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TRATAMIENTO PRIMARIO

Freddy Muñoz Tobar Ingeniero Civil, Sanitario M.Sc. in Municipal Water and Infrastructure Profesor cátedra “Tratamiento de Aguas” Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Universidad Central del Ecuador

Tratamiento de Aguas. Aguas Servidas

Generalidades El tratamiento primario tiene como objetivo la separación por medios físicos, habitualmente complementarios con medios químicos, de los sólidos en suspensión sedimentables no retenidos en el tratamiento previo, así como de las sustancias flotantes como grasas, fibras, etc. Las operaciones unitarias normalmente utilizadas en el tratamiento primario son: Sedimentación o decantación Flotación Coagulación – Floculación Corrección del pH También como tratamiento primario se considera la corrección de pH, ya que las aguas residuales, especialmente aquellas de origen industrial, es frecuentemente que sean ácidas o alcalinas.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sedimentación o decantación La mayor parte de las sustancias en suspensión y disolución en las aguas residuales no pueden retenerse, por razón de su finura o densidad, en las rejas y desarenadores, ni tampoco pueden separarse mediante flotación por ser más pesadas que el agua. Por ello, se recurre a la sedimentación que es la separación de un sólido de la masa líquida por efecto de la gravedad.

La decantación se produce minimizando la velocidad de circulación de las aguas residuales, con lo que el régimen de circulación se vuelve cada vez menos turbulento y las partículas en suspensión se van depositando en el fondo del sedimentador. En los esquemas convencionales de tratamiento de un agua residual, la sedimentación es aplicable en dos situaciones:

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sedimentación o decantación (2) 

Como tratamiento primario: la “sedimentación primaria” se realiza inmediatamente después de los pre-tratamientos con la finalidad de separar los sólidos en suspensión sedimentables que, en un agua residual, suponen entre el 50 y 70% de los sólidos totales. Esta operación también permite una remoción de la carga de sustancias orgánicas que llegan a la fase biológica (tratamiento secundario), disminución de un 25 a 35% de la DBO5. Esta circunstancia limita el dimensionado y los costos de gestión del tratamiento biológico, pero tiene la desventaja de producir un residuo (fango) muy putrescible que requiere un tratamiento de estabilización.



Como tratamiento secundario: la “sedimentación secundaria” es, por el contrario, el necesario complemento de un tratamiento biológico. Es ésta la fase en la cual el material orgánico, transformado en sedimentable por la acción de los microorganismos, se separa del agua.

Fundamento de la sedimentación La sedimentación es un proceso físico de separación por gravedad, que fundamentalmente es función de la densidad del líquido, del tamaño, del peso específico y de la morfología de las partículas. Durante el proceso de sedimentación, y de una forma empírica, pueden observarse las siguientes zonas de sedimentación:

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sedimentación o decantación (3) 

Zona de partículas discretas. En esta zona se da un proceso simple de decantación; es decir, se trata de la sedimentación libre de partículas, sin interacción entre ellas y a una velocidad constante de caída.



Zona floculante. Conforme las partículas van sedimentando aumenta su concentración, por lo que comienzan a chocar entre ellas, aglomerándose por adsorción o coalescencia y originando flóculos.



Zona retardada. Se trata de un proceso de sedimentación de una suspensión bastante concentrada, en las que las partículas están tan próximas, aunque sin llegar a tocarse, que el agua que desplazan en su caída se opone al movimiento y frena su descenso. Este fenómeno hace que se denomine sedimentación impedida o retardada.



Zona de compresión. Formada por los sólidos depositados en el fondo del tanque de sedimentación. En esta zona hay contacto físico entre las partículas, las cuales acaban formando una masa compacta que se va comprimiendo con la sedimentación.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tipos de sedimentadores o tanques de decantación Estas unidades se caracterizan por su gran tamaño, en relación al resto de unidades de la PTAR, y por sus puentes móviles. Después del proceso de sedimentación se obtienen dos productos: un agua clarificada y un decantado (lodo o fango primario). En ocasiones, y si las condiciones de vertido al cauce y la legislación lo permiten, la sedimentación primaria puede ser el único tratamiento al que se someta el agua residual, pero lo normal es que forme parte de un proceso con otras operaciones unitarias.

Los dos tipos de decantadores mas habituales son: 

Tanques de decantación circulares. Sedimentadores de sección circular en los que el agua fluye del centro a la periferia.



