Modulo Tratamiento de Aguas Residuales

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES OSVALDO GUEVARA VELANDIA (Director Nacional)

DUITAMA Febrero de 2012

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El módulo fue diseñado en el año 1996 por Ingenero Jose Humberto Guerrero R. e impreso en los talleres gráficos de Unisur, para la Universidad Nacional Abierta y a Distancia. El presente módulo ha tenido

una actualización, desarrollada por el Ingeniero Osvaldo

Guevara Velandia en el 2007 quien ha sido tutor de la UNAD en el CEAD DUITAMA, acreditado su contenido por el Ing. Jose Humberto Guerrero.

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TABLA DE CONTENIDO Pág. Introducción Unidad 1: conceptos fundamentales y sistemas de administracion del agua Introducción Justificación Objetivos Contenido de la unidad Capitulo 1 . Origen e importancia del tratamiento de agua residual Lección 1. Origen del agua residual Lección 2. Caracteristicas de las aguas residuales Lección 3. Importancia del tratamiento del agua residual Lección 4. Muestreo y aforo de las aguas residuales Lección 5. Medida de caudal Autoevaluacion 1 Capitulo 2 . Gestión del recurso hidrico y normatividad ambiental Lección 6.Tecnicas para reducir las aguas residuales dentro de la planta Lección 7. Tecnicas para reciclar las aguas residuales no tratadas Lección 8. Recuperación de subproductos Lección 9. Técnicas para reutilizar el agua residual tratada Lección 10. Normatividad Ambiental Autoevalción 2 Capitulo 3 . Operaciones de pretratamiento y tratamiento primario del agua residual Lección 11. Operaciones de pretratamiento Lección 12. Operaciones de tratamiento primario Lección 13. Flotación Lección 14. Filtración Lección 15. Transferencia de gases, coagulación, mezclado. Autoevaluación 3 Unidad 2: Tratamiento secundario y terciario del agua residual Introducción Justificación Objetivos Contenido de la unidad Capitulo 1 Tratamiento Biologico del agua residual Leccion 16. Microorganismos presentes en el agua residual Leccion 17. Otros tipos de microorganismos Lección 18. Metabolismo microbiano Leccion 19.Digesión Aerobia Lección 20. Digestion anaerobia

8 9 10 11

12 13 20 25 30 34 40

42 45 46 47 49 53 58

59 61 64 68 70 74 84 85 86 87 88 90 93 93 96 99 107

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Autoevaluación 4 Capitulo 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO Leccion 21. Procesos aerobios Leccion 22 Filtro percolador Lección 23. Procesos anaerobios Leccion 24. Reactores de segunda generación Lección 25. Limitaciones asociadas con la digestion anaerobia Autoevaluación 5 Capitulo 3 Tratamiento Terciario Leccion 26. Desinfeccion Leccion 27. Eliminacion de sustancias inorganicas disueltas Lección 28. Manejo y disposición de lodos Leccion 29. Criterios para la selección de los procesos de tratamiento Lección 30. Operaciones de la matriz de decisión Autoevaluación 6 Bibliografia

108 109 109 118 123 127 129 130 131 132 139 141 148 148 150 151

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LISTA DE FIGURAS Pág. 14

Figura 1

El Agua En La Industria De Alimentos

Figura 2

17

Figura 3

Posible Circuito De Empleo Del Agua En Una Planta Procesadora De Alimentos Diagrama De Flujo De Una Planta De Procesamiento de Aves

Figura 4

Composición De Los Sólidos En Las Aguas Residuales

21

Figura 5

Sitios De Muestro

31

Figura 6

Descarga Periodica Irregular

32

Figura 7

Descarga Periodica Regular

32

Figura 8

Descarga Continua

33

Figura 9

Descarga Irregular

34

Figura 10

Método Volumétrico Manual

35

Figura 11

Vertederos

36

Figura 12

Canal Parshall

37

Figura 13

Medicion Electromagnetica

39

Figura 14

Medicion Por Ultrasonido

40

Figura 15

Modelo Tradicional

43

Figura 16

Modelo De Producción Limpia

43

Figura 17

Etapas En El Tratamiento Del Suero Líquido Para Su conservación

48

Figura 18

Estructura Del Derecho Ambiental Colombiano

54

Figura 19

Operaciones Y Procesos Unitarios Del Tratamiento de Agua Residual

61

Figura 20

Método Para Medir Velocidad De Sedimentación Floculante

67

Figura 21

Esquema De Las Zonas De Sedimentación Para Un Fango Activado

68

Figura 22

75

Figura 23

Representación Esquemática De La Transferencia Del Oxigeno En Cuatro Pasos Desde La Fase Vapor A La Fase Solución. Etapas Del Desarrollo Microbiano

Figura 24

Representación Esquemática Del Metabolismo Bacteriano

94

Figura 25

Representacion De La Digestion Anaerobia

96

Figura 26

97

Figura 27

Trasformaciones Del Nitrogeno En Los Procesos De Tratamiento Biologico Representacion De La Digestion Anaerobia

Figura 28

Balance Anaerobio De La Materia

100

18

92

99

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Figura 29

Balance Aerobio De La Materia Organica

102

Figura 30

Etapas De La Digestión Anaerobia

104

Figura 31

Reduccion Biologica Del Sulfato

105

Figura 32

Sulfato Reducción En La Degradación De La Materia Orgánica

106

Figura 33

Reacción De Desnitrificación

107

Figura 34

Acción De Bacterias Anaerobias Sobre El Tereftalato

110

Figura 35

Proceso De Lodos Activados

111

Figura 36

Esquema Proceso Convencional De Lodos Activados

115

Figura 37

Plantas De Tratamiento Con Lagunas Aireadas

117

Figura 38

Planta De Tratamiento Con Zanjón De Oxidación

119

Figura 39

Esquema De Película Biológica En Un Filtro Percolador

126

Figura 40 Tanque Septico Y Tanque Imhoff

127

Figura 41

Filtro Anaerobio Ascendente

128

Figura 42

Sistema Uasb

129

Figura 43

Reactor De Lecho Fluidizado

136

Figura 44

Curva Generalizada Obtenida Durante La Cloracion Al Breakpoint

143

Figura 45

Flujo Para Manejo De Sólidos

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Niveles Máximos Permitidos En La Calidad Del Agua Potable

Pág. 15

Tabla 2 Características Del Agua Utilizada En Algunas Industrias Alimenticias

16

Tabla 3 Volúmenes De Agua Empleados En La Industria

19

Tabla 4 Consumos Unitarios De Agua

20

Tabla 5 Contaminantes De Importancia En El Tratamiento Del Agua Residual.

26

Tabla 6 Características Principales De Las Aguas Residuales Provenientes De Ciertas Industrias De Alimentos. Tabla 7 Cargas Unitarias De Contaminación De Diferentes Empresas

27

Tabla 8 Beneficios Y Restricciones De La Politica De Produccion Limpia

44

Tabla 9 Posibles Aplicaciones Del Reciclado Del Agua Residual Industrial

47

Tabla 10 Composición Del Suero Dulce Y Del Suero Ácido

48

Tabla 11 Aplicación Para La Reutilización Del Agua Residual y Posibles Restricciones. Tabla 12 Tecnologías De Tratamiento Aplicables Para La Reutilización Del Agua Residual.

49

Tabla 13 Mecanismos De Eliminación Y Retención De Partículas

73

Tabla 14 Solubilidades De Gases En El Agua Para Diferentes Temperaturas

77

Tabla 15 Tipos De Aireadores

78

Tabla 16 Productos Químicos Empleados En El Tratamiento Del Agua Residual

79

Tabla 17 Clasificaciones De Los Organismos

90

Tabla 18 Rangos Típicos De Temperatura Para Las Bacterias

91

Tabla 19 Relación Entre La Fracción De Organismos Nitrificantes Y La Relación De Dbo/Nkt De Las Aguas Residuales Tabla 20 Reacciones Bioquímicas En La Digestión Anaerobia De La Materia Orgánica Tabla 21 Características Principales De Los Filtros Percoladores

98

Tabla 22 Características Típicas De Los Discos Biológicos

123

Tabla 23 Características De Lodos

142

28

50

103 120

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UNIDAD 1: CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y SISTEMAS DE ADMINISTRACION DELAGUA

INTRODUCCION

El Módulo TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES da a los estudiantes las herramientas suficientes, los conceptos técnicos, tecnologías existentes y las tendencias actuales que le permitan: comprender los efectos negativos ocasionados al medio por vertimientos líquidos; actuar y tomar decisiones para evitar, controlar, compensar o mitigar estos efectos; en busca de este objetivo el módulo se ha dividido en dos unidades. La primera unidad establece la relación y origen del agua residual en una empresa de alimentos, presenta técnicas de aforo, los parámetros físicos, químicos y biológicos que permiten al estudiante caracterizar el agua residual y emitir un concepto de calidad de agua; presenta adicionalmente, una recopilación de la normatividad ambiental vigente referente a vertimientos líquidos y ejemplos de aplicación de la tasa retributiva, criterios de decisión y herramientas con las cuales el estudiante estima el costo económico por contaminación hídrica y plantea la necesidad de aplicar políticas de reducción, reuso y reciclaje de agua. Describe conceptualmente las diferentes etapas que componen el sistema de tratamiento de agua residual, en esta primera unidad profundiza en el pretratamiento y tratamiento primario. La segunda unidad muestra los principios del tratamiento biológico o secundario del agua residual; éstos incluyen descripción del tipo de microorganismos, mecanismos de digestión aerobia y anaerobia y tecnologías desarrolladas. Presenta las operaciones y procesos que conforman el tratamiento terciario o avanzado enfatizando en la desinfección del efluente con compuestos clorados, por último incluye las alternativas de disposición de los lodos generados en el tratamiento del agua residual.

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JUSTIFICACIÓN

El ingeniero de Alimentos es responsable de la transformación de materias primas, del control de los procesos y de la calidad de los productos, y por tanto de las emisiones, descargas y manejo de residuos líquidos, sólidos y gaseosos, y los efectos que estos provocan sobre el medio ambiente. El curso TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES busca que el Estudiante Unadista valore los recursos naturales, plantee los efectos negativos del vertimiento de agua residual sobre el ambiente, justifique técnica ambiental, económicamente las acciones que permitan disminuir estos vertimientos, y tome decisiones para el tratamiento y disposición final del agua, para lo cual, aplica los conocimientos en una situación particular e incorpora políticas de prevención y emisión cero. Antes que plantear un sistema de tratamiento de aguas residuales, se requiere evaluar alternativas para emisión cero como son: reuso, reciclaje y reutilización del agua; éste nuevo concepto permite al Ingeniero de Alimentos, diseñar y evaluar métodos de aprovechamiento del agua, incorporar y adaptar equipos, optimizar sistemas de producción y mejorar de productividad.

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OBJETIVOS

GENERAL Justificar a través de criterios técnicos, ecológicos, jurídicos, económicos la necesidad de disminuir los efectos negativos producidos por las aguas residuales, implementando políticas de producción limpia y sistemas de tratamiento. Generar criterios en el futuro profesional que le ayuden en una correcta toma de decisiones para la disposición final del agua utilizada.

ESPECIFICOS a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual. b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual. c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidad del agua residual. d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos. e. Presentar los efectos negativos que el agua residual produce en el medio ambiente. f. Dar criterios que permitan plantear alternativas de reducción de agua a través de tecnologías limpias. g. Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua.

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CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL CAPÍTULO 2. GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL CAPITULO 3. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO DEL AGUA RESIDUAL

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CAPITULO 1 : ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION El conocimiento del origen, volúmenes, características y los efectos de los residuos líquidos sobre las fuentes receptoras le permitirán al futuro profesional y específicamente al Ingeniero de Alimentos, tomar conciencia, replantear acciones y orientar esfuerzos encaminados a la solución o remediación de este problema. El capitulo esta dividido en cinco lecciones: Primera Lección. Origen de las aguas residuales: Es estudiante determina mediante el análisis de diferentes procesos industriales, las fuentes de agua residual, y a través de análisis de información y datos de estadísticas de vertimientos de diferentes empresas establece las industrias de mayor generación de desechos líquidos. Segunda lección: Características del agua residual: Los diferentes parámetros físico químicos, y microbiológicos del agua residual son los indicadores de calidad del agua, el conocimiento y correcta interpretación de estos, son elementos fundamentales para una acertada decisión sobre su tratamiento y disposición. Cada uno de los parámetros analizados trae consecuencias al entorno, el estudiante relacionara cada parámetro con el respectivo efecto, esto permitirá complementar el concepto emitido en la primera lección, de cual o cuales industrias son las que generan mas residuos líquidos, afirmando cual o cuales industrias son las mas contaminantes. Tercera lección: Técnicas de Muestreo y aforo: Una vez identificados los puntos de origen del agua residual se requiere conocer las condiciones y sistemas de aforo que se pueden emplear permitiéndole al estudiante seleccionar para cada caso en particular el mas adecuado.

OBJETIVOS

GENERAL Argumentar técnicamente la necesidad de implementar sistemas de reducción de agua y tratamiento de agua residual.

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ESPECIFICOS

a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual. b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual. c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidad del agua residual. d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos. e. Relacionar los principales efectos de cada parámetro sobre el medio ambiente.

LECCION 1. ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL

El agua es el recurso natural mas abundante, cubre mas de 3/5 de la superficie del mundo, esta se encuentra en continuo movimiento realizando el reciclo natural o ciclo hidrológico, este incluye la evaporación del agua de los océanos principalmente, ocasionada por el calor solar, su posterior condensación a gran altitud formando nubes de lluvia de las que llueve, nieva o graniza, esta agua se deposita en estanques o lagos, luego se filtra a la tierra, y corre por arroyos para finalmente volver al mar. El agua es considerado el mejor solvente, debido a esto el agua absolutamente pura no existe en estado natural, durante la precipitación el agua absorbe gases atmosféricos como dióxido de carbono, confiriéndole una característica ácida, posteriormente en el proceso de filtrado puede disolver materiales ácidos o alcalinos, cuando el agua pasa por el suelo y por rocas pueden disolver minerales, de esta forma entre mas profunda sea la filtración del agua, mayor cantidad de minerales en ella. Estos minerales están compuestos principalmente por calcio y magnesio, de los cuales la sal alcalina en forma de bicarbonato es su mayor elemento. En grandes cuerpos de agua superficial, tales como lagos, el agua no recoge minerales, sin embargo se lleva a cabo una gran actividad biológica. Suficiente material nutritivo se encuentra en el agua, el cual en conjunto con el dióxido de carbono y la luz solar permiten el desarrollo y crecimiento de varias formas de organismos microbiológicos y plantas, que a su vez constituyen en alimento a peces y otros animales.

La disponibilidad del recurso, junto con su calidad se constituyen en parámetros críticos para el establecimiento y desarrollo de las empresas, características físicas, como pH, olor, sabor, color, turbiedad entre otros, y, químicas medidas en concentraciones de diferentes compuestos o elementos como calcio, magnesio, hierro, sulfatos cloruros, nitritos y microbiológicas que incluyen la determinación de hongos, bacterias protozoos y algas, determinan la calidad del agua. La figura 1 muestra las diferentes operaciones que involucran agua en la industria de alimentos, esta puede ser dividida en tres categorías: Agua de proceso, Agua de enfriamiento y agua de alimentación de las calderas.

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Entre los usos del agua de proceso están: el lavado de materias primas y del equipo de proceso; el transporte de productos de una a otra área de proceso; la disolución o la extracción; y la adición al producto terminado. El agua de enfriamiento puede usarse para operar equipo de refrigeración (intercambiadores de calor), para condensar vapor generado en evaporadores. El agua de alimentación a las calderas requiere un tratamiento especial para disminuir las concentraciones de carbonato de calcio, fosfato de calcio, hidróxido de magnesio, óxidos de hierro entre otros, los cuales precipitan sobre la superficie , causando incrustación, afectando notablemente la transferencia de calor, y el tiempo de vida útil de la caldera; se acostumbra a adicionar sustancias que solubilizan este tipo de sales, sin embargo si el vapor formado tiene contacto directo con el alimento (operaciones de escaldado) debe ser reevaluada la adición de este tipo de productos.

FIGURA No. 1 EL AGUA EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS

Deshidratación Enfriamiento

Ebullición

Liofilización

Limpieza

H2O

Acondicionamiento de materiales

Conversión materia prima

De acuerdo al uso, el agua debe cumplir con unas condiciones mínimas de calidad, que garanticen la calidad del producto y el buen funcionamiento de equipos. En la tabla No 1 se relacionan las condiciones que debe cumplir el agua para ser considerada potable, de acuerdo con la reglamentación emitida por el Ministerio de salud, Decreto 475 /1998, en la tabla No. 2 se relaciona las características del agua para otro tipo de usos.

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TABLA No. 1 NIVELES MÁXIMOS PERMITIDOS EN LA CALIDAD DEL AGUA POTABLE CARACTERISTICAS VALORES IDEAL MAXIMO Físicas Color, unidades en la escala platino-cobalto 5 20 Olor y sabor Inobjetable Turbiedad, (UNT) 1 5 Sólidos totales (mg/L) 200 500 Químicas Expresada como mg/dm3 Arsénico As 0,01 Bario Ba 1,00 Boro B 1,00 Cadmio Cd 0,005 Calcio Ca 75,00 Cianuro CN 0,20 Cinc Zn 10 Cloruros Cl 250,00 Cobre Cu 1,00 Cromo hexavalente Cr 0,05 Dureza total CaCO3 30-150 Fenoles (Ar-OH) Fenol 0,001 Flúor F * Hierro total Fe 0,3 Magnesio Mg 36,00 Manganeso Mn 0,1 Hg 0,001 Mercurio NO3 45,0 NO 0,1 Nitratos 2 Pb 0,05 Nitritos ABS 0,5 Plomo Se2 0,01 Sulfato de alcohilbenceno SO 250,00 Selenio 4 Sulfatos Fuente: Ministerio de Salud, Decreto 475 de 1998.

Las empresas de alimentos es quizás una de los sectores industriales mas exigentes en calidad de agua, ya se mencionó que este puede ser un insumo por tal motivo las características de la misma influyen directamente en el producto. En la industria de bebidas gasificadas (el agua constituye el 90 % del producto), los minerales del agua pueden neutralizar los ácidos en la bebida y producir un mal sabor; la presencia de turbidez, dureza y alcalinidad elevadas afectan la carbonatación (absorción de CO 2), generando sobre costos de operación al ser necesario aumentar presión y disminuir temperatura de operación en el equipo de absorción.

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En la industria de frutas y verduras una excesiva dureza del agua, altera las características sensoriales de los productos endureciéndolos principalmente. Las condiciones del agua para las calderas y equipos de transferencia de calor exige un análisis independiente y unas condiciones especiales; no es aconsejable utilizar agua de consumo humano (potable) para la alimentación de estos equipos, debido a la presencia elevada de sales disueltas principalmente de fosfato de calcio, carbonato de calcio, silicato de magnesio, dióxido de magnesio entre otras. Cada sal tiene una solubilidad definida en agua, y se precipitará cuando esta sea excedida. Si el agua esta en contacto con una superficie caliente y la solubilidad es menor a mayores temperaturas para estas sales, se formará un precipitado sobre la superficie, causando incrustación, y disminuyendo notoriamente la transferencia de calor.

TABLA No. 2

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA UTILIZADA EN ALGUNAS INDUSTRIAS ALIMENTICIAS

CARACTERISTICAS Color (ppm.) Alcalinidad (CaCO3) Cloruros (mg/L) Dureza (mg/L) Hierro (mg/L) Manganeso (mg/L) Nitratos (mg/L) pH Sulfatos (mg/L) Sólidos totales disueltos (mg/L) Sólidos suspendidos SiO2 (mg/L) Calcio (mg/L)

CONSERVAS DE FRUTAS 5,0 250 250 250 0,2 0,2

BIBIDAS SUAVES 10,0 85

0,3 0,05 10 6,5 – 8,5 250 500 10 50 100

CALDERAS MEDIA POTENCIA 150 – 250 80 2–5 9,5 – 10,5 30 – 40 750 – 2000 50

Fuente: Guerrero Rodríguez, José Humberto, Tratamiento de Aguas Residuales, Santafé de Bogotá, 1996. Pág. 216

Es claro que a través del paso por los diferentes procesos, la calidad del agua es alterada, el conocimiento de las operaciones de proceso en una planta de alimentos permite comprender el uso del agua, las características requeridas en cada operación y los posibles cambios de la misma. La figura 2 se presenta el circuito general del agua en una empresa de alimentos, y la figura 3 aplicado a una empresa procesadora de aves.

