Bases Teóricas para Plantas de Tratamiento

Bases Teóricas Comportamiento Hidráulico del Sistema Para determinar los cálculos necesarios para un sistema de recolección es necesario determinar o conocer una serie de elementos que contribuirán con el buen funcionamiento del mismo. Cantidad Estimada de Aguas Negras o caudal de Consumo.

Para diseñar un alcantarillado deben estudiarse previamente algunos aspectos de la comunidad o población. La estimación del caudal de aguas negras comprende la determinación de varios aportes de la manera más exacta posible para lograr un diseño ajustado a las condiciones reales. La cantidad de aguas negras está referida a la cantidad y que se va a utilizar, cuyo flujo debe estar estimado con visiones futuras, también se puede ver afectada por el aumento acelerado de la población, densidad, demanda, entre otros aspectos que deben ser tomados en cuenta. Las aguas negras dependen de la cantidad de agua que se consume o usa, que generalmente es menor, ya que muchas de las aguas de abastecimiento son empleadas solo para el consumo humano en sus diferentes actividades. La cantidad de aguas negras provenientes del consumo humano constituye el primer aporte a considerar, representa la mayor cantidad de agua que reciben los colectores cloacales. Además de esto. Se debe tomar en cuenta las horas picos u horarios máximos debido a que en estos períodos el abastecimiento de agua es mayor, por lo tanto el caudal que se incorpora a la red aumenta. Es importante considerar este factor para el cálculo del caudal de consumo, así como también el número de habitantes y el área de la zona en estudio. La fórmula para el cálculo del caudal de consumo es: Qmax Qmed x Kx R = AP ( ARD)

1

Donde: Qmed = Gasto medio diario del sistema de abastecimiento de agua del desarrollo urbanístico. K = Coeficiente de población (variable según a servir. R = Coeficiente de gasto de reingreso (0.80) ARD = Gasto de agua residual domiciliaria. AP = Gasto de agua potable De esta fórmula se podrá obtener el caudal de consumo como uno de los aportes para posteriormente obtener el caudal unitario del proyecto.

Aguas que Infiltran al Colector. Las aguas de infiltración son aquellas que pueden penetrar en el colector bien sea aguas que se encuentran en el subsuelo, juntas defectuosas tubos agrietados, entre otros, los cuales influyen en el caudal para el diseño debido a que estas afectan directamente a todos los componentes del sistema perturbando así su optimo funcionamiento, por lo que su consideración al momento del diseño es de vital importancia sobre todo en terrenos muy húmedos. Menitt (1.984) coincide que: Las alcantarillas situadas en terrenos húmedos con un alto nivel del manto freático cerca del lecho de una corriente tienen más infiltraciones que las alcantarillas en otros lugares. Como la infiltración aumenta la carga de las aguas negras, resulta indeseable (p .22-7) En todos aquellos lugares con alto nivel freático, es necesario considerar la infiltración de agua, por lo tanto hay que hacer las consideraciones necesarias para la escogencia de la tubería, de esta forma se evitaría la penetración del agua a los conductores y como lo refleja el autor, la adición o el incremento de aguas a la tubería resultaría desventajoso.

2

Tanto las condiciones del subsuelo como las características de las tuberías (juntas o uniones) son los factores que hacen posible la infiltración. Menitt (Ob, Cit) agrega: “El diseño de la alcantarilla debe especificar juntas que permitan poca o ninguna infiltración y se deben construir las juntas cuidadosamente en el campo” (p. 22-7) Los planteamientos anteriores permiten destacar que es importante al realizar el montaje de tuberías, tener cuidado de que las juntas se coloquen bien, de tal manera que no se produzcan infiltraciones que de una u otra forma incida en el aumento de la cantidad de agua que se encuentra en la tubería. El cálculo del caudal por aporte de la infiltración constituye otro elemento que permitirá obtener el caudal unitario de proyecto y que por las razones antes expuestas deben ser tomadas en consideración.

Velocidad Uno de los aspectos de la dinámica de fluidos es el comportamiento de los flujos de fluidos, es decir, el movimiento de estos últimos. La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones, la velocidad media del fluido en una sección dada, las pérdidas que se originan por dicha velocidad o comportamiento del fluido conforman el conjunto de aspectos que no solo se pueden estudiar sino que también determinar y así se puede establecer el material, diámetro, accesorios y otros elementos que conformen el sistema de abastecimiento y disposición de aguas para un urbanismo. La velocidad es un factor muy importante y necesario de determinar; depende del flujo, del diámetro o características de la tubería. Arocha (1983) señala que:“Esta velocidad reviste especial importancia toda vez que debe producir el arrastre o acarreo de los sólidos, es decir, no debe producirse la sedimentación de sólido a lo largo de los colectores” (p.53) Para estimar la presión satisfactoria se emplea la formula de Manning:

3

Donde: n = Coeficiente que depende de la rugosidad de la superficie del conducto. D = Diámetro de la tubería en metros S = Pendiente del conductor Generalmente n es de 0,013 para tuberías de concreto. Con esta fórmula se podrá determinar velocidades estimadas, siempre y cuando se conozcan las pendientes y el diámetro de las tuberías. Pendiente de los Colectores La pendiente es un factor que está íntimamente ligado a la topografía del terreno y a las velocidades mínimas permitidas. La topografía del terreno permite obtener la colocación de los conductos de tal manera que estos permitan el desplazamiento de las aguas. Arocha (Ídem) expresa:

“ La pendiente de los colectores cloaca les es

principalmente en función de la topografía de la zona a desarrollar procurando el menor costo de la excavación" (p. 56) Ahora bien, lo antes mencionado indica la importancia del estudio del terreno, en donde se colocaran los colectores cloacales a fin de adaptarlos al terreno en estudio. Las excavaciones dependerán de las condiciones topográficas del terreno pero se debe procurar que las mismas no sean muy profundas para evitar gastos mayores. La velocidad está íntimamente ligada a las pendiente por lo tanto estas deberán ser de tal manera que produzcan la velocidad establecida dentro de los parámetros previamente acordados en las normas. Principio de Bernoulli

4

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Expresa que un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos términos:

Donde: V = velocidad del fluido en la sección considerada. g = aceleración gravitatoria z = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia. P = presión a lo largo de la línea de corriente. ρ = densidad del fluido. Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos: 

Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.



