TRATAMIENTO QUÍMICO Y BIOTECNOLÓGICO DE AGUAS SERVIDAS, Y SU RECIRCULACIÓN A LA PLANTA
BRANDON STEEVEN ÁLVAREZ HIGUERA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE QUÍMICA TUNJA 2017
TRATAMIENTO QUÍMICO Y BIOTECNOLÓGICO DE AGUAS SERVIDAS, Y SU RECIRCULACIÓN A LA PLANTA
BRANDON STEEVEN ÁLVAREZ HIGUERA
Trabajo de investigación
DOCENTE VICTOR HUGO CELY NIÑO PHD EN INGENIERÍA
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE QUÍMICA TUNJA 2017
TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………….. 4 1. ¿QUÉ SON LAS AGUAS SERVIDAS?................................................5 2. TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS……………………………….5 2.1. Tratamiento primario……………………………………………… 5 2.1.1. Remoción de sólidos…………………………………………. .5 2.1.2. Remoción de arena…………………………………………… .5 2.1.3. Sedimentación………………………………………………….6 2.2. Tratamiento secundario……………………………………………6 2.2.1. Filtros de desbaste…………………………………………….7 2.2.2. Fangos activos…………………………………………………7 2.2.3. Camas filtrantes o camas de oxidación……………………..7 2.2.4. Reactor biológico de cama móvil…………………………….7 2.2.5. Reactor anaerobio de flujo ascendente……………………..8 2.2.6. Filtros aireados biológicos……………………………………8 2.2.7. Sedimentación secundaria…………………………………...8 2.3. Tratamiento terciario………………………………………………8 2.3.1. Filtración………………………………………………………..8 2.3.2. Lagunaje……………………………………………………….8 2.3.3. Remoción de nutrientes………………………………………9 2.3.4. Desinfección………………………………………………….10 3. REUSOS A NIVEL INDUSTRIAL………………………………………11 3.1. Agua de enfriamiento……………………………………………12 3.2. Agua de reposición de calderas………………………………..12 3.3. Agua industrial……………………………………………………12 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………….. 14
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INTRODUCCIÓN
En este trabajo se expone los tratamientos a las aguas residuales producto de actividades humanas a nivel doméstico como son las aguas de lavado, de retretes y de cocina. Estas aguas llevan un alto contenido de material orgánico que es un foco de contaminación a nivel global debido al incremento de la población y es fundamental la mitigación de los efectos nocivos que puedan conllevar el vertimiento de estas aguas servidas al ambiente. Por ello es indispensable conocer los diferentes métodos y técnicas para su purificación, realizar un correcto vertimiento de acuerdo a los parámetros establecidos por la entidad competente y de ser posible, su recirculación a la industria para su aprovechamiento.
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1. ¿QUÉ SON LAS AGUAS SERVIDAS? Son las aguas residuales domésticas y son el resultado de las actividades cotidianas de las personas. Se conocen como aguas grises cuando provienen de las actividades de lavado y si se encuentran en combinación con materia fecal y orina (sanitario) ya reciben el nombre de aguas negras. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación. Las aguas servidas contienen todos los organismos patógenos que afectan al hombre y que llegan al aparato digestivo. Son muy ricas en nutrientes como fósforo, nitrógeno, carbono y otros en formas simples y complejas (grasas, proteínas, azúcares, vitaminas, sales o compuestos inorgánicos). Los nutrientes causan demandas biológicas o bioquímicas de oxigeno (DBO) que pueden variar entre 100 y 400 mg/L. En estas aguas el número de bacterias coliformes varía entre 100 y 1000 millones por cada 100 mL. 2. TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS El tratamiento de aguas servidas se realiza con el fin de reducir la carga contaminante de las aguas provenientes de las actividades domésticas en las zonas residenciales. Este tratamiento se divide en 3 etapas fundamentalmente; primario, secundario y terciario. 2.1.
