diseño plantas de tratmento aguas residuales

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

358039 – DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

Autor: Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, PhD

BOGOTÁ D.C., COLOMBIA 2012 1

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CONTENIDO ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO ...................................... 18 INTRODUCCIÓN GENERAL ................................................................................................ 19 UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS .............................................................................................................................. 25 CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA ................................................................................. 25 Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales ............................ 25 Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes ............................... 31 Lección 3. Esquema de depuración ....................................................................... 34 Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección .................... 39 Lección 5. Cálculos hidráulicos ............................................................................... 42 CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO .................................................................................... 46 Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada ............................................ 46 Lección 7. Pozo de muy gruesos ............................................................................. 51 Lección 8. Desbaste................................................................................................... 54 Lección 9. Desarenador ............................................................................................ 60 Lección 10. Desarenador-Desengrasador ............................................................. 63 CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO........................................................................ 68 Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria ....................................... 68 Lección 12. Tamices .................................................................................................. 71 Lección 13. Decantador primario ............................................................................ 75 Lección 14. Decantación asistida químicamente ................................................ 79 Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios ........ 82 UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS .................................. 85 CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ................................. 85 Lección 16. Teoría de la aireación .......................................................................... 85 Lección 17. Equipos aireadores ............................................................................... 89 Lección 18. Teoría de la depuración biológica .................................................... 92 Lección 19. Control del proceso biológico ............................................................ 95 Lección 20. Modelos de reactores y características ............................................ 99 CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO ..................................... 102 Lección 21. Lodos activados .................................................................................. 103

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CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS .............................................................................................................. 131 Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado ....................... 131 Lección 27. Desinfección ........................................................................................ 134 Lección 28. Nitrificación y desnitrificación .......................................................... 136 Lección 29. Eliminación de fósforo ........................................................................ 139 Lección 30. Reuso de aguas residuales regeneradas........................................ 141 UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS ....................... 146 CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ........................ 146 Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales.. 146 Lección 32. Tanque de igualación ........................................................................ 148 Lección 33. Neutralización ..................................................................................... 151 Lección 34. Flotación por aire disuelto ................................................................. 154 Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos ................................... 157 CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN ................................................ 159 Lección 36. Principios de la geodepuración ....................................................... 161 Lección 37. Trampa de grasas ............................................................................... 163 Lección 38. Tanques de decantación-digestión ................................................. 167 Lección 39. Filtro anaerobio ................................................................................... 171 Lección 40. Campo de infiltración ........................................................................ 173 CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS ..................................................................... 176 Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) ......................................................... 177 Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) ........................................................ 180 Lección 43. Humedales artificiales ........................................................................ 183 Lección 44. Filtros verdes ........................................................................................ 187 Lección 45. Filtros intermitentes ............................................................................. 190 Trabajos citados ............................................................................................................... 193

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo. ......................... 22 Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica ..................................................................................................... 27 Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). ..... 33 Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría ...................................... 33 Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales.................................................................................................... 36 Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). ...................................... 40 Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 41 Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales .................................................. 44 Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades. ..................................................................................................................... 45 Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. ........... 48 Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) ....................................................................................... 49 Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................................... 50 Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................................... 52 Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................................... 57 Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) ....................................................................................... 59 Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010) ............................................................. 60 Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ........................................................................................................... 61 4

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Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 65 Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). .............................................................. 68 Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................................... 74 Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................................... 74 Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 77 Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ......................................................................... 81 Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).. 82 Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 84 Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). ................................... 87 Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos de oxidación biológica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 96 Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados (Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012) ................................................................................................................... 106 Tabla 29. Criterios de diseño según tipo de operación y medio de contacto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 113 Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina & Pohland, 1992)......................................................................................... 116 Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores anaerobios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................... 117 Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................................................................................................................... 119 5

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Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ....................................................................... 122 Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 124 Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de igualación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 150 Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................................................................... 157 Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor. ........ 163 Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de trampas de grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 164 Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................................................................... 164 Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el caudal de diseño (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 165 Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................................................................... 173

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ÍNDICE DE FOTOS Foto 1. Biofltro. Fuente: http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patprocont/BiofiltroBoletin.jpg .................... 37 Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001. .............................................................................................................. 38 Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. . 50 Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obr allegada/17.jpg .......................................................................................... 52 Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. ....................................... 55 Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9 e770a877a3fbf5149553f1525633a7d ....................................................... 55 Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/ProductoReja-de-desbaste-37170.html ................................................................... 56 Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada de: http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/ ........................................................................................................................ 61 Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradoras-generan-679toneladas-de-fangos/ ................................................................................ 64 Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo). En la izqueira está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg ................. 65 Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).j pg................................................................................................................... 73 Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20fu ncionando.jpg ............................................................................................. 73 7

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Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/5.jpg ..................................................................................................... 76 Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/10.jpg ................................................................................................... 76 Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600 /DSC_0173.JPG ............................................................................................ 78 Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://ptecdaf.com/images/flocculator.png ....................................... 80 Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelnivalgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg ...................... 81 Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de: http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/planta-de-lavadode-arenas-539813.jpg ................................................................................ 83 Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de: http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png ........................................................................................................................ 84 Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration001.jpg........................................................................................................... 89 Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de: http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f523673 3e0b.jpg........................................................................................................ 90 Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aeratorfor-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-inchina.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-SystemWastewater-Aerator-LY-1-.jpg .................................................................. 90 Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada de: http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_Brush Aerators.jpg.................................................................................................. 92 8

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Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de: http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg ............. 100 Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg ..................... 101 Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 102 Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.mixing.com/site/images/019.jpg ..................................... 105 Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg ........................................ 112 Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R. , 2001). ....................................................................................... 112 Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador1.jpg_729600497.jpg ......... 113 Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen tomada de: http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG .............. 122 Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de: http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg 127 Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación de fangos digeridos. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg ............... 128 Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de quemado. Image tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg ............... 128 Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de: http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20R un%20Per%C3%BA32.JPG ........................................................................ 129 Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t% 25C3%25ADtulo.png................................................................................. 130 Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes tratados de las depuradoras agua residual, pero que no reciben tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes 9

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específicos. Imagen tomada de: http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4 d_52.jpg ...................................................................................................... 132 Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización (exceso de nutrientes como nitrógeno y fósforo) que causa el crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de: http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg .... 133 Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas tratadas de la depuradora. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/4.jpg ............................................................................... 134 Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales tratadas. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/2.jpg ............................................................................... 135 Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg ............... 138 Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en Yanacocha, Perú. Imagen tomada de: http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg ...................................................................................................................... 143 Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de: http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg ......... 143 Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 144 Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de: http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG .. 145 Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para retención de sólidos. Imagen tomada de: http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampade-grasas1.jpg ........................................................................................... 147 Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante. Imagen tomada de: http://www.greenarrowenvironmental.com/wpcontent/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg .......................................... 148 Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de: http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG ........... 149 Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de: http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg ...................... 156 10

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Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales, en el sitio de origen. Imagen tomada de: http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecu tados/C1L2%202009/Agua%20y%20Saneamiento/031%20Laramate/L aramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg .............................. 159 Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como un gran filtro bioquímico. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/_d9ZUVwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+deg radado.jpg ................................................................................................. 161 Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil__BagleyStabilizationPonds.jpg ................................................................ 180 Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://corporativoambitec.com/wpcontent/uploads/2012/03/laguna.gif ................................................... 181 Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de: http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842 _orig.jpg ...................................................................................................... 186 Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales. Imagen tomada de: http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG186 Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Vic tor_IMDEA.jpg ............................................................................................ 187 Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/5.jpg ....................................................................................... 189 Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/3.jpg ....................................................................................... 192

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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996). ..................... 28 Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008). ...... 29 Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A. .................................... 36 Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ........................................................................... 38 Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobaincanalizacao.com.br ....................................................................... 42 Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de: http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_resi duales/Pretratamiento.................................................................... 46 Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/1.entrada.gif ............................................................................ 51 Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esque ma_muygruesos.png ....................................................................... 53 Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/2.desbaste.gif .......................................................................... 54 Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSE SSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 ............................. 56 Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999) .......................................... 58 Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Gr ift-chamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor. . 64 Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda Valencia, 2000). ............................................................................... 70 Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapt ure1.jpg .............................................................................................. 72 Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shop s/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94C/9B1E/6626/tami z-rotativo-esquema.jpg .................................................................. 74 12

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Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam1/decantacion.htm........................................................ 75 Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................................... 85 Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido. . 86 Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de: http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg ......................... 91 Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de: http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg ...... 91 Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................................................................ 93 Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005)................................................ 95 Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................................. 101 Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen tomada de http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 103 Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 104 Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 104 Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de flujo a pistón (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 105 Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamient os/blandos/diseno6.gif ................................................................. 110 Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador (Romero Rojas, 1999)..................................................................... 111 Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen tomada de: http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_ 07_IMG/7020601i.gif....................................................................... 111 13

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Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación. Imagen tomada de: http://www.uasb.org/discover/uasb-scheme.gif modificada por el autor. .................................................................................... 117 Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación (Romero Rojas, 1999). ....................................... 118 Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ... 120 Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de: http://www.pollutionsolutionsonline.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/ 800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg .............................. 121 Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada de: http://www.foro3d.com/attachments/117991d12585356563ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantador-secundario-02.jpg ........................................................................................................... 125 Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla). ............................................................................................. 126 Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas residuales. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam3/imagenes/1.jpg ......................................................... 137 Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de cuatro reactores (dos anóxicos y dos aerobios) con recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media de 5 veces el caudal tratado. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 140 Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que se añade un reactor anaerobio (ausente de oxígeno y nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de nitrógeno y DBO también. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 140 Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%2020 06%20grease%20trap.png y modificada por el autor. ........... 147 Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.). ..................................................... 152 14

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Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH con ácido o agente alcalinizante. Imagen tomada de: http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jp g ........................................................................................................ 153 Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho, 1996). ................................................................................................ 154 Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ......................................................................... 155 Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por aire disuelto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 156 Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-domiciliario-diagrama.jpg ............................................. 160 Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf ............. 163 Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ..... 166 Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de escurrimiento de la grasa extraída (a la derecha). Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ............ 166 Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999). .......... 168 Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-integrado-Diagrama.jpg ............................................... 170 Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo ascendente. Imagen tomada de: http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnol ogias/tec_s/tec_s11.jpg ................................................................ 171 Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado. Imagen tomada de: http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes /digestor.jpg ................................................................................... 172 15

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Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascedente, independiente. Imagen tomada de: http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg.......... 172 Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de infiltración. Imagen tomada de: http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif ........................ 174 Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo de infiltración .................................................................................. 175 Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ......................................................................... 177 Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s 1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG............................. 177 Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA)............................................................................................ 178 Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA)............................................................................................ 179 Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y nutrientes, en una laguna facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). .................................................. 179 Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s16 00/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiacial+Vertical+%25 28HAFSV%2529.JPG ....................................................................... 184 Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales. Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus, Dinamarca)..................................................................................... 185 Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/16

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AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1 600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG ............................................... 188 Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s160 0/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG ....................................... 190 Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s16 00/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro+de+turba.JPG 191

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido didáctico del curso académico DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, el cual recopila no sólo la experiencia del autor sino gran parte del material empleado durante muchos años de docencia, ha sido elaborado por WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, quien es Ingeniero Ambiental y Sanitario, PhD en Biotecnología, MSc en Ingeniería del Agua, Experto en Tecnología del Agua, con Especialización en Creación de Modelos Ecológicos y estudios en Ciencias Hidrológicas. Fue ganador del “Development Co-operation Prize”, otorgado por el Ministerio de Desarrollo Europeo, por su trabajo investigativo e innovación tecnológica en tratamiento de aguas. Ha trabajado en diversos proyectos hídricos y de saneamiento ambiental para la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, la Secretaría Distrital de Ambiente, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación -ICONTEC- y la Pontificia Universidad Javeriana, entre otros. En el año 2011 fue el coordinador del primer proyecto en Colombia para la evaluación de alternativas para la recuperación de ríos urbanos. Como consultor independiente, cuenta con una importante experiencia en el diseño, control y tratamiento de aguas residuales industriales y de agua potable. Tiene una notable trayectoria como docente de pregrado y postgrado de diversas universidades públicas y privadas en Colombia y como profesor visitante de postgrado en la Escuela Universitaria Politécnica de la Universidad de Sevilla, España. Es autor de varios libros y artículos científicos en prestigiosas revistas nacionales e internacionales y autor y coautor de múltiples capítulos de libro en temas de gestión urbana, tecnología ambiental, tratamiento de agua y manejo de recursos naturales. Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera: Lozano-Rivas, W.A. (2012). Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.

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INTRODUCCIÓN GENERAL En la actualidad, más de 2600 millones de personas no tienen acceso a saneamiento básico en el mundo y 1200 millones carecen de abastecimiento de agua potable (Madrazgo, 2009). La carencia de una formación académica en las universidades de Latinoamérica que enfatice en la enseñanza de soluciones económicas, efectivas y con posibilidad de autoconstrucción, se constituye en un obstáculo para remediar estas graves deficiencias; las tecnologías convencionales enseñadas por los docentes resultan, en más de la mitad de los casos, inapropiadas y, además, inalcanzables, dadas las limitaciones financieras, técnicas y administrativas de los países pobres donde el déficit de estos servicios básicos es crítico y las necesidades en saneamiento crecen a un ritmo mucho mayor que sus recursos económicos (Lozano-Rivas, Gutiérrez de Piñeres, Hernández, Romero, & Sánchez, 2009). Lo anterior es, sin duda, una de las razones que impide avances visibles en materia de cobertura de servicios de agua y saneamiento, porque es de todos conocido que la mayor parte de estas carencias se concentran, especialmente, en comunidades con un bajo nivel de ingreso, las cuales son también las que muestran un crecimiento poblacional más elevado. Es sabido además que las mayores inversiones se realizan en las grandes ciudades, lo que deja a la deriva los pequeños conglomerados y las zonas rurales, incentivando la migración hacia los núcleos urbanos en busca de una mejor calidad de vida. El acelerado crecimiento de estas urbes, aunado a la llegada permanente de familias campesinas y de bajos recursos (muchas de ellas padeciendo el desplazamiento forzado) que intentan ubicarse en los barrios marginales y suburbanos, dificulta también una gestión efectiva en materia de saneamiento (Lozano-Rivas, 2009). Los fenómenos de conurbación, aunados al crecimiento de la industria, así como al advenimiento de nuevas tecnologías, sustancias químicas y productos, han incrementado ostensiblemente el aporte y el nivel contaminante de los vertidos líquidos, la mayoría sin ningún tipo de tratamiento, a los ecosistemas acuáticos. Esta realidad se recrudece al conocer que las cifras del que fuera, hace casi un lustro, Viceministro de Agua y Saneamiento Básico, señalaban que únicamente el 9% de las aguas residuales que se generan en el país, son tratadas y que, adicionalmente, se tiene un déficit de cerca de 900 depuradoras según Jairo Romero Rojas, profesor de la Escuela Colombiana de Ingenieros (Diario El Espectador, 2008). Así, el país necesita de profesionales que tengan los conocimientos básicos y los criterios esenciales, no sólo para seleccionar y diseñar las mejores opciones de tratamiento para aquellas industrias y poblaciones que todavía lanzan sus desechos líquidos a los cauces naturales que, casi siempre, son utilizados aguas abajo, como fuente de abastecimiento, con grave amenaza para la salud pública, sino también para optimizar y garantizar una 19

