Proyecto reingeniería de la PTAR de Yopal

REINGENIERÍA Y OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL MUNICIPIO DE YOPAL - CASANARE 1.

ANTECEDENTES

El municipio de Yopal, capital del Departamento de Casanare, con más de 80.000 habitantes en la cabecera municipal y 1047 Has se encuentra ubicado al noreste del departamento, departamento, a unos 387 Km de Bogotá D. C., en las coordenadas 5° 20’ N y 72° 24’ O.

Cuenta con una planta de tratamiento de aguas residuales de procesos biológicos, que consta de: 





Tratamiento preliminar: Cribado y desarenado, de de una capacidad capacidad de 100 lps. Este sistema no cuenta con mecanismos de autolimpieza. Tratamiento primario: Dos lagunas anaerobias con una capacidad de tratamiento de 100 lps cada una y un porcentaje de remoción de la carga contaminante que oscila entre un 10 y un 40%. El área de ocupación es de aproximadamente 11.000 M2 y unos 45.000 M3 de volumen Tratamiento secundario: secundario: Está constituido constituido por 4 filtros percoladores percoladores de 12 M de diámetro de 100 lps c/u y dos lagunas facultativas que están funcionando como sedimentadores. El área de ocupación es de aproximadamente 29.000 M2 y nos 60.000 M3 de Volumen.

A esta planta, ubicada a 2.0 km del límite sur del casco urbano, llega la totalidad de las aguas servidas del municipio. El efluente de la planta actual, Vista Aérea de la PTAR – Google Earth no cumple con las normas de vertimiento (Decreto 1594 del 26 de junio de 1984).

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2.

PRINCIPALES OPORTUNIDADES DE MEJORAMIENTO DEL SISTEMA ACTUAL

2.1 Tratamiento Preliminar.- El cribado y desarenado se debe ampliar para una capacidad de 250 lps, incorporándole mecanismos de autolimpieza. Los operarios de la planta han podido evidenciar el tipo de residuos que periódicamente deben retirarse utilizando la retroexcavadora. Es preferible evitar estas acumulaciones de material indeseable y con profusos olores agresivos. 2.2. Tratamiento de lodos.- Todos los sistemas biológicos tienen asociada la producción de lodos no estabilizados que a su vez deben ser sometidos a una digestión anaerobia, la cual se realiza en un reactor para degradar la materia orgánica aún presente en el lodo. Adicionalmente, estos lodos contienen microorganismos patógenos. Lo ideal es una solución de tratamiento que entregue lodos para deshidratación. 2.3 Olores Agresivos.- Constituyen un aspecto perturbador para el desarrollo del área de influencia de la planta. La PTAR de Yopal está ubicada a escasos 400 metros de una importante arrocera. En algunas urbanizaciones y barrios del sur de Yopal se perciben desagradables olores provenientes de la PTAR, Aunque resulte irónico, i rónico, este mal olor es un indicador de la actividad bacteriana inherente a muchos procesos biológicos como el que se realiza en la PTAR. 2.4 Normas de Vertimiento.- De conformidad con lo dispuesto en el decreto 1594 del 26 de Junio de 1984, el efluente de la PTAR no se encuentra ajustado a dicha norma. Más allá del compromiso para llegar a remociones de la carga contaminante mayores del 80%, es deseable entregar un efluente que no afecte el cuerpo de agua receptor, Caño Usivar y consecuentemente predios del corregimiento de Morichal, que tienen potencial turístico, o posteriormente el río Charte. La manera de evitar los efectos adversos como los de la descarga actual es garantizar un vertimiento libre de patógenos, con sólidos suspendidos totales por debajo de 50 mg/l y una DBO5 menor a 80 mg/l. 2.5 Optimización de la Operación.- Un plan de mejoramiento continuo debe estar soportado en un control de las variables de proceso, preferiblemente de manera automatizada. Existen en el mercado sistemas SCADA ("Supervisory Control And Data Adquisition"), adquisición de datos y control de supervisión, con las funciones necesarias


2.

PRINCIPALES OPORTUNIDADES DE MEJORAMIENTO DEL SISTEMA ACTUAL

2.1 Tratamiento Preliminar.- El cribado y desarenado se debe ampliar para una capacidad de 250 lps, incorporándole mecanismos de autolimpieza. Los operarios de la planta han podido evidenciar el tipo de residuos que periódicamente deben retirarse utilizando la retroexcavadora. Es preferible evitar estas acumulaciones de material indeseable y con profusos olores agresivos. 2.2. Tratamiento de lodos.- Todos los sistemas biológicos tienen asociada la producción de lodos no estabilizados que a su vez deben ser sometidos a una digestión anaerobia, la cual se realiza en un reactor para degradar la materia orgánica aún presente en el lodo. Adicionalmente, estos lodos contienen microorganismos patógenos. Lo ideal es una solución de tratamiento que entregue lodos para deshidratación. 2.3 Olores Agresivos.- Constituyen un aspecto perturbador para el desarrollo del área de influencia de la planta. La PTAR de Yopal está ubicada a escasos 400 metros de una importante arrocera. En algunas urbanizaciones y barrios del sur de Yopal se perciben desagradables olores provenientes de la PTAR, Aunque resulte irónico, i rónico, este mal olor es un indicador de la actividad bacteriana inherente a muchos procesos biológicos como el que se realiza en la PTAR. 2.4 Normas de Vertimiento.- De conformidad con lo dispuesto en el decreto 1594 del 26 de Junio de 1984, el efluente de la PTAR no se encuentra ajustado a dicha norma. Más allá del compromiso para llegar a remociones de la carga contaminante mayores del 80%, es deseable entregar un efluente que no afecte el cuerpo de agua receptor, Caño Usivar y consecuentemente predios del corregimiento de Morichal, que tienen potencial turístico, o posteriormente el río Charte. La manera de evitar los efectos adversos como los de la descarga actual es garantizar un vertimiento libre de patógenos, con sólidos suspendidos totales por debajo de 50 mg/l y una DBO5 menor a 80 mg/l. 2.5 Optimización de la Operación.- Un plan de mejoramiento continuo debe estar soportado en un control de las variables de proceso, preferiblemente de manera automatizada. Existen en el mercado sistemas SCADA ("Supervisory Control And Data Adquisition"), adquisición de datos y control de supervisión, con las funciones necesarias