Caudal constante



Flujo incompresible, donde ρ es constante.



La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo irrotacional.

Utilización de Agua para Procesos Industriales

5

En zonas industriales el consumo de agua varía mucho según el tipo de industria que se trate y por lo general el ingeniero proyectista no tiene información de las industrias que se van a establecer en el lugar, por lo tanto no conoce sus correspondientes dotaciones. Al respecto se han realizado estudios a zonas industriales, tales como Acueducto de Ciudad Guayana, de Ciudad Losada, diversos sectores privados, etc., y como resultado de ellos, es un valor aceptado que el consumo medio de una parcela industrial es el orden de 1 lps/ha bruta. Las normas indican que la dotación para parcelas industriales deberá estar comprendida entre los valores de 0.80 y 1.20 lps/ha, pero este coeficiente no se puede aplicar a industrias que sean grandes consumidoras de agua; tales como: cervecerías, embotelladoras, entre otras. En estos casos es necesario averiguar el consumo específico de estas industrias.

Componentes Físico-Químicos de las Aguas Residuales

Las aguas residuales pueden estar contaminadas por desechos urbanos o bien proceder

de

los

variados

procesos

industriales.

La

composición

y

su tratamiento pueden diferir mucho de un caso a otro, por lo que en los residuos industriales es preferible la depuración en el origen del vertido que su depuración posterior.

Contaminantes Químicos

6

Estos componen tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos es la disminución del oxigeno como resultante de la utilización del existente en el proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico, más que una disminución de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminución del mismo.

Contaminantes Físicos:

-

Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes después de ser usadas en intercambiadores.

-

El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin embargo como quiera los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, él oxigeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro.

-

La turbidez originada por los sólidos en suspensión.

7

-

Espumas, detergentes y la radioactividad.

Contaminantes Biológicos Estos son los responsables de las transmisiones de las enfermedades como el cólera y la tifoidea. Los contaminantes de las aguas residuales son normalmente una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos. Normalmente no es ni practico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría de las aguas servidas. Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos componentes se clasifican en fuerte, medio y débil. Debido a que la concentración como la composición va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo se pretende dar una orientación para la clasificación de las aguas servidas.

Tratamiento de Aguas Residuales

Tratamientos Preliminares

Es la fase de homogenización del efluente, en el cual se recibe en una fosa de bombeo o tranquilla de distribución, con una permanencia de 15 a 20 minutos. Antes de entrar al receptáculo, se coloca un tamiz o rejilla que contiene objetos indeseables

8

(plásticos, papeles), permitiendo adicionalmente, la fragmentación de la materia orgánica, al igual que tiene con finalidad eliminar materiales que perjudican y están constituidas generalmente por rejas cribos de barros y desarenados.

Tratamientos Primarios

Según Gustavo R. Mejias: Su finalidad es la remoción de sólidos suspendidos y esto puede ser por medio de la sedimentación, filtración, flotación, floculación y precipitación. Las principales unidades para esta fase son las fosas sépticas, el tanque Imhoff, sedimentadores primarios, reactores anaeróbicos de flujo accedente, coagulación y precipitación” (p. 14)

Estanques sedimentadores, clasificadores y densificadores

Consiste en la remoción por sedimentos de sólidos suspendidos sediméntales de naturaleza floculantes y de densidades mayores que el agua pero menores que la arena.

9

Estanques desnatadores

Consiste en la remoción de partículas solidas o liquidas de densidades menores a las del los líquidos que las contiene o en otras palabras, la aplicación del conocimiento de las leyes de asentamiento o flotación de partículas discretas en suspensiones diluidas.

Estanques de doble cámara o Imhoff

El tanque Imhoff es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es la remoción de sólidos suspendidos. Para comunidades de 5000 habitantes o menos, los tanques Imhoff ofrecen ventajas para el tratamiento de aguas residuales domésticas, ya que integran la sedimentación del agua y la digestión de los lodos sedimentados en la misma unidad, por ese motivo también se les llama tanques de doble cámara. Los tanques Imhoff tienen una operación muy simple y no requiere de partes mecánicas; sin embargo, para su uso concreto es necesario que las aguas residuales pasen por los procesos de tratamiento preliminar de cribado y remoción de arena para posteriormente cumplir su función de tratamiento mediante la temperatura adecuada para la digestión de lodos, en el caso de países templados el calentamiento del tanque es inducido. Según Tchobanoglous: Con el peso de los años muchos fabricantes han desarrollado versiones mecanizadas del tanque Imhoff. Aunque estas versiones modernas sean eficientes, la simplicidad mecánica del tanque Imhoff sin calentamiento

10

se pierde. Tratamientos de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones (p. 328). El tanque Imhoff típico es de forma rectangular y se divide en tres compartimentos: - Cámara de sedimentación. - Cámara de digestión de lodos. - Área de ventilación y acumulación de natas. Durante la operación, las aguas residuales fluyen a través de la cámara de sedimentación, donde se remueven gran parte de los sólidos sedimentables, estos resbalan por las paredes inclinadas del fondo de la cámara de sedimentación pasando a la cámara de digestión a través de la ranura con traslape existente en el fondo del sedimentador. El traslape tiene la función de impedir que los gases o partículas suspendidas de sólidos, producto de la digestión, interfieran en el proceso de la sedimentación. Los gases y partículas ascendentes, que inevitablemente se producen en el proceso de digestión, son desviados hacia la cámara de natas o área de ventilación. Según el Artículo 74 de la Ley de Residuos sólidos señala que: Los lodos producidos por las plantas de tratamiento de aguas o tratamientos residuales no tóxicos o peligrosos podrán ser dispuestos en los sitios de disposición final. La aceptación de lodos en los sitios de disposición final estará supeditada a una caracterización previa de los mismos, realizada por un laboratorio registrado en los organismos competentes en la materia. El tanque Imohoff tiene como ventajas que: -

