Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales Biologicos

Fundamentos de Aguas Residuales

Unidad 6. Esquemas convencionales para el saneamiento de aguas residuales

- Sistema Aerobio - Sistema Anaerobio - Sistema Natural - Sistema Aerobio-Natural - Sistema Aerobio-Anaerobio

Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales

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Fundamentos de Aguas Residuales Esquema para el saneamiento de agua residual.

La evolución histórica ha hecho que se distingan diferentes etapas de tratamiento que corresponden al nivel de pre tratamiento, primario, secundario o biológico y terciario o avanzado. Etapa Pre-tratamiento Primario Secundario Terciario/avanzado Complementario

Proceso -

Cribado Flotación Des arenación Sedimentación Re oxigenación Procesos biológicos Coagulación-floculación Filtración Remoción De N Y P Remoción De Detergente Desinfección

Los procesos descritos en la tabla anterior son los “comunes” pera el tipo de contaminante indicado, pero existen otras posibilidades cuya aplicación depende del factor económico. De igual forma, aunque un proceso tenga una aplicación principal, en realidad remueve un amplio grupo de compuestos, no necesariamente todos los contaminantes.


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Fundamentos de Aguas Residuales Actualmente, es posible encontrar esquemas donde no se distinguen en forma clara las etapas, debido al desarrollo de ¨sistemas compactos¨ de menor costo, pero a costumbre hace que se sigan clasificando los sistemas bajo este patrón, particularmente en el caso de las aguas residuales. Adicionalmente, existen los procesos complementarios que sirven para apoyar el proceso principal de eliminación y que se aplican en cualquier nivel de tratamiento. Sistemas para el saneamiento de aguas residuales. Contaminante

Solidos suspendidos

Compuestos orgánicos biodegradables

Patógenos

Nitrógeno

Fosforo

Compuestos orgánicos refractarios Metales pesados Solidos disueltos

Proceso/sistema/operación - Sedimentación - Desarenacion - Cribado O Filtrado - Filtración - Flotación - Cuagulacion-Floculacion - Disposición En Terreno - Sistemas Biológicos Con Biomasa Suspendida (Por Ejemplo: Lodos Activados) - Sistemas Biológicos Con Biomasa Fija(Por Ejemplo: Filtro Sumergido) - Filtracion Lenta - Disposición En Terreno - Cloración - Ozonacion - Uv - Radiacion - Disposicion En Terreno - Desinfeccion En Terreno - Desinfeccion Solar - Filtracion Lenta - Nitrificacion-Desnitrificacion Biológica - Desorcion - Intercambio Ionico - Cloración - Disposicion En Terreno - Precipitacion - Remocion Biológica y Precipitación Química - Disposicion En Terreno - Adsorcion Con Carbón Activado - Ozonacion - Disposición En Terreno - Precipitacion - Intercambio Iónico - Disposicion En Terreno - Procesos De Membrana - Intercambio Iónico


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Fundamentos de Aguas Residuales Criterios de selección.

La selección de los procesos y operaciones que conforman un sistema de tratamiento dependen de: -

La composición del agua residual El caudal El uso del efluente trabajo o del requerimiento legislativo La compatibilidad entre los diferentes procesos y operaciones La disponibilidad de la tecnología y el terreno La factibilidad económica de las diferentes combinaciones

De lo anterior, se desprende que existe un gran número de posibilidades para tratar el agua. Pero, además, para tener un proceso realmente eficiente e integral (que no dañe al ecosistema) es necesario tomar en cuenta el tratamiento y la disposición de los subproductos generados (lodos). Bajo esta óptica, la selección no parece sencilla, por lo que se recomienda antes de invertir, efectuar un estudio de trazabilidad que confirme que se alcanza el nivel deseado al menor costo. Procesos biológicos:

Estos procesos pueden ser de cuatro tipos: aerobios, anaerobios, atóxicos y facultativos, los procesos aerobios son los que requieren oxigeno disuelto; en cambio, en los anaerobios hay ausencia de este. Los anoxicos se llevan acabo en presencia de oxigeno combinado. En denominados facultativos, que son indiferentes a la presencia o ausencia de oxigeno. 

