancias menores entre las placas. La formulaci ón para el diseño de estas unidades (PPI, CPI, TPI), es la misma, lo que difiere es el diámetro de las part ículas y el Número de Reynolds para cada caso. Las unidades de separaci ón por placas paralelas, est án disponibles en ensamblajes compactos, los cuales pueden especificarse en metal, pl ástico y también pueden construirse en concreto. Se debe tener en cuenta en el dise ño de los separadores por gravedad, la condici ón de entrada al mismo, para favorecer la coalescencia. Por lo que hay que evitar en lo posible, las contracciones de las tuber ías y colocaci ón de válvulas aguas arriba del separador. El ancho del canal de entrada es variable y deber á ser diseñado de acuerdo a las caracter ísticas fisicoqu ímicas de la entrada. En ciertos casos, se utilizar á dicho canal como un pre –separador. El agua puede ingresar a la unidad tanto por la parte superior como la parte inferior de la misma. Tambi én existen dise ños de flujo transversal. Los diseños originales contaban con un vertedero en la zona de entrada, sustituy éndose posteriormente por pantalla, minimiz ándose así los gradientes de velocidad y obteni éndose una óptima distribuci ón de flujo. Las placas son de un material resistente a la corrosi ón, bien sea, de resinas reforzadas de fibra de vidrio, polipropileno, PVC o materiales termopl ásticos y de metal como acero al carb ón, acero galvanizado o acero inoxidable. Van orientadas con un ángulo de 45 ° (CPI) a 60° (otros modelos comerciales) respecto a la horizontal. La separaci ón entre las placas es de 2 a 5 cm. Los sólidos sedimentables son retenidos en las tolvas de fondo con pendientes internas de 45° a 60°. La descarga del lodo acumulado depender á del volumen producido diariamente y el volumen de almacenamiento de las tolvas. Por otra parte, el aceite separado se desplaza hacia arriba y se concentra en la parte superior de cada placa. Cuando alcanza el final del paquete de placas es recolectado en un canal conduci éndose a la interfase aceite –agua. Y es removido por un vertedero. Cuando se presenten problemas de olores o de viento que levante arenas que puedan producir corrosi ón, puede instalarse una cubierta liviana.


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4.1.2

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Remoción de aceite emulsionado y s ólidos en suspensi ón Esta se refiere a la remoci ón de materia en estado coloidal, bien sea de aceite en emulsión mecánica o química o sólidos en suspensi ón, mediante el uso de sustancias qu ímicas coagulantes. El proceso se lleva a cabo en unidades de floculaci ón y separadores de gravedad. Los principales procesos asociados son : 1.

Floculaci ón –Flotaci ón

2.

Floculaci ón –Sedimentaci ón

3.

Filtraci ón en arena

Floculaci ón –Flotaci ón La flotación se refiere al proceso de separaci ón de aceite y s ólidos presentes en el efluente por medio de burbujas de aire que aceleran el ascenso. Estas burbujas se adhieren a las part ículas en suspensi ón y producen una disminuci ón de la densidad aparente del conjunto burbuja –partícula hasta un punto menor que la del agua. La diferencia de densidades origina un impulso ascencional que hace que las partículas se acumulen en la superficie. A fin de mejorar el proceso se hace uso de sustancias qu ímicas, tales como, coagulantes y otras, las cuales se adicionan previamente en una c ámara de floculaci ón. Estos procesos por lo general se llevan a cabo despu és del proceso preliminar de separaci ón de aceites. Dentro de esta categor ía se encuentran los equipos de flotaci ón, floculación y sedimentaci ón y filtraci ón. Los principios de operaci ón del proceso de flotaci ón dependen del m étodo empleado para producir las peque ñas burbujas de aire o gas requeridas. Las burbujas de gas son generadas por:

– Descompresi ón de una corriente de agua presurizada con aire o gas disuelto. – Por aire o gas dispersado mec ánicamente o hidr áulicamente. Los tipos mas importantes de tecnolog ías son la Flotaci ón por Aire Disuelto (DAF) y Flotaci ón por Aire Inducido (IAF). Cabe destacar que dichos procesos se facilitan mediante la adici ón de sustancias qu ímicas coagulantes, por lo que en varias referencias se clasifican como procesos fisicoqu ímicos. – Flotaci ón por Aire Disuelto (DAF) Los esquemas convencionales de DAF son la flotaci ón mediante presurizaci ón total del efluente, la flotaci ón parcial del efluente y la flotaci ón con presurizaci ón del reciclo.


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El agua a ser tratada se sobresatura de aire a una presi ón entre 40 a 60 psig en un tanque de presurizaci ón durante un per íodo de 2 a 3 min. Esta corriente entra a la c ámara de flotaci ón a presión atmosférica a trav és de un sistema de distribuci ón. El aire disuelto es expandido en forma de peque ñas burbujas (40 a 100 µm de tamaño) las cuales se adhieren a las part ículas de sólidos en suspensi ón o glóbulos de aceite emulsionados conduci éndolos a la superficie de la c ámara. A pesar de que el proceso de presurizaci ón de la recirculaci ón, implica un tanque de flotaci ón de mayor superficie (ya que se debe considerar el caudal de entrada mas el caudal de reciclo) el sistema ofrece mayores ventajas sobre los otros métodos, dado que en los restantes m étodos la presurizaci ón del efluente pueden afectar la eficiencia del tratamiento. Adicionalmente, resulta mas versátil su aplicaci ón cuando se realiza tratamiento fisicoqu ímico del aceite emulsionado ya que se reduce la cantidad de emulsi ón que puede formarse por la bomba de presurizaci ón. Ver Figura No. 6. Otras ventajas respecto a los otros esquemas son las siguientes:

– Se requiere de una bomba de menor capacidad para la presurizaci ón, lo cual conlleva a menores costos de inversi ón y operaci ón. – Se requiere de un control simple de bombeo para manejar las fluctuaciones del liquido. Es decir la bomba podrá ser ajustada a flujo constante. Los diseños de la cámara de flotaci ón pueden ser rectangulares o circulares, y construirse preferiblemente en acero al carb ón (opcional el uso de acero inoxidable) o concreto. En los dise ños rectangulares, el efluente entra a la c ámara de flotaci ón bien sea por tubería perforada o platos perforados, mientras que en los dise ños circulares lo hace mediante una tuber ía central, la cual tambi én es usada para soportar el desnatador y barrelodos. Generalmente las c ámaras circulares son dise ñadas para profundidades totales de 7 a 13.8 pie (2.1 m a 4.2 m), mientras que las rectangulares normalmente se diseñan para una profundidad total de la c ámara de 7 a 10 pie (2.1 m a 3.5 m). Usualmente, se puede disponer del aire de servicio de las refiner ías para la operaci ón de estas unidades y puede ser alimentado en la l ínea de descarga de la bomba de presurización a través de difusores. Los equipos deben contar con reguladores de presi ón, manómetros y rotámetros para la medici ón del volumen de aire requerido. Así mismo, debe contar con v álvulas de alivio. Otros diseños contemplan la incorporaci ón de aire en la succi ón de la bomba, por el uso de un venturi, el cual a su vez est á conectado del lado de la descarga de la bomba. Este esquema elimina el uso de compresores a alta presi ón.