Tratamiento primario El tratamiento primario es para reducir aceites, grasas, arenas y sólidos gruesos para evitar posibles daños en los equipos sensibles en la planta de tratamiento de aguas residuales PTAR.
2.1.1. Remoción de sólidos El afluente es filtrado en cámaras de rejas para eliminar todos los objetos grandes que son depositados en el sistema de alcantarillado. Este es el más usado mediante una pantalla rastillada automatizada mecánicamente. 2.1.2. Remoción de arena Esta etapa típicamente incluye un canal de arena donde la velocidad de las aguas servidas es cuidadosamente controlada para permitir que la arena y las piedras de ésta tomen partículas, pero todavía se mantiene la mayoría del material orgánico con el 5
flujo. Este equipo es llamado colector de arena. La arena y las piedras necesitan ser quitadas a tiempo en el proceso para prevenir daño en las bombas y otros equipos en las etapas restantes del tratamiento. 2.1.3. Sedimentación Muchas plantas tienen una etapa de sedimentación donde el agua servida pasa a través de grandes tanques circulares o rectangulares. Estos tanques son conocidos como tanques clarificadores 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. Allí también sucede el proceso de coagulación y floculación de sustancias en suspensión mediante la incorporación de electrolitos que desestabilizan las partículas coloidales y permiten su decantación. Entre los principales agentes coagulantes están las sales de hierro y aluminio con algunas de sus reacciones presentadas en la figura 1. (a) (4 ) + ( ) ⟶ 2() + 34 + 6 (b) 4 + ( ) ⟶ ( ) + 4 + 2 Figura 1. Reacción de sulfato de hierro y aluminio como agentes coagulantes para la captación de carbonato acido en aguas servidas.
En la floculación se presenta el fenómeno de unión entre los flóculos ya formados con el fin de aumentar su volumen y peso de forma que pueden decantar y ser separado mediante procesos de filtración. 2.2.
Tratamiento secundario Este tratamiento es designado para degradar progresivamente el contenido biológico de las aguas servidas que se derivan de residuos de comida, jabones y detergentes. En la gran mayoría de las plantas de tratamiento utilizan procesos biológicos aerobios en donde se requiere oxígeno y un sustrato en el cual vivir. En estos métodos, las bacterias y los protozoarios consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables y unen muchas de las pocas fracciones solubles en partículas de flóculo. Las reacciones aerobias y anaerobias que se presentan en la etapa de tratamiento secundaria se describen en la figura 2. 6
(a)
(b)
Figura 2. Reacciones globales de descomposición de materia orgánica por (a) microorganismos aeróbicos y (b) anaerób icos.
Entre los diversos métodos de tratamiento secundario se encuentran: 2.2.1. Filtros de desbaste Son utilizados para tratar particularmente cargas orgánicas fuertes o variables. Son filtros típicamente altos, filtros circulares llenados con un filtro abierto sintético en el cual las aguas servidas son aplicadas en una cantidad relativamente alta. 2.2.2. Fangos activos Usan una variedad de mecanismos y procesos para usar oxígeno disuelto y promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven sustancialmente materia orgánica. Bajo condiciones adecuadas, los microorganismos convierten amoniaco en nitrito y nitratos, y en última instancia a gas nitrógeno. 2.2.3. Camas filtrantes o camas de oxidación Se utiliza la capa filtrante de goteo utilizando plantas más viejas y plantas receptoras de cargas más variables, las camas filtrantes son usadas donde el agua servida es rociada en la superficie de una profunda cama compuesta por carbón, piedra caliza o medios plásticos. Estos materiales deben tener altas superficies para soportar las biopelículas que se forman. El líquido distribuido gotea en la cama y es recogido en drenes en la base. Estos drenes también proporcionan un recurso de aire que se infiltra hacia arriba de la cama, manteniendo un medio aerobio. Las películas biológicas de bacterias, protozoarios y hongos se forman en la superficie media y se comen o reducen los contenidos orgánicos. 2.2.4. Reactor biológico de cama móvil 7
