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Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUÍA PARA EL MANEJO, TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE LODOS RESIDUALES DE PLANTAS DE TRATAMIENTO MUNICIPALES

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

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ADVERTENCIA

Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-5 Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.

Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.

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Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron: Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez

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CONTENIDO Página 1.1. GENERALIDADES ...........................................................................................1 1.2. DEFINICIÓN DE LODO ....................................................................................1 1.3. PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO ..............................................................1 2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................31 2.2. CUANTIFICACIÓN DEL LODO ......................................................................54 2.3. LEGISLACIÓN MEXICANA RELATIVA A LA DISPOSICIÓN DE LOS LODOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES .............................57 2.4. COSTOS DE LOS SISTEMAS DE MANEJO DE LODOS ..............................66 2.5. FACTORES DE CONVERSION MAS USUALES ...........................................72 3.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................75 3.2. ESPESAMIENTO EN CLARIFICADORES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS..75 3.3. ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD..............................................................76 3.4. ESPESAMIENTO MECÁNICO POR GRAVEDAD..........................................88 3.5. ESPESADOR POR FLOTACIÓN ...................................................................90 4.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................95 4.2. FILTROS PRENSA DE BANDAS ...................................................................95 4.3. CENTRIFUGAS ............................................................................................100 4.4. LECHOS DE SECADO .................................................................................106 5.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................108 5.2. ACONDICIONAMIENTO CON SAL METÁLICA ........................................... 108 5.3. ACONDICIONAMIENTO CON POLÍMEROS ...............................................114 5.4. OPTIMIZACIÓN DE DOSIS..........................................................................119 5.5. CURVAS DE COSTOS.................................................................................121 6.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................131 6.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA ............................................................................131 6.3. DIGESTIÓN AEROBIA .................................................................................168 6.4. ESTABILIZACIÓN CON CAL........................................................................187 6.5. COMPOSTEO ..............................................................................................197 6.6. TANQUES IMHOFF......................................................................................229 7.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................232 7.2. LECHOS DE SECADO DE ARENA..............................................................233 7.3. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA...................................... 236 7.4. OTROS TIPOS DE LECHOS DE SECADO..................................................245 7.5. CURVAS DE COSTOS.................................................................................250 8.1. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LODO............... 252 8.2. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LA TORTA DE LODO ..................................................................................................................253 9.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................254 9.2. SISTEMAS DE BOMBEO .............................................................................254 9.3. TRANSPORTE EN CAMIONES ...................................................................269 10.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................272 10.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS QUE AFECTAN LA APLICACIÓN A TERRENOS.........................................................................................................272 10.3. DISPOSICIÓN EN RELLENOS SANITARIOS............................................284 i

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11.1. ESPESAMIENTO CON CENTRIFUGA ......................................................287 11.2. FILTROS PRENSA DE PLACAS Y MARCOS ............................................ 288 11.3. REDUCCIÓN TERMICA .............................................................................291 12.1. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ............................... 296 12.2. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ............................... 302 12.3. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ............................... 308 12.4. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ............................... 313 12.5. PLANTA DE FILTROS ROCIADORES.......................................................320 12.6. PLANTA DE FILTROS ROCIADORES.......................................................326

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INDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Curvas de crecimiento neto..................................................................... 14 Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo. .......................................... 16 Figura 1.3. Metodos de purgado de lodos. ................................................................ 22 Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios ...................... 26 Figura 3.1. Perfil de concentracion tipico para lodo de origen municipal en un espesador por gravedad operado continuamente ..................................................... 78 Figura 3.2. Instalacion tipica de espesador por gravedad ......................................... 78 Figura 3.3. Vista transversal de un espesador por gravedad circular tipico .............. 79 Figura 3.4. Unidad tipica de espesamiento por flotacion con aire disuelto para lodos activados residuales .................................................................................................. 91 Figura 4.1. Esquema de dos configuraciones de centrifugas de tazon solidos: (a) contracorriente (b) corriente. ................................................................................... 101 Figura 5.1. Sistema tipico de alimentacion de solucion. .......................................... 111 Figura 5.2. Sistema tipico de alimentacion de cal, no se muestra el removedor de vapor ....................................................................................................................... 113 Figura 5.3. Sistema automatico de alimentacion de polimeros tipico. ..................... 117 Figura 5.4. Sistema compacto de mezclado para polimeros liquidos...................... 118 Figura 6.1. Sistema de digestion anaerobia de baja tasa........................................ 134 Figura 6.2. Sistema de digestiona anerobia de alta tasa, una etapa....................... 135 Figura 6.3. Proceso de digestion anaerobia de dos etapas..................................... 137 Figura 6.4. Efecto del trs sobre la descomposicion de compuestos de desechos degradables y produccion de metano ..................................................................... 139 Figura 6.5. Efecto de la temperatura sobre la produccion de gas ........................... 144 Figura 6.6. Relacion entre el ph y concentracion de bicarbonato cerca de 35 grados c ................................................................................................................................ 144 Figura 6.7. Tanques cilindricos para digestion anaerobia ....................................... 147 Figura 6.8. Tanque rectangular paa digestion anaerobia ........................................ 147 Figura 6.9. Tanque en forma de huevo para digestion anaerobia en la planta de tratamiento de terminal island, los angeles ............................................................. 148 Figura 6.10. Diagrama del sistema de calentamiento de un intercambiador de calor de tuberia enchaquetada o en espiral. .................................................................... 150 Figura 6.11. Efecto de la concentraciond e solidos sobre el requerimiento de calentamiento del lodo crudo................................................................................... 151 Figura 6.12. Patrones de circulacion producidos por mezcladores de tubo y levantamiento libre de gas....................................................................................... 155 Figura 6.13. Tasa de bombeo de tubo de succion y levantamiento libre de gas ..... 156 Figura 6.14. Comparacion entre mezclado con lanza y tubo de succion en agua limpia. ...................................................................................................................... 156 Figura 6.15. Tipos de cubiertas para digestores ..................................................... 160 Figura 6.16. Flujo de energia a traves de un sistema de digestion anaerobia de lodos. ................................................................................................................................ 163 Figura 6.17. Diseño conceptual de un sistema de digestion anaerobia de lodos. ... 165 Figura 6.18. Diagrama de flujo para el proceso de digestor aerobio convencional de operación continua .................................................................................................. 171

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Figura 6.19. Tasa de reaccion kd contra temperatura del liquido en digestor aerobio ................................................................................................................................ 174 Figura 6.20. Efecto de la concentracion de solidos sobre la tasa de reaccion kd ... 174 Figura 6.21. Influencia de la edad del lodo y temperatura del liquido sobre la tasa de utilizacion de oxigeno en digestores aerobios ......................................................... 175 Figura 6.22. Carta de diseño para aeradores de baja velocidad en tanques nocirculares para calcular los requerimientos de energia para proporcionar el oxigeno necesario................................................................................................................. 176 Figura 6.23. Efecto de la edad de lodo sobre el ph durante la digestion aerobia .... 177 Figura 6.24. Reduccion de solidos volatiles en funcion de la temperatura del liquido y edad del lodo del digestor ....................................................................................... 178 Figura 6.25. Efecto del reciclado del sobrenadante del digestor sobre el flujo de solidos suspendidos a traves de una planta de lodos activados (55)...................... 184 Figura 6.26. Resumen de resultados del ejemplo de diseño de digestion aerobia.. 184 Figura 6.27. Dosis de cal requerida para el ph de una mezcla de lodo primario y humus de filtro percolador para diferentes concentraciones de solidos. ................. 191 Figura 6.28. Efecto del ph sobre el equilibrio acido sulfhidrico-sulfuro.................... 193 Figura 6.29. Efecto del contenido de solidos sobre la relacion de trozos de madera a lodo por volumen..................................................................................................... 200 Figura 6.30. Sitios para monitoreo de temperatura y oxigeno en un extremo de camellon o pila individual aerada. ........................................................................... 203 Figura 6.31. Diagrama de balance de masa para composteo de lodos .................. 204 Figura 6.32. Perfil de temperatura de un camellon tipico de composteo................. 209 Figura 6.33. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y temperatura durante el composteo de lodo digerido mediante el metodo de camellones. ............................................................................................................. 211 Figura 6.34. Diagrama de flujo de proceso – composteo de lodo en camellones planta de lodos activados de 440 lps. ................................................................................ 215 Figura 6.35. Configuracion para pilas aeradas individuales. ................................... 218 Figura 6.36. Configuracion de tuberia de aeracion para pila aerada individual. ...... 218 Figura 6.37. Configuracion de una pila aereada extendida ..................................... 220 Figura 6.38. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y temperatura durante el composteo de lodo sin digerir por el metodo de pilas aeradas ................................................................................................................................ 223 Figura 6.39. Diagrama de flujo de proceso para instalacion de pilas extendidas para composteo de lodo – planta de lodos activados de 440 lps. ................................... 225 Figura 6.40. Ejemplo de diseño de construccion de pila de aeracion extendida ..... 226 Figura 6.41. Tanques imhoff tipicos con detalles de diseño: (a) plano y (b) seccion. ................................................................................................................................ 230 Figura 7.1. Lecho de secado de arena tipico........................................................... 234 Figura 7.2. Tipica tuberia de decantacion: (a) planta y (b) elevación ...................... 235 Figura 7.3. Lecho de secado con pistas y rampa .................................................... 236 Figura 7.4. Lecho de secado cubierto con estructura de fibra de vidrio: ................. 237 Figura 7.5. Efectos de la tasa de evaporacion en la carga de los lechos................ 240 Figura 7.6. Profundidad requerida para obtener la carga optima de lodo a diferentes concentraciones ( ft x 0.3084 = m; lb/ft2 x 4.883 = kg/m2). ...................................... 242 Figura 7.7. Sistema de remocion al vacio montado sobre camion .......................... 244 iv

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Figura 7.8. Lechos de secado al vacio y sus componentes .................................... 247 Figura 7.9. Eficiencia tipica de los lechos de secado al vacio ................................. 249 Figura 9.1. Perdida de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a presion de lodo de 6 pulg. (15 cm) .......................................................................... 256 Figura 9.2. Perdidas de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)...................... 256 Figura 9.3. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector a presion de 6 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)................... 257 Figura 9.4. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector a presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)................... 257 Figura 9.5. Curvas para el calculo de perdida de carga .......................................... 259 Figura 9.6. Bomba cortadora y moledora. ............................................................... 261 Figura 9.7. Detalles de bomba de embolo............................................................... 262 Figura 9.8. Bomba de cavidad progresiva. .............................................................. 264 Figura 9.9. Bomba de diafragma operada con aire. ................................................ 265 Figura 9.10. Bomba de lobulo giratorio. .................................................................. 267 Figura 9.11. Bomba de manguera peristaltica......................................................... 267 Figura 9.12. Bomba de aire con anillo aspersor festoneado y alimentado externamente. ......................................................................................................... 268 Figura 9.13. Bomba de tornillo de arquimides ......................................................... 269 Figura 11.1. Centrifugas utilizadas para el espesamiento de lodo. ......................... 287 Figura 11.2. Vista lateral de un filtro prensa de marcos y placas. ........................... 289 Figura 11.3. Corte de un filtro prensa de placas y marcos. ..................................... 289 Figura 11.4. Incinerador de lecho fluidizado............................................................ 291 Figura 11.5. Incinerador tipico de hogar multiple..................................................... 294 Figura 12.1. Diagrama de flujo, ´Planta de lodos activados convencional. ............. 302 Figura 12.2. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional. ................ 307 Figura 12.3. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional ................. 313 Figura 12.4. Diagrama de flujo de planta de lodos activados convencional ............ 319 Figura 12.5. Diagrama de flujo planta de filtros rociadores. .................................... 325 Figura 12.6. Diagrama de flujo planta de filtros rociadores. .................................... 331

