Universidad Nacional Del Altiplano FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
TRABAJO ENCARGADO DEL CURSO DE:
Tratamiento de aguas TEMA:
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PRESENTADO POR:
QUISPE TICACALA HERMES RONALD
Cod:051594
C.U. Puno, diciembre del 2010
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES E INDUSTRIALES
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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Pág. 1. INTRODUCCIÓN
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2. CONCEPTOS ÚTILES EN LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES
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3. CARACTERÍSTICAS DE AGUAS RESIDUALES
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3.1 FÍSICAS 3.2 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS QUÍMICAS 3.3 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS
4. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
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4.1 CAMPO DE APLICACIÓN 4.2 TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS PRELIMINARES 4.3 TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS PRIMARIOS 4.5 TRATAMIENTO SECUNDARIO 4.6 TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS TERCIARIOS: 4.7 DESARROLLO DE PROYECTOS P ROYECTOS SANITARIOS
5. TRATAMIENTO PRELIMINAR
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5.1 CRIBADO: 5.2 DESARENADORES 5.3 DESMENUZADORES DESMENUZADORES 5.4 DESENGRASADORES DESENGRASADORES
6. TRATAMIENTO CONVENCIONAL
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6.1 SEDIMENTADORES 6.2 LODOS ACTIVADOS 6.3 EL TRATAMIENTO DE LODOS 6.4 LECHOS DE SECADO
7. LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
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7.1 LAGUNAS AEROBIAS 7.3 LAGUNAS ANAEROBIAS 7.4 LAGUNAS FACULTATIVAS
8. USO DE AGUAS RESIDUALES
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9. BIBLIOGRAFÍA
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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 1. INTRODUCCIÓN La generación de las aguas residuales es un producto inevitable de la actividad humana .El tratamiento y disposición apropiada de las aguas residuales supone el conocimiento de las características físicas, biológicas y químicas de estas. Las aguas residuales son generadas por residencias, instituciones y locales comerciales e industriales. Éstas pueden ser tratadas dentro del sitio en el cual son generadas (por ejemplo: tanques sépticos u otros medios de depuración) o bien pueden ser recogidas y llevadas mediante una red de tuberías - y eventualmente bombas - a una planta de tratamiento municipal. Los esfuerzos para recolectar y tratar las aguas residuales domésticas de la descarga están típicamente sujetos a regulaciones y estándares locales, estatales y federales (regulaciones y controles). A menudo ciertos contaminantes de origen industrial presentes en las aguas residuales requieren procesos de tratamiento especializado
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Típicamente, el tratamiento de aguas residuales comienza por la separación física inicial de sólidos grandes (basura) de la corriente de aguas domésticas o industriales empleando un sistema de rejillas (mallas), aunque también pueden ser triturados esos materiales por equipo especial; posteriormente se aplica un desarenado (separación de sólidos pequeños muy densos como la arena) seguido de una sedimentación primaria (o tratamiento similar) que separe los sólidos suspendidos existentes en el agua residual.
Para eliminar metales disueltos se utilizan reacciones de precipitación, que se utilizan para eliminar plomo y fósforo principalmente. A continuación sigue la conversión progresiva de la materia biológica disuelta en una masa biológica sólida usando bacterias adecuadas, generalmente presentes en estas aguas. Una vez que la masa biológica es separada o removida (proceso llamado sedimentación secundaria), el agua tratada puede experimentar procesos adicionales (tratamiento terciario) como desinfección, filtración, etc. El efluente final puede ser descargado o reintroducido de vuelta a un cuerpo de agua natural (corriente, río o bahía) u otro ambiente (terreno superficial, subsuelo, etc.). Los sólidos biológicos segregados experimentan un tratamiento y neutralización adicional antes de la descarga o reutilización apropiada. La combinación de los residuos líquidos procedentes tanto de residenciales como de instituciones públicas y establecimientos industriales, comerciales a los que puede agregarse eventualmente aguas subterráneas superficiales y pluviales.
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Q diseño = Q industrial + Q lluvias +Q subterráneas + Q superficiales
2. CONCEPTOS ÚTILES EN LA CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES a) Aguas Residuales Domesticas (ARD) Son los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales.
b) Aguas residuales municipales: Son los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población y trasladados en una planta municipal
c) Aguas Residuales Industriales Son aguas residuales provenientes de las descargas de industrias de manufactura
d) Aguas Negras Son aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas q transportan excrementos humanos y orina, ricas en sólidos suspendidos, nitrógeno y doliformes fecales.
e) Aguas Grises Son aguas residuales provenientes de tinas, duchas, lavamanos y lavadoras, a portantes de DBO, sólidos suspendidos, fosforo, grasas .doliformes fecales, esto es , aguas residuales domesticas excluyendo a los inodoros.
f) Planta De Tratamiento De Aguas Residuales Es la unidad o conjunto de unidades destinadas a mejorar la calidad del agua de tal forma que produzcan en los cuerpos receptores, efectos compatibles con las exigencias legales y/o con la utilización aguas bajo la población
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g) Aguas residuales: Desecho liquido constituido por aguas domesticas e industriales, aguas de filtración y de contribución pluvial por malas conexiones.
h) Proceso de tratamiento: Formas particulares de de mejorar la calidad de aguas residuales mediante operaciones unitarias o procesos unitarios.
i) Operaciones unitarias: Métodos de tratamientos en las cuales predomina la aplicación de fuerzas físicas (rejas, mezclas, floculación, sedimentación, flotación y filtración)
j) Procesos químicos unitarios: Métodos de tratamiento en los cuales la remoción de contaminantes ocurre por la incorporación de productos químicos (precipitación, absorción y desinfección).
k) Procesos biológicos unitarios: Métodos de tratamiento en los cuales la remoción de contaminantes ocurre por medio de actividad biológica.
l) Sistema de tratamiento de aguas residuales Esta constituido por un proceso conjugado o conjunto de procesos de tratamiento que verifican en una P.T.A.R.
m) Cámara séptica Unidad de tratamiento primario consistente en un tanque donde se produce la sedimentación y eliminación de sólidos flotantes y la digestión anaeróbica de material sedimentado.
n) Tanque imhoff
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Unidad de tratamiento primario consistente en un tanque de dos pisos, en la cual la sedimentación se produce en el comportamiento superior y la digestión anaeróbica de los sólidos sedimentados en el interior.
o) Lagunas anaeróbicas Son aquellas unidades de tratamiento en las que la estabilización de la materia orgánica acontece sin el concurso de oxigeno disuelto en el agua. Ocurren principalmente fenómenos de digestión acida y fermentación.
p) Lagunas facultativas Son unidades de tratamiento en las cuales suceden fenómenos de fermentación anaerobia (en el fondo), oxidación aeróbica y reducción fotosintética en las capas superiores.
q) Laguas aeróbicas Unidades de tratamiento donde la oxidación y fotosíntesis están balanceadas al limite de producir una estabilización aeróbica con oxigeno disuelto de agua.
r) Lagunas de maduración Lagunas de maduración o acabado, tienen por objetivo principal reducir la concentración de doliformes y patógenos.
s) Lagunas aireadas Lagunas aireadas artificialmente mediante equipos mecánicos que suministran la cantidad necesaria de oxigeno.
t) Sistemas convencionales Son aquellos constituidos por procesos convencionales en secuencia que se describen a continuación:
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Tratamiento preliminar, comprende la remoción de los groseros por
cribado y remoción de arena por desarenación.
Tratamiento primario, comprende la remoción de sólidos por proceso de
sedimentación, el tratamiento o acondicionamiento del lodo por digestión anaeróbica o aeróbica y su remoción de humedad por espesamiento, pr gravedad, secado natural o disposición en lagunas.
Tratamiento secundario, comprende la remoción de materia orgánica por
actividad biológica.
u) Sistemas no convencionales Son aquellos constituidos por procesos no convencionales como ser lagunas de estabilización y reactores anaeróbicos.
v) Unidades complementarias y componentes de los sistemas s istemas Unidades cuyo fin es transportar, desviar o elevar el agua residual para interconectar y/o efectuar el control c ontrol de la operación de la P.T.A.R.
w) Grado de tratamiento o eficiencia de tratamiento Es la relación expresada en porcentaje entre la reducción de los valores de los parámetros característicos del agua residual en la relación del valor inicial.
x) Grado de tratamiento o eficiencia de tratamiento Es la relación expresada en porcentajes entre la reducción de los valores de los parámetros característicos del agua en relación la valor inicial.
y) Demanda Bioquímica De Oxigeno La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es una prueba usada para la determinación de los requerimientos de oxígeno para la degradación bioquímica de la materia orgánica en las aguas municipales, industriales y en general residual; su aplicación permite calcular los efectos de las descargas de los efluentes domésticos e industriales sobre la calidad de las aguas de los
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cuerpos receptores. Los datos de la prueba de la DBO se utilizan en ingeniería para diseñar las plantas de tratamiento de aguas residuales. Las muestras de agua residual o una dilución conveniente de las mismas, se incuban por cinco días a 20ºC en la oscuridad. La disminución de la concentración de oxígeno disuelto (OD), medida por el método Winkler o una modificación del mismo, durante el periodo de incubación, produce una medida de la DBO.
z) Demanda Química De Oxigeno Otro parámetro de la contaminación es la " demanda química de Oxígeno, ( DQO ) " . Esta es la determinación del oxígeno consumido pero se realiza por el
consumo de un reactivo oxidante. Se usa permanganato de potasio Esto permite una expresión de la demanda de oxígeno por vía química y rápidamente obtenible. Tarda 1 (una) hora y es útil para controlar, sobre todo, plantas experimentales. Esta expresión de oxígeno consumido tiene sus limitaciones en tipos de desagües. En el caso de desagües de frigoríficos dentro de ciertos líneas de tratamiento de planta industrial, se ha demostrado la confiabilidad de la correlación entre el oxígeno consumido y la DBO.
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3. CARACTERISTICAS DE AGUAS RESIDUALES 3. 1. FÍSICAS
Temperatura del agua: desde 15 a 20ºC, dependerá del lugar de procedencia
Sólidos: cantidad de sólidos que presenta el agua
PH
3. 2. CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
compuestos inorgánicos (sales nutrientes tóxicos )
gases( oxigeno disuelto , metano, met ano, amoniaco, sulfuro de hidrogeno)
compuestos orgánicos (hidratos de carbono) car bono)
3. .3 CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS
microorganismos
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4. PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 4. 1. CAMPO DE APLICACIÓN Esta dirigido a los sistemas de tratamiento de aguas residuales y las consideraciones que deben tomar en cuenta el diseño.