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adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lozano-Rivas, 2012). Por esta razón, este curso académico que estás iniciando ahora, tiene como objetivo principal, darte a conocer de forma sucinta, práctica y didáctica, los criterios fundamentales que te permitan el dimensionamiento de las unidades más frecuentemente usadas para la depuración de las aguas residuales en el ámbito urbano, rural e industrial. Es preciso reconocer que la ciencia de la depuración de las aguas servidas es un tema de mucha profundidad que abarca extensos conceptos de bioquímica, microbiología, cinética, matemática e hidráulica, además de los aspectos ambientales y sociales, por lo que de ninguna manera es posible abarcarla en un curso universitario. De la misma manera, como lo repetiré en varios ocasiones durante las lecciones, dimensionar tanques no presenta mayor dificultad pero, seleccionar los criterios de diseño y las alternativas para cada uno de los procesos y operaciones unitarias involucradas en el tratamiento del agua residual, sólo debe hacerse fundamentado en repetidos análisis y ensayos de laboratorio que permiten dilucidar la dinámica de las reacciones bioquímicas y fenómenos físicos y mecánicos que aseguran las eficiencias requeridas en cada caso y para cada tipo de agua en particular. El presente módulo se estructura en 3 unidades, 9 capítulos y 45 lecciones que pretenden brindar las herramientas que permitan afianzar conceptos formadores de criterio en la identificación de las necesidades de tratamiento, la selección de las mejores unidades, la propuesta de soluciones individuales y el diseño de la unidades involucradas en cada etapa de tratamiento para cada tipo de agua, así como para la optimización de sistemas de depuración existentes. En la Unidad 1 “Fundamentos y diseño de pretratamientos y tratamientos gruesos”, se encuentran temas relacionados con el origen y características de las aguas residuales, las consideraciones preliminares y los datos de partida necesarios para el diseño de depuradoras, con un repaso de los cálculos hidráulicos requeridos. De igual forma, se expone el diseño y funcionamiento de las unidades de pretratamiento y tratamiento primario en los esquemas convencionales de depuración. La Unidad 2 “Fundamentos y diseño de tratamientos finos”, hace énfasis en los conceptos esenciales del tratamiento biológico de las aguas residuales y en el diseño de las unidades de tratamiento secundario y terciario. De manera breve se tocarán temas de reúso de los efluentes de las depuradoras, llamados aguas residuales regeneradas. Por último, la Unidad 3 “Vertidos industriales y tratamientos alternativos” está dedicada a exponer el funcionamiento y los criterios para el diseño de unidades de depuración de residuos industriales líquidos, tratamientos en el sitio de origen, fundamentados en la geodepuración (muy empleada en las zonas rurales y pequeños conglomerados), así como también para las tecnologías blandas (o naturales), las cuales son usadas en casi el 50% de los sistemas de tratamiento 20

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de aguas residuales de Latinoamérica por su bajo costo y escasas demandas en operación y mantenimiento. Debe tenerse en cuenta que las fórmulas y coeficientes recomendados por un libro técnico o incluidos en las Normas o Reglamentos de diseño, no eximen al proyectista de aplicar su propio criterio si está debidamente sustentado en sus investigaciones, en su propia experiencia o en nuevos avances científicos. ¡Éxitos! El Autor.

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo.

UNIDAD 1 Nombre de la Unidad CAPÍTULO 1

FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS DATOS DE PARTIDA

Lección 1

Origen y características de las aguas residuales

Lección 2

Carga contaminante y habitantes equivalentes

Lección 3

Esquema de depuración

Lección 4

Consideraciones preliminares y criterios de selección

Lección 5

Cálculos hidráulicos

CAPÍTULO 2

PRETRATAMIENTO

Lección 6

Caudales de diseño y canal de entrada

Lección 7

Pozo de muy gruesos

Lección 8

Desbaste

Lección 9

Desarenador

Lección 10

Desarenador-Desengrasador

CAPÍTULO 3

TRATAMIENTO PRIMARIO

Lección 11

Fundamentos de la decantación primaria

Lección 12

Tamices

Lección 13

Decantador primario

Lección 14

Decantación asistida químicamente

Lección 15

Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios UNIDAD 2

Nombre de la Unidad CAPÍTULO 4

FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO 22

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Lección 16

Teoría de la aireación

Lección 17

Equipos aireadores

Lección 18

Teoría de la depuración biológica

Lección 19

Control del proceso biológico

Lección 20

Modelos de reactores y características

CAPÍTULO 5

TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO

Lección 21

Lodos activados

Lección 22

Filtro percolador

Lección 23

Sistemas anaerobios

Lección 24

Decantador secundario

Lección 25

Manejo de lodos secundarios

CAPÍTULO 6

TRATAMIENTO REGENERADAS

Lección 26

Justificación del tratamiento terciario

Lección 27

Desinfección

Lección 28

Nitrificación y desnitrificación

Lección 29

Eliminación de fósforo

Lección 30

Reúso de aguas residuales regeneradas

TERCIARIO

Y

REUSO

DE

AGUAS

RESIDUALES

UNIDAD 3 Nombre de la Unidad

VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS

CAPÍTULO 7

DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

Lección 31

Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales

Lección 32

Tanque de igualación

Lección 33

Neutralización

Lección 34

Flotación por aire disuelto 23

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Lección 35

Eliminación de contaminantes inorgánicos

CAPÍTULO 8

TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN

Lección 36

Principios de la geodepuración

Lección 37

Trampa de grasas

Lección 38

Tanques de decantación-digestión

Lección 39

Filtro anaerobio

Lección 40

Campo de infiltración

CAPÍTULO 9

TECNOLOGÍAS BLANDAS

Lección 41

Sistemas de Lagunaje (parte I)

Lección 42

Sistemas de Lagunaje (parte II)

Lección 43

Humedales artificiales

Lección 44

Filtros verdes

Lección 45

Filtros intermitentes

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UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA La formulación de un “Plan de Depuración”, podría resumirse en los siguientes puntos: 1. Caracterización  Origen y naturaleza de las aguas residuales  Estado de las redes de alcantarillado  Localización y características de los puntos de vertido  Dinámica de contaminación de los cauces fluviales receptores de los vertidos 2. Diagnóstico ambiental  Evaluación de Impacto Ambiental 3. Establecimiento de objetivos de calidad  Planteamiento de metas alcanzables y necesarias 4. Propuesta y estudio de las soluciones técnicas  Comparación técnica y económica (incluye planes de financiación y costos de mantenimiento y operación) 5. Selección de la mejor combinación de procesos y conveniencia tecnológica 6. Aspectos institucionales y operativos (sostenibilidad técnica y financiera) En este esquema básico de trabajo, se hace necesario conocer con certeza el agua residual que será depurada, la concentración de la materia orgánica que debe ser eliminada, su caudal, su carga contaminante y su equivalencia en el número de habitantes, entre otros. Estos datos de partida permiten efectuar una selección acertada de las unidades y de los criterios de diseño que deben emplearse para alcanzar las eficiencias requeridas por la normativa vigente. En este capítulo se presentarán los datos de partida más relevantes para establecer, estructurar, definir y trazar el planteamiento del “Plan de Depuración”, que son aplicables a las descargas líquidas de poblaciones, urbes e industrias.

Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales Actualmente, la humanidad -en todos los niveles- viene mostrando creciente preocupación por la conservación del entorno. Algunos mercados europeos han bloqueado su dinámica transaccional a muchas industrias contaminadoras, obligándolas a adoptar estrategias o políticas de producción más limpia (PML), buenas prácticas de 25

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manufactura (BPM) y mejores tecnologías disponibles (BTA, por sus siglas en inglés), entre otras medidas enmarcadas en Planes de Mejoramiento Continuo y de Responsabilidad Socioambiental Empresarial. 1.1. Contaminación hídrica Desafortunadamente, las aguas residuales (al igual que los residuos sólidos) son un producto inevitable de la actividad humana. En la antigüedad, diferentes civilizaciones (desarrolladas por obvias razones en las riberas de ríos y lagos) hicieron uso de la capacidad de asimilación o autodepuración del agua, pero con descargas tan pequeñas que sus vertidos no presentaban mayor problema. No obstante, la densificación actual de las ciudades y el crecimiento poblacional e industrial, entre otros aspectos, ha ocasionado que esta capacidad limitada de autopurificación de los cuerpos hídricos haya sido excedida. Por esta razón, se hace necesario “asistir” a la naturaleza mediante la instalación de depuradoras y unidades de tratamiento de las aguas servidas. Todos los cuerpos de agua poseen una capacidad natural y LIMITADA de dilución y “autopurificación” de los elementos que incorpora, conocida como Capacidad de Asimilación o Capacidad de Carga (Lozano-Rivas, 2012). Se considera como contaminación hídrica, la presencia de formas de energía, elementos, compuestos (orgánicos o inorgánicos) que disueltos, dispersos o suspendidos alcanzan una concentración tal, que limita cualquiera de los otros usos del agua (consumo humano, uso agrícola, pecuario, industrial, recreativo, estético, conservación de flora y fauna, etc.). Esta definición deja en evidencia que el uso del agua depende, de manera ineludible, a sus características físicas, químicas, microbiológicas y organolépticas que definen su calidad en función del uso establecido por una normativa. Las aguas residuales son aquellas aguas de desecho que contienen una gran cantidad de sustancias contaminantes y que han sido empleadas en alguna actividad humana sea doméstica, industrial, pecuaria, agrícola o recreativa. 1.2. Origen de las aguas residuales Las aguas residuales, entonces, tienen diversos orígenes (e.g. doméstico, industrial, pecuario, agrícola, recreativo) que determinan sus disímiles características. Las aguas residuales pueden clasificarse de la siguiente manera: 

Agua Residual Doméstica (ARD): residuos líquidos de viviendas, zonas residenciales, establecimientos comerciales o institucionales. Estas, además, se pueden subdividir en: 26

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 

o Aguas Negras: aguas que transportan heces y orina, provenientes del inodoro. o Aguas Grises: aguas jabonosas que pueden contener grasas también, provenientes de la ducha, tina, lavamanos, lavaplatos, lavadero y lavadora. Agua Residual Municipal o Urbana (ARU): residuos líquidos de un conglomerado urbano; incluye actividades domésticas e industriales y son transportadas por una red de alcantarillado. Agua Residual Industrial (ARI): residuos líquidos provenientes de procesos productivos industriales, que incluso pueden tener origen agrícola o pecuario.

1.3. Características fisicoquímicas de las aguas residuales Una cuidadosa y completa caracterización de las aguas residuales que pretenden ser tratadas, es fundamental para asegurar el éxito de la depuradora. El fracaso de la mayor parte de las depuradoras (al menos las conocidas por este autor) incluyendo la PTAR de una de las ciudades más importantes del país, obedece a una mala caracterización de las aguas, ya que impide seleccionar correctamente los tratamientos y aplicar criterios adecuados para el diseño. Materia orgánica: es la fracción más relevante de los elementos contaminantes en las aguas residuales domésticas y municipales debido a que es la causante del agotamiento de oxígeno de los cuerpos de agua. Está formada principalmente por CHONS (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre) constituyendo las proteínas (restos de origen animal y vegetal), los carbohidratos (restos de origen vegetal), los aceites y grasas (residuos de cocina e industria) y los surfactantes (detergentes). Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica Tipo de descomposición Tipo de materia orgánica Aeróbica Anaeróbica Nitratos (NO3=), anhídrido Mercaptanos, indoles, escatol, Nitrogenada carbónico (CO2), agua (H2O), ácido sulfhídrico (H2S), sulfatos (SO4=) cadaverina y putrescina. Anhídrido carbónico (CO2), gas Anhídrido carbónico (CO2), agua Carbonácea metano (CH4), gas hidrógeno (H2O) (H2), ácidos, alcoholes y otros.

Oxígeno disuelto: Es un parámetro fundamental en los ecosistemas acuáticos y su valor debería estar por encima de los 4 mg/L para asegurar la sobrevivencia de la mayor parte de los organismos superiores. Se usa como indicador de la contaminación o, por decirlo así, de la salud de los cuerpos hídricos. Para el correcto funcionamiento de los tratamientos aerobios de las aguas residuales, es necesario asegurar una concentración mínima de 1 mg/L. 27

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Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que hacen los microorganismos para degradar los compuestos biodegradables. Se evalúa analíticamente incubando una muestra con microorganismos por 5 días a 20 °C, tiempo después del cual se lee la concentración final de oxígeno y se compara con la inicial; esta prueba es conocida como DBO5 o DBO estándar1. También se hacen, eventualmente, pruebas a 7 días (DBO 7) y a 20 días (DBO última - DBOu o total – DBOt). Para las aguas residuales domésticas, se estima que: DBO5  0,75 DBOu Una curva característica de la DBO evidencia que a los 5 días se ha degradado cerca del 70% de la materia orgánica y que a partir del día 10 ésta curva se hace asintótica, como se muestra en la Ilustración 1.

Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996).

Demanda Química de Oxígeno (DQO): es también una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica contenida en una muestra. A diferencia de la DBO, esta prueba emplea un oxidante fuerte (dicromato de potasio – K2Cr2O7) en un medio ácido (ácido sulfúrico – H2SO4) en vez de microorganismos. Para el control de una depuradora, este método se prefiere sobre el de la DBO, debido a que el resultado de la DQO se obtiene en unas 3 horas y con un error mucho menor que la DBO obtenida a los 5 días.

Un error aceptable en la prueba de la DBO se estima que puede oscilar cerca de un 25% y podría alcanzar hasta un 35%. Esta considerable discrepancia pone en tela de juicio la conveniencia de su uso en el control de vertimientos y su empleo como argumento para ejecutar procesos sancionatorios. 1

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La relación entre la DQO y la DBO es usada para estimar la biodegradabilidad de un vertido así: DQO/DBO ≥ 5 (No biodegradable) DQO/DBO ≤ 1,7 (Muy biodegradable) Para un ARD, esta relación oscila entre 2,0 y 2,5. Tanto la DQO como la DBO se emplean para determinar la calidad del agua o la carga contaminante de un vertido, para diseñar las unidades de tratamiento biológico y para evaluar y/o controlar la eficiencia de los tratamientos. Para mayor claridad en los conceptos de DBO y DQO, se recomienda consultar el documento “Medida de la Contaminación Orgánica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento

Sólidos: La materia orgánica se presenta, a menudo, en forma de sólidos. Estos sólidos pueden ser suspendidos (SS), disueltos (SD), los que también pueden ser volátiles (SV), los cuales se presumen orgánicos, o fijos (SF) que suelen ser inorgánicos. Parte de los sólidos suspendidos pueden ser también sedimentables (SSed). Esta clasificación se muestra en la Ilustración 2. Todos ellos se determinan gravimétricamente (por peso).

Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008).