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INDICE DE TABLAS Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324)......................................................... 3 Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario ................................................................ 5 Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285)......................................................... 8 Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos. ....................... 16 Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados...................................................... 23 Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores .......................................... 24 Tabla 1.7. Variacion diaria del efluente de filtros percoladores stockton. California (342).......................................................................................................................... 27 Tabla 1.8. Descripcion de los eventos de desprendimiento de solidos en filtros percoladores (342) .................................................................................................... 27 Tabla 1.9. Concentracion del lodo de filtros percoladores extraido de los clarificadores finales. ....................................................................................................................... 28 Tabla 1.10. Composicion del lodo de filtros percoladores ......................................... 29 Tabla 1.11. lodo procedente de procesos de crecimiento combinado fijo-suspendido. .................................................................................................................................. 30 Tabla 2.1. Metales en soluciones de cloruro ferrico (374) ......................................... 33 Tabla 2.2. Cadmio en el lodo..................................................................................... 35 Tabla 2.3. Incremento de concentraciones de metales durante el tratamiento. ........ 37 Tabla 2.4. Mediciones de aroclor (pcb ) 1254 en lodo............................................... 38 Tabla 2.5. Plaguicidas de hidrocarburos clorados en lodos (374, 383). .................... 39 Tabla 2.6. Experiencia en cribado (386, 387)............................................................ 40 Tabla 2.7. Experiencia en cribado (386, 387). (continuación) ................................... 41 Tabla 2.8. Analisis del material cribado ..................................................................... 42 Tabla 2.9. Metodos de manejo del material cribado.................................................. 43 Tabla 2.10. Metodos de manejo del material cribado (continuación) ........................ 44 Tabla 2.11. Cantidades de arena .............................................................................. 45 Tabla 2.12. Analisis de tamizado de la arena............................................................ 46 Tabla 2.13. Produccion de natas y sus propiedades................................................. 48 Tabla 2.14. Metodos para el manejo de natas .......................................................... 51 Tabla 2.15. Caracteristicas de los lodos de tanques septicos (417).......................... 53 Tabla 2.16. Informacion acerca de las caracteristicas y cantidades tipicas de lodos producidos por varios procesos y operaciones de tratamiento de aguas residuales. 55 Tabla 2.17. Concentracion esperada de los lodos producidos por varios procesos y operaciones de tratamiento de aguas residuales ...................................................... 55 Tabla 3.1. Ventajas y desventajas de los espesadores por gravedad....................... 76 Tabla 3.2. Criterios de diseño para area superficial de espesadores por gravedad tipicos a ...................................................................................................................... 80 Tabla 3.3. Resultados de operación reportados para varias tasas de desbordamiento en espesadores por gravedad (20, 21)a .................................................................... 81 Tabla 3.4. Valores tipicos de carga uniforme (w) ...................................................... 82 Tabla 3.5. Definicion de los torques aplicables a espesadores por gravedad tipo circular (22) ............................................................................................................... 82

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Tabla 3.6. Rangos tipicos de carga hidraulica para espesadores mecanicos por gravedad ................................................................................................................... 89 Tabla 3.7. Resultados de operación de espesadores por flotacion ........................... 92 Tabla 3.8. Tasas de carga de solidos por area de superficie. ................................... 92 Tabla 4.1. Tasa de carga de lodos secos por metro de ancho de banda.................. 96 Tabla 4.2. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos..................... 107 Tabla 5.1. Dosis tipicas de cloruro ferrico y cal para el desaguado de lodos de aguas residuales municipales ............................................................................................ 109 Tabla 5.2. Dosis de polimero................................................................................... 114 Tabla 6.1. Tipo y referencia de estudios a escala real sobre digestion anaerobia de alta tasa de lodos municipales (52, 53, 54, 55 –73) ................................................ 132 Tabla 6.2. Criterios de diseño tipicos para dimensionamiento de digestores de lodo anaerobios mesofilicos (104, 105)........................................................................... 138 Tabla 6.3. Criterios de diseño para dimensionamiento de digestores de alta tasa en base a tiempo de retencion de solidos (110)........................................................... 140 Tabla 6.4. Caracteristicas fisicas y quimicas promedio de lodos de un sistema de digestion de dos etapas (62) ................................................................................... 141 Tabla 6.5. Entrada y salida de materiales a un sistema de digestion de dos etapasa (62).......................................................................................................................... 141 Tabla 6.6. Produccion de gas para diferentes compuestos en los lodos de las aguas residuales (125)....................................................................................................... 142 Tabla 6.7. Caracteristicas del biogasa (124)............................................................ 143 Tabla 6.8. Efecto del nitrogeno sobre la digestion anaerobia (152,153) ................. 146 Tabla 6.9. Coeficientes de transferencia de calor para serpentines de auga caliente en digestores anaerobios (123)............................................................................... 150 Tabla 6.10. Coeficientes de transferencia de calor para varios materiales de tanques de digestion anaerobia (186)................................................................................... 152 Tabla 6.11. Relacion entre la gradiente de velocidad y el gasto unitario de gas. .... 159 Tabla 6.12. Suposiciones de carga de diseño......................................................... 163 Tabla 6.13. Diversos estudios de digestion aerobia de lodos municipales.............. 169 Tabla 6.14. Caracteristicas del sobrenadante de digestor aerobio mesofilico......... 178 Tabla 6.15. Resumen de criterios actuales para diseño de digestores aerobios..... 179 Tabla 6.16. Requerimientos de cal para lograr ph de 12 durante 30 minutos en lebanon, ohio (267). ................................................................................................ 189 Tabla 6.17. Dosis de cal requerida para mantener el ph arriba de 11.0 por lo menos durante 14 dias (265). ............................................................................................. 190 Tabla 6.18. Densidad de bacterias en lodos crudos, digeridos anaerobios, y estabilizados con cal en lebanon, ohio (267)........................................................... 193 Tabla 6.19. Composicion quimica del lodo y sobrenadante antes y despues de estabilizacion con cala (266).................................................................................... 195 Tabla 6.20. Programa de monitoreo para una instalacion de composteo de lodos procedentes de aguas residuales municipales (436) .............................................. 202 Tabla 6.21. Densidades de varios agentes de abultamiento para composta (432). 207 Tabla 6.22. Criterios de diseño tipicos para tanques imhoff sin calentamiento ....... 231 Tabla 7.1. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos..................... 232 Tabla 7.2. Resumen de criterios de diseño para lechos de arena para secado lodo digerido anaerobiamente sin acondicionamiento quimico ....................................... 238 vii

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Tabla 7.3. Agua total drenada de lodo digerido aerobiamente aplicado a lechos de arena para secado .................................................................................................. 241 Tabla 7.4. Efecto de la digestion sobre la eficiencia de lechos de secado .............. 241 Tabla 7.5. Concentracion de lodo producido en lechos con vacio........................... 248 Tabla 9.1. Aplicaciones de bombas de lodos por principio...................................... 254 Tabla 10.1. Limitaciones tipicas del suelo para la aplicacion de lodo a terrenos agricolas a tasas de aplicación de fertilizantes de nitrogeno................................... 273 Tabla 10.2. Limitantes tipicas de pendiente para aplicación de lodos a terrenos.... 274 Tabla 10.3. Profundidades minimas tipicas para aplicación de lodo a terrenos. ..... 275 Tabla 10.4. Tasas de mineralizacion de nitrogeno organico en lodos de aguas residuales ................................................................................................................ 276 Tabla 10.5. Tasas de asimilacion de nutrientes para cultivos selectos ................... 278 Tabla 11.1. ventajas y desventajas de la utilizacion de filtros prensa de placas y marcos .................................................................................................................... 290 Tabla 11.2. Informacion de productividad tipica para filtros prensa de placas y marcos ................................................................................................................................ 290

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1.ASPECTOS GENERALES 1.1.GENERALIDADES En esta guía se describen las características, métodos de transporte, acondicionamiento químico para la remoción del agua, técnicas de espesamiento, desaguado y secado, así como estabilización y disposición final de los lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales, incluyendo teoría, consideraciones para el diseño y costos. El ingeniero deberá conocer las fuentes, características y cantidad de lodo, que se tendrá que manejar cuando esté diseñando los dispositivos para el transporte, acondicionamiento y espesamiento o desaguado de lodos. El responsable del diseño deberá tomar en cuenta el lapso de tiempo que transcurre entre la toma de decisiones hasta la construcción, para favorecer aquellos procesos y equipo que sean suficientemente flexibles para permanecer útiles a pesar de posibles cambios tecnológicos, reglamentarios, económicos y/o en las características del lodo. Cuando sea posible, el ingeniero deberá investigar sistemas a escala normal que estén funcionando, para determinar condiciones reales de operación y costos, y luego introducir un factor de seguridad por imprevistos. 1.2.DEFINICIÓN DE LODO Los materiales sólidos y semisólidos removidos del agua residual en plantas de tratamiento son considerados como lodos. Los residuales orgánicos del tratamiento primario y secundario constituyen la mayoría de los lodos, pero también incluyen arena, natas y sólidos del cribado. La producción de lodos en los procesos unitarios típicos dependerá del porcentaje de aportación industrial, basura molida, el uso de químicos, control del proceso, cargas pico y condiciones climatológicas (1). Los tipos de lodos incluyen: • Lodo Primario • Lodo Biológico • Lodos Químicos 1.3.PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO 1.3.1.Lodos Primarios La mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan sedimentación primaria para remover los sólidos fácilmente sedimentables del agua cruda. En una planta típica con sedimentación primaria y un proceso convencional de lodos activados para el tratamiento secundario, el peso seco de los sólidos primarios es del orden del 50% del total de los sólidos generados.