4. 2. TRATAMIENTOS PRELIMINARES Destinadas ala preparación de las aguas residuales para la composición o tratamiento estas se subdividen en:
rejas
desarenador
tanques desengrasadores
aireación
4. 3. TRATAMIENTOS PRIMARIOS Los tratamientos primarios son completamentarios a los preliminares y pueden incluir
tanques sépticos
tanque inhoff
sedimentadores simples primarios
precipitación química y sedimentación
digestión de lodos
lechos de secado Página 11
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4. 4. TRATAMIENTO SECUNDARIO Complementa los tratamientos precedentes y debe incluir un proceso biológico adecuado y una sedimentación final (secundarios). Se acostumbra calificar al tratamiento secundario como complemento o tratamiento en ciclo completo.
Tratamientos biológicos aerobios.
Tratamientos biológicos anaeróbicos
Tratamientos terciarios
Desinfección
aa) Tratamientos biológicos aerobios
Filtros percoladores (biológicos)
De baja carga.
De alta carga.
Lodos activados.
De baja carga.
De alta carga.
Con aireación prolongada.
Sistemas de lagunas de estabilización.
bb)Tratamientos biológicos aerobios.
Reactores aerobios de flujo ascendente.
Reactores aerobios de lecho fluidizado. Página 12
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Filtros anaerobios.
4. 5. TRATAMIENTOS TERCIARIOS: Completamente siempre que las condiciones locales exijan eventualmente un grado mas elevado de depuración o de remoción de nutrientes, para evitar la eutroficación en el cuerpo receptor.
Los procesos complementarios que pueden ser aplicados son:
Procesos físico-químicos
Procesos-biológicos.
Desinfección: Cuando sea necesario, se realiza la cloración de las aguas residuales o de los influentes de las estaciones de tratamiento.
4.6. DESARROLLO DE PROYECTOS SANITARIOS Concepción del sistema El grado de tratamiento de las aguas residuales estará en función del impacto ambiental que establece la clasificación del recurso receptor donde se verterán los efluentes y de acuerdo ala reglamentación de la ley de medio ambiente. Cada caso debe ser estudiado cuidadosamente por el proyectista sobre la base del análisis y selección del tratamiento más apropiado y económico.
Elementos Necesarios Para el desarrollo de los proyectos hidráulicos sanitarios de las PTAR se considera esencialmente el conocimiento de un cierto número de elementos al
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inicio del proyecto y su estimación para las faces posteriores. Tales elementos se describen a continuación: a)
La información básica de concepción de los sistemas de aguas residuales
del área del proyecto, enfatizando la evaluación del impacto ambiental b)
La población contribuyente de la PTAR en el inicio y fin del proyecto, y
las etapas intermedias. c) Los caudales de aguas residuales industriales para las diversas faces del proyecto. d) Los caudales de las aguas residuales industriales para las diversas faces del proyecto. e) Las características preventivas de aguas residuales afluente ala PTAR para las varias faces del proyecto. f) Las exigencias legales referentes al destino final del agua residual tratada según, los usos posibles de agua del cuerpo receptor establecidos en la reglamentación de la ley del medio ambiente. g) Los puntos de lanzamiento y los respectivos cuerpos receptores definidos en la información básica. h) La calcificación de los usos del aguas en la región susceptible de ser afectada por el lanzamiento de aguas residuales. i)
Las características del cuerpo receptor, que son alteradas por el lanzamiento de
aguas residuales y que puedan intervenir en el uso del agua. j)
El régimen de escurrimiento y/o variación de caudales del cuerpo receptor.
k) Las áreas disponibles para la construcción dela PTAR. l)
Sondeos geológicos de reconocimiento del subsuelo en el área de la PTAR.
m) Elevamiento topográfico del área disponible. n) Nivel de inundación de la máxima avenida del cuerpo receptor o régimen de variación de nivel del mismo receptor. Página 14
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Actividades necesarias Para el desarrollo de los proyectos hidráulicos sanitarios de la PTAR. Son consideradas importantes las siguientes actividades: a) Seleccionar e interpretar los elementos disponibles para el proyecto. b) Fijar los grados de tratamiento necesario. c) Definir las alternativas de procesos de tratamiento para las faces liquidas y solidas. d) Seleccionar los parámetros de dimensionamiento de la PTAR: y establecer sus valores. e) Redimensionar las unidades de los procesos definidos. f) Elaborar el perfil hidráulico preliminar para las diversas unidades y otros componentes. g) Evaluar los costos totales para las diversas alternativas. h) Efectuar la comparación técnico económico de las unidades seleccionadas y escoger la alternativa más conveniente. i)
Efectuar un redimensionamiento de las diversas unidades complementarias y otros
componentes. j)
Escoger los equipos y especificar las características que acompañan el proyecto
hidráulico sanitario. k) Distribuir las unidades de tratamiento tomando en cuenta la circulación de personas y vehículos para efectos de mantenimiento da demás buscar una estética arquitectónica y paisajista. l)
Elaborar el perfil hidráulico en función de la distribución definitiva.
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5. TRATAMIENTO PRELIMINAR 5.1. CRIBADO: El cribado es la recepción de del material grueso del agua, mediante el paso de ella por una criba o rejilla. De acuerdo con el método de limpieza, las rejillas o cribas son de limpieza manual o mecánica según el tamaño de aberturas se clasifica como rejillas gruesas o finas. Las gruesas son aquellas con aberturas iguales o mayores de 0.64cm ( 1/4”) mientras que las finas tienen aberturas, menores de 0.64cm.
En el tratamiento de aguas residuales se usan rejillas gruesas, principalmente de barras o varillas de acero, para proteger bombas, válvulas, tuberías, y equipos, etc., el taponamiento e interferencia causada por trapos, tarros y objetos grandes. Página 16
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Las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales pueden o no tener rejillas, según las características del residuo. Las partículas suspendidas mayores que 0.64 cm. Pueden removerse mas económicamente mediante cribado que por cualquier otra operación unitaria .Las rejillas finas son generalmente de tipo tambor.
El canal de acceso a la rejilla debe diseñarse para prevenir la acumulación de arena u otro material pesado y después de la rejilla. El canal debe, preferiblemente ser horizontal, recto y perpendicular a la rejilla para promover una distribución uniforme de los sólidos retenidos por ella. características de rejillas de barras De limpieza
De limpieza
manual
mecánica
Ancho de las barras
0,5 - 1,5 cm.
0,5 - 1,5 cm.
Profundidad de las barras
2,5 - 7,5 cm.
2,5 - 7,5 cm.
2,5 - 5,0 cm.
2,5 - 5,0 cm.
30º - 45º
0º - 30º
0,3 -0,6 m/s.
0,6 - 1 m/s
características
Abertura o espaciamiento Pendiente con la vertical Velocidad de acercamiento
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Perdida de energía
15 m.
permisible
16 m
5 . 2. DESARENADORES Los desarenadores, en tratamiento de aguas residuales, se usan para remover arena, grava, partículas u otro material solido pesado que tenga velocidad de asentamiento o peso especifico bastante mayor que el de los sólidos orgánicos degradables de las aguas residuales. Los desarenadores protegen el equipo mecánico del desgaste anormal y reducen la formación de los depósitos pesados en tuberías, canales y conductos .Además minimizan la frecuencia requerida de limpieza de digestores, en aquellos casos en q se presenta una acumulación excesiva de arena en dichas unidades.
Los desarenadores pueden localizarse antes de todas las demás unidades de tratamiento, si con ello se facilita la operación de las demás etapas del proceso. Sin embargo la instalación de rejillas entes del desarenador, también Los desarenadores pueden ser del tipo de limpieza mecánico o de limpieza manual, dependiendo de si se dotan o no de equipo mecánico de remoción seleccionado. El Página 18
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tipo de desarenador mas usado es el de flujo horizontal, en el cual el agua pasa a lo largo del tanque en dirección longitudinal la velocidad horizontal del agua se controla mediante las dimensiones de la unidad o mediante un vertedero de sección especial a la salida. El de tipo aireado consiste en un tanque aireado, de flujo se controla mediante las dimensiones de la unidad por la cantidad de aire suministrado
Tipos de desarenadores:
Tipo Detritus (son los más conocidos y utilizados)
a)
Convencional: Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por el agua. Son generalmente de forma rectangular y alargada, dependiendo en gran parte de la disponibilidad de espacio y de las características geográficas. La parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la sedimentación.
b)
Desarenadores de flujo vertical: El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
Tipo vórtice: Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen dos diseños básicos: cámaras con fondo plano con abertura pequeña para recoger la arena y cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas
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aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través de la cámara de arena.
Zonas de un desarenador Zona de entrada Cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la captación. En esta zona se orientan las líneas de corriente mediante un dispositivo denominado pantalla deflectora, a fin de eliminar turbulencias en la zona de sedimentación, evitar chorros que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida y distribuir el afluente de la manera más uniforme posible en el área transversal.
En esta zona se encuentran dos estructuras : 1. Vertedero de exceso: Se coloca generalmente en una de las paredes paralelas a la dirección de entrada del flujo y tiene como función evacuar el exceso de caudal que transporta la línea de aducción en épocas de aguas altas. Si no se evacua el caudal excedente, por continuidad, aumenta el régimen de velocidad en la
zona de
sedimentación y con ello se disminuye la eficiencia del reactor. Se debe diseñar para evacuar la totalidad del caudal que pueda transportar la línea de aducción, cuando se de la eventualidad de tener que evacuar toda el agua presente. Página 20
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2. Pantalla deflectora: Separa la zona de entrada y la zona de sedimentación, en ella se realizan ranuras u orificios, de acuerdo con el diseño, a través de los cuales el agua pasa con un régimen de velocidades adecuado para que ocurra la sedimentación, no debe sobrepasar de 0.3m/s. Los orificios pueden ser circulares, cuadrados o rectangulares, siendo los primeros los más adecuados.
