Lodos Activados 7ta ED

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

27 al 31 de julio de 2009 Cuernavaca, Morelos

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS Material tecnodidáctico PROGRAMA PARA EL FORTALECIMIENTO DE CAPACIDADES DEL SECTOR HÍDRICO 2009 Proyecto DP-0916.3 EDICIÓN TECNOLÓGICA Autores: Dra. Gabriela Moeller Chávez M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M. en C. Lina Cardoso Vigueros M. en C. Violeta E. Escalante Estrada M. en C. Ana Cecilia Tomasini Ortiz EDICIÓN TECNOLÓGICO EDUCATIVA Tratamiento pedagógico: Mtro. Joaquín Flores Ramírez DISEÑO GRÁFICO Diseño editorial: Téc. Rodrigo Vargas Tapia Diseño de portada: Iltmo. D. Óscar Alonso Barrón

Septima edición: julio 2009 © Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Reservados todos los derechos. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio, mecánico, eléctrico, de fotocopia, térmico u otros sin permiso del editor. Paseo Cuauhnáhuac Núm. 8532, Progreso, Jiutepec, Morelos, México C.P. 62550 Tel. (777) 329-3600 Ext. 111 Fax (777) 329-3672 Hecho en México Printed in Mexico

PROGRAMA DIDÁCTICO OPERACIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS OBJETIVOS GENERALES: Al término del curso – taller el participante: • Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. • Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. • Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. • Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. • Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales. FECHA: 27 al 31 de julio 2009 HORAS: 40 SEDE: INSTRUCTOR (ES): Instituto Mexicano de Tecnología del Agua M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M en C. Ana Cecilia Tomasini REQUISITOS: • Personal con conocimientos en plantas de tratamiento. DIRIGIDO A: • Gerentes de mantenimiento, ingenieros y técnicos responsables de la operación de plantas de tratamiento, jefes de protección ambiental y/o ecológica. CONTENIDO OBJETIVOS PARTICULARES Al finalizar el tema el participante será capaz de: 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

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Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual.

2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS.

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El participante conocerá, de manera breve, los antecedentes históricos sobre el proceso de lodos activados.

3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES.

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Conocerá los diferentes tipos de microorganismos existentes en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la dinámica de la población microbiana en un reactor de lodos activados. Aplicará los conocimientos adquiridos en la observación de diferentes microorganismos.

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CONTENIDO 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS.

• •

5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO.

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6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN.

• •

7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. •

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OBJETIVOS PARTICULARES Conocerá los componentes, características y variantes de operación del proceso de lodos activados. Comprenderá los factores que ha de considerar para la correcta operación de una planta de lodos activados. Conocerá las principales características de los equipos que se utilizan en los sedimentadores primarios y secundarios. Comprenderá la importancia, las características y las formas de operación de los sistemas de aereación que se utilizan en las de lodos activados. Comprenderá los métodos que se deben utilizar para un adecuado monitoreo del proceso biológico de tratamiento. Comprenderá las diferentes técnicas que le permitan un adecuado control del proceso de tratamiento. Conocerá los registros de operación para llevar un control de las actividades que se realizan en la planta de tratamiento para cumplir con los requerimientos establecidos. Conocerá los elementos que se deben tener en cuenta al implementar un programa adecuado de mantenimiento de las instalaciones y del equipo electromecánico de una planta de tratamiento.

8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.

•

Al término del tema, el participante conocerá la legislación, criterios, requerimientos y normas referentes a aguas residuales en México.

9. HIGIENE Y SEGURIDAD.

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Al término del tema, el participante comprenderá las diferentes acciones que deben llevarse a cabo para implementar medidas de seguridad e higiene en una planta de tratamiento de lodos activados.

10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES.

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Conocerá los tipos y las características del lodo residual, así como la normatividad vigente para su uso o disposición. Comprenderá los métodos de espesamiento y las diversas tecnologías que se pueden utilizar para la estabilización de los lodos residuales para su uso como biosólido.

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PROGRAMA DE ACTIVIDADES LUNES 27 DE JULIO Registro de participantes Inauguración Dinámica de grupo Video del IMTA Aspectos generales del tratamiento de aguas residuales. Contaminación del agua y su control Parámetros de calidad del agua RECESO Aspectos básicos de la microbiología del agua residual Video de tratamiento de aguas residuales COMIDA Procesos de tratamiento del agua residual. Fisicoquímicos Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios RECESO Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios

Todos Representantes del IMTA Todos

09:00 – 09:15 09:15 – 09:25 09:25 – 09:45 09:45 – 10:10

MC. Cecilia Tomasini

10:10 – 11:11 11:00 – 12:00 12:00 – 12:15

MC. Cecilia Tomasini Todos

12:15 – 13:15 13:15 – 13:30 13:30 – 14:30

MC. Cecilia Tomasini

14:30 – 15:00 15:00 – 16:15 16:15 – 16:30

“

16:30 – 18:00

MARTES 28 Introducción al tratamiento de aguas residuales por el proceso de lodos activados Microorganismos y factores ambientales

MC. Cecilia Tomasini

09:30 – 11:00 11:00 – 11:15

RECESO Práctica y análisis de resultados Descripción del proceso IMTA Descripción de procesos

MC. Cecilia Tomasini M.I. Luciano Sandoval

COMIDA Conceptos básicos y variantes del proceso de lodos activados Factores relacionados con el proceso

11:15 – 12:30 12:30 – 13:00 13:00 – 13:30 13:30 – 14:30

M.I. Luciano Sandoval

14:30 – 15:00 15:00 – 16:00 16:00 – 16:15

RECESO Indicadores visuales Indicadores analíticos

09:00 – 09:30

M.I. Luciano Sandoval

16:15 – 17:00 17:00 – 18:00

MIÉRCOLES 29 Tipos de lodos Generación de lodos

M.I. Esperanza Ramírez

11:00 – 11:15

RECESO Espesamiento y deshidratación de lodos Métodos de estabilización

M.I. Esperanza Ramírez

M.I. Esperanza Ramírez

14:30 – 17:00 17:00 – 17:15

RECESO Discusión de práctica

11:15 – 12:45 12:45 – 13:30 13:30 – 14:30

COMIDA Práctica de composteo

09:00 – 09:45 09:45 – 11:00

M.I. Esperanza Ramírez

17:15 – 18:00

M.I. Luciano Sandoval

09:00 – 09:30 09:30 – 10:30

JUEVES 30 Descripción de equipos Muestreo

10:30 – 10:45

RECESO Práctica de indicadores visuales Práctica de muestreo

M.I. Luciano Sandoval

13:30 – 14:30

COMIDA Análisis de resultados Control del proceso

M.I. Luciano Sandoval

14:30 – 15:30 15:30 – 16:00 16:00 – 16:15

RECESO Taller de cálculos

10:45 – 12:00 12:00 – 13:30

M.I. Luciano Sandoval

16:15 – 18:00

M.I. Luciano Sandoval

09:00 – 09:30 09:30 – 10:30

VIERNES 31 Análisis de los resultados del taller de cálculos Problemas comunes y acciones correctivas

10:30 – 10:45

RECESO Manual de operación y mantenimiento Elaboración de manuales Análisis de manuales

M.I. Luciano Sandoval

14:00 – 15:00

COMIDA Higiene y seguridad Normatividad aplicada a el tratamiento de aguas residuales Clausura

10:45 – 12:00 12:00 – 13:00 13:00 – 14:00

M.I. Luciano Sandoval Dra. Gabriella Moeller Todos

15:00 – 15:30 15:30 – 17:00 17:00 – 17:30

CONTENIDO TEMÁTICO

1

ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

2

INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

3

MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES

4

CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS

5

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO

6

FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN

7

MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

8

NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

9

HIGIENE Y SEGURIDAD

10

MANEJO DE LODOS RESIDUALES



ANEXOS

Š

BIBLIOGRAFÍA

ÍNDICE 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES.............. 17 1.1 Contaminación del agua y su control ................................................................... 17 1.1.1 Tipos de contaminantes .................................................................................... 17 1.1.2 Vertido de aguas residuales .............................................................................. 20 1.1.3 Autodepuración de lagos................................................................................... 21 1.1.4 Control de la contaminación .............................................................................. 22 1.2 Parámetros de calidad del agua............................................................................ 24 1.2.1 Características físicas ....................................................................................... 25 1.2.2 Características químicas ................................................................................... 26 1.2.3 Características biológicas.................................................................................. 28 1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual ................................... 28 1.3.1 Tipos de metabolismo ....................................................................................... 28 1.3.2 Tipos de microorganismos ................................................................................ 29 1.3.2.1 Virus........................................................................................................... 30 1.3.2.2 Bacterias .................................................................................................... 31 1.3.2.3 Hongos....................................................................................................... 32 1.3.2.4 Algas .......................................................................................................... 32 1.3.2.5 Protozoarios ............................................................................................... 34 1.3.2.6 Formas superiores de vida......................................................................... 35 1.4 Procesos de tratamiento del agua residual.......................................................... 35 1.4.1 Clasificación de métodos de tratamiento........................................................... 36 1.4.1.1 Procesos físicos ......................................................................................... 36 1.4.1.2 Procesos químicos..................................................................................... 38 1.4.1.3 Procesos biológicos ................................................................................... 40 Sistemas aerobios ............................................................................................. 41 Sistemas anaerobios ......................................................................................... 71 1.4.1.4 Ventajas y desventajas de los procesos aerobios anaerobios ................... 86 AUTOEVALUACIÓN DE L CAPÍTULO 1 .......................................................................... 90 2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ................................................................................ 93 2.1 Historia del proceso de lodos activados .............................................................. 95 2.2 Lodos activados en México ................................................................................... 95 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 2 ........................................................................... 99 3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES .............................................. 101 3.1 Tipos de microorganismos.................................................................................. 102 Virus ......................................................................................................................... 102 Bacterias .................................................................................................................. 103 Morfología bacteriana .......................................................................................... 103 Protozoarios ............................................................................................................. 105 Protozoarios flagelados........................................................................................ 105 Sarcodina............................................................................................................. 105 Ciliados ................................................................................................................ 105 Rotíferos................................................................................................................... 107 Nemátodos ............................................................................................................... 109 Hongos..................................................................................................................... 112

3.2 Dinámica de la población .....................................................................................112 3.3 Uso del microscopio .............................................................................................114 Microscopio compuesto ............................................................................................115 Procedimientos para el uso del microscopio.............................................................117 Recomendaciones para su manejo...........................................................................118 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 3 ..........................................................................119 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS ...121 4.1 Descripción del proceso.......................................................................................121 Componentes del sistema de lodos activados ..........................................................121 4.2 Variantes al proceso de lodos activados ............................................................122 Flujo pistón................................................................................................................122 Completamente mezclado ........................................................................................123 Estabilización – contacto...........................................................................................123 Aeración extendida ...................................................................................................124 Zanjas de oxidación ..................................................................................................125 Alimentación escalonada (a pasos) ..........................................................................125 Aeración reducida .....................................................................................................126 Oxígeno puro ............................................................................................................126 Proceso Graus ..........................................................................................................127 4.3 Factores relacionados con el proceso ................................................................128 Concentración del agua cruda ..................................................................................128 Nutrientes..................................................................................................................129 Oxígeno disuelto (OD) ..............................................................................................129 Tiempo de retención .................................................................................................129 pH .............................................................................................................................130 Toxicidad...................................................................................................................130 Temperatura .............................................................................................................131 Mezcla.......................................................................................................................132 Gasto ........................................................................................................................132 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 4 ..........................................................................133 5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO .....................................................135 5.1 Equipos en sedimentadores.................................................................................135 Sedimentadores primarios y secundarios .................................................................135 Sedimentadores circulares........................................................................................135 Sedimentadores rectangulares .................................................................................137 Rastra de cadenas ....................................................................................................138 Puentes viajeros .......................................................................................................139 5.2 Sistemas de aeración............................................................................................139 Aeradores mecánicos ...............................................................................................139 Consideraciones en la operación y mantenimiento...................................................143 Aeración por difusión ................................................................................................144 Difusores porosos .....................................................................................................145 Difusores no porosos ................................................................................................145 Otros sistemas de difusión........................................................................................146 Sopladores................................................................................................................148 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 5 ..........................................................................151

6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN ................................................. 153 6.1 Monitoreo del proceso ......................................................................................... 153 Indicadores visuales................................................................................................. 154 Color .................................................................................................................... 154 Olor ...................................................................................................................... 154 Espuma................................................................................................................ 154 Algas .................................................................................................................... 155 Rocío en aeradores.............................................................................................. 155 Turbiedad del efluente ......................................................................................... 155 Burbujeo............................................................................................................... 155 Material flotante.................................................................................................... 155 Acumulación de sólidos ....................................................................................... 156 Trayectoria de flujos............................................................................................. 156 Turbulencia .......................................................................................................... 156 Tacto .................................................................................................................... 157 Indicadores analíticos............................................................................................... 158 Oxígeno disuelto (OD) ......................................................................................... 159 DBO5 .................................................................................................................... 160 DQO..................................................................................................................... 160 Prueba de consumo de OD.................................................................................. 161 SS y SSV ............................................................................................................. 161 Prueba de sedimentabilidad de 30 minutos ......................................................... 162 Nutrientes............................................................................................................. 163 pH ........................................................................................................................ 163 Grasas y aceites .................................................................................................. 163 Temperatura ........................................................................................................ 163 Observaciones microscópicas ............................................................................. 163 Profundidad del manto de lodos .......................................................................... 164 Acidez y alcalinidad.............................................................................................. 164 Gastos.................................................................................................................. 165 Tiempo de retención ............................................................................................ 166 Dosificación de productos químicos..................................................................... 166 Niveles y alturas de tanques ................................................................................ 166 6.2 Control del proceso.............................................................................................. 167 Índice volumétrico de lodos (IVL) ............................................................................. 167 Cargas: orgánica y de sólidos suspendidos ............................................................. 168 Relación alimento/microorganismos (A/M)............................................................... 168 Edad de lodos (tiempo medio de retención celular) ................................................. 172 Control del gasto de recirculación ............................................................................ 174 Control de la purga................................................................................................... 175 6.3 Taller de cálculos ................................................................................................. 176 6.3.1 Cálculos con referencia de S.R. Ramalho....................................................... 177 6.3.1.1 Sistema convencional .............................................................................. 177 6.3.1.2 Sistema de aeración extendida ................................................................ 180 6.3.2 Cálculos con referencia de Metclaf & Eddy ..................................................... 184 6.3.2.1 Sistema convencional .............................................................................. 184 6.3.2.2 Sistema de aeración extendida ................................................................ 187 6.3.3 Índice volumétrico de lodos ............................................................................. 190 6.3.4 Consumo de oxígeno ...................................................................................... 191 6.3.4.1 Sistema convencional .............................................................................. 191

6.3.4.2 Sistema de aeración extendida.................................................................192 6.3.5 Nutrientes.........................................................................................................193 6.3.5.1 Convencional ............................................................................................193 6.3.5.2 Aeración extendida ...................................................................................194 6.3.6 Resumen de resultados ...................................................................................195 6.4 Problemas comunes y acciones correctivas ......................................................195 Introducción ..............................................................................................................195 Técnicas generales ...................................................................................................196 6.5 Arranque de una planta de tratamiento de aguas residuales en su modalidad de lodos activados ...................................................................................197 Preparación previa al arranque.................................................................................197 Análisis del agua residual .....................................................................................197 Revisión del equipo electromecánico ...................................................................198 Revisión hidráulica de los tanques .......................................................................200 Arranque ...................................................................................................................200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. .....................................200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo .....................................204 Transición del arranque ............................................................................................207 Problemas típicos en el arranque .............................................................................208 Espuma.................................................................................................................208 Problemas de sedimentación de lodos biológicos ................................................208 Baja remoción de DBO5 ........................................................................................209 Temperatura y condiciones climáticas desfavorables...........................................209 Equipos, materiales y reactivos para realizar la puesta en marcha ..........................209 Demanda bioquímica de oxígeno .........................................................................209 Demanda química de oxígeno ..............................................................................210 Oxígeno disuelto...................................................................................................210 pH .........................................................................................................................210 Turbiedad..............................................................................................................211 Determinación de sólidos......................................................................................211 Índice volumétrico de lodos ..................................................................................211 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 6 ..........................................................................212 7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO........................................................215 7.1 Registro de operación ..........................................................................................215 7.2 Mantenimiento .......................................................................................................220 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 7 ..........................................................................226 8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES .......227 8.1 Desarrollo de la legislación en México. Criterios y normas ..............................227 8.2 Normativa vigente (1997-2004).............................................................................233 8.2.1 NOM-001-SEMARNAT-1996 ...........................................................................233 8.2.2 NOM-002-SEMARNAT-1996 ...........................................................................241 8.2.3 NOM-003-SEMARNAT-1997 ...........................................................................245 9. HIGIENE Y SEGURIDAD ..............................................................................................251 Programas ................................................................................................................251 Medidas de higiene ...................................................................................................252 Sustancias peligrosas ...............................................................................................253 Espacios confinados .................................................................................................254