Potencial de hidrógeno (pH): tiene importancia en el control de los procesos biológicos del tratamiento de las aguas residuales (TAR). La mayoría de los microorganismos 29

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responsables de la depuración de las aguas residuales se desarrollan en un rango de pH óptimo entre 6,5 y 8,5 unidades. Nitrógeno: es el componente principal de las proteínas y es un nutriente esencial para las algas y bacterias que intervienen en la depuración del agua residual. Puede presentarse en forma de nitrógeno orgánico (presente en las proteínas), nitrógeno amoniacal2 (producto de la descomposición del nitrógeno orgánico)3 y formas oxidadas como nitritos y nitratos. Valores excesivamente altos de nitrógeno amoniacal (>1500 mg/L) se consideran inhibitorios para los microorganismos responsables del TAR. Fósforo: es, junto con el nitrógeno, un nutriente esencial para el crecimiento de los microorganismos. No obstante, valores elevados pueden causar problemas de hipereutrofización en los cuerpos de agua lóticos (e.g. lagos, embalses, lagunas). Las características típicas de las aguas residuales urbanas y otras industriales, pueden ser consultadas en este documento: Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura

1.4. Características microbiológicas de las aguas residuales Un vertido de aguas residuales aporta una gran cantidad de materia orgánica que sirve de alimento para hongos y bacterias encargados de la mayor parte de su descomposición. Finalmente, los protozoos ciliados se alimentan de las bacterias, puliendo u optimizando el tratamiento del agua. Bacterias: son los principales responsables de la degradación y estabilización de la materia orgánica contenida en las aguas residuales. Su crecimiento óptimo ocurre a pH entre 6,5, y 7,5. Algunas de las bacterias son patógenas, como la Escherichia coli, indicador de contaminación de origen fecal. Hongos: predominan en las aguas residuales de tipo industrial debido que resisten muy bien valores de pH bajos y la escasez de nutrientes. Protozoos: en especial los ciliados, se alimentan de bacterias y materia orgánica, mejorando la calidad microbiológica de los efluentes de las PTAR. Actinomicetos: son bacterias filamentosas conocidas por causar problemas en reactores de lodos activados, generando la aparición de espumas (foaming) y pérdida de sedimentabilidad del lodo, hinchamiento o bulking filamentoso, incrementando los sólidos Amoniaco (NH3) y amonio (NH4+). La suma del nitrógeno orgánico y el amoniacal es conocido como Nitrógeno Total Kjeldahl, por la prueba analítica con la que se determinan estas formas. 2 3

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del efluente y la disminución de la eficiencia del TAR. Uno de los actinomicetos más recurrente en los reactores es la Nocardia. Una revisión más profunda de la microbiología de las aguas residuales, puede ser consultada en el documento “Revisión mínima de la microbiología fundamental de las aguas residuales” de Lozano-Rivas (2012): Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura

Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes No es posible establecer con precisión unos valores “estándar” para las aguas residuales independientemente de su origen, sea doméstico, urbano o industrial. Los hábitos alimenticios, la calidad de vida o la pobreza, hacen variar las características fisicoquímicas y microbiológicas de los efluentes domésticos. En las ciudades, los vertidos de las actividades económicas e industriales hacen variar los parámetros; incluso, dos industrias de igual naturaleza que manejen un proceso productivo similar, pueden generar aguas servidas de características disímiles. 2.1. Carga contaminante Aunque la concentración de un parámetro específico nos dice mucho de las características contaminantes de un vertido, en el diseño de las unidades de tratamiento de las aguas residuales y aún en los procesos de control de la contaminación hídrica (aunque todavía no se use como criterio sancionatorio) es mucho más significativo el concepto de CARGA CONTAMINANTE, la cual involucra también la valoración del caudal vertido. Por ejemplo, la empresa “Anita” puede tener un vertido con una concentración de DQO aparentemente baja (e.g. 20 mg/L) pero descarga un caudal excesivamente alto (e.g. 400 L/s) en el río. De otro lado, la industria “Berta” puede descargar un caudal muy pequeño (e.g. 0,1 L/s) pero con unos niveles de concentración de DQO, significativamente altos (e.g. 80000 mg/L) al río. ¿Cuál empresa sería la más contaminante? Si juzgamos estos vertidos según la concentración de DQO, podríamos sostener que la empresa “Berta”, con 80000 mg/L de DQO es mucho más contaminante que “Anita” que vierte sólo 20 mg/L. Nada más falso. La contaminación de un vertido o la cantidad de materia orgánica aportada por un vertido, no sólo es función de su concentración medida en DQO (u otro parámetro análogo) sino también de su caudal, debido a que la inclusión de esta última variable, permite valorar dicho aporte en el tiempo. La CARGA CONTAMINANTE, entonces, es la concentración (del parámetro medido en la descarga) por el caudal vertido. Se expresa frecuentemente en kg/d y debe entenderse como una masa de contaminantes aportada en una unidad de tiempo. 31

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Carga Contaminante = Concentración * Caudal * 0,0864 Donde, Carga contaminante (en kg/d) Concentración (en mg/L) Caudal (en L/s) El valor 0,0864 es un factor de conversión para pasar de mg/s a kg/d, que se explica a continuación:

Si retomamos el ejemplo de las industrias “Anita” y “Berta”, tenemos que: Nombre de la industria Anita Berta

Concentración de DQO (mg/L) 20 80000

Caudal vertido (L/s) 400 0,1

Carga contaminante (kg/d) 20*400*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO) 80000*0,1*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO)

Como se puede apreciar, ambas industrias están aportando la misma cantidad de contaminación al río. Los parámetros más usados para estimar la carga contaminante a nivel mundial son: DBO5, DQO, SST (Sólidos Suspendidos Totales), N (Nitrógeno) y P (Fósforo). No obstante, de ser conveniente para un estudio específico, pueden emplearse otros parámetros distintos. En Colombia, los parámetros más usados son DBO 5 y SST. 2.2. Habitantes equivalentes De la misma forma, considerando que no existen dos industrias iguales y con el fin de ponderar la carga contaminante de un vertido industrial tomando como referente del aporte del mismo contaminante a nivel doméstico, se ha adoptado el concepto de HABITANTES-EQUIVALENTES4 (h-eq). Una vez se tenga estimada la carga contaminante del vertido industrial, el número de habitantes equivalentes se determina dividiendo la carga, por el aporte que hace un habitante, es decir, una persona, por día, para el mismo parámetro.

4

Conocido también como población equivalente (pob-eq).

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Habitantes equivalentes (h-eq) = Carga contaminante/Carga por persona Aunque en Colombia no se tiene oficializada una cifra del aporte diario de una persona para ninguno de los parámetros, algunos de estos valores, fundamentados en la normativa europea, se exponen en la Tabla 3. Parámetro DBO5 DQO SST N P

Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). Aporte de 1 habitante equivalente (h-eq) 60 g/d 135 g/d 90 g/d 10 g/d 4 g/d

Valores fundamentados en la Directiva 91/271/CEE (21 de mayo de 1991) de la Comunidad Europea y ajustados por el autor con base en estimaciones propias para Colombia y España.

Por ejemplo, la industria “Berta” (ver numeral 2.1.) que aporta una carga contaminante de 691,2 kg/d de DQO, tiene un número de habitantes equivalentes, considerando un aporte por habitante de 0,135 kg/d (135 g/d), de:

También suele emplearse algunas equivalencias con los desechos líquidos generados de la cría de algunos animales de granja y de lugares o edificaciones que prestan servicios especiales, tal como se muestra en las Tablas 4 y 5. Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría Animal Habitantes equivalentes (h-eq) 4 h-eq

3 h-eq

3 h-eq

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2,5 h-eq Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com

Lugar

Habitantes equivalentes (h-eq)

1 paciente de hospital = 4 h-eq

1 huésped de hotel = 2 h-eq

1 niño de guardería = 0,5 h-eq

1 campista = 0,7 h-eq

Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com

Pregunta de análisis: ¿por qué la gallina siendo un animal tan pequeño tiene una carga contaminante equivalente a la generada por 2,5 personas?

Lección 3. Esquema de depuración La depuración de las aguas residuales, a cualquier escala, tiene como objetivos principales la protección de la salud pública y la conservación de la calidad hidrobiológica de los ecosistemas acuáticos. El diseño de una depuradora dependerá, inicialmente, del origen (tipo) de agua a tratar, de las características fisicoquímicas del efluente y del cumplimiento de la legislación vigente. 34

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3.1. ¿Qué es una depuradora? Una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) o Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), es el conjunto de procesos y operaciones unitarias encaminadas a la depuración de las aguas residuales antes de su vertido al cuerpo receptor, mitigando el daño al medio acuático (Lozano-Rivas, Antecedentes y Definiciones Básicas Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en PDF), 2012). De esta manera, la depuración de las aguas residuales busca eliminar o disminuir la concentración de sustancias o elementos contaminantes que afectan la calidad del agua o fuente receptora para un uso específico. 3.2. Operaciones y procesos unitarios de una depuradora Debemos recordar que la diferencia entre operaciones unitarias y procesos unitarios radica en que las primeras (operaciones unitarias) hacen referencia a unidades y procedimientos en donde prevalecen mecanismos de tipo físico en las que no se presentan cambios a nivel químico (e.g. una rejilla de retención de sólidos, un desarenador) mientras que los procesos unitarios involucran reacciones químicas o bioquímicas y cambios a nivel molecular (e.g. una unidad de coagulación y floculación, un reactor biológico, una torre de adsorción, una cámara de desinfección). De esta manera, los contaminantes de las aguas residuales pueden ser eliminados o reducidos mediante la aplicación de uno o más fenómenos de tipo:   

Físico (operaciones unitarias de separación física) Químico (procesos unitarios de transformación química) Biológico (procesos unitarios de transformación bioquímica)

En los procesos unitarios de transformación bioquímica o reactores biológicos, la degradación, reducción o eliminación de contaminantes se consigue por la intervención de microorganismos que aprovechan la materia orgánica soluble e insoluble para alimentarse, generar nuevos compuestos, gases y energía, así como también para multiplicarse, generando nuevas células (síntesis celular). Estos procesos biológicos pueden dividirse en dos grandes grupos:  

Procesos Aerobios o En presencia del oxígeno libre generado por algas o alimentado por dispositivos mecánicos. Procesos Anaerobios 35

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o en ausencia de oxígeno libre Estos procesos y operaciones unitarias intervienen en diferentes etapas de la depuración de las aguas residuales. El esquema de depuración se representa en la Ilustración 3:

Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A.

Esta clasificación, mundialmente aceptada, corresponde al grado de depuración obtenida, como se muestra en la Tabla 5. Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales Etapa

Unidades más representativas

Objetivo

Pretratamiento

Remover sólidos gruesos para evitar atascos, abrasión y daños a tuberías, bombas, equipos y a otros elementos de la depuradora.

Tratamiento Primario

Remover la mayor parte de la materia orgánica suspendida decantable.

Tipo de fenómenos principales involucrados

Niveles de eficiencia

    

Pozo de gruesos Rejillas Desarenador Desengrasador Tanque de Igualación u homogenización (efluentes industriales, especialmente)  Tanque de neutralización (efluentes industriales, especialmente)  Decantadores primarios (por gravedad o asistidos

Físicos. Químicos (neutralización).

Físicos. Químicos (decantación

No se considera que se logren remociones significativas en DBO y SST.

DBO: hasta 50% (hasta 80% con decantación asistida)

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Tratamiento Secundario

Remover materia orgánica soluble y suspendida. Eliminar patógenos y otros elementos contaminantes.

químicamente)  DAF (unidades de flotación por aire disuelto. Usadas para efluentes industriales, especialmente)  Tamices (efluentes industriales, especialmente)  Reactores biológicos aerobios (e.g. lodos activados, filtros percoladores, biodiscos, humedales, lagunas)  Reactores biológicos anaerobios (e.g. UASB, RAP, EGSB)

asistida).

Biológicos.

SST: hasta 70% (hasta 85% con decantación asistida)

DBO: hasta un 92% SST: hasta un 90 %

Pulimento en la reducción de la  Coagulaciónmateria orgánica. floculación Eliminación de Eficiencias variables  Adsorción Químicos. contaminantes de remoción, Tratamiento Terciario  Intercambio iónico específicos (e.g. dependiendo del tipo Biológicos.  Filtración nitratos, patógenos, de contaminante  Lagunas metales, pesticidas,  Desinfección disruptores endocrinos). (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)

Adicional a la línea de aguas, en donde se emplean estas etapas para depurar los efluentes, se tienen la línea de manejo de gases y la de manejo de lodos. 3.3. Manejo de gases Algunas unidades de tratamiento pueden liberar olores molestos (especialmente las anaerobias), los cuales pueden ser tratados en biofiltros. Estas unidades constan de un lecho de soporte (compuesto frecuentemente de compost maduro o turba) sobre el cual se adhieren microorganismos que, mediante procesos oxidativos, degradan las sustancias que producen los malos olores. La aspersión permanente de agua sobre el lecho, facilita la fijación y degradación de los compuestos oloroso; las unidades que usan este sistema de aspersión, se conocen como biolavadores (biotrickling). Buena parte del éxito del proceso Foto 1. Biofiltro. Fuente: http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patp rocont/BiofiltroBoletin.jpg

depende del mantener unos niveles de humedad aceptables en el medio de soporte (50 a 60%). 37

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Los gases (biogás) producto de la descomposición anaerobia de los lodos o de la materia orgánica en reactores biológicos, pueden ser empleados como combustible para la generación de energía y para elevar las temperaturas de los digestores de lodos, con lo que se acelera el proceso de estabilización de los biosólidos. No obstante, en la mayoría de las depuradoras colombianas, este gas no se aprovecha y es quemado en unas estructuras diseñadas para este propósito, llamadas “quemadores”.

Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001.

3.4. Manejo de lodos La línea de lodos tiene como objetivo, tratar los subproductos sólidos (fangos) originados en la línea de agua de la depuradora. Estos lodos (llamados también biosólidos) deben ser reducidos en volumen para facilitar su manejo (Espesamiento), ser estabilizados para evitar fermentaciones y crecimiento de organismos patógenos (Digestión) y deshidratarse para conseguir una buena textura que facilite su manejo y transporte hacia su uso o disposición final (Deshidratación). Los biosólidos de una depuradora pueden usarse, siempre y cuando estén libres de patógenos, metales y otros elementos tóxicos y peligrosos, como acondicionadores de suelo en campañas de reforestación o recuperación de áreas degradadas. Por la experiencia del autor, esta condición sólo se da en lodos de depuradoras que manejen casi de forma exclusiva, aguas residuales domésticas. Cuando se mezclan efluentes de tipo industrial, como ocurre en la mayoría de depuradoras de aguas residuales municipales, esta condición rara vez se puede asegurar, razón por la cual son dispuestos en un relleno sanitario.

Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).

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Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección 4.1. ¿Por qué tratar las aguas residuales? Las razones que justifican el tratamiento del agua residual son distintas para cada sector de la sociedad, a saber (Balda R. , 2002): Razones para la industria:   

Recuperar productos. Mostrar una imagen amigable con el ambiente. Cumplimiento de estándares internacionales que garantizan participación en mercados.

Razones estatales:  

Protección de los recursos naturales. Protección de las redes de alcantarillado y del correcto funcionamiento de la PTAR municipal.

Razones sociales: 

Protección de la salud pública.

Entre los principales impactos negativos de las aguas servidas, se encuentran (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): a) b) c) d) e) f) g) h) i)

Restricciones de los usos múltiples del agua. Abatimiento del oxígeno disuelto en el agua. Muerte de peces. Olores ofensivos. Desequilibrios en la cadena trófica. Disminución de los procesos fotosintéticos. Aporte de organismos patógenos. Afectación de la calidad visible del agua y el paisaje. Hipereutrofización

4.2. Sustancias inhibidoras

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Antes del tratamiento secundario (biológico) es necesario verificar y controlar los niveles de algunas sustancias que interfieren con la actividad biológica en estos reactores y que, consecuentemente, afectarán las eficiencias de estas unidades. Los niveles máximos recomendados se exponen en la Tabla 6. Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). Compuesto Nivel máximo recomendado Productos alcalinizantes 10 ppm Productos ácidos 10 ppm Ácido nítrico 50 ppm Cloro libre 10 ppm Formaldehído 7 ppm Fosfatos 100 ppm Peróxido de hidrógeno 10 ppm Nitrógeno amoniacal 250 ppm

4.3. Caracterización mínima de las aguas residuales Una caracterización de aguas residuales, sean domésticas, urbanas o industriales, deben incluir la estimación de los siguientes parámetros, como mínimo:            

Caudal (incluyendo los caudales punta y mínimos). Temperatura pH Sólidos sedimentables DBO5 total y disuelta DQO total y disuelta Sólidos Totales (suspendidos y disueltos) Nitrógeno Total Kjeldahl – NTK Fosfatos Grasas y Aceites Sulfatos Presencia de agentes de limpieza (tipo, volumen empleado, frecuencia de uso)

4.4. Datos adicionales Adicional a una buena caracterización deben evaluarse también los siguientes aspectos que se exponen en la Tabla 7.