Zona de sedimentación Sus características de régimen de flujo permiten la remoción de los sólidos del agua. La teoría de funcionamiento de la zona de sedimentación se basa en las siguientes suposiciones: Asentamiento sucede como lo haría en un recipiente con fluido en reposo de la misma profundidad. La concentración de las partículas a la entrada de la zona de sedimentación es homogénea, es decir, la concentración de partículas en suspensión de cada tamaño es uniforme en toda la sección transversal perpendicular al flujo. La velocidad horizontal del fluido está por debajo de la velocidad de arrastre de los lodos, una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las partículas en el desarenador es una línea recta. En esta zona se encuentra la siguiente estructura: Cortina para sólidos flotantes: Es una vigueta que se coloca en la zona de sedimentación, cuya función es producir la precipitación al fondo del desarenador de las partículas o sólidos como hojas y palos que pueden escapar a la acción desarenadora del reactor.
Zona de lodos Recibe y almacena los lodos sedimentados que se depositan en el fondo del desarenador. Entre el 60% y el 90% queda almacenado en el primer tercio de su longitud. En su diseño Página 21
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deben tenerse en cuenta dos aspectos: la forma de remoción de lodos y la velocidad horizontal del agua del fondo, pues si esta es grande las partículas asentadas pueden ser suspendidas de nuevo en el flujo y llevadas al afluente.
Zona de salida Esta zona tiene por objeto mantener uniformemente distribuido el flujo a la salida de la zona de sedimentación, para mantener uniforme la velocidad. El tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción de partículas que pueden ser puestas en suspensión en el flujo. Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales podríamos clasificar en: vertederos de rebose, canaletas de rebose, orificios (circulares o cuadrados)
5.3. DESMENUZADORES Son mecanismos que se instalan en el canal de llegada de forma tal que todo el caudal que ingresa a la planta tenga que pasar por ellos. Su función es cortar las partículas de gran tamaño de forma tal que los pedazos puedan sedimentarse en los desarenadores o en los sedimentadores primarios.
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5.3. DESENGRASADORES
Sistema que tiene por finalidad la eliminación de grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que el agua para evitar interferencias en procesos posteriores. De esta forma se evita la sobrecarga de las siguientes unidades de tratamiento y la aparición de organismos filamentosos en los sistemas biológicos.
Los desengrasadores pueden ser independientes del desarenador cuando se necesita un rendimiento muy elevado de eliminación de grasas. Se diseñan Página 23
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normalmente aireados y suelen instalarse para la depuración de aguas residuales industriales.
Los desengrasadores se diseñan por lo general conjuntamente con el desarenador aireado, creándose una zona tranquilizadora donde se acumulan las grasas que se extraen al final del canal a través de un vertedero o una compuerta.
Las grasas extraídas son concentradas por medio de un concentrador de grasas o desnatador que por medio de un tornillo de transporte las deposita en un contenedor de almacenamiento.
Las grasas crean muchos problemas en la técnica de la depuración de aguas residuales, especialmente en las rejas de finos donde causan obstrucciones que aumentan los gastos de conservación, en los decantadotes donde forman una capa superficial que dificulta la sedimentación al atraer hacia la superficie pequeñas partículas de materia orgánica, en la depuración por fangos activos en la que empeora la correcta aireación disminuyendo el coeficiente de transferencia al 5570% al subir las grasas de 0 a 70 mg/l y participan en la producción de bulking, perturban el proceso de digestión de lodos, la D.Q.O. se incrementa en un 20 a un 30% por las grasas contenidas en los vertidos.
El sistema más comúnmente utilizado para la eliminación de grasas se lleva a cabo por insuflación de aire para desemulsionar las grasas permitiendo su ascenso a la superficie y su retirada. La velocidad ascensional de las burbujas de grasa Página 24
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puede estimarse entre 3 y 4 mm/s. Las grasas en superficie se retiran mediante rasquetas superficiales.
Sistema que tiene por finalidad la eliminación de grasas, aceites, espumas y materias flotantes más ligeras que el agua para evitar interferencias en procesos posteriores. De esta forma se evita la sobrecarga de las siguientes unidades de tratamiento y la aparición de organismos filamentosos en los sistemas biológicos.
El desengrasado en aguas urbanas es indispensable y suele instalarse de manera combinada con el desarenado, alternativa que presenta las siguientes ventajas:
Las velocidades de sedimentación de las arenas y de flotación de las partículas de grasa no se modifican prácticamente por realizar el desarenado y la desemulsión de grasas en el mismo depósito lo cual es lógico si se considera la diferencia de densidades entre las partículas de arena y grasa.
El aire comprimido añadido para la desemulsión ayuda a impedir la sedimentación de las partículas de fango, poco densas por lo que la arena depositada en el fondo del desarenador es más limpia.
Las partículas de arena, al sedimentar, deceleran las velocidades ascensionales de las partículas de grasa. Disponen así éstas de más tiempo para ponerse en contacto entre sí durante su recorrido hacia la superficie, aumentándose el rendimiento de la Página 25
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flotación de grasas.
6. TRATAMIENTO CONVENCIONAL 6.1. SEDIMENTADORES Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua residual se pasa a través de grandes tanques circulares o rectangulares. Estos tanques son comúnmente llamados clarificadores primarios o tanques de sedimentación primarios. Los tanques son lo suficientemente grandes, tal que los sólidos fecales pueden situarse y el material flotante como la grasa y plásticos pueden levantarse hacia la superficie y desnatarse. El propósito principal de la etapa primaria es producir generalmente un líquido homogéneo capaz de ser tratado biológicamente y unos fangos o lodos que puede ser tratado separadamente. Los tanques primarios de establecimiento se equipan generalmente con raspadores conducidos mecánicamente que llevan continuamente los fangos recogido hacia una tolva en la base del tanque donde mediante una bomba puede llevar a éste hacia otras etapas del tratamiento
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Tipos De Sedimentación Pueden considerarse tres tipos de mecanismos o procesos de sedimentación, dependiendo de la naturaleza de los sólidos presentes en suspensión
Sedimentación discreta: Las partículas que se depositan mantienen su individualidad, ósea no se somete a un proceso de coalescencia con otras partículas. En este caso , las propiedades físicas de las partículas no cambian durante el proceso. La deposición de partículas de arena en Página 27
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los desarenadores es un ejemplo de este proceso típico de sedimentación discreta
Sedimentación con floculación La aglomeración de las partículas va acompañada de cambios de densidad y la velocidad de sedimentación o precipitación. La sedimentación que se lleva a cabo en los clasificadores o sedimentadores primarios es un ejemplo de este proceso.
Sedimentación por zonas Las partículas forman una especia de manta que sedimenta como una masa total presentando una interface distinta con fase liquida ejemplo la sedimentación de lodos activos en los clasificadores secundarios y los floculos de alúmina en los procesos de tratamiento de aguas. En el tratamiento de aguas residuales se usa la sedimentación para los siguientes propósitos: Sedimentación primaria para remover sólidos sedimentales y material flotante de aguas residuales crudas, reduciendo así el contenido de sólidos suspendidos. Sedimentación intermedia para remover los sólidos y crecimientos biológicos preformados en reactores biológicos intermedios, como los filtros percoladores de primera etapa. Sedimentadores secundarios para remover la biomasa y sólidos suspendidos de reactores biológicos secundarios, como los procesos de lodos activados y los filtros percoladores. Sedimentadores terciarios para remover sólidos suspendidos y floculados, o precipitados químicamente, en plantas de tratamiento de aguas residuales.
En el diseño de tanques de sedimentación se deben tener en cuenta los siguientes criterios generales: Proveer una distribución uniforme del afluente para minimizar la velocidad de entrada y el cortocircuito. Página 28
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Proveer adecuada y rápida recolección del lodo sedimentado, así como de la espuma. Minimizar las corrientes de salida, limitando las cargas de rebose sobre el vertedero. El efluente debe salir sin alterar el contenido del tanque. Proveer profundidad suficiente para almacenar lodo y permitir su espesamiento adecuado. Proveer un borde libre mayor de 30 cm. Reducir efectos del viento mediante pantallas y vertederos. Evaluar opciones de diseño. Repartir uniformemente el caudal entre las unidades de sedimentación.
ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL FUNCIONAMIENTO DE TANQUES SEDIMENTADORES PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA Es sabido que para eliminar las impurezas en sólidos suspendidos con una densidad distinta de 1 g/cm cubico en aguas contaminadas, se usan frecuentemente procesos de sedimentación, mismos que se realizan en diferentes tipos de sedimentadores. Para poder diseñar, se necesita conocer las propiedades de las impurezas que se habrá que precipitar, porque de esto depende el tiempo de retención, el volumen total del tanque, el cono para almacenamiento de los sedimentos y las dimensiones o del diámetro del efluente. Para ello se requiere conocer la velocidad de precipitación (o de flotación) de impurezas en mm/s. Este fue un experimento realizado en Rusia y conocido bajo el término de “grueso hidráulico”, como una funci ón de los tamaños de las partículas,
las fuerzas de gravedad y Van der Waals, la ley de Arjimed, la agregación en caso de precipitación, la temperatura del agua y el flujo irregular , etc. (N.Y. Avdeev, 1966).El grueso hidráulico tiene vinculación muy estrecha con la eficiencia del tratamiento de las aguas: cada valor del grueso hidráulico resulta adecuada la eficiencia del tratamiento o del tamaño de particular eliminadas. Por eso, ayudandose de datos del grueso hidráulico se puede calcular
la duración del proceso de
sedimentación y también las dimensiones de las obra de tratamiento.
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El grueso hidráulico se define como la relación entre la profundidad definida y el tiempo de precipitación en mm por segundo. Para fijar simultaneamente estos parámetros se toman muestras analizando la concentración de sólidos suspendidos en el agua a una profundidad dada. Los muestreos se realizan a diferentes intervalos de tiempo, esto es a 0, 5, 15, 30, 45, 60, 90 y 120 minutos de iniciada la precipitación. Los métodos de análisis son estándares y como resultado del estudio se dibuja la curva de precipitación (fig.1)
Fig. 1. Curva de eficiencia de precipitación depende del tiempo y grueso hidráulico. De acuerdo con el comportamiento de la curva anterior se puede tener dos opciones: si conocemos el grueso hidráulico de impurezas eliminados podemos estimar la eficiencia del tratamiento y el tiempo necesario para alcanzar dicha eficiencia o, si lo que conocemos es la eficiencia, la gráfica permite obtener el tiempo y grueso hidráulico. Después de analizar el comportamiento de la precipitación, estaremos en condiciones de determinar la profundidad necesaria del sedimentador de acuerdo con Página 30
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la ecuación (1):
H = (T / t ) n x h,
(1)
Donde : n - coeficiente considerado las condiciones de impurezas de aguas (tabla 1); T - tiempo de precipitación en obra calculada, seg.; t - tiempo de precipitación determinada en probeta experimental, seg.; h - profundidad definitiva de sedimentación en modelación, cm. H – profundidad del sedimentador definitivo que tomamos de acuerdo de experiencia de tratamiento de aguas: del flujo horizontal – (1.5 – 3)m; del flujo radial – (1.5 – 5) m. Tomando en cuenta el tipo de agua la expresión anterior sirve para calcular T dependiendo de la profundidad del sedimentador H en condiciones reales(desde la superficie del agua libre hasta manto de protección que menor a 0.3 – 0.5 m de la profundidad total). También se puede tener el problema inverso al saber los tiempos de precipitación en el laboratorio y en la planta real podemos determinar la profundidad laboral del sedimentador por medio de la ecuación (1).