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Respecto a la dosificaci ón de productos qu ímicos, pueden ser a ñadidos directamente en la l ínea contando con un mezclador est ático o a través de una cámara de floculaci ón. Las cámaras de flotaci ón cuentan con una pantalla en la zona de salida para facilitar la separaci ón. Una vez separada la espuma a trav és del desnatador, ésta se almacena temporalmente en unas tolvas anexadas a la unidad para su posterior conducción al sistema de deshidrataci ón de lodos. Los lodos de fondo también son removidos de la unidad mediante un mecanismo empleado para tal fin. Usualmente, si una unidad de flotaci ón es colocada a continuaci ón de un separador por gravedad, se podr ía suprimir el equipo de barrido de fondo. Sin embargo, es recomendable para este caso un dise ño de la cámara con pendiente de fondo.

– Flotaci ón por Aire Inducido (IAF) Los sistemas por flotaci ón por Aire Inducido se pueden dividir de acuerdo al sistema de inducci ón del aire y/o gas, ya que en algunos modelos este aire o gas es inducido por equipos mec ánicos, y en el segundo modelo el sistema es mas simple, ya que el aire o gas es inducido hidr áulicamente por un sistema de eductores. Las unidades IAF de sistemas de aire inducido por rotores consisten en unidades compactas de cuatro compartimientos divididos por pantallas, equipados con un mecanismo rotor de auto aeraci ón impulsado por un motor. Cuando se usa gas en el sistema las unidades deben ser completamente tapadas, mas esta condici ón no es necesaria cuando se trabaja con aire. Ver Figura No. 7 y la Figura No. 8 muestra una perspectiva. Al girar el rotor, de alto calibre, el agua es forzada a pasar por un difusor, creándose un vac ío en la columna de alimentaci ón y se produce la mezcla del aire con el agua. Como la mezcla gas/agua se transporta a trav és del difusor a alta velocidad, se crea una fuerza produciendo que el aire o gas formen burbujas en un orden de 0.5 a 2 mm. Las partículas de sólidos suspendidos y los gl óbulos de aceite son elevados a la superficie en donde forman una espuma que es removida por desnatadores de paletas en cada celda. La unidad dispone de dos desnatadores por cada celda ubicados lateralmente. El aceite separado es finalmente conducido a las canaletas laterales para su posterior drenaje. En otros dise ños, la espuma vierte en un canal de recolecci ón por cada celda. El efluente atraviesa cada compartimiento (desde el primero hasta el último) por la parte inferior de la pantalla, con un tiempo de retenci ón de 4 min. (1 min. por compartimiento). El gas (metano o nitr ógeno), es utilizado en lugar de aire en un gran n úmero de instalaciones a fin de minimizar la corrosi ón y ataque microbiano.


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Los diseños son compactos y rectangulares con profundidades totales de la unidad hasta 11.5 pie (3.5 m). Los tanques usualmente se construyen en acero al carbón (opcional el uso de acero inoxidable), mientras que para las partes internas si es recomendable construirlas de materiales como acero inoxidable o poliuretano, resistentes a las temperaturas y corrosi ón. Los sistemas de aire inducido hidr áulicamente disponen de un eductor, el cual consiste de una boquilla por donde se hace circular agua a presi ón, creándose condiciones de vac ío, lo cual permite incorporar el gas a la corriente. El agua que se hace pasar por dicha boquilla en la practica es una recirculaci ón del efluente ya tratado. Normalmente los equipos de inducci ón de las unidades IAF son patentes específicas. Floculaci ón – Sedimentaci ón Se entiende por Floculación – Sedimentación al proceso por el cual las part ículas de diversos tama ños se aglutinan en peque ñas masas con peso especifico superior al del agua llamadas fl óculos y luego se remueven de la fase l íquida mediante la acci ón de la gravedad. En tratamiento de efluentes de refiner ía se utiliza para la remoci ón de aceite emulsionado, los cuales contienen com únmente:    

Concentraciones de 30 a 150 mg/l de hidrocarburos emulsionados Materia suspendida o coloidal Metales suspendidos o disueltos Otros.

La Figura No. 9 presenta la separaci ón entre part ículas en soluci ón, coloides, y partículas en suspensi ón. Físicamente estos procesos y/o operaciones unitarias para flujo continuo se conducen en unidades diferentes. Previo a la floculaci ón, se debe producir la desestabilizaci ón de las part ículas y/o de la emulsi ón, lo cual se denomina coagulaci ón.

– Coagulaci ón – Floculación La coagulación comienza en el mismo momento en que se agregan los coagulantes (sales met álicas o polielectrolitos) al agua y dura solamente fracciones de segundo, produci éndose una serie de reacciones f ísicas y químicas entre los coagulantes, la superficie de las part ículas, la alcalinidad del agua y el agua misma. La floculación es el fenómeno por el cual las part ículas ya desestabilizadas chocan unas con otras para formar co águlos mayores. Los mecanismos que pueden actuar en cada uno de los procesos se pueden resumir en la Tabla No. 1.


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TABLA 1. MECANISMOS QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE COAGULACION–FLOCULACION Proceso 1. Desestabilizaci ón partículas (coagulación)

Mecanismo de

2. Transporte de partículas (floculación)

Adsorción –Neutralización Puente químico sobresaturación Ortocinético

Creado en el l íquido por el gradiente de velocidad

Pericinético

Por movimiento browniano Por sedimentación

Fuente: Arboleda, J. “Teoría y práctica de la purificaci ón del agua”, Colombia , 1991.

El proceso de coagulaci ón –floculación es afectado por una serie de factores, tales como: 1.

Concentraci ón de sustancias org ánicas e inorg ánicas en el agua

2.

La concentraci ón de sustancias org ánicas e inorg ánicas es determinante en la facilidad de obtener una buena floculaci ón. Si la concentraci ón es baja será mas difícil obtener coagulaci ón satisfactoria a cuando es alta. pH

3.

El valor del pH, al igual que la alcalinidad del agua, influyen en el proceso de coagulaci ón de forma importante, de acuerdo al tipo de coagulante que se use. Dosis de coagulantes

4.