Medidas de protección ............................................................................................. 254 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 9 ......................................................................... 256 10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES......................................................................... 257 Introducción................................................................................................................ 257 10.1 Tipos y características de los lodos residuales .............................................. 258 10.1.1 Características físicas ................................................................................... 259 10.1.2 Características químicas ............................................................................... 260 10.1.3 Características microbiológicas..................................................................... 261 10.2 Normatividad sobre lodos residuales............................................................... 263 10.3 Tratamiento de lodos residuales....................................................................... 265 10.3.1 Espesamiento y deshidratación de lodos ...................................................... 266 10.3.2 Estabilización ................................................................................................ 276 BIBLIOGRAFÍA................................................................................................................ 303 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 10........................................................................ 306 ANEXOS .......................................................................................................................... 309 ANEXO A. TÉCNICAS DE MUESTREO .......................................................................... 309 Introducción................................................................................................................ 309 Objetivos de un programa de muestreo................................................................... 309 Preparación .............................................................................................................. 311 Envases y preservadores químicos.......................................................................... 311 Revisión del equipo de muestreo de campo ............................................................ 312 Ubicación de la estación de muestreo...................................................................... 315 El muestreo .............................................................................................................. 315 Registro en campo ................................................................................................... 315 Colecta de muestras ................................................................................................ 316 Muestreo de ríos y arroyos....................................................................................... 318 Muestreo en tomas................................................................................................... 320 Muestreo en descargas libres .................................................................................. 320 Muestreo en canales y colectores ............................................................................ 320 Muestreo en tanques y lagos ................................................................................... 321 Procedimientos de muestreo.................................................................................... 321 Muestreo manual ................................................................................................. 321 Muestreo automático............................................................................................ 322 Preservación de muestras........................................................................................ 322 Control y aseguramiento de calidad en campo ........................................................ 323 Blancos de equipo.................................................................................................... 323 Blancos de viaje ....................................................................................................... 323 Blancos de campos .................................................................................................. 324 Muestras dobles ....................................................................................................... 324 Muestras divididas.................................................................................................... 324 ANEXO B. PRÁCTICA DE MUESTREO.......................................................................... 325 Generalidades............................................................................................................. 325 Procedimiento............................................................................................................. 326 ANEXO C. CÁLCULO DE LA RECIRCULACIÓN Y PURGA DE LODOS ...................... 337

ANEXO D. CALENDARIOS DE ACTIVIDADES...............................................................340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo. .......................................340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo. ......................................341 ANEXO E. FORMATOS DE CONTROL DE ARRANQUE Y UESTA EN MARCHA ........343 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................349 RESPUESTA A LAS AUTOEVALUACIONES .................................................................353 Capítulo 1.....................................................................................................................353 Capítulo 2.....................................................................................................................353 Capítulo 3.....................................................................................................................353 Capítulo 4.....................................................................................................................354 Capítulo 5.....................................................................................................................354 Capítulo 6.....................................................................................................................355 Capítulo 7.....................................................................................................................355 Capítulo 9.....................................................................................................................355 Capítulo 10...................................................................................................................356 INSTRUCTORES ..............................................................................................................357

INTRODUCCIÓN Este curso-taller de operación de plantas de tratamiento de lodos activados fue diseñado para formar al personal involucrado en este tipo de tratamientos. Con este material se proporcionan las herramientas básicas del proceso de tratamiento mediante la presentación del texto con ayudas didácticas, prácticas de campo que proporcionan un marco completo del proceso. El texto se estructuró de tal manera que, primero se presentan los antecedentes del proceso de lodos activados, cómo surgieron y dónde se aplica, un resumen de su aparición en México, y su vigencia. Después de la presentación del biológicas del tratamiento; esto microorganismos responsables de orgánica y demás que conviven dinámica de dicha población.

proceso se dan las bases es, la descripción de los la degradación de la materia en el sistema, así como la

Se presenta el tema de lodos activados con la descripción del proceso, las unidades previas requeridas, los componentes básicos del sistema y su interrelación. Enseguida se aborda el tema de modificaciones al proceso, el cual resulta interesante por presentarse de manera sencilla y clara, con diagramas de su funcionamiento. Una vez conocidos los principios básicos del proceso, se muestran los equipos para el sistema, como son los de sedimentación y los equipos para proporcionar el oxígeno demandado por los microorganismos. La responsabilidad del buen funcionamiento de la planta generalmente recae en el operador; por eso, la parte más importante del curso-taller hace referencia a los fundamentos y control de la operación. En la primera parte se dan las herramientas para el control de proceso, así como la práctica directa del cálculo de parámetros e índices de este control mediante un taller de cálculos donde se realizarán operaciones sencillas, pero de suma importancia para el operador. Se ejemplifican los problemas típicos del proceso y su acción correctiva mediante el uso de matrices que son de gran práctica.

Se dan las bases para el arranque de una planta de tratamiento de lodos activados, con todas las implicaciones que presenta: prueba a unidades, equipos, inoculación, arranque, control del proceso durante los primeros días y problemas que se pueden presentar. Entre los temas del curso-taller también esta el referente a higiene y seguridad dentro de la planta; un tema que requiere mucha atención pues pocas instalaciones en el país observan esas normas. Finalmente, el último tema se refiere al tratamiento de lodos residuales, en donde se trata el composteo y vermicomposteo.

OBJETIVOS GENERALES Al término del curso –taller, el participante: •

• • • •

Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales.

DIRIGIDO A: • • •

Gerentes de mantenimiento. Ingenieros y técnicos responsables de la operación de Plantas de Tratamiento. Jefes de protección ambiental y/o ecología.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

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ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AUTORES: Gabriela Moeller Chávez Violeta E. Escalante Estrada Ana Cecilia Tomasini Ortiz

Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: • Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. • Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. • Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. • Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual.

1.1 Contaminación del agua y su control Debido a la importancia que tiene el agua en la vida del hombre, si está contaminada se convierte en un medio con gran potencial para transmitir una amplia variedad de enfermedades. En los países desarrollados las enfermedades hídricas son raras, lo que se debe esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y de tratamiento del agua residual. Sin embargo, en los países en vías de desarrollo cerca de 2000 millones de personas, no cuentan con abastecimiento de agua segura y saneamiento adecuado. Como resultado, las enfermedades hídricas en estos alcanzan cifras alarmantes. Actualmente hay una gran preocupación por los posibles riesgos para la salud que pueden surgir a largo plazo por la presencia de pequeñas concentraciones de impurezas en el agua para beber, en especial de compuestos potencialmente cancerígenos. También existen varios contaminantes, de origen natural o producidos por el hombre, que tienen efectos conocidos en la salud de quienes los consumen. Por tanto, es muy importante que se conozca la relación que existe entre la calidad del agua y la salud.

1.1.1 Tipos de contaminantes Es importante tener presente que todas las aguas naturales contienen varios contaminantes que provienen de la erosión, la lixiviación y los procesos de degradación a la intemperie. A esta contaminación natural se agrega aquella causada por las aguas residuales de origen doméstico o industrial, que por lo común se eliminan descargándolas, por ejemplo, en el mar, en estratos subterráneos o, más comúnmente, en aguas superficiales. 17

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Cualquier cuerpo de agua es capaz de asimilar cierta cantidad de contaminantes, sin mostrar efectos serios, debido a los factores de dilución y autopurificación que están presentes. Si hay contaminación adicional, se altera la naturaleza del cuerpo de agua receptor y deja de ser adecuado para sus diferentes usos. Por lo anterior, es importante conocer los efectos de la contaminación, así como las medidas de control disponibles para el manejo eficiente de los recursos hidráulicos. Los contaminantes que afectan la calidad del agua también se pueden clasificar de la siguiente forma: a) b) c) d) e) f) g)

Compuestos infecciosos y tóxicos. Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua. Compuestos orgánicos persistentes. Nutrientes. Materia suspendida. Temperatura. pH a) Compuestos infecciosos y tóxicos

Aquí se incluye una amplia variedad de sustancias que han demostrado tener impacto negativo en el ser humano al estar presentes en el agua potable a la cual utilizan como vehículo de transporte. Las bacterias son las representativas de los compuestos infecciosos relacionándolas con grandes epidemias, también se encuentran los virus, protozoarios, helmintos, gusanos y otros organismos patógenos. El arsénico, plomo, mercurio, cadmio, otros metales en su mayoría pesados, y algunos compuestos orgánicos pueden provenir de operaciones de acabado y cromado de metales, repelentes de polilla utilizados en la manufactura de textiles, herbicidas y plaguicidas, etc. El efecto que causan en el ser humano es tan importante que pueden llegar a modificar el material genético en las células de los seres vivos. b) Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua Algunos compuestos orgánicos son utilizados por los microorganismos presentes en la corriente como fuentes de energía y crecimiento. El proceso metabólico en estas transformaciones causa el rompimiento de los compuestos orgánicos generando estructuras más sencillas y residuos. De esta forma, las reacciones bioquímicas llevadas a cabo emplean el oxígeno disuelto en el agua, limitando la disponibilidad de éste en la corriente. El valor de la DBO depende del tipo y cantidad de compuestos orgánicos presentes, número y tipo de organismos en el agua, temperatura, pH, presencia de nutrientes y elementos traza necesarios para el crecimiento. La presencia en exceso de organismos y/o materiales puede causar el agotamiento del oxígeno disuelto y la muerte de los organismos superiores (peces). Además, la ausencia de oxígeno disuelto afecta el crecimiento de los microorganismos aerobios y favorece el predominio de los organismos anaerobios que generan subproductos causantes de olores desagradables.

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La reducción del oxígeno disuelto (OD) en la corrientes de agua, ha recibido especial atención en los estándares de calidad, por esta razón la prueba de la DBO es una medida para evaluar las características de las descargas de aguas residuales; este método es práctico y directo para medir el oxígeno consumido por los organismos durante la estabilización bioquímica de la materia orgánica. Otro tipo de sustancia que entorpece la transferencia de oxígeno a través de la interfase aire-agua son las grasas y aceites, ya que forman películas que no permiten la transferencia de oxígeno. c) Compuestos orgánicos persistentes Estos compuestos no se descomponen a través de la acción biológica, por lo que pueden permanecer durante largos periodos o indefinidamente. Se ha encontrado que los pesticidas y los hidrocarburos clorados, que son resistentes al ataque bioquímico, pueden generar problemas crónicos o agudos en la salud. d) Nutrientes Los microorganismos requieren de elementos que son necesarios para su crecimiento y reproducción. Estos elementos incluyen carbón, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre y algunos otros, presentes en cantidades traza, cuando alguno de ellos no existe, el crecimiento y reproducción se afectan. Un exceso de N y P debido a descargas residuales sin tratar pueden causar problemas de eutroficación en cuerpos de agua ya que favorecen el crecimiento excesivo de algas y malezas acuáticas, y ya que algunas algas pueden fijar el nitrógeno atmosférico, se acepta generalmente que el fósforo es el nutriente limitante en el agua. Los fosfatos se encuentran en el agua residual, debido en parte, a excretas humanas y al uso en los detergentes sintéticos. e) Materia suspendida La materia suspendida tiene un tamaño de partícula mayor que las moléculas disueltas y los iones, dividiéndose en partículas suspendidas y coloidales. La materia suspendida presenta efectos desagradables en la calidad del agua. Por ejemplo, el incremento de la turbiedad restringe los usos que se pueden obtener del agua tratada. Además, las partículas interfieren con la penetración de la luz, causando un impacto considerable a los organismos acuáticos que dependen de ella para crecer y reproducirse. Por lo que tienen una gran influencia sobre el balance ecológico de los cuerpos de agua. La materia suspendida está presente en las corrientes y lagos debido a que es arrastrada en el agua superficial de campos de cultivo y áreas urbanas, o por la descarga de residuos industriales o municipales. Por ejemplo, los compuestos de hierro presentes en los efluentes de las fábricas de acero o minas de carbón abandonadas reaccionan con la alcalinidad y el oxígeno presentes en la corriente formando precipitados que impactan en diferente forma el estado natural de la corriente.

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Por otro lado, la materia suspendida puede estar formada por los sólidos suspendidos y por los sedimentables. Los cuales sedimentan en el fondo de los ríos, lagos, lagunas, o estanques creados con ese fin. Cuando los sólidos sedimentados contienen gran cantidad de materia orgánica su descomposición crea problemas de olor, pero el efecto más importante es la reducción de la capacidad de los cuerpos de agua debido a la sedimentación, provocando así la destrucción de la vida acuática. f) Temperatura La temperatura es el principal ejemplo de la complejidad del agua ya que puede ser dañina o benéfica dependiendo de las circunstancias. El mayor impacto del incremento de la temperatura en las corrientes es que abate el valor de la fuente para sus usos posteriores. Asimismo, intensifica los problemas de sabor y olor en el agua potable. El valor de la DBO se incrementa sustancialmente con el aumento en la temperatura, por las siguientes razones: • •

la rapidez de la reacción bioquímica en la corriente se acelera con el incremento de la temperatura, lo cual reduce el oxígeno disuelto (OD) disponible del sistema. las altas temperaturas abaten el reabastecimiento del oxígeno consumido en las reacciones, al aumentar la temperatura de la corriente se acelera la muerte de algunas especies.

1.1.2 Vertido de aguas residuales En las corrientes de agua en estado natural, Bacterias existe un equilibrio entre la vida vegetal y Sustancias Algas animal, mediante una gran interacción entre naturales e las diversas formas de vida que aseguran el inorgánicas proceso de autodepuración (Figura 1.1). Las Agua residual aguas de buena calidad se caracterizan por Protozoarios una gran diversidad de especies sin predominio de unas o de otras. La materia orgánica vertida a un cauce es descompuesta por bacterias a nitrógeno amoniacal, nitratos, sulfatos, bióxido de carbono, etc., los cuales son utilizados por plantas y algas para producir carbohidratos y Hombre oxígeno. Las especies vegetales sirven de Peces alimento a animales microscópicos (rotífero, etc.), los cuales a su vez, sirven de alimentos a crustáceos, insectos, gusanos y peces. FUENTE: Noyola-Robles, A., et al, 2000 Algunos animales se alimentan de los residuos producidos por otros, ayudando de Figura 1.1 Ciclo de autopurificación esta manera a la degradación bacteriana. Si la concentración de materia orgánica vertida es grande, el crecimiento bacteriano será muy alto con una disminución del oxígeno disuelto (OD) lo cual afecta el equilibrio mencionado. 20

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Como se dijo, los efluentes líquidos son eliminados mediante su vertido a aguas superficiales, tanto directamente como a terrenos que drenen a las mismas; por descarga en aguas subterráneas, de forma directa mediante inyección en pozos profundos o indirecta por percolación, o por evaporación a la atmósfera. Cualquiera que sea la forma de eliminación final utilizada, los efluentes deben tratarse previamente hasta por lo menos, un nivel equivalente al del tratamiento secundario de manera que se cumpla con la legislación vigente y no altere negativamente el ecosistema donde se descarga. Cuando la descarga de agua residual se realiza en un cuerpo de agua pueden presentarse los siguientes fenómenos: dilución, dispersión, sedimentación, desinfección y temperatura. •

Dilución: la dilución con un gran volumen de agua que contenga una cantidad importante de OD ayuda a reducir la posibilidad de ocurrencia de efectos contaminantes. Por el contrario, los efluentes vertidos a corrientes de agua de poco caudal, necesitan de tratamiento intensivo si se quiere cumplir con las normas de calidad del agua.

•

Dispersión: las corrientes colaboran en la dispersión del agua residual en el agua, lo que disminuye la posibilidad de crear zonas con altas concentraciones de contaminantes. La existencia de remolinos y retrocesos de las aguas pueden dar lugar a la sedimentación de los sólidos suspendidos, provocando la formación de bancos de lodo y la producción de malos olores. Las corrientes rápidas favorecen la reaeración, a la vez que reduce el tiempo de recuperación; pero puede aumentar la longitud del tramo de la corriente afectado por el vertido.

•

Sedimentación: los sólidos suspendidos y los sedimentables elevan la demanda de oxígeno, estos pueden ser eliminados por sedimentación si la velocidad de la corriente es menor que la de arrastre de las partículas. Tal eliminación mejora la calidad del agua después de la zona de sedimentación, pero no cabe duda que es perjudicial en el punto donde los sólidos se acumulan.

•

Desinfección: la luz solar actúa como desinfectante y estimula el crecimiento de las algas. Estas producen oxígeno durante el día, pero lo consumen durante la noche. Las aguas que contienen grandes desarrollos de algas pueden llegar a sobresaturarse de OD durante las horas de sol y tornarse anaerobias durante la noche.

•

Temperatura: la temperatura afecta a la solubilidad de oxígeno en el agua, a la actividad de las bacterias y a la velocidad de reaeración. La condición crítica se alcanza en épocas de altas temperaturas en las que el consumo de oxígeno es elevado y su disponibilidad reducida.

1.1.3 Autodepuración de lagos La autodepuración de los lagos la efectúan los mismos agentes que actúan en las corrientes. Sin embargo, en los lagos las corrientes son menos pronunciadas y a menudo la sedimentación originará grandes acumulaciones de lodo en el fondo, algas muertas y otros tipos de vegetación. La inevitable descomposición que puede ser lenta debido a las bajas temperaturas del agua profunda, empleará todo el oxígeno de dichas capas más profundas. 21

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No es raro descubrir en los embalses y lagos, que las capas de aguas superiores contengan mucho OD, plancton y peces propios de aguas limpias, mientras que los estratos inferiores presentan las características de ausencia de oxígeno, bacterias anaerobias y olores desagradables. Un lago poco profundo presenta condiciones favorables para la rápida autodepuración: gran superficie de agua en comparación con el volumen y mucho contacto con las algas tanto en las masas flotantes como en las fijas sobre plantas acuáticas o en las orillas. El efecto de los vertidos de aguas residuales en lagos y estuarios puede estudiarse empleando modelos matemáticos y su aplicación queda fuera de los alcances de este curso.