Tabla 1. Valores del coeficiente n depende de densidad de impurezas en aguas (experiencia rusa) N
Tipo de agua
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025
Aguas residuales, agua doméstica
0.40
Aguas con materias inorgánicas, con densidad D >= 2 – 3 g/cm3 Aguas con densidad de materiales d > 4 g/cm
0.60
En caso de que no exista la posibilidad de determinar el tiempo y la eficiencia, así mismo la precipitación experimental se puede usar los datos de tabla 2. (N.Y. Avdeev, 1966) Tabla 2. Tiempo de sedimentación (seg) de aguas tratadas en probeta con profundidad de precipitación 50 cm y temperatura De 20|°C. N = 0.25 E %
n = 0.4
n = 0.6
Concentración de impurezas en mg/l
1
2
3
5
5
1
2
3
2
3
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0
0
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0
0
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0
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0
0
0
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0
0
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0
0
0
0
0
0
1
1
1
4
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-
-
0
-
-
-
2
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3
-
-
0
0
0
5
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0
0
0
0
0
0
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5
3
2
1
1
1
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0
0
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5
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0
0
0
0
0
0
0
0
4
1
6
4
3
2
1
1
6
7
6
4
0
3
5
5
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8
8
0
5
0
5
2
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0
0
0
0
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0 5
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9
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4
2
2
2
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0
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0
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0
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0
0
0
0 6
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2
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0
0
0
0
0
0
0
0
0
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0
-
3
2
1
3
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1
1
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3
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0
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-
-
5
1
6
1
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8
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6
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7
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0
0
0
0
0
-
-
-
-
-
-
-
-
7 0
8
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0
9
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0
1
-
-
-
-
-
0
0
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3
1
2
6
0
3
0
8
0
0
0
-
-
1
0
8
0
5 0
Nota: en casos de que las temperaturas sean distintas de 20 °C se usan los coeficientes corregidos del tiempo de precipitación por medio del cambio de viscosidad (ver tabla Página 33
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3). Tabla 3 Temperatura
50
40
30
25
20
15
10
5
Coeficiente
0.55
0.66
0.80
0.90
1.0
1.14
1.30
1.50
(Cv)
Para calcular el sedimentador usamos las siguientes ecuaciones: El largo del sedimentador del flujo horizontal, m:
L = V x H / k U0 ;
(1.1)
el radio de sedimentadores de los flujos vertical y radial, m:
R = (Q /3.6 x 3.14 x k x U0 )*0.5,
(1.2)
Donde : Q – gasto calculado, m*3 /hr; V – velocidad del flujo promedio, (5 – 10) mm/s; k – coeficiente del uso útil de volumen del sedimentador, lo valor igual 0.5 para sedimentador horizontal, 0.45 – radial (circulo), 0.35 – vertical. Valor del grueso hidráulico puede ser determinado experimentalmente que es mejor o calculado:
U0 = (k x H / Cv x t) (h /k x H)*n – U, (1.3) Donde U – el componente vertical del flujo horizontal en sedimentador, cuando V = Página 34
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5 mm/s tenemos U = 0, cuando V = 10 mm/s – U = 0.05 mm/s. Para analizar el comportamiento de las impurezas en el agua (flotación, sedimentación), es necesario realizar pruebas experimentales que confirmen la teoría anterior.
6.2.LODOS ACTIVADOS El proceso de los lodos activados para el tratamiento de aguas negras está basado en proporcionar un contacto íntimo entre las aguas negras y lodos biológicamente activos. Los lodos se desarrollan inicialmente por una aireación prolongada bajo condiciones que favorecen el crecimiento de organismos que tienen la habilidad especial de oxidar materia orgánica. Cuando los lodos que contienen estos organismos entran en contacto con las aguas negras, los materiales orgánicos se oxidan, y las partículas en suspensión y los coloides tienden a coagularse y formar un precipitado que se sedimenta con bastante rapidez. Es necesario un control de operación muy elevado para asegurar que se tenga una fuente suficiente de oxigeno, que exista un contacto íntimo y un mezclado continuo de las aguas negras y de los lodos, y que la relación del volumen de los lodos activados agregados al volumen de aguas negras que están bajo tratamiento se mantenga prácticamente constante.
Funcionamiento En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de alimento para su producción. Es importante indicar que la mezcla o agitación se efectúa por medios mecánicos (aereadores superficiales, sopladores, etc.) los cuales tiene doble función 1) Producir mezcla completa 2) Agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle. La representación Página 35
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esquemática del proceso se muestra en el diagrama mostrado a continuación.
Principios Del Proceso De Lodos Activados Instalación Típica Los elementos básicos de las instalaciones del proceso de lodos activados son:
Tanque de Aeración: Estructura donde el desagüe y los microorganismos son mezclados. Se produce reacción biológica.
Tanque Sedimentador: El desagüe mezclado procedente del tanque aereador es sedimentado separando los sólidos suspendidos (lodos activados), obteniéndose un desagüe tratado clarificado.
Equipo de Aeración: Inyección de oxígeno para activar las bacterias heterotróficas.
Sistema de Retorno de Lodos: El propósito de este sistema es el de mantener una Página 36
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alta concentración de microorganismos en el tanque de aeración. Una gran parte de sólidos biológicos sedimentables en el tanque sedimentado son retornados al tanque de aeración.
Exceso de Lodos y su Disposición: El exceso de lodos, debido al crecimiento bacteriano en el tanque de aeración, es eliminado, tratado y dispuesto.
Características de las Aguas Residuales Brutas Caudales, concentraciones de DBO5, presencia de tóxicos e inhibidores, etc. Es fundamental controlar el aumento puntual de la carga contaminante que los vertidos industriales, las operaciones de limpieza del alcantarillado o la puesta en marcha de alguna estación de bombeo parada durante largo tiempo pueden producir en el agua de entrada a la planta, así como los aumentos de caudal y arrastre de arenas que se producen en la época de lluvias en los sistemas de alcantarillado unitario. Calidad Exigida al Efluente Porcentaje de eliminación de DBO5, SS, bacterias coliformes, nitrógeno, grasas, etc. La calidad que las autoridades exijan al agua de salida de la planta, va a determinar tanto el funcionamiento del proceso como el control del mismo. Si se requiere un alto grado de tratamiento, el proceso deberá estar muy controlado y probablemente se requiera de un tratamiento adicional.
Tipos de lodos activados Convencional Este proceso se caracteriza por operar con régimen de flujo pistón. Fue la primera opción que se empleó, pero dado que los microorganismos se adaptan mejor al medio homogéneo, comenzaron a emplearse. Este proceso consiste de un tanque de aireación, un sedimentador secundario y una recirculación del lodo. El sistema de aireación puede estar constituido por difusores o aireadores mecánicos, obteniéndose eficiencia en la remoción de DBO5 entre el 85% y 95% para un tiempo de retención hidráulico que varía de 4 a 8 horas. Este proceso es sensible a sobrecargas.
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Diagrama de Flujo Convencional.
De Mezcla Completa Este proceso consiste básicamente en una mezcla completa de bacterias y agua residual en un tanque de aireación de micro burbuja. A medida que la población de microorganismos aumenta, se agrupan y forman flóculos para producir una masa activa llamada lodo activado que sedimentara en la unidad subsiguiente del sistema. Este tipo de tratamiento es el mas comúnmente utilizado a nivel mundial para tratar aguas residuales de ciudades de población media, además de ser uno de los procesos más estudiados y seguros, con el cual es posible lograr eficiencias en la remoción de los contaminantes entre 85% y 95% para un tiempo de retención hidráulico de 3 a 5 horas; muestra particular resistencia a los choques y sobrecargas. Este proceso se realiza en tanques en forma simétrica; en cualquier punto del estanque, hay igual proporción de líquidos y lodos e igual DBO.
Lodos de Aireación Prolongada o Extendida Conocido también como Oxidación Total. Su diagrama de flujo es esencialmente la misma que un sistema de mezcla completa excepto que no tiene sedimentador Página 38
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primario. El tiempo de retención hidráulico varía de 18 a 36 horas. Este período de aireación permite que las aguas residuales y lodo sean parcialmente digeridos en el tanque aireador, permitiendo su disposición sin ser necesaria una gran capacidad de digestión. Es posible lograr eficiencias en la remoción de los contaminantes entre el 90% y 95% para un tiempo de retención hidráulico superior a 8 horas.
Descripción del sistema El sistema está conformado por las siguientes unidades internas
Cámara de sedimentación primaria (digestión anaeróbia).
Cámara de aireación ( digestión aeróbia)
Cámara de sedimentación secundaria.
Cámara de cloración. ( Opcional )
Filtro UVC (Opcional)
Cámara de sedimentación primaria y digestión anaeróbica. En ésta cámara, que recibe el efluente crudo, la materia en suspensión sedimenta y se produce un primer tratamiento anaeróbico de la carga orgánica, así como la digestión de parte de los barros generados en la etapa aeróbica, aquí se tratan los sólidos gruesos ( papeles y algodones así como también la orina ).
Sistema de aireación El sistema de aireación, alimentado por soplador, dispersa el aire en el fondo de la cámara de aireación por medio de una serie de difusores de alto rendimiento y están diseñados de tal manera que son inobstruibles, impidiendo el retorno del líquido por la cañería al cesar el flujo de aire. En esta etapa se eliminan todos los elementos que provocan olores y también las grasas y detergentes.
Lodos de Flujo Pistón Se describe como aquel en que todas las partículas del fluido que entran a la unidad Página 39
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permanecen en ella el mismo tiempo. De esta manera, los elementos de fluido pasan a través del sistema y son descargados en la misma secuencia en que fueron introducidos y no hay ningún tipo de "dispersión axial" mientras el fluido se desplaza a lo largo del reactor.