Los coagulantes son aquellos productos que se adicionan al agua para desestabilizar los coloides. Pueden ser sales de aluminio, tales como, el sulfato de aluminio, el cloruro de aluminio, el sulfato de aluminio amoniacal y otras como sales de hierro y polielectrolitos, que de acuerdo a la naturaleza del agua a tratar aplicar án los cati ónicos o ani ónicos. Las dosis son espec íficas para cada efluente a tratar y deben ser comprobadas mediante ensayos de laboratorio (pruebas de jarro), a fin de determinar la dosis óptima. Se ha comprobado que dosis por encima de la óptima desestabilizan los coloides. Si se contin úa adicionando coagulante es posible promover de nuevo el fen ómeno de coagulaci ón, sin embargo, el consumo se incrementa sensiblemente. Gradientes de Velocidad en la mezcla r ápida (coagulaci ón) y mezcla lenta (floculaci ón) El gradiente de velocidad entre distintas secciones del fluido es el que promueve el contacto entre los grumos en formaci ón, y viene dado por la siguiente expresi ón:


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G = (P / (V x η))1/2

Donde: P

: Potencia disipada en Kg m 2 s –3

V

: Volumen del floculador en m 3

η

: viscosidad din ámica del líquido en Kg / m x s

El valor de la potencia disipada depende de la geometr ía del tanque, del agitador y de la velocidad de rotaci ón de éste último.

– Tipos de Coaguladores – Floculadores Los Coaguladores – Floculadores se clasifican de acuerdo a la energ ía que produce la agitaci ón del agua, la cual puede ser de origen mec ánico o hidráulico. En las unidades mec ánicas, el flujo de agua se hace circular por tanques provistos de agitadores, accionados mediante energ ía eléctrica y convenientemente compartimentalizados para evitar la formaci ón de espacios muertos y cortocircuitos. Dichas unidades pueden variar dependiendo de la posici ón del eje y del tipo de agitador utilizado. En el primer caso, se tienen unidades horizontales y verticales, y en el segundo caso, coaguladores o floculadores de paletas y turbinas. En las unidades hidr áulicas, para lograr los gradiente hidr áulicos requeridos para el proceso, la energ ía necesaria se mide a trav és de la perdida de carga o carga hidr áulica disipada. Dichas unidades se clasifican en unidades de flujo horizontal y floculadores de flujo vertical. La Tabla No 2. presenta un resumen de las caracter ísticas de los Coaguladores y Floculadores.


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TABLA 2. CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES DE LOS COAGULADORES Y FLOCULADORES

Clasificaci ón Mecánicos

Caracter í sticas más importantes

Tipos Agitadores turbina

de

Son más eficientes respecto a otro tipo de mezcladores. La potencia aplicada al agua depende del volumen y forma de la c ámara. Se clasifican por el tipo de movimiento producido en turbinas de flujo axial y de flujo radial.

Agitadores Propela

de

La potencia aplicada al agua depende del volumen y forma de la c ámara.

Retromezcladores

Aplican cuando se dispone de suficiente energía cinética en la entrada.

Mezcladores estáticos

Se insertan directamente en l ínea. Son muy eficientes. Generan altas p érdidas de carga.

Canaletas Parshall

La turbulencia que produce la mezcla es debida a un resalto hidr áulico.

Vertederos (rectangulares triangulares)

La turbulencia que produce la mezcla es debida a un resalto hidr áulico

Coaguladores

Hidráulicos

y

Difusores

La coagulación se puede hacer directamente en la tuber ía de entrada o en las unidades antes descritas mediante tuberías perforadas (diam. 3 mm). Se requiere alta velocidad del coagulante. Deben preverse facilidades para la limpieza o rápida sustituci ón del difusor.

Inyectores

La coagulación se puede hacer directamente en la tuber ía de entrada. Se produce la turbulencia mediante la inyección de un número de chorros cuya velocidad es por lo menos cinco veces la velocidad del flujo cubriendo un área de por lo menos 80% de la sección del tubo.


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Clasificaci ón Floculadores

Mecánicos Rotatorios

Mecánicos Reciprocantes Hidráulicos

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Caracter í sticas más importantes

Tipos de

eje

Operación cuidadosa. Demandan mantenimiento constante. Baja velocidad de rotaci ón.

Paletas de horizontal

eje

Deben disponer de cadenas de transmisión y pozo seco para los motores. Operación cuidadosa. Demandan mantenimiento constante. Baja velocidad de rotaci ón.

Floculadores turbina

de

Alta velocidad de rotaci ón. Son más compactos y de menor costo.

Paletas vertical

Floculadores reciprocantes

Cuentan con sistemas (rejas o cintas).

oscilantes

Floculadores de pantallas de flujo horizontal

Recomendable para aguas de calidad constante. Son confiables en su operaci ón, dado que no requieren energía.

Floculadores de pantallas de flujo vertical

Tienen problemas de limpieza por la proximidad de las pantallas. No son aconsejables para caudales mayores de 100 l/s.

Dado que la coagulaci ón se lleva a cabo en segundos, las unidades son dise ñadas para 1 a 2 min. de tiempo de retenci ón, con gradientes de velocidad que pueden oscilar en un rango de 300 a 2000 s –1 de acuerdo al tipo de unidad, mientras que para el caso de los floculadores el tiempo de retenci ón pude variar de 10 a 30 min. con gradientes de velocidad entre 20 a 100 s –1, dependiendo del tipo de unidad. Las Figuras No. 10 y 11 presentan los tipos de Coaguladores y Floculadores.

– Sedimentaci ón La sedimentaci ón es una operaci ón unitaria que se utiliza para remover partículas en suspensi ón de la fase l íquida mediante la acci ón de la gravedad. Dicha separaci ón puede ocurrir mediante diversos tipos de sedimentaci ón, a saber: 1) sedimentaci ón de partículas discretas, 2) sedimentaci ón con floculaci ón o agregaci ón de part ículas y 3) sedimentaci ón de flujo ascencional y manto de lodos. Para el caso de los efluentes de refiner ía, en la etapa de remoci ón de crudo emulsionado y part ículas coloidales y en suspensi ón, aplica la sedimentaci ón de Tipo 2: con floculaci ón.


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Existen varios modelos de sedimentadores, rectangulares, circulares, de placas inclinadas. En un sedimentador rectangular se distinguen b ásicamente cuatro zonas identificadas en la Figura No. 12, a saber: a.

Zona de entrada

b.

Zona de sedimentaci ón

c.

Zona de lodos

d.