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El lodo primario normalmente es más fácil de espesar por gravedad, ya sea con tanque de sedimentación primaria o dentro de un espesador por gravedad independiente. En comparación con lodos biológicos y muchos químicos, el lodo primario puede ser desaguado rápidamente mecánicamente con pocos requerimientos de acondicionamiento. 1.3.1.1.Producción de Lodos Primarios La producción de lodo primario está generalmente dentro del ámbito de 100 a 300 mg/l. Para estimar la producción de lodo primario para determinada planta se requiere calcular la cantidad de sólidos suspendidos totales (SST) que entran al tanque de sedimentación primaria y suponer una eficiencia de remoción. Cuando no hay disponibles datos específicos del sitio para los SST influentes, frecuentemente se utilizan valores de 0.07 a 0.11 kg/cápita/d (278). La eficiencia de remoción de SST en el tanque de sedimentación primaria normalmente es del orden de un 50% a 65% (279). La eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en la sedimentación primaria depende, en gran parte, de la naturaleza de los sólidos. Se utiliza frecuentemente una eficiencia del 60%, sujeta a las siguientes condiciones: • Que el lodo es producido en el tratamiento de aguas residuales de origen doméstico, sin mayor aportación de carga industrial. • Que el lodo no contiene coagulantes químicos ni floculantes. • Que ningún otro lodo - por ejemplo, lodo de filtros percoladores - ha sido agregado al influente de la planta. • Que el lodo no contiene mayores corrientes colaterales del procesado del lodo. Ejemplo:

SST

=

0.09 kg/cápita/día

Eficiencia

=

60%

Lodo Primario

=

0.054 kg/cápita/día

Si existen datos disponibles sobre la concentración de sólidos suspendidos en el influente, dichos datos deben ser utilizados para el diseño. El uso de los registros de operación de tanques en servicio o pruebas de laboratorio pueden refinar los datos de eficiencia. El "Método Estándar" de la prueba de peso seco para materia sedimentable bajo condiciones ideales estima la cantidad de lodo producido en un tanque de sedimentación ideal (280). La producción de lodo será ligeramente menor en un tanque verdadero de sedimentación.

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La cantidad de lodo extraído del tanque de sedimentación primaria se incrementa substancialmente cuando las corrientes colaterales del proceso de tratamiento de lodos son reciclados al tanque de sedimentación primaria. La cuantificación de los sólidos que entran y salen del clarificador primario por medio de todas las corrientes es una herramienta importante para estimar la producción de lodo primario, cuando los lodos reciclados y las corrientes colaterales contribuyen grandes cantidades de sólidos. La cantidad de sólidos suspendidos y sólidos químicos removidos en un tanque de sedimentación primaria hipotético, que procesa agua residual la cual ha sido tratada mediante la adición de cal, sulfato de aluminio o cloruro férrico son estimados en la tabla 1.1. Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324). Sin Adición de Químicosa Tipo de Lodo Adición Químicosb Calc Alumbred Hierroe Sólidos Susp., kg/m³ 0.125 0.187 0.187 0.187 Sólidos Químicos, kg/m³ 0.25 0.043 0.055 Producción Total de Lodo, 0.125 0.437 0.23 0.242 kg/m³ a - supone una concentración de 10 mg/l de fósforo influente como P, con el 80% removido mediante precipitación química. b - supone una remoción del 50% de 250 mg/l de SST influente, en la sedimentación primaria. c - 125 mg/l de Ca(OH)2 adicionado para elevar el pH a 9.5. d - 154 mg/l de Al2(SO4)3•14H2O adicionado. e - 84 mg/l de FeCl3 adicionado. Nota: No supone la recirculación de corrientes colaterales (por ejemplo, de lodo activado purgado a la sedimentación pri maria, sobrenadante de digestor, etc.). La producción de sólidos secunadarios sería reducida de 0.10 kg/m³ sin la adición de químicos a 0.04 kg/m³ con la adición de químicos en esta planta hipotética.

1.3.1.2.Propiedades de Concentración La mayoría de los lodos primarios pueden ser concentrados fácilmente dentro de los tanques de sedimentación. Se puede obtener una concentración de sólidos entre el cinco y seis por ciento, cuando el lodo es bombeado de tanques de sedimentación primaria bien diseñados (279, 287, 290, 291). Sin embargo, valores tanto mayores como inferiores son comunes. Las condiciones que influyen sobre la concentración del lodo primario son: • Si el agua residual no es desarenada antes de que entre a los tanques de sedimentación.

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• •

Si el lodo contiene grandes cantidades de sólidos finos no volátiles, como limo, del influente pluvial, se puede lograr una concentración arriba del seis por ciento (288, 293). Las cargas industriales pueden afectar fuertemente la concentración de lodo primario.

•

El lodo primario puede flotar cuando se le adhieren burbujas de gas generado bajo condiciones anaerobias. Las condiciones que favorecen la formación de gas incluyen: temperaturas calientes, depósitos de sólidos en los colectores, desechos sépticos fuertes, tiempos de retención de sólidos en los tanques de sedimentación prolongados, falta de precloración adecuada y recirculación de los licores del lodo (295). Esto se puede evitar mediante el incremento de la frecuencia y tasa del bombeo del lodo primario (296).

•

Si se mezclan los lodos biológicos con el agua residual, generalmente resultará una concentración menor de lodo primario.

1.3.1.3.Composición y Características La tabla 1.2 muestra varias de las características de los lodos primarios. En muchos casos, se dan los ámbitos y/o valores "típicos". En la ausencia de recirculación de corrientes colaterales de los procesos de lodos, el porcentaje de sólidos volátiles en el lodo primario debe aproximarse al porcentaje de sólidos suspendidos volátiles en el agua residual influente. Un contenido de sólidos volátiles inferior al 70% normalmente indica la presencia de aportación de agua pluvial, corrientes colaterales del procesado de lodos, una gran cantidad de arena, lodo de una planta de filtración que fue descargado al drenaje sanitario, desechos industriales con bajo contenido de sólidos volátiles, o sólidos de aguas residuales que han tenido un largo tiempo de retención en el alcantarillado.

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Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario Característica pH

Ambito de Valores 5-8

Acidos volátiles, mg/l 200 - 2,000 como ácido acético

Valor calorífico, Btu/lb, (kJ/kg)

Gravedad específica de partículas individuales de sólidos Gravedad específica bruta (húmeda)

6,800 10,000

--

--

Valor Típico 6

Comentarios

Referencia

--

278

500

--

278

-10,285 7,600

Depende del contenido de volátiles y composición del lodo, valores reportados están en base peso seco. Lodo con 74% volátil Lodo con 65% volátil

278 278 297

1.4

Aumenta con mayor contenido de arena, limo, etc.

278

1.02

Aumenta con espesor del lodo y gr. esp. de los sólidos.

278

1.07

Agua residual fuerte de un sistema combinado.

298

Relación DBO5/SSV

0.5 - 1.1

--

--

299

Relación DQO/SSV

1.2 - 1.6

--

--

299

Relación N-org/SSV

0.05 - 0.06

--

--

299

64 - 93

77

Valor obtenido sin recirculación de lodos, buen desarenado; 42 muestras, desviación estándar de 5.

299

60 - 80

65 40

Valor bajo provocado por influente alto de tormenta

288

--

40

Valor bajo provocado por desecho industrial.

294

8 - 15 --

10 3.8

---

278 300

Contenido volátil, % por peso sólidos secos

--

Celulosa, % por peso de sólidos secos

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Característica

Ambito de Valores

Valor Típico

Comentarios

Referencia

Hemicelulosa, % por peso de sólidos secos

--

3.2

--

300

Lignina, % por peso de sólidos secos

--

5.8

--

300

6 - 30 7 - 35

---

Soluble en éter Extractable en éter

278 300

20 - 30 22 - 28

25 --

--

278 300

1.5 - 4

2.5

Expresado como N

278

1.6

Expresado como P2O5. Se dividen los valores de P2O5 entre 2.29 para obtener valores de P.

278

0.4

Expresado como K2O. Se dividen los valores de K2O entre 1.20 para obtener valores de K.

278

Grasas y aceites, % por peso de sólidos secos

Proteína, % por peso de sólidos secos

Nitrógeno, % por peso de sólidos secos

Fósforo, % por peso de sólidos secos

Potasa, % por peso de sólidos secos

0.8 - 2.8

0-1

El lodo primario típicamente contiene más de 100 diferentes especies de bacterias anaerobias y facultativas (301). Bacterias reductoras y oxidantes del sulfato, huevos de gusanos y moscas, y microorganismos patógenos típicamente están presentes. 1.3.2.Lodos Biológicos 1.3.2.1.Características Generales Los lodos biológicos son producidos por procesos de tratamiento tales como lodos activados, filtros percoladores y biodiscos. Las cantidades y características de los lodos biológicos varían con las tasas metabólicas y de crecimiento de los diferentes microorganismos presentes en el lodo. Las plantas con sedimentación primaria normalmente producen un lodo biológico bastante puro. La concentración y, por tanto, el volumen del lodo biológico purgado son afectados grandemente por el método de operación de los clarificadores. Los

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lodos biológicos generalmente son más difíciles de espesar y desaguar, que el lodo primario y la mayoría de los lodos químicos. 1.3.2.2.Lodo Activado El lodo activado tiene muchas variantes: aeración extendida, zanja de oxidación, oxígeno puro, aeración mecánica, aeración por difusión, flujo en pistón, estabilización por contacto, mezcla completa, alimentación por etapas, lodo activado nitrificante, etc. (279). La cantidad de lodo activado purgado (LAP) es afectada por dos parámetros: el peso seco y la concentración del lodo. a) Ecuaciones Básicas de Predicción Las variables más importantes para predecir la producción de lodo activado purgado son la cantidad de orgánicos removidos en el proceso, la masa de microorganismos en el sistema, los sólidos suspendidos inertes en el influente al proceso biológico y la pérdida de sólidos suspendidos en el efluente. Estas variables se pueden juntar en dos sencillas y útiles ecuaciones: Px = (Y)(Sr) - (kd)(M) LAPt = Px + Inv - Et

(1-1) (1-2)

donde: Px = crecimiento neto de sólidos biológicos (expresado como sólidos suspendidos volátiles [SSV]), kg/día; Y = coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg; = substrato removido (por ejemplo, DBO5), kg/día; Sr kd = coeficiente de decaimiento, día-1; M = inventario en el sistema de sólidos microbianos (SSV), kg; LAPt = producción de lodo activado purgado, kg/día; = sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso kg/día; y Inv Et = sólidos suspendidos efluentes, kg/día. Para usar la ecuación 1-1, es necesario obtener valores de Y y kd. Mientras que la tabla 1.3 resume varios valores reportados de estos parámetros, es mejor determinar Y y kd para la corriente residual cuando sea posible. Para usar la ecuación 1-2, es necesario estimar Inv, sólidos no volátiles influentes, y Et, sólidos suspendidos efluentes. Los siguientes normalmente se incluyen en el término Inv: •

Sólidos no volátiles en el influente, incluyendo licores de recirculación. 7

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•

Precipitados químicos - por ejemplo, fosfatos de aluminio - cuando se agrega alumbre al proceso de lodos activados.