Los objetivos del tratamiento de lodo son:
Estabilización para conseguir una degradación controlada de sustancias orgánicas y eliminación del olor.
Reducción del volumen y el peso
Higiene - muerte de organismos patogénicos
Mejora de las propiedades del lodo de las plantas de tratamiento para su utilización posterior o disposición final.
6.3. EL TRATAMIENTO DE LODOS Los sólidos primarios gruesos y los biosólidos secundarios acumulados en un proceso del tratamiento de aguas residuales se deben tratar y disponer de una manera segura y eficaz. Este material a menudo se contamina inadvertidamente con los compuestos orgánicos e inorgánicos tóxicos (por ejemplo: metales pesados). El propósito de la digestión es reducir la cantidad de materia orgánica y el número de los microorganismos presentes en los sólidos que causan enfermedades. Las opciones más comunes del tratamiento incluyen la digestión anaerobia, la digestión aerobia, y el abonamiento.
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Tipos De Lodos los lodos que producen los procesos de tratamiento de aguas son principalmente los siguientes
Lodos primarios proveniente de la sedimentación de aguas residuales
lodo secundario proveniente del tratamiento biológico de aguas residuales
lodos digeridos provenientes de los anteriores, separados o mezclados
lodos provenientes de coagulación y sedimentación de aguas y aguas residuales
lodos provenientes de planta de ablandamiento
lodos provenientes de desarenadores y rejillas
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Métodos de tratamiento de lodos:
Espesamiento de lodos de aguas residuales El espesamiento es, generalmente, la primera etapa del tratamiento de lodos, es un método desarrollado alrededor de 1950. Se utiliza espesamiento por gravedad o por flotación con aire disuelto para mejorar la operación de los digestores, rebajar el costo de los tratamientos o procesos aplicados después del espesamiento.
Espesamiento por gravedad: La sedimentación es un método común para separar sólidos de líquidos en tratamiento de aguas. Cuando la separación es para producir un efluente libre de sólidos se llama clarificación y cuando es para producir un lodo concentrado se denomina espesamiento.
Espesamiento por flotación: Este método, conocido en Estados Unidos desde 1930, se aplica a los lodos gelatinosos como los lodos activados y a lodos livianos de filtros percoladores, Para lodos primarios y lodos combinados se prefieren espesamiento por gravedad. El espesamiento por flotación con aire disuelto (FAD) es una separación de sólidos del líquido mediante la introducción de burbujas finas de aire dentro de la fase líquida. Las burbujas se adhieren a los sólidos y el empuje combinado del gas y el sólido hacen que suban a la superficie del líquido donde son removidos. En el sistema de FAD más usado para espesamiento de lodos (figura 6.9) se hace una presurización de una porción del tanque de flotación y se mezcla con los lodos afluentes antes de su entrar en la unidad de flotación.
La digestión anaeróbica La digestión anaeróbica es un proceso bacteriano que se realiza en ausencia del oxígeno. El proceso puede ser la digestión termofílica en la cual el fango se fermenta en tanques en una temperatura de 55 °C o mesofílica, en una temperatura alrededor de 36 °C. Sin embargo permitiendo tiempo de una retención más corta, así en los pequeños tanques, la digestión termofílica es más expansiva en términos de consumo de energía para calentar Página 42
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el fango. La digestión anaerobia genera biogás con una parte elevada de metano que se puede utilizar para el tanque y los motores o las micro turbinas del funcionamiento para otros procesos en sitio. En plantas de tratamiento grandes, se puede generar más energía eléctrica de la que las máquinas requieren. La generación del metano es una ventaja dominante del proceso anaeróbico. Su desventaja dominante es la del largo plazo requerido para el proceso (hasta 30 días) y el alto costo de capital..
Digestión aeróbica La digestión aeróbica es un proceso bacteriano que ocurre en presencia del oxígeno. Bajo condiciones aeróbicas, las bacterias consumen rápidamente la materia orgánica y la convierten en el dióxido de carbono. Una vez que haya una carencia de la materia orgánica, las bacterias mueren y son utilizadas como alimento por otras bacterias. Esta etapa del proceso se conoce como respiración endógena. La reducción de los sólidos ocurre en esta fase. Porque ocurre la digestión aeróbica mucho más rápidamente, los costos de capital de digestión aerobia son más bajos. Sin embargo, los gastos de explotación son característicos por ser mucho mayores para la digestión aeróbica debido a los costes energéticos para la aireación necesitada para agregar el oxígeno al proceso.
El abonamiento El abonamiento o composta es también un proceso aeróbico que implica el mezclar de los sólidos de las aguas residuales con fuentes del carbón tales como aserrín, paja o virutas de madera. En presencia del oxígeno, las bacterias digieren los sólidos de las aguas residuales y la fuente agregada del carbón y, al hacer eso, producen una cantidad grande de calor. Los procesos anaerobios y aerobios de la digestión pueden dar lugar a la destrucción de microorganismos y de parásitos causantes de enfermedades a un suficiente nivel para permitir que los sólidos digeridos que resultan sean aplicados con seguridad a la tierra usada como material de la enmienda del suelo (con las ventajas similares a la turba) o usada para la agricultura como fertilizante a condición de que los Página 43
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niveles de componentes tóxicos son suficientemente bajos.
Deposición de lodos. Cuando se produce un fango líquido, un tratamiento adicional puede ser requerido para hacerlo conveniente para la disposición final. Típicamente, los fangos se espesan (desecados) para reducir los volúmenes transportados para la disposición. Los procesos para reducir el contenido en agua incluyen lagunas en camas de sequía para producir una torta que pueda ser aplicada a la tierra o ser incinerada; el presionar, donde el fango se filtra mecánicamente, a través de las pantallas del paño para producir a menudo una torta firme; y centrifugación donde el fango es espesado centrífugo separando el sólido y el líquido. Los fangos se pueden disponer por la inyección líquida para aterrizar o por la disposición en un terraplén. Hay preocupaciones por la incineración del fango debido a los agentes contaminadores del aire en las emisiones, junto con el alto coste de combustible suplemental, haciendo esto medios menos atractivos y menos comúnmente construidos del tratamiento y de la disposición del fango. No hay proceso que elimine totalmente los requisitos para la disposición de biosólidos. En Australia del sur, después de la centrifugación, el fango entonces es secado totalmente por la luz del sol. Los biosólidos ricos en nutrientes entonces se proporcionan a los granjeros para utilizar como fertilizante natural. Este método ha reducido la cantidad de terraplén generada por el proceso cada año.
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6.4. LECHOS DE SECADO Los lodos ya estabilizados en la etapa anterior (digestor) se envían a los lechos de secado donde se deshidratan.
El estrato filtrante se forma con 3 capas ; A) grava gruesa B) grava fina C) arena silica
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7.
LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
Las lagunas de Estabilización pueden considerarse, en términos generales, como una solución muy conveniente para el tratamiento de afluentes cuando las condiciones locales lo permiten. Mediante una acción física y por una conjunción de procesos desarrollados por bacterias y algas, se puede lograr una eficiente depuración de líquidos cloacales y de algunos desagües industriales, con un costo mínimo de mantenimiento.
La materia orgánica contenida en el líquido cloacal es aprovechada por las bacterias, aeróbicas o anaeróbicas en un principio del tratamiento, pero finalmente en aerobios como ya veremos. Estas bacterias al utilizar la materia orgánica producen dióxido de carbono (CO2), amoníaco (NH3), etc., que son sustancias que favorecen alas algas. En resumen puede decirse que en las lagunas se cumple un ciclo biológico en el que participan las algas, que sintetizan por fotosíntesis material celular, utilizando dióxido de carbono y produciendo oxígeno, siendo este último a su vez aprovechado por los microorganismos para oxidar el material orgánico del líquido cloacal que se incorpora a la laguna.
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Procesos que se desarrollan en las lagunas de estabilización La materia orgánica que ingresa en la laguna de estabilización se halla en estado de sólidos sedimentables y sólidos en suspensión, éstos a su vez en estado coloidal y diluido. Los sólidos sedimentables y coloidales floculados, sedimentan en el fondo de la laguna y particularmente en la zona de ingreso. En cambio, el resto de la materia orgánica permanece en la masa líquida. Los sólidos biodegradables depositados son estabilizados por las bacterias formadoras de ácidos y de metano que en condiciones anaeróbicas producen gases que escapan a la atmósfera, y compuestos solubles en la masa líquida. Las bacterias, especialmente las facultativas, estabilizan la fracción no sedimentables de la materia orgánica presente en el efluente y la solubilizada del lodo sedimentado.
Factores que influyen en las reacciones biológicas (no controlables por el hombre) 1. • Radiación solar: En las lagunas facultativas es fundamental la fotosíntesis Página 48
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realizada por las algas para producir el oxígeno requerido por las bacteria aeróbicas. La radiación solar que se produce durante el día interviene en forma directa en la fotosíntesis.
2.
• Temperatura del agua en las lagunas: Es un factor fundamental en el diseño
de la laguna. Los procesos de reducción de la materia orgánica por acción bacteriana son dependientes de la temperatura. Un aumento de 4 – 5 °C en la temperatura puede aumentar enormemente la eficiencia de la laguna.
3.
• Vientos: Influyen en la aereación
y homogenización de los líquidos de las
lagunas, además de regular la temperatura. Los vientos además favorecen la mezcla y rotura de la estratificación térmica.
Factores que influyen en las reacciones biológicas (controlables por el hombre) • Carga orgánica superficial (kg DBO/d.hab). • Profundidad de la laguna
(m).
• Distribución del ingreso de la carga hidráulica . • Período de detención hidráulica
(d).
• Operación en serie o en paralelo.
Condiciones generales para el diseño • Debe ubicarse alejadas de núcleos
urbanos (como mínimo 1000 m)
• La dirección de los vientos predominantes debe seguir la dirección del flujo en la
laguna para alejar olores. • La relación ancho: largo será de 3:6 y se evitará la formación de islas. Radio mínimo
en extremo: 5m Página 49
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• La altura de los diques de tierra entre el coronamiento y el líquido será > 0,5 m y los
taludes internos y externos tendrán una inclinación de vertical:horiz = 1:2. Y o,5 m debajo y por sobre el líquido debe haber un revestimiento de pasto, hormigón, ladrillos u otros que aplaquen el oleaje. • Cuando exista infiltración, debe impermeabilizarse el fondo. • El ingreso a la laguna se hará por medio de al mens 2 emisarios sumergidos • El sistema de salida no debe dejar lugares muertos. Se recomienda ig ual número de
entradas que de salidas.