Sistema con biomasa suspendida: en estos sistemas los microorganismos se encuentran libres dentro del tanque. Tienen la ventaja de que han sido muy aplicados por lo que fácilmente se encuentra información sobre ellos. El mayor inconveniente es que, frecuentemente, tienen problemas de decantación, por ello los microorganismos se escapan con el efluente. Requieren, además, de energía para realizar el mezclado del contenido del tanque.



Sistemas con biomasa fija: en estos sistemas los microorganismos se encuentran adheridos un soporte. Tienen, por regla general, menor volumen que los sistemas con biomasa suspendida y producen floculos con alto grado de sedimentabilidad. Las versiones más modernas de estos procesos-que ofrecen varias ventajas- son poco aplicadas en México.


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Fundamentos de Aguas Residuales Principales tipos de procesos Biológicos - Lodos activados - Lagunas aireadas Aerobios - Lagunas de oxidación de alta tasa - Nitrificación - Tipo de lodos activados Biomasa suspendida Anoxicos - Reactor de lecho ascendente - Digestor de alta tasa - Contacto anaerobio Anaerobios - Reactor de lecho de lodos con flujo ascendente Aerobios

Biomasa fija

Anoxicos

-

Filtro percolador Disco biológico rotatorio Filtro sumergido

-

Lecho fluidificado Filtro sumergido Disco biológico rotatorio Lecho fluidificado Filtro anaerobio Disco biológico rotatorio sumergido Laguna anaerobia Lecho fluidificado Uso de suelo con método de tratamiento

Anaerobios

Combinado

-

Sistema aerobio: la tecnología del tratamiento por agua residual por vía aérea esta

bien desarrollada y es, sin duda, la mas comúnmente aplicada. La experiencia acumulada y la alta eficiencia en la remoción de materia orgánica son algunas de las razones de su aceptación. Procesos de oxidación biológica la oxidación biológica es el mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual. De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción: materia orgánica + microorganismos + nutrientes + O2 =>productos finales + nuevos microorganismos + energía Reacciones de síntesis o aislamiento consisten en la incorporación del alimento (materias orgánicas y nutrientes) al interior de los microorganismos. Estos microorganismos al obtener suficiente alimento no engordan, sino que forman nuevos microorganismos reproduciéndose rápidamente. Parte de este alimento es utilizado como fuente de energía. La reacción que ocurre es la siguiente: materia orgánica (CHNO)O2 bacterias Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales

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Fundamentos de Aguas Residuales sustancias del interior bacteriano (C5H7NO2) energía. Reacciones de oxidación y respiración endógena los microorganismos al igual que nosotros, necesitan de energía para poder realizar sus funciones vitales (moverse, comer etc.), dicha energía la obtienen transformando la materia orgánica asimilada y aquella acumulada en forma de sustancias de reserva en gases, agua y nuevos productos. Después de un tiempo de contacto suficiente entre la materia orgánica del agua residual y los microorganismos (bacterias), la materia orgánica del medio disminuye considerablemente transformándose en nuevas células, gases y otros productos. Este nuevo cultivo microbiano seguirá actuando sobre el agua residual. A todo este conjunto de reacciones se les denomina de oxidación biológica, porque los microorganismos necesitan de oxígeno para realizarlas. El substrato, generalmente también se tienen que eliminar del agua residual los compuestos de nitrógeno como el amonio y los nitratos. Un grupo de microorganismos convierten primero el amonio en nitrato (nitrificación). Otro grupo de microorganismos reduce luego el nitrato a nitrógeno elemental (des nitrificación). El nitrógeno producido escapa entonces como gas a la atmósfera. Existen dos tecnologías: los procesos biopelícula y los de lodos activados. Sistema anaerobio: proceso biológico de las aguas residuales (domesticas o

industriales) mediante el cual los organismos catabolizan y asimilan sus alimentos en ausencia de oxigeno. Se produce en ambientes naturales como:        

Pantanos Zonas anegadas para el cultivo de arroz Sedimentos de lagos y mares Zonas anóxicas del suelo Fuentes de aguas termales sulfurosas y en el tracto digestivo de los rumiantes Contaminantes Orgánicos Microorganismos anaerobios CO2 + CH4 (Biogás) Materia degradada en disolución Nuevos microorganismos