•

Sólidos de escurrimientos pluviales que no son removidos en los procesos anteriores (313).

•

Contenido normal no volátil del lodo activado. En la ausencia de licores del lodo, precipitados químicos, y drenaje pluvial, el lodo activado tendrá un 80% de volátiles (menos en aeración extendida) en la mayoría de las plantas municipales.

Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285) Referenc Coeficient Coeficiente Tipo de Agua Escala Aeraci Temperatu Edad Cálculo ia e de de Residual de ón ra (°C) de Remoción Rendimie Decaimient Planta Lodos de DBO5 nto Brutoa ob (días) 2.8 25 0.5 0.055 Efl. Primario Lab. Aire 19 - 22 22 Influente Infl. Oxígen menos 26 0.7 0.04 Efl. Primario Piloto o no esp. 1 - 4 efluente Infl. menos 26, 27 0.67 0.06 Efl. Primario Real Aire 18 - 27 1.2 - 8 efluente Infl. menos 28, 29 0.73 0.075 Efl. Primario Piloto Aire 10 - 16 1 - 12 efluente Efl. Prim. (agua residual Infl. incluye menos licores del efluente 30 0.94 0.14 desaguado Piloto Aire 15 - 20 0.5 - 8 soluble Infl. Oxígen 2.5 menos 31 0.73 0.06 Efl. Primario Piloto o 18 - 22 17 efluente no calc. (despreciabl Efl. Primario Grand 32 0.5 e) (base militar) Piloto Aire 0-7 ed Influente Infl. Efl. Primario menos (mucha Oxígen efluente 12 0.74 0.04 industria) Piloto o 17 - 25 2.1 - 5 soluble Crudo desarenado Infl. incluyendo menos licores efluente 30 1.57 0.07 desaguado Piloto Aire 15 - 20 0.6 - 3 soluble Infl. sol. Crudo menos efl. 33 1.825 0.20 desarenado Lab. Aire 4 - 20 1-3 soluble

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Referenc Coeficient Coeficiente Tipo de Agua Escala Aeraci Temperatu Edad Cálculo ia e de de Residual de ón ra (°C) de Remoción Rendimie Decaimient Planta Lodos de DBO5 nto Brutoa ob (días) Infl. Crudo 11 y menos 34 0.65 0.043 desarenado Lab. Aire 20 - 21 másd efluente Infl. Crudo Grand menos 34 0.70 0.048 desarenado Lab. Aire 20 - 21 ed efluente Infl. Crudo Grand menos 34 0.54 0.014 desarenado Real Aire No esp. ed efluente Infl. 35 1.1 menos 1.1 0.09 Crudo Real Aire No esp. 2.4 efluente a - Coeficiente de rendimiento bruto Y, kg SSV/kg DBO5. b - Coeficiente de decaimiento kd, días-1. c - Tiempo medio de residencia celular o edad del lodo θm, medido como masa de SSV del licor mezclado dividido entre la producción de sólidos biológicos Px. Note que los coeficientes pueden ser un tanto diferentes si el inventario total de SSV del sistema (SSV del licor mezclado más SSV del clarificador) es utilizado en lugar del valor de los SSV del licor mezclado exclusivamente. d - aeración extendida. Nota: Todos los valores en este cuadro son para una ecuación del tipo Px = Ysr - kdM (Ec. 1-1). Para calcular Et, se deberá utilizar un valor pequeño como 10 mg/l de SST.

a1) Efecto de la Edad del Lodo y Relación de F/M La ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la edad del lodo (θm). Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)]

(1-3)

donde θm = M/Px = edad del lodo, días. Similarmente, la ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la relación de F/M: Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)]

(1-4)

donde: = coeficiente para igualar unidades de Sr y "F" en F/M; si Sr es la DBO5 C2 removida (influente menos efluente), entonces C2 es la eficiencia de remoción de DBO5, cerca de 0.9; F/M

=

relación de alimento a microorganismos; = DBO5 aplicada diariamente/SSV (masa) en el sistema.

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A medida que la θm aumenta y F/M disminuye, la producción de sólidos biológicos Pr disminuye. El manejo de lodos es costoso, y los costos se pueden reducir utilizando altos valores de θm o bajos valores de F/M. Sin embargo, existen factores de costos que se compensan, tales como incrementos en el volumen equerido de tanque de aeración, requerimientos de oxígeno para el sistema biológico aerobio, etc. También, a medida que cambia la estación del año, puede cambiar el θm y F/M óptimo para una eficiencia máxima de tratamiento del agua residual. Por consiguiente, es deseable poder operar en un ámbito de condiciones. Obviamente, se requieren cálculos de tanteos para establecer el sistema menos costoso. a2) Efecto de la Nitrificación La nitrificación consiste en la bioxidación del nitrógeno amoniacal y orgánico a nitritos y nitratos. Los procesos estables de nitrificación operan con altas edades de lodos (θm) y baja relación de alimento a microorganismos (F/M). También, los procesos de nitrificación frecuentemente son precedidos por otros procesos que remueven mucha de la DBO5 y SS. Como resultado, el lodo activado en estado de nitrificación generalmente produce menos purga que el proceso convencional de lodos activados. Sin embargo, existe un componente adicional del lodo nitrificante, el rendimiento neto de bacterias nitrificantes, Yn. Este se puede estimar a razón de 0.15 kg de SS por kg de nitrógeno total Kjeldahl (orgánico más amoniaco) removido (314). La Yn varía con la temperatura, pH, oxígeno disuelto y tiempo de residencia celular. Sin embargo, no son requeridas mediciones detalladas de Yn para el diseño de las instalaciones de lodos debido a que la producción de bacterias nitrificantes es pequeña. En procesos de nitrificación de una sola etapa, las cifras de producción de lodo también deberán incluir los sólidos producidos por la oxidación carbonosa, calculada a la m y F/M del sistema nitrificante. a3) Efecto de la Composición del Substrato El tipo de agua residual que es alimentada al proceso de lodos activados tiene mayor influencia sobre los coeficientes de producción bruta (Y) y decaimiento (kd). a4) Efecto de la Concentración de Oxígeno Disuelto Concentraciones muy bajas de OD - por ejemplo, 0.5 mg/l - en sistemas convencionales de lodos activados parecen incrementar la producción de sólidos, aun cuando otros factores se mantienen constantes (315). Sin embargo, no existe una clara definición de la producción de sólidos con niveles más altos de OD. a5) Efecto de la Temperatura

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Los coeficientes Y (rendimiento bruto) y kd (decaimiento) están relacionados a la actividad biológica y, por tanto, pueden variar debido a la temperatura del agua residual. Se recomiendan los siguientes lineamientos: •

Las temperaturas del agua residual dentro del ámbito de 15°C a 22°C se pueden considerar como un caso base. En este ámbito no es necesario hacer correcciones de temperatura. Cualquier variación en los coeficientes del proceso dentro de este ámbito de temperatura será probablemente pequeña en comparación con los efectos de otros factores.

•

Si la temperatura del agua residual está dentro del ámbito de 10°C a 15°C se deben utilizar los mismos valores de kd, que en el caso de 15°C a 22°C , pero el valor de Y se debe incrementar en un 26 por ciento.

•

Si la temperatura del agua residual está abajo de 10°C, se debe esperar mayor producción de lodo (323), pero la cantidad no puede ser estimada con precisión a partir de los datos disponibles. Bajo dichas condiciones, se requieren estudios a nivel piloto del proceso.

•

Si la temperatura del agua residual está arriba de 22°C, se pueden utilizar los valores de los coeficientes para el ámbito de 15°C a 22°C. El diseño puede resultar un tanto conservador. b) Cálculo de la Tasa Pico de Producción del Lodo Activado Purgado La producción pico de sólidos se presenta debido a combinaciones desfavorables de los elementos en las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4, presentadas con anterioridad: Px = (Y)(Sr) - (kd)(M) Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)] Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)]

(1-1) (1-3) (1-4)

Todas estas ecuaciones predicen que la producción de sólidos (Px) aumenta con incrementos en Sr y F/M y disminuye con incrementos en la masa de microorganismos y θm. Px también aumenta si el coeficiente de rendimiento bruto (Y) se incrementa o si el coeficiente de decaimiento (kd) disminuye. Cada uno de estos factores que tienden a incrementar Px se presentan, dentro de ciertos límites, en la práctica. Para calcular la producción pico de sólidos, se deben suponer las siguientes condiciones: •

Remoción pico de substrato (Sr). Si se mantiene una alta eficiencia de tratamiento biológico del agua residual a una carga pico de contaminantes, entonces Sr representa la remoción de orgánicos a carga máxima. Si Sr es calculada en base a la remoción de DBO5, entonces se debe utilizar la

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máxima remoción de DBO5. La duración del pico de producción de sólidos corresponderá a la duración del pico de carga. •

Valor mínimo de θm o máximo de F/M. Esto permite al operador seleccionar θm o F/M para obtener el efluente mejor posible. La condición promedio de diseño puede ser F/M = 0.3, pero el operador puede obtener mejores resultados a una F/M = 0.5 en el caso de condiciones específicas en una planta de ratamieno determinada.

•

Valor máximo probable de Y.

•

Valor mínimo probable de kd.

Además, se deberá dar holgura en caso de que la temperatura del agua residual sea menor de 15°C durante la carga pico. Reducciones en el inventario de sólidos constituyen otro tipo de condición inestable que debe ser anticipada. Ocasionalmente es necesario que el operador de la planta reduzca la masa de microorganismos (M) en el proceso de tratamiento líquido mediante la purga de lodo activado. La purga de lodo activado ayuda al operador a mantener una F/M constante ante reducciones en la carga de DBO5. La purga de lodo activado también permite al operador sacar de servicio tanques de aeración, clarificadores, etc., para limitar los sólidos en los clarificadores, y evitar una mayor pérdida de sólidos en el efluente e inhibir el crecimiento de microorganismos indeseables, tales como los actinomicetos que provocan natas (327). Además, al reducir M, el operador puede con mayor facilidad optimizar la biofloculación, así minimizando los sólidos en el efluente, y puede controlar los requerimientos de aire u oxígeno. Para plantas de tratamiento sin variaciones importantes conocidas de DBO5 y SS, se debe dar una holgura al diseñar las instalaciones para el manejo de sólidos, que permita purgar un dos por ciento adicional de M por día, con una duración de hasta dos semanas. Para plantas con variaciones mayores en la carga estacional, se debe incluir holgura para la purga de un cinco por ciento adicional de M por día, con una duración de hasta dos semanas. Una holgura similar se debe dar en plantas que practican la nitrificación sólo durante una parte del año. Finalmente, para plantas con variaciones mayor de entre semana al fin de semana, de más del 2:1 en carga de DBO5, y con relaciones de F/M medianas a altas, mayores de 0.3 durante las cargas altas, la holgura deberá ser de un día de purga de lodos de hasta un 25% de M. La planta también deberá ser capaz de manejar la purga de un cinco por ciento de M por día, con una duración de hasta dos semanas. Como la reducción del inventario no es practicada normalmente durante los periodos pico, las capacidades de holgura mencionadas arriba deberán ser adicionadas a la producción media de sólidos. La tasa máxima de producción de lodo activado se determina en función de lo que sea mayor: producción durante cargas pico o la suma de la producción media más la holgura para reducción del inventario.