Asume la adición de medios inertes en vasijas de fangos activos existentes para proveer sitios activos para que se adjunte la biomasa. Esta conversión hace como resultante un sistema de crecimiento en donde se mantiene una alta densidad de la población de biomasa, se incrementa la eficacia del proceso y elimina costos de operación de la línea de retorno de fangos activos. 2.2.5. Reactor anaerobio de flujo ascendente Permite la transformación de un efluente con alta carga orgánica en un biogás y en un fertilizante estabilizado. El efluente entra por la parte inferior del reactor y atraviesa en sentido ascendente una espesa capa de fango, la cual produce un efecto filtrante. Se produce una elevada reducción de la materia orgánica y el biogás obtenido se puede aprovechar para la generación de energía. 2.2.6. Filtros aireados biológicos Combinan la filtración con reducción biológica de carbono, nitrificación o desnitrificación. Este incluye usualmente un reactor lleno de medios de un filtro. Los medios están en la suspensión o apoyados por una capa en el pie del filtro. El propósito doble de este medio es soportar altamente la biomasa activa que se une a él y a los sólidos suspendidos del filtro. La reducción del carbón y la conversión del amoniaco ocurre en medio aerobio y alguna vez alcanzado en un solo reactor mientras la conversión del nitrato ocurre en una manera anóxica. 2.2.7. Sedimentación secundaria El paso final de la etapa secundaria del tratamiento es retirar los flóculos biológicos del material de filtro y producir agua tratada con bajos niveles de materia orgánica y materia suspendida. 2.3.
Tratamiento terciario Proporciona una etapa final para aumentar la calidad del efluente al estándar requerido antes de que este sea descargado al ambiente receptor. Más de un proceso terciario del tratamiento puede ser usado en una planta de tratamiento.
2.3.1. Filtración
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La filtración de arena remueve gran parte de los residuos de materia suspendida. El carbón activado sobrante de la filtración remueve las toxinas residuales. 2.3.2. Lagunaje El tratamiento de lagunas proporciona el establecimiento necesario y fomenta la mejora biológica de almacenaje en charcos o lagunas artificiales. Se trata de una imitación de los procesos de autodepuración que somete un río o un lago al agua servida de forma natural- estas lagunas son altamente aerobias y la colonización de macrophytes nativos, especialmente cañas, se dan a menudo. Los invertebrados de alimentación del filtro pequeño tales como Daphnia y especies de rotíferas asisten grandemente al tratamiento removiendo partículas finas. El sistema de lagunaje es barato y fácil de mantener, pero presenta los inconvenientes de necesitar gran cantidad de espacio y de ser poco capaz para depurar las aguas de grades núcleos. 2.3.3. Remoción de nutrientes Las aguas residuales poseen nutrientes que pueden contener altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que eso en ciertas formas puede ser tóxico para peces e invertebrados en concentraciones muy bajas (por ejemplo, amoníaco) o eso puede crear condiciones insanas en el ambiente de recepción (por ejemplo, mala hierba o crecimiento de algas). Las malas hierbas y las algas pueden parecer ser una edición estética, pero las algas pueden producir las toxinas, y su muerte y consumo por las bacterias (decaimiento) pueden agotar el oxígeno en el agua y asfixiar los pescados y a otra vida acuática. Cuando se recibe una descarga de los ríos a los lagos o a los mares bajos, los nutrientes agregados pueden causar pérdidas entrópicas severas perdiendo muchos peces sensibles a la limpieza del agua. La retirada del nitrógeno o del fósforo de las aguas residuales se puede alcanzar mediante la precipitación química o biológica. La remoción del nitrógeno se efectúa con la oxidación biológica del nitrógeno del amoníaco a nitrato (nitrificación que implica nitrificar bacterias tales como Nitrobacter y Nitrosomonus), y entonces mediante la reducción, el nitrato es convertido al gas nitrógeno (desnitrificación), que se lanza a la atmósfera. Estas conversiones requieren condiciones cuidadosamente controladas para permitir la formación adecuada de comunidades biológicas. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de lámina se pueden utilizar para 9