para su implementación en la PTAR. Esto facilita la toma de decisiones en acciones preventivas y correctivas para un correcto funcionamiento de la planta. 2.6 Aprovechamiento del Agua Tratada en Agricultura.- En las actuales condiciones no es factible el reuso del agua sin incorporar un sistema de desinfección, empero, cuando el efluente contiene carga orgánica, en las desinfecciones más económicas, usualmente las relacionadas con compuestos de cloro, se convierten en precursoras de cloraminas y trihalometanos. Por otra parte, parte, las directrices de la Organización Organización Mundial de la Salud sobre la calidad de los efluentes empleados en la agricultura, establecen como principal objetivo del tratamiento la eliminación de patóge nos y reconocen que “Las coliformes fecales son indicadores menos satisfactorios de los virus excretados y tienen uso muy limitado cuando se trata de protozoarios y helmintos, para los cuales no existen indicadores seguros.”

1

PTAR PT AR de Yo al

400 M

Arrocera

1

Directrices sanitarias sobre el uso de aguas residuales en agricultura y acuicultura. (OMS / Serie de Informes técnicos 778) Página 3 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

3.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

Marco General.- Con el objeto de garantizar el máximo aprovechamiento de la infraestructura existente, se propone implementar una línea de tratamiento principal y una línea de tratamiento alterno compuesta básicamente básicamente por los elementos existentes. 3.1 TRATAMIENTO PRELIMINAR Antes de su tratamiento propiamente dicho, las aguas brutas se someten a un cierto número de operaciones físicas o mecánicas, que tienen por por objeto separar del agua agua la mayor cantidad posible de materias que, por su naturaleza o tamaño, crearían problemas en los tratamientos posteriores. 3.1.1 CRIBADO.- Para el cribado se propone instalar un sistema mecánico tipo rejillas Autolimpiantes.

Esquema de Rejillas Autolimpiantes


Mediante la instalación de las Rejas Autolimpiantes, se consigue que todos aquellos objetos sólidos de tamaño superior a los 6 mm de diámetro, queden retenidos por las rejillas, impidiendo su paso hacia el medio receptor. Las rejas disponen además de un sistema de limpieza mediante una bomba sumergible, que elimina los sólidos retenidos por ellas. Las rejillas de limpieza mecánica, se han venido empleando en plantas de tratamiento de aguas residuales por más de 50 años. Se dividen en 4 tipologías principales: Las rejas funcionamiento mediante cadenas, rejas de movimiento oscilatorio, catenarias y rejas accionadas mediante cables.

La capacidad del cribado será de 250 lps.


3.1.2 DESARENADO. La función de los desarenadores es eliminar la arena del agua residual para proteger los equipos mecánicos de la abrasión y el desgaste, evitar la obstrucción de los conductos por la acumulación de partículas de arena en las tuberías o canales, y reducir la acumulación de material inerte en los tanques de aeración, evitando pérdidas en el volumen útil de dichos reactores. La ubicación más frecuente de los desarenadores es después de las rejillas y antes del sedimentador primario. En ocasiones, el desarenador se coloca antes del cribado, condición que no es recomendada. También se llegan a instalar antes de las bombas de agua residual. Existen tres tipos básicos de desarenadores: los de flujo horizontal (control de velocidad y de nivel constante), los aireados y los de vórtice. Desarenadores de control de velocidad La arena en el agua residual tiene una (densidad) gravedad específica entre 1.5 y 2.7, mientras que la densidad de la materia orgánica es ligeramente superior que la del agua. Por ello, la sedimentación diferencial es un mecanismo seguro para la separación de la arena. Los desarenadores con control de velocidad son canales de sedimentación largos y estrechos que cuentan con secciones de control a la entrada y salida del mismo. Las secciones de control incluyen vertedores proporcionales Sutro, o canales Parshall. Estas secciones mantienen la velocidad constante del canal a grandes intervalos de flujo. Normalmente, los desarenadores con control de velocidad son de limpieza manual, pero se pueden instalar dispositivos de limpieza mecánica, tales como: transportador de cangilones o rascadores (plantas pequeñas), y elevadores de cadena continua con cangilones o transportador de tornillo helicoidal (plantas grandes). 3.1.2.1 Desarenadores rectangulares de nivel constante Estos desarenadores son propiamente tanques de sedimentación, donde la arena y la materia orgánica sedimentan conjuntamente. Este tipo de desarenadores se controla mediante deflectores ajustables que aseguran una velocidad uniforme transversal al tanque. Las ventajas de los desarenadores de nivel constante son:


Vista en planta de un tanque desarenador a nivel constante

• Debido a la forma del tanque se puede eliminar 95% de la arena, siempre que se

maneje la concentración y el flujo de diseño. • La arena eliminada del tanque puede ser lavada y drenada con no más del 3% del peso de la materia putrescible. • No es necesaria una velocidad uniforme del flujo que ingresa. • El equipo no sufre deterioro por abrasión, ya que las partes mecánicas se encuentran por arriba del nivel del agua. La principal desventaja de este tipo de desarenadores radica en la dificultad para obtener una distribución uniforme del flujo cuando se usan deflectores de paleta. 3.1.2.2

Desarenadores aireados

Este tipo de desarenadores se emplean para una remoción selectiva de arena. Son tanques con flujo en espiral que se genera por la acción de difusores de aire instalados en uno de los lados del tanque, a una altura de 0.6 a 0.9 m, a partir del fondo.