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Ocasionalmente, el lodo es purgado de tal forma que la M aumenta a veces y disminuye en otras. El uso de dichos patrones aumenta la tasa máxima a la cual se deberá remover el LAP. c) Medición de los Coeficientes de Rendimiento de Lodos Estudios a nivel piloto y registros de operación a escala real pueden proporcionar mejores datos para establecer los criterios de diseño de producción de lodos, que cualquier compilación general de datos de otros sitios. La medición de los coeficientes de rendimiento de lodo son de dos tipos básicos. Primero, tanto el rendimiento bruto Y el decaimiento kd pueden ser determinados. Segundo, se pueden utilizar exclusivamente los valores de rendimiento neto observados. Las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4 son utilizadas cuando se espera que la relación F/M y la edad del lodo, θm, vayan a variar en la planta. Para utilizar estas ecuaciones, es necesario determinar los dos coeficientes de rendimiento de lodo, Y y kd. Para establecer estos dos coeficientes, se debe medir la producción de sólidos bajo por lo menos dos diferentes condiciones de F/M y θm. La Ecuación 1-1 se puede reacomodar: Px/M = Y (Sr/M) - kd

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(1-5)

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donde: Px/M = Sr/M =

tasa de crecimiento neto = 1/θm días-1, kg DBO5 removidos por día/kg SSV.

Esta ecuación representa una relación básica de línea recta entre Px/M y Sr/M. Para cada condición de operación, Px/M y Sr/M son calculadas y graficadas, y se traza una línea recta por los puntos. La pendiente de esta línea representa el coeficiente de rendimiento (Y) y la intersección el coeficiente de decaimiento (kd). En la figura 1.1 se puede apreciar el procedimiento. Si las condiciones de diseño de Sr/M o θm son conocidas y si la producción de sólidos se puede medir bajo estas condiciones, entonces no es necesario determinar los dos coeficientes Y y kd. Sólo será necesario calcular el rendimiento neto observado. Las ecuaciones 1-1 y 1-3 se reacomodan para mostrar: Yobs = Px/Sr = Y - kd/(Sr/M) = Y/[1 + (kd)(θm)] donde: Yobs = coeficiente neto de rendimiento, = kg SSV producidos/kg substrato removido (DBO5)

Figura 1.1. Curvas de crecimiento neto.

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(1-6)

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Los coeficientes de rendimiento neto con frecuencia se reportan en la literatura. Son aplicables directamente sólo bajo las condiciones de Sr/M y θm que se presentaron durante los experimentos; no tienen significado a menos que también se mida Sr/M o m. Para la obtención de datos de plantas piloto o instalaciones existentes para ser utilizados en establecer los coeficientes de rendimiento de lodo, se deben tomar varias precuaciones. Se debe utilizar el control automático de oxígeno disuelto (OD) en la prueba o se debe proporcionar aire u oxígeno en exceso para asegurar que la concentración de OD en el licor mezclado está arriba de 2.0 mg/l en todo momento. Los datos de temperaturas muy distintas no se deben graficar en la misma figura para determinar Y y kd. En su lugar, los datos de cada ámbito de temperatura deberán ser utilizados para determinar Y y kd en cada ámbito. Cada condición de Sr/M y θm se debe mantener el suficiente tiempo para obtener una operación estable. Para asegurar la estabilidad del sistema, un periodo equivalente a tres veces la edad del lodo debe transcurrir entre cada prueba. Se deberá utilizar el término Inv en la ecuación 1-2 para corregir los efectos de las corrientes colaterales. Se debe registrar el porcentaje de sólidos volátiles producidos. Esto será útil al calcular los sólidos totales en el lodo. d) Ejemplo: Determinación de la Producción de Lodo Biológico Este ejemplo ilustra el uso de los factores de rendimiento y decaimiento. La figura 1.2 muestra un diagrama de flujo para una planta hipotética. El problema consiste en preparar una estimación inicial de la carga al espesador del lodo activado purgado. La tabla 1.4 contiene la información requerida para este cálculo, incluyendo las cargas promedio y máxima diaria y las características de operación del lodo activado. Se supone que el espesador en este ejemplo tendrá que manejar la producción máxima diaria de lodo activado purgado. Cargas pico de menor duración a la producción máxima diaria serán manejadas mediante almacenamiento de los sólidos suspendidos adicionales en los tanques de aeración. Para los propósitos de este ejemplo, los procesos de tratamiento de lodos tales como digestión, desaguado, desinfección, acondicionamiento térmico y químico no han sido identificados. Dependiendo de la selección y diseño de los procesos de tratamiento de los lodos, las cargas de recirculación de dichos procesos pueden tener un efecto importante sobre la cantidad de lodo activado purgado y lodo primario que deberá ser procesado. Al ser conocidos, los orgánicos degradables (DBO5) y la fracción no volátil de las corrientes colaterales deberá ser agregada a los factores de remoción de substrato (Sr) y sólidos suspendidos no volátiles (Inv). Cálculos posteriores en las ecuaciones 1-1 y 1-2 tienen el propósito de obtener un balance de masa de lodo, que incluye el efecto de la recirculación de las corrientes colaterales.

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DESECHO S DO M ESTI CO S Y CO M ERCI ALES

TRA TAM I EN TO PRELI M I N A R

TA N Q UES DE A EREA CI O N

SEDI M EN TA CI O N PRI M ARI A

CLA RI FI CA DO RES FI N A LES

AREN A

LO DO A CTI VA DO RETO RN A DO

LO DO PRI M A RI O

RECI RCULA CI O N LO DO A CTI VA DO PURGA DO A SER CA LCULA DO

RECI RCULA CI O N

EXTRA CCI O N DEL CLA RI FI CA DO R

ESPESA DO R DE LO DO

TRA TA M I EN TO DE LO DO

LO DO PARA REUSO O DI SPO SI CI O N

DESI N FECCI O N Y DESCARGA

Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo. Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos. Gasto Influente, m³/d Eficiencia de Captura de Lodo Espesado Descripción Valor Descripción Valor Promedio diario 18,900 Promedio, % 95 Máximo diario 36,000 Máximo diario, % 85 DBO5 Influente, mg/l Relación de F/Ma Promedio diario 190 Promedio 0.3 Máximo diario 160 Máximo 0.5 Sólidos Suspendidos en Influente, mg/l Temperatura del Agua Residual Promedio diario 240 Promedio, °C 18 Máximo diario 190 Mínimo, °C 10 Remoción de DBO5 en Oxígeno Disuelto en Tanques de Sedimentación Primaria, % Aeración, mg/l Promedio diario 35 Promedio 2.5 Máximo diario 25 Máximo 2.0 Control: Automático Remoción de Sól. Susp. en Sed. Límites Máximos Efluente Promedio de 30 Primaria días Promedio diario 65 DBO5, mg/l 30 Máximo diario 50 Sól. Susp., mg/l 30 Datos de Prueba para Prod. de Ninguno b Sólidos a - kg DBO5 aplicada diariamente / kg SSV licor mezclado b - Datos de otras plantas tendrán que ser utilizados. Nota: Las concentraciones del máximo diario de DBO5 y Sólidos Suspendidos influentes reflejan la dilución del promedio diario debido al mayor gasto presente.

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Paso No. 1. Determinar la carga de DBO5 al proceso de lodos activados. Carga promedio diaria de DBO5: 18,925 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.35) = 2,337 kg/día Carga máxima diaria de DBO5: 35,958 m³/d x 160 mg/l x (1 - 0.25) = 4,315 kg/día Paso No. 2. Determinar M, la masa de microorganismos. Promedio: F/M = DBO5 aplicada por día/ SSV en el sistema = 0.3 M = 2,337/0.3 = 7,790 kg SSV Máximo diario: F/M = 0.5 M = 4,315/0.5 = 8,630 kg SSV Paso No. 3. Determinar Y, el coeficiente de rendimiento bruto, y kd, el coeficiente de decaimiento. No hay datos de prueba disponibles para este desecho, por lo cual será necesario estimar en base a pruebas con otros desechos. Para las condiciones promedio, utilice los datos de Los Angeles del cuadro 1-3 (304): Y = 0.67 kg SSV formado por kg de DBO5 removida; kd = 0.06 día-1. Para condiciones máximas, utilice una temperatura mínima de 10°C, que produce el valor máximo de Y. Utilice el factor de correción de la sección 1.3.2.2.b, que incrementa Y en un 26 por ciento. Ymáx = 0.67 x 1.26 = 0.84; no ajuste kd Paso No. 4. Determine Sr (remoción de substrato) en unidades similares a Y. Remoción de substrato promedio diario: DBO5 aplicada DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) Total removido por día

2,337 kg/día 189 kg/día 2,148 kg/día

Remoción de substrato máxima diaria: DBO5 aplicada DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) Total removido por día

4,315 kg/día 360 kg/día 3,955 kg/día

17

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* Considere una DBO5 efluente de 10 mg/l, aunque a la planta se le permita descargar 30 mg/l. Las plantas de lodos activados pueden con frecuencia lograr una DBO5 efluente de 10 mg/l. Se deberá proporcionar capacidad de manejo de lodos para dichas condiciones. Paso No. 5. Determine Px, la producción de sólidos biológicos. Utilice la ecuación 1-1 de la sección 1.3.2.2.b: Px = (Y)(Sr) - (kd)(M)

(1-1)

Promedio: 0.67 kg SSV producidos/kg DBO5 removida x 2,148 kg/día DBO5 rem. - (0.06 día-1) (7,790 kg SSV) = 972 kg SSV producidos por día Máximo diario: (0.84)(3,955) - (0.06)(8,630) = 2,804 kg SSV producidos/día Paso No. 6. Calcule Inv (sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso de lodos activados). Promedio diario de sólidos suspendidos no volátiles: 18,925 m³/d x 240 mg/l x (1 - 0.65)(0.25*) = 397 kg/día Máximo diario de sólidos suspendidos no volátiles: 35,958 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.50)(0.25*) = 854 kg/día * - Se supone un 25% de fracción de sólidos suspendidos no volátiles. Paso No. 7. Calcule Et (sólidos suspendidos en el efluente). Promedio: 18,925 m³/d x 10 mg/l = 189 kg/día Máximo diario: 35,958 m³/d x 10 mg/l = 361 kg/día Paso No. 8. Calcule la producción de lodo activado purgado (LAPt) De la Ecuación 1-2: LAPt = Px + Inv - Et 18