Contribuye a la digestión de lodo, mejor que en un tanque séptico,

-

produciendo un líquido residual de mejores características. No descargan lodo en el líquido efluente, salvo en casos excepcionales. El lodo se seca y se evacúa con más facilidad que el procedente de los tanques

11

-

sépticos, esto se debe a que contiene de 90 a 95% de humedad. Las aguas servidas que se introducen en los tanques Imhoff, no necesitan tratamiento preliminar, salvo el paso por una criba gruesa y la separación de

-

las arenillas. El tiempo de retención de estas unidades es menor en comparación con las

-

lagunas. Tiene un bajo costo de construcción y operación. Para su construcción se necesita poco terreno en comparación con las lagunas

-

de estabilización. Son adecuados para ciudades pequeñas y para comunidades donde no se necesite una atención constante y cuidadosa, y el efluente satisfaga ciertos requisitos para evitar la contaminación de las corrientes.

También poseen desventajas como: -

Son estructuras profundas (>6m). Es difícil su construcción en arena fluida o en roca y deben tomarse precauciones cuando el nivel freático sea alto, para evitar que el tanque pueda

-

flotar o ser desplazado cuando esté vació. El efluente que sale del tanque es de mala calidad orgánica y microbiológica. En ocasiones puede causar malos olores, aun cuando su funcionamiento sea correcto. Conocidas las ventajas y desventajas del tanque Imhoff, quedará a criterio del

ingeniero encargado del proyecto si es conveniente emplear esta unidad, en la localidad donde se desea tratar las aguas residuales de uso doméstico, como un complemento para el tratamiento de estas. Cabe resaltar que esta alternativa resulta adecuada en caso no se cuente con grandes áreas de terreno para poder construir un sistema de tratamiento de aguas residuales domésticas, como es el caso de las lagunas de estabilización, además de que el tanque Imhoff deberá está instalado alejado de la población, debido a que produce malos olores. El tanque Imhoff elimina del 40 al 50% de sólidos suspendidos y reduce la DBO 12

de 25 a 35%. Los lodos acumulados en el digestor del tanque Imhoff se extraen periódicamente y se conducen a lechos de secados. Debido a esta baja remoción de la DBO y coliformes, lo que se recomendaría es enviar el efluente hacia una laguna facultativa para que haya una buena remoción de microorganismos en el efluente. El tanque Imhoff representado en la figura 1 es de tipo convencional de forma rectangular y se divide en tres compartimientos: a) Cámara de sedimentación. b) Cámara de digestión de lodos. c) Área de ventilación y cámara de natas. Además de estos compartimientos se tendrá que diseñar el lecho de secados de lodos.

Figura 1: Tanque Imhoff típico según Alcantarillado y Tratamiento de Aguas Negras (1961). Tomado de: Harold E. Babbitt.

Para retirar los lodos es común utilizar métodos manuales con maquinaria que permita excavar dentro del tanque, es esta la razón del por qué se recomienda que la

13

profundidad del tanque no sobrepase los 5 metros, sin embargo en la figura 1, se muestra un novedoso sistema de presión para retirar los lodos por bombeo.

Coagulación y precipitación

Indica una capacidad para remover entre un 60 y un 85 por ciento de los sólidos suspendidos trayendo como consecuencia reducciones para la demanda bioquímica de oxigeno de orden de un 40 al 70 por ciento, dependiendo de la apreciable variedad de los líquidos residuales.

Tratamiento Secundario

El tratamiento secundario es designado para substancialmente degradar el contenido biológico de las aguas residuales que se derivan de la basura humana, basura de comida, jabones y detergentes. La mayoría de las plantas municipales e industriales trata el licor de las aguas residuales usando procesos biológicos aeróbicos. Para que sea efectivo el proceso biótico, requiere oxígeno y un substrato en el cual vivir. Hay un número de maneras en la cual esto está hecho. En todos estos métodos, las bacterias y los protozoarios consumen contaminantes orgánicos solubles biodegradables (por ejemplo: azúcares, grasas, moléculas de carbón orgánico, etc.) y unen muchas de las pocas fracciones solubles en partículas de flóculo. Los sistemas

14

de tratamiento secundario son clasificados como película fija o crecimiento suspendido. En los sistemas fijos de película –como los filtros de roca- la biomasa crece en el medio y el agua residual pasa a través de él. En el sistema de crecimiento suspendido –como fangos activos- la biomasa está bien combinada con las aguas residuales. Típicamente, los sistemas fijos de película requieren superficies más pequeñas que para un sistema suspendido equivalente del crecimiento, sin embargo, los sistemas de crecimiento suspendido son más capaces ante choques en el cargamento biológico y provee cantidades más altas del retiro para el DBO y los sólidos suspendidos que sistemas fijados de película.

Filtros de desbaste

Los filtros de desbaste son utilizados para tratar particularmente cargas orgánicas fuertes o variables, típicamente industriales, para permitirles ser tratados por procesos de tratamiento secundario. Son filtros típicamente altos, filtros circulares llenados con un filtro abierto sintético en el cual las aguas residuales son aplicadas en una cantidad relativamente alta. El diseño de los filtros permite una alta descarga hidráulica y un alto flujo de aire. En instalaciones más grandes, el aire es forzado a través del medio usando sopladores. El líquido resultante está usualmente con el rango normal para los procesos convencionales de tratamiento. Las plantas de fangos activos usan una variedad de mecanismos y procesos para usar oxígeno disuelto y promover el crecimiento de organismos biológicos que remueven substancialmente materia orgánica. También puede atrapar partículas de material y puede, bajo condiciones ideales, convertir amoniaco en nitrito y nitrato, y en última instancia a gas nitrógeno.