reducir el nitrógeno. Algunas veces, la conversión del amoníaco tóxico al nitrato solamente se refiere a veces como tratamiento terciario. La retirada del fósforo se puede efectuar biológicamente en un proceso llamado retiro biológico realzado del fósforo. En este proceso específicamente bacteriano, llamadas Polyphosphate que acumula organismos, se enriquecen y acumulan selectivamente grandes cantidades de fósforo dentro de sus células. Cuando la biomasa enriquecida en estas bacterias se separa del agua tratada, los biosólidos bacterianos tienen un alto valor del fertilizante. La retirada del fósforo se puede alcanzar también, generalmente por la precipitación química con las sales del hierro (por ejemplo: cloruro férrico) o del aluminio (por ejemplo: alumbre). El fango químico que resulta, sin embargo, es difícil de operar , y el uso de productos químicos en el proceso del tratamiento es costoso. Aunque esto hace la operación difícil y a menudo sucia, la eliminación química del fósforo requiere una huella significativamente más pequeña del equipo que la de retiro biológico y es más fácil de operar. 2.3.4. Desinfección El propósito de la desinfección en el tratamiento de las aguas residuales es reducir substancialmente el número de organismos vivos en el agua que se descargará nuevamente dentro del ambiente. La efectividad de la desinfección depende de la calidad del agua que es tratada (por ejemplo: turbiedad, pH, etc.), del tipo de desinfección que es utilizada, de la dosis de desinfectante (concentración y tiempo), y de otras variables ambientales. El agua turbia será tratada con menor éxito puesto que la materia sólida puede blindar organismos, especialmente de la luz ultravioleta o si los tiempos del contacto son bajos. Generalmente, tiempos de contacto cortos, dosis bajas y altos flujos influyen en contra de una desinfección eficaz. Los métodos comunes de desinfección incluyen el ozono, la clorina, o la luz UV. La cloramina, que se utiliza para el agua potable, no se utiliza en el tratamiento de aguas residuales debido a su persistencia. La desinfección con cloro sigue siendo la forma más común de desinfección de las aguas residuales en México debido a su bajo historial de costo y del largo plazo de la eficacia. Una desventaja es que la desinfección con cloro del material orgánico residual puede generar compuestos orgánicamente clorados que pueden ser carcinógenos o dañinos al ambiente. La clorina o las 10
"cloraminas" residuales puede también ser capaces de tratar el material con cloro orgánico en el ambiente acuático natural. Además, porque la clorina residual es tóxica para especies acuáticas, el efluente tratado debe ser químicamente desclorinado, agregándose complejidad y costo del tratamiento. La luz ultravioleta (UV) se está convirtiendo en el medio más común de la desinfección en el Reino Unido debido a las preocupaciones por los impactos de la clorina en el tratamiento de aguas residuales y en la clorinación orgánica en aguas receptoras. La radiación UV se utiliza para dañar la estructura genética de las bacterias, virus, y otros patógenos, haciéndolos incapaces de la reproducción. Las desventajas dominantes de la desinfección UV son la necesidad del mantenimiento y del reemplazo frecuentes de la lámpara y la necesidad de un efluente altamente tratado para asegurarse de que los microorganismos objetivo no están blindados de la radiación UV (es decir, cualquier sólido presente en el efluente tratado puede proteger microorganismos contra la luz UV). El ozono O3 es generado pasando el O 2 del oxígeno con un potencial de alto voltaje resultando un tercer átomo de oxígeno y que forma O3. El ozono es muy inestable y reactivo y oxida la mayoría del material orgánico con que entra en contacto, de tal manera que destruye muchos microorganismos causantes de enfermedades. El ozono se considera ser más seguro que la clorina porque, mientras que la clorina que tiene que ser almacenada en el sitio (altamente venenoso en caso de un lanzamiento accidental), el ozono es colocado según lo necesitado. La ozonización también produce pocos subproductos de la desinfección que la desinfección con cloro. Una desventaja de la desinfección del ozono es el alto costo del equipo de la generación del ozono y que las cualificaciones de los operadores deben ser elevada. 3. REUSOS A NIVEL INDUSTRIAL El reuso de agua en aplicaciones industriales ha aumentado considerablemente, principalmente por la escasez de agua y aumento de la población, especialmente en zonas de sequía, y la legislación relativa a la conservación del agua y el cumplimiento ambiental. Para satisfacer esta creciente demanda, muchos países han aumentado la disponibilidad de agua regenerada para las industrias. Las plantas de generación de energía son las instalaciones más adecuadas para su reutilización debido a las grandes
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necesidades de agua para refrigeración, lavado de cenizas, dilución de residuos y depuración de gases de combustión. 3.1.