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(1-2)

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LAPt = 972 + 397 - 189 = 1,180 kg/día Máximo diario: LAPt = 2,804 + 854 - 361 = 3,297 kg/día Paso No. 9. Calcule la holgura para reducción de inventario. Holgura reducción de inventario = (0.02)(7,790) = 156 kg/día En el presente caso, la holgura para reducción de inventario puede pequeña. Considere el 2% de M por día. Los 156 kg/d calculados son mucho menores a la diferencia entre la producción promedio y máxima diaria de lodo activado purgado (Paso No. 8); por consiguiente, si se proporciona capacidad para la máxima producción de sólidos, entonces habrá suficiente capacidad para la reducción de inventario. No es necesario reducir el inventario durante las cargas pico. e) Interacción de los Cálculos de Rendimiento y el Diagrama de Flujo Cuantitativo (DFC) El ejemplo anterior demuestra la técnica para calcular la producción de sólidos, sin considerar la recirculación de las corrientes colaterales. El DFC considera los efectos de la recirculación de las corrientes colaterales. Antes de poder elaborar el DFC para los procesos de tratamiento biológico, se tiene que hacer una estimación de la destrucción o síntesis neta de sólidos. La relación entre los sólidos que entran y salen de la unidad biológica se establece mediante el parámetro Xd, que se define como la destrucción neta de sólidos por unidad de sólidos que entran al reactor biológico. Los datos y cálculos del ejemplo anterior permiten hacer una estimación inicial de Xd. Para gasto promedio: 1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 972 + 397 = 1,369 kg/día. 2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente primario = (1-0.65) (240) (18,925) = 1,590 kg/día. 3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 1,590 - 1,369 = 221 kg/día. 4.Xd = 221/1,590 = 0.139 Para gasto máximo diario:

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1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 2,804 + 854 = 3,658 kg/día. 2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente primario = (1-0.5) (190) (35,958) = 3,416 kg/día. 3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 3,658 - 3,416 = 242 kg/día. 4. Xd = 242/3,416 = 0.071 Una vez que se conoce Xd, se puede realizar el cálculo del DFC. Después de concluir el cálculo del DFC, se pueden hacer nuevas estimaciones para Px e Inv, en base a la información derivada del cálculo del DFC. Por ejemplo, si el cálculo del DFC establece que las cargas de recirculación son importantes, puede ser necesario modificar las estimaciones de Sr e Inv y calcular nuevos valores para Px e Inv. f) Concentración del Lodo Activado Purgado El volumen del lodo producido por el proceso es directamente proporcional al peso seco e inversamente proporcional al espeso o cencentración de sólidos en la corriente de purgado de lodos. Los valores de concentración de lodos activados purgados pueden variar, en la práctica, desde 1,000 hasta 30,000 mg/L de SS (0.1 a 3% SS). Una variable importante que puede afectar la concentración del lodo activado purgado consiste en le método de purgado del lodo. En la figura 1.3 se muestran diferentes métodos. Los sólidos del lodo se pueden purgar directamente de la extracción del clarificador. La purga de sólidos a partir del licor mezclado puede mejorar el control del proceso (279, 312). En este caso, el lodo se purga del proceso de lodos activados a la misma concentración que los sólidos suspendidos del licor mezclado, del orden de 0.1 a 0.4%. Esta baja concentración puede ser una desventaja debido al gran volumen de licor mezclado que se tiene que remover para obtener la purga deseada en base al peso seco de los sólidos. Normalmente el lodo se purga directamente de la extracción del clarificador, debido a que la cocentración del lodo es mayor que en el licor mezclado. Las descripciones subsecuentes en esta sección se hacen en base a la purga del lodo directamente de la extracción del clarificador. f1) Estimación de la Concentración del Lodo Activado Purgado Los dos principales factores que afectan la concentración del lodo activado purgado son la sedimetabilidad del lodo y la tasa de carga de sólidos al tanque de sedimentación. Estos dos factores han sido considerados en detalle en el desarrollo de los procedimientos del flujos de sólidos para predecir la concentración del lodo activado en la extracción del clarificador (328). f2) Factores que Afectan la Concentración de Extracción 20

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Varios de los factores que afectan la sedimentabilidad del lodo y la carga al clarificador incluyen: • Características biológicas del lodo. Estas características pueden ser controladas parcialmente manteniendo una edad media de lodo o de relación F/M. Altas concentraciones de organismos filamentosos se pueden presentar a veces en el lodo activado. La reducción de estos organismos mediante el control de la edad del lodo o F/M ayuda a producir una extracción del clarificador más concentrada. •

Temperatura. A medida que se reduce la temperatura del agua residual, la concentración máxima obtenible en la extracción del clarificado Cu también se reduce como resultado del incremento en la densidad del agua. Además, la temperatura puede afectar las propiedades de sedimentación del lodo.

•

Flujo de sólidos. El flujo de sólidos es la carga de sólidos proveniente del licor mezclado divifdida entre el área del clarificador (por ejemplo, kg/día/m²). Mayores tasas de flujos de sólidos requieren que los clarificadores sean operados a menores concentraciones de sólidos.

•

Límites del equipo de recolección de lodos. Debido a la naturaleza pseudoplástica y viscosa del lodo activado purgado, algunos de los colectores y bombas de lodo disponibles no son capaces de una operación contínua y confiable cuando Cu excede los 5,000 mg/L.

•

Sólidos suspendidos pesados en el lodo. Si el agua residual cruda, en vez del efluente de la sedimentación primaria, es alimentada al proceso de lodos activados, normalmente resultan valores mas altos de Cu. Los químicos adicionados al agua residual para la remoción de fósforo y sólidos suspendidos pueden afectar similarmente el valor de C. Sin embargo, dichos sólidos adicionales también incrementan la carga de sólidos al clarificador.

g) Otras Propiedades del Lodo Activado La tabla 1.5 contiene varias mediciones reportadas de la composición y propiedades de los sólidos de lodos activados. Al comparar la tabla 1.5 con la tabla 1.2 de lodo primario, el lodo activado contiene mayor cantidad de nitrógeno, fósforo y proteína; las grasas, aceites y celulosa, así como la gravedad específica son menores.

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Figura 1.3. Metodos de purgado de lodos.

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Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados. Característica

Ambito de Valores

Valores Típicos -5.5 6,540 (15,200)

pH Valor de calentamiento, Btu/lb (kJ/kg) Gravedad específica de partículas individuales de sólidos

6.5 - 8

Gravedad específica bruta

--

1.08 1.0+7x108xC

Color Relación DQO/SSV

---

Café 2.17

Relación Carbono/Nitrógeno Carbono orgánico, % por peso de sólidos secos Nitrógeno, % por peso de sólidos secos (como N) Fósforo, % por peso de sólidos secos como P2O5 (divida entre 2.29 para obtener P) Potasio, % por peso de sólidos secos como K2O (divida entre 1.20 para obtener K) Sólidos volátiles, % por peso de sólidos secos (% como ceniza es 100 menos % volátil)

---

-----17 - 41 23 - 44 4.7 - 6.7 -2 4 - 5.0 3.0 - 3.7 -2.8 - 11 -0.5 - 0.7 --61 - 75 -62 - 75 59 - 70 --

12.9 6.6 14.6 5.7 3.5 ---

--

Grasas y aceites, % por peso seco 5 - 12 de sólidos Celulosa, % por peso seco de sólidos Proteína, % por peso seco de 32 - 41 sólidos

Referencia 330, 331 332 333

C es la concentración de sólidos suspendidos, en mg/l. Se ha notado algún lodo gris. El lodo activado se vuelve negro con la descomposición anaerobia.

334 -335

Baltimore, Maryland Jasper, Indiana Richmond, Indiana Southwest plant, Chicago, IL Milwaukee, Wisconsin (secado con calor) Zurich, Suiza Cuatro plantas Zurich, Suiza Chicago, Illinois Cuatro plantas Milwaukee, Wisconsin Zurich, Suiza Chicago, Illinois Cuatro plantas Milwaukee, Wisconsin Zurich, Suiza Chicago, Illinois Milwaukee, Wisconsin Zurich, Suiza

332 332 332 332 332 305 332

--

305 336 332 336 305 336 332 336 305 336 336 305 335 337 332 Cuatro plantas Renton, Washington (Seattle Metro) -promedio de 1976. San Ramón, California (Valley -Community Services District), promedio de 1975. Central plant, Sacramento County, CA, -julio 1977 a junio 1978, promedio. Extracto en éter 338

7

Incluye lignina

337

--

--

338

-5.6 -6.0 -7.0 -4.0 -0.56 0.41 -63 --76 88

Sólidos volátiles (cont.)

Comentarios Puede ser menor en sistemas de oxígeno puro o si empieza la digestión anaerobia. Baltimore, Maryland Aumenta con el contenido porcentual de volátiles.

81

Varios tipos de microorganismos están presentes en grandes cantidades en el lodo activado. Las bacterias formadoras de flóculos (zoogleas) incluyen especies de Zoogloea, Pseudomonas, Arthrobacter y Alcaligenes. El lodo activado también contiene microorganismos filamentosos como Sphaerotilus, Thiothrix, Bacilus y

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Beggiatoa (339). Varios tipos de protozoarios están presentes, incluyendo ciliados y flagelados. 1.3.2.3.Filtros Biológicos Los filtros percoladores son utilizados ampliamente en el tratamiento de las aguas residuales municipales. Esta sección trata sobre los filtros percoladores utilizados con clarificadores. Cuando no se utiliza un clarificador, el efluente del filtro percolador normalmente es alimentado a un proceso de lodos activados. a) Cálculo de la Producción de Lodo de Filtros Biológicos - Base Peso Seco Los microorganismos de los filtros percoladores son bioquímicamente similares a los que predominan en los sistemas de lodos activados. Por consiguiente, la producción de sólidos de los filtros percoladores y sistemas de lodos activados es muy similar cuando se compara en base a masa de sólidos producidos por masa de substrato removido. Sin embargo, existen diferencias entre los dos sistemas con respecto a la metodología para la predicción de la producción de sólidos y el esquema para el purgado de lodo. Los métodos empíricos son normalmente utilizados para el diseño. La tabla 1.6 presenta los rendimientos de lodo observados en varias plantas de tratamiento y en un estudio a largo plazo a nivel piloto. Estos datos principalmente están basados en filtros que han recibido cargas altas. Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores Producción Unitaria de Sólidosa

Planta

Base DBO5 Totalb

Base Base DBO5 DQO IT-ESd Base SSe IT-ESc

Base SSVf

% Sólidos Volátiles

Carga DBO5g

Medio

Referencia 6342

Stockton, Californiah Promedio 13 meses

0.74

0.67

0.43

1.00

0.94

77

0.43

Plástico,

Mes más alto

1.01

0.92

0.60

1.17

1.08

86

1.17

88.5 m²/m³

(5/76) Mes más bajo

(5/76, 7/76) (7/76) (6/76, 1/77) (10/76) (8/76, 11/76)

(8/76)

0.49

0.48

0.30

0.61

0.60

64

0.24

(1/77)

(1/77)

(1/77)

(3/76)

(3/77)

(3/76, 6/76)

(6/76)

Sacramento, Californiah

Plástico

343

9 meses sin enlatar Promedio

--

--

--

1.01

1.00

78

--

Mes más alto

--

--

--

1.09

1.09

83

--

3 meses de enlatado --

--

--

1.20

1.24

76

--

Dallas, Texas

Promedio

0.42

--

--

--

--

--

--

Roca

344

Dallas, Texas

0.65

--

--

--

--

--

--

344

Livermore, California

1.10i

--

--

1.39

1.51

84

0.91

San Pablo, California

--

--

--

1.39

--

--

3.19

Seattle, Washingtonj

--

0.8-0.9

--

1.0

--

--

0.5-4.0

Roca Roca, 5 a 10 cm Plástico, 95.1m²/m³ Plástico, varios

345 344 341

a - Producción de sólidos incluye lodo purgado (extracción de clarificador) y sólidos en el efluente líquido del clarificador.