Las partículas de arena presentes en el agua residual, al entrar al desarenador sedimentan con diferente velocidad ya que ésta depende del tamaño, gravedad específica y la velocidad de rotación o agitación en el tanque. La rapidez de difusión del aire y la forma del tanque son parámetros importantes que deben ser considerados ya que gobiernan la agitación y la sedimentación de las partículas. La rapidez del aire se ajusta para crear una velocidad, cercana al fondo, lo suficientemente baja para que sedimente la arena: mientras tanto, las partículas orgánicas, que son menos pesadas, son arrastradas fuera del tanque. Algunas de las ventajas de este tipo de unidades son: • Puede utilizarse para adicionar reactivos, mezclando y floculando la materia • • • • •

contaminante antes del tratamiento primario. Al ser aireada el agua residual, se reduce el olor y se remueve parte de la DBO5 y de los sólidos suspendidos. Presenta una pérdida de carga mínima. Controlando la rapidez de aeración, se pueden alcanzar remociones de arena por arriba del 90 por ciento. Permite la instalación de un desnatador o de un despumador. Mediante el control de la difusión del aire, puede eliminarse arena de un tamaño en especial.

3.1.2.3 Desarenadores de vórtice Este tipo de desarenadores trabaja con un flujo tipo vórtice y aprovecha las fuerzas centrífuga y gravitacional. El agua a tratar se introduce en forma tangencial cerca del fondo y sale en forma tangencial, a través de la abertura en la parte superior del tanque. Dentro de la unidad se crea un vórtice libre, de acuerdo con su tamaño, densidad y fuerza de arrastre, algunas partículas son retenidas dentro del vórtice; mientras que otras son arrastradas fuera del equipo. Es decir, la arena se queda en la unidad y las partículas orgánicas salen con el efluente. La arena se extrae por la abertura del fondo de las unidades, o bien, se succiona mediante una bomba de aire.


Colección y remoción.La arena eliminada por los desarenadores puede estar libre de materia orgánica o tener un alto porcentaje de ella. El método para la disposición final debe tomar en cuenta, no sólo la cantidad de arena, sino también la cantidad de materia orgánica, especialmente la fracción que es fácilmente putrescible. La arena sin lavado puede contener 50% o más de material orgánico, mientras que la lavada tiene un máximo del 3%. Así, el Página 9 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

procedimiento recomendado es lavar la arena, regresar el agua de lavado al sistema de tratamiento y disponer de la arena.

La capacidad del canal de desarenado será de 250 lps.


Desarenador Tipo Vórtice

3.2

TRATAMIENTO PRIMARIO, SECUNDARIO Y DESINFECCIÓN

Se han agrupado los tratamientos primario y secundario porque la propuesta de reingeniería es realmente innovadora y consiste en suprimir tanto las lagunas anaerobias como las facultativas, a las cuales se les efectuará un cambio de uso, por un sistema que incluye desinfección y flotación por aire disuelto (DAF, por su sigla en inglés). Se utilizará la infraestructura existente de los filtros percoladores para incorporarla al nuevo sistema físico-químico.


Con el cambio propuesto, el tiempo total de retención hidráulica es inferior a 15 minutos, incluyendo el tratamiento preliminar. 3.2.1

FLOTACION POR AIRE DISUELTO- DAF

En varias aplicaciones industriales o municipales se necesita separar del seno de una mezcla líquida, los sólidos que se encuentran en estado suspendido por su reducido tamaño. Estas operaciones son necesarias tanto para recuperar sólidos valiosos o para evitar su pérdida en un efluente industrial (por ejemplo las fibras celulósicas en la Industria Papelera), ó bien para clarificar el líquido, reduciendo al máximo los sólidos en suspensión (por ejemplo el agua potable). Por lo general estas operaciones suelen realizarse tradicionalmente mediante dos vías principales: i) decantación y ii) filtración. La decantación consiste en retener en un depósito el líquido que contiene los sólidos en suspensión (normalmente aglomerados en partículas mayores por medio de la floculación) de modo que decanten al cabo de un cierto tiempo en el fondo, de donde se retiran de forma continua o periódicamente.


La filtración por su parte consiste en forzar el paso del líquido a través de un medio filtrante (mallas con diferentes medidas, arena, etc.), donde son retenidos los sólidos que posteriormente se retiran limpiando el medio filtrante. En años recientes se ha utilizado la flotación por aire disuelto (FAD) como una tercera vía para retirar los sólidos del seno de una mezcla líquida. Para separar los sólidos por flotación se utiliza la propiedad de adhesión a los sólidos (puntos de nucleación) que tienen los gases cuando están disueltos en un líquido presurizado, el cual, al despresurizarse genera micro-burbujas. En este sentido los sólidos actúan como puntos de nucleación y las microburbujas modifican localmente la densidad de los sólidos y por tanto “flotan” en el me dio líquido. Desde el punto de vista de Ingeniería de proceso, la flotación es una “operación unitaria física”,

esto es, un método de tratamiento en el que predominan los fenómenos físicos, que se emplea para la separación de partículas de una fase líquida. La flotación por aire disuelto consiste fundamentalmente en someter el agua bruta ya floculada a presión durante cierto tiempo en un recipiente, introduciendo simultáneamente aire comprimido y agitando el conjunto por diversos medios, hasta lograr la dilución del aire en el agua. Posteriormente despresuriza el agua en condiciones adecuadas, desprendiéndose gran cantidad de micro burbujas de aire. Estas se adhieren a los flóculos en cantidad suficiente para que su fuerza ascensional supere el reducido peso de los flóculos, elevándolos a la superficie, de donde son retirados continua o periódicamente, por distintos medios mecánicos.

Vista panorámica de un DAF circular instalado


Con objeto de ahorrar energía por un lado y por otro para evitar al máximo la posible destrucción de flóculos en el turbulento proceso de creación de micro burbujas, normalmente no se presuriza el caudal total de tratamiento, sino un caudal parcial de agua clarificada recirculada suficiente para crear las micro burbujas necesarias para el proceso.