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En el proceso de sacrificio se muestran las diferentes etapas donde se originan aguas residuales: FIGURA No. 2 POSIBLE CIRCUITO DE EMPLEO DEL AGUA EN UNA PLANTA PROCESADORA DE ALIMENTOS

PROCESO

VAPOR

DESINFECCION

LAVADO DE MATERIA PRIMA

Agua Residual RECOLECCION AGUA USADA ENFRIAMIENTO

LIMPIEZA DE LA PLANTA

PLANTA DE TRATAMIENTO

LIMPIEZA DE EQUIPOS

SERVICIOS PUBLICOS

Alcantarillado

Las operaciones de lavado son en términos generales las responsables en mayor medida de esta alteración, así en la industria de bebidas además de ser parte del producto el agua se emplea en el enjuague de equipos a los cuales previamente se han aplicado detergentes y biocidas, estas sustancias pueden ser fuertemente alcalinas o ácidas, solubles o insolubles en agua, y, para alimentar calderas cuyo vapor es usado para cocimiento, pasterización y calefacción de las soluciones de lavado de botellas. En la industria de frutas y verduras el agua es el medio tradicional de transporte, permitiendo adicionalmente el primer lavado y enfriamiento, posterior al lavado las frutas y verduras son peladas empleando vapor o soluciones cáusticas, desde luego estas soluciones y los residuos generados en cada proceso terminan formando parte del agua, inicialmente potable y en este punto residual.

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FIGURA No. 3 DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA PLANTA DE PROCESAMIENTO DE AVES AGUA POTABLE JAULAS VACIAS

JAULAS TRANSPORTADORAS EN CAMION a.

AREA DE RECEPCION

b. ESTACION DE MATANZA

c. RECUPERACION DE SANGRE

d. ESCALDADO

SANGRE PASO DE

e. DESPLUMADO

PLUMAS

f. RECUPERACION DE PLUMAS

g. LAVADO DEL AVE COMPLETA

h. REMOCION DE VISCERAS

PLUMAS ANGRE

j. RECUPERACION DE MENUDENCIAS

MENUDENCIAS

k. REFRIGERACION

l. CLASIFICACION, PESADA, EMPAQUE

CAMIONES REFRIGERADOS DE ENTREGA

RECOLECCION Y CONTROL DEL AGUA DE DESECHO FINAL

DRENAJE

PRODUCTO

AGUA DE PROCESO

SUBPRODUCTO

AGUA DE DESECHO

AGUA POTABLE

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Hasta el momento se han mencionado las condiciones del agua, pero tan importante como su calidad es el consumo, medido en metros cúbicos de agua por tonelada de producto (m3/t), o metros cúbicos utilizados por día (m3/d), siendo estos, indicadores de productividad. En la tabla 3 y 4 se encuentran relacionados para diferentes tipos de empresas, de ellas se deduce que las industrias procesadoras de alimentos son unas de las mayores consumidoras de agua, después de la industria petroquímica, productoras de acero, papel y textiles. TABLA No. 3

VOLÚMENES DE AGUA EMPLEADOS EN LA INDUSTRIA AGRUPACIÓN VOLUMEN DE AGUA UTILIZADA (m3/d) a. Bienes de consumo no duraderos Alimentos Bebidas Tabaco Textiles Vestuario Cueros Calzado Muebles Imprentas y editoriales Productos farmacéuticos Objetos barro, loza y porcelana Diversos b. Bienes intermedios Maderas y corcho Papel Industrias químicas Productos químicos Refinerías de petróleo Productos de petróleo Productos de caucho Productos plásticos Vidrio y sus productos Productos minerales no metálicos Industrias básicas de hierro y acero Industria básica no ferrosa c. Industria metalmecánica Productos metálicos Maquinaría no eléctrica Maquinaria eléctrica Material de Transporte Fabricación equipo profesional Fuente: Rizo, Guillermo. Sistemas Ecológicos y Pág. 238

134,5 126,5 93,3 277,1 98,9 219,8 39,3 26,7 103,9 -

32,5 162,1 318,4 139,2 553,8 55,0 191,8 63,3 372,3 106,8 273,8 156,6 45,6 36,3 84,0 111,0 56,0 Medio Ambiente. Santafé de Bogotá, 1998.

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TABLA No. 4 CONSUMOS UNITARIOS DE AGUA ACTIVIDAD m3/t Producción de papeles varios 120,0 Producción de arrabio por reducción mineral de hierro 120,0 por coquización y alto horno. Producción de acero por proceso semi-integral u horno 77,4 eléctrico con separación manual de chatarra. Producción de artículos de acero, laminado en caliente 29,9 con cizallamiento, horno eléctrico y proceso semiintegral Producción de alcohol etílico por fermentación 20,6 discontinua de melaza y destilación multietapa. Matanza de aves con degüelle manual e 12,5 insensibilización, evisceración y empaque mecánicos. Producción de pulpa química al sulfato (Kraft) 100,0 blanqueada con sistema de recuperación química. Producción de cuero curtido al mineral, con depilado 48,4 químico, secado al vacío y pintado mecánico. Producción de Cerveza 9,0 – 11,5 Elaboración de Pan 2,0 – 3,5 Embalaje de la carne 13,5 – 18,0 Productos Lácteos 9,0 – 18,0 Producción de Whisky 54,5 – 7,3 Fuente. IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología en la Industria Colombiana, 2000. Pág. 511

Si las aguas residuales de las diferentes empresas son vertidas a una fuente receptora (inicialmente fuente de abastecimiento de agua de proceso), las características físicas, químicas y biológicas de esta son drásticamente modificados (contaminación), y pueden provocar la muerte de las especies y alterar sustancialmente el ecosistema.

LECCION 2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES

Una vez identificado el origen de las aguas residuales, el siguiente paso es caracterizar cada corriente, entendiéndose caracterización como la operación de determinar tipo de contaminantes, flujo, frecuencia de vertimiento y sitio de descarga. A continuación se describen los principales parámetros físicos, químicos y biológicos que permiten valorar la calidad del agua y su efecto contaminante.

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2. PARAMETROS FISICOQUIMICOS 2.1. Sólidos: Los sólidos que se presentan en el agua residual pueden ser de tipo orgánico y/o inorgánico y provienen de las diferentes actividades industriales. Los sólidos se clasifican como: sólidos totales, sólidos en suspensión, sólidos totales disueltos, sólidos totales volátiles y sólidos volátiles en suspensión. En la figura 4 se relaciona esta clasificación.

FIGURA No. 4 COMPOSICIÓN DE LOS SÓLIDOS EN LAS AGUAS RESIDUALES SÓLIDOS VOLATILES 50 %

SÓLIDOS SEDIMENTABLES Y SUSPENDIDOS 60 %

SÓLIDOS VOLATILES 70 % SÓLIDOS FIJOS 10 %

SÓLIDOS TOTALES 100 %

SÓLIDOS TOTALES 100 %

SÓLIDOS DISUELTOS 40 %

SÓLIDOS VOLATILES 20 % SÓLIDOS FIJOS 30 % SÓLIDOS FIJOS 20 %

Los sólidos totales se obtienen después de evaporar y secar una muestra de agua; se subdividen en sólidos disueltos y sólidos suspendidos; éstos últimos se obtienen por medio del proceso de filtración. El contenido de sólidos de un agua afecta directamente la cantidad de lodos que se produce en el sistema de tratamiento o disposición. Se considera como sólidos totales de un agua el residuo de la evaporación y secado a 103 – 105 ºC.

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Los sólidos sedimentables son una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de un cono imhoff, en un período de una hora, y representan la cantidad de lodo removible por sedimentación simple; se expresan comúnmente en mg/L. Los sólidos disueltos representan el material soluble y coloidal, el cual requiere usualmente para su remoción, oxidación biológica o coagulación y sedimentación. Los sólidos suspendidos o no disueltos constituyen la diferencia entre los sólidos totales de la muestra no filtrada y los sólidos de la muestra filtrada Los sólidos volátiles son, básicamente, la fracción orgánica de los sólidos o porción de los sólidos que se volatilizan a temperaturas de 550 conoce como sólidos fijos y constituye la porción inorgánica o mineral de los sólidos. En el tratamiento biológico de las aguas residuales se recomienda un límite de sólidos disuelto de 16000 mg/L. 2.2. Temperatura. La temperatura constituye uno de los más frecuentes agentes contaminantes, ya que su efecto es inmediato sobre el punto de descarga del efluente y dependiendo de que tan extrema sea, su acción puede demorar mucho tiempo en minimizarse. Una descarga no contaminante térmicamente debe tener una temperatura no mayor de 25°C. 2.3 turbidez. Es la medida de la reducción de la intensidad de la luz que pasa a través de la muestra por efecto de la materia suspendida y coloidal. La turbidez puede ser causada por material finamente dividido en suspensión, como arcilla, sílice, materia orgánica, sustancia mineral y en general material causada por desechos industriales y domésticos. El control de la turbidez es importante porque esta ocasiona problemas para la filtración y para la desinfección del agua. 2.4. Color. Es producido por sustancias disueltas y por partículas coloidales. Es preciso establecer la diferencia entre dos tipos de color, como son el aparente y el real. El aparente involucra la turbiedad, no así el color real 2.5. DQO. La Demanda Química de Oxigeno es la medida del equivalente de oxigeno del contenido de materia orgánica susceptible de oxidación por medio de un agente químico oxidante fuerte. En otros términos, es la cantidad de oxigeno que requiere el agua para descomponer toda la materia orgánica que contiene. Se utiliza además como parámetros de referencia para las pruebas de DBO. Este parámetro requiere de unas condiciones de análisis específicas, un tiempo mínimo de reacción de dos horas y una serie de sustancias analíticas específicas, como:  Dicromato de potasio y ácido sulfúrico, como agentes oxidantes.  Ferroina, como sustancia indicadora  Sulfato de plata/mercurio para destruir los compuestos alifáticos lineales

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 Ácido sulfámico para eliminar la interferencia debida a los nitratos  Amonio y hierro sulfato, solución valorante 2.6. DBO. A semejanza de su predecesor, la Demanda Bioquímica de Oxigeno es una prueba empírica que cuantifica la cantidad de oxigeno requerido para que las sustancias biodegradables presentes en el agua sean destruidas, durante un tiempo de incubación. Esta prueba requiere de pruebas de laboratorio, con tratamiento químico especial para cierto tipo de interferencias:  Neutralización para eliminar interferencia de ácidos o bases.  Aireación y reposo para eliminar presencia de cloro.  Tratamiento específico para muestras tóxicas que contengan metales como plomo, plata o cromo.  Calentamiento y agitación para eliminar la sobresaturación de oxigeno. La DBO y la DQO constituyen las pruebas más representativas del análisis de aguas residuales. 2.7 Carbono Orgánico Total (C.O.T.): Es una medida más directa que la DBO en la determinación de la cantidad de materia orgánica carbonácea en el agua. Se basa en la oxidación de la materia orgánica a dióxido de carbono (CO2); éste es arrastrado por una corriente de oxígeno a un analizador de rayos infrarrojos donde se mide la cantidad de dióxido de carbono que existe en la muestra. Generalmente el nivel del C.O.T. está por debajo de la concentración real de contaminantes orgánicos. 2.8. Oxigeno Disuelto. Esta medida permite determinar la actividad físico-química y microbiológica de un sistema acuoso; su ausencia o bajo nivel se interpreta como un factor determinante del grado de contaminación del agua. Debido a que se trata de un valor que se transforma y modifica constantemente, solo tiene sentido si se reporta como prueba de campo, en el lugar mismo donde se toma la muestra. 2.9 pH. El valor de pH o potencial de Hidrógeno es una medida fundamental en prácticamente todas las etapas de un proceso de tratamiento de aguas (neutralización, suavización, coagulación, desinfección y control de corrosión). Es, como la anterior, una prueba de campo por excelencia, que se recomienda determinarla por medio de un pH-metro con escala mínima de 0,1 de graduación. Cuando se precisa medir niveles de pH inferiores a 1 es necesario utilizar un electrodo de membrana líquida, mientras que para niveles superiores a 10 se recomienda un electrodo con “bajo error de sodio”. 2.10 Amonio. El amonio, como los demás componentes del ciclo de Nitrógeno, sobre los que hablaremos a continuación, representa una medida de carga orgánica presente en el agua. Existen métodos convencionales de laboratorio para su cuantificación, pero cada día toman más fuerza métodos rápidos como el de electrodo selectivo o colorimetría de campo.

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2.11 Nitrito. Los nitritos son los principales indicadores de contaminación por descomposición orgánica en el agua. Su presencia constituye un factor de riesgo para la salud ya que inducen la enfermedad de hemoglobinemia, principalmente en la población infantil. 2.12. Nitrato. La presencia de cantidades excesivas de nitrato en el agua constituye un factor de riesgo para la salud debido a que éstos se reducen con facilidad a nitratos agentes tóxicos ya descritos. 2.13. Dureza. La dureza se entiende en el agua como el contenido de metales alcalinotérreos, especialmente Calcio y Magnesio. Su importancia está concentrada en el hecho de que estos metales inhiben la acción de algunos agentes de tratamiento, impidiendo que el proceso de depuración de las aguas se lleve a cabo de manera apropiada. 2.14 Cloruros. El ión cloruro es abundante en las aguas naturales y aún más en las residuales. Su presencia en cantidades altas conlleva a procesos de corrosión e inhibe el crecimiento vegetal. 2.15 Sulfatos. Los sulfatos se encuentran ampliamente diseminados en las aguas naturales. Su cuantificación es importante debido a que ejercen acción catalítica sobre los procesos de degradación de otras sustancias. 2.16 Manganeso. El manganeso, agente común de las aguas potables y residuales, provoca normalmente manchas indeseables en las instalaciones de tratamiento y constituye un agente oxidante fuerte en algunos de sus estados comunes de valencia. 2.17 Hierro. Como en el caso anterior, el hierro es un agente de manchado frecuente, responsable en gran medida de color de agua, Su estado común es como ión ferroso, que se mantiene en equilibrio y con gran facilidad pasa al estado férrico, en el cual normalmente se determina. 2.18 Grasas y Aceites. El contenido de grasas y aceites en los residuos domésticos, en algunos residuos industriales y en los lodos se debe considerar para su manipulación y tratamiento hasta la disposición final. Al aceite y la grasa se les concede especial atención por su escasa solubilidad en el agua y su tendencia a separarse de la fase acuosa. A pesar de que estas características son una ventaja para facilitar la separación del aceite y la grasa mediante el uso de trampas de grasa o unidades de flotación, su presencia complica el transporte de los residuos por las tuberías, su eliminación en unidades de tratamiento biológico y su disposición en las aguas receptoras. Los residuos de la industria del empaque de carnes, especialmente mataderos, disminuyen severamente la capacidad de transporte de las alcantarillas; estas situaciones han servido como base para establecer normas y reglamentos que controlan la descarga de los materiales grasos a los sistemas de alcantarillado o a las aguas receptoras, y han obligado a las instalaciones de equipo de tratamiento en muchas industrias para recuperar la grasa o el aceite antes de que se autorice el desagüe.

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Las grasas y aceites han generado muchos problemas en el tratamiento de residuos. Muy pocas plantas tienen la posibilidad de separar estos materiales para su disposición en los sistemas de recolección de grasa o en los incineradores; en consecuencia, el residuo que se separa en forma de nata en los tanques de sedimentación primaria, normalmente es transferido a las unidades de disposición junto con los sólidos sedimentados. En los tanques de digestión de lodos, los aceites y grasas tienden a separarse y a flotar en la superficie para formar densas capas de natas, debido a su escasa solubilidad en el agua y a su bajo peso específico. Los problemas de estas capas son especialmente graves cuando los residuos de alto contenido en grasa llegan al alcantarillado público, por ejemplo, los del empaque de carnes y los de las industrias de grasas y aceites. La filtración al vacío del lodo también se complica por su alto contenido graso. En términos generales el componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado mediante las demandas de oxigeno como : la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO), o con la determinación de Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo con la industria es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos como son ácidos orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria petroquímica. La caracterización inorgánica debe incluir pruebas que suministren información sobre la toxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados y amoníaco), los contaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o alcalinidad, pH y sólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y sustancias interferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos)

LECCION 3. PARAMETROS BACTERIOLOGICOS: Los organismos mas comúnmente empleados como indicadores son las bacterias coliformes e incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. Las concentraciones de bacterias coliformes suelen expresarse como Número más probable (NMP) por cada 100 mL; esto quiere decir que nos es la concentración absoluta, sino una estimación estadística de la misma. Es común encontrar análisis de agua relacionando Coliformes totales y coliformes fecales (E. coli), la determinación de E. coli es importante porque estas bacterias son patógenas y por tal motivo responsables de muertes y enfermedades principalmente del aparato intestinal, su origen son las heces de humanos y animales principalmente.

3.1. IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL Los parámetros anteriores de acuerdo a su concentración producen efectos negativos sobre el medio receptor, conocer las alteraciones y consecuencias, permite definir los principales parámetros a controlar y el diseño del sistema de tratamiento. En la tabla 5 se presenta un resumen de los efectos y la importancia de estos parámetros.

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TABLA No. 5. CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL. CONTAMINANTES RAZÓN DE LA IMPORTANCIA Sólidos en suspensión Pueden conducir al desarrollo de depósitos de fango y de condiciones anaerobias cuando se vierte agua residual sin tratar al entorno acuático. M. O. Biodegradable Compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, grasas animales. La materia orgánica se mide, la mayoría de las veces, en términos de DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) y DQO (Demanda Química de Oxígeno). Si se descargan al entorno sin tratar, su estabilización biológica puede llevar al agotamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas. Patógenos Los presentes en el agua residual pueden transmitir enfermedades infecto contagiosas. Nutrientes Tanto el Nitrógeno como el Fósforo, junto con el carbono, son nutrientes esenciales para el crecimiento. Cuando se vierten en el entorno acuático, estos nutrientes pueden favorecer el crecimiento de una vida acuática no deseada (eutrofización). Cuando se vierten en el terreno en cantidades excesivas, también pueden ocasionar la M.O. Refractaria contaminación del agua subterránea. Tiende a resistir los métodos convencionales de tratamiento. Ej: agentes termoáctivos, fenoles y Metales Pesados pesticidas agrícolas. Son añadidos frecuentemente al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales, Sólidos inorgánicos y puede que deban ser eliminados si se va a reutilizar disueltos el agua residual. Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio, sodio y los sulfatos se añaden al agua de suministro como resultado del uso del agua y puede que deban eliminarse si se va a reutilizar el agua residual. Fuente: Metcalf Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento vertido y reutilización. 1.996. Pág. 56

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3.2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES PROCEDENTES DE EMPRESAS DE ALIMENTOS La procedencia y uso del agua en la industria define las características del agua residual, en el primer capitulo se ha mencionado que las operaciones de lavado son las que mas generan agua residual, sin embargo no es la única operación. En la industria láctea el agua residual proviene, además de las operaciones de lavado, de equipos de esterilización y enfriamiento. Las características principales son una alta DBO, bajo contenido de sólidos Suspendidos Totales (SST), y pH ácido producto de las reacciones de fermentación de la lactosa presente en el suero, leche en proceso, mantequilla (derrames ocasionales). En la industria de conservas de frutas y hortalizas los vertidos contiene gran cantidad de sólidos suspendidos (operaciones de lavado de materia prima, trozos de fruta y hortaliza que caen al piso) y materia orgánica disuelta (agua de escaldado, de pelado). La tabla No. 6 relaciona el origen y características de aguas residuales de algunas empresas de alimentos. TABLA No. 6 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE CIERTAS INDUSTRIAS DE ALIMENTOS. INDUSTRIA ORIGEN DE LOS VERTIDOS CARACTERISTICAS MAS MAS IMPORTANTES IMPORTANTES Alimentos Preparación, selección, extracción Gran contenido de sólidos enlatados del jugo y tratamiento de las frutas suspendidos, materia orgánica vegetales. disuelta y coloidal. Productos de Dilución de la leche. Leche Alto contenido en materia la leche concentrada. Mantequilla y suero. orgánica disuelta, principalmente proteínas, grasas y lactosa. Bebidas Maceración y prensado de grano, Gran contenido de sólidos fermentadas y residuo de la destilación del orgánicos disueltos que destiladas alcohol, condensado de la contienen nitrógeno y almidones evaporación de restos. fermentados o subproductos. Productos de Limpieza de Corrales, sacrificio de Gran contenido de materia carne y pollo animales, aprovechamiento de orgánica disuelta y en huesos y grasas, residuos de los suspensión, sangre, proteína y condensadores, grasas y agua de grasa. lavado, desperdicio de los pollos. Estabulación Excrementos Gran contenido de materia de animales orgánica, DBO. Azúcar de Aguas de transporte, tamizado y Gran contenido de material remolacha extracción. Drenaje de los lodos disuelto y en suspensión. cálcicos, condensado del Azúcar y proteína. evaporador, jugo y azúcar

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Levaduras

extraída. Residuos levaduras.

de

filtración

de Alto contenido de sólidos principalmente orgánicos y DBO. Conservas en Agua con calcio, salmuera, pH variable, alto contenido de medio ácido alumbre y ácido turmérico, sólidos suspendidos, color y siropes. Semillas y trozos de materia orgánica. pepino. Café Despulpado y fermentación del Alto DBO y de sólidos grano de café. suspendidos. Pesca Desechos de la centrífuga, pesca Muy alto DBO, sólidos totales y prensada, evaporación y otras orgánicos y olor. aguas de lavado Arroz Remojo, cocido y lavado de arroz. Alto DBO, sólidos totales y en suspensión, principalmente almidón. Bebidas Lavado de botellas, limpieza del Alto pH, sólidos en suspensión suaves suelo y equipos, drenaje de los y DBO. tanques de almacenamiento de los jarabes. Panadería Lavado y engrasado de depósitos, DBO alto, grasas, lavados de lavado de suelos. suelos, azúcares, harina, detergentes. Producción de Lavado de filtros, lodos con calcio, Sólidos minerales y en agua carbonatos, salmueras, lodos con suspensión. sulfatos. Fuente: José Humberto Guerrero Rodríguez. Tratamiento de aguas Residuales. UNISUR, Santafé de Bogotá, 1996. Pág. 223-224

En términos generales si bien hay variaciones en la composición del agua residual de las industrias de alimentos, sus afluentes se caracterizan por una alta demanda bioquímica de oxígeno y de sólidos suspendidos totales. La tabla No 7 permite comparar los vertimientos de algunas empresas de alimentos con otro tipo de actividades, en ella se presenta la relación DQO / DBO, que es un indicador de gran importancia y permite: a. Identificar del total de la carga orgánica que porcentaje es biodegradable; si la relación DQO/DBO es menor como en las industrias de alimentos comparado con industrias del cuero y papel, significa por tanto que el vertimiento es fácil de tratar biológicamente. b. Estimar la Demanda Bioquímica de Oxígeno (D.B.O) a partir del análisis del D.Q.O. este último requiere un tiempo de 2 horas para su determinación, comparado con 5 días necesarios para el D.B.O.