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b - Masa (kg) de sólidos suspendidos volátiles (SSV) por masa de DBO5 removida. La DBO5 removida en base a mediciones totales (suspendido más disuelto). c - Masa (kg) de SSV por masa de DBO5 removida. La DBO5 removida basada en mediciones de influente total menos efluente soluble (IT-ES). d - Masa (kg) de SSV por masa de demanda química de oxígeno (DQO) removida. Remoción de DQO basada en mediciones de influente total menos efluente soluble. e - Masa (kg) total de sólidos suspendidos (SS) producida por masa de SS aplicada. f - Masa (kg) de SSV producida por masa de SSV aplicada. g - Masa (kg) total DBO5 aplicada por día metro cúbico de medio. h - Las plantas de Stockton y Sacramento tienen una aportación industrial alta entre agosto y octubre de las enlatadoras de frutas y verduras. i - Filtro de desbaste. Para DBO5, la remoción de DBO5 se calculó en base a la DBO5, inf. menos 0.5 veces la DBO5, efl. sin sedimentar. Datos promedio para 1971. j - Estudios piloto. La base SS se encontró que describe bien los datos a través de un amplio ámbito de cargas. El agua residual incluye algo de carga industrial y licores de recirculación del desaguado de lodos digeridos.

Las ecuaciones que relacionan la producción de material suspendido en filtros percoladores pueden ser desarrolladas en forma similar a las utilizadas en la predicción de la producción de lodo activado. La principal diferencia radica en el término utilizado para definir la cantidad de microorganismos en el sistema. En estudios a largo plazo sobre el funcionamiento de filtros percoladores, Merrill (341) supuso que la masa total de microorganismos presente en el sistema era proporcional al área superficial del medio. La ecuación resultante para la producción de sólidos volátiles fue: Px = Y' (Sr) - K'd (Am)

(1-7)

donde, Px Y' K'd Sr Am

= = = = =

Crecimiento neto de sólidos biológicos (SSV), kg/d; Coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg; Coeficiente de decaimiento, d-1; Substrato removido (DBO5), kg/d = DBO5 inf - DBO5 sol. efl.; Area superficial total del medio en el reactor, m²

La producción de lodo en el filtro percolador que requiere un manejo posterior puede ser expresado como: LFPP = Px + Inv - Et

(1-8)

donde, LFPP = = Inv Et =

Producción de lodos purgados en el filtro percolador, kg/d; Sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso, kg/d; Sólidos suspendidos en el efluente, kg/d.

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Los coeficientes Y' y K'd de la ecuación 1-7 se obtienen para determinado sistema calculando la pendiente e intersección de la recta graficada a través de los puntos de datos para Px/Am contra Sr/Am. Los datos de producción de SSV para tres diferentes medios de filtros percoladores aparecen en la figura 1.4.

Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios Para filtros percoladores

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La nitrificación en los filtros percoladores produce la síntesis de bacterias nitrificantes. Sin embargo como en el lodo activado, la cantidad es pequeña. Un valor de 3 mg/L ha sido sugerido con propósitos de diseño (344). Esta cantidad debe ser adicionada a los demás sólidos producidos por el filtro percolador. Los filtros percoladores producen cargas pico de lodo. Estas se pueden deber a variaciones en la carga influente, cambios climatológicos rápidos, y/o factores bioquímicos que provocan el desprendimiento de grandes cantidades de biomasa del medio. La tabla 1.7 muestra algunas variaciones debido tanto a descargas anormales de biomasa como a variaciones de la carga influente. La tabla 1.8, en cambio, muestra solamente la descarga de biomasa. Cada uno de los tres eventos en la tabla 1.8 "ocurrió durante periodos de cargas orgánicas ligeras (0.49 a 0.81 kg/m³/d) que habían sido precedidas por periodos en los cuales se habían aplicado cargas orgánicas extraordinariamente altas (3.48 a 3.81 kg/m³/d) en forma constante (4 a 14 días)" (341). La tabla 1.8 muestra que los sólidos en el efluente son mucho mayores que los sólidos en el influente. Esto es bastante diferente a las condiciones promedio, bajo los cuales los sólidos efluente son más o menos iguales a los sólidos influente. Tabla 1.7. Variacion diaria del efluente de filtros percoladores stockton. California (342) Número de SST Promedio Coeficiente Relación del Cinco %c Muestrasa (mg/l) de Variaciónb Marzo-Julio 1976 57 144 0.28 1.5 Agosto-Septiembre 1976d 26 187 0.33 1.6 Noviembre 1976 - Marzo 1977 51 149 0.31 1.7 a - Muestras son de efluente de filtros percoladores (antes de sedimentación) sólidos suspendidos totales, refrigeradas compuestas de 24 h. Variaciones de gasto en cada población de muestras fue pequeña; es decir, las relaciones en este cuadro representan variaciones de masa, así como de concentración. b - Desviación estándar dividida entre el promedio. c - Relación entre la concentración de muestras individuales y la concentración promedio. d - Alta carga industrial en agosto y septiembre del enlatado de fruta y verduras. Periodo

Tabla 1.8. Descripcion de los eventos de desprendimiento de solidos en filtros percoladores (342) Periodo

Duración (días)

Sólidos Suspendidos (mg/l)

Gasto (lps/m²)

Superficie Carga Aplicadac Específica (kg DBO5/ del Medio m³/d) (m²/m³)

Influente Efluente Influentea Recirculaciónb Octubre 22-26, 1976 5 114 256 0.30 1.40 0.53 88.6d Agosto 5-6, 1977 2 132 289 0.43 1.06 0.80 88.6d Julio 31 - Agosto 5, 1977 6 147 222 0.43 1.06 0.80 Graduadoe a - Gasto de agua residual influente dividido entre el área de la sección del filtro. b - Gasto de recirculación (del efluente del filtro percolador) dividido entre el área de la sección del filtro.

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c - En base a gasto influente. d - Medio plástico en hojas, 6.71 m de profundidad. e - Medio plástico en hojas, 6.71 m de profundidad; superficie específica varió entre 82 m²/m³ en la parte superior del filtro a 141 m²/m³ en el fondo.

Especialmente, en filtros de baja tasa existen variaciones estacionales en la producción de sólidos. "La biomasa tiende a acumularse en el filtro durante el invierno y en la primavera existe una tendencia a descargarla, cuando la actividad de los microorganismos se incrementa de nuevo" (324). La cantidad de sólidos que requieren tratamiento depende de la eficiencia de la sedimentación, que normalmente es del 40 al 50% con respecto a la remoción de sólidos suspendidos. La eficiencia de la sedimentación es mejorada mediante un diseño cuidadoso, cargas ligeras, sedimentadores de tubo, y coagulación y floculación (295, 341). b) Concentración del Lodo de Filtros Biológicos Las cargas del lodo de filtros percoladores sobre los tanques de sedimentación secundaria normalmente son bajas - de 5 a 10% de las cargas de sólidos observadas en los tanques de sedimentación del proceso de lodos activados. El lodo de los filtros percoladores también tiene mejores propiedades para el espesamiento que el lodo activado. Por consiguiente, el lodo de filtros percoladores puede ser extraído a una concentración mucho mayor que el lodo activado purgado. Los datos de concentración se resumen en la tabla 1.9. Tabla 1.9. Concentracion del lodo de filtros percoladores extraido de los clarificadores finales. Tipo de Lodo

Por ciento de Sólidos Secos

Comentarios

Referencia

Filtro percolador, exclusivamente

5 - 10 7 7 3 3-4 4-7

Depende del tiempo de residencia de sólidos en el filtro

346 290 347 347 348 279

Filtro percolador, combinado con primariocrudo

3-6

279, 346

El método de flujo de sólidos para predecir la concentración de lodos puede ser utilizado en filtros percoladores (329). Este método requiere la medición de la velocidad de sedimentación incial de los sólidos contra la concentración de sólidos. Dichas relaciones han sido reportadas para por lo menos un proceso de filtros percoladores (341).

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c) Propiedades - Lodo de Filtros Biológicos La tabla 1.10 contiene algunos análisis de las propiedades del lodo de filtros percoladores. La población microbiana que habita un filtro percolador es compleja e incluye muchas especies de algas, bacteria, hongos,protozoarios, gusanos, caracoles e insectos. Las moscas de filtros y sus larvas frecuentemente están presentes en grandes números alrededor de los filtros percoladores. Tabla 1.10. Composicion del lodo de filtros percoladores Propiedad Contenido volátil, por ciento de sólidos totales Nitrógeno, por ciento de sólidos totales

Fósforo como P2O5, por ciento de sólidos totales Aceites, por ciento de sólidos totales Grasas, por ciento de sólidos totales Gravedad específica de partículas individuales sólidas Gravedad específica bruta (húmeda) Color

RefeComentarios rencia Ver Cuadro 1-6 -Depende del tiempo de alma- 346 cenamiento del lodo en el fil348 Tro 290 348 290 Soluble en éter 290 Película biológica de prueba 0.03 cultivada en efluente primario 249 1.52 350 1.33 279 1.02 290 1.025 279 Gris café 290 Negro 341 Valor 64 - 86 1.5 - 5 2.9 2.0 2.8 1.2 6

1.3.2.4.Lodo de Reactores Biológicos Giratorios Los reactores biológicos giratorios (biodiscos) son utilizados con el mismo propósito básico que los lodos activados y filtros percoladores: para remover DBO5 y SS y, cuando necesario, para nitrificar. El proceso de biodiscos utiliza un tanque en el cual el agua residual, normalmente efluente primario, es contactada con un medio plástico en forma de grandes discos. Las bacterias crecen sobre los discos. Los discos giran lentamente sobre ejes horizontales; las bacterias son alternadamente sumerjidas en el agua residual y expuestas al aire. El exceso de bacterias se desprende de los discos y cae al agua residual. Después de hacer contacto con las bacterias, el agua residual pasa a un tanque de sedimentación, donde el excedente de bacterias y otros sólidos son removidos. Estos sólidos removidos constituyen el lodo de los biodiscos. El lodo de biodiscos es similar en cantidad por peso seco, contenido de nutrientes y otras características, al lodo de filtros percoladores.