Requiere la intervención de diversos grupos de bacterias facultativas y anaerobias estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos metabólicos generados por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación: 1. Hidrólisis. Grupo I: bacterias hidrolíticas 2. Acidogénesis. Grupo I: bacterias fermentativas 3. Acetogénesis. Grupo II: bacterias acetogénicas 4. Metano génesis. Grupo III: bacterias metano génicas Es posible por medio de reacciones asociadas al metabolismo de distintos microorganismos. + CO2 Ventajas Bajos costos de inversión y operación. Alta eficiencia de tratamiento Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales

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Fundamentos de Aguas Residuales Producción de una fuente de energía que puede servir calentar el agua residual hasta la temperatura de operación. Necesidad de espacio relativamente pequeño para las instalaciones debido a la aplicación de altas velocidades de carga orgánica. Baja producción de lodo en exceso. Desventaja Insuficiente generación de alcalinidad y metano cuando se depuran aguas residuales muy diluidas. Cinética lenta a bajas temperaturas. Ciertos compuestos como NH4+, PO43- y S2 quedan en disolución. Por este motivo, si es necesario, se tiene que usar un tratamiento posterior. Aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta velocidad Aguas residuales de: Industria cervecera y de bebidas Industria de alimentos Industria papelera Destilerías de alcohol e industria de fermentación. Nuevas aplicaciones de la tecnología anaerobia de alta velocidad: Aguas residuales de: Industria textil Industria química y petroquímica En lugares de climas cálidos, pueden utilizarse para el tratamiento de agua residual doméstica. El empleo de bacterias heterótrofas y autótrofas. Gujer y Zenhder (1983). Propusieron seis etapas para la degradación anaerobia de compuestos de alto peso molecular: -

Hidrólisis de proteínas, lípidos y carbohidratos Fermentación de azúcares y aminoácidos. Oxidación anaerobia de ácidos grasos de cadena larga y alcoholes. Oxidación anaerobia de intermediarios como ácidos grasos volátiles. Conversión de acetato a metano. Conversión de hidrogeno a metano.

Por otro lado, la energía contenida en el metano producido puede ser utilizada como energía calorífica directamente o transformada en mecánica o eléctrica según las necesidades existentes en el sitio y, siempre y cuando, se produzca en grandes cantidades que hagan interesante, desde el punto de vista económico, la instalación requerida. El proceso anaerobio funciona en dos intervalos de temperatura: el mesofilico de 20º a 38º C y el termofílico de 50º a 60º C, siendo las velocidades de reacción mas altas en este ultimo, pero mas difíciles de operar en la practica. En cuanto al PH, se desarrolla en un intervalo de entre 6.2 y 7.8 con un óptimo cerca de 7. Las condiciones del medio en PH bajo son, frecuentemente, dañinas a la población metanogenica y la inhibición empieza con PH de 6. Así, el control del PH es fundamental para mantener el crecimiento bacteriano, asegurar la metalogénesis y mantener el proceso de degradación eficiente. Este control se logra mediante la adición d alcalinidad. El azufre en su forma de ionizada, los metales pesados, detergentes, desinfectantes, preservadores y productos farmacéuticos, etc. También tienen efectos negativos considerables sobre el proceso metano génico.


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Fundamentos de Aguas Residuales La evolución de la tecnología anaerobia a dado lugar a tres generaciones de reactores. La primera comprende aquellos procesos en donde la biomasa se encuentra en suspensión. Los reactores de la segunda generación tienen como característica fundamental que los microorganismos son detenidos en el reactor, ya sea por medio de un soporte en el cual se adhieren en forma de biopelicula (filtro anaerobio), o bien, por las propiedades de sedimentación que posee. Los reactores de tercera generación tienen también microorganismos en forma de biopelicula, pero el soporte se expande o fluidifica con altas velocidades de flojo, en ocasiones, estos sistemas son diseñados sin sedimentador secundario. En la actualidad los reactores más utilizados son los de segunda generación, pues los de la primera tienen la desventaja de ocupar mayor volumen y tener eficiencia de operación baja, mientras que los reactores de tercera generación tienen pocas realizaciones prácticas.