1.1.4 Control de la contaminación Debido a la necesidad de conciliar las diferentes demandas de los recursos hidráulicos, la mayoría de los países tienen leyes para controlar la contaminación, conservar y, tal vez mejorar, la calidad del agua. En este contexto es útil citar la definición de la Comunidad Económica Europea (CEE): “La contaminación del agua es la descarga efectuada por el hombre de sustancias diversas al medio ambiente acuático, que pone en riesgo la salud humana, daña los recursos vivos y los ecosistemas acuáticos, impide su uso para fines recreativos o interfiere otros usos legítimos del agua”. Se concluye que para que una descarga se denomine contaminante, debe haber evidencia de deterioro o daño. Cuando se establecen métodos para el control de la contaminación del agua, los patrones se pueden basar ya sea en calidad del agua requerida por el cuerpo receptor (enfoque de objetivos de calidad del río) o bien pueden aplicarse directamente al afluente sin referencia a la calidad del agua del cuerpo receptor (enfoque de patrones de emisión). El método de objetivos de calidad resulta lógico pero puede ser causa de problemas cuando se agrega una nueva descarga al sistema, ya que todos los niveles de descarga existentes deben revisarse río abajo o la nueva descarga y se puede enfrentar un estándar de calidad para el agua muy alto, imposible de lograr. Podría ser desigual el grado de tratamiento requerido para aguas residuales similares que se descargan en diferentes tramos de un mismo río. Un efluente aguas abajo podría requerir más tratamiento debido a que el agua de dilución sería de una calidad inferior como resultado de la descarga aguas arriba. Desde el punto de vista administrativo, el concepto de patrones de emisión es conveniente en el sentido que el estándar se aplica a todas las descargas similares, pero tiene la desventaja que no se toman en cuenta las características de autopurificación del agua receptora ni de su uso aguas abajo. El compromiso de adoptar patrones de emisión basados en el uso del agua receptora tiene el mérito de ser más fácil de implantar que los patrones para agua receptora, pero no asegura por sí mismo la conservación de la calidad del agua en condiciones cambiantes de descarga del efluente.

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El control de la contaminación del agua en el Reino Unido está apoyando principalmente en el trabajo pionero de la Royal Commision on Sewage Disposal, que en su octavo informe (1992) propuso la adopción de normas para efluentes relacionados con la calidad y volumen del agua de dilución. Según estos estudios, la Comisión sugirió que una DBO de 4/mg/l en un curso de agua era un límite que, si era excedido, indicaría un grado significativo de contaminación. Un esquema de cobro alienta a los usuarios industriales a tomar acciones para reducir el volumen y la concentración del agua residual por medio de un mejor control de los procesos y, si es posible, una modificación de los mismos. Si los desechos industriales se descargan al sistema de drenaje principal, es importante asegurarse que el agua residual no contenga material que dañe el alcantarillado, a los trabajadores del drenaje o a los procesos de tratamiento de agua residual. Por esto en algunos casos puede ser necesario dar un pretratamiento en la industria antes de hacer una descarga al alcantarillado. La política de “el que contamina paga”, algunas veces invocada para tratar las descargas de desecho industrial, puede ser no totalmente satisfactoria a no ser que las cuotas se fijen racionalmente. En algunas situaciones un industrial podría preferir considerar como gasto de operación y pagar el costo de causar contaminación en vez de invertir capital en una planta de tratamiento. Tal enfoque tendría efectos directamente perjudiciales en la calidad del agua del cuerpo receptor. Consideraciones similares a las descritas se aplican para el control de la contaminación del agua subterránea aunque aquí, debido a la dificultad de rectificar el daño causado al acuífero, se prefiere el empleo de factores de seguridad mayores que los usados para la descarga en agua superficial. Se debe tener un cuidado especial para proteger acuíferos importantes y en algunos casos la eliminación subterránea de los desechos líquidos y los tiraderos de desechos sólidos con problemas de lixiviación, sólo se permiten si sabe que el acuífero está completamente aislado de la fuente potencial de contaminación. En el caso de aguas de mar, las descargas se pueden reglamentar de acuerdo a los parámetros normales físicos y químicos que se usan para las descargas tierras adentro, con ajustes adecuados que tomen en cuenta la dilución disponible. Así, en situaciones con una dilución adecuada, la descarga de agua residual con desechos cribados o triturados puede ser aceptable. Cuando la principal preocupación es en relación con playas o banco de moluscos, es probable que los efectos bacteriológicos de la contaminación por agua residual sean de los más significativos. Aunque las implicaciones en la salud por contaminación bacteriológica de las aguas de mar son difíciles de cuantificar, las diferentes autoridades han fijado los patrones de calidad para el agua para bañarse de acuerdo con los recuentos de coliformes, que varían de 100/100 ml en California a 10 000 /100 ml en la CEE. De esta manera las normas locales, ajustadas a condiciones particulares climáticas y ambientales, son más apropiadas que los patrones universales.

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1.2 Parámetros de calidad del agua Aunque normalmente se considera el agua como una molécula formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, H2O, todas las aguas naturales contienen cantidades variables de otras sustancias disueltas en concentraciones que fluctúan de unos cuantos miligramos por litro en agua de lluvia a cerca de 35,000 mg/l en agua de mar. Por lo general, las aguas residuales contienen la mayoría de los constituyentes del agua de abastecimiento, más las Foto 1.1 El agua residual es el agua impurezas adicionales provenientes del proceso suministrada, más las impurezas adicionales productor de desechos (Foto 1.1). provenientes del proceso productor de desechos

El agua residual cruda promedio contiene alrededor de 1000 mg/l de sólidos en solución y suspensión, o sea que cerca del 99.9% es agua pura. Claro que medir simplemente el contenido total de sólidos de una muestra es insuficiente para especificar su condición ya que el agua subterránea, clara y brillante, puede tener el mismo contenido total de sólidos en solución que el agua residual cruda. Para obtener una imagen verdadera de la naturaleza de una muestra en particular, es necesario cuantificar diferentes propiedades mediante un análisis que determine sus características físicas, químicas y biológicas; sin embargo, no se investigan todas las características de una muestra dada. En la tabla 1.1 se relacionan los parámetros o características que con más frecuencia se miden en los diferentes tipos de muestras y según su procedencia. Tabla 1.1 Parámetros importantes para caracterizar el agua de diferentes muestras según su procedencia PARÁMETROS pH Temperatura Color Turbiedad Sabor Olor Sólidos totales Sólidos sedimentables Sólidos suspendidos Conductividad Radioactividad Alcalinidad Acidez Dureza OD DBO DQO o COT Nitrógeno orgánico Nitrógeno amoniacal Nitrógeno de nitritos Nitrógeno de nitratos 24

AGUA DE RÍO

AGUA POTABLE

X X X X

X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X X

X X X X X X

X X

AGUA RESIDUAL CRUDA X X

EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA X X

X X X

X

X X

X X

X X X X X X

X X X X X X X

X

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PARÁMETROS

AGUA DE RÍO

Cloruros Fosfatos Detergente sintético Análisis bacteriológicos

AGUA POTABLE

X X X X

X

AGUA RESIDUAL CRUDA

EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA

X X X

X X X

1.2.1 Características físicas Las principales consideraciones para establecer a primera vista la calidad del agua se basan más en las características físicas que en las químicas y biológicas. De esta forma se desea un agua incolora, insípida e inodora. Las propiedades físicas más comúnmente empleadas para determina las impurezas en el agua residual se reportan en la tabla 1.2. La temperatura es un parámetro importante por su efecto en otras propiedades, por ejemplo, aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de los gases, intensificación de sabores y olores. Los sólidos pueden clasificarse según su tamaño y estado en sedimentables, suspendidos, coloidales o disueltos. Los sólidos disueltos totales (SDT) se deben a materiales solubles, mientras que los sólidos en suspensión (SS) son partículas discretas que se miden al filtrar una muestra a través de un papel filtro de poro fino. Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento estándar de sedimentación con el uso de un cono Imhoff después de ½ hora. Por sus características químicas, los sólidos, se clasifican como no volátiles (sólidos fijos) y volátiles. Los últimos se volatilizan a temperaturas de 550°C y son considerados como materiales orgánicos. Tabla 1.2 Análisis físicos empleados para determinar las impurezas en el agua y agua residual PRUEBA Turbiedad

ABREVIACIÓN UTN

USO Para asegurar la claridad del agua.

Sólidos Sólidos totales Sólidos totales volátiles

ST STV

Para asegurar el reúso potencial de un agua residual y para determinar los procesos empleados para su tratamiento.

Sólidos suspendidos Sólidos suspendidos volátiles Sólidos disueltos totales (ST-SS) Sólidos sedimentables

SS SSV SDT SSel

Para determinar los sólidos que pueden sedimentar en un tiempo específico; los valores de la prueba se usan para facilitar el diseño de los sedimentadores.

Color

Varios tonos de luz amarilla, luz café, gris, negra. Para determinar la presencia de agentes coloridos sintéticos y naturales en el agua. Define la condición del agua residual (fresca o séptica).

Olor

Determina si el nivel de olor puede ser un problema. LMCO*

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PRUEBA Temperatura

ABREVIACIÓN ºC

USO Para diseñar los procesos de tratamiento; determina la concentración de saturación de los gases. * LMCO = Límite Mínimo de la Concentración de Olor detectado.

La tabla 1.3 resume las formas en las que se encuentran los diferentes tipos de sólidos. Tabla 1.3 Tipos de sólidos presentes en las aguas residuales SÓLIDOS Totales Suspendidos Disueltos

FRACCIÓN TOTAL STT SST SDT

FRACCIÓN VOLÁTIL (MATERIA ORGÁNICA) STV SSV SDV

FRACCIÓN FIJA (MATERIA INORGÁNICA) STF SSF SDF

Como se puede ver si se suman la fracción volátil a la fija se obtiene el total. Por ejemplo; STF+STV=STT. Por otro lado, la diferencia entre los sólidos totales (ya sean STT, STV o STF) y los suspendidos (SST, SSV O SSF) es igual a los sólidos disueltos (SDT, SDV, SDF). Todos los sólidos se reportan en mg/l, excepto los sedimentables que se reportan en ml/l.

1.2.2 Características químicas Las características químicas tienden a ser más específicas que algunos de los parámetros físicos y por eso más útiles para evaluar las propiedades de una muestra. A continuación se describen algunas características químicas importantes del agua: 1. pH. La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la escala de pH, que en realidad mide la concentración de iones de hidrógeno presentes en una solución. El pH tiene una escala de 0 a 14, por lo que, un valor de 7 es neutro. Por arriba o por debajo de 7.0 el pH es alcalino; o por debajo de 7 el pH es ácido. El pH controla muchas reacciones químicas y la actividad biológica normalmente se restringe a una escala de pH entre 6 y 8. Las aguas muy ácidas o muy alcalinas son indeseables debido a que son corrosivas o presentan dificultades en su tratamiento. 2. Potencial de óxido-reducción (Potencial REDOX). El potencial REDOX permite, de manera indirecta, mostrar hacia donde se desplaza el equilibrio en las reacciones de óxido-reducción que suceden en los cuerpos de agua ó en los reactores de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Valores positivos de REDOX muestran una oxidación de materia orgánica a dióxido de carbono (CO2) en un medio aerobio y valores negativos son originados por su reducción en un ambiente anaerobio. Es así que, las reacciones aerobias tienen valores mayores a +200 mV y las reacciones anaerobias ocurren a –300 mV.

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3. Alcalinidad. La capacidad para neutralizar ácidos. La alcalinidad es útil, tanto en el agua natural como en las aguas residuales, porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios en el pH. Normalmente, se divide en alcalinidad cáustica, por encima del pH 8.2 y alcalinidad total, por encima del pH 4.5. La alcalinidad puede existir hasta un pH de 4.5 debido a que el [HCO3-] no se neutraliza completamente sino hasta que se alcanza este pH. La cantidad de alcalinidad presente se expresa en términos de mg/2 de CaCO3. 4. Acidez. Es la capacidad del agua para neutralizar compuestos básicos. La mayoría de las aguas naturales y el agua residual doméstica son amortiguadas por un sistema CO2 HCO3-. El ácido carbónico H2CO3 no se neutraliza totalmente hasta un pH de 8.2 y no disminuye el pH por debajo de 4.5. Así la acidez del CO2 ocurre dentro de un pH de 8.2 a 4.5, la acidez mineral (casi siempre debido a desechos industriales) se presenta por debajo de un pH de 4.5. La acidez se expresa en términos de CaCO3. 5. Demanda de oxígeno. Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables, relativamente inertes, tales como CO2 NO3, H2O. La indicación del contenido orgánico de un desecho se obtiene de medir la cantidad de oxígeno que se requiere para su estabilización. a) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos en la descomposición de la materia orgánica. La determinación estandarizada tiene un período de duración de 5 días (DBO5) y puede haber interferencias por el crecimiento endógeno de los microorganismos. En condiciones anaerobias, la cantidad de sustrato que puede ser degradado biológicamente es con frecuencia mayor que el representado por la concentración de la DBO5 del agua residual. Por lo que en el diseño de los procesos anaerobios, se utiliza la demanda química de oxígeno (DQO) para caracterizar la descarga orgánica de una muestra. b) Demanda química de oxígeno (DQO). Es la cantidad de oxígeno que se consume, al oxidar la materia orgánica e inorgánica por medio de un oxidante fuerte (dicromato de potasio) en un medio ácido. La prueba, a diferencia de la DBO, es muy rápida pero también se oxidan compuestos inorgánicos elevando el valor de la DQO. Casi todas las sustancias orgánicas se oxidan en su totalidad. Otra manera para determinar el contenido de materia orgánica es por medio de la técnica del carbono orgánico total (TOC). En este caso se mide realmente el carbono orgánico ya sea biodegradable o no. El tiempo de determinación es mucho menor que para la DBO y la DQO, pero requiere de equipo muy especializado y costoso. 6. Nitrógeno. Es un elemento importante ya que las reacciones biológicas sólo pueden efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Este se encuentra presente en las siguientes formas en el agua residual. a) Nitrógeno orgánico. Presente en proteínas, aminoácidos y urea. b) Nitrógeno amoniacal. Nitrógeno como sales de amoniaco; por ejemplo, carbonato de amonio (NH4)2CO3, o como amoniaco libre (NH3) o hidróxido de amonio. 27

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c) Nitrógeno de nitritos (NO2-). Una etapa intermedia de oxidación que normalmente no se presenta en grandes cantidades. d) Nitrógeno de nitratos (NO3-). Producto final de la oxidación del nitrógeno. La oxidación de los compuestos de nitrógeno llamada nitrificación, se expresa de la siguiente forma. −

N Org . + O2 → N − NH 3 + O2 → N − NO2 + O2 → N − NO3

−

La reducción del nitrógeno, que se llama desnitrificación, puede revertir el proceso:

NO3 → N 2O → N ↑ Las aguas residuales industriales tienen también otras características químicas específicas que se pueden evaluar, por ejemplo, la presencia de metales tóxicos, cianuro, fenoles, grasas y aceites, etc.

1.2.3 Características biológicas Casi todos los desechos orgánicos contienen grandes cantidades de microorganismos (patógenos y no patógenos); el agua residual contiene más de 106 células bacterianas /ml, pero los números reales presentes regularmente no se determinan. Después del tratamiento convencional del agua residual el efluente todavía contiene una gran cantidad de microorganismos, al igual que muchas aguas superficiales naturales, los microorganismos patógenos deben eliminarse.

1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual Las aguas naturales contienen una amplia variedad de microorganismos los cuales forman un sistema ecológico balanceado. Las características biológicas de éste se relacionan principalmente con la población residente en microorganismos y su impacto directo en la calidad del agua. Por esta razón, es necesario conocer los principios básicos de la microbiología y así comprender cómo participan los microorganismos en el proceso de la depuración del agua residual.

1.3.1 Tipos de metabolismo Para garantizar el crecimiento adecuado de un organismo, éste debe tener una fuente de carbono y de energía (nutrientes). De esta forma, elementos como nitrógeno, fósforo y elementos traza como azufre, potasio, calcio y magnesio deben estar disponibles en el agua. Las dos fuentes de carbón para la síntesis de tejido celular son el dióxido de carbón y el carbón presente en la materia orgánica. Si un organismo toma el carbón a partir del dióxido de carbono (carbón inorgánico), es llamado autótrofo, si usa carbón orgánico, es denominado heterótrofo. Los organismos autótrofos son capaces de sintetizar sus requerimientos orgánicos a partir de la materia inorgánica y pueden crecer independientemente de las substancias orgánicas externas. Emplean dos métodos para alcanzar este fin: 28

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1. Fotosíntesis: muchas plantas utilizan el carbón inorgánico y la radiación solar para producir materia orgánica y oxígeno. Luz 6CO2 + 6 H 2 O →  C 6 H 12 O6 + 6O2

2. Quimiosíntesis: se utiliza la energía química de los compuestos inorgánicos para suministrar la energía para la síntesis de substancias orgánicas.