Tanques de decantación rectangulares. Sedimentadores de sección rectangular en los que el agua fluye horizontalmente de un extremo del decantador al otro.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación circulares Estos tanques son los mas extendidos y su diámetro oscila entre 10 y 60 metros. Los dispositivos mas importantes de esta estructura son:  La entrada del agua normalmente se realiza a través de una campana deflectora que la reparte de forma uniforme en las zonas inferiores del decantador y, además, produce una importante pérdida de carga, evitándose con ella turbulencias que podrían afectar a todo el depósito y dificultar la sedimentación.  La salida de barrido de fangos sedimentados se efectúa, en los decantadores de pequeño diámetro, mediante un eje de rasquetas de barrido de fondo que es accionado desde un eje central. En los grandes decantadores suele recurrirse a un puente giratorio de rasquetas de tracción periférica (la tracción es de la periferia mediante un carro tractor) para descargar de esfuerzos el eje.  La poceta de recogida de los fangos barridos por las rasquetas puede ser o bien central o bien longitudinal intermedia si el decantador es grande (se reduce a la mitad el trayecto del fango en el fondo del decantador).  La purga de fangos puede hacerse por una tubería de fondo que los recoge de la poceta central y los conduce a otra adosada, o bien, aprovechando la presión hidrostática del fondo, se extrae a un nivel superior.  La retirada de grasas y sobrenadantes suele hacerse con una barredera superficial que recoge y vierte sobre la poceta. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación rectangulares Los dispositivos mas importantes de esta estructura son: 

Para la entrada del agua se suele emplear el tipo de entrada por vertederos, que la reparte uniformemente por las cargas inferiores del decantador, con una mampara frontal para reducir la energía con la que entra el agua (pérdida de carga).



Para la salida del agua suelen usarse el mismo tipo de rebosaderos dentados ya mencionados para los sedimentadores circulares, situados en la pared opuesta a la entrada del influente.



El barrido de fangos sedimentados se hace mediante rasquetas situadas sobre un puente, este puente puede ser de barrido longitudinal, el cual conducirá los fangos hasta unas pocetas situadas en el extremo de llegada del agua, o bien puede ser de barrido transversal, el cual conducirá los fangos hacia una poceta corrida a lo largo del decantador. Una alternativa al puente de rasquetas la constituyen las rasquetas arrastradas por cadena sin fin. Las rasquetas, por tanto, o bien son varias situadas en el extremo del decantador o bien es una longitudinal corrida. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación rectangulares (2) 

 

El barrido de fangos sedimentados se hace mediante rasquetas situadas sobre un puente, este puente puede ser de barrido longitudinal, el cual conducirá los fangos hasta unas pocetas situadas en el extremo de llegada del agua, o bien puede ser de barrido transversal, el cual conducirá los fangos hacia una poceta corrida a lo largo del decantador. Una alternativa al puente de rasquetas la constituyen las rasquetas arrastradas por cadena sin fin. Las rasquetas, por tanto, o bien son varias situadas en el extremo del decantador o bien es una longitudinal corrida. La purga de fangos se hace por sistemas similares a los descritos para los decantadores circulares; es decir, existen sistemas de salida de fondo y de salida a nivel superior. La retirada de grasas y sobrenadantes suele llevarse a término por una barredera superficial que los arrastra hasta un canal en la pared de entrada.

Sistemas de drenaje de los sedimentos  Los sedimentos generados en los tanques de sedimentación deben ser evacuados o drenados de la línea de depuración de aguas. Para realizar esta operación se pueden emplear varios sistemas, ayudados o no de algún medio mecánico (raspador, tornillo sinfín, etc.) Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación La flotación es un proceso físico de separación sólido-líquido fundamentado, al igual que la sedimentación, en la diferencia de densidades.