Sistema natural (laguna): las lagunas de estabilización son consideradas como de uso

muy generalizado ya que su desarrollo y aplicación son sencillos aunque algunas lagunas de estabilización no han producido los resultados deseados debido a su diseño empírico y falta de mantenimiento, en general, el éxito de este tipo de tratamiento es reconocido. Las lagunas de estabilización son recomendables para lugares con condiciones climatológicas adecuadas, en climas cálidos y semi- cálidos, en áreas con bajo costo de terreno y de fácil excavación, cuando la carga orgánica tiene grandes variaciones y donde hay presupuesto limitado. Estos requerimientos aunados al relativo bajo nivel de mantenimiento y operación, las hacen aptas para pequeñas poblaciones. Este proceso cuesta alrededor de entre 10% y 40% de la inversión inicial de los procesos convencionales. Su aplicación esta muy expandida a nivel mundial. Sin embargo, no se recomienda para terrenos con costos de excavación e impermeabilización elevados, zonas con elevada evaporación o con fallas de disponibilidad en el terreno. Existe una versión mejorada que consiste en aplica aeración artificial, ya que se trata de instalaciones en Alaska que tiene buen funcionamiento. Unidad 6. Esquemas Convencionales de Tratamiento de Aguas Residuales

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Fundamentos de Aguas Residuales El tratamiento ocurre por la oxidación de la materia orgánica debido a las bacterias y al suministro de oxigeno que aportan las algas, este proceso se efectúa d manera simbiótica, ya que las bacterias tienen la propiedad de degradar la materia orgánica compleja y producir bióxido de carbono, el cual sirve de fuente de carbono para las algas. El oxigeno producido por las algas puede no ser suficiente para el proceso de degradación por lo que, en ocasiones, se colocan aeradores superficiales. La mayoría de las lagunas de estabilización se convierten en sistemas facultativos y se asemejan en su comportamiento a los ríos o lagos. En efecto, las condiciones aerobias se mantienen, generalmente cerca de la superficie y, algunas veces, hasta lo mas profundo de la laguna. Sin embargo, por lo general, debido a la presencia de materia orgánica sedimentable, las condiciones anaerobias prevalecen en el fondo. Los tipos de modificaciones del sistema de lagunas son variados. Las lagunas se clasifican como: -

Anaerobias Aerobias Facultativas Aerobias-aeradas Facultativas-aeradas

Lagunas facultativas (aerobio-natural): son aquellas en las cuales la parte superior

permanece aerobia mientras que en la inferior no hay oxigeno disuelto, la mayoría de las lagunas de estabilización existentes son del tipo facultativo. En efecto, casi todas contienen materia sedimentada que conforma una capa bentónica anaerobia. En el caso de una laguna que recibe aguas residuales crudas, el volumen de la materia sedimentable puede ser considerable; en cambio, en un sistema de lagunas conectadas en seria, la carga de materia sedimentable decrece en la medida que pasa a lo largo del sistema.


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Fundamentos de Aguas Residuales Tratamientos naturales de aguas residuales Bajo la denominación de sistema natural de depuración se engloban aquellos procedimientos o técnicas en los que la eliminación de las sustancias contaminantes presentes en las aguas residuales urbanas se produce por componentes del medio natural, sin emplearse en el proceso ningún tipo de aditivo químico. En todos ellos, el efecto depurador se debe a la acción combinada de la vegetación, del suelo y de los microorganismos presentes en ambos, y en menor medida, a la acción de plantas y animales superiores. Clasificación de los Tratamientos Naturales Habitualmente y dependiendo del investigador, los tratamientos naturales se diferencian en dos grande grupos: Método de Tratamiento mediante la aplicación del agua sobre el terreno Sistemas Acuáticos - Métodos de aplicación sobre el terreno Dentro de los métodos de aplicación sobre el terreno encontramos: Filtro verde: Consiste básicamente en la aplicación de un caudal controlado de agua residual sobre la superficie del terreno, donde previamente se ha instalado una masa forestal o un cultivo. Fernández González, 2004 Sevilla, España. - Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1991 EPA, 1981 Filtro Verde. Formas de Aplicación. - Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: Se define como la aplicación controlada del agua residual sobre balsas superficiales construidas en suelos de permeabilidad media a alta (con una capacidad de infiltración que oscila entre 10 y 60 cm/día) EPA, 1991 Moreno Merino, 2003. - Métodos de aplicación sobre el terreno Infiltración rápida: El agua residual se aplica al terreno en tasas elevadas, bien por extensión en lagunas o bien por aspersión, alternando periodos de inundación con periodos de secado. La aplicación se realiza de forma cíclica para permitir la regeneración aerobia de la zona de infiltración y mantener la máxima capacidad de tratamiento. EPA, 1981. - Métodos de aplicación sobre el terreno Escorrentía Superficial: La técnica consiste en forzar la escorrentía del agua residual, mediante riego por circulación superficial en láminas, sobre un suelo previamente acondicionado (en pendiente y con vegetación no arbórea), alternando periodos de riego con periodos de secado; dependiendo la duración de cada fase de los objetivos de tratamiento. Metcalf & Eddy, 1991. - Métodos de aplicación sobre el terreno EPA, 1981 Escorrentía Superficial. - Métodos de aplicación sobre el terreno Zanjas de Infiltración: Sistema de depuración que consiste consistente en un conjunto de líneas de tuberías de 10 cm de diámetro (4”) tendidas de tal forma que el afluente se distribuya con una uniformidad razonable en el suelo natural. EPA, 1991. - Métodos de aplicación sobre el terreno Romero Rojas, 2000 Zanjas de Infiltración: Sección Típica.