15

Se utiliza la capa filtrante de goteo utilizando plantas más viejas y plantas receptoras de cargas más variables, las camas filtrantes son utilizadas donde el licor de las aguas residuales es rociado en la superficie de una profunda cama compuesta de coke (carbón, piedra caliza o fabricada especialmente de medios plásticos). Tales medios deben tener altas superficies para soportar los biofilms que se forman. El licor es distribuido mediante unos brazos perforados rotativos que irradian de un pivote central. El licor distribuido gotea en la cama y es recogido en drenes en la base. Estos drenes también proporcionan un recurso de aire que se infiltra hacia arriba de la cama, manteniendo un medio aerobio. Las películas biológicas de bacteria, protozoarios y hongos se forman en la superficie media y se comen o reducen los contenidos orgánicos. Este biofilm es alimentado a menudo por insectos y gusanos. En algunas plantas pequeñas son usadas placas o espirales de revolvimiento lento que son parcialmente sumergidas en un licor. Se crea un flóculo biotico que proporciona el substrato requerido. El reactor biológico de cama móvil (MBBR, por sus siglas en inglés) asume la adición de medios inertes en vasijas de fangos activos existentes para proveer sitios activos para que se adjunte la biomasa. Esta conversión hace como resultante un sistema de crecimiento. Las ventajas de los sistemas de crecimiento adjunto son: 1) Mantener una alta densidad de población de biomasa 2) Incrementar la eficiencia del sistema sin la necesidad de incrementar la concentración del licor mezclado de sólidos (MLSS) 3) Eliminar el costo de operación de la línea de retorno de fangos activos (RAS). Filtros aireados biológicos

Los filtros aireados (o anóxicos) biológicos (BAF) combinan la filtración con reducción biológica de carbono, nitrificación o desnitrificación. BAF incluye usualmente un reactor lleno de medios de un filtro. Los medios están en la suspensión 16

o apoyados por una capa en el pie del filtro. El propósito doble de este medio es soportar altamente la biomasa activa que se une a él y a los sólidos suspendidos del filtro. La reducción del carbón y la conversión del amoniaco ocurre en medio aerobio y alguna vez alcanzado en un sólo reactor mientras la conversión del nitrato ocurre en una manera anóxica. BAF es también operado en flujo alto o flujo bajo dependiendo del diseño especificado por el fabricante.

Biopercoladores

Los biopercoladores son unidades de tratamientos biológicos que dentro del sistema global de tratamiento de aguas residuales tienen la labor de renovar la materia orgánica mediante la metabolización de esta a cargo de una población bacteriana (Zooglea), adherida a un medio de soporte, traduciéndose esto a un efluente con una concentración menor de DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno). Este efluente continuará con la cadena de tratamiento, hasta cumplir con las especificaciones técnicas para su descarga final. En el caso de las aguas residuales, ricas en materia orgánica, y el oxigeno necesario para la síntesis celular (crecimiento bacteriano), la biopelícula de microorganismos aeróbicos (Zooglea) inicia el desdoblamiento de la materia orgánica obteniéndose, al igual que los demás procesos aeróbicos de tratamiento de aguas residuales, la remoción de la materia orgánica mediante su conversión a masa celular, CO2 y H2O, que se traduce en una purificación de las aguas residuales que conforma el nuevo efluente que ya sea el caso necesitará tratamientos posteriores si las especificaciones técnicas lo demanden. El producto de crecimiento bacteriano en el medio de soporte, hará que la Zooglea aumente su espesor hasta llegará a un límite en que las bacterias interiores no

17

recibirán el oxigeno requerido, ni los nutrientes necesarios para su supervivencia por lo que morirán y terminaran de desprender a la bio-película del medio. Este hecho hace necesario un proceso de sedimentación que se haga cargo del material desprendido. Algunas generalidades de los Biopercoladores: -

Este tipo de tratamiento de aguas residuales es utilizado en poblaciones hasta

-

30.000 habitantes. Los costos de inversión inicial son bajos, comparados con otros tratamientos

-

aeróbicos. El tipo de medio filtrante a utilizar determinará las tasas orgánicas e hidráulicas a aplicar, influyendo esto en la eficiencia del proceso de remoción

-

de DBO. La eficiencia del sistema puede variar entre un 65 y 95% de efectividad dependiendo de las características de las aguas residuales y de las cargas

-

hidráulicas y orgánicas que se apliquen. No requiere del personal altamente calificado para controlar su operación, ya que es bastante simple cuando se compara con otros tratamientos de agua físico-químicos o biológicos.

El medio filtrante para un biopercolador puede variar, en la figura 2 se observa un biopercolador con un medio filtrante de polietileno, sin embargo es mas usado en Latinoamérica un medio filtrante de rocas y grava gruesa.

18

Figura 2: Vista de la Parte Superior de un Biopercolador. (Tratamiento de Aguas Residuales en Pequeñas Poblaciones, p. 434)

Según Tchobanoglous (p. 435), para el diseño del proceso del Biopercolador se deben tomar algunas consideraciones:

Tasa de Carga Hidráulica

La Tasa de carga hidráulica es un parámetro de diseño y operación empírico que se relaciona con el flujo, la tasa de cizallamiento superficial y el tiempo de retención hidráulica. En general la tasa de carga hidráulica se reporta en unidades de volumen en aguas residuales incluyendo la recirculación, por unidad de área de la sección Horizontal por día. Dado que la mayoría de los biopercoladores de medio rocoso están entre 1 y 2 m de profundidad, la tasa de carga volumétrica que se utiliza en algunos países se puede convertir fácilmente a flujo por unidad de área-tiempo. Tasa de Carga Orgánica La carga de material de desecho de los biopercoladores, se caracteriza por la tasa

19

de carga orgánica en términos de kilogramos de DBO por metro cúbico-día (Kg DBO/m3.d). No hay parámetros para la carga de sólidos, y la remoción de sólidos en los biopercoladores no se ha caracterizado en forma predictiva alguna.