2 NH 3 + 3O2 → 2 NHO2 + 2 H 2O + energía Por su parte, los organismos heterótrofos requieren una fuente externa de materia orgánica; los tres tipos principales son: 1. Los saprófobos, que obtienen la materia orgánica soluble directamente del ambiente circundante o por la ingestión extracelular de compuestos insolubles. Sus requerimientos de alimento pueden fluctuar desde un simple compuesto orgánico de carbono hasta varios compuestos complejos de carbono y nitrógeno, junto con factores adicionales de crecimiento. 2. Los fagótrofos, algunas veces llamados formas holozóicas, utilizan partículas orgánicas sólidas. 3. Los parátrofos obtienen la materia orgánica a partir de los tejidos de otros organismos vivos, por lo que se denominan parásitos. La tabla 1.4 muestra la clasificación de los microorganismos con base en sus requerimientos de carbón y energía. Tabla 1.4 Clasificación general de los microorganismos con base en sus fuentes de carbón y energía FUENTE DE ENERGÍA

FUENTE DE CARBÓN

Fotoautótrofos

Luz

CO2

ORGANISMOS REPRESENTATIVOS Algas, cianobacterias

Fotoheterótrofos

Luz

Materia orgánica

Bacterias fotosintéticas

Quimioautótrofos

Materia inorgánica

CO2

Algunas bacterias

Materia orgánica

Bacterias

CLASIFICACIÓN

Materia orgánica Quimioheterótrofos FUENTE: Tchobanoglous y Schroeder, 1987.

1.3.2 Tipos de microorganismos Por definición, los microorganismos son aquellos organismos muy pequeños que no pueden ser vistos a simple vista, quedando comprendidos en esta categoría un gran número de organismos acuáticos. Los principales grupos de microorganismos presentes en el agua se clasifican como monera y protistas; órganos superiores como, plantas y animales, y algunas veces también hongos (tabla 1.5). Comúnmente, los organismos listados en esta tabla son procariontes o eucariontes dependiendo de la complejidad de sus estructuras celulares. Los procariontes tienen su material nuclear disperso en el citoplasma y no poseen un núcleo verdadero. Los eucariontes poseen un núcleo. 29

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Los procariontes son estructuras celulares simples y pequeñas (< 5 µm) con núcleo primitivo de un solo cromosoma circular, sin membrana nuclear. Se incluyen en este grupo las bacterias, los actinomicetos y las cianobacterias. Los eucariotas son células más grandes (> 20 µm) con una estructura más compleja y un núcleo verdadero que contiene varios cromosomas con una membrana nuclear. En esta clase de microorganismos se incluyen los hongos, la mayoría de las algas y los protozoarios, animales y plantas. Tabla 1.5 Clasificación de los microorganismos de interés en el agua y agua residual REINO

MIEMBROS REPRESENTATIVOS

CLASIFICACIÓN DE CÉLULAS

Crustáceos Lombrices Rotíferos

Animal*

Plantas acuáticas Plantas de semilla Helechos Musgo

Plantas* Protistas

Protozoarios, rotíferos Algas

Hongos

Hongos (mohos y levaduras)

Monera

Bacterias y cianobacterias

Células eucariontes (el núcleo posee una membrana celular bien definida).

Células procariontes (el núcleo posee una membrana celular bien definida).

* Multicelular con diferencias en el tejido.

Hay un grupo adicional de microorganismos: los virus, que no pueden ser clasificados en ninguna de las dos clases anteriores y, por tanto, se consideran por separado y no son considerados como células verdaderas.

1.3.2.1 Virus Los virus son la forma más simple de un organismo. Son parásitos obligados ya que no tienen la habilidad para sintetizar nuevos compuestos (no tiene metabolismo propio). Su tamaño varía entre 0.01 a 0.03µm y consisten de material genético – ácido desoxirribonucleico (ADN) o ribonucleico (ARN), dentro de una cubierta proteica. Son altamente específicos tanto en lo que concierne al organismo huésped como a la enfermedad que producen. 30

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1.3.2.2 Bacterias Las bacterias (Figura 1.2) son organismos unicelulares pertenecientes al reino monera que pueden vivir como autótrofos o como heterótrofos y aprovechar el alimento soluble. Algunas bacterias forman esporas resistentes que pueden permanecer latentes por periodos prolongados en condiciones ambientales adversas pero que pueden reactivarse al retornar las condiciones favorables. La mayoría de las bacterias se desarrollan en condiciones de pH neutras, aunque algunas especies pueden existir en un ambiente altamente ácido. Las bacterias desempeñan una función vital en los procesos naturales de estabilización y se utilizan ampliamente en el tratamiento de aguas residuales orgánicas. Se conocen alrededor de 1,500 especies que se clasifican en relación con criterios tales como:

• • • • •

Tamaño, forma y agrupamiento de células características de la colonia Reacción a la tinción Requerimientos de crecimiento Movilidad y reacciones químicas específicas Se encuentran en formas aerobias, anaerobias y facultativas

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.2 Tipos de bacterias

31

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1.3.2.3 Hongos Los hongos son células eucariontes aerobios, multicelulares, no fotosintéticos y heterótrofos. Algunos hongos son saprofitos, obteniendo su alimento de la materia orgánica muerta. Existen más de 100,000 especies de hongos y su estructura es una compleja masa ramificada de hifas que parecen hilos y cuyo conjunto constituye el núcleo (Figura 1.3). Al igual que las bacterias, los hongos principales organismos responsables de la descomposición del carbón en la biosfera. Son capaces de degradar compuestos orgánicos altamente complejos. Los hongos tienen gran importancia en la descomposición de la materia orgánica en medios acuáticos y terrestres.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.3 Hongos presentes en el agua residual

1.3.2.4 Algas Las algas (Figura 1.4) son microorganismos eucariontes, autotróficas, fotosintéticas, contienen clorofila y actúan como las principales productoras de materia orgánica en un ambiente acuático.

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Los compuestos inorgánicos tales como el bióxido de carbono, el amoníaco, el nitrato y el fosfato proporcionan la fuente de alimento para sintetizar nuevas células de algas y para producir oxígeno. En ausencia de la luz solar, las algas viven en forma quimiosintética y consumen oxígeno, de modo que en el agua que tiene algas hay una variación diurna de los niveles de oxígeno disuelto (OD), teniendo lugar una sobresaturación de oxígeno durante el día y una disminución significativa durante la noche. En el agua dulce crece un gran número de algas, que se clasifican en varios tipos: verdes, cafés o amarillas, lo que depende de las proporciones de pigmentos particulares. Existen como células solas que pueden ser inmóviles o móviles, si tienen flagelos, o bien como formas filamentosas multicelulares.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.4 Especies de algas presentes en el agua residual 33

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1.3.2.5 Protozoarios Los protozoarios son microorganismos eucariontes unicelulares de 10 a 100 µm de longitud que se reproducen por fisión binaria. Algunos protozoarios se encuentran libres en la naturaleza, mientras que otros son parásitos, viviendo dentro o fuera de un organismo. Los huéspedes varían de organismos primitivos como las algas a organismos complejos, incluyendo al ser humano. La mayoría son heterótrofos aerobios o anaerobios facultativos. Su fuente principal de alimento son las células bacterianas; sin embargo, no pueden sintetizar todos los factores necesarios para su crecimiento y dependen de las bacterias para que los suministren. Los protozoarios abundan en el suelo y en el agua y pueden tener una participación importante en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. La figura 1.5 muestra algunos protozoarios presentes en el agua residual.

FUENTE: Tchobanoglous, George; Schroeder, Edward D.; Water Quality Figura 1.5 Algunos protozoarios presentes en el agua residual 34

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1.3.2.6 Formas superiores de vida Así como microorganismos, hay en el agua natural organismos más complejos, muchos de ellos visibles a simple vista. Entre estos se incluyen los rotíferos, que son animales multicelulares con un cuerpo flexible y cilios en la cabeza para atrapar alimento y darles movilidad, y los crustáceos, que son animales multicelulares de concha dura. Ambos grupos son fuente importante de alimentos para los peces y solo se encuentran en aguas de buena calidad ya que son sensibles a muchos contaminantes y a niveles bajos de oxígeno disuelto. Los gusanos y las larvas de insectos viven en depósitos del fondo y en algunos procesos de tratamiento biológico; son capaces de metabolizar substancias orgánicas complejas que otros organismos no degradan rápidamente.

1.4 Procesos de tratamiento del agua residual A través de los años, se han desarrollado una gran variedad de métodos para el tratamiento del agua residual. En muchos casos, se combinan varios procesos dependiendo de la calidad del agua residual que se va a tratar y el grado que se debe alcanzar. Los principales contaminantes presentes en el agua residual y los procesos más comúnmente empleados para su remoción se resumen en la tabla 1.6. Tabla 1.6 Operaciones, procesos y sistemas de tratamientos para remover los principales contaminantes presentes en un agua residual municipal CONTAMINANTES Sólidos suspendidos

UNIDAD, PROCESO O SISTEMA DE TRATAMIENTO Cribado y desmenuzado Sedimentación Flotación Filtración Coagulación/sedimentación

Orgánicos biodegradables

Lodos activados Filtro percolador Discos biológicos rotatorios Lagunas aireadas Lagunas de oxidación Filtración en arena Físico/químico

Patógenos

Cloración Ozonación

Nutrientes

Nitrificación y desnitrificación con biomasa suspendida Nitrificación y desnitrificación con biomasa fija Arrastre con amoniaco Intercambio iónico Cloración en el punto de quiebre

B B Q/F Q Q

Coagulación/sedimentación con sales metálicas Coagulación/sedimentación con cal

Q/F Q/F

Nitrógeno

Fósforo

CLASIFICACIÓN F F F F Q/F B B B B F/B B/Q/F F/Q Q Q

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CONTAMINANTES

UNIDAD, PROCESO O SISTEMA DE TRATAMIENTO Remoción bioquímica

Orgánicos refractarios

Absorción con carbón activado Ozonación

F Q

Metales pesados

Precipitación química Intercambio iónico

Q Q

Intercambio iónico Ósmosis inversa Electrodiálisis Q = Químicos, F = Físicos y B = Biológicos Sólidos inorgánicos disueltos

CLASIFICACIÓN B/Q

Q F Q

Frecuentemente, la disposición del material eliminado del agua residual (incluyendo los materiales eliminados por el proceso), lodo, ha representado problemas en la implementación de algunos sistemas.

1.4.1 Clasificación de métodos de tratamiento El principal objetivo del tratamiento del agua residual es producir un efluente que puede ser descargado sin causar daños al medio ambiente. Los contaminantes del agua residual pueden ser eliminados por medios físicos, químicos y biológicos.

1.4.1.1 Procesos físicos Tratamiento en el que se llevan a cabo cambios a través de la aplicación de fuerzas físicas. Las unidades típicas incluyen cribado, regulación, sedimentación, flotación y filtración.

•

Cribado

El cribado es un método que elimina los contaminantes más voluminosos o material visible del agua residual. Los cribadores se clasifican en función del tamaño de la partícula removida, como finos o gruesos y se utilizan como parte del tratamiento primario. El cribado sirve como instrumento de protección del equipo electromecánico.

•

Regulación

El proceso de regulación se lleva a cabo en un tanque de homogenización y su función es eliminar las variaciones del flujo o caudal para lograr que este se mantenga constante. Esta técnica se aplica principalmente para la regulación de: a) Caudales en tiempo seco. b) Caudales en tiempo de lluvia, procedentes de redes de alcantarillado separadas. c) Caudales mixtos de aguas pluviales y residuales sanitarias e industriales. Las ventajas que se obtienen con la aplicación de este proceso son:

ο Aumenta las características de tratabilidad del agua residual. ο Mejora el tratamiento biológico por medio de la eliminación o disminución de los efectos causados por cargas orgánicas e hidráulicas bruscas, a través de la dilución de sustancias inhibidoras y de la estabilización del pH. 36

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ο Mejora la calidad del efluente y el rendimiento de los tanques de sedimentación secundario al trabajar a cargas de sólidos constantes. ο Mejora el control de la dosificación de reactivos. •

Sedimentación

Algunas de las impurezas del agua por su tamaño y mayor densidad pueden ser eliminadas por sedimentación, mediante la acción de la gravedad. Se le da el nombre de sedimentador, a la estructura que sirve para reducir la velocidad del las aguas negras para que puedan sedimentar los sólidos y se utiliza como tratamiento primario. Es importante tener presente que el tamaño del sedimentador es función del caudal y velocidades de decantación de las partículas. Sin embargo, el equipo disponible para la recolección y eliminación de lodos puede condicionar las dimensiones. Las proporciones longitud-anchura empleadas con mayor frecuencia oscilan entre 3:1 y 5:1. Las pendientes del fondo oscilan entre 1% para tanque rectangulares y 7 a 8% para tanques circulares, se utiliza como un tratamiento primario.

•

Flotación

La flotación es una operación unitaria utilizada para separar diferentes fases líquidas o sólidas de una fase líquida. La separación se lleva a cabo al introducir burbujas finas de gas (generalmente aire) en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, la fuerza ascendente del conjunto partícula-burbujas de gas es tal, que hace que suba a la superficie. De esta forma se logra el ascenso de las partículas de densidad mayor que el líquido. La elevación de las partículas con densidad menor que el líquido puede también verse facilitada (aceite en agua). Una vez que las partículas están flotando en la superficie, pueden recogerse mediante un desnatador. En el tratamiento de aguas residuales la flotación se utiliza para eliminar la materia suspendida y concentrar los lodos biológicos. La principal ventaja de la flotación sobre la sedimentación, es que las partículas muy pequeñas o ligeras se eliminan fácilmente en un menor tiempo.

•

Filtración

En el tratamiento del agua residual, la filtración se utiliza para eliminar el flóculo biológico del efluente secundario decantado o los precipitados de la remoción química del fósforo. El desecado de los subproductos (lodos) del tratamiento de aguas, es otra de las aplicaciones del proceso. En suma, la filtración se utiliza en los tres campos de tratamiento de agua: la potabilización, la depuración de aguas residuales y el tratamiento de lodos.

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El medio granular que se ha utilizado incluye arena, carbón de antracita machucada, tierra de diatomeas, carbón activado en polvo o granulado. El medio granular puede ser de un solo tipo o de una combinación de estos. Un filtro de doble lecho que se utiliza extensamente consiste de una capa de carbón sobre arena. Los filtros de medio múltiple consisten, por ejemplo, en carbón, arena sílice y arena de granate. El medio más comúnmente usado es el de arena de sílice. Los mecanismos implicados en la eliminación de materia en suspensión por un filtro son muy complejos. Muchos investigadores han discutido los diversos factores que pueden tener una influencia importante en el proceso. Los mecanismos dominantes dependen de las características físicas y químicas de la suspensión y del medio, velocidad de filtración y características químicas del agua.

1.4.1.2 Procesos químicos Operaciones en las cuales la remoción o tratamiento de los contaminantes se realiza mediante la adición de reactivos que llevan a cabo diferentes reacciones químicas.

•

Coagulación

El proceso de coagulación consiste en la aglomeración (coagulación) de partículas o con ayuda de un coagulante químico, para formar flóculos de mayor tamaño capaces de ser separados por procesos subsecuentes como la sedimentación o la filtración. El proceso de coagulación ha sido usado como pretratamiento incrementando la remoción de la materia suspendida y/o para reducir la carga biológica de las unidades de tratamiento secundario. El reactivo más utilizado, por su bajo costo, es el sulfato de aluminio al2(SO4)3. Este tratamiento se aplica en situaciones específicas, por ejemplo, cuando:

ο ο ο ο ο

El agua residual contiene gran cantidad de compuestos tóxicos. Los componentes del agua residual no son biodegradables. Los reactivos para el tratamiento se encuentran disponibles a bajo costo. Se desea garantizar la sedimentación de los sólidos. Como pretratamiento en un tren de tratamiento avanzado (es decir, después del tratamiento secundario) con el fin de aumentar la eficiencia de los procesos subsecuentes de remoción, por la eliminación del material coloidal.

También se cuenta con ayudas para la coagulación que son materiales usados en concentraciones relativamente pequeñas y que aceleran el fenómeno. Estos se clasifican en: a) oxidantes (cloro y el ozono), b) agentes ponderados (arcilla), c) sílice activado y d) polielectrolitos (Culp, 1977).

•

Precipitación química

La precipitación química es un proceso que consiste en la adición de reactivos con el propósito de que reaccionen con compuestos solubles específicos, en residuos líquidos, para formar compuestos químicos diferentes que cambian su estado físico y pueden separarse.

38

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La precipitación de los hidróxidos metálicos es función de la concentración del ion metálico y del pH. En general, a medida que el pH aumenta, la solubilidad del hidróxido metálico disminuye.

•

Oxidación química

El propósito de la oxidación en el tratamiento de aguas es convertir especies químicas no deseables en especies que no sean peligrosas ni deterioren la calidad del agua. El nivel de oxidación deseado es determinante desde el punto de vista económico, tanto por los reactivos oxidantes, como por el diseño de unidades con el tamaño adecuado para lograr el tiempo de reacción: a) adición de oxígeno, b) pérdida de hidrógeno y c) pérdida de electrones. La adición de químicos fuertes como el ozono, es por lo general caro, mientras que el uso de otros oxidantes más baratos, como el cloro, no pueden ser empleados indiscriminadamente debido a la formación de compuestos orgánicos clorados, como los trihalometanos.

•

Intercambio iónico

Las operaciones de intercambio iónico son básicamente reacciones químicas de sustitución entre un electrolito en solución y otro en estado insoluble. El mecanismo de estas reacciones y las técnicas utilizadas para lograrlas son tan parecidas en la absorción, que para la mayoría de los fines de ingeniería, el intercambio iónico puede considerarse simplemente como un caso especial de la absorción (Treybal, 1984). Los iones son retenidos por acción de fuerzas electrostáticas localizadas en grupos funcionales en la superficie de los sólidos. Los materiales de intercambio iónico son gránulos contenidos en lechos empacados (resinas) que pueden ser regenerados. Sin embargo, los principales problemas en el uso de intercambio iónico son la regeneración de la resina en forma eficiente, la disponibilidad o recuperación de la solución de lavado y el tiempo de vida de las resinas.