Agua de enfriamiento Para la mayoría de las industrias, la refrigeración por agua representa el mayor uso de agua regenerada, porque los avances en las tecnologías de tratamiento de agua han permitido a las industrias utilizar con éxito agua de menor calidad. Estos avances han permitido un mejor control de los depósitos, corrosión, y los problemas biológicos a menudo asociados al uso de agua regenerada en un sistema de refrigeración. Hay dos tipos básicos de sistemas de agua de refrigeración que utilizan agua reciclada: de un paso y de recirculación evaporativa. En los sistemas de recirculación evaporativa es más común el uso de agua recuperada debido a su gran consumo de agua y consumo por evaporación.
3.2.
Agua de reposición de calderas El uso de agua regenerada como agua de reposición de calderas no difiere mucho de la utilización para abastecimiento público de aguas convencionales, ambas requieren un tratamiento adicional extenso. Los requisitos de calidad para el agua de reposición de las calderas dependen de la presión a la que se opera la caldera. En general, cuanto mayor sea la presión, mayor será la calidad del agua requerida. En general, tanto el agua potable como el agua reciclada utilizadas como agua de reposición de las calderas deben ser tratadas para reducir su dureza del agua cercana a cero. Se requiere la eliminación o el control de las incrustaciones insolubles de Ca y Mg, y el control de sílice y alúmina, ya que estas son las principales causas de la acumulación de sarro en calderas.
3.3.
Agua industrial La idoneidad de las aguas regeneradas para su uso en procesos industriales depende del uso particular. Por ejemplo, la industria electrónica requiere de agua de calidad casi destilada para lavar las placas de circuitos y otros componentes electrónicos. Por otro lado, la industria del curtido puede utilizar relativamente baja calidad de l agua. Los requisitos para los productos textiles, celulosa y papel, fabricación de metal son intermedios. Por lo tanto, en la investigación de la viabilidad de la reutilización industrial de aguas regeneradas, deben 12
ser contactados los usuarios potenciales para determinar los requisitos específicos para su agua de proceso.
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BIBLIOGRAFÍA 1. Oviedo, L. (2011). Estudio de alternativas de reuso y reciclo de aguas residuales en aplicaciones industriales y municipales (monografía de especialización). Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia. 2. Pérez, F. Camacho, K. Tecnologías para el tratamiento de aguas servidas (tesis de pregrado). Universidad Veracruzana, Zona Poza Rica-Tuxpan, México. 3. Tipos de tratamientos en aguas residuales. [En línea]. [Consultado el 18 de marzo de 2017]. Disponible en 4. Reutilizar las aguas servidas. [En línea]. [Consultado el 18 de marzo de 2017]. Disponible en < http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=209528> 5. Tratamiento anaerobio de aguas residuales. [En línea]. [Consultado el 19 de marzo de 2017]. Disponible en < http://www.ingenieroambiental.com/4014/tratamiento545.pdf> 6. Tratamientos. Aspectos generales. Parte 1. [En línea]. [Consultado el 19 de marzo de 2017]. Disponible en < https://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.asp?IdEntrega=2155>
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