3.2.1.1

Saturación de Aire en Agua

Este proceso tiene como objetivo disolver aire en agua a presión elevada para proveer, una vez reducida la presión, del gradiente de concentración de aire y energía necesario para la formación de microburbujas. La disolución de aire en agua depende de la temperatura y presión y está determinada por la ley de Henry (ver luego). La cinética de disolución depende de las características del sistema de saturación. Esta se lleva a cabo

en

“saturadores”

o

estanques

herméticos

resistentes a la presión, operando en continuo con alimentación de agua y aire. Existen varias formas para contactar el aire con el agua y entre los más utilizados están un difusor tipo placa porosa sumergido en el líquido y un sistema que emplea un empaque por el cual se distribuye el agua bajo presión y se contacta íntimamente con el aire. Este último método es el más utilizado en el ámbito industrial y su eficiencia (90%) es superior a la del burbujeo. 3.2.1.2

Generación de Microburbujas

Estas se producen en los constrictores de flujo, situados entre el saturador y la celda de flotación. La selección de este sistema de constricción del flujo es importante porque de su eficiencia depende la distribución de tamaño de burbujas y la cantidad de aire "liberado", dos de los factores de mayor importancia en la DAF. Por ejemplo, simples constricciones ("nozzles") de placas con orificios de diámetro variable son baratas y eficientes, consiguiendo valores de "liberación", del orden de 90 % del aire disponible.


La energía transferida en el proceso de expansión y generación de burbujas depende de la tensión superficial líquido/aire y de la diferencia de presión entre el saturador y la constricción. La ecuación (Takahashi et al., 1979) que sigue define estas relaciones.

, donde = Energía transferida en Joules = Tensión superficial Aire/Agua en (Nm-1) P a = Presión Atmosférica en Atm. P0 = Presión de Saturación en Atm. Por lo tanto, la energía requerida en la generación de burbujas, en la constricción de flujo, será menor cuanto menor sea la tensión superficial l/a y mayor la diferencia de presiones entre la salida del saturador y el constrictor. Después de la expansión, las cavidades llevan un tiempo para alcanzar el tamaño de las burbujas. La “precipitación” del aire en la forma de burbujas no es total en esta expansión a través del constrictor y muchas burbujas son “nucleadas” y formadas e n superficies sólidas.

3.2.1.3

Coagulación y/o floculación de las partículas a separar.

Esta etapa involucra la desestabilización de suspensiones coloidales o emulsiones, condición necesaria para que estas se puedan unir en agregados de mayor tamaño, susceptibles de ser capturadas por las microburbujas. La agregación puede ser realizada vía coagulantes, floculantes o ambos. El tiempo de residencia en esta etapa dependerá del grado de dispersión de los sólidos (o emulsiones) a remover, del tipo y concentración de reactivos y de la hidrodinámica requerida. Otros factores que influyen en el diseño de coaguladores o floculadores son las características del efluente, la cinética de adsorción de contaminantes, en el caso de usar precipitados coloidales adsorbentes y del punto de adición de los reactivos.


3.2.1.4 Acondicionamiento para contacto y adhesión de micro-burbujas y partículas (zona de "captura"). Esta etapa tiene como objetivo lograr la captura de partículas por burbujas y la formación de agregados "aireados" (con aire atrapado). Corresponde a la zona donde se libera el agua saturada. 3.2.1.5

Flotación y remoción de sólidos flotados (zona de separación).

La flotación propiamente dicha ocurre en un tanque que recibe la suspensión proveniente de la zona de contacto y tiene por objetivo separar las fases flotadas y el efluente tratado (agua). Los sistemas de descarga del agua tratada, normalmente por el fondo, emplean mecanismos especiales, como canaletas provistas de ranuras que las atraviesan longitudinalmente por su parte inferior, o dispositivos que minimizan la formación de corrientes de agua. El parámetro más importante que debe ser considerado en el diseño de esta etapa, es el "flujo superficial" que es una medida del tiempo de residencia medio del fluido dentro del estanque. En relación con el producto flotado, su extracción se realiza normalmente con un raspador (colector) mecánico que atraviesa lentamente la superficie de la unidad de flotación o situado en el extremo final del estanque separador. Página 16 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

3.2.1.6 Ventajas.- La flotación por aire disuelto presenta grandes ventajas, entre las que destacaremos siguientes: Tiempo de retención La flotación es un fenómeno mucho más rápido que la decantación, precisando tanto un espacio ocupado mucho menor y un tiempo de retención muy breve. Concentración de los sólidos separados Los sólidos decantados están sumergidos permanentemente en un medio líquido, por lo que su concentración tiene un límite muy bajo. Los sólidos flotados, por el contrario, están sobre un medio líquido, pero en contacto con el aire, pudiendo alcanzar concentraciones muy superiores a los decantados. Productos químicos Los flóculos convenientes en la decantación deben ser grandes y bien formados, con objeto de acelerar el proceso. Para ello es precisa la adición de determinadas cantidades de productos químicos y la retención previa en floculadores para la buena formación de los flóculos. La flotación, en cambio, necesita solamente flóculos incipientes (pin flocs) de reducido tamaño, suficiente para la adhesión de las microburbujas. La cantidad necesaria de productos químicos será consiguientemente menor, así como el tiempo de formación del flóculo. Pueden por tanto evitarse los tanques floculadores, ya que la floculación se realiza normalmente en línea (flash flocculation). Un DAF que opere adecuadamente producirá: 

Remoción de sólidos suspendidos y coloidales.



Remoción de Algas. Provee una estrategia de control de olor y sabor.

    

Remoción la materia orgánica. Remoción bacterias. Remoción de sólidos precipitados. Remoción de contaminantes insolubles que demandan oxidantes y desinfectante.



Producción de lodos fácilmente tratables. Producción consistente de una calidad de agua que optimiza los ciclos de filtración.



Minimiza el área necesaria, proporcionando un carga máxima de proceso.





3.2.1.7 COMPONENTES 

Tanque de flotación fabricado en partes transportables para su montaje en la planta y dotado de bastidor de soporte de estructura alveolar. Las partes en contacto con el agua son de acero inoxidable AISI 304.



Tanque central fijo para recoger el material flotante de acero inoxidable AISI 304.



Puente giratorio móvil con colector dotado de aperturas regulables para la distribución del agua introducida, dotado de rejilla y canales amortiguadores de flujo de acero inoxidable AISI 304.



Estructura de soporte del puente giratorio en perfil de acero al carbono protegido con una doble capa de pintura epoxídica.