7.1. LAGUNAS AEROBIAS Las lagunas aeróbias, que suelen llamarse también “lagunas de oxidación”,
son
aquellas que basan su funcionamiento en el mecanismo de la oxidación, por medio de la cual la materia orgánica es descompuesta. El oxígeno es suministrado fundamentalmente por la acción de la fotosíntesis, que requiere un gran desarrollo de algas, las que pueden ser removidas como un producto residual estimable. Las lagunas aeróbias han sido desarrolladas principalmente para llevar a cabo estudios experimentales de laboratorio y plantas pilotos en pequeña escala, de superficies de aproximadamente 40m2. Estas unidades funcionan con bajos tirantes del orden de 0,15m a 0,30m y cargas variables de D.B.O., entre 110 y 120kg/ha.día y períodos de detención de 2 a 6 días. La razón de la baja profundidad es facilitar la penetración de la luz y generalmente son revestidas para permitir la mezcla e impedir el crecimiento de maleza. Este tipo de laguna presenta la ventaja de no provocar problemas de olores desagradables y la eficiencia en la remoción de la D.B.O. puede alcanzar valores del 80 al 95%. Página 50
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Estas lagunas tienen como fuentes de oxígeno el producido por las algas por medio de la fotosíntesis. El oxígeno así producido por las algas es utilizado a su vez por las bacterias aeróbicas que lo utilizan para oxidar la materia orgánica descargada en la laguna.
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6.3. LAGUNAS ANAEROBIAS INTRODUCCIÓN Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta razón, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de maduración. Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año.
FUNDAMENTOS DE LA DEPURACION EN LAGUNAS ANAEROBIAS Como su nombre indica, en las lagunas anaerobias se produce la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. En estas condiciones, la estabilización tiene lugar mediante las etapas siguientes.
- Hidrólisis. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las dos etapas siguientes.
- Formación de ácidos . Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos. Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y Página 56
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butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadoras de ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación con los productos de partida, la reducción de DBO5 o DQO en esta etapa es pequeña.
- Formación de metano . En la figura 5.1. Se recoge una representación secuencial de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Una vez que se han formado estos ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte en poca cantidad de la composición normal de la atmósfera. La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas, que son un síntoma de buen funcionamiento en las lagunas anaerobias. Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.
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FIGURA 5.1 CONDICIONES OPERATIVAS DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS Teniendo en cuenta la secuencia de etapas por las que tiene lugar la digestión anaerobia, es necesario ajustar las condiciones operativas de las lagunas para que se produzca la estabilización de la materia orgánica hasta los productos finales metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). En primer lugar, si las balsas operan con tiempos de retención muy pequeños, sólo las fases hidrolítica y acidogénica tienen tiempo de desarrollarse, pero no la de formación de metano, que es más lenta, y por tanto, se producirán olores y se obtendrá una eliminación muy baja de la materia orgánica. Por otra parte, si la carga es escasa y el tiempo de retención elevado, comienzan a desarrollarse algas en superficie, y el oxigeno producido da lugar a la muerte de las bacterias metanígenas, también con el resultado de desarrollo de olores desagradables. Por tanto, las lagunas anaerobias requieren un mantenimiento adecuado para preservar en todo momento el equilibrio entre las fase responsables de la depuración. Otro factor que influye en el comportamiento de las lagunas anaerobias es la temperatura. Las bacterias metanigenas crecen mejor cuanto mayor es la temperatura, con un intervalo óptimo de crecimiento entre 30-35º C. Por tanto, las lagunas anaerobias Página 58
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presentan una actividad muy superior durante el verano, lo que puede comprobarse fácilmente observando la cantidad de burbujas que aparecen en superficie en las distintas épocas del año. En la tabla 5.1 aparecen los intervalos óptimos y extremos para la fermentación anaerobia de materia orgánica.
TABLA 5.1* Intervalos óptimo y extremo de temperatura, pH y potencial redox en lagunas anaeróbica
El potencial redox mide la tendencia de las especies químicas a oxidarse o reducirse, es decir, dar o aceptar electrones. Los potenciales redox que pueden presentarse en la naturaleza van desde un mínimo de -0,42 voltios hasta un máximo de +0,82 voltios. El límite inferior corresponde a un ambiente muy reductor, rico en hidrógeno gas, y por tanto, apropiado para el crecimiento de microorganismos anaerobios estrictos, como son las bacterias metanigenas. El límite máximo se produce en ambientes muy oxigenados, Y por tanto, oxidantes.
Entre los mecanismos que ayudan a mantener el ambiente anaerobio necesario para el buen funcionamiento de estas balsas destacan los siguientes: 1. La abundante carga orgánica, presente en esta primera fase del tratamiento, da lugar a que el posible oxígeno introducido en las lagunas con el influente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamente adyacente a la entrada o a la superficie. 2. En las lagunas anaerobias se produce la reducción de los sulfatos, que entran con el agua residual, a sulfuros. La presencia de sulfuros en el medio disminuye la posibilidad de crecimiento de las algas en dos formas (Dinges, 1982): a)
La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por
la presencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables Página 59
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de la tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondo de las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos. b)
Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de
residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden el crecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias. 3. Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico es despreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta (Bowie y col., 1985). Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de la degradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias que confieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven en la zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental. Los pigmentos que poseen estas bacterias le dan a las lagunas una coloración rosa o roja. La presencia de estas bacterias es indicativa de carga insuficiente en las lagunas anaerobias, y conviene tomar las mismas medidas discutidas anteriormente para impedir la aparición de algas en superficie. En algunos casos la presencia de estas bacterias puede resultar beneficiosa, ya que al oxidar a los sulfuros evitan la aparición de olores relacionados con la liberación de ácido sulfhídrico. Sin embargo, la carga orgánica apenas se modifica por la acción de estas bacterias, y las lagunas rojas presentan típicamente unas concentraciones muy elevadas de carga orgánica a la salida
MORFOLOGIA DE LAS LAGUNAS ANAEROBIAS Las lagunas anaerobias se construyen de acuerdo con una de las dos concepciones básicas siguientes. a) Lagunas de gran tamaño, poca profundidad y tiempos de residencia del agua residual
medios. Este tipo de diseño se utiliza en Australia. Página 60
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b) Lagunas pequeñas, profundidad media a alta y tiempos cortos de residencia. Este
diseño es el normal en la mayoría de los países, incluyendo a España, especialmente como primera fase de la depuración, bien por lagunaje o utilizando algún otro método de tratamiento. Los factores que hay que tener en cuenta al proyectar una laguna anaerobia son fundamentalmente los aspectos de conservación del calor, sedimentación de materia en suspensión y almacenamiento de fangos. Considerando los mecanismos responsables de la degradación anaerobia y las variables ambientales que influyen sobre ellos, la morfología más apropiada es la descrita en el punto b. A continuación expondremos algunas de las características de las lagunas anaerobias y su efecto sobre el proceso global de depuración.
Profundidad y tamaño Como veíamos, hay una serie de razones por las que se debe escoger la alternativa b al proyectar las lagunas anaerobias, es decir, construir varias lagunas pequeñas, profundas y con tiempos cortos de residencia del agua residual. Las principales razones para esta elección son las siguientes: 1. Conservación de calor. La superficie expuesta a intercambios de calor con la atmósfera en lagunas profundas y de pequeño tamaño es muy reducida, y además, los taludes de tierra proporcionan un adecuado sistema de aislamiento para prevenir el enfriamiento excesivo del agua durante el invierno. De hecho, en lagunas anaerobias que operan en España, se han registrado temperaturas medias del agua a la salida de estas lagunas tan sólo 1-2º C por debajo del agua residual durante los meses de invierno 2. Disminución en los requerimientos de terreno. Cuando se usan lagunas profundas disminuye la necesidad de superficie a ocupar para alcanzar un determinado nivel de depuración. Las lagunas anaerobias profundas permiten reducir la superficie ocupada total por la planta de lagunaje en un 40-50%
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TABLA 5.2 Aspectos favorables para la construcción de lagunas anaerobias pequeñas y Profundas 3. Disminución del riesgo de arrastre de sólidos. En el diseño profundo, el fango sedimenta en el fondo de la balsa y es muy poco probable que se produzca su arrastre con la salida, que tiene lugar por superficie. 4. Oxigenación restringida al minimizar la superficie. Por una parte, al ser inferior la superficie la transferencia de oxigeno disminuye. Por otra, la mezcla inducida por la acción del viento es muy escasa, debido al efecto de los taludes y a la imposibilidad de formación de olas. 5. La concentración de sólidos en una zona pequeña favorece la compactación de los fangos. En lagunas anaerobias de gran tamaño y escasa profundidad se produce a menudo la flotación de los fangos, con el consiguiente peligro de arrastre por el efluente Sin embargo, en lagunas profundas (profundidad superior a 2,5 m.) el fango se acumula en el fondo, donde se produce su mineralización en condiciones anaerobias. 6. Los costos de mantenimiento son menores en lagunas profundas, ya que el fango se va acumulando durante un periodo de varios años (normalmente de 3-6 años), por lo que Página 62
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sólo es necesario el vaciado de las lagunas después de un tiempo elevado de utilización. De esta forma el diseño profundo no sólo facilita la acumulación de fangos, sino que proporciona un lugar de almacenamiento, donde tiene lugar su mineralización. 7. Las lagunas pequeñas y profundas son mucho más flexibles, ya que permiten establecer distintos tipos de circulación y modificar los tiempos de tratamiento si se detectan anomalías en su funcionamiento. Por otra parte, la disponibilidad de varias lagunas anaerobias es necesaria para las operaciones de vaciado y limpieza, y los costes implicados son mucho menores en lagunas pequeñas. 8. Dados los mecanismos por los que transcurre la degradación, un tiempo de residencia prolongado y una elevada superficie son contraproducentes, ya que de esta forma se favorece la oxigenación del medio (por reaireación y/o fotosíntesis), que como hemos visto da lugar a problemas en las lagunas anaerobias.