•

Desinfección

Es la destrucción de organismos potencialmente dañinos y comúnmente, constituye la etapa final de todo tratamiento del agua. En las plantas de tratamiento debe ponerse especial atención en la selección de esta etapa para evitar la formación de compuestos no deseados. La desinfección puede realizarse aplicando métodos físicos (elevación de la temperatura, luz ultravioleta) o químicos en los que se usan sustancias llamadas desinfectantes, como son el cloro, el ozono y los iónes metálicos. Un desinfectante ideal para el agua debe cumplir con las siguientes propiedades:

ο ο ο ο

Destruir todas las clases y cantidades de agentes patógenos. No tóxico para el hombre y los animales domésticos. No tener un sabor desagradable. De costo razonable. 39

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ο De manejo, transporte, almacenamiento y aplicación seguros y fáciles. ο Proporcionar protección residual contra la posible contaminación en las líneas de conducción y tanques de almacenamiento. ο No reaccionar con los compuestos presentes en el agua para producir sustancias tóxicas. El tiempo de contacto es comúnmente señalado como la variable más importante en la desinfección. Chick en 1908, estableció que existe una relación inversamente proporcional entre el número de microorganismos sobrevivientes a la acción de un desinfectante y el tiempo de contacto, Dependiendo del tipo de agente químico, se ha observado que su eficiencia es función de su concentración. El tipo de microorganismos también influye en la eficiencia de la desinfección, por ejemplo, las esporas de las bacterias son extremadamente resistentes, en contraste las bacterias en crecimiento son fácilmente eliminadas. La eficacia de desinfección de los agentes físicos es una función de la intensidad, análogo a la concentración de los agentes químicos. Por otra parte, un incremento en la temperatura acelera la tasa de muerte de microorganismos.

1.4.1.3 Procesos biológicos En los procesos biológicos la materia orgánica contaminante que se encuentra en forma coloidal o soluble es utilizada como alimento por los microorganismos presentes en los tanques o reactores. De esta forma pueden obtener la energía necesaria para reproducirse y llevar a cabo sus funciones vitales y la materia orgánica es transformada en nuevas células y otros productos que pueden ser más fácilmente separados del agua. La principal división entre los procesos biológicos para el tratamiento de las aguas residuales, se hace con base en la forma en que los microorganismos realizan sus procesos metabólicos en donde según el aceptor final de electrones se clasifican en procesos aerobios (requieren oxígeno molecular O2 como aceptor final de electrones) y los anaerobios que utilizan el CO2 como aceptor final de electrones. Esto se traduce en sistemas muy diferentes entre sí, tanto en su microbiología como en sus aplicaciones, su ingeniería y su control. Dado que los microorganismos son los responsables de llevar a cabo el proceso biológico, sus características metabólicas determinarán el tipo de aplicación, así como sus ventajas y desventajas. Las principales características, de los procesos aerobios y anaerobios, desde el punto de vista energético se esquematizan en la figura 1.6. En ésta se observa que la energía contenida en la materia orgánica contaminante, es utilizada por los microorganismos como demanda química de oxígeno (DQO) o como demanda bioquímica de oxígeno (DBO), es transformada en diversos productos dependiendo del metabolismo aerobio o anaerobio de la célula. En general, una bacteria anaerobia utilizará el 10% de la energía contenida en su alimento o sustrato para funciones de reproducción, lo que da origen a nuevas células y el 90% restante lo dirigirá a la producción de gas metano. Por su parte, una bacteria aerobia empleará, en presencia del oxígeno, de un 60 a 65% de la energía del sustrato en 40

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la síntesis de nuevas células, mientras que la fracción restante es disipada en forma de calor. TRATAMIENTO

CH4 + CO2 (Biogás)

(92%)

Células

(4%)

Anaerobio

100% (DQO)

C en el efluente 4% H2O + CO2

Materia orgánica en aguas residuales

(49%)

Aaerobio Células O2

(49%)

C en el efluente 2%

Figura 1.6 Esquema del flujo de energía en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales

Sistemas aerobios La tecnología del tratamiento de aguas residuales por vía aerobia está bien desarrollada y es sin duda la más comúnmente aplicada. La experiencia acumulada y las altas eficiencias en la remoción de la materia orgánica son algunas de las razones de su aceptación. Existe un buen número de procesos aerobios, los que a su vez se subdividen en variantes. En general pueden agruparse (Figura 1.7) en procesos de tipo extensivo (lagunas), procesos de biomasa en suspensión (lodos activados en diversas formas) y proceso de biopelícula (filtros percoladores y biodiscos). Extensivos

PROCESOS BIOLÓGICOS

Lagunas de oxidación Lagunas aireadas

Lodos activados Biomasa suspendida

Completamente mezclados De flujo pistón

Aireación extendida Zanjas de oxidación

Película fija

Filtros percoladores Discos biológicos (biodiscos)

Figura 1.7 Variantes de los procesos aerobios

A continuación se hace una breve descripción de cada uno de éstos.

41

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Procesos extensivos

•

Lagunas de estabilización

Descripción del proceso Las lagunas de estabilización son cuerpos de agua creados artificialmente, normalmente construidos de tierra, presentan un bordo libre entre 0.5 y 1.0 metro dependiendo del área de la laguna. Un sistema lagunar en fase de llenado, conformado por dos lagunas de estabilización en serie, se muestra en la Foto1.2 indicándose en ella: las rejillas y desarenador (1), la caja de distribución (2), la estructura de entrada a la primera laguna (3), el centro de la laguna (4), taludes recubiertos de concreto (5), cunetas (6), salida de la primera laguna (7), segunda laguna (8), salida de la segunda laguna (9) y las compuertas de vaciado (10). De acuerdo con el propósito del tratamiento de las aguas residuales, las lagunas de estabilización se pueden clasificar en: lagunas anaerobias (remoción de sólidos y materia orgánica), lagunas facultativas (remoción de materia orgánica y microorganismos patógenos) y lagunas de maduración (remoción de patógenos).

Foto 1.2 Lagunas de estabilización

Las lagunas anaerobias son estanques profundos (2 –5 m), en los que se lleva a cabo la sedimentación de sólidos y la degradación de la materia orgánica. En este tipo de lagunas se pueden observar la presencia de algunas natas en su superficie, la generación de burbujas (formación del biogás), la coloración del agua gris oscura y con frecuencia es evidente el olor a huevo podrido, típico del sulfuro de hidrógeno que se emite a la atmósfera, (Foto 1.3). Las variables que se deben controlar en este proceso son pH, temperatura y carga orgánica. El efluente de una laguna anaerobia puede presentar una coloración que puede variar entre amarillo a café oscuro y gris oscuro. En algunas ocasiones las lagunas anaerobias, que inician su operación y/o reciben cargas orgánicas reducidas, no llegan a establecer condiciones anaerobias y pueden presentar una coloración rosada. Otro indicador a observar en ellas es el grado de asolvamiento (acumulación de lodos, Foto 1.4), principalmente por ausencia de mantenimiento.

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Una desventaja en éstas lagunas es el olor que puede generarse en el caso de recibir una carga orgánica, mayor a la de diseño y también si el influente presenta una concentración de sulfatos mayor a 500 mg/l. (CNA-IMTA, 1994). Posterior a esta laguna usted puede encontrar una laguna facultativa. Las lagunas facultativas se diseñan para tirantes entre 1.5 y 2 metros. En ellas el proceso de degradación se lleva a cabo en tres fases, en el fondo de la laguna existen condiciones anaerobias que generan biogás y que producen un ligero mezclado. La fase intermedia llamada facultativa la llevan a cabo microorganismos facultativos y presentan la etapa de transición entre las condiciones anaerobias y aerobias. En su superficie se lleva a cabo la fase aeróbica, la producción de oxígeno se realiza por medio de las algas que utilizan como fuente de energía la luz solar en el estanque, proveyéndole al agua una coloración verde oscuro brillante (alta concentración de O.D y pH) y la ausencia de malos olores. Algunas lagunas de estabilización presentan construcción de mamparas, como se muestra en la Foto 1.5 con el objeto de incrementar la eficiencia del proceso, dando un comportamiento de flujo pistón al fluido. La medición de la profundidad de lodos, consiste en introducir en forma vertical una varilla cubierta con una toalla blanca en la laguna (Foto 1.6).

Foto 1.3 Laguna anaerobia, coloración gris del agua

Foto 1.4 Laguna de estabilización (anaerobia)

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Foto 1.5 Laguna de estabilización con mamparas

Foto 1.6 Medición de tirante y profundidad de lodos en una laguna facultativa

Las lagunas de maduración también llamadas aerobias, son menos profundas que las anteriores (1-1.5 m) y en ellas deben predominar las condiciones aerobias, la concentración de oxígeno disuelto es superior a la de una facultativa, su objetivo es la remoción de microorganismos patógenos, ya que la remoción de carga orgánica es despreciable en ellas. El agua de las lagunas de maduración presenta una coloración verde y esta libre de olor, ver Fotos 1.7, 1.8 (foto izquierda). En la misma figura se presenta una estructura de salida (foto derecha). Generalmente las lagunas de maduración se encuentran después de una laguna facultativa.

Foto 1.7 Laguna de maduración 44

Foto 1.8 Estructura de salida

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Un esquema indicando la profundidad de las lagunas de estabilización se presenta en la Figura 1.8. Las lagunas de estabilización en función del lugar que ocupan, se pueden agrupar en primarias o de aguas residuales crudas, y secundarias si reciben efluentes de otros procesos. En relación con la secuencia de sus unidades pueden clasificarse en lagunas en serie o en paralelo, pudiendo existir combinaciones de varios tipos. Los arreglos de un sistema lagunar pueden comprender una única laguna facultativa (Figura 1.9); lagunas en serie que incluyen: anaerobia, facultativa y maduración (Figura 1.10). Además es deseable construir series del mismo tipo para permitir una operación en paralelo, (Figura 1.11). Las lagunas anaerobias pueden ser diseñadas para operar individualmente o en paralelo, (Figura 1.12). Otro posible arreglo se presenta en la Figura 1.13. Bordo libre (0.5 – 1.0 m)

2a5m

Laguna Anaerobia

1.5-2 m

Laguna Facultativa

1-1.5 m Laguna de Maduración

Figura 1.8 Esquema de la profundidad de las lagunas de estabilización

F

PT

Figura 1.9 Lagunas facultativas

PT

A

F

M

Figura 1.10 Lagunas en serie, anaerobia (A), facultativa (F), maduración (M)

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PT

A

F

M1

A

F

M1

A

F

M1

Nota: PT = Pretratamiento Figura 1.11 Sistema lagunares en paralelo

A PT

F A

Figura 1.12 Lagunas anaerobias (A) en paralelo previas a una laguna facultativa (F)

PT

A

F

M1

M2

Figura 1.13 Sistema lagunar constituido por laguna anaerobia, facultativa y dos de maduración

Los parámetros de control que principalmente se deben determinar se indican en la Tabla 1.7. Tabla 1.7 Parámetros de control en lagunas de estabilización (Rango normal) Parámetro Color Olor PH Temp. del agua Temp. ambiente Oxígeno disuelto

Anaerobia Café Sí 6.5 – 7.5 20-25º C 18 - 35º C 0

Facultativa Verde oscuro No 8 –9 20-25º C 18-35º C > 6 mg/l

Maduración Verde oscuro No 8 -9 20-25º C 18-35º C 6 - 35mg/l

Evaluación del proceso Se pueden llevar a cabo diferentes niveles de evaluación en lagunas de estabilización, los cuales pueden ser consultados en el Manual de evaluación de lagunas de estabilización elaborado por IMTA para CNA en 1998. Para cumplir con el propósito de este documento se describen las bases para realizar una evaluación visual y diagnosticar su funcionamiento.

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El observador para poder identificar el tipo de laguna, deberá revisar cuidadosamente las especificaciones de cada una de ellas y de preferencia realizar la medición de la profundidad de las mismas. Las lagunas de estabilización bien operadas no deberán presentar obstrucciones en las estructuras de entrada y salida para cada laguna, ni excavaciones en los taludes originadas por roedores o por alguna persona, ni crecimiento de malezas dentro y fuera de ellas (por ejemplo en taludes y caminos de acceso), acumulación de lodos en las lagunas, presencia de una gran cantidad de mosquitos. Indicadores del funcionamiento de una laguna Anaerobia Se considera buen funcionamiento de una laguna anaerobia, sí en el estanque se observa generación de biogás y una coloración gris; el efluente de ésta laguna debe presentar una coloración café oscuro o gris. Una laguna anaerobia no funciona en forma adecuada cuando recibe una carga orgánica insuficiente, observándose una coloración del agua roja o rosada (presencia de bacterias fotosintéticas). Lo anterior se debe a un error de diseño o a que recibe un caudal menor para la que fue proyectada. Por otra parte un indicador de que la laguna anaerobia se encuentra sobrecargada es un fuerte olor a huevo podrido. Facultativa El efluente de una laguna facultativa deberá presentar una coloración verde oscuro brillante y no se deberá detectar olor, en éste caso se debe considerar buen funcionamiento. Sí el efluente de ésta laguna presenta una coloración verde opaco o amarillo, se considera un funcionamiento regular, con disminución de pH y O.D. (predominio de algas azul-verdosas). Sí esta laguna presenta mal olor y coloración gris a negro se considera un mal funcionamiento. Maduración El efluente de una laguna de maduración deberá presentar una coloración verde, un pH alcalino (mayor a 8) y no se deberá detectar olor. La presencia de insectos o larvas de insectos en la laguna, indica un mantenimiento pobre y una mala circulación. Para llevar a cabo la evaluación de la planta se presenta el siguiente cuadro, él cual es aplicable para cada una de las lagunas que la conforman.

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Tabla 1.8 Laguna de estabilización Observación Si Las estructuras de entrada y salida a la laguna se encuentran obstruidas Hay presencia de materia flotante en la laguna La laguna se encuentra azolvada Se observan zonas muertas en la laguna Hay crecimiento de vegetación dentro de la laguna o alrededor de ella Existe evidencia de roedores en los diques (excavaciones) Hay una población excesiva de insectos Frecuencia con que se realiza el mantenimiento Olor Coloración del agua en la laguna

No

Observación

Diagnóstico El observador deberá comparar sus resultados con los datos especificados en la descripción del proceso y dar su diagnóstico. Cómo considera el estado general de la operación y mantenimiento en la laguna ( ) BUENA ( ) REGULAR ( ) MAL Para evaluar el funcionamiento del proceso, el observador deberá tomar dos vasos transparentes, de preferencia de plástico; comparar el color y olor con las especificaciones proporcionadas anteriormente en los indicadores del funcionamiento. Como considera el funcionamiento de la laguna ( ) BUENA ( ) REGULAR ( ) MAL

•

Lagunas aireadas

Descripción del proceso Una laguna aireada es una laguna a la cual se le han instalado aireadores mecánicos o difusores de aire que mediante burbujeo proporcionan la cantidad de oxígeno suficiente con el objeto de favorecer el crecimiento y reproducción de bacterias aerobias que llevan a cabo el proceso de depuración del agua. El proceso se asemeja al de lodos activados con un tanque de aireación sin recirculación de lodos. Una fotografía de una laguna aireada se presenta en la Foto 1.9.

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Foto 1.9 Laguna aireada

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Con frecuencia las lagunas aireadas están precedidas de cribado, desarenado y en ocasiones por sedimentador primario o laguna anaerobia, posteriormente a una laguna aireada puede presentarse una laguna de sedimentación que por su apariencia y funcionamiento parece una laguna facultativa. En algunas ocasiones este tipo de plantas de tratamiento carecen de desarenador y/o sedimentador primario. Una laguna aireada puede ser clasificada como una laguna completa o parcialmente mezclada de acuerdo a la cantidad de oxígeno disuelto que posee y el grado de mezclado. En las lagunas mezcladas el oxígeno suministrado es suficiente para mantener una misma concentración a lo largo de todo el tirante de la laguna y el grado de mezclado sostiene los sólidos biológicos en suspensión. Un diagrama de una laguna aireada completamente mezclada se presenta en la Figura 1.14.

Figura 1.14 Laguna aireada completamente mezclada

Si la laguna aireada corresponde a una laguna parcialmente mezclada, la zona oxigenada se localiza en la parte superior del tirante y el grado de mezclado es insuficiente para mantener todos los sólidos biológicos en suspensión. Un diagrama de una laguna aireada parcialmente mezclada se presenta en la Figura 1.15.

Figura 1.15 Laguna aireada parcialmente mezclada

Las lagunas aireadas se emplean en el tratamiento de las aguas de desechos tanto industriales como municipales para degradar biológicamente la materia orgánica debido a que ocupan una superficie menor que una laguna de estabilización y presentan costos de construcción, operación y mantenimiento menores que un proceso de lodos activados. Sin embargo requieren de una superficie de terreno apreciablemente mayor que dicho proceso.