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Ejemplo de Aplicación: Para la industria de bebidas no alcohólicas se determinó la DQO = 650 mg/L, con base en este dato, estimar la DBO y el porcentaje de materia orgánica biodegradable. Con la información de la tabla No 7 se encuentra, que para este tipo de industrias la relación DQO/DBO = 2,11, por tanto DBO = DQO / 2,11 DBO = 650 / 2,11 = 308,05 mg/L. El porcentaje de materia biodegradables será:

(DBO/DQO) *100 = 308,05/650 *100 = 47,39 %

TABLA No. 7 CARGAS UNITARIAS DE CONTAMINACIÓN DE DIFERENTES EMPRESAS ACTIVIDAD DBO DQO KgDQO/kgDBO SST (kg/t) (kg/t) (kg/t) Extracción de aceite vegetal por prensado 188,0 307,0 1,63 135,0 con rectificación. Producción de cuero curtido al mineral, 60,0 175,0 2,91 90,0 con depilado químico secado al vacío y pintado mecánico. Producción de caramelos por cocción 41,2 78,1 1,89 2,1 instantánea, mezclado manual y cámara de enfriamiento rápido. Matanza de ganado mayor con elevación 23,2 48,5 2,09 15,7 mecánica, refrigeración, procesamiento de sangre y sin limpieza de vísceras. Matanza de aves con degüelle manual, e 19,6 44,1 2,32 9,6 insensibilización, evisceración y empaque mecánicos. Producción de pulpa química al sulfato 19,0 70,0 3,68 26,0 (kraft) sin blanquear con sistema de recuperación química. Producción de confites de chocolate por 7,1 14,8 2,08 2,4 moldeado con aire caliente, con producción intermedia de manteca de cacao. Producción de leche líquida higienizada 2,8 5,3 1,89 1,9 por pasterización. Producción de bebidas no alcohólicas con 6,7 14,2 2,11 adición de preservativos y gasificación. Producción de cebada malteada por 6,6 1,9 secado rotatorio y germinación en frío. Fuente: IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología en la Industria Colombiana, 2000. Pág. 511

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LECCION 4. MUESTREO Y AFORO DE AGUAS RESIDUALES 4.1 GENERALIDADES Las técnicas de muestreo utilizadas deben garantizar la obtención de muestras representativas, ya que los datos que se deriven de ellas son las que definen el sistema de tratamiento. Estas técnicas están encaminadas a conocer los componentes del agua residual, la determinación del flujo, frecuencia y sitio de vertido. Las características del agua residual por lo general no son constantes, si no que presentan grandes fluctuaciones a través del tiempo así: Una empresa de alimentos al inicio de la jornada puede verter gran cantidad de agua con pH alto, fruto de desinfectante empleado, posteriormente agua con características muy diferentes producto de derrames ocasionales y lavado de pisos y al final de la jornada verter agua con pH bajo proveniente de sistemas de vaciado de equipos, lo anterior hace que se establezca un buen plan de muestreo y aforo, que permita el diseño de sistemas de tratamiento adecuados y ajustados al comportamiento general del vertimiento y no en un análisis puntual o circunstancial. La determinación de los sitios de muestreo, el conocimiento del caudal y tipo de descarga son fundamentales para el éxito del plan de muestreo y aforo.

4.2 SITIOS DE MUESTREO La identificación de los posibles sitios de muestreo se facilita por información básica de la empresa, diagrama general de los procesos industriales, información sobre servicios públicos, consumos de agua, sistemas de alcantarillado, manejo de aguas lluvias entre otros. Para que la caracterización sea representativa en el caso de una industria, se debe asegurar que cada uno de los sitios de muestreo recojan todos los vertimientos de los diferentes procesos industriales y domésticos, además se garantiza una mayor confiabilidad de los datos si ésta se realiza durante todo el turno de trabajo, (tiempo de generación de agua residual); esto es válido para cualquier empresa o entidad que requiera hacer el estudio de caracterización de agua residuales, en caso de no poderse realizar el aforo y muestro en todo el turno de trabajo, dicha caracterización permite dar una idea del comportamiento del agua residual en el tiempo muestreado. Como se puede observar en la figura 5 para la caracterización de agua residuales de la Industria X la muestra se debe tomar en el punto 6, en el cual se concentran las aguas residuales de todos los procesos industriales. Si en la Industria X se dan cinco procesos diferentes, y en uno de ellos, en este caso el proceso 1, se quiere conocer las concentraciones de los contaminantes que se está emitiendo (bien sea para optimización del proceso o mirar el efecto que causa el vertido sobre el agua residual de dicha empresa), se podrá tomar la muestra en el punto 1, antes de unirse a las aguas residuales provenientes del proceso 2.

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Si los procesos 4 y 5 tienen las mismas características en cuanto a uso de materias primas, producción de aguas residuales, y se quiere analizar la concentración de contaminantes, se podrá realizar el muestro en el punto 5, etc.

FIGURA No. 5

SITIOS DE MUESTRO

INDUSTRIA X

PROCESO 1

1

PROCESO 2

5

PROCESO 3

PROCESO 4

PROCESO 5

PROCESO 6

6

CAUCE RECEPTOR O ALCANTARILLADO

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4.3 TIPO DE DESCARGAS 4.3.1. Descarga periódica irregular: Es aquella en la que el tiempo entre descarga es el mismo pero el caudal y la concentración de los contaminantes de las aguas residuales varia. FIGURA No 6. DESCARGA PERIODICA IRREGULAR 250

Volumen (L)

200 150 100 50 0 3

6

9

12

Tiempo (h)

4.3.2. Descarga periódica regular: Aquella en la que el tiempo entre las descargas es el mismo y el caudal y la concentración de los contaminantes es prácticamente constante.

FIGURA No 7. DESCARGA PERIODICA REGULAR

Volumen (L)

60 50 40 30 20 10 0 3

6

9 Tiempo (h)

12

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4.3.3. Descarga continua: Las características fisicoquímicas del agua cambios no representativos en el tiempo.

varía o presenta

FIGURA No 8. DESCARGA CONTINUA

Volumen (L)

250 200 150 100 50 0 12 Tiempo (h) 4.3.4. Descarga Irregular: Aquellas en las que el tiempo de descarga y producción no es constante, creando así una variación continúa tanto en caudal como de carga de contaminantes.

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FIGURA No 9. DESCARGA IRREGULAR 450 400

Volumen (L)

350 300 250 200 150 100 50 0 2

4

5

7

10

15

Tiempo (h)

En este punto el estudiante tiene claro que en las empresas se pueden presentar mezclas de los diferentes tipos de descargas, aquí radica la experiencia e importancia de un buen plan de muestreo y aforo, que garantiza que los resultados obtenidos son representativos.

LECCION 5. MEDIDA DE CAUDAL Determinar el caudal de agua residual generado en la empresa, es fundamental para el dimensionamiento del sistema de tratamiento y la determinación de los efectos sobre el medio ambiente; debe adoptarse la forma más sencilla de aforar; claro sin olvidar que los datos obtenidos deben ser confiables. Los métodos mas empleados son:

1. Medición volumétrica manual. 2. Vertederos 3. Velocidad área.

5.1. MEDICIÓN VOLUMÉTRICA MANUAL. La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un recipiente aforado. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra y medir el tiempo transcurrido desde que se introduce el recipiente a la descarga hasta que se retira de ella, la relación de estos dos valores nos permite conocer el caudal en ese instante de tiempo. Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de la muestra y la medición del tiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el instante

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que el recipiente se introduce a la descarga, y se detiene en el momento que este se retira de ella. El caudal se estima por la relación volumen / Tiempo (Ecuación 1) V Q = -------------- (1) t Q = Caudal (L/s) V = Volumen (L) t = Tiempo (s)

Ventajas: Es el método más sencillo y confiable siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga.

Desventajas: La mayoría de las veces es necesario adecuar el sito de aforo y toma de muestras evitando pérdidas de muestra en el momento de aforar, también se deben evitar represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas.

FIGURA No. 10 MÉTODO VOLUMÉTRICO MANUAL

5.2. VERTEDEROS. El agua se obliga a circular por un canal en cuyo extremo hay un rebosadero que puede adoptar distintas formas, el líquido represado alcanzará distinta altura en función del caudal:

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a mayor caudal, mayor altura, la altura está relacionada con el caudal por ecuaciones que dependen del tipo de vertedero así: a. Vertedero rectangular de pared delgada Q = 1,83 H(3/2) b. Vertedero triangular Q = 1,4 H(5/2) (90°) Q = 0,775 H2.47 (60°) c. Vertedero Cipolleti (forma trapezoidal) Q = 1,859 H3/2 En las cuales Q es el caudal se expresa en m 3/s y expresada en m.

H, cabeza o altura de cresta

Ventajas: Fácil construcción, bajo costo y posee un buen rango de precisión en líquidos que no contengan sólidos. Desventajas: Cuando la cabeza sobre un vertedero triangular es menor de 10 cm., hay posibilidad de que se formen vacíos y por lo tanto no se recomienda su uso. En los vertederos hay que tener especial cuidado debido a que éstos al represar el agua van acumulando sólidos y sustancias como grasas que van a interferir en la calidad de la muestra y por lo tanto en su representatividad.

FIGURA No. 11 VERTEDEROS

5.3. MEDICIÓN POR VELOCIDAD Se utilizan las canaletas más que los canales abiertos debido a:  La rata de flujo no puede medirse adecuadamente por un vertedero.

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 Hay una significante cantidad de partículas y otro material que podrían llenar un vertedero.  La capacidad de la cabeza hidráulica es insuficiente para usar el vertedero.  La velocidad de flujo por una canaleta puede ser establecida tal que, sedimentos y otros sólidos pueden ser lavados a través de ella.  La instalación de una canaleta puede ser relativamente más cara que un vertedero. El diseño típico de una canaleta debe tener lo siguiente:  Las secciones rectas del canal deben estar corriente arriba de la entrada de la canaleta.  El flujo debe ser bien distribuido a través del canal.  La canaleta no esta sumergida y tiene una descarga libre aguas abajo. Entre las más utilizadas se tiene: 5.3.1 Canal De Parshall. Este medidor es una especie de tubo venturi abierto, dispone de una garganta que produce una elevación de nivel en función del caudal. Esta formado por una sección de entrada de paredes verticales convergentes y fondo a nivel, una garganta o estrechamiento de paredes paralelas y fondo descendente y una sección de salida con paredes divergentes y fondo ascendente, los canales Parshall se definen por el ancho de la garganta. La canaleta debe ser construida rigurosamente con las dimensiones dadas, o su relación cabeza descarga de agua residual será poco confiable.

FIGURA No. 12 CANAL PARSHALL

Para determinar el caudal se requiere medir la altura del líquido directamente utilizando un instrumento que mida longitud. Se puede hacer de manera continua empleando un sensor de caudal que va midiendo y almacenando los datos en función del tiempo siendo posible obtener posteriormente un registro gráfico.

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En estas canaletas se pueden acoplar otros tipos de sensores que permiten registrar otros parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura.

Ecuación: Q = 4 WHna Ha = Altura del agua sobre la garganta en pié. W = Ancho de la canaleta en la sección de la garganta n = 1,522 W 0.026 Q = Caudal en pie3/s

Ventajas: La canaleta Parshall es auto-lavable. El aumento de velocidad en la garganta impide la sedimentación de partículas. Tiene la habilidad de operar de forma aproximada sobre un rango amplio de descarga. Resistencia a los productos químicos ya que se pueden construir de diferentes materiales y en el caso de instalaciones permanentes se puede construir en concreto vaciado. Desventajas: Para la construcción de esta canaleta se precisa de la adecuación de un sitio de descarga, dado que este debe poseer una inclinación que permita la formación un flujo crítico en la garganta de la canaleta. Los costos de construcción dependen de las características de la descarga, dado que estas influyen en el tipo de material de construcción como en las dimensiones del diseño.

5.3.2. Canal Palmer Bowlus. Es un tipo de venturi caracterizado por la estrangulación de la sección transversal uniforme y una longitud aproximadamente igual a un diámetro del tubo o conducto en el cual esta siendo instalada, esta diseñada para producir un flujo crítico de mayor velocidad en el estrangulamiento. Es casi siempre usado en manholes o en canales abiertos o rectangulares para medir variaciones de flujo, la configuración transversal puede asumir cualquier forma: rectangular, trapezoidal (varios declives, alturas y anchos de base), con o sin tapa. Para la determinación del caudal, se necesita medir la altura del líquido, ésta se puede realizar rápidamente midiendo la altura. También existen otros instrumentos que facilitan estas medidas de manera continua, obteniendo mediciones continuas y precisas, incluso conectando un registrador gráfico favoreciendo el almacenamiento de esta información. . En estas canaletas se pueden acoplar diferentes tipos de sensores que permiten registrar otros tipos de parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura. Ventajas: La principal ventaja es la fácil instalación, debido a que puede ser colocada en conductos ya existentes donde no se requieren caídas en el conducto, como es requerido en

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el canal Parshall, la pérdida de energía es baja, detecta cambios sensibles de cabeza y provee una mínima restricción al flujo. Desventajas: Tiene un rango en la rata de flujo más pequeño que la Parshall. La resolución de la Palmer-Bowlus no es tan buena como la de la Parshall. 5.4. MEDICIÓN ELECTROMAGNÉTICA. Consiste en un carrete de tubería, de material no magnético que lleva adosado una serie de bobinas, las cuales, una vez conectadas a un circuito eléctrico, crean un campo magnético trasversal al tubo. El fluido al atravesar este campo hace el papel de conductor eléctrico. La fuerza electromotriz incluida en el flujo cuyo valor es proporcional a la velocidad media del flujo y en consecuencia al caudal, es detectada por dos sensores instalados en las paredes opuestas al tubo. Un circuito electrónico auxiliar recibe las señales de los sensores y después de procesar esta información determina el caudal que está circulando. FIGURA No. 13 MEDICION ELECTROMAGNETICA

Ventajas: No presenta ninguna obstrucción al paso del fluido, su pared interna se puede recubrir con revestimientos adecuados para evitar el ataque de fluidos corrosivos. Desventajas: No funciona con fluidos que no sean conductores de electricidad, su alto precio que es función del tamaño de la tubería, el deterioro de los sensores ya que tienen que estar mojados por el fluido.

5.5. MEDICIÓN POR ULTRASONIDO. Existen distintos dispositivos que se basan en el efecto Doppler o en la recepción de los ecos. En ambos métodos se utiliza un elemento emisor que envía impulsos de ultrasonidos a través del fluido en distintas direcciones. Los impulsos que viajan en el mismo sentido que el fluido, lo hacen a mayor velocidad que aquellos otros que viajan en sentido contrario. Una serie de sensores recogen estos impulsos y un circuito electrónico auxiliar procesa la información calculando el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del impulso,

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como las distancias entre el emisor y los sensores son fijas y conocidas, se puede obtener la velocidad a la que viaje el impulso que a su vez es función de la velocidad del fluido. Ventajas: Pueden ser instalados en cualquier momento sin necesidad de desmontar los conductos ni parar la producción. Desventajas: Costoso, voluminoso y pesado en tamaños grandes, no funciona con fluidos no conductores, necesita calibración y potencia eléctrica. FIGURA No. 14 MEDICION POR ULTRASONIDO

AUTOEVALUACION 1 ACTIVIDAD 1 1. Seleccione uno de los procesos en cualquiera de la industria de alimentos que usted conozca. Elabore el correspondiente diagrama de flujo y señale las etapas que requiera agua como insumo o como materia prima, lo mismo las que generan residuos líquidos o el agua usada. Identifique en cuáles de ellos existe la mayor cantidad producida. ¿Qué recomendaciones haría para disminuir a lo estrictamente necesario tanto el consumo como la producción de residuos líquidos?. Elabore un pequeño ensayo, discútalo en su grupo de trabajo académico, construyan un nuevo documento y preséntelo al tutor para su revisión.

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ACTIVIDAD 2 En pequeños grupos de trabajo, en las oficinas del IDEAM o de la Corporación Autónoma de su jurisdicción consulte las características fisicoquímicas del principal río o quebrada que abastezca el acueducto municipal y/ o las principales industrias de su región. Registre esta información en lo posible para diferentes puntos en el río o quebrada así: Punto 1 cerca del nacimiento, punto 2. Antes de sectores industriales que viertan sus aguas en el cauce (aguas arriba). Punto 3: Después de vertidas las aguas por las diferentes empresas (aguas abajo). Liste y clasifique las empresas ubicadas en el sector de referencia de acuerdo a su actividad industrial (siderúrgicas, cementeras, alimentos etc.), indague sobre el volumen de producción de estas empresas y con base en la información suministrada en las tablas anteriores o a través de consulta en Internet (Desempeño ambiental de la tecnología en la industria colombiana. www.ideam.gov.co/publica/medioamb/cap12.pdf). Estime las cargas contaminantes vertidas. A través del análisis de la información diseñe y establezca indicadores de contaminación ejemplo: Disminución de oxigeno disuelto, alteración de pH etc. Los indicadores deberán ser acompañados con efectos o consecuencias que provocan en el ecosistema. (Disminución fauna acuática, enfermedades respiratorias entre otras.). A través de esta información de respuestas a los siguientes interrogantes: 1. ¿Qué tipo de empresas son las que contribuyen en mayor medida a la contaminación? 2. ¿Cuáles son los parámetros de mayor significancia o variabilidad por los diversos afluentes? 3. ¿Cuáles son los principales efectos que estos vertimientos pueden producir a corto, mediano y largo plazo? 4. ¿Qué acciones han tomado las autoridades ambientales? 5. ¿Que acciones han desarrollado las empresas? 6. ¿Qué actitud ha tomado la comunidad? 7. ¿Son suficientes estas acciones para disminuir los efectos negativos en un gran porcentaje? 8. Plantee o sugiera otro tipo de medidas que puedan contribuir a disminuir estos efectos ACTIVIDAD 3 Para la empresa seleccionada en la actividad (1), Diseñe el plan de muestreo y aforo, este plan debe contener: 1. Objetivos. 2. Recursos necesarios (técnicos, humanos, equipos) 3. Sitios de muestreo. 4. Técnicas empleadas para medir caudal en cada punto. 5. Parámetros físicos, químicos y biológicos a determinar de cada sitio (indicar cuáles parámetros se han de medir en sitio y cuáles en laboratorio). 6. Frecuencia de muestreo. Elabore un formato o guía que facilite la toma de datos y análisis de la información.

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CAPITULO 2.

GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL

INTRODUCCION

Es mejor prevenir que curar, es quizás la frase que mas identifica este capítulo. El término prevención implica diseñar estrategias, aplicar técnicas y tecnologías que den como resultado la eliminación o disminución de los residuos líquidos, antes que diseñar, construir y operar un sistema de tratamiento, hay que encaminar esfuerzos a evitar que estos se generen. El capítulo esta dividido en tres lecciones: La primera lección Técnica para reducir y reciclar aguas residuales implican la disminución de agua que se usa en diversas aplicaciones, y / o la utilización del agua generada, en una aplicación compatible con su calidad. La segunda lección Técnicas de recuperación de subproductos y reutilización de agua describe diferentes opciones para reutilizar el agua residual tratada (no se vierte al medio receptor) y alternativas de aprovechamiento de subproductos que el agua contenga, siempre y cuando la sustancia recuperada tenga un valor agregado que justifique sus separación. La tercera Lección Normatividad Ambiental relaciona el marco jurídico, las normas, leyes, decretos, entes de control e instrumentos económicos vigentes en Colombia. OBJETIVOS GENERAL Plantear alternativas conducentes a disminuir el caudal de agua residual a verter al medio receptor. Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua.

ESPECIFICOS Comparar el modelo de producción limpia y el modelo tradicional aplicado en una empresa de alimentos. Describir y sugerir técnicas de reducción, reutilización y reciclaje de agua residual en diferentes empresas alimenticias. Plantear alternativas de aprovechamiento de subproductos extraídos del agua residual.

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Explicar la política ambiental colombiana, sus principios, decretos y resoluciones referentes al recurso agua. Relacionar los instrumentos económicos consagrados en la Constitución Colombiana para prevenir y controlar la contaminación hídrica. GENERALIDADES. Las tecnologías que tienen como objetivo minimizar la producción de cualquier efluente y, por tanto, prevenir la contaminación se encuadran en lo que se ha llamado "tecnologías limpias", o de "emisión cero". En las figuras 15 y 16 se muestran el modelo tradicional de producción caracterizado por una alta generación de residuos (líquidos, sólidos y gaseosos), sin ningún tipo de reciclaje o aprovechamiento de estos residuos, contrastado con el modelo de producción limpia más eficiente en el uso de los recursos y menos contaminante del medio receptor (aire, suelo, agua). FIGURA No. 15 MODELO TRADICIONAL Materia Prima

Procesos de Producción

Energía

Residuos

Aire

Suelo

Productos al Mercado

FIGURA No. 16 MODELO DE PRODUCCIÓN LIMPIA

Materia Prima

Energía

Procesos de Producción

Aire Productos al Mercado

Recuperación Tratamiento

Residuos

Suelo

Agua

Agua

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Las acciones y actividades desarrolladas con el modelo de producción limpia son el fundamento de la gestión del recurso hídrico, o el uso eficiente del agua; el éxito o fracaso de la misma depende de:   

El conocimiento cualitativo y cuantitativo de las corrientes de agua producidas. La posibilidad de agrupación o segregación de efluentes La elección de los sistemas de tratamiento y aprovechamiento más adecuados.

Es preciso, realizar un estudio minucioso de la planta industrial a la hora de planificar el aprovechamiento del agua en la misma ya que cualquier elemento peligroso que no se tenga en cuenta puede perturbar seriamente los tratamientos propuestos. La implementación de la política debe ser analizada considerando aspectos técnicos, económicos y jurídicos, el ingeniero de alimentos es el responsable de este análisis, así, sí el director de la planta está interesado en la recuperación de subproductos, el debe valorar los beneficios obtenidos con el valor agregado, frente a la inversión para el tratamiento y su control. En la tabla No 8 se resumen los beneficios y restricciones de la política de producción limpia: TABLA No 8. BENEFICIOS Y RESTRICCIONES DE LA POLITICA DE PRODUCCION LIMPIA AREA BENEFICIOS RESTRICCIONES Técnica Recuperación de Necesidad adicional de control subproductos o tratamiento para cumplir con comercializables los requisitos de reutilización. Uso benéfico del agua (en Ubicación del agua particular donde existe reutilizable. escasez de agua) Minimización del efecto en el medio ambiente. Económica Reducción de capital en Mayor costo de operación y futuros proyectos de agua. mantenimiento Mejor imagen pública Disposición de los residuos. Disminución de tasa retributiva Jurídica Posible simplificación del proceso para obtención de concesiones, permiso de vertimiento. Descargas mínimas y menor riesgo de conflictos con autoridades ambientales Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988, Pág. 594.

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Los siguientes pasos permiten tomar decisiones correctamente: 1. Realizar una evaluación en toda la planta, de la forma en que se utiliza el agua y de la generación de aguas residuales. Revisar registros históricos si los hubiera, de lo contrario realizar un trabajo de campo que incluya muestreo y aforos. 2. Evaluar las áreas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar agua: esta incluye:  Identificar las fuentes que puedan utilizarse para conservación, reciclaje y reutilización de agua.  Determinar los requisitos de calidad para el agua destinada a los procesos de reutilización/ reciclado seleccionado.  Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores que se tenía en la actividad o que podría obtenerse mediante diversos grados de tratamiento.  Estudiar las ubicaciones y los flujos de desecho existentes.  Estimar los costos actuales del agua y del agua residual tratada.

A continuación se presentan varias técnicas que pueden reducir el uso de agua potable y la generación de agua residual. 1. 2. 3. 4.

Técnicas de reducción de agua y de aguas residuales. Reciclaje del agua Recuperación de subproductos. Reutización del agua.

LECCION 6. TECNICAS PARA REDUCIR LAS AGUAS RESIDUALES DENTRO DE LA PLANTA. En términos generales estás técnicas implican la minimización de la cantidad de agua que se usa en diversas aplicaciones e incluyen: 1. Minimización del uso del agua en la planta de producción. 2. Minimización del consumo de agua para usos sanitario. 3. Capacitación del personal

6.1. MINIMIZACIÓN DEL USO DEL AGUA EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN. Esto se puede lograr si se modifica el proceso y/o se cambian algunas operaciones de la planta. a. Modificación en el proceso: Estos deben ser evaluados desde el punto de vista de beneficios/costos, algunos ejemplos específicos:  Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques de inmersión.  Intercambiadores de calor enfriado por agua, por un sistema enfriado por aire.

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b. Cambio de las operaciones.  Mejorar las operaciones de limpieza de equipo mediante dispositivos adecuados de limpieza, chorros de aspersión de alta presión, coordinación del calendario de limpieza, métodos de limpieza y aseo.  Dispositivos mecánicos de limpieza (cauchos, limpiadores)  Maximizar la vida efectiva del agua de producción: se requiere análisis de las características del agua y tener un conocimiento claro de los intervalos de trabajo en la operación particular.  Optimizar el uso del agua: son actividades propias que permiten es uso más racional del agua:    

Mejores sellos en bombas, tubos y válvulas. Automatización del control de flujo. Controles de nivel de agua apropiada Tapas y cubiertas sobre tanques.

6.2. MINIMIZACIÓN DEL USO DE AGUA PARA USO SANITARIO En nuestro medio es muy común encontrar servicio de agua potable para los sanitarios, es necesario plantear alternativas para emplear agua proveniente de otros procesos, adicionalmente la implementación de aparatos economizadores de agua. 6.3. CAPACITACIÓN DEL PERSONAL El éxito o fracaso de la administración correcta del agua depende en gran medida del recurso humano, de hay la importancia de un programa de capacitación, no solo para que el personal tome conciencia del buen uso del agua sino porque aplica y aporta ideas para la reducción y minimización de agua residual. Esta capacitación debe:  Concienciar a todo el personal sobre el buen uso del agua.  Capacitar al personal en las técnicas de reducción del agua residual y en los métodos para minimizar el uso del agua.  Establecer metas cuantificables para reducción.  Definir las funciones y responsabilidades de los empleados.  Alcanzar las metas de reducción de aguas residuales.

LECCION 7. TECNICAS PARA RECICLAR LAS AGUAS RESIDUALES NO TRATADAS El reciclado implica el uso de Aguas Residuales no tratadas en una aplicación compatible con su calidad, acá esta la diferencia entre reciclado y reutilización, por lo general esta ultima implica o se somete a tratamiento antes de utilizarla en cualquier aplicación, con el reciclado del agua se esta ampliando de manera eficaz la vida útil del agua. El reciclado de aguas residuales varia de una industria a otra, ya que dependen de los requisitos de calidad del proceso que recibirá dichas aguas, debido a que el reciclado de las

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aguas residuales no implica tratamiento alguno, la cantidad de oportunidades es menor que en el caso de reutilización. En la tabla No 9 se presentan algunas alternativas de reciclado: TABLA NO. 9 POSIBLES APLICACIONES DEL RECICLADO DEL AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL FUENTE AGUA RESIDUAL APLICACIÓN PARA EL RECICLADO Purga de la torre de enfriamiento Agua de lavado Agua de servicio público Agua del sello de tambor abocinado Refrigerante de la bomba Desecho del tanque de campo Relleno de Agua para el depurador Purga de la caldera Agua de relleno para calderas de baja presión Agua de enjuague Enjuague a contracorriente Agua de enfriamiento de un solo uso Estanque de enfriamiento Agua de enfriamiento para el compresor Agua de enfriamiento sin contacto Agua de proceso Condensado de tanques o procesos Agua de relleno para la caldera Fuente: FREEMAN Harry M. Manual de la prevención de la contaminación Industrial.1.998. Pág. 604 Con frecuencia las aguas residuales de duchas y lavamanos pueden utilizarse para la irrigación, dependiendo de las características del suelo. LECCION 8. RECUPERACION DE SUBPRODUCTOS Esta se hace con el fin de regular la descarga contaminante hacia el medio ambiente, esto sugiere el diseño de una nueva línea de producción, con todos los análisis y nivel de detalle que esta sugiere. La decisión de recuperar subproductos obedece al análisis de criterios técnicos, económicos de normatividad. Entre los que se incluyen:    

El valor del subproducto recuperado. La factibilidad de recuperarlo a un costo razonable. Tecnología apropiada. Exigencias normativas vigentes.

Para comprender mejor esta técnica veamos un ejemplo: La producción en gran volumen de suero es uno de los principales problemas medioambientales de las industrias lácteas, por cada litro de leche se genera aproximadamente 0,75 litros de suero. El suero es rico en vitamina C, complejo B y proteínas como la lacto albúmina y la lacto globulina, En la tabla 10 se muestra su composición.

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TABLA No. 10 COMPOSICIÓN DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ÁCIDO COMPOSICION DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ACIDO (%) Componentes Suero Dulce Suero Ácido Humedad 93 – 94 94 – 95 Grasa 0,2 – 0,7 00,4 Proteínas 0,8 – 0,1 0,8 – 1,0 Lactosa 4,5 – 5,0 4,5 – 5,0 Sales Minerales 0,05 0,04 Fuente: Guía Ambiental para el Sector de la Industria Láctea. Corpochivor. 2001. Pág. 22. Aprovechando este valor nutricional, se presentan diferentes alternativas para su manejo. Sin embargo, debido a que tiene un alto contenido de lactosa, una humedad del 93 -94 % y un elevado número de microorganismos, rápidamente se originan fermentaciones indeseables, lo que hace necesario la aplicación de tratamientos previos:

FIGURA No. 17 ETAPAS EN EL TRATAMIENTO DEL SUERO LÍQUIDO PARA SU CONSERVACIÓN SEPARACION DE FINOS

Recuperación de caseína y la grasa que aún contiene el suero SEPARACION DE GRASAS

ENFRIAMIENTO

El suero es sometido a enfriamiento a 4°C. ALMACENAMIENTO

Algunas alternativas de aprovechamiento del suero son:  Obtención de suero en polvo, mediante la concentración de los sólidos por evaporación y secado.  Obtención de suero en polvo desmineralizado, donde se eliminan previamente las sales minerales por intercambio iónico o por electro- diálisis.  Recuperación de la lactosa, obtenida por concentración, cristalización y separación.  Obtención de concentrados proteínicos, obtenidos por ultrafiltración del suero.

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 Obtención de alcohol, vitamina B12, jarabes de glucosa y galactosa, lactosil, urea, amoniaco, lactatos y otros.  Producción de bebidas a partir del suero, que se combina con grasa de origen lácteo o vegetal.  Utilización del suero en la fabricación de helados.  Producción de quesos de suero  Conversión biológica del suero, mediante la fermentación por microorganismos convirtiendo la lactosa en ácido láctico. LECCION 9. TECNICAS PARA REUTILIZAR EL AGUA RESIDUAL TRATADA La reutilización del agua residual depende de dos factores: 1. Calidad del agua residual reutilizada y la aplicación a la que esta se destine. 2. Tecnología de tratamiento empleada. En la tabla 11 se presentan algunas aplicaciones y posibles limitaciones par reutilizar el agua residual tratada. TABLA No. 11

APLICACIÓN PARA LA REUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL Y POSIBLES RESTRICCIONES. Aplicaciones para la reutilización de Posibles Restricciones las aguas residuales Irrigación agrícola Riego de cultivos  Contaminación del agua freática y superficial si no Viveros comerciales se realiza en forma adecuada Irrigación de jardines  Comercialización de las cosechas y aceptación del Parques público. Patios escolares  Efecto en la calidad del agua, en particular de las Camellones en las avenidas sales, sobre los sólidos y los cultivos. Campos de golf  Inquietud en la opinión pública en relación con lo Cementerios elementos patógenos (bacterias, virus y parásitos) Zonas sembradas  Tal vez se necesiten controles para el área en que Residenciales se use, entre ellos, zonas de amortiguamiento, lo cual eleva los costos para el usuario. Reutilización en la Industria Agua de relleno para la torre de  Constituyentes en el agua recuperadas que se enfriamiento relacionan con la desincrustación, corrosión, Agua de enfriamiento de un solo uso crecimiento biológico y acumulación de depósitos. Agua de alimentación para calderas  Inquietudes respecto de la salud pública, en Agua en proceso particular la transmisión por rocío de elementos patógenos en el agua de enfriamiento. Recarga del manto freático Reabastecimiento del manto freático  Sustancias químicas orgánicas en el agua residual Control de la entrada de agua Salada recuperada y sus efectos tóxicos; TDS, nitratos y Control de hundimientos elementos patógenos en el agua residual recuperada.

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Usos recreativos/ambientales Lagos y estanques Mejoramiento de pantanos Aumento del flujo de corrientes Zonas pesqueras Usos urbanos no potables Protección contra incendios Aire acondicionado Chorros de descarga para retretes

 Inquietud acerca de las bacterias y virus  Eutrofización debida al nitrógeno y contenidos en las aguas receptoras.  Toxicidad para la vida acuática.

fósforo

 Preocupación por la salud pública debido a los patógenos que se transmiten por los aerosoles.  Efectos de la calidad de agua sobre la desincrustación, corrosión, crecimiento biológico y acumulación de depósitos.  Conexiones cruzadas

Reutilización Potable Mezclado en el suministro de agua Depósito Suministro de agua por tuberías

 Los componentes de agua residual recuperada, en particular los residuos de sustancias químicas y sus efectos tóxicos.  Estética y aceptación del público  Preocupación por la salud debido a la transmisión de agentes patógenos, en particular de virus. Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988. Pág. 611 Las posibilidades de reutilización del agua residual son numerosas, sin embargo entre más contaminantes mas inversión en tratamiento y menos posibilidad de reutilización, en la tabla 12 se presentan diferentes tecnologías aplicables a la reutilización, generalmente estas se relacionan como tratamientos avanzados o terciarios del agua residual.

TABLA No. 12 TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO APLICABLES PARA LA REUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL. Tecnología de Descripción Aplicaciones Limitaciones tratamiento Osmosis Inversa Emplea los principios de la Remoción de DBO Costo ósmosis y las diferencias de Sólidos Suspendidos Desincrustación presión para separar del Totales (SST), Sensibilidad al pH y a la agua las sales disueltas en compuesto temperatura. una solución al filtrar el agua nitrogenados, y Tal vez se necesita un residual a través de una fósforo tratamiento previo. membrana semipermeable. El concentrado tal vez necesite tratamiento o eliminarse. Electrodiálisis La electrodiálisis concentra Remoción del Sólidos Precipitación química en o separa las especies Disueltos Totales la membrana. iónicas contenidas en una (SDT) y recuperación Tal vez se necesite un solución al hacerla pasar por de sales metálicas. tratamiento previo. membranas semipermeables Costo que seleccionan iones.

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Ultrafiltración

Al igual que la ósmosis inversa, la ultrafiltración emplea membranas porosas que eliminan los materiales disueltos y coloídes de las soluciones; no obstante, la ultrafiltración trabaja a presiones menores y, por lo general, se limita a eliminar moléculas grandes. Intercambio de El intercambio de iones iones elimina iones específicos de una solución al intercambiarlos con los iones ligados a una resina de fórmula específica. La resina necesita retrolavado y regeneración una vez que ha alcanzado su capacidad. Carbón activado El proceso de carbón activado utiliza carbón, ya sea granular o pulverizado, para tratar el agua residual y absorber muchos compuestos orgánicos e inorgánicos. Una vez alcanzada la capacidad del carbón, éste debe regenerarse.

Sedimentación

Filtración

Remoción de sólidos disueltos totales (SDT), turbidez y aceite.

Costo Desincrustación Sensibilidad al pH y a la temperatura. Tal vez se necesita un tratamiento previo.

Remoción de SDT, iones metálicos tóxicos; y reducción de la dureza al eliminar los iones de calcio y de magnesio.

Deben eliminarse las resinas y regeneradores agotados (es decir, ácidos, cáusticos o salinos). Altas concentraciones de sólidos suspendidos pueden disminuir la eficiencia de la resina. El costo como una función de la frecuencia de regeneración del carbón. La concentración del contaminante debe ser inferior a 10.000 ppm. Sólidos suspendidos: menos que 50 ppm. Sustancias inorgánicas disueltas, y aceites y grasa menos que 10 ppm.

Remoción de varios compuestos orgánicos e inorgánicos. Trata los desechos orgánicos (con altos puntos de ebullición, baja solubilidad y polaridad), hidrocarburos clorados y aromáticos. Captura los compuestos orgánicos volátiles en las mezclas de gas. La sedimentación es un Remoción de los No es adecuado para proceso de asentamiento sólidos más densos aguas residuales que permite que los sólidos que el agua. constituidas por aceites más pesados se separen de emulsificados. una solución por gravedad. La filtración separa y elimina Deshidratación de No es adecuado para los sólidos suspendidos de sedimentos y pastas reducir la toxicidad del una solución al hacerla aguadas. agua residual. pasar a través de un medio Remoción de los No es adecuado para poroso (por ejemplo, tela, sólidos suspendidos sólidos gelatinosos. malla, material granular) de los líquidos. Limitaciones en la

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Evaporación

La evaporación es un proceso de separación física en el que se aplica energía para volatilizar una solución a fin de separar un líquido de los sólidos disueltos o suspendidos.

Deshidratación

Tratamiento previo a la remoción de sólidos a fin de evitar la obstrucción de los siguientes dispositivos para el tratamiento (por ejemplo, intercambio de iones, ósmosis inversa, adsorción con carbón). Tratamiento de los desechos de solventes que no tienen componentes volátiles (por ejemplo, aceite, grasa, resinas poliméricas, sólidos de pintura). Separación de los sólidos suspendidos y disueltos. Reducción de la humedad contenida en los sedimentos.

concentración de sólidos suspendidos de los líquidos.

La eficacia depende de la volatilidad de la solución. Costo

La deshidratación incluye Las limitaciones dependen una serie de procesos del proceso de físicos (por ejemplo, deshidratación que se filtración al vacío, secado del utilice para el tipo sedimento, filtro de particular de sedimento. prensabanda) utilizados para reducir la humedad contenida en los sedimentos. Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988. Pág. 618-619

LECCION 10. NORMATIVIDAD AMBIENTAL

La Constitución y la ley colombiana consagran los propósitos, derechos y procedimientos para proteger la vida y el ambiente, sin embargo la existencia de los mismos no garantiza su cumplimiento; así a diario se observa atentados contra la vida, contra el medio ambiente (emisiones atmosféricas, residuos líquidos y sólidos con presencia de elementos tóxicos), ríos convertidos en cloacas donde la única fauna son roedores insectos portadores de enfermedades patógenas.

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Los principios fundamentales de la legislación ambiental colombiana son. 1. Declaración de Estocolmo del 5 de junio de 1.972: se constituye en el origen de la política global de protección del medio humano, contenida en una proclamación de 7 puntos y 26 principios generales, por medio los cuales la ONU alerta sobre la necesidad de desarrollar una verdadera política de bienestar social. 2. Declaración de Río de Janeiro (1.992): La Declaración de Estocolmo fue retomada y mejorada. En ella se destacaron dos posiciones frente al medio ambiente: Unos proponían seguir desarrollando los países sin importar los daños ambientales que se suscitaron, otros decían que no se debían desarrollar los países a costa del aprovechamiento y deterioro del medio ambiente natural, para concluir en una posición que se denomina Desarrollo sostenible: Crecimiento económico con equidad social y ambiental. Principios constitucionales y Legales. La Constitución Política de 1991 consagró derechos y obligaciones relacionados con el deber de los ciudadanos de proteger los recursos naturales y creó las acciones correspondientes para lograrlo. Adicionalmente, se asignaron competencias a diferentes entes estatales para adelantar las tareas de planeación, prevención y defensa del medio ambiente. La reglamentación relacionada con la protección y el manejo de los recursos naturales se expidió con la promulgación en 1974 del Código de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente. Posteriormente se expidió la Ley 99 de 1993 por la cual se creó el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, se organizó el Sistema Nacional Ambiental, SINA, y se establecieron los principios que rigen el ejercicio de las funciones ambientales de las entidades territoriales. En la Figura 18 se relaciona esta estructura.