Zona de salida

Zona de entrada La zona de entrada en un sedimentador es una estructura que debe ser bien proyectada a fin de evitar cortocircuitos en la unidad, y adem ás:

– Garantizar una distribuci ón uniforme del agua en toda el área transversal – Disipar la energ ía que trae el agua de la unidad de floculaci ón – Evitar altas velocidades que puedan resuspender el lodo que sedimente. Esto se hace a trav és de pantallas ranuradas con velocidades no superiores a 15 cm/seg. Zona de sedimentaci ón Un sedimentador ideal se dise ña para una remoci ón del 100% de part ículas que tengan una determinada velocidad de sedimentaci ón crítica Vsc o mayor, tal como se señala en la Figura No.12. Son las que entrando en la posici ón “a” (extremo superior del tanque ) caen en la posici ón “b” ( extremo inferior del tanque). Dado que en las suspensiones de part ículas de diferentes tama ños, se tienen diversas velocidades de sedimentación, todas las part ículas con velocidades de sedimentaci ón mayores a Vsc ser án removidas independientemente de la profundidad a la cual entran en el sedimentador y aqu éllas con velocidades de sedimentaci ón menores a Vsc ser án removidas en la proporci ón Vs/Vsc. Por esta razón, la tasa de desbordamiento Vsc se convierte en un par ámetro de dise ño importante. Usualmente, se emplean valores de Vsc entre 25 a 60 m/m/d ía para sedimentadores rectangulares y circulares convencionales. De acuerdo a los vol úmenes de lodo y caudal de entrada que se manejen, la unidad deberá estar provista de unidades barrelodos. Zona de lodos Se debe controlar la velocidad del agua en la unidad, a fin de impedir la resuspensi ón de las part ículas asentadas. Generalmente las velocidades de arrastre pueden variar entre 0.5 cm/s y 3 cm/s.


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La unidad deber á contar con tolvas de fondo para la extracci ón de los lodos. Las mismas deberán ubicarse inmediatamente despu és de la zona de entrada, en caso de que la unidad cuente con barrelodos. Si la unidad es circular la tolva estar á en la zona central de la unidad. Zona de salida La zona de salida se refiere al vertedero de pared o vertederos laterales localizados en el extremo de salida de la unidad. El agua fluye por arriba para un canal que distribuir á ésta a otras unidades en caso de ser requerido. En las unidades circulares el vertedero ser á ubicado en el per ímetro de la unidad. La Figura No. 13 presenta un esquema simplificado de un sedimentador. 4.2

Tratamientos secundarios

Mediante el tratamiento secundario se logra la reducci ón substancial del contenido de materia org ánica soluble y materia coloidal que no es retenido en el tratamiento primario. El tratamiento secundario, tambi én llamado tratamiento biol ógico, debe estar precedido del tratamiento preliminar y del primario para garantizar la remoci ón de sólidos gruesos y sustancias aceitosas, as í como de s ólidos orgánicos sedimentables. En este tipo de proceso se emplean cultivos (microorganismos), para llevar a cabo la descomposición u oxidaci ón de la materia org ánica, que en presencia de oxígeno se les conoce como procesos aer óbicos y en ausencia del mismo, se denominan procesos anaer óbicos. Las aguas residuales contienen componentes que estimulan el crecimiento de ciertos microorganismos (el papel principal en estos sistemas es ejercido por las bacterias heter ótrofas, aunque se utiliza la acci ón de las aut ótrofas en la nitrificaci ón, por ejemplo), as í como otros que agotan el ox ígeno cuando son descargados a cualquier cuerpo receptor. Estos componentes contienen materia orgánica, materia inorg ánica, así como material soluble e insoluble, por lo que la caracterizaci ón del agua residual es una consideraci ón importante, al momento de la selecci ón del proceso y su correspondiente dise ño. Los componentes org ánicos están compuestos por materiales carbon áceos, que se determinan a través de tres pruebas: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Demanda Química de Ox ígeno (COD), Carb ón Orgánico Total (COT). Normalmente estas pruebas se correlacionan y son de gran ayuda en la evaluaci ón de la eficiencia de la planta. La Tabla No. 3, muestra la correlaci ón típica de estos par ámetros en aguas residuales para ciertas industrias.


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PDVSA MDP –09 –EF –03


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TABLA 3. DEMANDA DE OXIGENO Y CARBON ORGANICO DE AGUAS RESIDUALES DE CIERTAS INDUSTRIAS Tipo de Desecho

DBO5 (mg/l)

COD (mg/l) 4,260

640

2,440

370

2,690

420

Química

– – – –

576

Química

24,000

– –

Química

Química (a)

TOC (mg/l)

DBO5/TOC

COD/TOC 6.65

122

– – – –

41,300

9,500

2.53

4.35

580

160

3.62

3,340

900

– –

850

1,900

580

1.47

3.28

Química

700

1,400

450

1.56

3.12

Química

8,000

17,500

5,800

1.38

3.02

Química

60,700

78,000

26,000

2.34

3.00

Química

62,000

143,000

48,140

1.29

2.96

Química

–

165,000

58,000

–

2.84

Química

9,700

15,000

5,500

1.76

2.73

– – – – – – –

23,400

8,800

2.70

–

–

112,600

44,000

321

133

359

156

350,000

160,000

192

110

– – – – – – –

Química(a) Química (a)

Refinería Química Petroquímica

Polímero de Nylon Petroquímica Polímero de Nylon Proces. Olefinas Proces. Butadieno Química Goma Sintética

6.60 6.40 4.72

3.32

2.70 2.50 2.40 2.30 2.19 1.75

(a) Altas

concentraciones de Sulfuros y Tiosulfatos. Benefield and Randall (1980) Fuente: Eckenfelder and Ford (1970)

Respecto a la composici ón típica en efluentes de refiner ías se han presentado valores relacionados de acuerdo al tipo de tecnolog ía en la refiner ía ,tal como se presentan en la Tabla No. 4.


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TABLA 4. CARACTERISTICAS DEL AGUA RESIDUAL DE REFINERIAS DE PETROLEO Caudal(gal/bbl) Tecnol. Promedio

DBO (lb/bbl)

Fenol (lb/bbl)

Sulfuro (lb/bbl)

Rango

Promedio

Rango

Promedio

Rango

Promedio

Rango

Vieja

250

170 –374

0.4

0.31 –0.45

0.003

0.028 –0.033

0.01

0.008

Típica

100

80 –155

0.1

0.08 –0.16

0.001

0.009 –0.013

0.003

0.0028

Nueva

50

20 –60

0.05

0.02 –0.06

0.005

0.001 –0.006

0.003

0.0015

Fuente:

Eckenfelder (1970), Benefield and Randall (1980)

Con respecto a los componentes inorg ánicos, algunos sirven como nutrientes (nitrógeno y fósforo) y son esenciales en la formaci ón de la biomasa. Tanto la medición de alcalinidad, como de pH son esenciales para mantener el tratamiento en el rango m ínimo óptimo de actividad microbiana. En la oxidaci ón de la materia org ánica biodegradable por parte de los microorganismos, se distinguen dos procesos durante los cuales se consume el oxígeno:

– Para la energ ía de los microorganismos y para sintetizar la materia viva – Para la autooxidaci ón progresiva de la masa celular Materias células

orgánicas nuevas

+ +

CO 2

O2 +H2O

+ Células

NH3 +

O2

CO2 +HO2 + NH3

El crecimiento de las c élulas bacterianas presenta diferentes fases con tasa de crecimiento diferentes, tal como se evidencia en la Figura No. 14. La fase 1 se refiere a la fase latente donde los microorganismos se comienzan a aclimatar al medio, con índices de crecimiento escasamente positivos. La fase 2 es una fase de crecimiento constante, denominada fase exponencial. Esta fase se usa en la pr áctica en algunos casos de aguas residuales industriales. La fase 3 es una fase de disminuci ón del crecimiento y la fase 4 es la fase de crecimiento nulo, mientras la fase 5 es una fase de decrecimiento, en la cual los microorganismos no son alimentados y una parte de ellos desaparece mediante autooxidaci ón: fase de respiraci ón endógena. Los procesos biol ógicos mas importantes son las lagunas de oxidaci ón, lagunas aireadas, lodos activados y lechos bacterianos. En los lodos activados los microorganismos se encuentran en continuo movimiento, requiriéndose de la agitaci ón mecánica o de aireaci ón para conservar


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los flóculos en suspensi ón. En los lechos bacterianos, los microorganismos se adhieren a los elementos de soporte, existiendo en éstos últimos formas de vida superiores, tales como gusanos e insectos. El tratamiento biol ógico es usualmente seleccionado para la remoci ón de materia orgánica carbonácea, pero de acuerdo a las caracter ísticas particulares del efluente puede tener como objetivo principal la remoci ón de nitrógeno, en la cual se reducirá indirectamente la materia carbon ácea. El proceso para remover nitrógeno contempla dos etapas. La primera de éstas, es la etapa de nitrificaci ón del efluente, donde el nitr ógeno orgánico y amoniacal se convierten a nitrato y la segunda etapa o desnitrificaci ón, es donde se reduce el nitrato a nitr ógeno gas, bajo condiciones an óxicas. Físicamente, los procesos biol ógicos utilizados para el tratamiento de nitrificaci ón –desnitrificaci ón se pueden conducir por crecimiento aer óbico suspendido (lodos activados) o crecimiento aer óbico adherido (filtros biopercoladores o biodiscos rotatorios) en la etapa de nitrificaci ón y en la etapa de desnitrificaci ón por los procesos anaer óbicos de crecimiento suspendido y/o anaeróbico de crecimiento adherido (filtro anaer óbico). 4.2.1

Lagunas de estabilizaci ón En las lagunas de estabilizaci ón, los contaminantes org ánicos del desecho van a ser degradados por bacterias aer óbicas o anaer óbicas. El oxígeno que desprenden las algas en el proceso de fotos íntesis, es usado por las bacterias en la degradaci ón de la materia org ánica, mientras que las algas consumen parte de los nutrientes y CO 2 que se desprende de esta degradaci ón. La población biológica presente en estos sistemas, es muy similar al sistema de los lodos activados, con excepci ón de las algas. Otras especies como rot íferos y protozoarios est án presentes y su funci ón principal es la de contribuir en el pulimento del efluente. La presencia de estos organismos, depende de factores como la carga org ánica, grado de mezcla, nutrientes, pH, radiaci ón solar y temperatura. Ver Figuras No. 15 y 16. Debido a la limitaci ón (requerimiento de terreno) de dise ño, estas lagunas son normalmente utilizadas cuando se desea obtener una remoci ón adicional, posterior al tratamiento convencional. Se diseñan en forma paralela o en serie para el logro de objetivos espec íficos. Cuando se desea remover DBO y microorganismos, se dise ñan en serie, mientras que en paralelo, se consigue mejor distribuci ón de los s ólidos suspendidos Las lagunas se pueden clasificar como:

– lagunas aer óbicas – lagunas anaeróbicas – lagunas facultativas


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– lagunas aeradas aer óbicas. Lagunas aer óbicas: llamadas frecuentemente lagunas de estabilizaci ón, son por lo general tanques o dep ósitos, excavados en el terreno o construidos superficialmente, que se utilizan para el tratamiento de cualquier agua residual mediante descomposici ón biológica (bacterias y algas), de la materia org ánica. Para que las condiciones aer óbicas de las lagunas de estabilizaci ón se mantengan, es necesario que sean poco profundas (hasta 1.5 m), para propiciar la transferencia de ox ígeno entre el aire y la superficie y la fotos íntesis de las algas. Con este tipo de lagunas, se logran eficiencias de remoci ón de DBO de (80 – 95)% Lagunas anaer óbicas: normalmente se utilizan para el tratamiento de efluentes industriales con alto contenido de s ólidos y desechos org ánicos. Estas lagunas son profundas (hasta 5.0 m), para mantener las condiciones anaer óbicas del desecho que se deposita en el fondo y se estabiliza mediante la conversi ón anaeróbica de los desechos org ánicos a CO, CH, ácidos orgánicos, tejido celular y otros gases. Es el sistema que admite mayor carga de DBO por área y por d ía. La eficiencia en remoción de DBO está en el orden de (50 –70)%, para operaci ón normal y hasta 85% para condiciones óptimas de trabajo. Lagunas facultativas: llamadas lagunas aerobias –anerobias de estabilizaci ón. Aquí la estabilizaci ón del desecho se logra mediante la actividad de bacterias aerobias –anaerobias, conocidas como bacterias facultativas. Existen tres zonas bien definidas en estas lagunas: La zona aer óbica (superficial), en donde las bacterias aer óbicas y las algas viven en forma simbi ótica, la zona intermedia aer óbica –anaeróbica, en donde la descomposici ón de la materia orgánica es llevada a cabo por las bacterias facultativas y la zona del fondo en donde los sólidos acumulados, son descompuestos por las bacterias anaer óbicas. Se logran eficiencias de remoci ón de DBO entre (80 –95)%, la profundidad var ía entre (1 –3) m. El efluente de este sistema cuando opera en serie, es mas bajo en contenido de algas que si opera en paralelo, por lo que se logra mejor calidad en cuanto a turbiedad y color. Lagunas aeradas aer óbicas: Pueden ser aeradas aer óbicas o aeradas facultativas. No dependen de la concentraci ón de algas y radiaci ón solar para la fuente de ox ígeno. Para este tipo de lagunas, se utilizan equipos de aeraci ón que transfieran la mayor porci ón de oxígeno y a la vez se mantenga la mezcla. La remoción de los sólidos suspendidos es una consideraci ón importante, debido a la mezcla. Normalmente se utilizan en serie con lagunas aer óbicas. Se logran eficiencias de DBO entre (80 –95)%, y la profundidad var ía entre (2 –5) m. Un buen dise ño de lagunas no solamente se basa en la determinaci ón de las dimensiones básicas de profundidad, longitud y ancho, dado que, por tratarse de