Junta giratoria con tubería elástica para su conexión con la unidad de distribución móvil de acero inoxidable AISI 304.



Cuerpo central (anillo) móvil dotado de tubos para la extracción del agua limpia dotado de dispositivo estanco inferior de goma con revestimiento.



Rascador de fondo para empujar el posible material sedimentado hacia el colector.



Rascador lateral para la continua limpieza del armazón.



Dispositivo recogedor del lodo flotante que gira sobre un eje inclinado, pala espiral con perfil envolvente



Motovariador de velocidad para el control del recogedor.



Motovariador de velocidad para el control del puente móvil.



Contacto giratorio de 8 anillos para la alimentación del motovariador.



Unidad para la presurización y saturación del agua procedente del flotador (agua tratada de reciclo).


Detalles de un Krofta Supercell 44 Instalado en Visp - Suiza


3.3

DESINFECCIÓN

Una vez retirada la contaminación insoluble, coloidal y precipitable, mediante el proceso de DAF, es necesario oxidar la materia orgánica e inorgánica oxidable que aún se encuentra presente en forma soluble. Igualmente se debe efectuar una eliminación de agentes biológicos que no se retiraron en el proceso anterior. Los principales procesos de oxidación avanzada son: 3.3.1 PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA Las tecnologías avanzadas de oxidación (TAO), también conocidas como procesos avanzados de oxidación (PAO), se basan en procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura química de los contaminantes, ya que involucran la generación y uso de especies transitorias con elevado poder reductor, fundamentalmente el radical hidroxilo (HO•). Este radical se genera por medios fotoquímicos o por otras

formas de energía y posee una alta eficacia en la oxidación de materia orgánica. A continuación se muestra un listado de los principales TAO's y se incluye una breve descripción de cada uno de ellos que contiene las reacciones principales que tienen lugar en la generación de radicales hidroxilo y otros agentes reductores. Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquímicos Ozonización en medio alcalino (O3/OH-) Fotólisis del agua en el ultravioleta de vacío (UVV) Ozonización con peróxido de hidrógeno (O3/H2O2) UV/peróxido de hidrógeno Procesos Fenton (Fe2+/H2O2) UV/O3 Oxidación electroquímica Foto-Fenton Radiólisis g y tratamiento con haces de electrones Ferrioxalato y otros complejos de Fe(III) Plasma no térmico Página 21 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

UV/peryodato Descarga electrohidráulica - Ultrasonido Fotocatálisis heterogénea Oxidación en agua sub/y supercrítica 3.3.1.1 Procesos no fotoquímicos a. Ozonización en medio alcalino El ozono puede reaccionar de forma directa con un sustrato orgánico a través de una reacción lenta y selectiva (primera ecuación) o de una reacción favorecida en medio alcalino, rápida y no selectiva: -1 -1

O3 + S → Sox ; k = 1 – 100 M s 2 O3 + H2O → 2 HO

b.

•

•;

8

10

-1

k = 10 – 10 M s

-1

Ozonización con peróxido de hidrógeno

La ozonización transforma los contaminantes en compuestos más simples, más refractarios al reactivo. Se logra una mejora agregando agua oxigenada (peróxido de hidrógeno, H2O2), que es un ácido débil, un poderoso oxidante y un compuesto inestable: •

•

O3 + H2O2 → HO + O2 + HO2 ; siendo: + • •+ H2O2 = HO2 + H y HO2 = O2 + H ; por tanto la reacción en cadena es: • 6 -1 -1 HO2 + O3 → O3- + HO2 ; k = 2,8 * 10 M s •9 -1 -1 O2 + O3 → O3 + O2; k = 1,6 * 10 M s + 10 -1 -1 O3 + H → HO3 + O2; k = 5,2 * 10 M s • 5 -1 HO3 → HO + O2; k = 1,1 * 10 s • • 5 -1 O3 + HO → O2 + HO2 ; k = 1,1 * 10 s • • O3 + HO2 → 2 O2 + HO

c.

Reactivo de Fenton

La combinación de Fe2+ y H2O2 va a generar radicales HO •, que a su vez van a reaccionar a continuación por dos vías: la oxidación de Fe(II) (reacción improductiva) y el ataque a la materia orgánica:


2+

Fe

3+

+ H2O2 → Fe

•

-

+ HO + HO ; •

Fe(II) + HO → Fe(III) + HO •

-1 -1

k = 76 M s -

+

RH + HO + H2O → ROH + H3O → productos oxidados

d.

Oxidación electroquímica

La aplicación de una corriente eléctrica (2 – 20 A) entre dos electrodos en agua produce reacciones químicas primarias que van a generar HO•, que oxidará la materia orgánica: •

+

-

H2O → HO + H + e ; +

oxidación anódica

-

O2 + 2 H + 2 e → H2O2;

e.

Radiólisis

reacción catódica

y tratamiento con haces de electrones

Estos procesos se basan en la generación de electrones altamente reactivos, iones radicales y radicales neutros por exposición de las aguas a tratar a haces de partículas másicas u ondas electromagnéticas de alta energía. Se pueden usar rayos γ, rayos X o

aceleradores de haz de electrones como los de tipo Van-de-Graaf o los lineales. Cuando el haz de electrones penetra en el agua, los electrones pierden energía por colisiones no elásticas con las moléculas de H2O, y se generan especies reactivas: -

•

•

+

H2O → e aq + H + HO + H2 + H2O2 + H

f.

Plasma no térmico

El plasma es considerado el cuarto estado de la materia que contiene iones y electrones libres (gas eléctrico). El plasma puede generarse, en forma no térmica, por una descarga eléctrica o bombardeo de un gas con un haz de electrones de alta energía; la energía de los electrones en el plasma es de unos 10 eV, lo que equivale a temperaturas elevadas. Estos plasmas son buenas fuentes de especies reactivas altamente reductoras y oxidantes, como O(3P), HO•, N, H, NH, CH, O3. g.