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FIGURA No. 18 ESTRUCTURA DEL DERECHO AMBIENTAL COLOMBIANO

De acuerdo con la constitución las autoridades ambientales jerárquicamente son:

10.1. MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

El Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial es el organismo rector de la gestión del medio ambiente y de los recursos naturales renovables, y como tal, el encargado de definir las políticas y regulaciones para la recuperación, conservación, ordenamiento, manejo, uso y aprovechamiento de los recursos naturales renovables y el medio ambiente.

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10.2. CORPORACIONES AUTÓNOMAS REGIONALES Y UNIDADES AMBIENTALES URBANAS Las Corporaciones Autónomas Regionales son entes públicos, integradas por las entidades territoriales de áreas que constituyen un mismo ecosistema o que conforman una unidad geopolítica, biogeográfica o hidrogeográfica. Están dotadas de autonomía financiera y administrativa y cuentan con patrimonio propio. Las Unidades Ambientales Urbanas de los municipios, distritos o áreas metropolitanas con población mayor a 1’000.000 de habitantes ejercen las mismas funciones de las corporaciones autónomas regionales dentro del perímetro urbano. La misión prevista para las Corporaciones Autónomas Regionales, CAR, y para las Unidades Ambientales Urbanas, es la de ejercer como autoridades ambientales en sus respectivas áreas de jurisdicción, ejecutando dentro de un régimen de autonomía, las directrices generales establecidas por el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial y cumplen las funciones de evaluación, control y seguimiento del uso de los recursos naturales. Sin embargo, las Corporaciones autónomas regionales podrán ser auditadas por la Contraloría General de la República, entidad que podrá realizar los ajustes estructurales necesarios para su correcto funcionamiento. Actividad Complementaria: Investigue Cuales son la corporaciones Autónomas, áreas de jurisdicción. Puede consultar la página del Ministerio de Medio Ambiente (www.minambiente.gov.co), o de alguna Corporación ej: www.corporinoquia.gov.co Algunas disposiciones legales referentes al recurso agua son: 

Decreto 1594 de 1984, en el cual también se reglamentan los permisos de vertimiento y los criterios de calidad para la destinación del recurso.  Decreto 1541 de 1978: Las normas aplicables al régimen de aguas y al derecho a usarlas. Los ríos y todas las aguas que corren por cauces naturales son de uso público y su aprovechamiento, cualquiera sea el fin, requiere de una concesión que se sujeta a las disponibilidades del recurso.  Decreto 901 por el cual se reglamentan las tasas retributivas por utilización directa o indirecta del agua como receptor de los vertimientos puntuales y se establecen las tarifas de esta.  Resolución 0081 por la cual se adopta un formulario de información de tasas retributivas.  Resolución 273: Por la cual se fijan las tarifas mínimas de las tasas retributivas por vertimientos líquidos para los parámetros de DBO y SST. Las diferentes leyes, decretos y resoluciones pueden ser consultadas en: www.minambiente.gov.co, www.ideam.gov.co.

10.3 INSTRUMENTOS ECONOMICOS La legislación colombiana provee de instrumentos económicos a las autoridades ambientales, a través del cobro de tasas retributivas, tasas compensatorias y tasas por uso

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por ello es importante conocer el significado de cada una de ellas, que se deben tener en cuenta para liquidar los costos por el uso del agua en un proceso industrial en la transformación de alimentos.

Tasa: Remuneración que deben pagar los particulares por cierto servicio que presta el estado. Diferencia entre Tasa e Impuesto: La tasa es una contraprestación por usar un servicio público, es voluntaria siempre y cuando se acceda al servicio. El impuesto es de obligatorio cumplimiento y no se está pagando un servicio específico ó retribuyendo una prestación determinada. Las tasas que contempla la legislación Colombiana son:  TASAS RETRIBUTIVAS Las tasas retributivas buscan una contraprestación por el efecto nocivo que se causa a los recursos como consecuencia de su utilización.  TASAS COMPENSATORIAS, por su parte, pretenden que el usuario del recurso pague los gastos de hacer renovable el mismo.  TASAS POR USO: El usuario paga por utilizar el recurso. En este sentido el gobierno nacional ha presentado a la consideración del Congreso de la República el proyecto de ley No. 365, “Ley del agua”, por el cual se establecen medidas para orientar la planificación y administración del recurso hídrico en el territorio nacional”. El alcance de este módulo solo se dará información mas detallada de las tasas retributivas, queda a iniciativa del estudiante complementar información referente a los otros dos tipos de tasas.

10.3.1. Tasas Retributivas. La tasa retributiva tiene por objeto disminuir el nivel de contaminación. Por lo tanto se busca igualar la Tasa Retributiva con el Costo Marginal de Descontaminación este costo es el valor que habría que pagar para que el medio receptor después de recibido un agente contaminante retornará sus condiciones iniciales. Se basa en el principio “EL QUE CONTAMINA PAGA” Las Tasas Retributivas se entienden como el costo marginal que representa el utilizar un cuerpo de agua como “basurero” y su valor depende del usuario, quien decide si vierte más y paga más o disminuye sus vertimientos con base en un análisis costo-efectivo.

La primera vez que se mencionan las tasas retributivas en la legislación ambiental Colombiana es en el Decreto 2811 de 1974, las cuales se podían cobrar a las “actividades lucrativas”. El Decreto 1594 de 1984 estableció una formula para el cobro de la tasa retributiva, cobrando la DBO5, DQO y SS a las entidades con animo de lucro. La Ley 99 de 1993 modifica la concepción de las tasas, ya que ellas deben reflejar el costo social causado

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por la contaminación, incluyendo el impacto negativo que generan las actividades productivas y no productivas sobre el bienestar de la comunidad y los recursos naturales. Cálculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas (Según Decreto 901/97) El monto de la tasa retributiva se calcula así: TRj = Trj x Ccj x T j = TRj = Trj = Ccj = T =

Sustancia contaminante motivo del cobro (DBO5 y SST) Monto a cobrar por concepto de tasa retributiva por vertimiento Tarifa regional correspondiente a (j) en cada cuerpo de agua por parámetro Carga contaminante diaria de las sustancias (kg/día) Período de descarga (mensual, trimestral, semestral)

Trj = Tmj x Fr Tmj=Tarifa mínima Fr: Factor regional La tarifa mínima que fija el Ministerio (Tmi) se multiplica por el factor regional que es igual a 1 para la primera declaración de vertimientos (autodeclaración) y se incrementa 0,5 cada semestre si no se alcanza la meta de reducción (concertada entre empresa y corporación autónoma de la jurisdicción). Con esta política de incrementar semestralmente el valor a pagar por tasa retributiva el gobierno busca que para las empresas sea mas atractivo invertir en sistemas de tratamiento o depuración de aguas, que en pago semestral de la tasa.

Calculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas Las cargas contaminantes se calculan mediante el siguiente algoritmo: Ccj = Q x Cj x F Ccj = Carga contaminante diaria por sustancia (kg/día) Q = Caudal (L/s) Cj = Concentración de la sustancia contaminante mg/L. F = factor de conversión Ejemplo de cálculo de la carga contaminante:

El análisis del agua residual vertida por una empresa X reportó los siguientes datos: PARAMETRO DQO DBO SOLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST)

CONCENTRACION (mg/L) 3,020 1,840 76

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El caudal promedio resultado del aforo volumétrico manual fue de 3,4 L/s. Con base en estas concentraciones estimar la carga contaminante mensual. Carga contaminante diaria (CCj) = Ci * Q; Para la DBO (kg/mes) CC = 1,840 (mg/L) *3,4 (L/s)*86,400 (s/día)*10-6 kg/mg* 30día/mes DBO (kg/mes) = 4,769.28.

Para los otros contaminantes: CONTAMINANTE DQO DBO Sólidos Suspendidos Totales (SST)

CARGA (kg/mes) 26,614.65 16,215.55 669.76

La legislación Colombiana prevee el cobro de la tasa retributiva por DBO y SST. (Resolución 273/97) Se han presentado varias discusiones sobre la efectividad de estas tasas para disminuir la contaminación, la comisión económica para América Latina CEPAL en su serie Medio Ambiente y Desarrollo No 47. “Evaluación del impacto de la tasa retributiva en el sector industrial colombiano” ilustra al respecto; invito a los estudiantes a analizar este documento. (Anexo)

AUTOEVALUACION 2

ACTIVIDAD 4. Realice la lectura documento anexo “Guía Buenas Prácticas para el sector alimentos “ Haga un resumen del documento. Elabore un ensayo mínimo tres páginas en el cual trate los siguientes temas. 1. Componentes del sistema de gestión ambiental en la industria de alimentos. 2. Ventajas y desventajas para la implementación de sistemas de Gestión ambiental (recurso agua). 3. Indicadores de gestión hídrica Comparta con su pequeño grupo de trabajo el ensayo, elaboren un documento grupal en el que relacionen las diferentes reflexiones y preséntenlo a su tutor para su evaluación y retroalimentación.

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ACTIVIDAD 5. En pequeños grupos colaborativos, consulten con industriales, en la corporación de su jurisdicción, ONGs, a través de Internet las experiencias en el cobro y pago de la tasa retributiva. Exponga los diferentes puntos de vista de empresarios y autoridad ambiental, y plantee su propio punto de vista. Participe en un debate organizado por el tutor sobre el tema. Una ayuda para el desarrollo de esta actividad es el documento anexo.”Tasas Retributivas”

CAPITULO 3 OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO DEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION

En los capítulos anteriores se relacionaron los parámetros que permiten caracterizar el agua residual procedentes de las empresas, la diferencia en ellos supone por tanto distintas formas y métodos para depurarla; La selección del tratamiento dependerá del destino final dado al efluente tratado, la naturaleza del agua residual, la compatibilidad de las distintas operaciones y procesos, los medios disponibles de evacuación de los contaminantes finales y la posibilidad económica de las distintas combinaciones. El tratamiento del agua residual al igual que la transformación de una materia prima implica la combinación de operaciones unitarias y procesos unitarios, por lo cual se debe recordar la diferencia entre los dos. Las operaciones unitarias son aquellas etapas del proceso de tratamiento del agua que se realizan mediante la aplicación de fuerzas físicas, por lo tanto no hay cambios en su estructura química, mientras que un proceso unitario será aquel en el cual se presentan reacciones químicas obteniendo productos de características muy diferentes a la sustancia de origen. El capítulo a través de sus diferentes lecciones presenta los conceptos fisicoquímicos de las diferentes operaciones y procesos unitarios que constituyen el tratamiento primario y preliminar del agua residual.

OBJETIVOS GENERAL Describir los fundamentos y conceptos fisicoquímicos de las operaciones y proceso unitarios mas empleados en el tratamiento del agua residual

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ESPECIFICOS.  Identificar las operaciones y procesos que hacen parte del pretratamiento y el tratamiento primario.  Explicar los principios y el funcionamiento de los diferentes equipos que conforman el tratamiento primario.  Determinar las características finales del agua después de ser sometida a tratamiento primario.

GENERALIDADES. La identificación de las etapas que componen un sistema de tratamiento de agua residual depende de las condiciones del agua, del nivel de tratamiento al que se quiera llegar y de factores como disponibilidad de área y equipos entre otros; esto quiere decir que no existe una única forma de hacer las cosas, todo lo contrario hay diversas combinaciones de operaciones y procesos unitarios que permiten obtener un efluente de buena calidad. Para facilitar la definición y diseño del diagrama de flujo del sistema de tratamiento, este se divide en tres fases cada una con un objetivo específico:  Pretratamiento y tratamiento primario, implica las operaciones y procesos que se realizan de forma previa y al inicio del tratamiento y buscan por lo general la separación y eliminación de elementos de gran tamaño, de materia orgánica fácilmente sedimentable; estos procesos tienen un efecto limitado de eliminación de la mayoría de especies biológicas presentes en el agua residual, sin llegar a reducir de forma eficaz la concentración de bacterias o virus contenidos en ella.  Tratamiento secundario, también llamado biológico consiste en la eliminación de la materia orgánica biodegradable soluble y coloidal y es llevado a cabo por procesos biológicos en presencia o ausencia de oxígeno.  Tratamiento terciario permite disminuir algunos de los componentes del agua residual que no es posible reducir mediante el tratamiento secundario. Puede llegar a eliminar una fracción elevada de los virus y las bacterias presentes en el afluente. La figura No 19 presenta el diagrama general del tratamiento y en ella se pueden establecer las diferentes operaciones y proceso unitarios que conforman cada una de las etapas.

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FIGURA FIGURA No. No. 19 19

OPERACIONES OPERACIONES Y Y PROCESOS PROCESOS UNITARIOS UNITARIOS DEL DEL TRATAMIENTO TRATAMIENTO DE DE AGUA AGUA RESIDUAL RESIDUAL

PRETRATAMIENTO PRETRATAMIENTO Y Y TRATAMIENTO TRATAMIENTO PRIMARIO PRIMARIO Homogenización Neutralización Ajuste de pH Coagulaciónfloculación Sedimentación Flotación Desarenado Desaceitado

TRATAMIENTO TRATAMIENTO SECUNDARIO SECUNDARIO

Tratamientos Biológicos Lodos activados Filtros biológicos Lagunaje Digestión Anaerobia Digestión aerobia

TRATAMIENTO TRATAMIENTO TERCIARIO TERCIARIO

Procesos membrana Microfiltración Ultrafiltración Osmosis inversa Electrodiálisis Evaporación Interc. Iónico Adsorción C.A. Procesos Redox Precipitación química Arrastre aire/vapor Incineración

Sólidos Materia Sales Sólidos suspensión suspensión Materia Orgánica Orgánica Sales disueltas disueltas Coloides Biodegradable Microcontaminantes Coloidescon el tipo de afluente un Biodegradable Microcontaminantes De acuerdo sistema de tratamiento de aguas residuales puede Aceites yy grasas grasas estarAceites constituido únicamente por unidades de pretratamiento y tratamiento primario. LECCION 11. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO La etapa preliminar está destinada a la preparación o acondicionamiento de las aguas residuales con el objetivo específico de proteger las instalaciones, el funcionamiento de las obras de tratamiento y eliminar o reducir sensiblemente las condiciones indeseables relacionadas principalmente con la apariencia estética de las plantas de tratamiento. Dentro de las diferentes operaciones y procesos que hacen parte están: 11.1. DILACERACION: Es la trituración de sólidos gruesos en tamaños menores y más homogéneos. Esta operación se realiza para mejorar los procesos posteriores y evitar problemas que pueden causar los sólidos de diferente tamaño; los trituradores empleados constan básicamente de un tambor con ranura a través de las cuales pasan las aguas residuales, simultáneamente un conjunto de dientes cortadores va atravesando las ranuras y trituran el material partículado.

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11.2. HOMOGENIZACION DE CAUDALES: Cumple el objetivo de tener caudales de tratamiento iguales y concentración de contaminantes mucho más homogéneos. En la unidad uno del módulo se referencia las diferentes fluctuaciones que el caudal puede presentar, la homogenización permite disminuir ese problema. Las principales ventajas que produce la homogeneización de los caudales son las siguientes: 1.

Mejora del tratamiento biológico, ya que se eliminan o reducen las cargas de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar el pH.

2.

Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes.

3.

Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes.

4.

En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el control de la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del proceso.

Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de tratamiento, la homogeneización del caudal es una alternativa para incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas. Por lo anterior la localización del sistema de homogenización es clave y para cada empresa particular puede variar dependiendo del sistema de conducción de las aguas y de las características de las mismas. En ocasiones, se recomienda situar la homogeneización después del tratamiento primario y antes del biológico, pues así se reducen los problemas originados por el fango y las espumas. Si las instalaciones de homogeneización se sitúan por delante de la sedimentación primaria y del tratamiento biológico, el proyecto debe tener en cuenta la provisión de un grado de mezclado suficiente para prevenir la sedimentación de sólidos y las variaciones de concentración y dispositivos de aireación suficientes para evitar los problemas de olores. El sistema de homogenización o igualación esta compuesto por un tanque impermeabilizado provisto de un sistema de mezcla para asegurar un igualamiento adecuado y para prevenir el asentamiento de sólidos. 11.3 DESBASTE: Consiste en la eliminación de sólidos gruesos y sedimentables por retención en las superficies, como son las rejas y los tamices. Una reja consiste básicamente de un sistema de barras paralelas inclinada o vertical, igualmente espaciadas y colocadas en la sección transversal del canal que conduce las aguas residuales. La rejilla siempre deberá estar antes de los sistemas de bombeo,

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sedimentador, desarenador para evitar que troncos de madera, sólidos suspendidos gruesos afecten el funcionamiento de estos sistemas. En algunas ocasiones, posterior al sistema de rejilla se utilizan tamices con aberturas más pequeñas para remover un porcentaje más alto de sólidos. Los tamices rotatorios consisten de tambores cilíndricos con una malla ajustada al área de circunferencia. El Agua Residual puede ir desde el interior hasta el exterior o viceversa. 11.4. DESARENADOR: Permite la retención y eliminación de arena, tierra, sólidos o partículas con gravedad especifica muy superiores a los del agua (cerca de 2,6). La remoción de estas partículas tiene como finalidad evitar obstrucciones en tubería, abrasión en bombas y formación de lodos, la separación se efectúa gracias a la fuerza de la gravedad, las unidades en las que se lleva acabo esta operación son los desarenadores. Los desarenadores pueden localizarse antes de todas las demás unidades de tratamiento y después del sistema de dilaceración y desbaste. El tipo de desarenador mas usado es el de flujo horizontal, en el cual el agua pasa a lo largo del tanque en dirección longitudinal. Este tipo de desarenador se diseña para una velocidad horizontal de flujo que permita el transporte de la mayor parte de las partículas orgánicas, pero permitiendo el asentamiento de material pesado inorgánico., así por lo general se diseñan para remover todas las partículas de diámetro mayor de 0,21 mm; si se toma como referencia la arena con una densidad relativa de 2,65, la velocidad de asentamiento es 1,15m / min. 11.5 NEUTRALIZACIÓN: Un sin número de descargas industriales ocurren en condiciones de acidez o alcalinidad que son incompatibles con las normas de descarga o con los procesos biológicos o físico químicos posteriores. La neutralización es un proceso unitario y puede utilizarse para los siguientes fines:  Ajuste final del pH del efluente último antes de la descarga al medio receptor: 5,5 - 9,0.  Antes del tratamiento biológico: pH entre 6,5 - 8,5 para una actividad biológica óptima.  Precipitación de metales pesados. Se debe buscar producir un efluente neutro para lo cual se realiza una reacción con ácidos o bases, los procedimientos más comunes son: 11.5.1. Neutralizar ácidos en lechos de caliza. La caliza se da en forma natural como piedras y tal nombre se refiere al carbonato de calcio. Los lechos pueden ser tanto de flujo ascendente como descendente. Si hay ácido sulfúrico, la concentración de ácido no debiera exceder un 0,6% de H 2SO4 para no formar una capa excesiva de CaSO4 (no reactiva) y se debe vigilar que la evolución de CO2 no sea excesiva (pues produce un efecto tampón)

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11.5.2. Mezcla de ácidos con lodos de cal. Se suele llamar "cal" al hidróxido de calcio, también citado como "cal viva" (cuando la "cal apagada" es el óxido de calcio). El grado de neutralización dependerá del tipo de cal utilizada. Si hay una fracción magnésica, la reacción de neutralización es muy rápida y llega a pH menor que 4,2. La reacción de la cal se acelera -como muchas otras- por calor y por agitación física. En sistemas altamente reactivos, se requieren unos diez minutos. La cal se utiliza en lodos del 8 a 15 %. Otros agentes neutralizantes (alcalinos) típicos son el NaOH, el Na2CO3 o el NH4OH. 11.5.3. Neutralización de Residuos alcalinos, también llamados básicos. Se puede utilizar cualquier ácido fuerte. Por consideraciones prácticas, la elección se limita a considerar el ácido sulfúrico (en la máxima dosis tolerable sin exceder la norma de descarga de sulfatos) y el ácido clorhídrico (para completar la neutralización). La reacción es prácticamente instantánea. Si se dispone de gases de combustión con CO2 en el orden del 14%, se puede burbujear este gas en la solución alcalina. El CO2 establece un equilibrio con gas carbónico, HCO3cuya capacidad ácida se utiliza para neutralizar la carga alcalina. La reacción es naturalmente- más lenta que la de los ácidos fuertes en fase líquida pero suele ser de mucho menor costo y aporta al abatimiento de la carga atmosférica de gases invernadero. En una planta de aguas residuales el control de pH puede ser crítico, sin embargo esto no es fácil debido a:  Grandes fluctuaciones de caudal y pH en el afluente, lo que no permite un flujo uniforme de neutralizante.  El pH de un afluente industrial puede variar con cinéticas tan altas como 1 unidad de pH por minuto  Una pequeña dosis de neutralizante debe mezclarse con una cantidad relativamente enorme de líquido en un lapso breve. LECCION 12. OPERACIONES DEL TRATAMIENTO PRIMARIO El tratamiento primario tiene como objetivo la remoción por medios físicos o mecánicos de una parte sustancial del material sedimentable o flotante, es capaz de remover no solamente la materia suspendida, sino también una fracción importante de la carga orgánica y que puede representar entre el 25% y el 40% de la DBO y entre el 50% y el 65% de los sólidos suspendidos. Las principales operaciones que conforman esta parte del tratamiento se tienen: 12.1. SEDIMENTACIÓN Es la separación por medio de asentamiento gravitacional, de las partículas en suspensión más pesadas que el agua.