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grandes movimientos de tierra, se deben optimizar la excavaci ón y relleno, as í como la impermeabilizaci ón, a fin de minimizar los costos. Los dispositivos de entrada a las lagunas deber án ser sumergidos y m últiples de acuerdo al ancho de la laguna, es decir, para una laguna primaria se colocan tuberías de entrada cada 25 m, (ver Figura No. 16), mientras que para lagunas secundarias dichas entradas se pueden hacer cada 35 m. Las tuber ías de entrada en una laguna primaria se prolongan aproximadamente 15 m respecto al dique frontal, mientras que en las lagunas secundarias o terciarias se permite colocarlas al pie del talud. Así mismo, se suelen colocar vertederos de entrada y salida que permiten realizar la medici ón del flujo. Ver Figura No. 17. Usualmente las salidas de las lagunas se hacen en base al n úmero de terminales de entrada. Movimiento de tierra Un suelo apropiado para la construcci ón de diques, debe ser apto para la compactaci ón y mantener la cohesi ón cuando es humedecido. En condiciones ideales, el volumen excavado deber ía ser igual al volumen de relleno. Ver Figura No. 18. Geometrí a de los diques Las pendientes recomendadas para los taludes internos (lado h úmedo) son suaves, más o menos 1 en la parte vertical a 3 en la horizontal (1:3). Esto se hace con la finalidad de proteger el talud de la erosi ón causada por oleajes provocados por el viento, que puedan producir erosi ón. Otras pendientes son recomendables en suelos muy duros o que vayan a ser revestidos. Para el lado externo del talud (lado seco) se recomiendan pendientes mas fuertes, tales como 1:1,5 o m ás empinadas. La coronación del dique (berma) deber á de ser de 3.0 m de ancho como m ínimo, a fin de poder transitar con veh ículos por el área. En caso de que la instalaci ón sea pequeña no se hace necesaria dicha condici ón. Ver la Figura No 19. Revestimiento De acuerdo a las condiciones locales (suelo poroso u otro) se requerir á de una impermeabilizaci ón del fondo y diques internos de las lagunas, a fin de inhibir la posible la contaminaci ón de aguas subterr áneas. La misma podr á hacerse mediante membranas de polietileno o vinilo. Tambi én existe la posibilidad de hacer impermeabilizaciones mediante la colocaci ón de arcilla (de préstamo) en una capa compacta de aproximadamente 10 cm. Para el caso de taludes con pendientes suaves (1:3), el revestimiento de estos puede hacerse por colocaci ón de piedra picada, siempre y cuando se consiga a bajo costo.


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4.3

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Lodos activados

El sistema de lodos activados aparece por primera vez en Inglaterra (1914) y originalmente fue denominado de esta manera, porque implicaba la producci ón de una masa activa de microorganismos, que era capaz de estabilizar por v ía aeróbica, un agua residual. En los primeros a ños de su aparici ón, el diseño y operación de los sistemas se llevaban a cabo sobre planteamientos emp íricos, lo que los hac ía difíciles de operar, por lo que adquirieron una reputaci ón de inestabilidad. Posteriormente, se fortaleci ó la parte de investigaci ón con bases cient íficas, desarrollando modelos basados en sistemas de mezcla total y formulaciones de cin ética de primer orden, que hoy día conducen a una versatilidad que se adapta a un amplio rango de tratamiento. Este tratamiento biol ógico, es de uso muy com ún en efluentes de industrias petroquímicas y refiner ías, aunque las caracter ísticas de estos efluentes presentan un balance de nutrientes en algunos casos inapropiados. Para estos casos, es necesario acelerar el proceso de formaci ón de los lodos, mediante cultivos especialmente desarrollados en el laboratorio o en una planta piloto. Esto también se puede lograr mediante la siembra de lodos procedentes de otros procesos o industrias, o si es posible, con la mezcla de los efluentes de origen doméstico de la poblaci ón cercana para un tratamiento combinado. El principio b ásico del proceso consiste en contactar el agua residual, con la poblaci ón microbiana en forma de suspensi ón floculenta, en un sistema aerado y agitado. El sobrenadante de esta unidad pasa al sedimentador para la etapa de separaci ón, en donde la masa microbiana sedimenta en forma de lodo. El efluente del sedimentador, es el agua ya tratada y debe estar virtualmente libre de lodos. La mayor parte del lodo sedimentado es reciclado a la etapa de aeraci ón, con la finalidad de mantener la concentraci ón de los lodos en el nivel necesario y que actúe como inoculador microbiano. La otra parte de los lodos se extrae para su descarga y se conocen como lodos activados desechados o excedentes. Un esquema simplificado es presentado en la Figura. No. 20. Los microorganismos deben permanecer en el sistema por un per íodo de tiempo suficientemente largo, para permitir la reproducci ón y el crecimiento. Se controlan parámetros como la temperatura, pH y concentraciones de nutrientes, para garantizar y optimizar el crecimiento. En este tipo de tratamiento se obtiene la transformaci ón de la materia orgánica en nueva masa celular, di óxido de carbono, metano y otros compuestos org ánicos estables.


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Factores que intervienen en el proceso     

Caracter ísticas del afluente Criterio de carga Requerimiento de ox ígeno Producci ón de lodo Temperatura y pH

Requerimiento de nutrientes El estudio de cada uno de estos factores, redundar á en la eficiencia del proceso. 

– Caracter ísticas del afluente: Es necesario caracterizarlo, y tener presente el contenido de DBO, SS, as í como determinar las variaciones de flujo, temperatura y pH.

– Criterio de carga: La relación F/M (alimento/microorganismo), definida como la carga de alimento aplicada al proceso por unidad de biomasa en el tanque de aeraci ón, por unidad de tiempo. Este par ámetro afecta la eficiencia, la producci ón de lodo, el requerimiento de ox ígeno y la separaci ón de lodos. – Requerimiento de ox ígeno: Es importante definir cuanto ox ígeno requieren los microorganismos en cada caso particular. Esto es v álido para el dise ño del equipo de aeraci ón, que además de asegurar una buena mezcla, debe mantener un residual de aproximadamente 2 mg/l de O 2 en el tanque de aeraci ón. – Producci ón de lodo: Se debe estimar la cantidad de lodo producida en el tratamiento, antes de diseñar las instalaciones de disposici ón. Esto incluye adem ás de la biomasa producida como resultado de la remoci ón de materia org ánica, la cantidad estimada de s ólidos suspendidos no biodegradables presentes en el agua residual.

– Temperatura y pH: La temperatura afecta la velocidad de oxidaci ón, por lo que es determinante en la población microbiana (relaci ón F/M), el requerimiento de O 2. El pH se puede ajustar cuando es menor de 5.0 y mayor a 9.0. En aguas con alcalinidad baja es necesario controlar el pH.