FIGURA 5.2. Esquema de una laguna anaerobia profunda Tiempo de retención Como hemos visto al discutir los mecanismos de la degradación anaerobia, hay que ajustar cuidadosamente el tiempo de retención, de modo que las fases acidogénicas y metanogénicas estén equilibradas y no haya posibilidad de desarrollo de algas en superficie. El tiempo de residencia recomendado en estas lagunas oscila entre 2-5 días, dependiendo de la naturaleza del vertido y del clima del lugar de emplazamiento. Se ha demostrado en numerosos estudios que tiempos de residencia superiores provocan un rápido deterioro de la calidad del efluente. Página 63
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Recirculación La recirculación consiste en tomar una parte del efluente de la laguna e introducirla de nuevo en ésta. El objetivo de esta operación es proporcionar una siembra de microorganismos adaptados a las condiciones de las lagunas anaerobias y conseguir un grado mayor de mezcla. Los estudios realizados en lagunas anaerobias han demostrado que la recirculación tiene un efecto contraproducente, porque la mayor turbulencia da lugar al mantenimiento de sólidos en suspensión, que en ausencia de recirculaciones s incorporan a la capa de fangos. Por otra parte, en lagunas anaerobias que operen correctamente el desprendimiento de burbujas es suficiente para garantizar un nivel adecuado de mezcla.
Formación de espumas en superficie La formación de espumas o costras en superficie es normal en lagunas anaerobias, y según algunos autores beneficiosos porque previene las pérdidas de calor, sobre todo en climas fríos, e impide la liberación de malos olores. En algunos países con climas muy rigurosos en invierno se favorece la formación de costra superficial mediante la colocación de paja o poliestireno (Dietz y col., 1966). El principal inconveniente de estas costras es la posibilidad del desarrollo de insectos, por lo que hay que tener cuidado en eliminarlas durante la parte central del año.
Carga orgánica La carga orgánica en lagunas anaerobias suele darse en relación al área superficial o volumen de las lagunas, es decir, como carga superficial o volumétrica. Esta última medida es más significativa para estas lagunas, ya que los fenómenos superficiales no tienen gran interés en la degradación anaerobia. Las cargas volumétricas empleadas normalmente en lagunas pequeñas y profundas están en el intervalo 100-400 g DBO5/m3día, dependiendo de la naturaleza del vertido.
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6.3.LAGUNAS FACULTATIVAS INTRODUCCIÓN Las lagunas facultativas son aquellas que poseen una zona aerobia y una zona anaerobia, situadas respectivamente en superficie y fondo. Por tanto, en estas lagunas podemos encontrar cualquier tipo de microorganismo, desde anaerobios estrictos en el fango del fondo hasta aerobios estrictos en la zona inmediatamente adyacente a la superficie. Sin embargo, los seres vivos más adaptados al medio serán los microorganismos facultativos, que pueden sobrevivir en las condiciones cambiantes de oxígeno disuelto típicas de estas lagunas a lo largo del día y del año. Además de las bacterias y protozoos, en las lagunas facultativas es esencial la presencia de algas, que son las principales suministradoras de oxígeno disuelto. A diferencia de lo que ocurre con las lagunas anaerobias, el objetivo perseguido en las lagunas facultativas es obtener un efluente de la mayor calidad posible, en el que se haya alcanzado una elevada estabilización de la materia orgánica, y una reducción en el contenido en nutrientes y bacterias coliformes.
FUNDAMENTOS DE LA DEPURACION DE LAGUNAS FACULTATIVAS La degradación de la materia orgánica en lagunas facultativas tiene lugar fundamentalmente, por la actividad metabólica de bacterias heterótrofas facultativas, que pueden desarrollarse tanto en presencia como en ausencia de oxigeno disuelto, si bien su velocidad de crecimiento, y por tanto la velocidad de depuración, es mayor en condiciones aerobias (Metcalf-Eddy). Puesto que la presencia de oxígeno es ventajosa para el tratamiento, las lagunas facultativas se diseñan de forma que se favorezcan los mecanismos de oxigenación del medio.
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Fofo 6 1. Coloración verde intensa de una laguna facultativa Las dos fuentes de oxigeno en lagunas facultativas son la actividad fotosintética de las algas y la reaireación a través de la superficie. Puesto que las algas necesitan luz para generar oxigeno, y la difusión de éste en el agua es muy lenta, las lagunas tienen normalmente poca profundidad (1-2 metros), para facilitar así un ambiente oxigenado en la mayor parte del perfil vertical. La profundidad a la cual se anula el contenido de oxigeno disuelto se llama oxipausa y varía a lo largo del día y del año. Uno de los signos de buen funcionamiento en las lagunas facultativas es el desarrollo de un color verde brillante debido a la presencia de algas. Las bacterias y algas actúan en forma simbiótica, con el resultado global de la degradación de la materia orgánica. Las bacterias utilizan el oxigeno suministrado por las algas para metabolizar en forma aeróbica los compuestos orgánicos. En este proceso se liberan nutrientes solubles (nitratos, fosfatos) y dióxido de carbono en grandes cantidades. Estos son utilizados por las algas en su crecimiento. De esta forma, la actividad de ambas es mutuamente beneficiosa (Mara,Dinges,; Brock,). En la figura 6.1 aparece un diagrama en el que se resume esta actividad coordinada entre algas y bacterias.
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FIGURA 6.1 Representación esquemática de la actividad de algas y bacterias en lagunas facultativas
Desde el punto de vista de la depuración, las bacterias se pueden describir como pequeños reactores bioquímicos, capaces de autorregularse. La oxidación biológica es la conversión bacteriana de los compuestos orgánicos hasta compuestos inorgánicos oxidados, proceso que se conoce con el nombre de mineralización. Como ejemplo de estos procesos tenemos:
bacterias
Carbono orgánico +O2 = CO2
Hidrógeno orgánico +O2 = H2O
Nitrógeno orgánico +O2 = NO3-
Fósforo orgánico +O2 = PO43-
Azufre orgánico +O2 = SO42-
Las bacterias oxidan los productos de desecho para conseguir la energía y materias primas necesarias para la síntesis de las moléculas complejas de las que están formadas (proteínas, polisacáridos, etc.). El proceso global de oxidación bacteriana puede describirse mediante la ecuación siguiente:
Bacterias. Materia orgánica + Oxigeno = Productos oxidados + Nuevas bacterias Página 67
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Por su parte, las algas sintetizan la materia orgánica de la que están constituidas en presencia de luz, para lo que necesitan, además, dióxido de carbono y nutrientes disueltos:
Algas, luz CO2 + Nutrientes disueltos = Nuevas algas + Oxigeno De esta forma, si combinamos la actividad de algas y bacterias, el proceso global es el siguiente:
Bacterias, algas Materia orgánica = Nuevas bacterias + Nuevas algas En conjunto se obtiene una estabilización de la materia orgánica, que se traduce en fuertes descensos de la demanda bioquímica de oxigeno y demanda química de oxigeno del agua a su paso por las lagunas facultativas (Mara, 1976). En la figura 6.2 aparece un esquema simplificado de los principales procesos por los que tiene lugar la depuración en lagunas facultativas.
FACTORES QUE AFECTAN A LA DEPURACION EN LAGUNAS FACULTATIVAS Factores climáticos Temperatura Como ocurre con todos los procesos biológicos, la temperatura presenta una influencia marcada en todas las etapas. En general, y para los intervalos de temperatura normales en las lagunas (de 0-30º C en España), se puede decir que la velocidad de la depuración aumenta con la temperatura, en especial en lo que concierne a la actividad de las bacterias.
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FIGURA 6.2 Esquema de los mecanismos responsables de la depuración en lagunas facultativas
Sin embargo, y en lo que respecta a las algas, se han detectado retardaciones importantes en la actividad fotosintética a temperaturas elevadas (superiores a 28º C), relacionadas con la estimulación del crecimiento de algas verdiazules (cianoficeas), menos productivas que las algas verdes (cloroficeas) a las que sustituyen (W. H. O., 1987). Puesto que este fenómeno coincide con una gran actividad de las bacterias, y por tanto, grandes consumos de oxígeno, pueden desarrollarse zonas anaerobias en las lagunas facultativas en épocas muy calurosas, especialmente si el calentamiento se produce de forma brusca. Normalmente esta situación es transitoria y las lagunas vuelven a funcionar correctamente al cabo de poco tiempo (AGAMIT, S. A., 1988; INYPSA, 1986). La depuración en lagunas facultativas es más lenta durante los meses de invierno, lo que debe tenerse en cuenta a la hora del diseño para evitar sobrecargas y mal funcionamiento en la época fría del año.
Radiación solar La luz es fundamental, como hemos visto, para la actividad fotosintética. Esta depende no sólo de la luz que alcanza la superficie del agua, sino de la que penetra en profundidad. Dado que el medio es normalmente muy turbio, debido sobre todo a la Página 69
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presencia de las mismas algas (este fenómeno se conoce como autosombreado), la luz que penetra en la laguna se atenúa rápidamente y se anula a poca distancia de la superficie. Por esta razón la profundidad de las lagunas debe ser pequeña, garantizando así que la mayor parte de la columna de agua va a contar con cierto grado de iluminación.
Viento La acción del viento en las lagunas facultativas es importante por dos razones (W. H. O., 1987): 1. La reaireación a través de la interfase aire-agua depende de la velocidad del viento.
FIGURA 6.3 Variación diaria de oxígeno y pH
2. El efecto de mezcla del viento puede evitar el desarrollo de estratificación térmica, aunque en ocasiones la acción del viento puede dar lugar a la aparición de problemas de flujo. Por tanto, el proyectista debe estudiar cuidadosamente el régimen de vientos en la zona Página 70
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donde se va a construir la depuradora por lagunaje, de forma que el diseño se beneficie al máximo del efecto del viento en el área. Por ejemplo, hay que evitar que se produzcan corrientes superficiales estimuladas por el empuje del viento entre la entrada y la salida. Para ello habría que reorientar la laguna o la posición de la alimentación y el efluente. Por otra parte, es necesario estudiar el efecto de los taludes o de los árboles situados alrededor de la planta en la reaireación de las lagunas, o en la posibilidad de aparición de estratificación si éstos actúan como cortavientos.
Evaporación Este factor debe tenerse en cuenta en climas muy cálidos y secos. Se considera que una evaporación diaria de 5 milímetros no provoca efectos apreciables en las lagunas (W. H. O., 1987). La repercusión principal de la evaporación es la concentración de los sólidos que contiene el agua almacenada. El consiguiente aumento de la salinidad puede resultar perjudicial si el efluente se va a emplear en riegos.