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La sedimentación se utiliza como operación en varias etapas de la depuración de aguas residuales como en los desarenadores, decantación primaria luego de los procesos biológicos y en la precipitación química entre otras. La sedimentación puede ser muy diferente según el tamaño, peso y concentración de las partículas del agua residual. Se pueden considerar cuatro tipos diferentes de sedimentación: 1. 2. 3. 4.

Sedimentación Discreta Sedimentación floculante Sedimentación Zonal Sedimentación por compresión

Veamos los principios y diferencias de cada una de ellas.

12.1.1. Sedimentación Discreta. Aquí, las partículas sedimentan como entes individuales y no hay interacciones entre ellas (no chocan); no cambian de tamaño, forma o densidad. Este tipo de sedimentación se produce de una forma única en los desarenadores. En este caso la velocidad terminal de la partícula es:

(1) donde v es la velocidad terminal; g la aceleración de gravedad;

la densidad de la

partícula; la densidad del líquido; D el diámetro de la partícula y Cd el coeficiente de arrastre sobre la partícula. El coeficiente de arrastre se relaciona con las condiciones de flujo (mediante el número de Reynolds) pues puede ser resultado de las fuerzas viscosas o las inerciales. Así: Re < 1

Cd = 24/Re

Re > 1000

Cd = 0,4

1 < Re < 1000

Cd = 24/Re + 3/Re1/2 + 0,34

Para las condiciones de flujo Re < 1, Cd = 24/Re, recordando Re = ( Remplazando en (1) se obtiene:

(2),

* v* D) /

,

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que constituye la ecuación que representa la ley de Stokes, y permite dimensionar el tanque de sedimentación.

La velocidad de caída de las partículas, se referencia contra una tasa de carga v0 o tasa de rebalse definida por la ecuación (3)

(3) donde, Q es el flujo volumétrico a través del tanque, mientras que A es el área del mismo. Todas las partículas cuya velocidad de sedimentación, v, exceda v0 serán completamente removidas del caudal. Aquellas partículas cuya velocidad de sedimentación sea menor, serán parcialmente removidas en la razón de v/v0. En general, en un residuo industrial que exceda la norma legal de sólidos suspendidos se encontrará una diversidad de tamaños de partículas y el diseñador debe seleccionar aquella velocidad de diseño que permite remover sólidos en el grado necesario, o buscar medios para homogenizar un poco, por ejemplo, mediante desbaste o una filtración. La profundidad de un sedimentador, por otra parte, se debe obtener de otras consideraciones, asociadas a: 

Tiempo de residencia hidráulico que se puede sostener para el agua residual (por ejemplo, en algunos casos se podría producir putrefacción);



Costos de construcción (la profundidad significa costos); con la capacidad de retención del sólido separado (a mayor volumen de estanque, mayor será la capacidad de retener el sedimento dentro del estanque, disminuyendo la frecuencia de retiro de ese material).

12.1.2. Sedimentación floculante. En ésta, los sólidos en suspensión se deben flocular, mediante una unión entre las partículas para que adquieran suficiente peso para sedimentar. Son sustancias mucho mas pequeñas que en el caso de sedimentación discreta La gran mayoría de los sólidos presentes en las aguas residuales caen dentro de este tipo de sedimentación, su carácter orgánico les da la posibilidad de adherirse entre sí, de esta forma la velocidad de sedimentación aumenta a medida que descienden Dada la naturaleza de las asociaciones entre partículas, no es posible calcular las velocidades de sedimentación con la ecuación de Stokes, y es necesario medirlas en un laboratorio.

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FIGURA No 20 MÉTODO PARA MEDIR VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN FLOCULANTE La medición se realiza en una columna estándar, de unos 15 cm de diámetro y unos 2,5 m de altura. La columna debe disponer, cada 50 cm, de salidas laterales para la toma de muestras a las que se les determina el contenido de sólidos suspendidos. La figura de la derecha contiene una reseña de este tipo de columnas (dimensiones en centímetros). En cada uno de los puntos de toma de muestras se colecta un pequeño volumen, a una frecuencia dada (cada 10 minutos, por ejemplo), durante unas 2 horas (si fuese necesario). A estas muestras se les determina el contenido de sólidos suspendidos, a fin de organizar los puntos en una gráfica (o para alimentar un modelo matemático, que es lo mismo). Los puntos de dicha gráfica permiten diseñar un conjunto de curvas suaves que muestran los porcentajes de remoción en cada punto de muestra en función del tiempo. Estas curvas suaves indican las velocidades de sedimentación (para diversos tamaños de flóculos que no se especifican) que se utilizan para diseño (es decir, en el diseño se debe elegir a que velocidad de rebalse operar para remover un porcentaje de sólidos proyectado Las tazas de rebalse pueden alcanzar valores entre 20 y 50 m 3/d/m2 (unidades que, de simplificar por m2, serían m/d; pero, se suelen usar en m3/d/m2 a fin de enfatizar que se trata de la razón de caudal volumétrico a área de sedimentación).

12.1.3. Sedimentación Zonal. En este tipo de sedimentación las partículas que precipitan interactúan entre sí, de tal forma que una porción de ellas lo hacen con otra porción, sedimentando en conjunto como una unidad o zona espacial.

Este tipo de sedimentación se produce generalmente en los tanques de decantación secundaria, posteriormente al tratamiento biológico, así como en los tanques de sedimentación de la precipitación química.

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12.1.4. Sedimentación por compresión. La comprensión implica la formación de una estructura de partículas sedimentadas que precipitan al comprimirse adquiriendo una mayor estructura. La compresión ocurre por el peso de las partículas que sedimentan desde la superficie hacia los lodos. Este tipo de sedimentación se produce poco en los tanques de tratamiento primario pero es más importante en los de sedimentación secundaria y en los de precipitación química. Conforme avanza la sedimentación, crece la densidad de sólidos en la parte inferior de la columna de líquido y este aumento de densidad dificulta la sedimentación. Además, en el fondo de la columna los sólidos se comprimen y forman una masa más bien espesa. No es fácil encontrar los anteriores fenómenos de precipitación completamente puros; suelen ocurrir algunos simultáneamente, como se evidencian en la figura 21. FIGURA No. 21 ESQUEMA DE LAS ZONAS DE SEDIMENTACIÓN PARA UN FANGO ACTIVADO.

Pr of u n d i da d

Zona de Agua clarificada

Zona sedimentación discreta (tipo 1)

Zona sedimentación discreta (tipo 2) Zona sedimentación Retardada (Tipo 3) Zona compresión (Tipo 4)

Tiempo Cilindro

LECCION 13. FLOTAClON La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida, mediante la introducción de pequeñas burbujas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del

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líquido. De esta forma, es posible llevar a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del líquido, de aquellas partículas con menor densidad como el caso de las de aceite. En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de los fangos biológicos La principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta. Una vez las partículas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante rascado superficial. La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales se limita, en la actualidad, al uso del aire como agente responsable del fenómeno. Las burbujas se añaden, o se induce su formación, mediante uno de los siguientes métodos: 1. Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de la presión a que está sometido el líquido (flotación por aire disuelto FAD). 2. Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación). 3. Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del vacío al líquido (flotación por vacío). En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento mediante la introducción de aditivos químicos.

13.1. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO FAD. En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230 kPa mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo a que el aire se disuelva, enseguida el líquido presurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de líquido. En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el 15 y el 20 %), el cual se presuriza, y se semisatura con aire. El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la flotación por aire disuelto se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.

13.2. FLOTACIÓN POR AIREACIÓN. En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireación directa durante

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cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que los sólidos floten. La instalación de tanques de aireación no suele estar recomendada para conseguir la flotación de las grasas, aceites y sólidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas.

13.3. FLOTACIÓN POR VACÍO. La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual (1) directamente en el tanque de aireación, o (2) permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de burbujas diminutas, las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden a la superficie formando una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia una zona central de fangos para su extracción por bombeo. En el caso de que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si el fango ha de ser digerido, es necesario separar la arena del fango en un clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.

LECCION 14. FILTRACION La filtración se emplea, de modo generalizado, para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión (incluida la DBO partículada) de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y químicos, y también se emplea para la eliminación del fósforo precipitado por vía química. La operación de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración (comúnmente llamada lavado a contracorriente). Mientras la descripción de los fenómenos que se producen durante la fase de filtración es, prácticamente, idéntica para todos los sistemas de filtración que se emplean para las aguas residuales, la fase de lavado es bastante diferente en función de sí el filtro es de funcionamiento continuo o semicontinuo. Tal como expresan sus nombres, en los filtros de funcionamiento semicontinuo la filtración y el lavado son fases que se dan una a continuación de la otra, mientras que en los filtros de funcionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea. En los filtros semicontinuos la filtración en la que se elimina la materia particulada, se lleva a cabo haciendo circular el agua través de un lecho granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza mediante un proceso en el que intervienen uno o más mecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y adsorción. El final del ciclo de filtrado (fase de filtración), se alcanza cuando empieza a aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable, o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la circulación a través del lecho filtrante. Idealmente, ambas circunstancias se producen simultáneamente. Una vez se ha

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alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fase de filtración, y se debe lavar el filtro a contracorriente para eliminar la materia (sólidos en suspensión) que se ha acumulado en el seno del lecho granular filtrante. Para ello, se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para fluidificar (expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho. Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele emplearse una combinación de agua y aire. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, el agua de lavado, que contiene los sólidos en suspensión que se eliminan en el proceso de filtración, se retorna a las instalaciones de sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico. 14.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE FILTRACIÓN. Los principales tipos de filtros de medio granular se clasifican atendiendo a: (1) tipo de funcionamiento; (2) tipo de medio filtrante empleado; (3) sentido de flujo durante la fase de filtración; (4) procedimiento de lavado a contracorriente (5) método de control del flujo.

14.1.1. Según Tipo de funcionamiento. En relación con el tipo de funcionamiento, los filtros se pueden clasificar en continuos y semicontinuos. Los filtros semicontinuos se mantienen en funcionamiento hasta que se empieza a deteriorar la calidad del efluente o hasta que se produce una pérdida de carga excesiva en el filtro .Cuando se alcanza este punto, se detiene el filtro y se procede a su lavado para eliminar los sólidos acumulados. En los filtros continuos, los procesos de filtración y lavado se llevan a cabo de manera simultánea.

14.1.2. Según el Sentido del flujo durante la filtración. Los principales tipos de filtros empleados para la filtración de efluentes de aguas residuales se pueden clasificar en filtros de flujo ascendente y filtros de flujo descendente. El más común es el filtro de flujo descendente.

14.1.3. Según Tipos de materiales filtrantes y configuración de los lechos filtrantes. Los principales tipos de configuración de los lechos filtrantes empleados actualmente para la filtración de aguas residuales se pueden clasificar en función del número de capas de material filtrante, lo cual da lugar a los filtros de una única capa, los de doble capa y los filtros multicapa. En filtros de flujo descendente convencionales, los tamaños de los granos de cada capa se distribuyen, de menor a mayor, después del lavado a contracorriente. En los filtros que cuentan con más de una capa, el grado en que se mezclan los materiales de las diferentes capas depende de la densidad y de la diferencia de tamaños entre los granos del material que compone cada una de las capas.

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Los lechos filtrantes de doble y triple capa, así como los de capa única profundos, se desarrollaron para permitir que los sólidos en suspensión presentes en el líquido a filtrar puedan penetrar a mayor profundidad dentro del lecho filtrante, con lo cual se aprovecha más la capacidad de almacenamiento de sólidos dentro del filtro. En cambio, en los filtros de capa única poco profundos, se ha podido comprobar que gran parte de la eliminación de sólidos en suspensión se produce en los primeros milímetros de la capa filtrante. El hecho de que los sólidos penetren a mayor profundidad, también permite ciclos de filtración más largos, puesto que se reduce el ritmo de aumento de las pérdidas de carga producidas 14.1.4. Según Presión actuante en la filtración. Tanto la fuerza de la gravedad, como la creada por una presión aplicada, se pueden emplear para vencer la resistencia por fricción creada por el flujo que circula a través del lecho filtrante. Los filtros de gravedad del tipo indicado son los más comúnmente empleados en la filtración de efluentes tratados en plantas de tratamiento de gran tamaño. Los filtros a presión funcionan igual que los de gravedad y se emplean en plantas pequeñas .La única diferencia entre ambos consiste en que, en los filtros a presión, la operación de filtrado se lleva a cabo en un depósito cerrado, bajo condiciones de presión conseguidas mediante bombeo. Los filtros a presión suelen funcionar con mayores pérdidas de carga máximas admisibles, lo cual conduce a ciclos de filtración más largos y a menores necesidades de lavado. 14.1.5. Según variaciones de caudal: Se dividen en filtración a caudal constante y a caudal variable.  Filtración a caudal constante. En el proceso de filtración a caudal constante el control del caudal de entrada se realiza mediante vertederos o bombeo, mientras que el control del caudal efluente se lleva a cabo mediante la instalación de una válvula de accionamiento manual o automático. Al inicio del ciclo, gran parte de la fuerza actuante disponible se disipa en la válvula, que se encuentra casi cerrada. Al irse incrementando la pérdida de carga en el paso por el filtro, la válvula se va abriendo progresivamente. Dado que las válvulas de control necesarias son elementos caros y que se han producido diversos problemas de funcionamiento con estos elementos, se han desarrollado sistemas alternativos de control del caudal cuyo uso está más extendido, como los vertederos y los sistemas de bombeo  Filtración a caudal variable. En el proceso de filtración a caudal variable, el caudal que pasa a través del filtro va disminuyendo conforme aumenta la pérdida de carga. El control del caudal que circula por el filtro también se puede llevar a cabo, tanto a la entrada del filtro como a la salida. Cuando el caudal alcanza el valor del caudal mínimo de proyecto, se detiene el filtro y se procede a su lavado.

14.2. VARIABLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN. En la aplicación de la filtración para la eliminación de sólidos en suspensión remanentes, se ha comprobado que las variables más importantes del proceso de diseño son, la naturaleza de las partículas presentes en el agua a filtrar, el tamaño del material o materiales que componen el filtro, y el caudal de filtración.

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14.2.1. Características del agua a filtrar. Las características más importantes del agua a filtrar son la concentración de sólidos en suspensión, el tamaño y la distribución de tamaños de las partículas, y la consistencia de los flóculos. Generalmente, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente de plantas de fangos activados y de filtros percoladores varía entre 6 y 30 mg/L. Debido a que esta concentración suele ser el parámetro de mayor interés, para el control práctico del proceso de filtrado se suele emplear el valor de la turbidez. Se ha podido comprobar que, dentro de ciertos límites, existe una correlación entre la concentración de sólidos en suspensión en las aguas residuales tratadas y los valores medidos de la turbidez. 14.2.2. Características del medio filtrante. La característica del medio filtrante que más afecta al proceso de filtración es el tamaño del grano. El tamaño del grano afecta tanto a la pérdida de carga en la circulación del agua a través del filtro como a la tasa de variación de dicho aumento durante el ciclo de filtración .Si el tamaño de grano efectivo del medio filtrante es demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se empleará para vencer la resistencia de fricción provocada por el lecho filtrante, mientras que si el tamaño efectivo es demasiado grande, muchas de las partículas de menor tamaño presentes en el agua a filtrar pasarán directamente a través del filtro sin ser eliminadas. 14.2.3. Velocidad de filtración. La velocidad de filtración es un parámetro importante por cuanto afecta a la superficie necesaria del filtro. Para una aplicación dada del filtro, la velocidad de filtración dependerá de la consistencia de los flóculos y del tamaño medio de grano del lecho filtrante. Por ejemplo, si los flóculos son de débil consistencia, las velocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran parte de los mismos a través del filtro. Se ha observado que las velocidades de filtración dentro del intervalo de 4,8 a 19,2 m3 /m2. h, no afectan la calidad del efluente del filtro, debido a la propia resistencia del floculo biológico. 14.2.4. Mecanismos de eliminación de las partículas. Los principales mecanismos de eliminación y retención de partículas se resumen a continuación: TABLA No. 13 MECANISMOS DE ELIMINACIÓN Y RETENCIÓN DE PARTÍCULAS MECANISMO

DESCRIPCION

RETENCION

Las partículas de mayor tamaño que el poro del medio son retenidas mecánicamente

MECANICA

CONTACTO ALEATORIO

Las partículas de tamaño menor que los poros del medio filtrante quedan atrapadas dentro del filtro por contacto aleatorio

SEDIMENTACIÓN

Las partículas sedimentan sobre el medio filtrante

IMPACTO

Las partículas pesadas no seguirán las líneas de corriente del medio filtrante

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INTERCEPCIÓN

Muchas de las partículas que se mueven según las líneas de corriente se eliminan cuando entran en contacto con la superficie del medio filtrante

ADHESION

Las partículas floculentas llegan a adherirse a la superficie del medio filtrante al pasar por el. Dada la fuerza creada por el agua que fluye, parte de la materia es arrastrada antes de quedar firmemente adherida y es transportada a zonas mas profundas dentro del lecho. Al obturarse el lecho, la fuerza de arrastre superficial aumenta hasta un punto en el que no se puede eliminar mas materia. Es posible que una cierta cantidad de material atraviese el fondo del filtro, causando la aparición de turbidez en el efluente.

ADSORCIÓN

Una vez una partícula ha entrado en contacto con la superficie del medio filtrante o con otras partículas, estas pueden ser adsorbidas por fuerzas químicas, electrostáticas, electrocinéticas.

FLOCULACION

Las partículas mayores alcanzan a las menores, se juntan con ellas y forman partículas de tamaños aún mayores. Estas partículas son posteriormente separadas por algunos de los mecanismos de eliminación indicados anteriormente.

CRECIMIENTO BIOLOGICO

El crecimiento biológico dentro del filtro reducirá el volumen del poro y puede mejorar la eliminación de partículas mediante alguno de los mecanismos de eliminación antes mencionados.

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Agua Residuales. Tomo 1, México 1996. Pág. 298. LECCION 15 TRANSFERENCIA DE GASES - AIREACION Otro de los procesos importantes es la transferencia de gases; ésta se puede definir como el fenómeno mediante el cual se transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase gaseosa a la líquida. Es una componente esencial de gran número de los procesos de tratamiento del agua residual. Por ejemplo, el funcionamiento de los procesos aerobios, tales como la filtración biológica, los fangos activados y la digestión aerobia, depende de la disponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. Para alcanzar los objetivos de desinfección se transfiere cloro en forma gaseosa a una disolución en agua. Es frecuente añadir oxígeno al efluente tratado después de la cloración (postaireación). Uno de los procesos de eliminación de los compuestos del nitrógeno consiste en la conversión del nitrógeno en amoníaco y la posterior transferencia del amoníaco al aire

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A continuación se presentan los conceptos fundamentales de transferencia de gas desde la fase vapor a la fase disolución, estos aplican a un gran número de procesos fisicoquímicos, y biológicos: El proceso de la disolución de un gas en el agua se trata generalmente como una transferencia de materia que ocurre en cuatro pasos: El primero implica el paso del gas a través de la fase vapor hacia la interfase gas- liquido. El segundo corresponde a el paso del gas a través del vapor que forma la interfase gas- liquido, el tercero es la transferencia a través de la película liquida situado en el liquido de la interfase, en el cuarto el gas debe dispersarse en la masa principal de la solución. En la figura 22 se esquematiza este proceso.