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Las lagunas aireadas, al igual que las lagunas de estabilización, se forman por excavación en tierra, con formación de bordos producto de la excavación o con material de banco. Usualmente se construyen de una forma rectangular, excepto cuando por causas topográficas es posible aprovechar depresiones del terreno para ahorrar excavaciones y formación de bordos. De esta forma se tiene un estanque de 3 a 4 m de profundidad, donde el agua posee un tiempo de retención de 1 a 6 días, período durante el cual se oxigena el agua. Una fotografía de un sistema lagunar con lagunas aireadas se Foto 1.10 Sistema lagunar que presenta lagunas aireadas presenta en la Foto 1.10. Variaciones al sistema de aireación En las lagunas aireadas; la aireación se realiza por medio de aireadores de “succión”, los cuales arrojan el agua superficialmente formando un hongo o bien mediante aireadores de tubo de los llamados tipo “cañón”. Un esquema de aireador de “succión” se presenta en la Figura 1.16 y uno tipo “cañón” en la Foto 1.11.

Figura 1.16 Aireador de “succión” Foto 1.11 Aireador de tubo tipo “cañón”

En el sistema de aireación por difusión, el aire se suministra por medio de sopladores que lo conducen a través de tuberías hasta los difusores que se encuentran en el fondo de la laguna y permiten su salida mediante un burbujeo. En el mercado existen diferentes modelos de difusores de muy diversos precios y materiales que proporcionan desde burbujas finas emitidas a través de cuerpos porosos (platillos, boquillas, etc.), hasta burbujas grandes donde el aire se inyecta directamente por medio de tubos perforados. 50

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Evaluación del proceso Parámetros de control visual Los siguientes conceptos son importantes en la evaluación de un sistema lagunar basado en lagunas aireadas. En la Tabla 1.9, se muestran los indicadores del funcionamiento de una laguna aireada Tabla 1.9 Indicadores del funcionamiento de una laguna aireada Indicador LIMPIEZA 1) Basura y natas en las esquinas de las lagunas 2) Presencia de hierba en los bordos interiores 3) Presencia de maleza acuática 4) Indicios de asolvamiento 5) Presencia de espumas 6) Presencia de mojones de lodo flotando 7) Presencia de mosquitos 8) Presencia de malos olores AIREACIÓN MECÁNICA 9) Tipo de aireadores instalados 10) Número de aireadores instalados 11) ¿Funcionan todos los aireadores? 12) Número de aireadores funcionando AIREACIÓN POR DIFUSIÓN 13) Número de difusores instalados 14) ¿Funcionan todos los difusores? 15) Número de difusores funcionando

Verificación Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) ) ) ) ) )

No ( No ( No ( No ( No ( No ( No ( No (

) ) ) ) ) ) ) )

(

) cañon ( ) succión ( ) aireadores Si ( ) No ( ) ( ) aireadores ( Si (

) (

) difusores No ( ) difusores

)

Diagnóstico La laguna aireada opera bien si las respuestas del 1) al 8) son negativas, independientemente de las condiciones de aireación. La laguna aireada opera regular si tres de las respuestas del 1) al 8) son afirmativas, o el número de aireadores o difusores operando es menor que la mitad de los instalados. La laguna aireada opera mal si la respuesta 8) es afirmativa, independientemente de todos los demás indicadores.

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Procesos de biomasa en suspensión

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Lodos activados

Descripción del proceso El proceso de lodos activados es una forma de tratamiento donde el agua residual y el lodo biológico o activado -formado por una población heterogénea de microorganismos-, son mezclados y aireados en un tanque o reactor; para posteriormente ser separados mediante sedimentación y recircularlos dentro del sistema (Foto 1.12). Foto 1.12 Planta de lodos activados

Aspectos generales del proceso En el proceso de lodos activados, los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica del agua residual, la que sirve de alimento para su propio crecimiento y reproducción. A medida que la población de microorganismos aumenta, se agrupa y forma flóculos para producir una masa activa llamada lodo activado. El lodo activado es de color café, cuando es sano huele a “tierra mojada”, presenta una estructura granular y sedimenta rápidamente. El agua residual que ingresa continuamente al tanque de aireación del sistema, se une con los lodos activados recirculados provenientes del sedimentador secundario, donde el aire es introducido para realizar una mezcla completa y proporcionar el oxígeno necesario para que los microorganismos remuevan la materia orgánica. La mezcla de lodo activado y agua residual que se produce en el tanque de aireación, se llama “licor mezclado”, el cual se envía a un tanque de sedimentación secundario o clarificador donde el agua se decanta para posteriormente ser desinfectada, y parte del lodo activado sedimentado se recircula, el sobrante se envía a tratamiento o disposición. El aire es introducido al tanque de aireación, ya sea mediante difusores (Fotos 1.13 y 1.14) que se colocan en el fondo o por aireadores mecánicos superficiales los que pueden ser fijos, ubicados sobre plataformas o flotantes (Fotos 1.15 y 1.16).

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Foto 1.13 Difusor

Foto 1.15 Aireador mecánico

Foto 1.14 Sistema de difusión

Foto 1.16 Aireador mecánico funcionando

Variantes del proceso Lodos activados convencional (Flujo pistón) El agua a tratar y el lodo activado recirculado entran en el tanque de aireación y se mezclan con aire disuelto o con agitadores mecánicos. El suministro del aire suele ser uniforme a lo largo de toda la longitud del canal. Durante el período de aireación, se produce la adsorción, floculación y oxidación de la materia orgánica. Los sólidos del lodo activado se separan en un sedimentador secundario, los tiempos de retención hidráulica varían entre 4 a 8 horas. Un diagrama de este proceso se muestra en la Figura 1.17.

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Figura 1.17 Sistemas de lodos activados convencional

Estabilización por contacto En esta variante, el agua residual entrante al proceso (efluente primario), es aireada durante un tiempo de 20 a 30 minutos en un tanque llamado “tanque de contacto” para que los microorganismos absorban los contaminantes orgánicos sin dar oportunidad de asimilar la materia orgánica. El lodo activado pasa a sedimentación y es conducido a un tanque llamado “tanque de estabilización” donde se airea de 1.5 a 3 horas para degradar la materia orgánica. Parte del lodo recirculado se desecha y el restante se envía al tanque de contacto. Tal como se muestra en la Figura 1.18.

Figura 1.18 Estabilización por contacto

Aireación decreciente (Tapered aereation) En tanques de aireación largos y angostos -relación largo/ancho mayor de 8- se presenta un flujo tipo pistón con una demanda mayor de oxígeno a la entrada, disminuyendo hasta la salida. La cantidad total de aire se obtiene como en un proceso de lodos activados convencional, pero su distribución se hace decrecer a lo largo del tanque colocando menos difusores o aireadores. Tal como se muestra en la Figura 1.19.

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Figura 1.19 Sistema de Aireación decreciente

Aireación por etapas o aireación por pasos (Step aereation) Esta variante consiste en introducir el agua residual en varios puntos a lo largo del tanque de aireación. En los sitios de alimentación se esparce la demanda de oxígeno, resultando una mayor eficiencia en la distribución del aire inyectado al sistema. Tal como se muestra en la Figura 1.20.

Figura 1.20 Aireación por etapas, también llamada Aireación por pasos

Aireación extendida Esta modificación consiste en aumentar el tiempo de retención hidráulica en el sistema de 12 a 36 horas en lugar de 6 a 8 horas que emplea el proceso convencional. Este periodo de aireación permite que el lodo sea parcialmente digerido dentro del tanque de aireación. Una variación del sistema de aireación extendida es la llamada “zanja de oxidación”, que consiste en un tanque de aireación formado por un canal cerrado donde un rotor o aireador mecánico generalmente del tipo cañón introduce el oxígeno suficiente al licor mezclado y mantiene la mezcla en movimiento. Tal como se muestra en la Figura 1.21.

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Figura 1.21 Aireación extendida -Zanja de oxidación

Mezcla completa Esta modificación consiste en uniformizar la aireación y la entrada del licor mezclado en el tanque de aireación y extraer los lodos de una forma igualitaria a lo largo del tanque. Con este sistema se logra que la demanda de oxígeno permanezca constante en todos los lugares del tanque de aireación siendo más eficiente la utilización del aire suministrado. Tal como se muestra en la Figura 1.22.

Figura 1.22 Sistema de Lodos activados en Mezcla Completa

Sistema de oxígeno puro Desde 1970, ha habido interés por los sistemas que utilizan oxígeno puro en lugar de aire, para eficientar los requerimientos de bacterias aerobias que realizan la depuración del agua. Los tanques de aireación en esta modalidad, se encuentran cubiertos y el oxígeno es recirculado a través de varias etapas que corresponden a diferentes compartimentos provistos por un agitador superficial que realiza la mezcla de agua y lodo permitiendo la inclusión del oxígeno. El sistema permite el uso eficiente del oxígeno proporcionado con bajos requerimientos de energía. El número de etapas depende de la concentración de carga orgánica del desecho, características del agua a tratar y calidad del efluente deseado. El oxígeno empleado se genera en el sitio de la planta, en donde si la planta es grande el aire se licua y destila en unidades criogénicas; mientras que en plantas pequeñas la separación del oxígeno se obtiene adsorbiendo el nitrógeno del aire. 56

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Un diagrama de un tanque de suministro de oxígeno puro en sistema de lodos activados con tres etapas, se presenta en la Figura 1.23. Una característica de este proceso es que el contenido de oxígeno disuelto en el licor mezclado del reactor presenta concentraciones de 6 a 12 mg/l, y los contenidos de sólidos sedimentables son altos.

Figura 1.23 Tanque para un sistema de oxígeno puro en etapas múltiples

El proceso de lodos activados puede convertir casi toda la materia orgánica del influente en sólidos. Dichos sólidos al ser removidos producen un efluente de alta calidad. Desafortunadamente la sedimentación de sólidos floculentos es una operación difícil de realizar, por lo que se requiere un control operacional cuidadoso del sistema. Dentro de las variantes presentadas al proceso de lodos activados, las más utilizadas en México son los sistemas convencionales y aireación extendida en la modalidad de zanjas de oxidación. Evaluación del proceso Los siguientes términos son importantes en la evaluación del proceso de lodos activados. Tabla 1.10 Indicadores del mal funcionamiento de un tanque de aireación de lodos activos Indicador (A) LIMPIEZA Basura y natas en las esquinas de los tanques rectangulares o cuadrados (B) Presencia de espuma café (C) Presencia de espuma blanca (D) AIREACIÓN MECÁNICA Número de aireadores instalados (E) ¿Funcionan todos los aireadores? (F) AIREACIÓN POR DIFUSIÓN ¿Todo el tanque está aireado o agitado? (G) ¿Se distribuye el aire uniformemente? (H) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y efluente?

Verificación Si ( ) Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) No ( )

( ) aireadores Si ( ) No ( ) Si ( ) Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) No ( ) 57

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Tabla 1.11 Sedimentador secundario (rectangular o circular) Indicador AGUA DEL SEDIMENTADOR (I) Presencia de burbujas (J) Presencia de lodo flotando (K) Presencia de natas (L) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y el efluente? MECANISMO (M) ¿Gira bien el sistema de rastras?

Verificación Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) )

No ( No ( No ( No (

) ) ) )

Si ( )

No ( )

Verificación Indique el color Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( )

Calidad de los lodos Indicador (N) ¿Cuál es el color del lodo en el sedimentador? (O) ¿El lodo producido huele a “tierra mojada”? (P) ¿Sedimenta el lodo rápidamente?

Tomando con el vaso transparente agua del tanque de aireación, se puede dar uno cuenta de la velocidad de sedimentación de los lodos en el sedimentador secundario. Los lodos deben sedimentar en menos de 30 minutos dejando en la superficie un sobrenadante claro. Un lodo sano debe tener un color café, con apariencia granular, con olor a tierra mojada y sedimentación rápida. Diagnóstico Si H es afirmativa el proceso funciona aceptablemente independientemente de la presencia o ausencia de los demás indicadores. Si H es negativa el proceso funciona mal independientemente de la presencia o ausencia de los demás indicadores. Sedimentador secundario. Si I, J y K son afirmativas el sedimentador secundario funciona mal. Si solo 2 de los anteriores indicadores fueron afirmativos el sistema funciona regular. Si todos los indicadores resultaron negativos el sistema funciona bien. Sedimentador secundario El sedimentador secundario opera mal: Si la respuesta (M) es negativa o bien, si (I), (J) y (K) son afirmativas. Si la respuesta (N) es café oscuro o negro. Si sólo 2 de los indicadores (I), (J) y (K) fueron afirmativos el sedimentador secundario opera de una forma regular. Si 3 indicadores anteriores, fueron negativos y las respuestas (O) y (P) son positivos; el sedimentador secundario opera bien.

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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS

Si la respuesta (L) es negativa el sistema funciona mal independientemente de todos los demás indicadores.

•

Zanjas de oxidación

Descripción del proceso Las zanjas de oxidación son una variante del proceso de lodos activados por aireación prolongada. El proceso se basa en suministrar el oxígeno por medio de rotores o aireadores mecánicos que hacen circular el agua en un canal cerrado, ésta actividad también se puede llevar acabo por difusores que se complementan con agitadores superficiales o sumergidos que le imprimen una velocidad horizontal al agua (licor mezclado) de 25 a 35 cm/s. El proceso se asemeja a la autopurificación de un río que mantiene condiciones aerobias en su recorrido, con una inoculación de microorganismos (lodos activados) en el lugar de la aplicación de las aguas residuales. Tal como se muestra en la Foto 1.17. Este tipo de proceso biológico, es una modificación del proceso de lodos activados con las siguientes características:

ο ο ο ο

Población a servir: Consumo de energía: Eficiencia de reducción de DBO: Oxígeno disuelto en el efluente:

Foto 1.17 Zanja de oxidación

De 1,000 a 100,000 habitantes De 1 a 3 kg de DBO/kwh De 90 a 98% Más de 1.5 mg/L

Variaciones al proceso En función de la población a servir, se recomiendan tres tipos de zanjas de oxidación: 1. Tipo canal simple, para poblaciones hasta de 1,000 habitantes. 2. Tipo canal doble para poblaciones entre 1,000 y 5,000 habitantes. 3. Tipo carrusel para poblaciones mayores de 5,000 habitantes. Tipo canal simple Este tipo de zanja consiste únicamente en un canal cerrado que posee una isleta divisoria, tal como se muestra en la Figura 1.24. El agua se mueve por medio de rotores (ver Foto 1.18) o aireadores de tubo, también llamados tipo “cañón” (ver Figura 1.27) que proporcionan aireación e impiden que se sedimenten en el fondo los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado. Dentro de la zanja se acostumbra construir una fosa que acumule los lodos y que parcialmente los digiera para posteriormente desalojarlos. 59

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Figura 1.24 Zanja de oxidación tipo canal simple

Tipo canal doble Este tipo de zanja consiste en dos zanjas tipo canal simple unidas tal como se muestra en la Figura 1.25. Al igual que en el caso anterior el agua se airea y mueve por medio de rotores o aireadores tipo cañón colocados al principio de la parte recta de los canales. En función del cálculo de los lodos producidos, el canal de interconexión de las zanjas puede tener o carecer de tolva de concentración de lodos. Tipo carrusel

Figura 1.25 Zanja de oxidación tipo canal doble

Este tipo de zanja consiste en un canal cerrado de gran desarrollo, tal como se muestra en la Figura 1.26. El agua de mueve por medio de aireadores mecánicos del tipo “trompo” que proporcionan aireación e impulsan el agua para mantener en suspensión los sólidos suspendidos volátiles del licor mezclado. Los lodos se separan por medio de un sedimentador secundario y parte de los cuales se retornan a la zanja.

Figura 1.26 Zanja de oxidación tipo carrusel

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Variaciones al sistema de aireación En las zanjas de oxidación tipo canal simple y canal doble, la aireación se realiza por medio de rotores (cepillos), o bien por medio de aireadores de tubo de los llamados tipo “cañón”. Un rotor típico tiene un diámetro aproximado de 30 in (76.20 cm), con una velocidad de 75 rpm, trabajando con una inmersión de 6 in (15.24 cm) para producir una velocidad del flujo en el canal no menor de 1ft/s (30.48 cm/s) y una capacidad de oxigenación del orden de 6 lb/h (2.72 kg/h) de oxígeno disuelto. Una fotografía de un rotor trabajando se presenta en la Foto 1.18 y un esquema de aireador tipo “cañón” se presenta en la Figura 1.27.

Foto 1.18 Rotor de aireación (cepillo)

Figura 1.27 Aireador de tubo tipo “cañón”

Figura 1.28 Aireador tipo “trompo”

En las zanjas tipo carrusel el movimiento y oxigenación del agua también se logra mediante aireadores del tipo “trompo”. Evaluación del proceso Parámetros de control visual. Los siguientes términos son importantes en la evaluación del proceso de zanjas de oxidación. 61

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Zanja de oxidación Indicador 1) Presencia de espuma café 2) Presencia de espuma blanca AIREACIÓN POR ROTORES 3) Número de rotores instalados 4) ¿Funcionan todos los rotores? 5) Número de rotores funcionando AIREACIÓN POR AIREADORES 6) Tipo de aireadores instalados 7) Número de aireadores instalados 8) ¿Funcionan todos los aireadores? 9) Número de aireadores funcionando 10) ¿Es suficiente la velocidad superficial del agua en la zanja para evitar la sedimentación de sólidos?