Precipitación El efecto inmediato de la lluvia es provocar un aumento del caudal de entrada, por lo que el tiempo de residencia del agua disminuye. Cuando la lluvia es fuerte, la turbulencia que ésta genera da lugar a que las lagunas aparezcan revueltas. El oxigeno disuelto suele bajar después de las tormentas debido a la demanda adicional de oxígeno provocada por los sólidos arrastrados por el agua de lluvia y los sedimentos de las lagunas que se mezclan con la columna de agua. Este último fenómeno es especialmente importante en días cálidos, cuando la caída de tormentas provoca el enfriamiento superficial de las lagunas, con lo que se crea una capa de inversión que favorece el desprendimiento de fangos hacia la superficie. Otro efecto de la lluvia es una cierta oxigenación en la zona superficial de las lagunas, debida tanto al propio contenido en oxigeno de la lluvia como a la turbulencia que provoca con su caída.
Factores físicos Estratificación Puesto que la densidad del agua cambia con la temperatura, es mínima a 4º C y aumenta Página 71
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para temperaturas menores o mayores, el agua más cálida es más ligera y tiende a «flotar» sobre las capas más frías. Como durante los meses de primavera y verano el calentamiento tiene lugar desde la superficie, las capas superiores están más calientes que las inferiores, son menos densas y flotan sobre ellas sin que se produzca la mezcla entre unas y otras. Este fenómeno es lo que se conoce como estratificación. Si las lagunas son suficientemente profundas la estratificación aparece a medida que progresa la primavera, y se mantiene hasta mediados de otoño. En lagunas poco profundas, la acción del viento es suficiente para romper esta distribución por densidades y dar lugar a la homogeneización de toda la columna de agua. La zona próxima a la superficie, más cálida y con una temperatura casi uniforme, es el epilimnio. La zona central, en la que la temperatura desciende bruscamente al aumentar la profundidad, es la termoclina. Por último, la zona del fondo, que presenta una temperatura más baja, es el hipolimnio. El efecto principal de la estratificación térmica en lagunas facultativas es la segregación a efectos de flujo de la capa fría inferior. Como la alimentación a la laguna facultativa viene directamente del alcantarillado o de las lagunas anaerobias, su temperatura es normalmente alta, similar a la que existe en el epilimnio. Puesto que su densidad es también similar a la del agua en el epilimnio, se mezcla únicamente con ésta, es decir, se distribuye en una capa fina próxima a la superficie, y ocupa sólo una fracción del volumen de la laguna.
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FIGURA 6.4 Perfiles verticales de temperatura en distintas épocas del ano en una masa de agua estratificada: a) homotermicidad vertical en invierno; b) estratificación térmica a comienzos del verano, y c) profundización de la termoclina a finales del verano d)
En estas condiciones, el tiempo de residencia es inferior al de diseño, por lo que no hay tiempo suficiente para la mineralización de la materia orgánica, y el efluente presenta concentraciones anormalmente altas de DBO5 y DQO .Cuando esto ocurre hay que tomar medidas especiales que estudiaremos con más detalle en e apartado de mantenimiento. Fundamentalmente, las medidas a tomar consistirían en disminuir la altura de agua de trabajo o intentar romper la estratificación mediante alteraciones de la posición de entradas y salidas de agua.
Flujo a través de las lagunas La actividad biológica en las lagunas facultativas está muy influida por las características de la circulación del agua. Cuando se proyecta una laguna facultativa. Se calcula el tiempo necesario para alcanzar un determinado grado de depuración. Este tiempo se denomina tiempo teórico de retención, y resulta de dividir el volumen de la laguna por el Página 73
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caudal de agua a tratar que recibe. La circulación del agua a través de la laguna viene afectada por la forma y tamaño de ésta, la situación de entradas y salidas, velocidad y dirección de los vientos dominantes, y, como veíamos anteriormente, la aparición de diferencias de densidad dentro del estanque Las anomalías de flujo más frecuentes se manifiestan en la aparición de zonas muertas, es decir, partes de la laguna en las que el agua permanece estancada durante largos períodos de tiempo.
Profundidad La profundidad de las lagunas facultativas suele fijarse entre 1-2 metros. El límite inferior viene condicionado a la posibilidad de crecimiento de vegetación emergente para profundidades menores, lo cual se desaconseja normalmente para evitar el desarrollo de mosquitos. En cuanto al límite superior, las profundidades inferiores a 2 metros tienen el objetivo de limitar la posibilidad de estratificación, así como favorecer un ambiente aerobio en la mayor parte del perfil vertical.
Factores químicos y bioquímicos pH El pH de las lagunas facultativas viene determinado fundamentalmente por la actividad fotosintética del fitoplancton y la degradación de la materia orgánica por las bacterias. Las algas consumen anhídrido carbónico en la fotosíntesis, lo que desplaza el equilibrio de los carbonatos y da lugar a un aumento del pH. Por otra parte, la degradación de la materia orgánica conduce a la formación de CO2 como producto final, lo que causa una disminución del pH. Cuando las lagunas facultativas están operando correctamente el pH presenta valores ligeramente alcalinos, del orden de 7,5-8,5. Debido a que la fotosíntesis depende de la radiación solar, el pH de las lagunas facultativas presenta variaciones durante el día y el año. Cuanto mayor es la intensidad luminosa, los valores del pH son más altos.
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Oxígeno disuelto El contenido de oxigeno disuelto en las lagunas facultativas es uno de los mejores indicadores sobre su funcionamiento. La principal fuente de oxígeno disuelto es la fotosíntesis, seguida por la reaireación superficial. Una laguna facultativa que opere correctamente debe tener una capa superficial oxigenada. La concentración de oxígeno disuelto presenta una variación sinusoidal a lo largo del día. El contenido en oxigeno es mínimo al amanecer y máximo por la tarde, y puede oscilar entre una valor nulo hasta la sobresaturación. Durante el verano es muy común encontrar que las lagunas están sobresaturadas de oxigeno disuelto en las capas superficiales. La concentración de oxigeno disuelto es máxima en superficie, y a medida que aumenta la profundidad va disminuyendo hasta anularse. La profundidad a la que se anula el oxigeno disuelto se llama oxipausa, y su posición depende de la actividad fotosintética, el consumo de oxigeno por las bacterias y el grado de mezcla inducido por el viento. En invierno la capa oxigenada tiende a ser mucho más reducida que en verano.
Nutrientes Los nutrientes son fundamentales para la buena marcha de la depuración en lagunas. El agua residual urbana posee un contenido en nutrientes adecuado para el desarrollo de los microorganismos responsables de la depuración sin que sea necesario ajustar la concentración de ninguno de ellos. A medida que progresa la depuración, y especialmente cuando se dispone de varias lagunas en serie, se va produciendo una eliminación de nutrientes que puede dar lugar a que uno o varios alcancen concentraciones limitantes para el desarrollo subsiguiente de algas o bacterias.
Ventajas
Pueden recibir y retener grandes cantidades de agua residual, soportando sobrecargas, hidráulicas y orgánicas con mayor flexibilidad, comparativamente con otros tratamientos.
Formación de biomasa mas efectiva y variada que los procesos de tratamiento Página 75
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con tanques sépticos y tanque inhoff
No requieren de instalaciones complementarias para la producción de oxigeno el mismo se produce en forma natural dentro del sistema
Debido a los tiempos de retención prologados y a los mecanismos de proceso. son sistemas altamente eficaces que lograra la remoción de bacterias, virus paracitos, comparativamente con otros tratamientos.
En lagunas no hay necesidad de desinfección con cloro. aquí la desinfección es natural
Mínimo mantenimiento
No requiere de personal calificado
Desventajas
Requieren de grandes áreas de terreno para su implantación
Es un sistema sensible a las condiciones climatológicas
Puede producir vectores
No permite modificaciones en las condiciones de proceso
La temperatura afecta muchísimo al proceso; puede ser controlada en parte variando la profundidad del enlagunamiento. En invierno hay, por supuesto, menor producción de oxígeno siempre en función de la cantidad de algas y de luz.
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8.
EL USO DE AGUAS RESIDUALES Hoy día, las actividades humanas y su desarrollo, tanto social como económico deben respetar lo que se ha denominado “desarrollo sostenible”, definiéndose ést e como “la satisfacción de las necesidades de la generación actual sin comprometer
la capacidad de cubrir las necesidades de las generaciones futuras La escasez cada vez mayor de las aguas dulces debido al crecimiento demográfico, a la urbanización y, probablemente, a los cambios climáticos, ha dado lugar al uso creciente de aguas residuales para la agricultura, la acuicultura, la recarga de aguas subterráneas y otras áreas. En algunos casos, las aguas residuales son el único recurso hídrico de las comunidades pobres que subsisten por medio de la agricultura. Si bien el uso de aguas residuales en la agricultura puede aportar beneficios (incluidos los beneficios de salud como una mejor nutrición y provisión de alimentos para muchas viviendas), su uso no controlado generalmente está relacionado con impactos significativos sobre la salud humana. Estos impactos en la salud se pueden minimizar cuando se implementan buenas prácticas de manejo.
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Posible uso de las aguas residuales para la producción de biodiesel Esta alternativa ayudaría a que las poblaciones pequeñas amorticen el coste de las depuradoras Investigadores de la Universidad Rey Juan Carlos (URJC), junto con investigadores de las universidades de Alcalá y de las Palmas de Gran Canaria, del Centro de Nuevas Tecnologías del Agua y de la Fundación IMDEA Agua estudian el uso de aguas residuales tratadas enfocado a la producción de cultivos para la obtención de biodiesel. Esta alternativa podría ayudar a que poblaciones pequeñas amorticen parcialmente el coste que genera la depuración de las aguas residuales. URJC/T21.
Algunos estudios relacionados al uso de aguas residuales
Bio-gas
Investigan como obtener energía de las lagunas residuales gracias alas bacterias
Estudian como maximizar la obtención de energía a partir de lodos de depuradora.
Desarrollan un sistema para reutilizar con garantías sanitarias lodos procedentes de aguas residuales.
Crean biocombustibles a partir de aguas residuales crean un medio mas económico para descontaminar el agua y el suelo.
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10.
BIBLIOGRAF A
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Tratamiento De Aguas Residuales Ramalho
Aguas Residuales – Álvaro Orozco Jaramillo
Aguas Residuales Autor: Romero Rojas
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Ingeniería sanitaria 4 edición, Hardendergh y Rodie, editorial Continental S.A.
Tratamiento de agua residual, ejemplar 3, Jairo Alberto Romero Rojas, editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.
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