Descarga electrohidraúlica - ultrasonido

Esta tecnología usa ultrasonido de alta potencia (de 15 kHz hasta 1 MHz), y se aprovecha la cavitación electrohidráulica, es decir, el crecimiento y colapsado cíclico de burbujas de gas. El gas implota y se alcanzan temperaturas y presiones locales muy altas (4.000-10.000


K y 1.000-10.000 bares en el centro de las burbujas colapsadas). La degradación de materia orgánica ocurre a través de reacciones con los radicales generados por la reacción térmica, o por las reacciones en presencia de oxígeno: •

•

H2O → H + HO •

O2 → 2 O •

H + O2 → HO2 •

•

• •

H + O2 → HO + O

h.

Oxidación en agua sub/ y supercrítica

El proceso que opera en condiciones subcríticas es llamado también oxidación en aire húmedo; se trabaja a presiones entre 10-220 barios y temperaturas entre 150-370 ºC. El mecanismo involucra la carbonización primaria de los sustratos orgánicos y su posterior reacción con los HO• producidos en la transformación catalítica del O2 disuelto en la superficie del centro carbonoso. El nitrógeno, los halógenos y el azufre son también mineralizados: O2 → H2O2 → O2 + HO2

•

•

HO + C → CO2 + H2O -

N → NH3, NO3 , N elemental X→X 2-

S → SO4 •

C + HO → ácidos orgánicos de bajo peso molecular

La oxidación con agua supercrítica usa agua en condiciones de presión y temperatura superiores que las del punto crítico, entre 450 y 700 ºC y presiones cercanas a los 25 MPa. En estado supercrítico, el agua se comporta como un fluido cuya viscosidad, densidad y constante dieléctrica son relativamente bajas. En condiciones supercríticas, disminuye el número de uniones puente hidrógeno, aumenta la solubilidad de los compuestos orgánicos y gases y disminuye la solubilidad de los electrolitos. Por ello, este método posee características que lo llevan a ser un excepcional sistema de tratamiento, con una eficiencia de oxidación mayor que 99,99 % en tiempos de contacto muy breves (5-60 segundos), que no requiere ningún tratamiento adicional de los productos gaseosos. Debido a la alta solubilidad del O2 en el agua supercrítica, no existen problemas de transferencia de masa. Como además la tensión superficial es nula, el O2 penetra en los poros más pequeños y puede oxidar cualquier sustancia orgánica.


3.3.1.2

a.

Procesos fotoquímicos

Fotólisis del agua en el ultravioleta de vacío (UVV)

Se utiliza radiación con una longitud de onda menor a la UV-C (menores a 190 nm) que producen la degradación de la materia orgánica en fases condensadas o gaseosas o la fotólisis del agua, que produce radicales hidroxilo, átomos de hidrógeno y electrones acuosos:

•

•

H2O + hν → HO + H •

+

-

H2O + h ν → HO + H + e aq

A partir de los radicales primarios se generan rápidamente HO2• y O2•-: •

•

k = 1 * 10

•-

k = 2 * 10

O2 + H → HO2 ; -

O2 + e aq → O2 ;

b.

10

M s

-1 -1

10

M s

-1 -1

UV/peróxido de hidrógeno

La fotólisis del peróxido de hidrógeno (H2O2) se realiza utilizando lámparas de vapor de mercurio de media o baja presión: •

H2O2 + h ν → 2 HO

En exceso de peróxido y con altas concentraciones de HO• tienen lugar reacciones competitivas que producen un efecto inhibitorio para la degradación. Los HO• son susceptibles de recombinarse o de reaccionar de acuerdo con el siguiente esquema: •

•

HO + H2O2 → HO2 + H2O •

•

HO2 + H2O2 → HO + H2O + O2 •

2 HO2 → H2O2 + O2 •

•

HO2 + HO → H2O + O2


c.

UV/O3

Combinación de los métodos UV/H 2O2 y O3 /H2O2: O3 + h ν + H2O → H2O2 + O2 •

H2O2 + h ν → 2 HO •

O3 + H2O2 → HO + O2 + HO2

d.

•

Foto-Fenton

La reacción de Fenton aumenta su eficacia por irradiación luminosa debido a varios factores, entre ellos la reacción adicional: 2+

Fe(III)(OH)

e.

•

+ h ν → Fe(II) + HO

Ferrioxalato y otros complejos de Fe(III)

En presencia de ligandos orgánicos, como por ejemplo ácidos carboxílicos, el Fe(III) puede formar complejos estables o pares iónicos asociados que exhiben bandas de transferencia de carga del ligando al metal en el espectro UV-visible. Son fotoquímicamente activos y generan Fe(II) por irradiación: 2+

Fe(III)(O 2CR)

•

+ h ν → Fe(II) + CO2 + R

La fotólisis del trisoxalatoferrato (III) (Ferrioxalato) se aprovecha para la medición de intensidades de luz, y constituye el actinómetro químico más utilizado: 3-

2-

[Fe(C2O4)3] + h ν → [Fe(C2O4)2] + C2O4 •-

3-

2-

•-

2-

C2O4 + [Fe(C2O4)3] → [Fe(C2O4)2] + C2O4 + 2 CO2 •-

•-

C2O4 + O2 → O2 + 2 CO2

f.

UV/peryodato -

El ácido periódico (H 5IO6) y el ion peryodato (IO 4 ) son oxidantes fuertes: +

-

-

H5IO6 + H + 2 e → IO3 + 3 H2O;

Eº = + 1.6 V


La irradiación de soluciones de peryodato con luz UV corta genera radicales (IO3•, HO•, • IO4 ) y otras especies oxidantes (IO3 , O3). El ataque a contaminantes orgánicos se vuelve así menos selectivo pero más eficiente. El mecanismo es complejo:

g.