– Requerimiento de nutrientes: Para que la funci ón sintética suceda, el agua residual debe contener un adecuado suplemento de los elementos que se encuentran en el material celular. Generalmente, este requerimiento se cumple con facilidad en aguas de origen doméstico, no así en algunas industrias en donde hay d éficit de nitrógeno y fósforo. Cuando esto se presenta, se deben agregar al tratamiento para


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garantizar el funcionamiento de la planta. El requerimiento de nitr ógeno y fósforo aceptable, basado en la DBO 5 es el siguiente: DBO 5 /N/P guardan la relaci ón 100:5:1. Tanque de aeraci ón Es el componente m ás importante del sistema de lodos activados, en donde se mezclan íntimamente el efluente del sedimentador primario, con el ox ígeno. La eficiencia del proceso depende de que se mantenga continuamente el suministro de oxígeno disuelto durante su permanencia en el reactor y los lodos se mantengan en suspensión por medio de cualquier m étodo de agitación. El tiempo de aeración mas frecuente est á entre 6 y 8 horas, aunque algunos de los procesos modificados trabajan con tiempos menores, obteni éndose un efluente de calidad menor. El material de construcci ón normalmente es el concreto, aunque para plantas compactas también se utiliza el acero. El requerimiento de aire depende de la carga de DBO, de la calidad de los lodos activados, de la concentraci ón de sólidos y de la eficiencia de remoci ón de DBO que se desee. Los métodos mas comunes para la aeraci ón son por aeraci ón a presión o difusión de aire y aeraci ón mecánica. Cuando es por difusi ón, se distribuye el ox ígeno a baja presión, por medio de sopladores, o tubos de repartici ón, hechos de material poroso que reparten el aire en forma de burbujas. Los sistemas de aeraci ón mecánica pueden ser, tanto superficiales como sumergidos:     

de hélice con eje vertical de rotor con eje vertical de rotor con eje vertical y difusores de rotor con eje horizontal de discos montados en eje horizontal.

Sedimentador El licor mezclado o efluente del tanque de aeraci ón, pasa a esta unidad en donde se separa el crecimiento bacterial, sedimenta y es recirculado al tanque de aeración. El resultado es un efluente clarificado con una demanda bioqu ímica de oxígeno baja. Se dise ñan tanto circulares como rectangulares, siendo estos últimos de uso com ún y el material más utilizado para su construcci ón es el concreto. Se debe evitar la posibilidad de corto circuito, por lo que se recomienda la instalaci ón de deflectores y de orificios para disipar energ ía. Los dispositivos de salida o vertederos deben ser ajustables y construidos en acero.


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Los recolectores de espuma, se instalan para recolectar y acumular la espuma que se forma en la superficie, cerca de los vertederos. Esta espuma puede ser enviada al aerador o tratada junto con los lodos de exceso de la planta. Con respecto a los equipos de recolecci ón de lodos, los mismos se deben seleccionar, una vez realizadas las pruebas a escala piloto de los lodos. Se recomienda la instalaci ón de equipos de medici ón de caudal en la entrada del aerador o agua cruda, del sedimentador primario, en el retorno de lodos y para el suministro de aire. El sistema de recirculaci ón de lodos se dise ñará para que admita los gastos señalados en la literatura (v éase MDP –09 –EF –05, Diseño Conceptual de Tecnologías de Control de Efluentes, Tabla 8). Debe trabajar a ún con el equipo de bombeo mayor, fuera de servicio. Si se instalan eyectores de aire para la recirculaci ón de lodo, se debe dise ñar de tal manera que facilite la limpieza y la puesta en marcha sea de inmediato. 4.3.1

Lechos bacterianos Los lechos bacterianos son un sistema de tratamiento biol ógico en el que la oxidaci ón se produce al hacer circular a trav és de un medio poroso, aire y agua residual. La circulación de aire se realiza de forma natural o forzada, generalmente a contracorriente del agua. La materia orgánica y sustancias contaminantes del agua son degradadas en una película biológica (de 3 mm de espesor m áximo) compuesta por microorganismos, que se desarrollan alrededor de los elementos constitutivos. Cuando aumenta el espesor de la pel ícula y no llega ox ígeno a la parte profunda de la misma, la película se desprende por efectos de producci ón de gases (condici ón anaerobia) y en consecuencia se pierde la capacidad de adherencia al medio. La pel ícula desprendida es arrastrada por el agua residual y conducida a un sedimentador secundario. Lechos percoladores El agua residual es alimentada a la unidad (bien sea rectangular o circular de acuerdo al tipo de distribuidor de entrada), atravesando el medio (cuya profundidad oscila entre 1,5 y 4 m, dependiendo del medio a utilizarse y si dispone de recirculación) en un lapso de 20 a 60 min. El agua se recoge en la parte inferior por donde también se permite el paso del aire. Biodiscos El principio del proceso es el mismo con la diferencia que los elementos de soporte están fijos, guardando distancias fijas entre los discos, y se sumergen parcialmente en las aguas residuales a tratar (40%). El desprendimiento de la película se produce por efecto de la velocidad del agua durante la rotaci ón. Ver Figura No. 21.


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4.4

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Tratamientos terciarios

Cuando el efluente de un tratamiento secundario no cumple con los par ámetros de descarga para el cuerpo receptor, se deben considerar otros procesos de remoción de contaminantes para cualquier componente en espec ífico. Ver Figura No. 22. Dichos procesos pueden aplicar para la remoci ón de materia orgánica, color u olor, por medio de carb ón activado, oxidaci ón con ozono u otro tipo de oxidaci ón por la vía química, tal como, por per óxido de hidr ógeno en presencia de sulfato ferroso como catalizador. Para la remoci ón de sales disueltas, dependiendo de la naturaleza y concentraci ón, así como la eficiencia de remoci ón deseada , se puede recurrir a procesos tales como intercambio i ónico, electrodi álisis u ósmosis inversa. Un esquema de este último es presentado en la Figura No. 22.




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Fig 1. ETAPAS DE LOS PROCESOS DE CONTROL DE CONTAMINANTES EN EFLUENTES DE REFINERIAS

PROCESO

APLICACI ÓN

CORRIENTE

PRETRATAMIENTO

S=, FENOL, pH,

ACEITE LIBRE,

NH3, RSH

SS

(1)

TRATAMIENTO SECUNDARIO

TRATAMIENTO PRIMARIO

(2)

ACEITE EMULSIONADO,

ORGANICOS DISUELTOS

SS,COLOIDES, S ÓLIDOS

(3)

(4)

TRATAMIENTO TERCIARIO

SECADO DE LODOS

DISPOSICIÓN

ORGÁNICOS DISUELTOS,

INORGANICOS

LODOS GENERADOS

LODOS

COLOR, SABOR, OLOR

DISUELTOS

DESDE (2) y (4)

DESHIDRATADOS

(6)

(7)

(5)

MISCELANEOS

DE LODOS

(8)

DESECHOS SÓLIDOS, LÍQUIDOS O GASEOSOS

(9)