Se ha visto que la sedimentación permite separar aquellas partículas que poseen una mayor densidad que la del fluido que las contiene, al predominar en ellas el efecto de la gravedad debido a su peso sobre las fuerzas de rozamiento y la fuerza de empuje del liquido que se oponen a su caída. La flotación, en cambio, permite separar las partículas de menor densidad que la del fluido, por ascenso de estas hasta la superficie del fluido, ya que en este caso, las fuerzas que tiran hacia arriba (rozamiento y empuje del liquido) superan a la fuerza de la gravedad. El ultimo de los procesos descritos es la flotación natural que, en el tratamiento de las aguas residuales, únicamente se emplea para eliminar los glóbulos de grasa o aceite (etapa de desengrasado). Frente a esta, y para superar sus limitaciones, existe la fase liquida, a las que se adhieren partículas, subiendo hasta la superficie el conjunto partícula-burbuja. Esta adhesión es consecuencia de la aparición de una zona de presión negativa en la parte inferior de la burbuja de aire en su ascenso a través del liquido, y es esta depresión la que capta y arrastra las partículas. La flotación acelerada posibilita el ascenso de partículas de densidad mayor que la del liquido, además de favorecer el de las partículas de densidad inferior al incrementar su velocidad ascensional. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (2) En el proceso de depuración de las aguas residuales la flotación puede emplearse con diferentes objetivos:  Separación de grasas.  Espesar los lechos originados por las partículas floculadas químicamente y que son de baja densidad.  Espesar los fangos biológicos en aquellos casos en los que sean difíciles de separar mediante sedimentación secundaria. En cuanto a las ventajas que presenta la flotación frente a la sedimentación hay que mencionar como las mas importantes:  Menor inversión de implantación, pues se trata de un sistema compacto que ocupa poca superficie.  Permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta.

Frente a las ventajas enumeradas, la flotación presenta el inconveniente de que requiere para su desarrollo de muchos elementos mecánicos, tal y como se verá a continuación (motores, válvula reductora, etc.), lo que provoca mayores costos de explotación al necesitar una mayor infraestructura de mantenimiento. En la actualidad se emplean cuatro sistemas diferentes para realizar la flotación: por disolución de aire, por inyección de aire, por vacío, y en cámaras de tranquilización. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (3) Flotación por disolución de aire En este sistema de flotación, parte del caudal a tratar (que puede ser todo en el caso de instalaciones de pequeño tamaño), es mezclado con aire en un deposito de retención presurizado donde permanece durante algunos minutos; para dar tiempo a que le aire se disuelva una vez transcurridos estos minutos, se inyecta esta mezcla al líquido en tratamiento en el tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y se expanda en forma de pequeñas burbujas que arrastran las partículas en suspensión hacia la superficie de la cámara de flotación. Las principales aplicaciones de la flotación por disolución de aire seco están en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (4) Flotación por inyección de aire comprimido En este sistema, el aire se inyecta directamente a la fase líquida en el tanque de flotación por medio de difusores o turbinas sumergidas. Las burbujas de aire que se generan empelando este sistema son mucho mayores que las obtenidas en la flotación por disolución de aire, ya que su diámetro es de algunos milímetros. Esta característica provoca una velocidad ascensional mas alta y, por tanto, un menor tiempo de recorrido en el tanque y un menor efecto sobre la suspensión, lo que origina un bajo rendimiento a la hora de conseguir que los sólidos floten. La flotación por inyección de aire únicamente se emplea para mejorar los procesos de flotación natural en la separación de aceites, grasas, etc., y en el tratamiento de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas en las que dé buenos resultados. Flotación por vacío En este sistema, el agua residual es saturada con aire, ya sea directamente en el tanque de flotación o permitiendo la entrada del aire en la línea de alimentación. El aire ingresa en forma de micro-burbujas, las cuales arrastran en su ascenso a las partículas solidas que a ellas se adhieren hasta la superficie, donde son barridas por un sistema de rascado superficial hacia la periferia del tanque, punto desde el cual se extraen de la instalación por bombeo. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (5) Para facilitar el proceso de flotación es frecuente el uso de productos químicos coagulantes o sílice activada, que se introducen en la línea de alimentación previo a la inyección de aire, y que actúan creando, por agregación de partículas sólidas, una superficie o una estructura que permite atrapar fácilmente las burbujas de aire. Separadores o cámaras de tranquilización Estos sistemas se utilizan en aquellos casos en lo que interesa separar hidrocarburos o aceites del efluente. Estos equipos trabajan en ausencia de aire y utilizan la diferencia de viscosidad entre el agua y los hidrocarburos al deslizarse sobre una superficie. Están constituidos por un conjunto de placas paralelas e inclinadas por donde se hace circular el agua de arriba abajo, de modo que los hidrocarburos quedan separados en la parte superior de las placas y el agua queda en la parte inferior.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación El objetivo del tratamiento primario es la eliminación de los sólidos en suspensión, incluyendo las materias coloidales.