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Ciudades y Pueblos Industrias Proyección de la población Procesos industriales involucrados Materias primas o productos tóxicos que puedan presentarse en el efluente Actividades económicas principales, cuyos efluentes puedan influir en las características del agua Indicadores de producción (productos generados residual por la industria) Diagramas de flujo de proceso Eficiencias requeridas para los parámetros exigidos por la autoridad ambiental Caudales punta y su composición Área disponible para el sistema de tratamiento Dinero disponible para invertir en la depuradora

4.5. Otros criterios de selección La selección de las unidades a emplear en la depuradora, además de los aspectos mencionados anteriormente, dependerá también de:    

Ubicación Costos de inversión y operación Necesidad de personal (Cualificado y No Cualificado) comparado con la disponibilidad local. Otras consideraciones particulares, como: o Clima o Tamaño de la población servida o número de habitantes equivalentes o Nivel socioeconómico de los usuarios (sostenibilidad financiera) o Estabilidad geológica (sismología) o Dirección de los vientos o Consideraciones ambientales o Facilidades (y costos) para la disposición de subproductos o …

4.3. Cálculo de la población La estimación de la población futura es un parámetro fundamental para asegurar el correcto funcionamiento de una depuradora de aguas residuales domésticas o urbanas, hasta el final de su periodo de diseño. El periodo de diseño es el tiempo de vida útil de las estructuras, equipos e instalaciones de la depuradora en los que se cumple un punto de equilibrio entre la inversión inicial y el lucro efectivo (no cesante) de la misma. Como estos tiempos suelen ser distintos para cada elemento de la planta de tratamiento, se toma un periodo único de diseño entre 25 y 30 años, como base para el cálculo de la población futura. 41

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La estimación del comportamiento demográfico de una población es un aspecto complejo debido a que depende de factores fluctuantes como: economía, dinámicas sociales, desarrollo industrial, políticas públicas, turismo, etc. En poblaciones turísticas, además de la población fija, debe considerarse la población flotante (turistas que visitan el lugar en la temporada vacacional). Los métodos más usados para el cálculo de la población futura, son:     

Comparación gráfica de las poblaciones Método aritmético o lineal Método geométrico o exponencial Método logarítmico Método Pearl o curva logística

Para periodos de diseño de hasta 25 años, puede aplicarse el método más expedito sin incurrir en un error considerable. Una revisión más profunda de los métodos de cálculo de crecimiento poblacional, puede ser consultada en el documento “Tasas de Crecimiento Poblacional” de Torres-Degró (2012): Ir al documento

Lección 5. Cálculos hidráulicos 5.1. Línea piezométrica Aunque en algunos textos especializados se define a la línea piezométrica como la línea imaginaria que une los puntos hasta donde podría ascender el agua si se insertaran pequeños tubos verticales (piezómetros) en distintos puntos de una tubería o canal abierto, existe una leve imprecisión al asegurar que esta línea es imaginaria debido a que es perfectamente observable en un laboratorio.

Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobain-canalizacao.com.br

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En la Ilustración 5, la línea piezométrica (1) muestra la presión hidrostática disponible en cada punto de la tubería tendida entre el tanque elevado (punto A) y las viviendas ubicadas en la falda de la montaña mientras el agua se encuentra en movimiento (Línea Dinámica). La diferencia “H” entre la línea de presión dinámica para un caudal determinado y la línea de presión estática (la horizontal proyectada desde el nivel de agua del tanque elevado (punto A), se conoce como pérdida de carga o pérdida de presión para ese caudal. Esta gráfica sugiera que en la vivienda cuenta con un dispositivo de control (e.g. una válvula) a la salida. De lo contrario, el sistema consume toda la altura. Esta pérdida de carga o de presión, se produce por accidentes (singularidades) en la línea de conducción (e.g. cambios de dirección, estrechamientos, válvulas, orificios, accesorios) y por la fricción del fluido con las paredes de la tubería o del canal. En una depuradora, debe evitarse el uso excesivo de energía eléctrica y de los dispositivos que la emplean (e.g. bombas, aireadores mecánicos, sopladores), de manera que se privilegie el flujo del agua por gravedad. Para asegurar un transporte fluido y por gravedad de estas aguas, entre las unidades de tratamiento, deben estimarse las pérdidas de carga que se presentan en cada una de las interconexiones, verificando que las descargas se mantengan por debajo de la línea piezométrica para cada punto. Las cotas de línea piezométrica y de los niveles de agua en la depuradora, se expresan en metros sobre el nivel de mar (m.s.n.m.) y las pérdidas en metros columna de agua (m.c.a.). 5.2. Pérdida de carga en tuberías La expresión de Darcy-Weisbach para el cálculo de pérdidas, expresada en función de caudal:

Donde, hf f L D Q

pérdida de carga (m.c.a./m) coeficiente de fricción (adimensional) longitud de la tubería diámetro de la tubería (m) caudal (m3/s)

El coeficiente de fricción puede calcularse así:

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Donde, K Re

rugosidad absoluta número de Reynolds

El número de Reynolds se calcula así:

V



velocidad del fluido viscosidad cinemática (m2/s)

La rugosidad absoluta se puede obtener de la Tabla 8. Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales Material Rugosidad absoluta Polietileno 0,002 PVC 0,02 Aluminio 0,015 – 0,06 Acero galvanizado 0,07 – 0,15 Hormigón liso 0,3 – 0,8 Hormigón rugoso 3–9 Hormigón armado 2,5 Fibrocemento nuevo 0,05 – 0,10 Fibrocemento con años de servicio 0,60

Pueden emplearse otras expresiones como la fórmula de Hazen-Williams. 5.3. Pérdida de carga en canales Para la pérdida de carga en canales, se usa la expresión de Manning.

Donde, V Rh n S

velocidad del fluido (m/s) radio hidráulico (m) número de rugosidad de Manning pendiente o pérdida de carga (m/m) 44

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El radio hidráulico es el cociente entre el área de la sección y su perímetro mojado (A/P), el cual depende de la forma del canal. 5.4. Pérdida de carga en orificios Un orificio es una abertura sumergida en la pared de un tanque, depósito o estructuras similares. La pérdida en esta singularidad puede calcularse así:

Donde, caudal que pasa por el orificio (m3/s) constante (toma un valor medio de 0,62) área del orificio (m2) aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) pérdida de carga en el orificio (m.c.a.)

Q K A g h

5.5. Pérdida de carga en accidentes o singularidades La pérdida de carga de una singularidad (e.g. accesorio, dispositivo de control) puede calcularse con la siguiente expresión:

Donde, h K V g

pérdida de carga en la singularidad (m.c.a.) constante que depende de la singularidad velocidad del fluido (m/s) aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades. Singularidad K Contracción brusca 0,5 – 1,5 Expansión brusca 0,5 – 1,1 Codo 45° 0,15 – 0,19 Codo 90° 0,26 – 0,33 Válvula de compuerta 0,15 – 0,30 Válvula de retención 1,5 – 2,9 Compuerta de un canal abierto 0,2 – 0,3 Mayor información de los conceptos básicos de hidráulica pueden ser consultados en el siguiente documento: Ir al documento

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CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO Como se expuso anteriormente, el pretratamiento, aunque no se considera un tratamiento con el que se logre reducir la carga contaminante de los vertidos, si desempeña un papel fundamental en la medida en que elimina elementos que pueden causar descensos en la eficiencia del tratamiento y, quizá lo más importante, protege los equipos, partes y unidades de la depuradora de daños que pueden resultar funestos para el funcionamiento de la planta y del sistema de evacuación y transporte de aguas residuales, en general. Los objetivos principales de la etapa del pretratamiento, son: a) Eliminar material grueso. b) Eliminar arenas. La selección del tipo de dispositivos para la etapa de pretratamiento, dependerá de: a) Tipo de aguas residuales. b) Características del agua residual. c) Tipos de unidades que serán empleadas posteriormente. d) Nivel de operación de la depuradora. Este capítulo resume el cálculo de los caudales de diseño, el caudal de entrada y de los principales dispositivos empleados en el pretratamiento, como son: pozo de muy gruesos, rejillas (o desbaste), desarenador y desarenador aireado, conocido también como desarenador-desengrasador.

Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de: http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Pretratamiento

Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada El flujo de aguas residuales domésticas y urbanas, dependerá especialmente de: 

Número de habitantes 46

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    

Consumo de agua potable (dotación) Coeficiente de retorno (usualmente entre 0,70 y 0,85). Caudales de infiltración Conexiones erradas Aportes institucionales, comerciales e industriales

El caudal medio diario (L/s) aportado a un sistema de tratamiento será:

Donde, Qmd caudal medio diario de aguas residuales (L/s) Qdom aporte de aguas residuales de origen doméstico (L/s) Qind aporte de aguas residuales de origen industrial (L/s) Qcom aporte de aguas residuales de origen comercial (L/s) Qins aporte de aguas residuales de origen institucional (L/s) 6.1. Aporte doméstico El caudal doméstico corresponde únicamente al aporte de aguas residuales derivado de las actividades humanas (vida hogareña) en las zonas residenciales. Se calcula a partir del consumo de agua potable por persona (dotación) 5, considerando que ésta -en su mayor porcentaje- es retornada al alcantarillado (entre un 70 y 85%, que corresponde al coeficiente de retorno sanitario) y el número de habitantes. El coeficiente de retorno es la fracción porcentual del consumo total de agua potable que es usada en el hogar (e.g. descarga de sanitarios, ducha, lavado de manos) y que se transforma en agua residual. Este valor se estima entre el 70 y el 85%, con lo cual, los coeficientes de retorno sanitario se encuentran entre 0,70 y 0,85. El caudal doméstico se puede calcular así:

Donde, Qdom d P 5

corresponde al aporte de aguas residuales de las actividades domésticas (L/s). dotación o cantidad de agua potable consumida por habitante y por día (L/hab*d). número de habitantes proyectado para el periodo de diseño asignado.

La dotación en Colombia se estima que oscila entre 90 a 130 L/hab*d.

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CR

coeficiente de retorno sanitario (entre 0,70 y 0,85, pero usualmente corresponde se utiliza 0,80). Dotación Doméstica (L/hab*d) Industrial (m3/mes)

Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. Bogotá D.C. Medellín Manizales

Pereira

126

150

124

160

587

203

319

279

Valores de la Contraloría General de la República, 2000. Tomados de: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion4/capitulo05/04_05_01.htm

6.2. Aporte industrial Pueden estimarse unos valores de aporte de aguas residuales industriales de entre 0,4 a 1,5 L/s por hectárea de suelo de uso industrial, dependiendo del nivel de industrialización de la población (mayores valores para ciudades con mayores industrias). 6.3. Aporte comercial e institucional Puede adoptarse un valor de 0,5 L/s por hectárea de suelos de uso comercial e institucional. 6.4. Aportes adicionales Las conexiones erradas (drenajes de aguas lluvias conectados a la red sanitaria en zonas donde hay alcantarillado separado), pueden sumar al flujo de aguas residuales, unos 0,2 L/s*ha. De igual manera, en época de invierno, si se tiene una red de alcantarillado unitario (llamado también “combinado”), el aporte de aguas lluvias puede estimarse en unos 2 L/s*ha. 6.5. Caudales de diseño Una vez se haya estimado el caudal medio diario “Qmd” con la suma de los aportes de aguas a la red de alcantarillado, deben estimarse el caudal mínimo y el caudal punta que puede llegar, en un momento determinado, al sistema de depuración. Las oscilaciones abruptas de caudal pueden causar disminución en la eficiencia del tratamiento y fallas a nivel hidráulico en las unidades. Por esta razón, debe preverse y evaluarse el funcionamiento de cada unidad y componente de la depuradora con cada uno de estos caudales (mínimo, medio y punta). 48

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La estimación de los caudales mínimo, medio y punta, de aguas residuales, deberá estar apoyada únicamente en mediciones in situ. Jamás deberán tomarse supuestos, expresiones empíricas y otras formulaciones matemáticas como valores de diseño. Algunas expresiones para la estimación de los caudales de diseño se presentan en la Tabla 11. Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) Tamaño de la población Caudal mínimo “Qmin” Caudal punta “Qp” Pequeña (60.000 h-eq) Cualquier tamaño de población

Pregunta de análisis: ¿por qué el caudal punta de una población pequeña puede ser hasta cinco veces el valor del caudal medio diario y para una población mucho más grande es sólo del doble de su valor? En algunas ocasiones, suele hablarse también del caudal máximo horario “QMH”. No obstante, este concepto es equivalente al del caudal punta para el caso de los sistemas de depuración de aguas residuales, ya que como lo demostró Lozano-Rivas (2007), los hidrogramas de las aguas residuales al interior de las redes de alcantarillado, sufren una atenuación de su caudal punta, descrito por los modelos que rigen el comportamiento del tránsito de dicho hidrograma (Lozano-Rivas, Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado, 2007). 6.6. Canal de entrada a la depuradora La entrada de aguas residuales a la depuradora, generalmente se hace mediante un canal de sección rectangular. Dependiendo de las condiciones topográficas, este canal se proyectará antes del pozo de muy gruesos o después de este, siempre anterior a la unidad de desbaste. Este canal que se diseña con la fórmula de Manning, deberá tener un ancho y profundidad mínimo, con un área vertical útil, mayor o igual a las dimensiones del colector de aguas residuales que conduce el caudal a la depuradora. Los criterios básicos de diseño se exponen en la Tabla 12. 49

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Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Altura mínima de lámina de agua 0,3 m (a caudal medio) Velocidad de flujo en el canal 0,6 a 1,0 m/s (a caudal medio) Borde libre (por encima del caudal punta al final del 0,3 a 0,4 m periodo de diseño) Coeficiente de rugosidad de Manning 0,014 (independientemente del material de construcción)

Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas.

Ejemplo 6.1. Dimensionar un canal de entrada a una depuradora con un caudal medio diario de 69 L/s y una velocidad de flujo de 0,6 m/s. El colector de alcantarillado es de 12 pulgadas, con una pendiente del 1,5%. Solución: Siendo el colector de alcantarillado de 12 pulgadas y un área transversal de 0,073 m2, el canal deberá proyectarse con un área útil igual o mayor que esta. El área mojada del canal está dada por su ancho y dos veces su altura. Asumiendo un canal de sección cuadrada:

Esta área mojada es mayor a la del colector de alcantarillado. Asumiendo una sección cuadrada, el canal tendrá unas dimensiones de 0,34 m de ancho y 0,34 m de altura útil (lámina de agua). 50

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La pendiente requerida para el canal, en estas condiciones, se determina con la fórmula de Manning:

Despejando la pendiente “S”:

Lección 7. Pozo de muy gruesos Se diseña especialmente para aguas residuales urbanas en donde se espera el arrastre de una gran cantidad de arenas y sólidos de gran tamaño que viajan por el alcantarillado (e.g. juguetes, pedazos de madera, trapos, muebles). Su fondo suele ser troncopiramidal invertido (en forma de tolva) para evitar la acumulación de sólidos en las paredes laterales y facilitar la extracción del material retenido, mediante el accionar de una cuchara bivalva anfibia, operada por un motor electrohidráulico. Los sólidos se extraen periódicamente, se dejan escurrir y se depositan en contenedores. Este material es incinerado o dispuesto, posteriormente, en un relleno sanitario.

Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/1.entrada.gif

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Los criterios de diseño para el pozo de muy gruesos, se exponen en la Tabla 13. Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o Rango 3 2 Carga superficial (m /m *h) 2 Velocidad de paso (m/s) 0,50 a 0,65 (a caudal punta) Inclinación de las paredes >70°

Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obrallegada/17.jpg

La carga superficial puede ser entendida como la cantidad de caudal (m 3/h) de aguas residuales que es tratada por cada unidad de superficie (m 2) del tanque o reactor. Sus unidades son “m3/m2*h”, lo que es igual a “m/h” y por ello se comporta de manera análoga a una velocidad de tratamiento. Ejemplo 7.1. Dimensionar un pozo de muy gruesos para un caudal punta de aguas residuales de 690 L/s, una carga superficial de 270 m/h, un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 60 s y una velocidad de paso de 0,50 m/s. 52

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Aclaración: Para todos las fórmulas y ecuaciones contenidas en este módulo, con el fin de evitar confusiones en la manera de expresar matemáticamente los conceptos de “Volumen” y “Velocidad”, se emplearán las letras “ ” para volumen y “V” para velocidad.

Solución: Con el tiempo de retención hidráulico, se estima el volumen del pozo:

El área superficial del pozo se determina con la carga superficial (270 m/h):

Se verifica que el calado (profundidad) del pozo esté acorde con el mínimo establecido:

Esta profundidad es mayor a la recomendada (>2 m), por lo tanto se acepta. Se proyectarán las paredes con una inclinación superior a los 70° respecto de la horizontal. Un video de una prueba de una cuchara bivalva anfibia de un pozo de gruesos, se puede apreciar abriendo este hipervínculo.

Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esquema_muygruesos.png

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Lección 8. Desbaste Los elementos flotantes como plásticos, trozos de madera y ramas, entre otros, deben ser retirados en el desbaste. Esta unidad no es prescindible en ninguna depuradora y es independiente de la existencia o no, del pozo de muy gruesos. El desbaste se conoce también como cribado y se hace, de manera frecuente, mediante la instalación de rejillas metálicas de diferentes características de diseño y operación, dependiendo del tipo de agua a tratar.

Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/2.desbaste.gif

8.1. Clasificación de las rejillas de desbaste Las rejas pueden clasificarse según:  



Su limpieza o Manual o Mecánica Su separación entre barrotes o Fina: entre 0,5 y 1,5 cm de separación o Media: entre 1,5 y 5,0 cm de separación o Gruesa: mayor a 5,0 cm de separación Su inclinación o Verticales: a 90° respecto de la horizontal o Inclinadas: entre 60 y 80° respecto de la horizontal

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El tamaño de los barrotes usados en las rejillas, dependerá del tamaño de los materiales que se pretende retener, con el fin de que sean lo suficientemente fuertes para que no se deformen. Para rejillas gruesas se usan barrotes de entre ½ y 1 pulgada (1,3 a 2,5 cm) de diámetro (o de ancho) y para las finas, de entre ¼ y ½ pulgada (0,6 a 1,3 cm). 8.2. Rejillas de limpieza manual Se instalan en depuradoras pequeñas y son inclinadas (usualmente a 60° respecto de la horizontal) para facilitar las labores de limpieza del operario, quien retira los sólidos retenidos en la rejilla con ayuda de un rastrillo u otra herramienta similar dentada y los dispone temporalmente en una lámina perforada o canastilla, conocida como depósito escurridor, para eliminar el agua. Posteriormente, estos desechos se llevan a incineración o a un relleno sanitario.

Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas.

Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9e770a877a3fbf5149553f1525633a7d

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8.3. Rejillas de limpieza mecánica Llamadas también rejillas de limpieza automática; éstas suelen instalarse en depuradoras grandes cuyos grandes caudales arrastran ingentes cantidades de materiales gruesos de forma permanente, que no podrían ser evacuados manualmente. Estas rejillas suelen ser verticales, con inclinaciones que varían entre los 80 y 90° respecto de la horizontal. Los mecanismos de limpieza son variables dependiendo del fabricante; los más usuales son los de barras dentadas o los de peines giratorios.

Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/Producto-Reja-de-desbaste-37170.html

Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSESSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 Un video de cribas mecánicas, puede apreciarse abriendo este hipervínculo.

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8.4. Diseño del desbaste Los criterios de diseño de las rejillas se fundamentan en las velocidades de paso del flujo de aguas residuales, a través de ellas. Esta velocidad no debe ser tan baja que promueva la sedimentación de sólidos en el canal ni tan alta que genere arrastre de sólidos ya retenidos por los barrotes de la reja. Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Velocidad mínima de paso 0,6 m/s (a caudal medio) Velocidad máxima de paso 1,4 m/s (a caudal punta) Grado de colmatación estimado entre intervalos de 30% limpieza Pérdida de carga máxima admisible 15 cm (a caudal medio)

Una vez se tengan definidas las dimensiones del canal de desbaste, el área del canal en la zona de la rejilla se puede calcular con la siguiente expresión:

Donde, AR Bc L b G

área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) ancho del canal (m) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m) grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%)

Debido a que los barrotes restan área útil del canal, incrementando la velocidad del flujo entre la rejilla, se hace necesario, en ocasiones, incrementar el ancho del canal en la zona donde está ubicada la criba o aumentar la profundidad (Ilustración 11).

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Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999)

Para estimar el ancho o la profundidad en la zona de la rejilla, se puede emplear la siguiente expresión:

Donde, P Q Vp

profundidad en la zona de rejillas (m) caudal de aguas residuales (m3/s) velocidad de paso entre la rejilla (m/s)

La pérdida de carga generada por la rejilla (diferencia de altura de la lámina de agua antes y después del paso por la rejilla se puede calcular con esta expresión propuesta por Lozano-Rivas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):

Donde,

H Vp

pérdida de carga generada por la rejilla (m) velocidad de paso del agua a través de la rejilla (m/s) 58

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El número de barrotes se puede calcular con la siguiente expresión:

Donde, N BR L b

número de barrotes ancho del canal en la zona de rejilla (m) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m)

Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) Tipo de rejilla Cantidad de sólidos retenidos Fina 5 a 12 mL/d*hab Gruesa 12 a 25 mL/d*hab

Ejemplo 8.1. Calcular el tamaño de una rejilla fina, de limpieza manual, para el canal de entrada y el caudal del ejemplo 6.1. (Qmd = 69 L/s. Vcanal = 0,6 m/s. Dimensiones del canal: 0,34 x 0,34 m y un borde libre de 0,35 m). La criba tendrá barrotes de 0,6 cm de ancho y 1,2 cm de separación; con una velocidad de paso en la rejilla de 0,8 m/s. Solución: Se calcula la sección o área útil del canal en la zona de la rejilla, así:

La profundidad en la zona de rejilla, manteniendo el mismo ancho del canal en la zona de rejilla, será:

La pérdida de carga generada por la rejilla, empleando la expresión de Lozano-Rivas, será: 59

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Esta es una pérdida de carga aceptable. El número de barrotes será:

Lección 9. Desarenador En el desarenador, como lo indica su nombre, se remueven las partículas de arena y similares, que tienen un peso específico de cercano a 2,65 g/cm 3 y tamaños superiores a los 0,15 mm de diámetro (e.g. cáscaras, semillas). Este tipo de partículas presentes, especialmente, en las aguas residuales urbanas y muy rara vez en las de tipo industrial, causan abrasión y daños en las tuberías y en otros equipos de la depuradora. Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de pretratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la sedimentación de las partículas discretas, pero no lo suficiente para que se presente asentamiento de la materia orgánica. Su diseño está soportado, entonces, en las velocidades de sedimentación de las partículas que quieren removerse, las cuales son explicadas mediante las fórmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y Allen (régimen transitorio). Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010) Diámetro de partícula Velocidad de sedimentación 0,15 mm 40 a 50 m/h 0,20 mm 65 a 75 m/h 0,25 mm 85 a 95 m/h 0,30 mm 105 a 120 m/h

El contenido de materia orgánica en las arenas extraídas está, usualmente, entre el 3 y el 5%.

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Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada de: http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/

Los valores expuestos como criterios de diseño son valores guía que nunca se podrán constituir en “camisa de fuerza” para llevar a cabo los cálculos de las unidades. Los desarenadores se diseñan con el caudal punta; los criterios para su cálculo se presentan en la Tabla 17. Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Carga superficial 40 a 70 m3/m2*h (a caudal punta) Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 100 a 300 s (a caudal punta) Más frecuentemente = 180 s Velocidad horizontal 0,20 a 0,40 m/s (a caudal punta) Longitud 10 a 30 veces la altura de la lámina de agua Altura mínima de la unidad 1,0 m Altura máxima de la unidad 2,5 m

La cantidad de arena removida por estas unidades oscila entre 5 y 40 mL por m 3 de agua residual tratada para alcantarillados sanitarios, con valores típicos cercanos a los 20 mL/m3. Si la red es combinada, estos valores podrían ascender en épocas de invierno, a 200 mL/m3.

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Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura sin el debido sustento. Para el caso del diseño de un desarenador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad en una columna de sedimentación. Ejemplo 9.1. Determinar las características de una unidad compuesta por dos canales desarenadores que tratan un caudal punta de aguas residuales de 690 L/s. Se asume una carga superficial de 40 m/h. Solución: Al ser dos canales de desarenado, cada uno tratará la mitad del caudal que ingresa a la depuradora (345 L/s). Operando la carga superficial como una velocidad, el área de cada canal es:

Considerando que se trata un caudal mediano, la altura o profundidad efectiva “P” de la unidad se establecerá en 1,2 m. El volumen efectivo de cada canal de desarenado es:

Para este volumen, se verifica el tiempo de retención hidráulica “TRH”:

Para una velocidad horizontal “VH” de 0,30 m/s, se calcula, también, el área transversal “AT” de cada desarenador, así:

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Para una altura o profundidad efectiva “P” de 1,2 m, el ancho de cada canal será:

De manera que el largo “L” del canal será:

Esta longitud equivale a 27 veces la profundidad efectiva del desarenador o de la altura de la lámina de agua. Este valor se encuentra entre el rango recomendado (10 a 30).

Lección 10. Desarenador-Desengrasador El desarenador-desengrasador es una variante del desarenador convencional, empleado en grandes instalaciones depuradoras. En este tipo de canales aireados además de remover las arenas y otras partículas de peso específico similar, se retirarán también grasas, aceites, espumas y otro material flotante que pueden causar interferencia en los tratamientos posteriores y que, incluso, (como en el caso de las grasas) podrían promover la aparición organismos filamentosos causantes del bulking en los reactores biológicos. Este tipo de unidades tienen básicamente tres zonas diferenciadas, además de las de entrada y salida:   

Zona de desengrasado Zona de desarenado Zona de extracción de arenas

En la zona de desengrasado, un bafle disipa la energía generada por los difusores aireadores, permitiendo el ascenso, sin turbulencias, de grasas desemulsionadas, aceites y otros flotantes adheridos a las microburbujas de aire producidas por los difusores. Un dispositivo desnatador, montado sobre un puente grúa, se desplaza permanentemente por esta zona retirando los flotantes que se van acumulando. El fondo inclinado de esta zona (45° de pendiente) permite también que las arenas afectadas por la turbulencia de la aireación, rueden libres hasta el fondo de la unidad en donde se encuentra la zona de extracción de arenas.

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Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradorasgeneran-679-toneladas-de-fangos/

Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Grift-chamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor.

En la zona de desarenado, se ubica también el suministro de aire a través de unos difusores de poro fino, los cuales se ubican a profundidad, en la pared opuesta a la zona de desengrasado. Estos difusores provocan un movimiento de tipo helicoidal al interior de la unidad y el aire insuflado reduce los olores y ayuda en la limpieza de las arenas 64

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extraídas. Así mismo, en el fondo de esta zona, se encuentra el tubo extractor de arenas, el cual está montado sobre un puente grúa que se desplaza lentamente por toda la longitud del canal, succionando el material decantado. Los materiales extraídos, tanto flotantes como arenas, son llevados temporalmente a un contenedor para ser luego incinerados o dispuestos en un relleno sanitario. Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse, a la ligera, valores de rangos dados por una normativa o por la literatura. Para el caso del diseño de un desarenadordesengrasador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad y de flotación inducida en columnas diseñadas para este fin.

Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo). En la izquierda está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg

Los criterios de diseño del desarenador-desengrasador se aprecian en la Tabla 18. Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Carga superficial < 40 m3/m2*h (a caudal punta)

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) Caudal tratado por unidad Velocidad horizontal Relación Longitud/Ancho Profundidad Relación Profundidad/Ancho Longitud Ancho Suministro de aire Profundidad de los difusores

12 a 16 min (a caudal medio) 0,2 a 0,4 m3/s (a caudal medio) 0,02 a 0,07 m/s (a caudal punta) 3/1 a 10/1 2a5m 1/1 a 3/1 7,5 a 25 m 3a8m 0,5 a 2,0 m3/h*m3 de tanque 0,5 a 0,9 m respecto del fondo del tanque

Ejemplo 10.1. Diseñar unos canales desarenadores-desengrasadores para un caudal medio de 1,0 m 3/s y un caudal punta de 2,2 m3/s. Solución: Para este caudal, se proyectarán 4 canales de desarenado-desengrasado. Cada uno tratará 0,25 m3/s de agua residual, a caudal medio. Aclaración: Para este tipo de unidades, se calculan las dimensiones del canal de desarenado. La zona de desengrasado se adiciona considerando un ancho igual a 1/3 del ancho de la zona de desarenado y una profundidad, antes del inicio de la inclinación a 45°, de 1/3 de la altura de la zona de desarenado (Lozano-Rivas, 2012).

Se calcula el volumen requerido por cada unidad, tomando un tiempo de retención de 15 minutos.

Se tomará como valor de carga superficial, 35 m/h para el caudal punta. Con este valor, se estima el área superficial:

El área transversal de la unidad se calcula estimando una velocidad horizontal de flujo de 0,05 m/s trabajando con el caudal punta.

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La longitud del canal, será:

La profundidad útil del canal, será:

El ancho de la unidad de desarenado, será:

Así, la relación Longitud/Ancho es de 7,4/1 y la relación Profundidad/Ancho es 1,44, que está dentro de los límites recomendados. Adicionando un tercio más del ancho de la zona de desarenado para proyectar la zona de desengrasado, la cual estará separada por una pantalla, el ancho total de la unidad será:

El suministro de aire, asumiendo un valor de 1 m 3/h*m3 de tanque, será de:

Mayor información sobre el pretratamiento y sobre medidores de caudal, puede ser consultada en el documento del Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo de España: Ir al documento También en la documentación de Dègremont: Ir al documento

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CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO Esta etapa tiene como objetivo eliminar, por efecto de la gravedad, los sólidos suspendidos de las aguas residuales; se logra bien sea de manera libre, o asistida con químicos que aglomeran las partículas (floculantes) para que ganen peso y decanten con mayor velocidad. Estos sólidos suspendidos eliminados son, en su mayoría, materia orgánica, por lo cual se presenta una reducción importante en la concentración de DBO del efluente. Las operaciones unitarias más frecuentemente empleadas para el tratamiento primario de las aguas residuales urbanas, son:   

Decantadores. Tamices (usados, generalmente, para aguas residuales industriales). Unidades de decantación asistida químicamente.