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1.3.2.5.Lodos Conjuntos de Crecimientos Fijos y Suspendidos Estos procesos duales normalmente se instalan donde se requiere nitrificación o es necesario tratar desechos fuertes. El reactor de crecimientos fijos es un filtro percolador o un biodisco. Su fin es el de reducir la carga sobre el proceso de crecimiento suspendido. El proceso de crecimiento suspendido utiliza un tanque de aeración y un clarificador final. La recirculación del gasto normalmente se practica alrededor del reactor de crecimiento fijo. El lodo es similar al del proceso de lodos activados, tanto en cantidad como características (282, 344, 345, 354, 355). El lodo caracterizado en la tabla 1.11 contiene algunas partículas de sólidos densos provenientes del reactor de crecimiento fijo. Estas partículas pueden mejorar las características de espesamiento del lodo (355). Tabla 1.11. lodo procedente de procesos de crecimiento combinado fijosuspendido. Proceso

Sitio

Producción de sólidos (kg SST prod./ kg DBO5 rem.)

Filtro de desbaste más lodo activado Livermore, nitrificante CA (68) Filtro de desbaste más lodo activado San Pablo, nitrificante CA (37)

Volátil (%)

0.98

No especificado

1.47

78.2

Lodo primario mezclado con lodo biológico Sólidos (%)

Volátil (%)

3.3

84

No No especificado especificado

1.3.2.6.Lodo de la Desnitrificación La desnitrificación es un proceso biológico para la remoción de nitratos del agua residual. Un donador de electrones, carbono de efluente primario o metanol, es adicionado al agua residual que contiene los nitratos. Las bacterias desnitrificadoras extraen la energía para su crecimiento de la reacción del nitrato con el donador de electrones: Nitrato + Donador de Electrones (estado reducido) → Nitrógeno Gas + Donador de Electrones Oxidado + Energía Las bacterias desnitrificantes pueden crecer en un sistema de crecimiento suspendido similar al de lodos activados o en un sistema de crecimiento fijo como un filtro percolador. La producción de lodos para un desecho común doméstico nitrificado es del orden de 36 mg/l de agua residual tratada (314).

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2.LODOS QUÍMICOS 2.1.INTRODUCCIÓN En todas estas instalaciones se forman lodos químicos. los precipitados químicos normalmente se mezclan con los sólidos del lodo primario o biológico. A continuación se presenta una breve descripción de los lodos químicos y sus características 2.1.1.Cálculo de la Producción de Lodos Químicos - Base Peso Seco Los químicos pueden incrementar enormemente la producción de lodos. La cantidad del incremento depende de los químicos utilizados y las tasas de adición. No existe una relación sencilla entre la masa de químicos adicionados y la masa de lodos producida. Se generan diferentes tipos de precipitados, como: •

Precipitados de Fosfato. Ejemplos son: AlPO4 o Al(H2PO4)(OH)2 con sales de aluminio, FePO4 con sales de hierro y Ca3(PO4)2 con cal (356, 359, 360).

•

Precipitados de Carbonato. Esto es significativo con cal, que forma carbonato de calcio, CaCO3. Si se utiliza recarbonatación en dos etapas, se forma un lodo recarbonatado de casi CaCO3 puro (361).

•

Precipitados de Hidróxido. Con sales de hierro y aluminio, un exceso de sal forma un hidróxido, Fe(OH)3 o Al(OH)3. Con cal, hidróxido de magnesio, Mg(OH)2, puede ser formado; el magnesio proviene del agua residual influente, de la cal, o de las sales de magnesio.

•

Sólidos Inertes de los Químicos. Esta situación se vuelve importante con la cal. Si la cal viva es un 92% CaO, el ocho por ciento restante puede ser principalmente sólidos inertes que aparecen en el lodo. Muchos químicos suministrados en forma seca contienen cantidades importantes de sólidos inertes.

•

Sólidos de Polímeros. Los polímeros pueden ser utilizados como coagulantes primarios y para mejorar la eficiencia de otros coagulantes. Los polímeros en sí contribuyen poco a la masa total, pero pueden mejorar substancialmente la eficiencia del clarificador, con el consiguiente incremento en la producción de lodo.

•

Sólidos Suspendidos del Agua Residual. La adición de cualquier químico al proceso de tratamiento de aguas residuales afecta la eficiencia del proceso. El cambio en la producción de lodo deberá ser considerada. Las cantidades de los diferentes precipitados en los lodos químicos son determinadas por las condiciones de pH, mezclado, tiempo de reacción, composición del agua y la oportunidad de floculación.

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2.1.2.Propiedades de los Lodos Químicos Las propiedades de los lodos químicos son afectadas principalmente por los compuestos precipitados y los demás sólidos de las aguas residuales. La información acerca de las propiedades específicas de los lodos químicos se encuentra en el capítulo 4 de esta guía. Para obtener un uso eficiente de químicos, se deberán ajustar las tasas de alimentación a los cambios en el gasto y composición del agua residual. 2.1.3.Manejo de Lodos Químicos La mayoría de los procesos de tratamiento de lodos se pueden aplicar con los lodos químicos: espesamiento, estabilización por medio de digestión, incineración, etc. Donde el uso de cal resulta en la formación de carbonato de calcio, puede ser factible recuperar cal mediante recalcinación. El tratamiento terciario con cal es adecuado para la recuperación de cal. Donde la cal es adicionada al agua residual cruda, la recuperación de cal es más difícil, pero de todos modos posible. La recuperación de cal no es 100% eficiente, ya que siempre se pierde una parte con el fosfato, sílice y otros materiales que deben ser removidos del sistema. La recuperación de cal reduce pero no elimina la cantidad de residuo que es necesario disponer. La factibilidad de la recuperación de cal depende del tamaño de la planta, cantidad de carbonato de calcio formada, costo de cal nueva y costo de disposición del lodo (358, 359). 2.1.4.Análisis Elemental de Varios Lodos Como regla general, se puede encontrar casi cualquier cosa en el lodo. En esta sección se describen los elementos traza en todo tipo de lodos. 2.1.4.1.Control de Elementos Traza La extracción de elementos tóxicos del lodo parece ser impráctico; la forma más práctica de reducir sustancias tóxicas es mediante el control en la fuente. Los elementos traza están presentes en los desechos industriales, derrames industriales, fuentes de abastecimiento de agua potable, heces fecales y orina y detergentes. Elementos traza adicionales se derivan de: •

Químicos en soluciones fotográficas, pinturas, tintes y plaguicidas de uso doméstico y comercial.

•

Escurrimiento pluviales (esto es particularmente cierto del plomo de la gasolina).

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•

Corrosión de la tubería de distribución de agua potable, que contribuye zinc, cadmio, cobre y plomo (373).

•

Las substancias químicas utilizadas en el tratamiento de aguas residuales, acondicionamiento de lodos, etc. La tabla 2.1 muestra un análisis de cloruro férrico, que es un subproducto industrial (licor de lavado de metales) del tratamiento de los sólidos del agua residual. Tabla 2.1. Metales en soluciones de cloruro ferrico (374) Concentración, mg/la

Metal

Cadmio 2 - 3.5 Cromo 10 - 70 Cobre 44 - 14,200 Hierro 146,000 - 188,000 Níquel 92 - 6,200 Plomo 6 - 90 Plata 2 Zinc 400 - 2,150 a - Se analizaron tres diferentes fuentes de líquido (43% FeCl3).

Ocasionalmente, los elementos se pueden convertir de su forma altamente tóxica a una menos tóxica durante el tratamiento del agua residual. El cromo es un buen ejemplo de ello. En su forma hexavalente es altamente tóxico, pero se puede convertir a la forma trivalente, que es menos tóxica durante el tratamiento secundario. 2.1.4.2.Análisis Específicos en Sitio La composición elemental de diferentes lodos difiere de uno a otro. Si los lodos serán reutilizados, deberán ser analizados en cuanto su contenido de varios elementos. La importancia del análisis específico en sitio varía con el tamaño del proyecto, requerimientos reglamentarios, actividad industrial y tipo de reso deseado. Un programa de muestreo deberá reconocer que: •

El lodo en una planta puede contener 100 veces o más de un elemento que el de otra planta.

•

Puede haber variaciones importantes entre muestras en la misma planta. Una sola muestra sencilla puede producir resultados engañosos. Una cuidadosa atención a los procedimientos de muestreo y estadística tiende a reducir la incertidumbre.

•

Estimaciones de la contaminación del lodo por elementos traza en base al análisis del agua residual, normalmente son menos útiles que las estimaciones

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basadas en pruebas sobre los lodos. Sin embargo, si un elemento puede ser medido en el agua residual influente y si el gasto es conocido, entonces la carga (kg/d) puede ser calculada. Con el fin de estimar la contaminación del lodo, es razonable suponer que grandes cantidades traza de cadmio, cobre y zinc aparecen en lodo. El análisis de muestras de lodo y sobrenadante de una laguna facultativa, para lodo, ha mostrado que existe una tendencia de liberar gradualmente níquel y plomo del lodo a la fase líquida (374). •

Las muestras de lodo debieran ser analizadas para su contenido porcentual de sólidos y volátiles, así como para elementos traza.

2.1.5.Cadmio Debido a que con frecuencia se encuentran cantidades que limitan el resto del lodo como acondicionador de suelo, el cadmio es un elemento crítico. Si el lodo que contiene cadmio es aplicado a suelos agrícolas, parte del cadmio puede entrar a la cadena alimenticia. Se ha indicado que el consumo humano normal de cadmio ya es bastante alto, en comparación con los límites de tolerancia humana y que fuentes adicionales de cadmio debieran ser limitadas en forma muy estricta (377, 378). La Tabla 1.13 resume los datos sobre el cadmio en el lodo.

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Tabla 2.2. Cadmio en el lodo. Tipo de Lodo

Sitio

Concentración, mg/kg seco Desviació Median Media Ambito n a

12 ciudades en EUA 4 ciudades en EUA Varias ciudades en EUA Varias ciudades en EUA

No especificado Ceniza de incinerador Digerido Lodo activado digerido Primario digerido y desaguado Digerido Crudo

72 200 ---

65 67 16 14

42 ciudades en Gales e -Inglaterra

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