Los coloides presentan una gran dificultad de agregación debido a las cargas eléctricas que poseen, generadoras de fuerzas de repulsión que evitan su unión. De esta manera, su sedimentación por medios físicos es imposible por mucha calma que haya. Actualmente, es necesario ayudar al agua en su proceso de decantación con la incorporación de productos químicos que permitan acelerar y optimizar dicha operación, facilitando a su vez la reducción de los espacios necesarios para la precipitación de las partículas suspendidas. De esta manera, se optimiza el proceso global de tratamiento, tanto en lo que se refiere a la calidad, como al costo del producto final y el aspecto estético. El uso de estos aditivos químicos produce una apreciable mejora e el rendimiento del tratamiento primario, tal y como se muestra en la siguiente tabla. REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES

SIN ADITIVOS

CON ADITIVOS

Sólidos en suspensión

50 – 70%

65 – 85%

DBO5

25 – 40%

60 – 80%

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (2) Paralelamente, estos mismos productos químicos (coagulantes y floculantes) pueden emplearse en otros procesos complementarios como el espesado y la deshidratación de fangos, la precipitación de fosfatos o la eliminación de olores por precipitación de sulfuros. La sedimentación se produce provocando la desestabilización de las cargas eléctricas superficiales de las micelas, normalmente mediante la dosificación de sales metálicas (de calcio, hierro, aluminio), lo que imposibilita el contacto entre ellas y su consecuente aglomeración, formando flóculos con masa suficiente para sedimentar.

Este proceso de clarificación del agua consiste en una separación de la fase líquida y de la sólida, llevándose a cabo a través de dos mecanismos: a)

Coagulación. Se entiende como la neutralización de las cargas eléctricas y desestabilización de los coloides, seguido de una adsorción superficial de las partículas desestabilizadas sobre el hidróxido formado.

a)

Floculación. Es el proceso a través del cual los micro-flóculos o coágulos primarios formados se agregan entre sí a través de enlaces o puentes de unión, constituyendo los flóculos secundarios con entidad suficiente para decantar por gravedad.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (3) La coagulación/floculación se puede aplicar con diferentes objetivos en el tratamiento de aguas residuales: • Disminuir el contenido de los sólidos en suspensión y de la DBO a la salida del decantador primario (mejora del rendimiento de la decantación). • Acondicionar el agua residual que contenga vertidos industriales. • Mejorar la eficacia de los decantadores secundarios, especialmente cuando se trata del proceso de fangos activos.

En algunas PTAR´s, la coagulación/floculación se realiza en los mismos equipos donde se realiza la sedimentación, adicionando previamente el coagulante en la conducción de entrada al sedimentador. De todos modos, lo mas común es disponer de un tanque de floculación específico en el que, justo antes, puede situarse también un tanque adosado de hormigón de pequeño tamaño, en el que se efectúa el mezclado de las sustancias coagulantes con el agua mediante una potente agitación. Así, se consigue un alto grado de contacto con los coagulantes. Una vez realizada la mezcla en este tanque, se adiciona un floculante, con una agitación menos vigorosa de modo que el crecimiento del floculo no se vea afectado por el esfuerzo de corte o cizalladura. Como norma general, el dispositivo está formado por un tanque de hormigón rectangular y por un agitador. La función del agitador es la de poner en contacto las partículas de modo que se facilite su aglomeración, pero manteniendo una velocidad lo suficientemente baja como para evitar que las partículas se vuelvan a separar por un esfuerzo de corte.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (4) Reactivos empleados en los procesos de coagulación Entre los diversos reactivos aplicados en los procesos de coagulación pueden distinguirse dos grupos principales: el de las sales de aluminio y el de las sales de hierro. También pueden incluirse las sales mixtas de hierro y aluminio , y otros productos coadyuvantes o agentes auxiliares de coagulación, que ayudan a neutralizar el potencial zeta o bien modificando el pH del agua. Entre estos últimos se encuentra la cal, el carbonato de sodio y la sosa caústica. PRODUCTOS QUÍMICOS COAGULANTES SALES DE ALUMINIO

SALES DE HIERRO

Sulfato de aluminio líquido (SAL)

Cloruro férrico

Sulfato de aluminio sólido (SAS)