Verificación Si ( ) Si ( )

No ( ) No ( ) (

) rotores

(

) rotores

Si ( )

No ( )

( ) cañon

( ) trompo ) aireadores No ( ) ) aireadores

( Si ( ) ( Si ( )

No ( )

La velocidad superficial del agua dentro de la zanja –Pregunta 10)- deberá de ser mayor de 0.30 m/s. Para estimarla se puede arrojar algún objeto flotante en una parte recta y determinar el tiempo que tarda en recorrer una distancia conocida. El resultado que resulta de dividir la distancia conocida -medida en metros-, entre el tiempo empleado en recorrerla -medido en segundos-, proporciona dicha velocidad. Sedimentador secundario (rectangular o circular) Indicador AGUA DEL SEDIMENTADOR 11) Presencia de burbujas 12) Presencia de lodo flotando 13) Presencia de natas 14) ¿Hay diferencia de color y transparencia entre el influente y el efluente? MECANISMO 15) ¿Gira bien el sistema de rastras?

Verificación Si ( Si ( Si ( Si (

) ) ) )

Si ( )

No ( No ( No ( No (

) ) ) )

No ( )

Calidad de los lodos Indicador 16) ¿Cuál es el color del lodo en el sedimentador? 17) ¿El lodo producido huele a “tierra mojada”? 18) ¿Sedimenta el lodo rápidamente?

Verificación Indique el color Si ( ) No ( ) Si ( ) No ( )

Después de colectar el agua de la zanja de oxidación, mediante un vaso transparente, se puede dar uno cuenta de la velocidad de sedimentaciòn de los lodos en el sedimentador secundario. Los lodos deben sedimentar en menos de 30 minutos dejando en la superficie un sobrenadante claro. Un lodo sano debe tener un color café, con apariencia granular, con olor a tierra mojada y sedimentación rápida. Diagnóstico Zanja de oxidación La presencia de espumas representa una baja concentración de lodos en la zanja de oxidación –respuestas 1) y 2)-.

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Si la respuesta 10) es afirmativa, el proceso funciona aceptablemente independientemente de la presencia de los demás indicadores. Sedimentador secundario El sedimentador secundario opera mal: Si la respuesta 15) es negativa o bien, si 11), 12) y 13) son afirmativas. Si la respuesta 16) es café obscuro o negro. Si sólo 2 de los indicadores 11), 12) y 13) fueron afirmativos el sedimentador secundario opera de una forma regular. Si 3 indicadores anteriores, fueron negativos y las respuestas 17) y 18) son positivos; el sedimentador secundario opera bien. Si la respuesta 14) es negativa el sistema funciona mal independientemente de todos los demás indicadores. Procesos de película fija El concepto de biopelícula o película biológica fija introduce modificaciones sustanciales a los procesos de biomasa suspendida. La ventaja fundamental es lograr un aumento en el tiempo de retención celular, sin recurrir a la recirculación de la biomasa como es el caso de los lodos activados, obteniéndose lodos con una buena sedimentabilidad. Por otra parte, la concentración de biomasa dentro del reactor se incrementa de forma considerable. Los diferentes tipos de procesos de biopelícula aerobia, se clasifican de acuerdo al tipo de soporte inerte que se introduce a los reactores para que se adhieran los microorganismos. Se tiene así, el lecho fijo, filtros rociadores o biofiltros, y el lecho móvil, discos biológicos rotatorios y lecho fluidificado o expandido. Actualmente, son los filtros percoladores y los biodiscos, en este orden, los más utilizados.

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Sistemas de filtros percoladores

Descripción del proceso El sistema de filtro percolador o rociador consiste en un tanque de forma circular (Figura 1.29), conteniendo un lecho filtrante formado por un relleno de grava, carbón, pedacería de ladrillo, piedra triturada (6-9 cm de diámetro) o módulos de plástico de tipo laminar. La profundidad de los lechos puede tener de 1.5 a 2.5 m para empaques o rellenos de piedra y de 3 a 7 m para empaques plásticos de diversas formas. Un distintivo e importante elemento es el sistema de distribución del agua residual, siendo muy común el tipo rotatorio que se monta sobre un muelle o brazo central a la mitad del filtro. En la Figura 1.29 se muestra el corte transversal de un filtro percolador evidenciando la entrada del influente que se bombea hasta el sistema de distribución filtrándose a través del relleno (grava o piedra) y posteriormente se recolecta esta agua ya tratada (agua residual más limpia) a través de conductos de drenaje en el fondo del filtro por donde sale ya el efluente a un sedimentador secundario. 63

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FUENTE: Reynolds, 1982 Figura 1.29 Filtro percolador con un distribuidor rociador.

En la Foto 1.19 se muestra el relleno (grava) de un filtro percolador así como el muelle giratorio por el cual se distribuye el agua residual (note el chorro de agua que sale de los orificios del tubo distribuidor). El impulso del chorro de agua se aprovecha para hacer girar el muelle. El relleno de los filtros percoladores funciona como soporte sobre el que crecen bacterias (microorganismos pequeños no visibles al ojo humano). Conforme el agua residual pasa a través del lecho, las bacterias se nutren del material orgánico (materia fecal, residuos alimentarios etc.) presente en el agua residual y de oxígeno disuelto en éste. Como consecuencia del aumento poblacional de las bacterias se forma una especie de costra (biopelícula) sobre la superficie del empaque, presentando un aspecto gelatinoso, espesor uniforme y estratificada que con Foto 1.19 Acercamiento del material de relleno (grava) de frecuencia es de color gris a gris café, se un filtro percolador oscurece en algunos casos. La capa superficial de los microorganismos o bacterias consume rápidamente el oxígeno, por lo que frecuentemente se encuentran zonas anaerobias (zonas con ausencia de oxígeno) en el interior de la biopelícula. Cuando se desprende la biopelícula, esta es arrastrada por el agua tratada hasta el fondo del filtro llegando finalmente hasta el sedimentador secundario, donde los sólidos son separados por sedimentación mientras que el agua tratada se retira en la superficie a través de los vertederos.

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Fuente: Reynolds, 1982 Foto 1.20 Filtro percolador con varios distribuidores rotatorios.¡

Recirculación opcional LP

FP

Influente PT SP

SS

Efluente

Q

Lodo secundario, Qr ≈ 10% Q

Figura 1.30 Tren de tratamiento que incluye un filtro percolador. (caudal (Q); caudal de recirculación (Qr); pretratamiento (PT); sedimentador primario (SP); lodos primarios (LP); filtro percolador (FP); sedimentador secundario (SS))

En el diagrama de Flujo (Figura 1.30) se muestra el tren de tratamiento del agua residual que inicia con el pretratamiento, seguido de un sedimentador primario, el filtro percolador y finalmente un sedimentador secundario que tiene como función eliminar a los microorganismos acumulados y que periódicamente se desprende del filtro, recirculando un 10% de éstos hacía el sedimentador primario. En este último sedimenta tanto los sólidos de la biopelícula como los del agua bruta. Variantes de filtros biológicos de doble etapa Otro posible esquema de trabajo consiste en que el filtro percolador se opere en dos etapas (intervienen dos filtros percoladores operados en serie). Nótese también los arreglos de recirculación entre ambos filtros (Figura 1.31). 65

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R1

R2

Influente

Efluente SP

SS

Q

Figura 1.31 Diagrama de flujo de un sistema percolador operado en 2 etapas con recirculación (R1 y R2), sedimentador primario (SP) y sedimentador secundario (SS)

El material de construcción de los tanques de los filtros percoladores suele ser de concreto reforzado y de un diámetro muy variable entre 3 a 40 m. No se debe confundir un filtro percolador con un sedimentador, ya que ambos son circulares y tienen un brazo diametral giratorio. La gran diferencia entre ellos es que un filtro percolador tiene un brazo giratorio que rocía agua residual, el sedimentador no; el filtro rociador esta relleno de grava o piedras o incluso material plástico bien visibles a un espectador, mientras que un sedimentador no tiene material de relleno y un observador sólo vería un estanque de agua residual. Evaluación del proceso A continuación se invita al observador que evalúe el proceso de filtro percolador con base a la presencia o ausencia de una serie de indicadores de problemas de funcionamiento (Tabla 1.12). Tabla 1.12 Indicadores de inadecuada funcionalidad de una planta con tratamiento biológico de tipo filtro percolador Clasificación A B C D

Indicador Presencia de moscas Malos olores Falta de crecimiento de microorganismos sobre las piedras o grava No hay diferencia de color y turbidez entre el agua residual que entra y la que sale del sistema de filtro percolador

Positivo

Negativo

El más común de los problemas encontrados en los filtros percoladores es la presencia de mosquitos (Psychoda) que crecen sobre el material de relleno del filtro. Generalmente los mosquitos permanecen en las inmediaciones del filtro, sin embargo pueden llegar a molestar a los operadores. Un control efectivo contra esta plaga suele ser inundar el lecho un día del verano de esta forma las larvas del mosquito perecen. Otro problema es el de mal olor cuando se opera el filtro a bajas velocidades y el agua residual fermentada llega a la planta. Sin embargo es rara la presencia de mal olor en plantas que se operan a altas cargas con recirculación continua. 66

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Es obvio que los indicadores A-D son detectados mediante inspección visual, sin embargo, para determinar el indicador E el observador deberá obtener agua del influente (agua residual que entra al filtro biológico directamente) y del efluente (agua residual final). Colocar los 2 tipos de agua en vasos limpios y transparentes marcando los mismos para evitar confundir las aguas residuales y finalmente realizar la inspección visual. Diagnóstico Siguiendo la siguiente valoración el observador podrá realizar una evaluación primaria del funcionamiento del sistema biológico, en este caso concreto, filtro percolador. Si la observación D es positiva, el sistema de filtro percolador funciona mal, independientemente del estado de los demás indicadores. Si la observación D es negativa y cualquiera de los demás indicadores es positivo el sistema funciona regular. Si todos los indicadores fueron negativos el sistema funciona bien. ¿Cómo funciona el sistema de filtro percolador? (Bien) (Regular) (Mal)

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Sistema de discos biológicos rotatorios (Biodiscos)

Descripción del proceso Una unidad o etapa de biodiscos consiste en una serie de discos montados en un eje central horizontal rotatorio e instalados en un tanque de concreto. En la Figura 1.32 y Foto 1.21 se puede observar los componentes principales de una unidad de biodiscos (el rotor, el eje o flecha y los discos). Unidad de Biodiscos Cubierta

Discos Flecha

Motor Tanque Figura 1.32 Principales componentes de una unidad de Biodiscos

Foto 1.21 Unidades de Biodiscos en operación

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La flecha y discos se hacen girar por medio de un mecanismo motriz acoplado a la flecha, entre 1 y 2 r.p.m. El 40% de la superficie de los discos debe mantenerse dentro del agua residual. Inicialmente los discos se construyeron a base de madera, pero por su baja eficiencia se buscaron nuevos materiales. Actualmente los materiales de construcción son polietileno y poliestireno. La superficie de los biodiscos puede ser lisa o corrugada, siendo más eficiente esta última. Los biodiscos al unirse, forman una estructura rígida, con un espaciamiento entre capa y capa de 3.2 cm, formando unos canales radiales desde el centro del biodisco hacia la periferia, de esta forma se asegura que el agua residual, el aire y la biomasa que se desprende, pasen libremente dentro y fuera del medio (Figura 1.33).

FUENTE: Guerra Álvarez, 1982 Figura 1.33 Biodiscos con canaletas

En la Tabla 1.13 se detallan las dimensiones y materiales más comunes en la construcción de los biodiscos. Tabla 1.13 Dimensiones de los biodiscos Diámetro (m) Espesor (cm) Separación entre los Biodiscos (cm) Materiales utilizados Densidad superficial (m2/m3) Tamaño de población (habitantes)

Biodiscos lisos 2-3 0.13-1.3 3.4 Poliestireno, 121.4 10,000

Biodiscos con canaletas 3.6 3.2 Polietileno 122.7 -

Los biodiscos se sumergen en el agua residual justo por debajo del nivel del eje, en un tanque con un fondo de forma cilíndrica, cuyo tamaño es ligeramente mayor que el de los biodiscos. La forma cilíndrica del tanque no es obvia para un observador, ya que la forma externa del tanque es de apariencia rectangular como se puede observar en la Foto 1.22.

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Los biodiscos deben estar cubiertos para su protección de los rayos solares, evaporaciones y bajas temperaturas. En la Foto 1.22 se observa que los biodiscos se encuentran cubiertos por láminas formando un semicilindro. En este ejemplo en concreto una de las unidades se ha descubierto para realizar su limpieza. También es posible ver los sedimentadores secundarios del tren de tratamiento. Foto 1.22 Unidad de Biodiscos en la planta de depuración de aguas

Sobre cada biodisco crece una gran cantidad de organismos microscópicos (zooglea), pero su conjunto forma una capa visible entre 4 mm hasta varios centímetros. La apariencia de la capa es áspera con muchos filamentos (especie de hilos sobresalientes). La capa adherida al disco se alimenta del oxígeno disuelto y de la materia orgánica contenida en el agua residual (materia fecal, orina, desperdicios alimentarios etc.). El movimiento rotatorio provoca que la biomasa en exceso se desprenda y quede en el seno del licor de mezclado (lodo + agua residual tratada). El lodo que se va desprendiendo de los biodiscos se elimina mediante sedimentadores intermedios. Varias unidades o etapas de biodiscos pueden estar operando en paralelo o en serie como se puede observar en las Fotos 1.23 y Figura 1.34, respectivamente. En el primer ejemplo la operación se realiza en 5 etapas y en paralelo, mientras que en el segundo ejemplo las unidades de biodiscos tienen un arreglo en serie.

Foto 1.23 Sistema de Biodiscos de 5 etapas

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FUENTE: Guerra Álvarez, 1982 Figura 1.34 Sistema de biodiscos de 3 etapas, sin cubierta externa

En la Figura 1.35 se muestra un sistema de tratamiento de aguas residuales de biodiscos. Es necesario pretratar el agua cruda para que pueda entrar a las etapas de los biodiscos. Posteriormente el licor de mezcla que sale de los biodiscos es llevado hasta un sedimentador secundario donde los lodos se asientan en el fondo y el agua tratada se extrae por la superficie, colectándose en canales para su posterior desinfección. Sedimentador primario

Biodiscos

Sedimentador secundario

Agua tratada

Licor mixto

Disposición de lodos

Agua residual cruda Figura 1.35 Sistema de discos biológicos rotatorios en el tratamiento de aguas residuales

Evaluación del proceso A continuación se dan algunos indicadores del mal funcionamiento de un sistema de biodiscos de los cuales el observador podrá identificar mediante una inspección visual.

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Tabla 1.14 Indicadores de inadecuada funcionalidad de una planta con tratamiento biológico de biodiscos Clasificación Indicador A Desarrollo de una biopelícula blanca sobre el biodisco, dominando la superficie. B Desarrollo de una biopelícula negra sobre el biodisco, dominando la superficie. C Zonas del biodisco sin crecimiento de microbiano. D No hay diferencia de color y turbidez entre el agua residual que entra y la que sale del sistema de biodiscos.

Positivo

Negativo

Diagnóstico Si cualquiera de las observaciones anteriores (A-D) fueron positivas el sistema funciona mal. Si las observaciones A-B fueron positivas, el sistema funciona regular. Si las observaciones C-D fueron positivas, el sistema funciona mal. Si ninguna observación (A-D) fue positiva, el sistema funciona bien. ¿Cómo funciona el sistema de biodiscos? (Bien) (Regular) (Mal)

Sistemas anaerobios Para llevar a cabo la digestión anaerobia se han propuesto varios procesos con configuraciones diferentes que buscan optimizar el sistema. Estas configuraciones pueden agruparse por la forma en que se encuentra la biomasa en su interior, lo que origina dos grandes bloques: reactores con crecimiento celular en suspensión y reactores con biomasa fija. A continuación se describen brevemente los reactores anaerobios existentes. Se clasifican en tres generaciones (Figura 1.36), de acuerdo a la evolución tecnológica que presenten, la primera corresponde a aquellos procesos donde la biomasa se encuentra en suspensión; en la segunda generación, los microorganismos son retenidos en el reactor mediante un soporte o bien por sedimentación y; los de la tercera generación, donde los microorganismos están adheridos en un soporte que se expande o fluidifica.

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SISTEMAS ANAEROBIOS

Biomasa en suspensión (1ª generación)

Fosa séptica Tanque Imhoff Laguna anaerobia Digestor convencional Digestor completamente mezclado Contacto anaerobio

Biomasa fija (2ª generación)

Filtro anaerobio Reactor tubular de película fija Reactor de lecho de lodos y flujo ascendente (UASB)

Lecho expandido (3ª generación)

Lecho expandido Lecho fluidificado

Figura 1.36 Generaciones de los reactores anaerobios

Reactores de primera generación Los primeros reactores de tipo anaerobio son, por un lado la fosa séptica y los digestores de tipo rural con una alimentación semicontinua, de los que se tienen referencia desde el siglo XIX. Estos digestores son utilizados para la producción de biogás a partir de desechos agrícolas y ganaderos, por lo que una descripción detallada cae fuera del tema de este texto. En la actualidad estos sistemas se han difundido considerablemente a nivel doméstico o de granja familiar, sobre todo en países subdesarrollados.

•

Fosa séptica

Descripción del proceso Las fosas o tanques sépticos son unidades que restablecen en parte la calidad del agua generada en las actividades domésticas de viviendas individuales o pequeños grupos de viviendas (de 10 a 100 habitantes) en zonas donde no hay drenaje. Su ubicación debe de encontrarse lo más lejos posible de la zona habitada (hasta 100 m) para evitar los malos olores producidos durante el tratamiento. Consisten básicamente de un tanque construido comúnmente con ladrillos, mortero y cemento, aplanados en su interior y con una profundidad entre uno y dos metros (ver Foto 1.24). Algunas veces tienen una trampa para separar las grasas. Su construcción generalmente es subterránea, como se muestra en la Foto 1.25 en la que únicamente se observan sus tapas.