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Fundamentos de Aguas Residuales - Métodos de aplicación sobre el terreno Lechos filtrantes: Los lechos de infiltración son zanjas de anchos mayores de 90 cm, que pueden contener más de una línea de tuberías de distribución. En este caso se considera que la superficie principal de infiltración para el diseño es el área del fondo del lecho Moreno Merino, 2003 Romero Rojas, 2000. - Métodos de aplicación sobre el terreno Pozos filtrantes: Los pozos de infiltración son excavaciones profundas usadas para disposición subsuperficial de aguas residuales pre tratadas. Las paredes del pozo se construyen en ladrillo, bloques, anillos o materiales prefabricados colocados a junta abierta, rodeados de grava o piedra triturada. El agua residual entra en el pozo y se infiltra a través de las paredes laterales. Romero Rojas, 2000. - Métodos de aplicación sobre el terreno Filtros de Arena: Se pueden clasificar como intermitentes en los cuales, las aguas a depurar se vierten intermitentemente mediante tuberías de distribución en un filtro granular de entre 0,5 y 1,0 m de espesor y los filtros con recirculación, en los cuales, el agua recogida en el sistema de drenaje se vierte de nuevo en el filtro mezclada con agua nueva sin depurar. Consiste básicamente en la aplicación de aguas residuales a un lecho de material granular (arena) el cual es drenado para recoger la descarga en un efluente final. Romero Rojas, 2000. - Métodos de aplicación sobre el terreno Lecho de Turba: El sistema está formado por lechos de turba a través de los cuales circula el agua residual. Cada lecho descansa sobre una delgada capa de arena, soportada, a su vez, por una capa de grava. El efluente se recoge a través de un dispositivo de drenaje situado en la base del sistema. Aerobio facultativo (aerobio-anaerobio): los sistemas múltiples o aerobio anaerobio

forman un tratamiento más económico y seguro que los sistemas convencionales y se diseñan de la misma forma que los sistemas individuales. Se pueden establecer distintas combinaciones de los tipos de lagunas en función de las características del agua a tratar, de las exigencias del efluente y de la disponibilidad de terreno básicamente. El establecimiento de líneas en paralelo es interesante en el caso de que exista fuerte estacionalidad y es útil en algunas primarias para evitar problemas de funcionamiento, facilitar el secado y limpieza de todos. Los sistemas en serie se aceptan cuando se tiene disponibilidad de terreno y cuando, a partir de un balance económico, se obtiene un volumen mínimo total. En general, en la primera laguna el volumen es minimizado para mantener la temperatura, la concentración de solidos y la tasa de reacción de la DBO en niveles altos. La segunda, generalmente facultativa, tiene bajo requerimiento energético que permite la sedimentación de los solidos y su descomposición en el fondo.


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Fundamentos de Aguas Residuales Para la remoción de coliformes fecales se emplea alguna maduración al final, así mismo, cuando se desea baja concentración de solidos suspendidos en el efluente se emplea un tanque de sedimentación, el cual debe cumplir con los siguientes objetivos:    

Un tiempo de retención suficiente para alcanzar la remoción deseada Volumen adecuado para el almacenamiento del lodo Crecimiento mínimo de algas Olores mínimos por la actividad anaerobia

BIBLIOGRAFIA. 1. Martínez Martin Carmen, Tratamiento Biológico de Aguas Residuales, Editorial Universidad Politécnica de Valencia, Edición 2008, Valencia España 2. R. S. Ramalho, Tratamiento de aguas residuales, editorial Reverte, Última edición.


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