DE DESECHOS

SEPARACI ÓN

FLOTACI ÓN

FILTRO

GRAVITACIONAL

POR AIRE

PERCOLADOR

FRACCIONADOR DE ESPUMA

OSMOSIS

LECHOS DE

INVERSA

SECADOS

DESECHOS ACEITOSOS COAGULACIÓN Y

LODOS

CARB ÓN

INTERCAMBIO

DECANTACI ÓN

ACTIVADOS

ACTIVADO

IÓNICO

OXIDACIÓN

ELECTRO–

POR OZONO

DIÁLISIS

FILTRACI ÓN POR

DESPOJAMIENTO

ARENA

CON VAPOR

LAGUNAS DE OXIDACIÓN O DE PULIMIENTO

FILTRACI ÓN

INCINERACI ÓN

AL VAC ÍO

ESPESAMIENTO

RELLENO

AGUAS AGRIAS

DESPOJAMIENTO

LAGUNAS

CON GASES DE

AEREADAS

HIDRATACI ÓN DE LOS GASES

CENTRIFUGACI ÓN

COMBUSTIÓN

OXIDACIÓN

ULTRAFILTRACI ÓN

LAGUNA

COMBUSTIÓN

NEUTRALIZACI ÓN RECUPERACI ÓN SODA CAUSTICA AGOTADA CALENTAMIENTO, COAGULACIÓN

FILTRO MANGA

CENTRIFUGACIÓN AGUA DE LASTRE SEPARACI ÓN

COAGULACIÓN Y

GRAVITACIONAL

DECANTACI ÓN

COMPENSACIÓN DE FLUJO

ATRATAMIENTO

DESCARGA

DESCARGA

PRIMARIO O SECUNDARIO EN PROCESOS DE REFINER ÍA

FUENTE: STANDAR RESEARCH INSTITUTE “WASTEWATER TREATMENT OF PETROCHEMICAL ”, CALIFORNIA, 1972.


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Fig 2. SEPARADOR API – PLANTA

FUENTE: AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE “MANUAL ON DISPOSAL REFINERY WATER”. 1968.


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Fig 3. SECCIONES TIPICAS DEL SEPARADOR API

NIVEL DEL LIQUIDO

REJILLAS DE LA UNIDAD DE DESBASTE

ENTRADA FLUJO

SECCION A –A

DESNATADORA

COMPUERTAS

BARRELODOS NIVEL DEL LIQUIDO

PARANATAS

FLUJO

CANAL RECOLECTOR DE LODOS DE FONDO TUBERIA DE SUCCION DE LODOS

SECCION B –B FUENTE: AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE “MANUAL ON DISPOSAL REFINERY WATER”. 1969.

SALIDA


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Fig 4. PERSPECTIVA DE UN SEPARADOR API

DISTRIBUIDOR DE ENTRADA

NIVEL DEL AGUA CANAL DE DESCARGA

SALIDA

FUENTE: TEXACO.”WATER POLUTION CONTROL MANUAL ”,1972


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Fig 5. ESQUEMA DE UN SEPARADOR DE PLACAS CORRUGADAS, CPI

ENTRADA GOTAS DE ACEITES

CANAL PARA FLUJO DE AGUA SALIENDO DE LA UNIDAD

RECOLECTOR DE ACEITES

PLACAS

SOLIDOS SEDIMENTABLES

FUENTE: TEXACO, “WATER POLUTION CONTROL MANUAL ”, 1972.




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Fig 6. ESQUEMA DE UN SEPARADOR POR FLOTACION CON AIRE DISUELTO, DAF

SUPERFICIE DE LA DEFLECTOR

DESNATADORA CAPA ACEITOSA CAMARA DE MEZCLA

EFLUENTE

Y BOQUILLA RECOLECTOR

ALIMENTACION

DE ACEITES

DE LODOS

TANQUE DEL SEPARADOR POR FLOTACION CON AIRE DIDUELTO

VALVULA DE

LODOS

ALIVIO

SEDIMENTADOS

COMPRESOR O SOPLADOR

RECIRCULACION DE FLUJO CON AIRE DISUELTO

TANQUE DE SATURACION DE AIRE RECIRCULACION DE FLUJO

BOMBA DE RECICLO

FUENTE: TEXACO “WATER POLUTION CONTROL MANUAL ”, 1972.


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Fig 7. ESQUEMA DE UN SEPARADOR POR FLOTACION CON AIRE INDUCIDO

MOTOR

ENTRADA DE AIRE/GAS DESNATADORA

CONDUCTO DE SALIDA

DISPERSADOR ROTOR SKID PERMANENTES

FUENTE: MANUAL WEMCO


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Fig 8. PERSPECTIVA DE UN EQUIPO DE FLOTACION POR AIRE INDUCIDO, IAF

FUENTE: MANUAL WEMCO


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Fig 9. CLASIFICACION DE LAS PARTICULAS DE ACUERDO A SU TAMAÑO

Atomos y

Partículas en suspensión

Coloides

moléculas

Micrones (µ)

10 –3

10 –2

10 –1

1

10

10+2


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Fig 10. TIPOS DE COAGULADORES

FUENTE:CEPIS, SERIE TECNICA 13, “TEORIA, DISEÑO Y CONTROL DE LOS PROCESOS DE CLARIFICACION DEL AGUA ”


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Fig 11. TIPOS DE FLOCULADORES



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Fig 12. ESQUEMA DE UN SEDIMENTADOR RECTANGULAR

zona de entrada

zona de sedimentaci ón

zona de salida

B

H

Vh

Vsc

L

zona de lodos

b


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Fig 13. ESQUEMA DE UN SEDIMENTADOR HORIZONTAL

Rebose

r o d a l u c o l F

Canaletas de Salida

Canal de Agua Clarificada

PLANTA Canaletas de Salida

Vertedero de Rebose

Canal de Agua Clarificada

Pendiente 5 %

Concentracion de Lodos

CORTE LONGITUDINAL


MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SISTEMAS DE CONTROL DE EFLUENTES

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Fig 14. CURVA DE CRECIMIENTO DE UN CULTIVO BACTERIANO

4 3

Log. Crecimiento

5

2

1

Tiempo


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Fig 15. ESQUEMA DE TRATAMIENTO DE EFLUENTES EN LAGUNAS DE OXIDACION

RADIACION SOLAR

ORGANISMOS HETEROTROFOS

OXIGENO

FUENTE: ELABORACION PROPIA (LEONOR MONTILVA)

ALGAS


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Fig 16. PERSPECTIVA DE UNA LAGUNA DE OXIDACION


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Fig 17. DETALLE DE UNA ESTRUCTURA DE ENTRADA, SALIDA O INTERCONEXION EN LAGUNAS DE OXIDACION

FUENTE: CEPIS, “LAGUNAS DE ESTABILIZACION”, LIMA 1993.


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Fig 18. BALANCE ENTRE RELLENO Y EXCAVACION

Relleno

Corte


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Fig 19. GEOMETRIA DE LOS DIQUES

3.00 m Pendiente: 1: 1.5

Pendiente: 1:3


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Fig 20. ESQUEMA DE TRATAMIENTO BIOLOGICO POR LODOS ACTIVADOS



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Fig 21. ESQUEMA DE TRATAMIENTO BIOLOGICO POR BIODISCOS

FUENTE: CHEVRON RESEARCH COMPANY

Norma Efluentes Líquidos - PDVSA

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