Paras las aguas residuales industriales, suelen emplearse también unidades de flotación, que se tratarán en detalle en la Lección 34.

Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria Algunas partículas presentes en las aguas residuales, por su baja densidad y poco tamaño, no alcanzan a ser removidas en el tratamiento primario. La mayor parte de estas partículas (50 a 70%) corresponden a materia orgánica en suspensión, que debe ser eliminada en tanques con velocidades muy bajas, tiempos largos de retención y flujos laminares que permitan la decantación de estas partículas por efecto de la gravedad. 11.1. Tipos de sedimentación La sedimentación se presenta de diferentes maneras dependiendo de la temperatura, del tipo de partículas presentes, de su concentración en el agua, del tipo de sedimentador y de la zona de la unidad en donde ocurre ese fenómeno (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Estos tipos de sedimentación pueden apreciarse en la Tabla 19. Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Características de los Características de la Tipos de unidades de Tipo de Sedimentación sólidos sedimentación tratamiento I Partículas discretas y Cada partícula Desarenadores, dársenas De partículas discretas aisladas en soluciones sedimenta de forma de sedimentación o

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II De partículas floculentas

Partículas (coloides) floculentas o aglomerables

III Zonal o interferida

Suspensiones de sólidos aglomerables de concentración intermedia

IV Por compresión

Suspensiones de alta concentración

independiente sin interacción entre ellas ni con el fluido que las contiene Las partículas se van aglomerando formando coágulos o flóculos de mayor tamaño y peso La sedimentación es interferida dada la cercanía entre partículas y se comportan como un bloque Las partículas están en contacto íntimo entre ellas y su peso forma una masa compactada en el fondo de las unidades

presedimentadores

Sedimentadores de agua potable (con coagulaciónfloculación previas) y decantadores de aguas residuales Sedimentadores y decantadores de flujo ascendente y de manto de lodos Compactación de lodos en sedimentadores y en unidades de espesamiento de aguas residuales

En la Ilustración 13 se muestran diferentes tipos de unidades que en su orden (de arriba hacia abajo) corresponden a: un desarenador, un sedimentador de placas inclinadas, un decantador de aguas residuales. Puede evidenciarse que, en la práctica, en una unidad de tratamiento se presentan, de manera simultánea, dos o más tipos de sedimentación (llamada también clarificación) (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Los decantadores son unidades de gran tamaño, debido a los altos tiempos de retención hidráulica que emplean. Luego del proceso de decantación, queda como producto agua residual clarificada y un lodo o fango primario. En casos excepcionales, la decantación primaria es el único proceso de depuración que se le realiza al agua, siempre y cuando la legislación lo permita y el efluente cumpla con los niveles de remoción establecidos. No obstante, la práctica muestra que aunque un tratamiento primario logre cumplir con la normativa ambiental, la calidad del efluente podrá causar impactos considerables a los ecosistemas hídricos. Por esta razón, el tratamiento primario suele ser parte de un proceso más largo, acompañado, al menos, de tratamientos biológicos que reduzcan los niveles de carga contaminante. Los decantadores que se usan en el tratamiento de las aguas residuales pueden clasificarse en:  

Circulares: el agua ingresa ascendiendo por el centro y es recogida en un canal perimetral. Rectangulares: el agua ingresa por un extremo y es extraída por el opuesto. 69

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Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda Valencia, 2000).

11.2. Decantadores circulares Los decantadores circulares son de mayor uso, debido a que facilitan las labores de mantenimiento y purga de fangos. Tienen un diámetro que oscila entre los 10 y los 60 m. El ingreso del agua se hace mediante una campana deflectora ubicada en el centro de la unidad que obliga a que el agua ingrese por la parte baja y, además, funciona como atenuadora de la energía de flujo, eliminando turbulencias que pueden afectar la decantación de las partículas. El agua es recogida por un canal perimetral dentado, para asegurar una salida homogénea del efluente clarificado en cada metro lineal de la periferia del tanque. Adicionalmente, se proyecta, también, antes de la salida del agua, una lámina o pared deflectora que evita que salga la porción más superficial del agua, la cual lleva consigo sólidos, espumas y otros objetos flotantes. El sistema de barrido de fangos se realiza a través de un puente móvil que se desplaza lentamente por todo el decantador y que posee en su fondo unas rasquetas que empujan 70

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los lodos hacia la poceta de fangos, la cual se encuentra ubicada en el centro del tanque circular. Adicionalmente, este mismo puente tiene en su superficie una lámina, conocida como desnatador, que arrastra el material flotante hasta la tolva de grasas o colector de espumas. 11.3. Decantadores rectangulares Son mucho menos usados que los circulares. El ingreso del agua residual se hace a través de un vertedero con un deflector frontal que permite el ingreso por la parte baja de la unidad y disminuye la energía del flujo. Para la salida del efluente, en el extremo opuesto, se emplea un vertedero dentado. Los lodos y las natas son empujados por unas rasquetas adosadas a un puente móvil que se desplaza a lo largo de la unidad. Otra opción es el uso de rasquetas movidas por una cadena sinfín. Un video sobre tecnologías en decantación de aguas residuales puede apreciarse abriendo este hipervínculo y configurando su visualización a pantalla completa.

Lección 12. Tamices Por el tamaño de las aberturas que manejan este tipo de unidades, no es recomendable su uso con aguas residuales brutas que traen consigo gran cantidad de elementos gruesos y/o arenas. Aunque varios autores clasifican los tamices como unidades de pretratamiento, los pequeños tamaños de poro que manejan estas unidades permiten la eliminación de una parte considerable de materia orgánica suspendida; por esta razón, el autor considera que los tamices pueden ser clasificados, también, como una unidad de tratamiento primario, útil en la depuración de aguas residuales de tipo industrial. Muy pocas industrias tienen la disponibilidad de terreno para construir grandes decantadores primarios, en consecuencia, los tamices y las unidades de flotación forzada que ocupan mucho menos espacio, se constituyen en las unidades de tratamiento primario más empleadas en estos casos. No obstante, aunque el uso de tamices es muy escaso en depuradoras urbanas por su escasa capacidad para manejar grandes caudales, en algunos países latinoamericanos, como México, se usan de manera regular para este tipo de efluentes. Los tamices manejan tamaños de abertura entre 0,2 y 3 mm. Están hechos de un tejido de hilos de acero inoxidable, cuya disposición garantiza una superficie que prácticamente no se obstruye y que tiene un alto poder de filtrabilidad. Los tamices pueden clasificarse en:  

Estáticos Giratorios 71

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Los tamices pueden sustituir los decantadores primarios en aguas residuales industriales de procesos como:         

Industria de alimentos en general. Industrias de lácteos. Ingenios azucareros. Cervecerías. Destilerías. Industrias de bebidas no alcohólicas. Frigoríficos. Industria de papel. …

12.1. Tamiz estático Los más empleados son los curvos. Suelen tener una inclinación de unos 25° respecto de la vertical. El agua ingresa por la parte superior y, mientras los sólidos quedan retenidos en la superficie, el agua se cuela atravesando el tamiz, para ser recogida por la parte baja. El material detenido se va deslizando, por la acción del agua y del nuevo material retenido, hacia el extremo inferior, en donde cae a una tolva.

Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapture1.jpg

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Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).jpg

12.2. Tamiz rotatorio Este tipo de tamices cuenta con un tambor filtrante y un cuerpo de filtro, en acero inoxidable, sobre el cual se monta el tambor. Dispone de una rasqueta que elimina los sólidos retenidos en la superficie el tambor. Los tamices rotatorios tienen una mayor capacidad de tratamiento por metro lineal, que los tamices estáticos (cerca de unas 2,5 veces más), pero tienen la desventaja de causar un mayor gasto energético y más desgaste de las piezas.

Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20funcionando.jpg

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Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shops/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94 C/9B1E/6626/tamiz-rotativo-esquema.jpg

12.3. Selección del tamiz La selección de este tipo de unidades se hace a partir de las diferentes alternativas que ofrecen los fabricantes y de las características propias del diseño del tamiz. Sin embargo, para tener un referente, Lozano-Rivas plantea unos valores indicativos de la capacidad de tamizado de estas unidades, en las Tablas 20 y 21. Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Abertura del tamiz (mm) Caudal tratado por metro lineal (m3/h) 0,15 15 0,25 20 0,50 40 0,75 50 1,00 60 1,50 75 2,00 90 2,50 100 3,00 110 Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Abertura del tamiz (mm) Caudal tratado por metro lineal (m3/h) 0,15 30 0,25 50 0,50 90 0,75 120

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145 180 210 240 260

Un video sobre tamices puede apreciarse abriendo este hipervínculo.

Lección 13. Decantador primario Estas unidades pueden alcanzar niveles de remoción de entre 25 y 40% para DBO y entre 50 y 70% para SST. Los decantadores primarios se componen de:     

Tanque decantador. Estructuras de entrada y salida del agua. Puente (móvil) del decantador. Dispositivos de eliminación y extracción de flotantes. Dispositivos de extracción de fangos.

Estas partes pueden apreciarse en la Ilustración 16.

Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/decantacion.htm

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Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/5.jpg

Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/10.jpg

Los criterios de diseño del decantador primario se exponen en la Tabla 22: 76

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Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango

Tiempo de retención hidráulico (TRH)

Carga superficial Capacidad de tratamiento de cada unidad Carga sobre el vertedero Profundidad del decantador (en la vertical del vertedero de salida) Pendiente de fondo hacia la poceta de fangos Relación diámetro/altura Diámetro de la campana deflectora Altura de la campana deflectora Velocidad máxima perimetral del puente del decantador

Características de la poceta de fangos

2 a 3 horas (sin tratamiento secundario posterior y a caudal punta) 1 a 2 horas (con tratamiento biológico posterior y a caudal punta) 2 a 3 m3/m2*h (a caudal punta) < 0,25 m3/s (a caudal medio) 3 < 40 m /h*m lineal del vertedero perimetral (a caudal punta) 2,5 a 4,0 m 2a8% 5 a 16 15 a 20% del diámetro del decantador 33 a 20% de la profundidad del decantador < 120 m/h Tronco-cono invertido con una pendiente aprox. de 1:12 Capacidad de almacenamiento de lodos generados: entre 1 y 5 horas

Se estima una producción de natas y flotantes de 5 mg/m 3 de agua tratada, con una concentración de 6 g/L. La producción de fangos para decantadores, se calcula de la siguiente manera:

Donde, lodos CSST E Cf

volumen de lodos (L/d considerando una densidad de 1 kg/L) carga de sólidos suspendidos totales (kg/d) coeficiente de reducción de sólidos en el decantador coeficiente de concentración de lodos en el decantador (3 a 7% para sólidos almacenados en pocetas y 1 a 2% cuando se hace extracción por succión).

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Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura técnica, sin el debido sustento. Para el caso del diseño de los decantadores, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad en columnas diseñadas para este fin.

Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600/DSC_0173.JPG

Ejemplo 13.1. Dimensionar las características básicas de un decantador primario para un caudal medio de 690 L/s y caudal punta de 2000 m3/s. Se proyecta tratamiento biológico posterior. Solución: Se proyectarán 8 unidades decantadoras: cada una tratará un caudal medio de 86,25 L/s y un caudal punta de 250 L/s. El volumen de cada decantador, considerando un tiempo de retención de 2 horas a caudal punta, es:

El área superficial de cada decantador, considerado una carga de 2 m/h, es: 78

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Se calcula y verifica la altura de la unidad:

Esta altura se encuentra dentro del límite recomendado (2,5 a 4,0 m), por lo cual se acepta. El diámetro del tanque será:

Con este diámetro, la relación diámetro/altura es aproximadamente igual a 6, que se encuentra dentro de los valores recomendados. Se verifica la carga del vertedero, calculando la longitud del perímetro del tanque:

Este valor está por debajo del máximo permitido y esto evitará un efecto de succión sobre los fangos decantados en la unidad.

Lección 14. Decantación asistida químicamente Los decantadores empleados para el Tratamiento Primario Químicamente Asistido (TPQA) tienen idéntica configuración y funcionamiento que los decantadores convencionales, sin embargo, con la ayuda de sales coagulantes, las cuales promueven o facilitan la aglomeración de flóculos o coágulos de mayor tamaño y peso, se pueden alcanzar niveles de remoción de entre 60 y 80% para DBO y entre 65 y 85% para SST.

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Aunque su uso no es muy común en las depuradoras municipales, se suele emplear en instalaciones que sólo cuentan con tratamiento primario, con el fin de alcanzar los niveles de remoción exigidos por la autoridad ambiental. De igual manera, algunos vertidos industriales que tienen altas cargas de coloides y otras sustancias de difícil remoción por gravedad, deben ser tratados con asistencia química. Es importante recordar que los coloides son partículas de escaso tamaño, con unas características eléctricas de superficie cuya carga negativa hace que se repelan incesantemente unas a otras, en un fenómeno conocido como “movimiento browniano”. Los coagulantes o aglomerantes, atrás mencionados, son sustancias químicas, conocidas bajo el genérico de “sales metálicas coagulantes”, que desestabilizan las partículas coloidales neutralizando su carga negativa de superficie; de esta manera, tales partículas que antes se repelían, pueden ahora agruparse, constituyendo flóculos de tamaño y peso suficientes para ser afectados por la gravedad. No obstante, las partículas desestabilizadas no logran “per sé”, agruparse. Es necesario proporcionarles una agitación suave que les permita incrementar su oportunidad de contacto, es decir, encontrarse unas con otras para formar así los flóculos. En resumen, es fundamental hacer una correcta aplicación de la solución de coagulante, de manera que se mezcle rápidamente y de manera homogénea con la masa de agua (esto se denomina “coagulación”) y, posteriormente, proveer una agitación suave que incremente la oportunidad de contacto entre los coloides desestabilizados (lo que se denomina “floculación”), antes de pasar el agua al decantador. En algunas depuradoras se acondiciona una estructura al interior del mismo decantador para realizar la coagulación-floculación. Sin embargo, lo más común es emplear el llamado “serpentín de mezcla”.

Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://ptecdaf.com/images/flocculator.png

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Para el correcto funcionamiento de la sal coagulante, es necesario controlar el pH. En la Tabla 23, se exponen los rangos óptimos de pH para la actuación eficiente de los coagulantes más comunes. Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Sal coagulante pH óptimo Cloruro férrico (FeCl3) 4,0 a 11,0 unidades Sulfato férrico 3,5 a 11,0 unidades Policloruro de aluminio (PAC) 5,5 a 9,0 unidades

Como ayudas adicionales al proceso, pueden usarse también otras sustancias de refuerzo o ayuda, llamadas coadyuvantes de floculación. Estos coadyuvantes son polímeros (macromoléculas) de cadenas largas y alto peso molecular, obtenidos a partir de extractos de algas, almidones o derivados de la celulosa. Su estructura permite “atrapar” flóculos preformados, haciéndolos mucho más resistentes, grandes y pesados, incrementando así la eficiencia del proceso. Su principal desventaja es su alto costo (no sólo de adquisición, sino de manejo dentro del proceso). Recientemente, se ha encontrado que algunos monómeros de estas cadenas poliméricas son tóxicos e incluso, cancerígenos.

Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelni-valgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg

La asistencia con químicos puede ser muy costosa en una depuradora de aguas residuales. El autor conoce ce casos en Colombia en los que el gasto en químicos representa cerca del 70% del costo de operación de una planta de tratamiento de aguas residuales. 81

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Tanto los coagulantes como los coadyuvantes se aplican en solución. Las recomendaciones de dosificación para estas sustancias químicas y su aplicación, se exponen en la Tabla 24. Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Coagulante

Dosis (ppm)

Aplicación

100-150

Eliminación de la materia orgánica

50-100

Eliminación de fósforo en tratamiento biológico

Cloruro Férrico (FeCl3)

100-200 Sulfato Férrico (Fe2(SO4)3) 50-100 75-100 Policloruro de Aluminio (PAC) al 18%

Sal Mixta de Fe y Al

25-50

150-250

Eliminación de fósforo en tratamiento fisicoquímico Eliminación de fósforo en tratamiento terciario

Floculante (Polímero)

Dosis (ppm)

Aniónico

0,5-1,0

Eliminación de materia orgánica y fósforo Eliminación de materia orgánica y fósforo en tratamiento primario Eliminación de fósforo en tratamiento fisicoquímico

Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios 15.1. Residuos de pretratamiento Para facilitar su transporte, los residuos retirados del pozo de muy gruesos y del cribado, deben escurrirse y compactarse mediante el uso de prensas hidráulicas o mecánicas. La arena extraída en forma manual de los canales de desarenado, no es reutilizable; por esta razón, debe ser enviada a un relleno sanitario junto con los residuos deshidratados del pozo de muy gruesos y del cribado. Para el caso de desarenadores aireados y desarenadores-desengrasadores, cuya extracción de arenas se realiza por bombeo continuo, el extraído debe llevarse a depósitos de poca profundidad en donde la arena se deposita en el fondo y el agua se extrae por rebose y es regresada a la entrada del desarenador nuevamente. Otra opción es el retiro 82

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mediante un tornillo de Arquímedes, el cual permite la extracción de la arena en seco o, también, a través de un hidrociclón equipado de un tornillo sinfín. La arena se lleva a unos contenedores para su posterior disposición. En algunas instalaciones lavan las arenas antes de su almacenamiento temporal en unos lavadores tipo Geiger. Esto evita la aparición de malos olores.

Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de: http://img.directindustry.es/images_di/photog/planta-de-lavado-de-arenas-539813.jpg

Las grasas removidas se conducen a un depósito donde el reposo permite concentrar las grasas en la superficie y evacuar el agua por el fondo, retornándola nuevamente a la entrada el desarenador-desengrasador. En algunas instalaciones combinan el material sólido con las grasas y se llevan conjuntamente al relleno sanitario. Otra opción es incinerar estas grasas. Un video sobre estos equipos de separación y clasificación de los residuos extraídos del pretratamiento, puede ser visto abriendo este hipervínculo.

Algunos de estos equipos separadores y clasificadores de los residuos extraídos del pretratamiento, pueden también hacer la compactación de los mismos. Un video sobre los equipos que también incorporan compactación de los residuos extraídos del pretratamiento, puede ser visto abriendo este hipervínculo.

15.2. Lodos del tratamiento primario Estos lodos tienen una consistencia limosa y una coloración entre marrón y grisácea. Por su alto contenido de materia orgánica se descomponen con facilidad, causando malos olores. Cuando se hace tratamiento primario químicamente asistido (TPQA), se obtienen lodos de color negro con menos susceptibilidad a la putrefacción y, por ende, con menos olor que los del tratamiento convencional. 83

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Estos lodos se deben tratar de manera conjunta con los lodos resultantes de los tratamientos secundarios, cuyos detalles se exponen en la Lección 25. Las características generales de los lodos primarios se exponen en la Tabla 29. Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valores típicos SST (g/hab*d) 30 a 38 Contenido de agua (%) 92 a 96 Fracción orgánica (medida como % de sólidos 70 a 80 suspendidos volátiles – SSV en base seca) Grasas (% base seca) 12 a 15 Proteínas (% base seca) 4 a 15 Carbohidratos (% base seca) 8 a 12 pH 5,0 a 7,0 Fósforo (% base seca) 0,5 a 1,5 Nitrógeno (% base seca) 2,5 a 5,0 Patógenos (NMP/100 mL) 1000 a 1.000.000 Parásitos (NMP/100 mL) 8 a 15 Metales pesados (% base seca de Zn, Pb y Cu) 0,5 a 3 Poder calorífico (kcal/kg) 4000 a 5000

Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de: http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png

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ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 1  Preguntas sobre la Unidad 1) El agua residual está compuesta generalmente por: 2) Con respecto a los Sólidos totales, que porcentaje de Sólidos en suspensión (SS) están representados en forma de partículas en el Agua Residual 3) La DBO5 representa: 4) La DQO representa: 5) La degradación de la materia orgánica se produce como consecuencia de la acción de los microorganismos en las cuales las bacterias depuradoras se clasifican en:

 Actividades prácticas relacionadas con la unidad 1 En su municipio indague donde son depositados los vertimientos y/o aguas residuales, ubique el lugar y mediante un análisis general, realice un paralelo entre las aguas residuales y la fuente receptora (aguas arriba) diligenciando la siguiente matriz comparativa

Características

Color

Agua residual

Fuente Receptora Responda los siguientes  interrogantes   aguas arriba   1‐ Tomaría  agua de la  fuente receptora?  2- Se  bañaría  en    la  fuente receptora?

3Turbiedad Alta-media-baja

Olor

Prepararía    sus  alimentos    con    el  agua  de la fuente receptora?

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Temperatura

 Fuentes Documentales de la Unidad 1 -Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua. Bogotá D.C.: McGraw Hill. -Collazos, C. (2008). Tratamiento de Aguas Residuales - Generalidades. Recuperado el 1 de Julio de 2012, de Universidad Nacional de Colombia:http://www.ing.unal.edu.co/catedra/drs_diaz_collazos/GENERALIDA DES.pdf -CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua.(s.f.). La Reutilización de Aguas Residuales. En Agua potable para comunidades rurales, reúso y tratamientos avanzados de aguas residuales domésticas. Madrid. -Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de ESAMUR. (2006). Tecnología del Agua N°269. Murcia.

Murcia -

-Lozano-Rivas, W. (2012). Antecedentes y Definiciones Básicas -Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en PDF). Recuperado el 1 de Julio de 2012,de Blog - Agua y Ambiente: http://wlozano.blogspot.com -Lozano-Rivas, W. (2012). Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales. Varios documentos. Bogotá D.C., Colombia: Disponibles en http://wlozano.blogspot.com. -Malina, J., & Pohland, F. (1992). Design of Anaerobic Processes for the Treatment of Industrial and Municipal Wastes. New York: Technomic.  

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UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO El tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es entendido como la eliminación de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores. De esta manera se removerán sustancias orgánicas biodegradables, partículas coloidales y contaminantes disueltos, entre otros, convirtiéndolos en gases y en biomasa (nuevas células), separable por sedimentación. Este esquema se aprecia en la Ilustración 17.

Gases

Materia orgánica

Hongos, bacterias y protozoos

Floc biológico como sustrato (alimento)

Biomasa en suspensión + compuestos oxidados

Nuevos microorganismos

Floc biológico (biomasa extraíble por sedimantación

Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).

En este capítulo se presentarán los fundamentos de la aireación, los equipos aireadores más usados en la depuración biológica del agua, los principios que rigen la depuración biológica, las herramientas de control de dichos principios y los modelos de reactores existentes en el esquema de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR).

Lección 16. Teoría de la aireación El proceso de aireación consiste en poner el agua en contacto íntimo con el aire. Para los procesos de tratamiento de aguas residuales, el objetivo principal de la aireación es el de proporcionarle a los microorganismos el oxígeno necesario para que realicen sus procesos de transformación y degradación de la materia orgánica contaminante. De igual manera, la aireación permite: 85

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     

Transferir oxígeno disuelto. Remover sustancias volátiles. Eliminar anhídrido carbónico (CO 2). Remover ácido sulfhídrico (H2S). Remover hierro (Fe) y Manganeso (Mn). Eliminar gas metano (CH4), gas cloro (Cl2) y amonio (NH4).

Los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales requieren concentraciones de oxígeno entre 0,2 y 2,0 mg/L. Los requerimientos de la mezcla son los que determinarán la potencia necesaria de los equipos de aireación empleados. 16.1. Teoría de la doble capa En la interfase entre el líquido (agua residual) y el gas (aire u oxígeno) se forma una película a través de la cual se transfiere el gas hacia el líquido por difusión molecular 6. La cantidad de gas transferido por unidad de tiempo (coeficiente de transferencia) es un valor constante a través de cada película y es dependiente del tipo de aireador y de la geometría del tanque de aireación.

Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido.

El coeficiente de transferencia de oxígeno depende del valor de saturación de oxígeno en el agua residual, el cual corresponde al valor de saturación de oxígeno en el agua limpia, afectado por un factor de corrección “β”. Los valores de saturación de oxígeno “Cs” en el agua limpia a diferentes temperaturas se muestran en la Tabla 26. 6

Es un movimiento aleatorio de las moléculas, similar al movimiento browniano.

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Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). “Cs” Oxígeno Disuelto “Cs” Oxígeno Disuelto Temperatura (°C) Temperatura (°C) (mg/L) (mg/L) 0 14,62 18 9,54 5 12,80 19 9,35 7 12,17 20 9,17 8 11,87 21 8,99 9 11,59 22 8,83 10 11,33 23 8,68 11 11,08 24 8,53 12 10,83 25 8,38 13 10,60 26 8,22 14 10,37 27 8,07 15 10,15 28 7,92 16 9,95 29 7,77 17 9,74 30 7,63

Para determinar el valor de concentración de saturación para un agua residual “Csw”, debe tomarse el valor de concentración de saturación del agua limpia “Cs” y afectarse por el factor de corrección “β”, el cual oscila entre 0,92 y 0,98, de manera que:

Para presiones distintas a 1 atmósfera (760 mm Hg):

Donde, β PL Pv

factor de corrección para aguas residuales, entre 0,92 a 0,98 presión Local Atmosférica o Barométrica (mm Hg) presión de Vapor de Agua (mm Hg, en tablas)

El coeficiente de transferencia de oxígeno puede ser medido en pruebas de laboratorio, así:  

Tomar entre 2 y 200 L de agua potable, se lee su OD y se desoxigena con Sulfito de Sodio (12 mg/L por mg/L de OD) y 0,04 mg/L de Cloruro de Cobalto (catalizador). También se logra burbujeando gas nitrógeno. Con el oxígeno disuelto en cero, encender los agitadores o burbujeadores (de velocidad o volumen constante) y registrar los incrementos de oxígeno en función 87

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del tiempo de aireación, hasta que el oxígeno disuelto se estabilice (este corresponderá al valor de saturación). Graficar el Logaritmo de la concentración de saturación de oxígeno “Log Cs”, dividido por la concentración de saturación de oxígeno menos el valor de oxígeno disuelto a diferentes intervalos de tiempo “Cs-C”, contra el tiempo:





Calcular el valor de la pendiente de la recta obtenida y estimar el coeficiente de transferencia “KLa” considerando que:

Hasta aquí, sólo se ha calculado el Coeficiente de Transferencia del equipo aireador, cuyo fabricante, de hecho, lo pone en las especificaciones del equipo. No obstante, este coeficiente dado por el fabricante corresponde a un ensayo de laboratorio con agua potable, a 20 °C y 1 atmósfera de presión, por lo tanto, el valor de KLa debe corregirse para las condiciones de operación con aguas residuales. El fabricante también proporcionará el valor de “N”, el cual corresponde a la capacidad nominal (en condiciones estándar) de oxigenación del equipo, cuyas unidades son kilogramos de oxígeno por hora (kg O 2/h). Este valor permite estimar la cantidad de aire suministrada “R” por el equipo aireador, así:

Donde, R N n’ hd CA

cantidad de aire suministrada (m3/h) capacidad nominal de oxigenación del equipo (kg O 2/h) tasa de absorción específica (es igual a 0,044, quiere decir que sólo un 4,4% del aire se disuelve, el resto escapa hacia la atmósfera) sumergencia o profundidad a la que se instalan los difusores (m) concentración de O2 en el aire (es igual a 0,28 kg/m3 para condiciones estándar)

Para estimar una potencia teórica debe considerarse entre 1 y 2 kilogramos de oxígeno por horse-power (potencia7) y por hora: 1 a 2 kg de O2/hp*h.

7

1 hp = 0,746 kW = 746 J/s

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Lección 17. Equipos aireadores Los tipos de equipos de aireación más empleados en el tratamiento de aguas residuales, son:  Sistemas de Aireación Difusa o Aire Comprimido. o Equipos difusores  Sistemas de Aireación Superficial o Equipos de flujo Radial o Equipos de flujo Axial o Equipos aspirantes o Rotores horizontales o cepillos  Sistemas de Turbina o Equipos de turbina sumergida 17.1. Sistemas de aireación difusa o por aire comprimido La aireación difusa es la inyección de gas, aire u oxígeno, bajo presión, por la parte inferior de la superficie libre del fluido. Esta aplicación se realiza a través de medios porosos conocidos como difusores, que producen burbujas de diámetros muy pequeños. Los preferidos son los de poro fino (2 a 5 mm), seguidos por los de poro semifino (6 a 10 mm) y los de burbuja gruesa (>10 mm).

Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration-001.jpg

Pueden transferir de 0,3 kg O2/kW*h a 1,2 kg O2/kW*h, siendo usados, especialmente en depuradoras pequeñas con tanques que tienen profundidades entre 2,5 y 5,0 m, con 89

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anchos entre 3 a 9 metros. La relación ideal ancho/profundidad de estos tanques debe ser menor a 2, con el fin de asegurar una aireación efectiva y una mezcla apropiada.

Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de: http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f5236733e0b.jpg

17.2. Sistemas de aireación superficial Estos pueden ser de flujo radial (baja velocidad), axial (alta velocidad), equipos aspirantes o cepillos (rotores horizontales).

Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aerator-for-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-in-china.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-System-WastewaterAerator-LY-1-.jpg

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Los equipos de flujo radial usan velocidades de operación entre 20 a 100 rpm (revoluciones por minuto), con potencias hasta de 150 kW. Pueden ser fijos o flotantes. La capacidad de transferencia oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h. Los equipos de flujo axial se usan mucho en lagunas aireadas, las cuales tienen bajas profundidades. Estos equipos consumen menos energía que los radiales. Se encuentran con potencias hasta de 93 kW y tienen capacidades de transferencia entre 0,7 y 1,4 kg O2/kW*h. Generan una mejor mezcla en los tanques de aireación.

Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de: http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg

Los equipos aspirantes poseen un eje hueco con un motor en un extremo y una hélice en el otro. El aire se aspira desde la atmósfera y se inyecta al agua. Tienen inclinación variable y suelen instalarse sobre soportes flotantes. Su capacidad de transferencia va de 0,5 a 0,8 kg O2/kW*h.

Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de: http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg

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Los cepillos de aireación se emplean en zanjones de oxidación. La tasa de oxigenación oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h. Para asegurar una buena mezcla el volumen del zanjón debe ser inferior a 200 m3/m de rotor.

Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada de: http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_BrushAerators.jpg

17.3. Sistemas de turbina sumergida Aunque tienen un volumen o área de influencia menor que los aireadores superficiales, tienen altas capacidades de transferencia de oxígeno que oscilan entre 1,0 y 2,0 kg O2/kW*h. Los diámetros de turbina suelen ser entre 0,1 y 0,2 veces el ancho del tanque para depósitos con alturas entre 5 y 6 metros. Mira los siguientes videos de equipos de aireación y trata de identificar de qué tipo son, aireador 1, aireador 2, aireador 3, aireador 4.8

Lección 18. Teoría de la depuración biológica El principio del tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es análogo al de la autopurificación de las aguas. En las depuradoras, estos fenómenos se dan en reactores que mantienen los microorganismos bajo condiciones controladas, acelerando así el proceso de descomposición y la neutralización de la materia orgánica. En la depuración biológica se presentan múltiples reacciones de tipo bioquímico que transforman la materia orgánica, los nutrientes y otros compuestos (e.g. sulfuros, En su orden, los videos corresponden a: aireador superficial; difusores; cepillos de aireación y, el último, corresponde a una muestra de varios equipos, empezando por los aspiradores. 8

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metales) en elementos más simples y de mayor estabilidad; este proceso se conoce como oxidación biológica y en él, se realiza una conversión de los elementos orgánicos a formas inorgánicas altamente oxidadas (mineralización). Estas reacciones pueden efectuarse mediante un proceso:  

Aerobio: en presencia de oxígeno disuelto. Anaerobio: en ausencia de oxígeno disuelto y de nitratos

Igualmente, cada uno de estos procesos puede llevarse a cabo con la biomasa (microorganismos):  

Adherida En suspensión

En el TBAR, los microorganismos (biomasa) emplean las sustancias suspendidas o disueltas, presentes en las aguas residuales, para incorporarlas a su metabolismo en los procesos de obtención de energía y síntesis celular (generación de nuevas células). Toda oxidación, incluyendo la mineralización u oxidación biológica, implica una transferencia de electrones entre un donador (sustancia reductora) y un aceptor de electrones (sustancia oxidante). En el TBAR, la materia orgánica es la donante de electrones para los organismos vivos; no obstante, elementos inorgánicos reducidos como amoniaco, sulfuros, hierro ferroso e hidrógeno molecular se comportan, para las bacterias, como donantes de electrones, alimento o fuente de energía (Romero Rojas, 1999). 18.1. Proceso aerobio Se considera un proceso de respiración de oxígeno en el que el oxígeno libre es el único aceptor final de electrones. El carbono se oxida y el oxígeno se reduce. A pesar de la complejidad de este metabolismo microbial, su representación puede simplificarse de la siguiente manera (Ilustración 21).

Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).

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Como puede deducirse de la ilustración 21, la molécula C 5H7CO2 representa las bacterias o la biomasa formada; de igual manera, la degradación biológica aerobia de la materia orgánica, implica la aparición de nitrógeno amoniacal, incrementándolo en el afluente.

Las bacterias emplearán el oxígeno disuelto para oxidar la materia orgánica a en anhídrido carbónico y generar energía. En ambas vías del metabolismo aeróbico de la materia orgánica, se genera nitrógeno amoniacal y se consume el oxígeno disponible en el agua. Estequiométricamente, se estima que para oxidar 1 g de biomasa, se consumen 1,42 g de oxígeno. 18.2. Proceso anaerobio Se conoce también como digestión o fermentación anaerobia. En el proceso anaerobio, la mayor parte de la energía liberada permanece en los productos finales orgánicos reducidos como el metano; razón por la cual, se genera una menor cantidad de biomasa (y de menos lodos) que en el proceso aerobio. El uso de sulfatos y CO2 como aceptores de electrones obliga a tener condiciones anaerobias estrictas (ausencia de oxígeno y nitratos), de lo contrario, la formación de metano (CH4) se verá afectada. El proceso anaerobio se puede reducir en tres etapas, de las cuales, las dos últimas ocurren de manera simultánea:   

Fase hidrolítica Fermentación ácida Fermentación metanogénica

En la primera etapa, las bacterias hidrolíticas transforman enzimáticamente los compuestos complejos (e.g. proteínas, carbohidratos y grasas) en otros de baja masa molecular (e.g. azúcares, aminoácidos, ácidos grasos, glicerol) que son fuentes aptas de energía y carbón celular. Estas moléculas simples serán transformadas, en la etapa acetogénica (fermentación ácida) en ácidos de cadena corta (e.g. ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico), así como hidrógeno y CO2. 94

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En la fase metanogénica, las bacterias anaerobias estrictas convertirán los productos de la fermentación ácida en CO2 y CH4, principalmente. Estas etapas se pueden ver ilustradas en la siguiente figura (Ilustración 22):

Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Mayor información sobre la oxidación biológica, puede ser consultada en el documento “Principios básicos de la oxidación biológica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento

Lección 19. Control del proceso biológico Tanto para los procesos aerobios como los anaerobios, los microorganismos encargados de la mineralización de la materia orgánica se desarrollarán y actuarán de manera óptima siempre y cuando se mantenga, de forma general:   

Nutrientes en cantidad y proporciones apropiadas. Inexistencia de compuestos tóxicos o inhibitorios. Condiciones ambientales apropiadas (e.g. pH, temperatura).

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Los microorganismos requieren carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), como nutrientes principales; en menor proporción también demandarán fósforo, azufre, potasio, calcio, hierro, magnesio, zinc y molibdeno. Todos estos nutrientes se encuentran comúnmente en las aguas residuales domésticas y en las municipales o urbanas; no obstante, los efluentes industriales suelen presentar deficiencias en varios de estos elementos. Una de las relaciones de rendimiento óptimo más empleadas para evaluar la disponibilidad de nutrientes en las aguas residuales, es: DBO/N/P = 100/5/1 Otro aspecto a considerar y que dependerá del tipo de reactor y de su modo de operación, es la relación alimento/microorganismo, notada frecuentemente como F/M (del inglés Food/Microorganisms), aunque también se cita en algunos textos como relación A/M. Este valor da cuenta de la fracción en masa de materia orgánica disponible por microorganismo. Algunos compuestos presentes en las aguas residuales son de difícil descomposición por vías microbianas y deben usarse tratamientos fisicoquímicos para su eliminación. La lignina y la celulosa son compuestos extremadamente estables y sólo pueden ser descompuestos por bacterias especializadas. Algunos compuestos tóxicos, como los metales pesados, pueden ser inhibitorios para el crecimiento de los organismos; no obstante, este efecto es muy variable dependiendo de las características de la biomasa, el tipo de proceso y la aclimatación, entre otros factores. Las concentraciones inhibitorias en aguas residuales para algunos compuestos presentes, se exponen en la Tabla 27. Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos de oxidación biológica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Aluminio Amoniaco Arsénico Cadmio Calcio Cianuros Cloruros Cobre Cromo hexavalente Cromo trivalente Fenoles Hidrocarburos Hierro

Concentración inhibitoria (mg/L) Aerobia

Anaerobia 25

580

1500 0,1

100

0,02 2500

5

1 15000

1 2 2

10 50 500 180 50

20

5

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Magnesio Mercurio Níquel Nitritos Plata Plomo Potasio Sodio Sólidos disueltos Sulfatos Sulfuros Vanadio Zinc

50 0,005 1

1000 1 2 35 1a2 0,1 2500 3500 15000 500 100 10

5

20

Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos aerobios son:  Nutrientes suficientes.  pH entre 6,5 y 8,5.  Temperatura inferior a 38 °C.  Presencia de oxígeno.  Ausencia de sustancias tóxicas. Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos anaerobios son:  Nutrientes suficientes.  pH entre 6,5 y 7,6.  Temperatura entre 30 y 38 °C para organismos mesófilos o entre 50 a 60 °C para organismos termófilos.  Ausencia de oxígeno.  Potencial de óxido-reducción (POR) entre -470 a -550 mV.  Ausencia de sustancias tóxicas. La producción de biomasa anaerobia es casi 20 veces menor que la que se presenta en los procesos aerobios. 19.1. Definiciones fundamentales para el control y diseño de los procesos biológicos En cualquiera de los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR), existen conceptos fundamentales que permiten, no sólo verificar el control de la depuración en los reactores, sino también, diseñar o modificar el diseño del reactor. a. Carga Hidráulica “CH”: corresponde al caudal de aguas residuales tratado (/t) por unidad de área horizontal del reactor “S”. Puede ser también entendida como una velocidad de tratamiento. 97

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b. Carga Másica o Carga Orgánica “CM”: conocida también como Carga Contaminante, es el producto de la concentración de un contaminante “C” y el caudal de aguas residuales vertidas “Q”. Es entendida como el aporte en masa de contaminantes de un vertido.

c. Carga Volumétrica “CV”: es el cociente entre la carga másica (carga contaminante) “CM” por volumen de la unidad de tratamiento (reactor) “”.

d. Carga Superficial “Cs”: corresponde al cociente entre la carga másica (carga contaminante) “CM” por unidad de área superficial del reactor “S”.

e. Tiempo de Retención Hidráulico (TRH): es el cociente entre el volumen del reactor o unidad de tratamiento “” por el caudal tratado de aguas residuales “Q”.

f. Tiempo de Retención Celular o Edad de Lodo (TRC): es la relación en masa de la cantidad de biomasa existente (microorganismos) en el reactor “Mexis”, por la biomasa eliminada “Melim” y por día.

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Lección 20. Modelos de reactores y características El tratamiento de las aguas residuales puede efectuarse en unidades que se clasifican según su forma de alimentación, en: 

Flujo intermitente: conocidos también como de llenado y vaciado, o reactores por cochada, son unidades que se llenan con un volumen de agua residual (etapa de llenado), se tratan estas aguas (etapa de tratamiento) y se vacía (etapa de vaciado) para dar lugar a una nueva carga con otro volumen de aguas residuales. Se usa frecuentemente en aguas residuales industriales, en donde la descarga de efluentes líquidos no se realiza de manera continua, sino en periodos o lapsos del día. Aunque este fue el modelo de reactor que empezó a usarse en los inicios del tratamiento de aguas residuales municipales, el rápido crecimiento de las ciudades obligó a cambiar estos reactores por otros de funcionamiento continuo. También se usa mucho en investigaciones y experimentos de laboratorio debido a la comodidad que supone el no trabajar con flujos constantes de agua.



Flujo continuo: estos reactores presentan una entrada y salida permanente de caudal y, de manera simultánea, se efectúa el tratamiento de las aguas residuales.

Adicionalmente, se tienen reactores que según su hidráulica de flujo se clasifican en: 

De mezcla completa: podemos imaginar que en estos reactores se tiene una turbina que recorre totalmente el área del tanque, combinando casi instantáneamente las aguas que se encuentran dentro del reactor, con las que están ingresando como afluente. De manera coloquial, es como estar batiendo constantemente el contenido de una olla, balde o vaso, que tiene una entrada y salida constantes de líquido.



De flujo a pistón: en este reactor, el agua que ingresa como afluente recorre longitudinalmente el tanque, como si se tratase de una pared que se desplaza a una misma velocidad sin mezclarse con el resto del líquido, hasta su salida.

Las características geométricas y el equipo empleado en el reactor, determinarán el tipo de hidráulica predominante en el tanque de reacción. Es fácil imaginar que un tanque de sección circular con una turbina, trabajará como reactor a mezcla completa, mientras que un tanque rectangular, muy alargado, tendrá una hidráulica cercana al flujo a pistón. Estas combinaciones darán lugar a las siguientes tres (3) tipologías básicas de reactores: a. Reactor intermitente (a mezcla completa). b. Reactor de flujo continuo y mezcla completa. 99

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c. Reactor de flujo continuo a pistón. 20.1. Reactor intermitente (a mezcla completa). Es un sistema cerrado muy empleado para investigaciones y ensayos a nivel de laboratorio. La composición del agua residual cambia en el tiempo, pero se mantiene homogénea en todo el reactor. 20.2. Reactor de flujo continuo y mezcla completa. En este reactor el afluente se mezcla de forma casi instantánea y completa con el contenido del reactor, de manera que la dispersión de los materiales es infinita. En estas condiciones, la concentración de materia orgánica del efluente es exactamente igual a la concentración del licor mezclado del reactor. 20.3. Reactor de flujo continuo a pistón. Cada partícula viajará por este reactor sin mezclarse, de forma que se descargará en la misma secuencia y orden en las que entran al reactor: visto de manera coloquial, es semejante a una fila de un banco que es atendida por un solo cajero. En este modelo, el tiempo de retención hidráulica real para cada molécula de agua es idéntico al tiempo teórico. Este reactor es teóricamente (y también en la práctica) más eficiente que los de mezcla completa y ocupará, consecuentemente, menos espacio. Los microorganismos en los reactores, independientemente de si son aerobios o anaerobios, pueden encontrarse de dos formas:  

Biomasa Suspendida (cultivo en suspensión). Biomasa Adherida (cultivo fijo).

Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de: http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg

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La biomasa se encontrará suspendida (llamada también cultivo en suspensión), cuando los microorganismos no cuentan con ningún medio de soporte sobre el cual adherirse. De manera simple, estos reactores son similares a una piscina en la que los microorganismos “nadan” libremente en todas las direcciones posibles.

Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg

La biomasa adherida (llamada también cultivo fijo), se presenta cuando los microorganismos se fijan sobre un medio de soporte (e.g. piedras, piezas plásticas, materiales inertes) formando una zooglea o biopelícula (biofilm). La clasificación de los sistemas más usados para el tratamiento de las aguas residuales, se expone en la Ilustración

Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).

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CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO El tratamiento secundario, conocido también como depuración o tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR), es entendido como la eliminación de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores. La materia orgánica en suspensión y disuelta es convertida, mediante procesos de oxidación química, en biomasa y sólidos inorgánicos sedimentables. Como ya se ha visto en los capítulos anteriores, mientras que en el tratamiento primario se remueven sólidos en suspensión y, por ende, buena parte de la DBO suspendida, el tratamiento secundario o biológico busca remover, especialmente, la DBO soluble y los remanentes de materia en suspensión que escaparon del tratamiento primario.

Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_7 29600497.jpg

Aunque el tratamiento secundario es capaz de remover DBO y SST en valores cercanos al 85%, no eliminará significativamente nutrientes (N y P), ni metales pesados, ni patógenos, los cuales deben ser removidos posteriormente. Las unidades convencionales de tratamiento biológico más empleadas en nuestro medio, son los lodos activados y los filtros percoladores, los cuales se tratarán en este capítulo; como tecnologías no convencionales, en Colombia y en Latinoamérica, se usan de manera extensiva las lagunas aireadas y de estabilización, las cuales serán expuestas en el Capítulo 9 (Tecnologías Blandas). En menor proporción se utilizan también los biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR).

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Lección 21. Lodos activados Un reactor de lodos activados mantiene en suspensión a un cultivo microbiano en condiciones aerobias. El proceso hace uso de un sistema de aireación o agitación, el cual suministrará el oxígeno que demandan las bacterias, evitará que haya asentamiento de la biomasa en el reactor y, además, mantendrá homogeneidad del licor mezclado en el tanque. Una vez que la materia orgánica ha sido oxidada, el efluente se envía a un sedimentador o decantador secundario en donde se separará el fango (biomasa) del agua. Parte de esta biomasa decantada es recirculada al reactor con el fin de mantener en él una buena concentración de microorganismos y otra parte se desecha (purga), llevándola a tratamiento de lodos, evitando así acumulaciones excesivas de microorganismos en el sistema que pueden alterar los tiempos de retención celular. Una de las preguntas recurrentes de los estudiantes es ¿a qué se le llama exactamente “lodo activo”? una respuesta corta y sencilla es que el lodo activo es la suma de la biomasa formada en el reactor y los sólidos suspendidos (materia inerte y compuestos inorgánicos) aportados por el agua residual. Esta mezcla de microorganismos y materia inerte tiene una alta capacidad de absorción de la materia orgánica y por ello se le llama “activo” o “activado”.

Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen tomada de http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8

21.1 Lodos activados en reactores de mezcla completa Estas unidades se suelen emplear para caudales pequeños (