FIGURA No. 22

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA TRANSFERENCIA DEL OXIGENO EN CUATRO PASOS DESDE LA FASE VAPOR A LA FASE SOLUCIÓN. CONCENTRACION DE OXIGENO o

FASE VAPOR

PELICULA GAS

p

PELICULA LIQU

c FASE SOLUCION

x

c

Desde luego estos cuatro pasos se dan a velocidad diferente, por tanto la velocidad de transferencia estará controlada por el paso mas lento así: Cuando la masa principal de la disolución en la cual el gas se esta disolviendo esta suficientemente agitada, la etapa que controla la velocidad en el proceso de transferencia global será posiblemente el paso del gas a través de la interfase gas-liquido, lo contrario ocurre si las condiciones son de estanqueidad o muy poco agitados, en este caso el controlador de velocidad será el paso de gas a la solución. La aplicación más común de la transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno, acá se relacionan diversas operaciones en las cuales se requiere:

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1. Durante un corto tiempo como pretratamiento para aumentar la eficacia de los tratamientos posteriores como oxidación biológica y sedimentación. La preaireación es particularmente útil en caso que el agua de entrada carezca de oxigeno disuelto y exista elevada concentración de sulfuros disueltos. 2. La flotación con aire es otra aplicación, y se usa para eliminar grasa, sólidos y concentrar fangos. 3. En los procesos de tratamiento biológico el aire se utiliza con dos fines: primero suministrar el oxigeno metabólico necesario en el tratamiento de los organismos, y segundo procurar mezclado dentro de las cámaras. Algún tipo de aireación forzada se utiliza para tanques de aireación de fangos activados, lagunas de aireación y en fosas de oxidación, con estos propósitos. El aire es una mezcla de gases, compuesto principalmente por nitrógeno (79 %) y oxigeno (21 %) con menores porcentajes de anhídrido carbónico, agua y gases nobles. La solubilidad del mismo en el agua se puede definir por la ley de Henry, la cual establece que para soluciones diluidas en equilibrio, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas en equilibrio con la solución. Matemáticamente se expresa: Pi = K” * Xi; Pi = Presión parcial del gas. Xi = Fracción molar del gas disuelto en el Líquido. K” = es la constante de proporcionalidad, depende de la naturaleza del temperatura.

gas y la

La ley de Henry solo se cumple para soluciones diluidas, y su aplicación se extiende a gas como O2, N2, H2 y He en agua. Es más común expresar la solubilidad de un gas en un líquido, en función de la concentración en mol/L, en este caso la ley de Henry se puede escribir como: S = K h * P i, Donde S es la concentración del gas en la solución, Pi la presión parcial del gas y Kh, la constante de proporcionalidad o coeficiente de absorción. La solubilidad es función de la presión parcial del gas presente en la atmósfera que esta en contacto con el agua, de la temperatura del agua y de la concentración de impurezas. La solubilidad de un gas disminuye al aumentar la temperatura y la concentración de impurezas iónicas. La tabla No. 14 se ilustra el efecto de la temperatura sobre la solubilidad, los coeficientes de absorción Kh, de los diferentes componentes del aire.

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TABLA No. 14 SOLUBILIDADES DE GASES EN EL AGUA PARA DIFERENTES TEMPERATURAS Temperatura Coeficiente de absorción (ml/L) b °C °F Aire Oxigeno Nitrógeno Dióxido de carbono 0 32 29,2 48,9 23,5 1713 5 41 25,7 42,9 20,9 1424 10 50 22,8 38,0 18,6 1194 15 59 20,6 34,2 16,9 1019 20 68 18,7 31,0 15,5 878 25 77 17,1 28,3 14,3 759 30 86 15,6 26,1 13,4 665 35 95 24,4 12,6 592 40 104 23,1 11,8 530 a Handbook of Chemistry and Physics b Sin dióxido de carbono y amoníaco Fuente: Walter J. Weber. Control de la Calidad del Agua. Procesos fisicoquímicos. Pág. 527 Dada la reducida solubilidad del oxígeno y por tanto la baja velocidad de transferencia, en muchas ocasiones la cantidad de oxígeno que penetra en el agua a través de la interfase aire-superficie del líquido no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio, es preciso generar condiciones adicionales para aumentar la transferencia de oxigeno, inyectando burbujas de oxígeno puro, o atomizando el agua permitiendo mayor área de contacto entre aire – agua. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, la aireación se lleva a cabo mediante la dispersión de burbujas sumergidas a profundidades de hasta 10 m. En algunos diseños se han llegado a introducir las burbujas a profundidades superiores a los 30 m. Los diferentes sistemas de aireación incluyen placas y tubos porosos, tubos perforados, y diferentes configuraciones de difusores metálicos y de plástico. También se pueden emplear aparatos de cizalladura hidráulica, que rompen las burbujas en burbujas de menor tamaño al hacer circular el fluido a través de un orificio. Los mezcladores de turbina se pueden emplear para dispersar burbujas de aire introducidas en el tanque bajo el centro del elemento impulsor. Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes cantidades de oxígeno, consisten en turbinas de alta o de baja velocidad o en unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del líquido parcialmente sumergidas. Estos aireadores se proyectan, tanto para mezclar el contenido del tanque, como para exponer el líquido a la acción de la atmósfera en forma de pequeñas gotas. En la tabla 15 se relacionan estos sistemas:

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TABLA No. 15 TIPOS DE AIREADORES Clasificación Sumergido Poroso Finas)

Descripción

Uso o aplicación

Burbujas Generadas por tubos y placas Todos los procesos de (burbujas de cerámica porosos, fabricados con fango activado productos cerámicos vitrificados y resinas

Poroso (burbujas Burbujas generadas con membranas Todos los procesos de Medianas) elásticas o tubos de plástico perforados fango activado No poroso (burbujas Burbujas generadas gruesas) inyectores y toberas

con

orificios Todos los procesos de fango activado

Mezclador estático

Tubos cortos con deflectores interiores Laguna de aireación y diseñados para retener el aire inyectado procesos de fango por la parte inferior del tubo en contacto activado con el agua.

Turbina sumergida

Consiste en una turbina de baja Todos los procesos de velocidad y sistema de inyección de aire fango activado comprimido

Tobera a chorro

Aire comprimido inyectado en el liquido Todos los procesos de mezcla al ser bombeado bajo presión a fango activado través de una tobera

Turbina de velocidad

baja Turbina de gran diámetro utilizada para Laguna de aireación y promover la exposición de las gotas de procesos de fango liquido a la atmósfera activado

Aireador flotante de Hélice de pequeño diámetro que se usa Lagunas aireadas alta velocidad para promover la exposición de las gotas de agua a la atmósfera Aireador de horizontal

Cascada

rotor Las paletas montadas sobre un eje Zanja de oxidación central giran en el seno líquido. El canales de aireación y oxigeno se introduce en un liquido por la lagunas aireadas acción de salpicadura creada por las paletas y por la exposición de las gotas del liquido a la atmósfera El agua residual fluye por encima de Post-aireación una lámina, en cascada a baja altura.

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 316

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15.1. COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN

La Coagulación consiste en la desestabilización de las partículas coloidales, empleando productos químicos (coagulantes) que neutralizan la carga eléctrica de los coloides; la Floculación consiste en la agrupación de las partículas coloidales desestabilizadas, formando agregados de mayor tamaño denominados “flóculos”, los cuales sedimentan por gravedad. Para favorecer la formación de flóculos más voluminosos y mejorar su sedimentación, se suelen utilizar determinados productos químicos (floculantes), generalmente de naturaleza polimérica. Estos floculantes establecen puentes de unión entre los flóculos inicialmente formados. La coagulación es un proceso químico mientras la floculación es una operación unitaria. Los principales compuestos químicos usados como coagulantes se relacionan en la tabla No. 16

TABLA No. 16 PRODUCTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL Producto químico

Fórmula

Sulfato de alúmina

Al2(S04)3 18H2O Al2(S04)3. l4H2O

Cloruro férrico

FeCI3

Sulfato férrico

Fe2(S04)3 Fe2(S0)3 3H20

Sulfato ferroso (caparrosa)

FeS04. 7 H20

Cal

Ca(OH)2

Fuente: Metcalf & Eddy Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 346.

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 Sulfato de alúmina. Sí el agua contiene alcalinidad en forma de bicarbonatos de calcio o magnesio la reacción es la siguiente:

Al2(S04)3. 18 H20 + 3 Ca(HCO3)2

3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 +

6 CO2 + 18 H20

El hidróxido de aluminio insoluble es un floculo gelatinoso que sedimenta lentamente en el agua residual, arrastrando materia suspendida. 



Cal. Las reacciones son las siguientes:

Ca(OH)2

+ H2C03

Ca(OH)2

+

CaCO3

Ca(HCO3)2

+

2 CaCO3 +

2 H2O 2 H20

Sulfato de hierro y cal.

La reacción del sulfato en ausencia de cal es:

FeSO4 .7 H2O +

Ca(HCO3)2

Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7 H2O

Si es agregada cal en forma de hidróxido:

Fe(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2

Fe(OH)2 +

2 CaCO3 + 7H20

Posteriormente ocurre una oxidación del hierro gracias al oxigeno disuelto en el agua:

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Fe(OH)2 + O2

4 Fe(OH)2 + 2H20

El hidróxido férrico es insoluble, forma un floculo que precipita. 



Cloruro de hierro:

FeCI3 + 3H20

Fe(OH)3 + 3H+ + 3 Cl-

3H+ + 3HCO3-

3H2CO3

Cloruro de hierro y cal

2 FeCI3 + 3 Ca(OH)2

3 CaCl2 +

2Fe(OH)3

Lo anterior permite concluir que la precipitación química es una consecuencia de los procesos de floculación y coagulación, busca la eliminación de la materia en suspensión o floculos, es básicamente una operación de sedimentación floculenta. El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de productos químicos que se añade como del nivel de control de los procesos. Mediante precipitación química, es posible conseguir efluentes clarificados básicamente libres de materia en suspensión o en estado coloidal y se puede llegar a eliminar del 80 al 90 % de la materia total suspendida, entre el 40 y el 70 % de la DBO5, del 30 al 60 % de la DQO y entre el 80 y el 90 % de las bacterias. Estas cifras contrastan con los rendimientos de eliminación de los procesos de sedimentación simple, en los que la eliminación de la materia suspendida sólo alcanza valores del 50 al 70 % y en la eliminación de la materia orgánica sólo se consigue entre el 30 y el 40 %. La eficiencia de los procesos de coagulación floculación y precipitación dependen en gran medida de las condiciones de reacción, y la facilidad de contacto entre reactivos, esto se logra mediante un buen mezclado, siendo esta otra operación de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales.

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15.2. MEZCLADO La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las aguas residuales puede clasificarse en mezcla rápida (30 segundos o menos) y mezcla continua. La primera suele emplearse la coagulación para producir la precipitación química (reacción del coagulante con las impurezas del agua), mientras que el segundo tipo de mezclado se aplica en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del reactor o del depósito. En los siguientes apartados se analiza cada uno de estos tipos de mezclado. 15.2.1. Mezcla rápida de productos químicos. En el proceso de mezcla rápida, el principal objetivo consiste en homogenizar completamente una sustancia con otra. Puede durar desde una fracción de segundo hasta 30 segundos, mediante el uso de diversos sistemas, entre ellos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Resaltos hidráulicos en canales Dispositivos Venturi Conducciones Por bombeo Mediante mezcladores estáticos Mediante mezcladores mecánicos

En los cuatro primeros, el mezclado se consigue como consecuencia de las turbulencias que se crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, se producen como consecuencia de la disipación de energía, mientras que en los mezcladores mecánicos se consiguen mediante la aportación de energía con impulsores giratorios como las paletas, hélices y turbinas. 15.2.2. Mezcla continua en reactores y tanques de retención. En el proceso de mezcla continua, el principal objetivo consiste en mantener en un estado de suspensión total dentro del tanque de retención. El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante sistemas como: 1. 2. 3. 4.

Los mezcladores mecánicos Mecanismos neumáticos Mezcladores estáticos Por bombeo.

Entre los mas usados están: canales con pantallas deflectoras, agitadores de paletas, estos giran lentamente puesto que tienen una superficie grande de acción sobre el fluido. Los agitadores de paletas se emplean como elementos de floculación cuando se añaden al agua residual, o a los fangos, coagulantes como el sulfato férrico o de aluminio, o adyuvantes a la coagulación como los polielectrolitos y la cal. La coagulación se promueve, mecánicamente, con una agitación moderada con palas girando a velocidades bajas. Esta acción se complementa, en ocasiones, con la disposición de unas hojas o láminas estáticas entre las palas giratorias para reducir el movimiento circular de la masa de agua y favorecer así el mezclado. El aumento del contacto entre partículas permiten incrementar el tamaño del floculo, pero una agitación demasiado vigorosa puede producir tensiones que destruyan los flóculos formando partículas de menor tamaño. Es importante controlar adecuadamente la agitación, de modo que los tamaños de los

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flóculos sean los adecuados y sedimenten rápidamente, requiriendo generalmente de un tiempo de retención entre 10 y 30 minutos. Los fabricantes de equipos han llevado a cabo numerosos estudios para obtener las configuraciones idóneas de las dimensiones de las paletas, separación entre ellas y velocidad de rotación. Se ha podido constatar que una velocidad lineal de aproximadamente, 0,6 a 0,9 m/s en los extremos de las paletas crea suficiente turbulencia sin romper los flóculos. AUTOEVALUACION 3 1. En la siguiente tabla se encuentran diferentes operaciones y procesos unitarios, usted deberá hacer una pequeña descripción, y clasificarlo como operación o proceso en la siguiente columna; inicialmente no emplee ninguna ayuda bibliográfica, compare con su equipo de trabajo sus respuestas y con ayuda del tutor revise y complemente la actividad. NOMBRE FILTRACION SEDIMENTACION COAGULACION NEUTRALIZACION HOMOGENIZACION RESPIRACION CRIBADO COMBUSTION INOCULACION DESBASTE OZONIZACION FERMENTACION MEZCLADO FLOCULACION FLOTACION TAMIZADO CLORACION NITRIFICACION ADSORCION ABSORCION EVAPORACION OXIDACION EUTROFIZACION

DESCRIPCION

CLASIFICACION (OPERACIÓN O PROCESO)

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2. Con ayuda de consulta bibliográfica (textos de fisicoquímica, Internet), en pequeños grupos colaborativos diligencie el siguiente cuadro: OPERACION

PRINCIPIO DE CRITERIOS DE EJEMPLO DE APLICACIÓN OPERACION DISEÑO

SEDIMENTACION FLOTACION FLOCULACION FILTRACION Preséntelo a su tutor para evaluación y retroalimentación. Es importante anotar las fuentes bibliográficas en el documento.

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UNIDAD DOS : TRATAMIENTO SECUNDARIO Y TERCIARIO DEL AGUA RESIDUAL

CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESDUAL CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO CAPITULO 3. TRATAMIENTO TERCIARIO

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CAPITULO I : TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION La comprensión y aplicación de los procesos biológicos al tratamiento de aguas residuales, requiere conocer los principios y fundamentos que nos ofrecen la bioquímica y la biotecnología, en este capitulo solo se esbozarán algunas generalidades por lo cual usted deberá reforzar estos conceptos en los módulos respectivos. El objetivo principal del tratamiento biológico del agua residual es la eliminación de materia orgánica así como de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, mediante la acción de diferentes microorganismos presentes en el agua, principalmente bacterias y hongos. Para facilitar el estudio, éste capítulo se ha dividido en tres secciones: 1. Características de los principales microorganismos presentes en el agua residual. 2. Metabolismo microbiano: Digestión aerobia 3. Metabolismo microbiano: Digestión anaerobia.

OBJETIVOS GENERAL Comprender y explicar la forma en que los microorganismos presentes en el agua residual degradan la materia orgánica. Describir y aplicar las diferentes operaciones relacionadas con los procesos biológicos utilizados en el tratamiento de aguas residuales.

ESPECIFICOS     

Caracterizar los principales microorganismos presentes en el agua residual. Describir los procesos metabólicos de los microorganismos. Identificar las diferencias entre procesos aerobios y anaerobios. Identificar las diferentes reacciones, productos de la descomposición biológica Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleando procesos biológicos.  Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías.  Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos.

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LECCION 16. MICROORGANISMOS PRESENTES EN EL AGUA RESIDUAL. Los seres vivos se dividen en tres reinos: animal, vegetal y protisto, este último es el de nuestro interés. Ver Tabla No.17, a su vez el reino protisto contiene micro-organismos subdivididos en: Procariótidos o micro-organismos unicelulares sin verdadero núcleo, comprenden las bacterias y las algas verde-azules y los eucarióticos o micro-organismos de células con “verdadero” núcleo, como son las algas, los hongos y los protozoos. TABLA No. 17 GRUPO EUCARIOTAS

EUBACTERIAS

CLASIFICACIONES DE LOS ORGANISMOS ESTRUCTURA CARACTERISTICAS CELULAR EUCARIOTICA Multicelulares con (Contiene núcleo diferenciación amplia de verdadero encerrado células y tejido. dentro de una Unicelulares o membrana nuclear) miceliales con poca o ninguna diferenciación PROCARIOTICA de tejido. (Sin membrana Química celular similar nuclear) a los eucariotas.

ARQUEBACTERIAS

MIEMBROS REPRESENTATIVOS Plantas Animales Protistas (algas, hongos, protozoos).

Bacterias

PROCARIOTICA (Sin membrana Química nuclear) característica.

celular Metanógenas Halófilas Termacidófilas Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 189. Desde el punto de vista del modo de obtención de energía para las reacciones metabólicas y la síntesis de nuevo material celular, los organismos vivos se dividen en autótrofos y heterótrofos. Los organismos autótrofos obtienen su energía directamente de la luz solar o por reacciones inorgánicas. Los organismos autótrofos tienen la propiedad de convertir compuestos inorgánicos oxidados en compuestos orgánicos que almacenan la energía de la luz solar o de las reacciones de oxido-reducción en enlaces químicos de alta energía. El CO2 es para ellos, la fuente del carbono orgánico y en general, de toda la biomasa existente en la tierra. Así mismo son los que fijan la energía solar e inician el ciclo de transmisión de energía a través de la cadena alimentaría o cadena trófica, que da vida al resto de organismos. Los organismos heterótrofos sólo pueden obtener energía a través de la oxidación de materia orgánica, es decir, requieren compuestos sintetizados por organismos autótrofos. Estos organismos obtienen el carbono orgánico de compuestos orgánicos al degradarlos obtienen la energía para sobrevivir. Los micro-organismos, tanto eucarióticos como procarióticos, pueden obtener energía de manera autótrofa o heterótrofa como sus diferencias taxonómicas son mas importantes que

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el modo de alimentación, no se pueden clasificar como animales o vegetales sino en el reino protisto. En el agua residual se encuentran diferentes tipos de microorganismos, bacterias, hongos, algas, protozoos, siendo las bacterias las que en mayor porcentaje actúan y degradan la materia orgánica. 16.1. BACTERIAS 16.1.1. Características Generales. Las bacterias son organismos procariotas unicelulares, de forma esférica, cilíndrica o helicoidal. Las esféricas pueden estar individualmente (cocos), por pares (diplococos) o formando cadenas (estreptococos) y ramilletes (estafilococos). Las cilíndricas pueden venir individualmente (bacilos) o en cadenas (estreptobacilos); las espirales (espirilos) se mantienen desunidas de otras compañeras generalmente. En general, las bacterias tienen una membrana celular (citoplasma) y contiene una suspensión coloidal de proteínas, carbohidratos, y otros compuestos orgánicos. La concentración interna de sales del citoplasma es mucho mayor que la del medio que la rodea, esto hace que la presión osmótica hacia el exterior sea grande, por lo cual son necesarias la pared celular y la cápsula para conservar la forma. Dentro del citoplasma se encuentran los ribosomas, cuerpos que contienen ácido ribonucléico ARN, parte principal de la maquinaria de síntesis de proteínas. También en su interior se encuentra la zona del núcleo, no completamente definida, y muy rica en ácido desoxiribonucléico ADN. El ADN contiene toda la información genética para la reproducción y se considera como la clave fundamental de la vida. Las bacterias están compuestas en un 75-80% de H2O y un 20% de material seco, del cual el 80-90% es orgánico y el resto inorgánico. La composición química aproximada es C 5H7 NO2, lo que significa que aproximadamente la mitad de la parte orgánica es carbono. Los compuestos inorgánicos principales son: P2O5, SO3, Na2O , CaO , MgO , K2O y Fe2O3 El medio ambiente de las bacterias es muy importante para su supervivencia. El pH debe estar preferiblemente entre 6,5 y 7,5. La temperatura puede fluctuar entre -2°C y 75°C de acuerdo con la subdivisión mostrada en la Tabla No. 18, según el rango de temperatura para la supervivencia. Las tasas de reacción metabólicas, en general, se duplican con un incremento de 10°C dentro de los rangos presentados. TABLA No. 18 Rangos típicos de temperatura para las bacterias TIPO DE BACTERIA RANGO DE TEMPERATURA (°C) GENERAL OPTIMO Criofílicas 2 – 20 12 – 18 Mesofílicas 20 – 45 25 – 40 Termofílicas 45 – 75 55 – 65 Fuente: OROZCO JARAMILLO, Alvaro. Tratamiento Biológico de las Aguas Residuales. Universidad de Antioquia. Pág. 183

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Las bacterias son principalmente heterótrofas, o también autótrofas. Las más comunes entre las autótrofas son quimiosintéticas, pero algunas son fotosintéticas (bacteria Púrpura del Azufre y la bacteria Verde del Azufre). 16.1.2. Crecimiento Bacteriano. El número de microorganismos presentes en el agua residual (principalmente bacterias), resulta fundamental en el porcentaje de remoción de materia orgánica, estos organismos requieren unas condiciones especiales para su reproducción y alimentación, como todo ser vivo nacen, crecen, se reproducen y mueren. Desde el punto de vista de población microbiana y disponibilidad de alimento se diferencian cuatro fases: figura 23 FIGURA No. 23 ETAPAS DEL DESARROLLO MICROBIANO

Fase de retardo

Numero relativo de microorganismos

Fase estacionaria

Fase de Muerte Fase de Crecimiento exponencial

Tiempo

1. Fase de Retardo: Tiempo requerido por las bacterias para aclimatarse al nuevo medio. 2. Fase de crecimiento exponencial: En esta fase existe una cantidad excesiva de alimento alrededor de los microorganismos, el único limitante en su crecimiento es su propia capacidad de metabolizar el alimento (substrato). 3. Fase Decreciente: La masa de bacterias disminuye como consecuencia de la limitada disponibilidad de alimento. 4. Fase endógena: Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propio protoplasma sin reposición del mismo debido a la escasez de alimento. En esta etapa los nutrientes que quedan en las células muertas se difunden proporcionando alimento a las células vivas.