Transferencia de Oxígeno En general el aire se suministra a los biopercoladores a través de corrientes naturales de aire, que resultan de las diferencias de temperaturas entre el ambiente y el aire interior. Los biopercoladores con medio plástico requieren con frecuencia del uso de aire comprimido que suministra una corriente de aire forzada. La tasa de transferencia máxima en los biopercoladores con corrientes naturales de aire es de cerca de 28 g/m2.día, lo que corresponde a la tasa de absorción por concentraciones de DBOU aplicadas de cerca de 400 mg/L. Muchos desechos industriales son considerablemente más fuertes que 400 mg/L DBOU, y pueden ocurrir condiciones anóxicas dentro de los biopercoladores originando así olores desagradables. Los problemas de olores han llevado a que se cubran los percoladores y el olor se conduzca hacia filtros de olor de tiempo o hacia otras instalaciones para el control de olores a base de turba o carbón activado.

Recirculación La recirculación de efluente en sistemas de carga alta, incluyendo en aquellos con medio de filtrados plásticos, puede ser desde un punto anterior o posterior al tanque de sedimentación. La recirculación antes de la sedimentación ofrece la ventaja de que la células desprendidas se mezclan con el agua residual que entra, mejorando la velocidad de reacción, pero también tiene la desventaja de aumentar la posibilidad de taponar la unidad. La recirculación luego de la sedimentación aumenta la carga del tanque de sedimentación y tiende a diluir el agua residual sin añadir un reactivo, pero no tiene el potencial de taponamiento de la recirculación antes de la sedimentación.

20

Ambas configuraciones ofrecen un flujo homogéneo.

Velocidad de Dosificación La velocidad de dosificación se puede ajustar para obtener un crecimiento continuo y uniforme de la biomasa y un desprendimiento del exceso de la misma como función de la taza de carga orgánica. Es posible aproximar la velocidad de paso multiplicando la tasa de carga orgánica expresada como DBO/103pie3 por un factor de 0.1 a 0.12.

La Temperatura La temperatura del agua residual es más importante que la temperatura del aire. El efecto de la temperatura en el desempeño de los biopercoladores se explica ajustando el coeficiente de la tasa de remoción con un valor de θ de 1.035.

Problemas Operacionales Los problemas operacionales incluyen el crecimiento excesivo de algas, llevando así a la obstrucción de filtros, el desarrollo de malos olores debido a la falta de transferencia de oxígenos, la reproducción de moscas y la infestación de caracoles e insectos coleópteros.

Instalaciones de Sedimentación Secundaria Todo el lodo proveniente de los sedimentadores secundarios de biopercoladores se lleva hacia las instalaciones de procesamiento de lodos. El diseño de estos tanques es similar a los tanques de sedimentación primaria, excepto por la tasa de carga

21

superficial que se basa en el flujo de la planta mas el flujo de recirculación menos el flujo inferior (con frecuencia ignorado). Las cargas superficiales sugeridas y las tasas de cargas de sólidos para los tanques de sedimentación que siguen a los biopercoladores oscilan entre 1 y 4 m3/m2.d y 0.08 a 0,4 Kg DBO5/m3.d, respectivamente para biopercoladores de tasa baja y de 10 a 40 m 3/m2.d y 0.4 a 0.80 Kg DBO5/m3.d para biopercoladores de tasa alta.

Sedimentación secundaria

Los objetivos de los sedimentadores secundarios para lodos activados son: producir un efluente suficientemente clarificado y concentrar los sólidos biológicos para minimizar la cantidad de lodos que se habrán de manejar. Los sedimentadores secundarios deben diseñarse como parte integral del sistema de lodos activados. Los sólidos biológicos en los lodos activados son de naturaleza floculenta y a concentraciones menores a 1000 mg/l aproximadamente tienen una sedimentación floculenta. Sin embargo, la mayoría de los reactores biológicos operan a concentraciones que exceden de 1000 mg/l y el espesamiento en el sedimentador secundario produce incluso concentraciones mayores. Los tanques de sedimentación secundaria se caracterizan por tener una sedimentación de suspensiones concentradas. Se define una

suspensión concentrada como aquella en la cual los campos de

velocidad de las partículas se traslapan con los de sus vecinas y ocurre un desplazamiento significativo del agua hacia arriba conforme las partículas se sedimentan; esta circunstancia, junto con otros factores, actúa evitando la sedimentación independiente. Las partículas sedimentan por grupos, a la misma tasa, sin importar las diferencias en tamaño de las partículas individuales. La velocidad colectiva de las partículas depende de varios factores; de éstos el más obvio es la concentración de la

22

suspensión, ya que la velocidad es inversamente proporcional a la concentración. En los sedimentadores secundarios la concentración de sólidos debe incrementarse de la cantidad X que se tiene en el reactor a la cantidad Xu que se presenta en el flujo inferior del sedimentador; en este tránsito las velocidades de sedimentación cambian, presentándose zonas con diferentes características, fenómeno conocido como zonas de sedimentación. La figura 3, consiste en el corte longitudinal del sedimentador secundario que y se observa la forma semi cóncava en la base que permite el deslizamiento de los lodos para su posterior remoción.

Figura 3: Vista de la sección longitudinal (www.engineeringfundamentals.net)

de

un

Sedimentador

Secundario

Tratamiento Terciario

El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar la calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea descargado al ambiente receptor (mar, río, lago, campo, etc.) Más de un proceso terciario del tratamiento puede ser usado en una planta de tratamiento. Si la desinfección se practica siempre en el proceso final, es siempre llamada pulir el efluente.

23

Filtración

La filtración de arena remueve gran parte de los residuos de materia suspendida. El carbón activado sobrante de la filtración remueve las toxinas residuales. El tratamiento de lagunas proporciona el establecimiento necesario y fomenta la mejora biológica de almacenaje en charcos o lagunas artificiales. Se trata de una imitación de los procesos de autodepuración que somete un río o un lago al agua residual de forma natural. Estas lagunas son altamente aerobias y la colonización por los macrophytes nativos, especialmente cañas, se dan a menudo. Los invertebrados de alimentación del filtro pequeño tales como Daphnia y especies de Rotifera asisten grandemente al tratamiento removiendo partículas finas. El sistema de lagunaje es barato y fácil de mantener pero presenta los inconvenientes de necesitar gran cantidad de espacio y de ser poco capaz para depurar las aguas de grandes núcleos.