Cloruro ferroso Sulfato férrico

Policloruros de aluminio

Sulfato ferroso

Reactivos empleados en los procesos de floculación El proceso de floculación complementa la acción del coagulante, de manera que los flóculos primarios se forman al añadir los reactivos químicos. Los flóculos se unen entre si a través de puentes debido a la actuación de productos cadena que son capaces de adsorber los coloides micro-agregados para generar reticulados que originen el floculo secundario. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (5) Estos productos capaces de crear los puentes de unión son los poli-electrolitos. Generalmente, son polímeros orgánicos que difieren unos de otros por su peso molecular, por su carácter iónico y por su naturaleza de su monómero base. Aparte de los polímeros naturales de origen biológico, los mas frecuentes suelen ser de tipo sintético, por polimerización del monómero de base, o la sílice activada preparada a partir del silicato sódico y acido sulfúrico. Según la carga eléctrica en solución acuosa, existen tres tipo de poli-electrolitos, neutros, aniónicos y catiónicos.

Dosificación de coagulantes y floculantes En el caso de las aguas residuales, las dosis de productos químicos son difíciles de predecir por lo que debe estudiarse para cada caso en concreto y así establecer la secuencia idónea de tratamiento químico. Simultáneamente, debe valorarse la flexibilidad del sistema para dar fiabilidad al rendimiento del proceso de depuración que se produce, muchas veces un unas condiciones de trabajo un tanto variable. Los productos químicos mas usados, ya sea en aguas residuales urbanas o industriales, son las sales de hierro, especialmente las trivalentes, las cuales precipitan sulfuros que son responsables de los malos olores en la PTAR´s y colectores. Estos compuestos férricos destacan por su eficacia en la línea de bombeo. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (6) Fangos Por lo general, en la línea de fangos, concretamente en la fase de deshidratación, se emplean los mismos coagulantes aplicados en la etapa primaria de depuración. En cuanto a las sales de hierro, se han mostrado ser muy eficaces el cloruro, el nitrato y el sulfonitrato. En referencia a los floculantes, en los filtros prensa se emplean polímeros catiónicos o aniónicos (aunque estos últimos son poco habituales), mientras que en los filtros banda o centrífugas se utilizan polielectrolitos de tipo catiónico medio o fuerte, dependiendo de las características del fango. Según los grados de sequedad alcanzables en cada proceso de deshidratación, los consumos de polímeros serán variables, dependiendo del tipo de polielectrolito empleado (carga y peso molecular), dele quipo de deshidratación usado y de la naturaleza del fango.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Corrección del pH Las aguas procedentes de procesos industriales suelen contener productos ácidos o alcalinos que deben ser neutralizados en algunos de los siguientes casos:  



Antes de la descarga del agua a un medio receptor, ya que la vida acuática es muy sensible a variaciones de pH fuera de un intervalo cercano a la neutralidad. Antes de la descarga de estas aguas residuales industriales al alcantarillado, ya que es mas económico esto, que neutralizar los mayores volúmenes de las aguas residuales mixtas (domésticas + industriales). Antes de la realización de los tratamientos químicos o biológicos, tanto para favorecer su desarrollo (por ejemplo, en el tratamiento biológico, el pH deberá estar entre 6,5 – 8,5 para asegurar una óptima actividad microbiana) como para evitar daños a las instalaciones.

El proceso de neutralización obedece a la siguiente ecuación: acido + base  sal + agua Este proceso se suele realizar utilizando, según sea el caso, ácido sulfúrico o lechada de cal, respectivamente. En sustitución de la lechada de cal, que es una suspensión de cal apagada (hidróxido de calcio) en algunas ocasiones se utiliza carbonato sódico o hidróxido sódico, aunque su precio en mas elevado, a fin de disminuir la producción de lodos.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Corrección del pH (2) Por otra parte, en la reacción antes dicha, hay que tener en cuenta tres puntos: Pueden desprenderse gases durante la reacción (por ejemplo, cuando se utilizan carbonatos como bases). La reacción puede generar calor (reacción exotérmica). La sal formada puede ser insoluble, por lo que tendrá que ser retirada.

La neutralización debe ser realizada de manera precisa. En el caso de sistemas automatizados de medida y corrección de pH, no es costos controlar el sistema de dosificación, pero se necesita un mantenimiento cuidadoso para evitar, en caso de un mal funcionamiento, la generación de efectos negativos opuestos a los que se pretendían originalmente. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.