Fotocatálisis heterogénea

Se basa en la absorción de energía radiante (visible o UV) por un fotocatalizador heterogéneo, que normalmente es un semiconductor sólido. Las reacciones de destrucción de los contaminantes tienen lugar en la región interfacial entre el catalizador y la solución:


3.3.2

Procesos de alta temperatura y presión:

Oxidación con aire húmedo (WAO), oxidación en condiciones supercriticas etc. Detoxificación solar: Utiliza la radiación UV solar, como catalizador de TiO2. La mayoría de estos procesos son prohibitivos por sus altos costos. En el proceso de oxidación de las diferentes sustancias presentes en el agua y su esterilización, el producto más ampliamente utilizado es el cloro (en los pequeños abastecimientos se suelen emplear derivados del cloro). No obstante, en algunas aguas no llega a lograrse el objetivo deseado, dada la presencia de diversas sustancias, con las que el cloro no es tan efectivo, o bien a que precisamente el cloro conduce en su reacción con otras sustancias orgánicas a la formación de compuestos orgánicos clorados muy cuestionados por su potencial perjuicio para la salud (por ejemplo los trihalometanos). La aplicación del cloro, data como tal de 1912 en EE.UU. En 1913, Wallce y Tiernan introducen unos equipos que permiten medir el cloro gas y formar una solución concentrada que es la que se aplica al agua a tratar. La esterilización es una de las principales fases del proceso de tratamiento del agua. La desinfección del agua y más concretamente la cloración, está siendo objeto de polémica durante los últimos años, como consecuencia, principalmente, de los subproductos de la desinfección, llegando a cuestionarse la necesidad de la propia desinfección en muchos casos. Muchos países, dentro y fuera de la Unión Europea, debido a las características de sus aguas, generalmente superficiales, acuden a la desinfección, principalmente, con cloro y mantienen una determinada concentración de residual en sus redes de distribución.


3.3.2 VENTAJAS La desinfección mediante procesos físico-químicos avanzados de oxidación representa un gran avance en la eliminación de la carga contaminante disuelta, toda vez que la carga contaminante insoluble ha sido removida en un porcentaje mayor al 95% por DAF. Como resultado de esta eliminación significativa de la carga contaminante y de los patógenos presentes en el efluente, se posibilita el re-uso del agua, especialmente para fines agrícolas.


Para la Organización Mundial de la Salud, es prioritaria la eliminación de patógenos en los efluentes de aguas residuales para aprovechamiento. Esto tiene mucho más impacto en la salud pública que en la parte ambiental, pero ya es de amplio conocimiento el gran número de casos que se presenta de enfermedades de origen hídrico, de las cuales presentamos el siguiente cuadro.

Desde la perspectiva de salud pública es incuestionable la ventaja de desinfectar las aguas residuales municipales, sobre todo mediante procesos que ni implican la formación de trihalometanos ni cloraminas.


4.

DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL PROYECTO

4.1 AFLUENTE DEL SISTEMA El sistema de tratamiento empieza con la distribución de los caudales así: La línea principal de tratamiento, compuesta de pretratamiento mediante cribado mecanizado y desarenado tipo vórtice recibirá un caudal sanitario de 250 lps, con picos de hasta 300 lps. El caudal pico podrá ser sostenido hasta por 75 minutos. El caudal que supere este pico, ocasionado por excedentes de aguas lluvias será desviado mediante una estructura de “BY PASS” hasta el emisario final. Ante cualquier contingencia que involucre las dos líneas de tratamiento, la principal y la alterna, todas las aguas podrán ser desviadas mediante esta estructura.

4.2

PRETRATAMIENTO

EL caudal sanitario es sometido a un cribado mecanizado que garantiza el retiro de los sólidos flotantes gruesos. El equipo es de origen italiano, marca COSME, de acuerdo con el esquema de la figura. Para minimizar el consumo de energía, el sistema se controla mediante sensores que miden la profundidad de la lámina de agua, de manera tal que cuando el nivel sube se enciende automáticamente el motor que hace rotar la malla de cribado. Los sólidos se disponen como residuos sólidos con destino el relleno sanitario. Este sistema de cribado es conocido como filtro de limpieza a contracorriente. (FILTER AT COUNTERFLOW CLEANING). Del fabricante tomamos la hoja de especificaciones que nos permitimos adjuntar:



Una vez que el flujo pasa el cribado, lo dirigimos a través de un canal hasta el desarenador tipo vórtice (SAND TRAP “PISTA” TYPE) Marca COSME, el cual se caracteriza por una altísima eficiencia y un bajo consumo de energía (sólo 1.1 Kw) trabajando a 11 rpm. LA arena que se retira en el desarenador se transporta a un compactador de arena marca COSME.



El pretratamiento se efectúa, tanto si el afluente se trata en el sistema principal o en el sistema alterno. A la salida del desarenador se construye una estructura de distribución con dos compuertas que permiten oriental el flujo hacia el sistema que se requiera. 4.3

TRATAMIENTO PRINCIPAL

El tratamiento principal está constituido por un DAF KROFTA SUPERCELL SPC 44 con capacidad hasta de 250 LPS y picos de 300 LPS y un sistema de desinfección mediante tecnología avanzada de desinfección. Las especificaciones del DAF son: Diámetro del tanque 13.400 mm Altura del tanque 600 mm Carga max.de masa 41,0 t/dia Cilindro de dilución de aire ADT 2 x 4000 Capacidad de la bomba de presión a 6 bar 2 x 240 m3/h Max. consumo de aire a 6,5 bar 50 Nm3/h Motores impulsores en el clarificador 2 x 2,20 kW Peso en operación incl. el tanque 108.000 kg Materiales de construcción (partes mojadas) acero inox 304. Es decir, todas las partes en ontacto con el agua están construidas con acero alemán de la más alta calidad. 4.3.1 CARACTERÍSTICAS GENERAL DEL SPC-44 DRJ