Remoción de nutrientes

Las aguas residuales poseen nutrientes pueden también contener altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) que eso en ciertas formas puede ser tóxico para peces e invertebrados en concentraciones muy bajas (por ejemplo amoníaco) o eso puede crear condiciones insanas en el ambiente de recepción (por ejemplo: mala hierba o crecimiento de algas). Las malas hierbas y las algas pueden parecer ser una edición

24

estética, pero las algas pueden producir las toxinas, y su muerte y consumo por las bacterias (decaimiento) pueden agotar el oxígeno en el agua y asfixiar los peces y a otra vida acuática. Cuando se recibe una descarga de los ríos a los lagos o a los mares bajos, los nutrientes agregados pueden causar pérdidas entrópicas severas perdiendo muchos peces sensibles a la contaminación en el agua. La retirada del nitrógeno o del fósforo de las aguas residuales se puede alcanzar mediante la precipitación química o biológica. La remoción del nitrógeno se efectúa con la oxidación biológica del nitrógeno del amoníaco a nitrato (nitrificación que implica nitrificar bacterias tales como Nitrobacter y Nitrosomonus), y entonces mediante la reducción, el nitrato es convertido al gas nitrógeno (desnitrificación), que se lanza a la atmósfera. Estas conversiones requieren condiciones cuidadosamente controladas para permitir la formación adecuada de comunidades biológicas. Los filtros de arena, las lagunas y las camas de lámina se pueden utilizar para reducir el nitrógeno. Algunas veces, la conversión del amoníaco tóxico al nitrato solamente se refiere a veces como tratamiento terciario. La retirada del fósforo se puede efectuar biológicamente en un proceso llamado retiro biológico realzado del fósforo. En este proceso específicamente bacteriano, llamadas Polyphosphate que acumula organismos, se enriquecen y acumulan selectivamente grandes cantidades de fósforo dentro de sus células. Cuando la biomasa enriquecida en estas bacterias se separa del agua tratada, los biosólidos bacterianos tienen un alto valor del fertilizante. La retirada del fósforo se puede alcanzar también, generalmente por la precipitación química con las sales del hierro (por ejemplo: cloruro férrico) o del aluminio (por ejemplo: alumbre). El fango químico que resulta, sin embargo, es difícil de operar, y el uso de productos químicos en el proceso del tratamiento es costoso. Aunque esto hace la operación difícil y a menudo

sucia, la

eliminación química

del fósforo requiere una huella

significativamente más pequeña del equipo que la de retiro biológico y es más fácil de operar. 25

Desinfección

La desinfección del agua es necesaria como uno de los últimos pasos en la planta de tratamiento de, para prevenir que esta sea dañina para nuestra salud. Muchas

veces,

tratándose

de

agua

de manantiales naturales

o

de pozo,

la desinfección es el único tratamiento que se le da al agua para obtener un agua menos contaminada.

La desinfección puede hacerse por medios químicos o físicos:

Los compuestos químicos más utilizados para la desinfección del agua son: 

Hipoclorito

de

sodio (NaClO), Ácido

hipocloroso (HClO), Clorito

de

sodio (NaClO2). El cloro es uno de los elementos más comunes para la desinfección del agua. El cloro se puede aplicar para la desactivación de la actividad de la gran mayoría de los microorganismos, y es relativamente barato. 

Dióxido de cloro (ClO2)



Ozono (O3)



Halógenos: Yodo



Metales: cobre (Cu2+), plata (Ag+)



Permanganato (KMnO4)



Jabones y detergentes



Sales de amonio



Peróxido de hidrógeno Medios Físicos 26

Los procesos físicos más utilizados para la desinfección del agua son: 

Generación de ácido hipocloroso mediante proceso de hidrólisis (sin aditivos).



Luz ultravioleta



Fotocatálisis



Radiación electrónica



Rayos gamma



Sonido



Calor

Los desinfectantes no solo deben matar a los microorganismos sino que deben además tener un efecto residual, que significa que se mantienen como agentes activos en el agua después de la desinfección para prevenir el crecimiento de los microorganismos en las tuberías provocando la re-contaminación del agua. El cloro es un desinfectante que tiene ciertos limitantes en términos de salubridad y seguridad, pero al mismo tiempo tiene un largo historial como un desinfectante efectivo. Antes de decidir si el cloro reúne las condiciones para su uso por parte de una municipalidad es necesario entender las ventajas y desventajas de este producto. Cloración

Para su desempeño óptimo, un sistema de desinfección con cloro debe operar con flujo en pistón y ser muy turbulento para lograr una mezcla inicial en menos de un segundo. El objetivo de un mezclado apropiado es el fomentar la desinfección al iniciar una reacción entre el cloro libre en la corriente de solución de cloro con el nitrógeno amoniacal. Esto previene que concentraciones elevadas de cloro persistan y formen otros compuestos clorinados. Otro proceso importante que contribuye a una desinfección óptima es el contacto. La cámara de contacto debe ser diseñada con vértices redondeados para prevenir áreas sin circulación y deflectores que minimicen el flujo en corto circuito. Este

27

diseño proporciona un tiempo de contacto adecuado entre los microorganismos y el cloro a una concentración mínima durante un periodo de tiempo específico. El grado de desinfección requerido de cualquier sistema de desinfección por cloración puede ser obtenido mediante la variación de la dosis y el tiempo de contacto. La dosis de cloro varía con base en la demanda de cloro, las características del agua residual y los requisitos de descarga del efluente. La dosis generalmente tiene un rango de 5 a 20 miligramos por litro (mg/L). La Tabla 2 describe algunas de las características del agua residual y su impacto en la cloración. Hay otros factores que aseguran condiciones óptimas de desinfección; estos incluyen la temperatura, la alcalinidad y el contenido de nitrógeno.