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Foto 1.24 Fosa o tanque séptico externo

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a)

b) Foto 1.25 Fosas o tanques sépticos subterráneos

Pueden ser de uno o más compartimientos. En la Figura 1.37 se observan los principales componentes de un tanque séptico de un compartimiento y en la Figura 1.38 uno de dos compartimentos. La remoción de DBO y SS en una fosa o tanque séptico de un compartimiento es de 30 % y 60 %, respectivamente. Su tiempo de retención mínimo es de 12 horas y puede incrementarse hasta tres días, dependiendo de la calidad necesaria en el efluente y del número de compartimientos. La forma más común de estos sistemas es rectangular, aunque los hay de forma circular. En los tanques sépticos no se logra degradar la materia orgánica hasta su forma más oxidada, es decir hasta sus formas más sencillas. El efluente presenta concentraciones considerables de materia orgánica, por lo que es necesario complementar el tratamiento mediante un filtro de grava, un campo de infiltración o una cámara de oxidación, dependiendo del uso que se pretenda dar al agua tratada. Por lo tanto el tanque séptico funciona como un pretratamiento. Normalmente produce malos olores. Sus componentes principales son: zona de espumas, zona de sedimentación y zona de lodos. Esta última se subdivide en a) zona de digestión de lodos y corresponde a los lodos de la parte superior, b) zona de almacenamiento correspondiente a los lodos del fondo.

Figura 1.37 Fosa o tanque séptico de un compartimiento 73

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Figura 1.38 Fosa o tanque séptico de dos compartimientos

Los tubos de entrada y de salida deben de tener destapada la parte superior para permitir el paso de los gases, especialmente en la salida, para evitar que formen parte del efluente. Estos tubos funcionan como mamparas ya que reducen los cortocircuitos y facilitan la hidráulica del agua en el tanque séptico. La parte superior de los tubos deben encontrarse a una distancia de 15 a 20 cm por encima de la superficie del agua, sobrepasando el nivel de la espuma. La parte inferior de los tubos deben estar sumergidos entre un 30 a un 40 % de la profundidad del líquido en el tanque. Tratamiento del efluente del tanque séptico. 1.- Filtro de oxidación. El tratamiento del efluente de un tanque séptico puede realizarse mediante un filtro de oxidación de flujo ascendente instalado junto al efluente del tanque séptico como se indica en la Figura 1.39. El filtro puede ser de grava o gravilla y construirse de 50 cm de profundidad. El efluente de este filtro descarga por la parte superior y el agua llega por su base. Las bacterias se adhieren formando una capa en la superficie de la grava en donde se oxida la materia orgánica reduciéndola hasta en un 70 %. También se reducen los malos olores y la turbiedad. El filtro debe lavarse cada dos años de funcionamiento para recuperar su capacidad de tratamiento.

Figura 1.39 Fosa o tanque séptico de dos compartimientos y un filtro de flujo ascendente

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2.- Campos de infiltración. En este proceso se filtra y oxida el efluente de tanque séptico. Consiste de una red de tubos colocados por debajo de la superficie del suelo, el cual debe ser permeable. En el lecho se desarrollan microorganismos (bacterias, protozoarios) y otros seres como las algas y los anélidos, que de manera conjunta eliminan la materia orgánica (entre 80 y 90 %) y a microorganismos patógenos. En la Figura 1.40 se muestra la distribución de los tubos para un campo de infiltración en suelos permeables. En la Figura 1.41 se muestra un corte transversal del campo de infiltración en suelos poco permeables, que consiste de un lecho de rocas de diferente diámetro y varían de 0.5 a 1.5 m de profundidad. Estos campos de infiltración no deben de construirse en zonas donde el manto acuífero se encuentra Figura 1.40 Fosa o tanque séptico a una profundidad menor a 1.5 m de la superficie del y campo de infiltración Vista de planta terreno. El campo de infiltración no debe construirse sobre pendientes muy pronunciadas, ya que estas reducen la posibilidad de infiltración. El suelo impermeable no es apto para este proceso.

Figura 1.41 Corte transversal de un campo de infiltración

Cámara de oxidación. Consiste de un tanque con tapa, construido en mampostería y concreto como se muestra en la Figura 1.42, aunque el lecho de grava y piedra puede ser sustituido únicamente por piedra. El tubo puede ser de barro vitrificado, concreto o de PVC, contener perforaciones y ubicarse uno en la parte superior (influente) y uno en el fondo (efluente) con las pendientes que se indican en la Figura 1.42. El efluente del tanque séptico pasa por todas las superficies de roca, en donde los microorganismos oxidan (biodegradan) la materia orgánica.

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Figura 1.42 Cámara de oxidación

Pozo de absorción. Sirven para continuar el tratamiento del efluente de un tanque séptico por medio de infiltración en el suelo. Es alto el riesgo de contaminar el agua subterránea con el agua tratada con este método, especialmente en suelos muy permeables, por lo que no debe encontrarse de manera somera el manto freático, ni ubicarse cercano a un pozo de extracción de agua para suministro potable. Pueden construirse varios pozos de absorción cuando sea grande el caudal proveniente del tanque séptico (por ejemplo un pozo para cada 10 personas). En la Figura 1.43 se observan los componentes de un pozo de absorción. Evaluación del proceso Con apoyo de un recipiente transparente compare la apariencia que tienen el agua del influente y la del efluente. La del efluente debe de ser más transparente, aunque puede presentar poco mal olor, por la materia orgánica que persiste en el agua. El aspecto más importante a supervisar en el tanque séptico es la medición de la capa de lodos y el del grosor de las espumas. El objeto de esta medición es para obtener información que permita conocer cuando se deben de extraer los lodos ya que un exceso de lodos disminuye el volumen de tratamiento, aumenta la velocidad del caudal e incrementa la posibilidad de descargar sólidos en el efluente. De igual modo, un exceso de espuma incrementa el riesgo de la descarga de sólidos. Figura 1.43 Componentes de un pozo de abasorción 76

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La medición de los lodos se realiza utilizando enrollando una toalla blanca sobre un palo o sobre algún carrizo, posteriormente se remueve el tapón del influente, ya que aquí no hay espuma que pueda impregnar la toalla, se introduce lentamente el palo con la toalla hasta que toque el fondo, se extrae lentamente y se miden las marcas dejadas por las espumas y los lodos. El grosor de la capa de espumas puede medirse por la tapa del tanque séptico. Es importante cerciorarse que se están midiendo los lodos de un tanque séptico y no la profundidad de una cámara de oxidación. El grosor máximo de la capa de lodos debe de ser de un tercio de la profundidad del tanque séptico, desde la superficie del agua hasta el fondo de los lodos. La profundidad de la espuma no debe ser mayor a 10 cm de la parte más profunda del tubo del efluente. En la Foto 1.26 se observa el palo preparado con la toalla blanca para la medición de lodos (foto izquierda) y la marca que dejan los lodos sobre la toalla blanca (foto derecha). Foto 1.26 Palo con toalla para medición de lodos

Responda las siguientes preguntas: 1. ¿Llega el agua sin taponamientos hasta el tanque séptico? Si _____ No ______ Si contestó no determine la causa ____________________________________________. 2. Profundidad de lodos del tanque séptico. __________ cm. 3. ¿Cuándo se extrajeron los lodos por última vez? _________. 4. Profundidad de la espuma del tanque séptico. __________ cm. 5. ¿Qué tipo de tratamiento le sigue al tanque séptico? a) Ninguno ________ b) Campo de infiltración ________ c) Cámara de oxidación ________ d) Pozo de absorción ________ 6. Es somero el manto acuífero (agua subterránea). Profundidad ________ m 7. ¿Es la misma la cantidad de agua que entra y la que sale del tanque séptico? Si contestó no verifique si hay fracturas o fugas. 8. Distancia del tanque séptico a la casa más cercana ________.

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9 Estado general de las estructuras. Bueno ______ Regular _____ Malo _______ 10 En el caso de los pozos de absorción determine el tiempo que tarda el agua en bajar 2.5 cm. Puede variar entre dos y 30 minutos, dependiendo del grado de permeabilidad del suelo. Entre menor velocidad de infiltración se requiere más área para cada habitante. Tiempo ________ minutos. Diagnóstico Con base en las preguntas y respuestas anteriores su apreciación es de que el sistema funciona: Bien ________ Mal ________ Regular _______

•

Tanque Imhoff

Descripción del proceso En el tanque Imhoff se realiza la sedimentación de sólidos sedimentables y su digestión anaerobia es de manera similar a un tanque séptico, aunque con un tanque Imhoff se pueden tratar caudales mayores (para comunidades entre 500 y 5,000 habitantes) y en su interior se presentan por separado la sedimentación y la digestión de lodos, en compartimientos diferentes. Se construyen con concreto. Son de forma cuadrada o rectangular. Normalmente están abiertos en su superficie, por lo que se puede ver el agua. La relación largo/ancho-varía de 3:1 a 5:1. Su profundidad común varía entre 1.5 y 4 m, aunque si la excavación lo permite pueden construirse hasta de 7 m de altura. Están constituidos de cuatro zonas: Entrada, compartimiento de sedimentación, cámara de digestión y salida. El agua residual después del tubo de entrada es forzada a fluir hacia abajo, es decir hacia la zona de sedimentación mediante un deflector o mampara. Ver Figura 1.44a. En el compartimiento de sedimentación, el agua residual permanece entre dos a cuatro horas y los sólidos del agua residual caen hacia el fondo por escurrimiento a través de una abertura longitudinal hacia la cámara de digestión, donde los lodos formados se descomponen o digieren en un periodo de dos a tres meses, produciendo diversos gases como metano, ácido sulfhídrico, bióxido de carbono, etc. El almacenamiento de estos lodos varía entre cuatro y seis meses, después de este periodo el lodo debe presentar un color negro oscuro y no debe generar mal olor. La abertura mencionada en el párrafo anterior, está formada por una mampara, la que evita el ascenso de los gases formados durante la digestión, hacia el comportamiento de sedimentación. Los gases escapan a la atmósfera por las ventilas ubicadas a los lados de la zona de sedimentación (Figura 1.44b y 1.44c). Finalmente el agua tratada pasa por debajo del deflector de la zona de salida para evitar el escape de las natas.

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Figura 1.44 Tanque Imhoff con una cámara de sedimentación. a) Vista transversal, b) Vista en planta, c) Vista horizontal

En la Figura 1.45 se presenta un tanque Imhoff con doble cámara de sedimentación sobre una cámara de digestión.

CORTE TRANSVERSAL

VISTA EN PLANTA

Figura 1.45 Componentes del tanque Imhoff con doble cámara de sedimentación. Vistas transversal y en planta 79

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En la Foto 1.27 se muestra un tanque Imhoff el cual incluye los lechos de secado. En esta planta los lodos se extraen por la parte inferior del Tanque Imhoff y no a través de un tubo por la parte superior como sería el caso de los tanques de las Figuras 1.44 y 1.45. Evaluación del proceso Antes de evaluar el tanque Imhoff es necesario supervisar que el FUENTE: Metcalf & Eddy. 1991 pretratamiento (rejillas y desarenador), así como algún sistema de bombeo que Foto 1.27 Panorámica de un Tanque Imhoff y sus lechos de secado pudiera tenerse, estén siendo operados de manera correcta. La ausencia del pretratamiento, así como fallas en su operación pueden afectar de manera significativa el funcionamiento del tanque Imhoff, por ejemplo la falta del desarenador o fallas en su operación y limpieza propician el azolve rápido del compartimiento de digestión de lodos. Investigue con el operador con qué frecuencia se realiza la limpieza de las rejillas y del desarenador y qué cantidad de arena y basuras extraen por día o por semana. Conviene también averiguar cuál es el destino de estos residuos. Después de supervisar que el pretratamiento funciona de manera correcta, localice el tubo y el canal del influente. Verifique que el agua fluya sin dificultad. Enseguida levante alguna tapa del tanque y revise que se encuentra la capa de espumas en la superficie. La presencia de estas espumas y la generación de poco mal olor indican buen estado del sistema. Normalmente cuando los tanques Imhoff son bien diseñados y operados correctamente, los olores que se perciben no deben de ser muy fuertes. Mida la profundidad de los lodos introduciendo una sonda con una tela blanca enrollada sobre la cual quedará la marca de la profundidad de los lodos. Verifique que estos lodos no se encuentren cerca de la profundidad de la cámara de sedimentación. Pregunte al operador con qué frecuencia se realiza la extracción de lodos, qué cantidad estima se está extrayendo y en qué sitio son dispuestos, ya sea en los lechos de secado, en alguna zanja para lodos, o cual es su destino final. También investigue con qué frecuencia remueven las espumas y cuál es su destino final, de manera similar como se haría con los lodos. Las ventilas de gas no deben de contener natas o materiales flotantes. La tapa del tanque no debe contener objetos sobre ella. En alrededor no deben presentarse hierbas o arbustos. Con apoyo de un recipiente transparente compare la apariencia que tienen el agua del influente y la del efluente. La del efluente debe de ser más transparente, aunque puede presentar poco mal olor, por la materia orgánica que persiste en el agua. 80

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Además de las respuestas de las observaciones anteriores conteste las siguientes preguntas. Tiempo de inicio de operaciones del sistema _______________________________ años. ¿Existe pretratamiento?

Si _____ No______

Frecuencia de limpieza de rejillas y desarenador ________________________________. Sitio de disposición final de los residuos del pretratamiento. _______________________________________________________________________. ¿Existe capa de espumas?

Si _____ No ______

Frecuencia de extracción de espumas: ________ veces por día, cada _______ días, ________ veces por semana. Lugar de disposición de las espumas: Área de cultivo ________ Basurero ________ Lechos de secado ________ Otros (especifique)._______________________________________________. Frecuencia de extracción de lodos: ________ minutos por día, ________ minutos cada días, _______ minutos por semana. Lugar de disposición de los lodos: área de cultivo ______, basurero ______ lechos de secado ______ otros (especifique) __________________________________. Identifica grietas o fugas en el tanque Imhoff? Estado general del tanque:

•

Si _______ No _______

Bueno _______ Malo ______ Regular _______

Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA)

Descripción del proceso En el reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA), el agua residual a tratar es conducida desde la parte superior del reactor (tanque) hacia el fondo del mismo por medio de tubos. El influente fluye en sentido ascendente a través de un manto de lodos (microorganismos anaerobios) llevándose a cabo de esta forma el tratamiento (Figura 1.46a). El biogás producido en condiciones anaerobias (principalmente metano y dióxido de carbono) genera una circulación interior (mezclado). El biogás, el lodo y el líquido tratado ascienden a la parte superior del reactor, en donde entran en contacto con deflectores que permiten la separación del biogás y la sedimentación del lodo. El biogás es capturado en la campana de recolección que se encuentran en la parte superior del reactor. El líquido tratado (efluente) sale por la parte superior. Detalles de éste proceso se indican en la Figura 1.46a y b. 81

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Figura 1.46a Reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA) rectangular

Figura 1.46b Reactor anaerobio de flujo ascendente (RAFA) rectangular

El agua residual debe estar bien distribuida en forma uniforme cerca del fondo del reactor (10-20 cm), mediante una serie de tubos y donde cada uno cubre un área de 1 ó 2 m2 del fondo del tanque. Principalmente para agua residual doméstica es importante garantizar una distribución uniforme con un control individual en cada punto (tubo) de distribución del agua, por ejemplo, esto es posible por inyección del agua residual en el canal principal localizado en la parte superior del reactor, desde el cual los tubos pueden tomar el agua residual doméstica para cada punto de distribución. 82

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La geometría de un RAFA, corresponde a un tanque circular o rectangular que puede estar completamente tapado y por lo que en este caso sólo se podrá observar los tubos de recolección de gas. En otros casos se podrá observar en la zona superior del reactor, el sedimentador, los vertedores y el sistema de recolección del gas. El recolector de biogás puede encontrarse, ya sea entre dos unidades de sedimentación o sobre el borde del sedimentador. En cuanto al material de construcción, el reactor puede estar construido en concreto armado con el uso de un revestimiento anticorrosivo. La forma rectangular presenta facilidades para la distribución del influente en el fondo del reactor y la modulación del sistema. Algunos reactores presentan varias unidades de sedimentación, dependiendo de su tamaño. Estos reactores se diseñan para tiempos de retención hidráulica entre 4 y 8 horas, con eficiencias de remoción de materia orgánica del 60 a 80% y una remoción de patógenos que oscila del 60-80 %. Las principales condiciones que deben tomarse en cuenta en estos reactores son: Una efectiva separación de biogás; el lodo anaeróbico debe presentar buena capacidad de sedimentación (granular); el desagüe debe ser introducido en la parte inferior del reactor. Control del proceso Existen ciertos parámetros que contiene el agua residual que pueden afectar el buen funcionamiento de este proceso, como son compuestos tóxicos, la concentración de la materia orgánica, la temperatura, el pH y los nutrientes. El proceso ocurre en un rango aceptable entre 15 y 25 0C y a un rango relativamente alto de 30-40 0C. Los países con clima tropical presentan una temperatura ambiente ideal para su aplicación. Si el agua residual carece de nutrientes como Nitrógeno (N) y Fósforo (P), el tratamiento puede llevarse a cabo si se le adiciona al sistema los nutrientes en las siguientes relaciones: DQO/N 0.2 A continuación se desarrolla una explicación de la correlación A/M y las características de sedimentación del lodo. 1. Para relaciones A/N bajas (