EN

El KROFTA SUPERCELL constituye un avanzado sistema de clarificación que combina las técnicas de sedimentación y flotación. Se ha logrado un diseño ultra compacto y de gran eficiencia por la aplicación del principio de "velocidad de agua cero". La superficie del KROFTA SPC es menor de otros de análoga capacidad, debido al alto grado de Página 35 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

clarificación especifica, que se consigue (de 150 a 200 l/m2), así como un tiempo de retención muy bajo (2 min 30 seg). El KROFTA SUPERCELL es especialmente recomendado para aquellos casos en cuales el tipo de aguas residuales es variable. El reducido volumen y corto tiempo de retención son factores importantes. Gracias a un diseño especial y por entregarse prefabricado es muy fácil a trasladar el equipo y por eso mantiene su valor. El espacio de este equipo es mínimo, el costo de instalación es muy bajo y no serán necesaria estructuras excesivas. 4.3.2. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DEL SPC-44 DRJ Los mecanismos de entrada y salida, así como el de extracción de lodo están contenidos en la sección giratoria central. Esta sección, junto con el recogedor espiral, gira alrededor del tanque a una velocidad sincronizada con la de entrada del agua. El agua no clarificada la cual pasa por un tubo de dilución de aire, llega al centro del tanque a través de una junta rotativa. Pasa a continuación al conducto de distribución, el cual se mueve con la misma velocidad que el agua de entrada, pero en sentido contrario, produciéndose así la "velocidad cero". Los procesos de decantación y flotación tienen, por tanto, lugar en esta situación de calma. La cuchara espiral patentada por KROFTA recoge la materia flotante y la vierte en la sección central fija, desde donde se descarga por gravedad para su reciclado o su eliminación. El agua clarificada se extrae por unos tubos que se hallan sujetos a la sección central móvil. Unas rasquetas de limpieza, ligadas al conducto de distribución giratorio, barren el fondo y la pared lateral del tanque, descargando los lodos decantados en el sumidero, el cual se vacía periódicamente. El motor mueve los elementos rotativos y la paleta espiral. La toma de energía para este motor se realiza mediante un contacto rotativo montado en el eje central. El agua a tratar o bien el agua de recirculación, la cual se encuentra presurizada a 6,5 bar, entra por un extremo del tubo de dilución de aire (ADT) y sale por el opuesto.


Durante su breve paso el agua gira dentro del tubo y pasa repetidamente por un distribuidor alimentado con aire a presión. El aire resulta así homogéneamente dispersado y por efecto de la presión queda disuelto en el agua. Debido a su pequeño diámetro, el tubo de dilución de aire no requiere comprobación ni certificación oficial. Sus dimensiones reducidas permiten por otro lado su construcción económica en acero inoxidable. 4.3.3. MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN Todos los partes del SUPERCELL SPC en contacto con el agua, serán en acero inoxidable AISI 304. Las partes que no están en contacto con agua son de acero carbónico barnizado con una pintura de epoxy. 4.4.4. COMPONENTES A6

3 pc

AIREADOR/MEZCLADOR Marca: Flow-Jet

A7

1 pc

DISPOSITIVO DE CONTROL DE NIVEL Marca: DAMA

A8

2 pcs

BOMBAS SUMERGIBLES Marca: FAGGIOLATI Q = 435 m3/h, H = 12 m

B1

1 pc

ESTACION DE PREPARACION DE POLIMERO Marca: DDA - DOSAPRO Modelo: Polymatic 3000

B2

2 pc

BOMBAS PARA LA DOSIFICACION DE POLIMERO Marca: DDA Capacidad Qmax = 1600 l/h

B3

2 pc

BOMBA DE DOSIFICACIÓN PARA EL PAC Marca: DDA - DOSAPRO Capacidad Qmax = 220 l/h

B9

1 pc

BOMBA PARA DOSIFICACION DESINFECTANTE A Página 37 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

Marca: DDA - DOSAPRO B 10

1 pc

BOMBA PARA DOSIFICACION DESINFECTANTE B Marca: DDA – DOSAPRO

D

1 1 pc

CELDA DE FLOTACIÓN, SUPERCELL SPC-44 DRJ Marca: KROFTA Descripción del funcionamiento, material, suministro bajo capitulo “descripción del KROFTA SUPERCELL”

D2

2 pcs

TUBO DE DILUCIÓN DE AIRE ADT-4000 Marca: KROFTA Descripción del funcionamiento, material, suministro bajo capitulo “descripción del KROFTA SUPERCELL”

M3

3 pcs

BOMBA DE PRESURIZACIÓN Marca: ALLWEILER Capacidad Q = 240 m3/h, H = 65 m, bomba centrifuga, horizontal para la alimentación del tubo de dilución de aire ADT

C 15

2 pcs

COMPRESOR Marca: EUROCOMP

C 18

1 pc

SECADOR DE AIRE Marca: EUROCOMP

C 14

7 pcs

VÁLVULA DE DEPRESURISACIÓN

C 28

1 pc

VÁLVULA DE DEPRESURISACIÓN

V 13

1 pc

VÁLVULA MARIPOSA, PARA EL CONTROL DE NIVEL

C6

1 pc

LEVEL CONTROL SENSOR

V8

1 pc

VÁLVULA DE PURGA Página 38 de 43 –Reingeniería y Optimización PTAR de Yopal

C7

1 pc

SUPORTE PARA LOS ADT-3500

C11

1 pc

ESTRUCTURA PARA EL SUPERCELL SPC-44 DRJ Material: acero carbónico barnizado, Altura: ca. 3,0 m

C 19

1 pc

MEZCLADOR PARA EL LODO Marca: DOSAPRO MILTON ROY

C 20

1 pc

CONTROL DE NIVEL Marca: DOSAPRO MILTON ROY

C 21

1 pc

BOMBA PARA EL LODO Marca: DOSAPRO MILTON ROY Q = 18 m3/h, H = 12 m

MSB1

1 pc

ARMARIO ELÉCTRICO Marca: DAMA Armario para todos los dispositivos eléctricos arriba mencionado.

EL fabricante se reserva el derecho de efectuar cualquier cambio en el diseño, modelo, marca o especificicaciones de los componentes que impliquen una mejora en el diseño o la eficiencia del sistema. En los planos anexo se encuentran los diagramas del DAF SPC 44.


5.

CERTIFICACIÓN ISO 9000 DE KROFTA CORP AG


6.

TIEMPO DE EJECUCIÓN

Fase de Ajuste de diseños de ingeniería detallada: 30 días Fase de construcción: 150 días Fase de Arranque, puesta en marcha y estabilización: 30 días Fase de Acompañamiento: 90 días


7.

PRESUPUESTO


Proyecto reingeniería de la PTAR de Yopal

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