Descloración Luego de la desinfección el cloro residual puede persistir por muchas horas en el efluente. La mayoría de los gobiernos estatales no permiten el uso del cloro cuando se hacen descargas a aguas receptoras en estado natural debido a sus efectos en las especies acuáticas, a menos que se minimicen estos efectos, para lo cual debe hacerse la descloración del agua residual. La descloración es el proceso de remoción de los residuos libres y combinados de cloro para reducir la toxicidad residual luego de la cloración y antes de su descarga. El dióxido de sulfuro, el bisulfito de sodio, y el metabisulfito de sodio son los compuestos comúnmente usados como químicos de descloración. El carbón activado también ha sido utilizado. El total del cloro residual puede ser normalmente reducido a un nivel no tóxico a la vida acuática. Los sistemas de cloración/descloración son más complejos de operar y mantener que los sistemas de cloración.

Tratamiento con Ozono

28

Además de las infecciones debidas a contaminantes orgánicos o bióticos, existen numerosos compuestos inorgánicos (físicos, químicos o radiactivos), transportados por las aguas de los abastecimientos, que provocan diversas enfermedades, constituyendo un problema de Salud Pública. Así pues, el agua que utilizamos para el consumo humano ha de pasar previamente por un proceso de potabilización que elimine los agentes perjudiciales para la salud. Las técnicas de ozonización, por su gran eficacia desinfectante y escasa residualidad, son utilizadas en el tratamiento de aguas potables desde hace décadas, tanto en Europa como en América. De hecho, las ETAP de los embalses de Valmayor y Santillana, del Canal de Isabel II de Madrid, utilizan la ozonización en una de sus etapas de potabilización. Algunas ventajas de la utilización de este sistema son: -

Eliminación de Bacterias, Virus, Hongos, Protozoos y Parásitos.

-

Diseñado para Higiene Alimentaria (APPCC).

-

Tratamientos integrales de Legionela.

-

Elimina olores y sabores.

-

Acción desinfectante del agua.

-

Eliminación del biofilm en tuberías, torres de refrigeración, balsas de humectación, etc.

-

Elimina la flora microbiana de productos frescos.

-

Lavado y eliminación de gases tóxicos, nocivos, peligrosos y mal olientes.

-

Desinfección de productos en industrias conserveras.

Como se muestra en la figura 4 al utilizar Ozono para el tratamiento de agua se requiere la previa filtración de la misma, es por esta razón que se emplea un filtro que

29

permite que el agua pase al generador de ozono con la menor cantidad de sólidos y cloro.

30

Ozono Almacenamiento Filtro a Presión

31

Figura 4: Potabilización de Agua con Ozono. Fuente: Elaborado por el autor

El generador de Ozono tiene un alto consumo de electricidad debido a que es por el alto voltaje que es capaz de generar el proceso para la producción de O3. Tratamiento con Ósmosis Inversa y Luz Ultravioleta:

La Osmosis Inversa consiste en separar un componente de otro en una solución, mediante las fuerzas ejercidas sobre una membrana semi-permeable. Su nombre proviene de "osmosis", el fenómeno natural por el cual se proveen de agua las células vegetales y animales para mantener la vida. En el caso de la Osmosis, el solvente (no el soluto) pasa espontáneamente de una solución menos concentrada a otra más concentrada, a través de una membrana semipermeable. Entre ambas soluciones existe una diferencia de energía, originada en la diferencia de concentraciones. El solvente pasará en el sentido indicado hasta alcanzar el equilibrio. Si se agrega a la solución más concentrada, energía en forma de presión, el flujo de solvente se detendrá cuando la presión aplicada sea igual a la presión Osmótica Aparente entre las 2 soluciones. Esta presión Osmótica Aparente es una medida de la diferencia de energía potencial entre ambas soluciones. Si se aplica una presión mayor a la solución más concentrada, el solvente comenzará a fluir en el sentido inverso. Se trata de la Osmosis Inversa. El flujo de solvente es una función de la presión aplicada, de la presión osmótica aparente y del área de la membrana presurizada. Los componentes básicos de una instalación típica de osmosis inversa consisten en un tubo de presión conteniendo la membrana, aunque normalmente se utilizan varios de estos tubos, ordenados en serie o paralelo. Una bomba suministra en forma continua el fluido a tratar a los tubos de presión, y, además, es la encargada en la práctica de suministrar la presión necesaria para producir el proceso. Una válvula reguladora en la corriente de concentrado, es la encargada de controlar la misma

32

dentro de los elementos (se denominan así a las membranas convenientemente dispuestas). Hoy en día, hay 3 configuraciones posibles de la membrana: el elemento tubular, el elemento espiral y el elemento de fibras huecas. Más del 60% de los sistemas instalados en el mundo trabajan con elementos en espiral debido a 2 ventajas apreciables: - Buena relación área de membrana/volumen del elemento. - Diseño que le permite ser usado sin dificultades de operación en la mayoría de las aplicaciones, ya que admite un fluido con una turbiedad más de 3 veces mayor que los elementos de fibra hueca. Este elemento fue desarrollado a mediados de la década del 60, bajo contrato de la oficina de aguas salinas. En la actualidad estos elementos se fabrican con membranas de acetato de celulosa o poliamidas y con distinto grados de rechazo y producción.

-

Hay razones para justificar esta creciente supremacía, ya que la osmosis inversa reúne características de excepción, como:

-

Permite remover la mayoría de los sólidos (inorgánicos u orgánicos) disueltos en el agua (hasta el 99%).

-

Remueve los materiales suspendidos y microorganismos.

-

Realiza el proceso de purificación en una sola etapa y en forma continua.

-

Es una tecnología extremadamente simple, que no requiere de mucho mantenimiento y puede operarse con personal no especializado.

-

El proceso se realiza sin cambio de fase, con el consiguiente ahorro de energía.

-

Es modular y necesita poco espacio, lo que le confiere una versatilidad

33

excepcional en cuanto al tamaño de las plantas: desde 1 m 3/día, a 1.000.000 m3/día. La osmosis inversa puede aplicarse en un campo muy vasto y entre sus diversos usos podemos mencionar: - Abastecimiento de aguas para usos industriales y consumo de poblaciones. - Tratamiento de efluentes municipales e industriales para el control de la contaminación y/o recuperación de compuestos valiosos reutilizables. - En la industria de la alimentación, para la concentración de alimentos (jugo de frutas, tomate, leche, etc.). - En la industria farmacéutica, para la separación de proteínas, eliminación de virus, etc. Luz Ultra Violeta La desinfección de agua por radiación ultravioleta UV es un procedimiento físico, que no altera la composición química, ni el sabor ni el olor del agua. La seguridad de la desinfección UV está probada científicamente y constituye una alternativa segura, eficaz, económica y ecológica frente a otros métodos de desinfección del agua, como por ejemplo la cloración. La radiación UV constituye una de las franjas del espectro electromagnético y posee mayor energía que la luz visible. La irradiación de los gérmenes presentes en el agua con rayos UV provoca una serie de daños en su molécula de ADN, que impiden la división celular y causan su muerte. La luz ultravioleta, a la onda germicida de 253.7 nanómetros, altera el material genético (DNA) en las células para que los microbios, virus, mojo, alga y otros microorganismos no puedan reproducirse. Los microorganismos están considerados muertos y se les elimina el riesgo de enfermedad. La principal aplicación de los equipos UV es la desinfección de agua. Cualquier industria que utilice agua en su proceso industrial es susceptible de usar estos

34

equipos. Los equipos UV también están indicados para tratamientos de superficies y aire. Ventajas: -

El UV no genera subproductos de desinfección como trihalometanos (THM) y bromato, que son considerados cancerígenos.

-

El UV no altera el sabor, olor, color y pH del agua.

-

El UV no requiere la adición de productos químicos. El UV es un equipo compacto, fácil de instalar y casi no requiere mantenimiento

-

Por otro lado, los sistemas de desinfección domésticos de bajo costo que ofrecemos, solucionan con éxito los problemas de agua del

-

Provee desinfección sin el uso de químicos

-

Reduce bacteria, virus y protozoa en un 99.99%

-

Arranques electrónicos proveen un voltaje estable

-

Avisa cuando requiere mantenimiento

-

Fabricado en acero inoxidable 304 pulido

-

Fácil de operar y mantener

Las aplicaciones a las que están destinadas los equipos se enumeran a continuación: Aplicaciones -

Agua de pozo

-

Agua superficial

-

Agua municipal

-

Procesamiento de alimentos

-

Hospitales

-

Acuacultura

-

Electrónicos

-

Farmacéuticos

-

Hoteles

35

-

Embotelladoras de agua

Una vez pasado el agua por un tratamiento primario, ésta se potabiliza mediante un tratamiento compuesto por un filtro a presión, un equipo de ósmosis inversa, una lámpara de luz UV para luego ser almacenada y estar lista para el consumo. En la figura 5 se aprecia un esquema de éste proceso.

36

UV Ósmosis Inversa Almacenamiento Filtro a Presión

Figura 5: Potabilización de agua con Ósmosis Inversa y Luz Ultravioleta. Fuente: Elaborado por el autor.

Costos Asociados a Sistemas de distribución y disposición de Agua

37

Álvaro Palacios Ruíz alega: “…la infraestructura de los servicios sanitarios representa aproximadamente el 20% del costo total de un urbanismo” (p. 24-25).

Cuadro 1. Costo directo de construcción de un urbanismo residencial en el área Metropolitana de Caracas (1998-2000)

Actividad Principal

Monto Actividad

% Del Costo

Costo Unitario

(Bs)

Total Obra

(Bs/m2)

1.605.000.000,00

40,47

4.864,00

Sistema de Acueductos

165.000.000,00

04,16

500,00

Sistema de Cloacas

91.000.000,00

02,30

276,00

Sistema de Drenajes

547.000.000,00

13.79

1.658,00

Obras

173.000.000,00

04,36

524,00

Obras Civiles Teléfonos

110.000.000,00

02,77

333,00

Instalaciones Eléctricas

157.000.000,00

03,96

476,00

Movimiento de Tierra

Civiles

Electricidad

38

Sistema Gas Directo

39.000.000,00

00,98

118,00

Aceras y Brocales

158.000.000,00

03,98

479,00

Pavimento Asfáltico

243.000.000,00

06,13

736,00

Reforestación Taludes

178.000.000,00

04,49

539,00

Construcción Parques

95.000.000,00

02,40

288,00

Arborización Parques

20.000.000,00

00,50

61,00

Señalización Vial

12.000.000,00

00,30

36,00

Planta de Tratamiento de Aguas Negras

90.000.000,00

02,27

273,00

Acueducto Externo

283.000.000,00

07,14

858,00

3.966.000.000,00

100,00

12.019,00

Costo Total

Tomado de Álvaro Palacios Ruíz, (p. 24-25).

Según la información suministrada por el cuadro anterior la suma de la construcción de la Planta de Tratamiento y el Acueducto Externo arroja un resultado de 1131,00 Bs/m2 y se aprecia que éste comprende un porcentaje alto en relación a los distintos tipos de obras que se llevan a cabo en la construcción de un urbanismo.

39

Sistemas de Recirculación de Agua

El costo del agua está aumentando constantemente, se espera que el precio del agua potable pronto se doble. Muchos procesos industriales requieren del agua pero no necesariamente un agua tratada, por lo que la reutilización de aguas servidas tratadas ofrece una alternativa para las industrias que permite ahorrar este preciado recurso y su recirculación utilizando la misma agua de la industria que dependiendo de su funcionamiento existen varias opciones para el reciclaje del liquido: -

La industria de procesamiento de alimentos y bebida requiere una enorme cantidad de agua. Uno de los principales problemas es la cantidad de agua residual continuamente producida en las plantas de tratamientos. El agua es usada como ingrediente, agente de limpieza, para hervir y enfriar, para transportar y acondicionar las materias primas. El agua de proceso usada en la industria de la alimentación (contenido de sal medido por la conductividad eléctrica < 3.000μS/cm y DQO