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LECCION 17. OTROS TIPOS DE MICRO-ORGANISMOS Existen otros micro-organismos del reino protisto de interés para el Tratamiento de aguas residuales, las consideraciones generales en cuanto a composición celular, métodos de obtención de energía y respiración, etc., son bastante similares a las explicadas para las bacterias, pero otras características difieren fundamentalmente, por lo que conviene darles un vistazo por separado. Así: 17.1 HONGOS. Los hongos pueden ser considerados como microorganismos multicelulares y heterótrofos. La mayoría de los hongos son estrictamente aerobios y pueden tolerar ambientes de bajo pH, con rango general de 9,0 - 2,0 y un valor óptimo del pH de 5,6. Además son de bajos requerimientos de nitrógeno, por lo que pueden competir favorablemente con las bacterias en ambientes ácidos con bajo contenido de nutrientes. Tienden a crecer en formas filamentosas llamadas micelios, que se componen de unidades microscópicas llamadas hopas. No sedimentan bien y por ser filamentosos tienen una relación área de absorción a volumen de micro-organismos baja, aunque son eficientes para la remoción de materia orgánica. 17.2. ALGAS Son micro-organismos multi o unicelulares, autótrofos y fotosintéticos. Son indeseables para el suministro de agua potable, pero esenciales en los sistemas de tratamiento por lagunas de oxidación, para la producción de O2 que requerirán las bacterias en lagunas aerobias y facultativas.

LECCION 18. METABOLISMO MICROBIANO Las bacterias son las grandes responsables de la descomposición o estabilización de la materia orgánica, la cual es medida a través de la DBO y/o DQO. El metabolismo consiste en la utilización por parte de las bacterias, de la materia orgánica como fuente de energía y carbono para generar nueva biomasa. Cuando la materia orgánica es metabolizada, parte de ella es transformada químicamente a productos finales, en un proceso que es acompañado por la liberación de energía llamado “Catabolismo”. Otro proceso denominado “Anabolismo ó Síntesis” ocurre simultáneamente, donde parte de la materia orgánica se transforma en nuevo material celular (ver Figura 24).

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FIGURA

No.

24

REPRESENTACIÓN

BACTERIANO (VAN HAANDEL, 1994)

ESQUEMÁTICA

DEL

METABOLISMO

CELULAS NUEVAS

ANABOLISMO METABOLISMO CATABOLISMO

DECAIMIENTO BACTERIANO

MATERIA OGANICA PRODUCTOS + ENERGIA

ENERGIA PARA EL AMBIENTE

RESIDUO

El anabolismo es un proceso que consume energía y solamente es viable si el catabolismo está ocurriendo para proporcionarle la energía necesaria para la síntesis celular. Por otro lado, el catabolismo solo es posible si existe la presencia de una población bacteriana viva. El catabolismo se divide en dos procesos fundamentalmente diferentes: (1) Catabolismo Oxidativo y (2) Catabolismo Fermentativo. El catabolismo oxidativo es una reacción redox, donde la materia orgánica es el reductor que es oxidada por el oxígeno, nitrato o sulfato, pero si es el nitrógeno la reacción es anóxica. El catabolismo fermentativo se caracteriza por no haber presencia de un oxidante: el proceso resulta en un reordenamiento de los electrones de la molécula fermentada de un modo tal que se forman como mínimo dos productos. Generalmente son necesarias varias fermentaciones para que se formen productos estables. Para comprender mejor estos fenómenos recuerde, la sustancia que se oxida pierde un electrón, que debe ser recibido por el aceptor, que a su vez se reduce. Generalmente la materia orgánica cede el electrón a través de la cesión de hidrógeno, por lo cual el proceso de oxidación también se llama deshidrogenación. Cuando el aceptor de hidrógeno es oxígeno molecular, se dice que hay respiración aerobia, la cual es llevada a cabo por las bacterias aeróbicas. Por ejemplo en el proceso de nitrificación de NH3 por las nitrosomonas el O2 recibe H2 para formar H2O, como sigue:

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Nitrosomonas 2NH3 + 3O2

2HNO2 + 2H2O + energía

Cuando el aceptor de H2, no es oxígeno molecular, se dice que el proceso de oxidación es anaerobio y realizado por las bacterias anaerobias. Si no existe aceptor de H 2 externo, sino que un compuesto orgánico se divide en dos, uno más oxidado y otro más reducido, se dice que hay fermentación como en el caso de la glucólisis que se puede resumir como sigue:

C6H12O6



Glucosa

CH3CH2OH etanol

(Oxidación intermedia)

(producto reducido)

+

2CO2

+

dióxido de Carbono

57kcal energía

(producto oxidado)

Si hay un compuesto aceptor de hidrógeno, distinto del O2 se dice que hay respiración anaerobia, como en el caso de la desnitrificación: 6NO-3 + 5 CH3OH  5 CO2 + 3N2 + H2O El ión nitrato se comporta como un aceptor de hidrógenos. Las bacterias anaerobias llevan a cabo la fermentación y la respiración anaeróbica. Ciertas bacterias pueden sobrevivir en ambiente aerobio y anaerobio y entonces son llamadas bacterias facultativas. Este último tipo de bacterias es el más importante para el Tratamiento biológico, pues en él se desarrollan ambos ambientes sucesivamente, por lo que bacterias facultativas son las que prosperan principalmente.

LECCION 19. DIGESTIÓN AEROBIA En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como el catabolismo oxidativo requiere de la presencia de un oxidante de la materia orgánica, el cual no se encuentra en las aguas residuales, siendo suministrado. La forma más conveniente de hacerlo es disolviendo oxígeno del aire mediante la aireación mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO

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de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado. FIGURA No. 25 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA.

MATERIA ORGANICA

+

CO2 + H2O + microorganismos

O2 Microorganismos Aerobios

La composición química de la materia orgánica se puede expresar como (sustrato) por lo que se puede expresar la reacción de remoción así:

CxHyOzN

CxHyOzN + n O2  C5 H7 N O2 + CO2 + H2O Sustrato + oxígeno  micro-organismos Por las características de la materia orgánica, en el laboratorio esta es medida a través de sólidos suspendidos volátiles (SSV), si se considera la composición C 5 H7 N O2 se puede estimar la demanda de oxigeno estequiometricámente como sigue: C5 H7 N O2 + 5 O2

5CO2 + 2H2O + NH3

El factor gravimétrico correspondiente es: 5 x 32 g O2 g O2 ---------------- = 1,42 ------------------; 113 g SSV g SSV esto quiere decir que por cada gramo de sólidos suspendidos volátiles se requieren 1,14 gramos de oxígeno, por ello, para que el proceso se de en forma aerobia, es necesario el suministro continuo suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno, esto se puede hacer con agitadores o difusores (proceso de lodos activados). También puede ser llevado a cabo en reactores de medio fijo, efectuando aireación por contacto con el aire (filtros biológicos), el proceso microbiológico en sí es similar en todos los casos y puede ser explicado con los mismos fenómenos.

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19.1. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN AEROBIA  NITRIFICACION: El nitrógeno puede encontrarse en las aguas como nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos. En aguas residuales no tratadas la mayor parte del nitrógeno se encuentra como nitrógeno orgánico y como nitrógeno amoniacal. En aguas residuales tratadas básicamente aparece como nitrógeno amoniacal. FIGURA No. 26 TRASFORMACIONES DEL NITROGENO EN LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO Nitrógeno orgánico (proteínas y urea)

Descomposición Bacteriana e hidrólisis

Nitrógeno amoniacal

N I T R I F I C A C I Ó N

Nitrógeno orgánico (células bacterianas)

Nitrógeno orgánico (Crecimiento neto)

Lisis y autooxidación

O2

Nitrito (NO-2)

O2 Nitrato (NO-3)

Desnitrificación Nitrógeno gas (N2)

Carbono Orgánico dación

En la naturaleza, el nitrógeno amoniacal y el orgánico se transforman primero en nitritos y posteriormente en nitratos; estas reacciones se producen con consumo de oxígeno. Si el agua residual, antes o después de un tratamiento, se vierte al medio ambiente, con contenidos elevados de nitrógeno en forma orgánica, amoniacal o nitritos, existirá una fuerte

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demanda de oxigeno. En aguas residuales de este tipo el problema puede evitarse mediante la transformación de los distintos compuestos de nitrógeno en nitratos o eliminando el nitrógeno del agua. El sistema de nitrificación en cultivos en suspensión consiste en un tratamiento biológico mediante microorganismos (bacterias nitrificantes autótrofas aerobias), estos microorganismos están presentes en casi todos los procesos aerobios de tratamiento biológico, pero con un número limitado. El grado de nitrificación dependerá del mantenimiento de las condiciones adecuadas para el crecimiento de las bacterias nitrificantes; por ejemplo, en climas cálidos se consigue aumentando el tiempo de retención celular y el suministro de aire. El proceso de nitrificación depende principalmente de las siguientes variables: relación DBO/NKT (nitrógeno Kjeldahl total), concentración de oxigeno disuelto, temperatura y pH. La fracción de microorganismos nitrificantes depende de la relación de DBO/NKT, de tal forma que para valores comprendidos entre 1 y 3, la fracción de microorganismos nitrificantes se encuentra entre 0,210 y 0,083. Para relaciones de DBO/NKT mayores que 5, la fracción de microorganismos nitrificantes decrece a partir de un valor aproximado de 0,054, En la tabla No. 19 se relaciona.

TABLA No. 19 RELACIÓN ENTRE LA FRACCIÓN DE ORGANISMOS NITRIFICANTES Y LA RELACIÓN DE DBO/NKT DE LAS AGUAS RESIDUALES Relación Fracción de Relación Fracción de DBO/NKT

nitrificantes

DBO/NKT

nitrificantes

0,5

0,5

5

0,054

1,0

0,1

6

0,043

2,0

0,12

7

0,037

3,0

0,083

8

0,033

4,0

0,.064

9

0,029

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 2. 1996. Pág. 791.

El aumento de temperatura de los sistemas ejerce un efecto importante en el aumento de las tasas de nitrificación, de igual forma para un pH comprendido entre 7,2 y 9,0 se encuentra que la tasa de nitrificación es máxima, manteniendo las otras variables.

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LECCION 20. DIGESTIÓN ANAEROBIA La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y de CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.

FIGURA No. 27 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA

MATERIA ORGANICA

Microorganismos Anaerobios

CH4 + CO2 + Micr. + Biogas

En la reacción se puede apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, comparando el balance de DQO del tratamiento de la digestión aerobia y anaerobia (ver Figura 28 y 29), se observa la gran producción de lodos originados en la digestión aerobia (50%), respecto al 10 % de la anaerobia. Esto ocurre porque la digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso. En vista de que no hay oxidación, se tiene que la mayor parte de la DQO es convertida a metano (90 – 97 %), y una mínima parte en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido. FIGURA No 28 BALANCE ANAEROBIO DE LA MATERIA orgánica

BALANCE ANAEROBIO DE LA DQO

10%

LODO

DQO 90% CH4

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FIGURA No. 29 BALANCE AEROBIO DE LA MATERIA ORGANICA BALANCE AEROBIO DE LA DQO

50%

DQO

LODO

+O2 50% Calor

La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra cuatro pasos de transformación: 20.1. HIDRÓLISIS. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles (polisacáridos, proteínas y lípidos) en otros compuestos más sencillos y solubles en agua como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes, Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las etapas siguientes. 20.2. FERMENTACION ÁCIDA (ACIDOGENESIS). Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos, como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. 20.2.1. Acetagenesis. Los productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono 20.2.2 Metanogenesis. Una vez que se han formado ácidos orgánicos, y acetato, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte de la atmósfera.

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Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO 5 o DQO del medio. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales. Los productos finales de la degradación son:  Metano  Bióxido de Carbono  Ácido sulfhídrico  Agua De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias “formadoras de metano” son las más importantes para el proceso anaerobio. En la figura No. 30 se muestra el proceso.

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FIGURA No. 30 ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA MATERIA ORGANICA

PROTEINAS 21%

LIPIDOS

POLISACARIDOS 40%

39%

5%

HIDROLISIS

34%

AMINOACIDOS

ACIDOS GRASOS

AZUCARES

66%

34%

20%

8%

12% 35% PROPIONATO, BUTIRATO

ACIDOGENESIS ACETOGENESIS 11% 11%

23% ACETOGENESIS 8%

12%

35%

11% 11%

23%

ACETATO

H2 + CO2

70% 70%

30%

30%

METANOGENESIS METANOGENESIS

CH4

Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica: 1. Según la Figura 30 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánica afluente es convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición necesaria para obtener una óptima remoción de la materia orgánica en un sistema anaerobio, es que la metanogénesis se desarrolle eficientemente. 2. La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos grasos volátiles (AGVs) y otros productos intermedios, mientras que la metanogénesis solo se desarrolla cuando el pH esta cercano al neutro, por lo tanto, si por alguna razón la tasa de remoción de AGVs a través de la metanogénesis no acompaña a la tasa de producción de AGVs, puede surgir una situación de inestabilidad que baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias metanogénicas. Esta Acidificación del

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sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios. Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentación ácida y la fermentación metanogénica, manteniendo una alta capacidad metanogénica y buena capacidad buffer en el sistema. En la Tabla 20, se consignan las principales reacciones: TABLA No. 20. REACCIONES BIOQUÍMICAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LA MATERIA ORGÁNICA TIPO DE REACCIÓN ECUACIÓN Fermentación de glucosa a Acetato Glucosa + 4H2O  CH3COO- + 4H+ + 4H2 Fermentación de glucosa a Butirato Glucosa + 2H2O  C4H7O2 + 2HCO3- + 3H+ + 2H2 Fermentación del butirato a acetato e H2 Butirato + 2H2O  2CH3COO- + H+ + H2 Fermentación del propionato a acetato Propionato + 3H2  CH3COO- + HCO3- + H+ + H2 Acetogénesis a partir de H2 y CO2 HCO3- + H+ + H2  CH3COO- + 2H2O Metanogénesis a partir del CO2 e H2 HCO3-+ 4H2  4 + 3H2O Metanogénesis a partir del + Acetato Acetato + H2O  4 + HCO3 + H Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 240.

20.3. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. La digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para estabilizar lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, y en una menor proporción, pero con una tendencia de aumento significativo en aguas residuales proveniente de industrias de alimentos. Dentro de las aplicaciones se tiene:  Sulfato Reducción. El proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro de hidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulfo reductoras (BSR) es un proceso anaerobio de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales, en la figura No. 31 se muestra la reacción:

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FIGURA No. 31

MATERIA ORGANICA

REDUCCION BIOLOGICA DEL SULFATO

+ S04=

H2S + HCO3Bacterias Sulfo reductoras

Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, puede ocurrir que las bacterias utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar también compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los donadores de electrones más utilizados son H2, lactato, piruvato entre otros. En la figura 32 se muestran las diferentes etapas de la reducción.

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FIGURA NO. 32 SULFATO REDUCCIÓN EN LA DEGRADACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA

MATERIA ORGANICA PROTEINAS

POLISACARIDOS

LIPIDOS

HIDROLISIS SO42-

AMINOACIDOS

AZUCARES

ACIDOS GRASOS

S2INTERMEDIARIOS DE LA FERMENTACION Alcoholes, Lactato, Piruvato

SO42-

Bacterias Sulforeductoras ACIDOGENESIS

S2-

ACIDOS GRASOS VOLATILES Acetato, Propionato, Butirato

ACETOGENESIS

SO42-

CO2

BSR

H2

S2ACETATO

SO42SO42-

CO2

BSR

S2-

CO2

BSR S2-

CO2

CO2

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En general, durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, la sulfato reducción puede interferir con la metanogénesis, generando problemas como: 1. competencia entre las Bacterias sulfatoreductoras y las metanogénicas por sustratos comunes y la consecuente disminución en la producción de metano; 2. inhibición de varios grupos bacterianos por la presencia de H2S; 3. toxicidad generada por el H2S, malos olores y corrosión. A pesar de los problemas que ocasiona la sulfato reducción al interior de los reactores anaerobios, también presenta algunas ventajas: 1. contribuye a mantener un bajo potencial de óxido-reducción en el sistema; 2. constituye un método biotecnológico para la remoción de sulfato; 3. los complejos Metal-S2- tienen baja solubilidad, propiedad que puede ser utilizada para la precipitación de metales pesados como Co, Ni, Pb, y Zn.  Desnitrificación. Es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos a nitrógeno gaseoso.

FIGURA No. 33 REACCIÓN DE DESNITRIFICACIÓN

MATERIA ORGANICA + NO3-

N2 + CO2 Bacterias desnitrificantes

Las desnitrificación es utilizada en postratamientos de aguas residuales para remover nutrientes.  Bio Remediación. La digestión anaerobia puede ser utilizada para la biodegradación o biotransformación de contaminantes tóxicos. Comunidades de microorganismos en ambientes anaerobios, puede causar la oxidación de contaminantes a productos estables (CO2) o pueden causar la biotransformación de contaminantes a sustancias menos tóxicas. La bio remediación anaerobia puede ser utilizada en el tratamiento de efluentes industriales que contienen sustancias tóxicas, como es el caso de la industria del plástico, cuyas aguas residuales contienen altas concentraciones de terepthalato:

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FIGURA No. 34 ACCIÓN DE BACTERIAS ANAEROBIAS SOBRE EL TEREFTALATO Fermentación COO-

COO-

Acetogénesis

Metanogenesis

3 CH3COO-

3 CH4 + 3 HCO3-

HCO3-

HCO33 H2 COOTereftalato

Benzoato

3/4 CH4

Acetato e Hidrógeno

Metano

AUTOEVALUACION 4 Seleccione la opción correcta, una vez terminada la lectura del capítulo retome la auto evaluación, compare y saque sus propias conclusiones. 3. Los principales microorganismos responsables de la descomposición de la materia orgánica son: a. Hongos. b. Algas c. Bacterias d. Amebas 4.

La degradación de la materia orgánica se mide principalmente a través de : a. b. c. d.

pH. Oxígeno Disuelto. DBO. Sólidos suspendidos.

a. b. c. d.

Los productos de la digestión aerobia son: Metano y Oxígeno. Metano y agua. Dióxido de carbono y Oxigeno. Dióxido de carbono y agua.

e. f. g. h.

Los productos de la digestión anaerobia son: Metano y Oxígeno. Metano y agua. Dióxido de carbono y Oxigeno. Dióxido de carbono y agua.

5.

6.

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5.

El proceso de lodos activados es: a. b. c. d.

6.

Anóxico. Anaerobio. Facultativo. Anaerobio. Un producto de la nitrificación es :

a. b. c. d.

Nitritos. Nitratos. Amoníaco. Nitrógeno.

7. Un producto de la desnitrificación es: a Nitritos. b. Nitratos. c. Amoníaco. d. Nitrógeno. 8. NO es un sistema aerobio: a. b. c. d.

Biodiscos. UASB. Zanjones de oxidación. Filtro percolador

9. Los principales nutrientes de los microorganismos son: a. b. c. d.

Azufre y calcio Hierro y potasio. Potasio y calcio Nitrógeno y fósforo.

10. Es una tecnología de tratamiento biológico que no emplea lechos de soporte: a. Filtro percolador. b. Filtros anaerobios. c. Biodiscos. d. Lodos activados. 11 Una de las desventajas de los procesos anaerobios respecto a los procesos aerobios es: a. b. c. d.

Porcentaje de remoción baja. Operación compleja. Altos costos de tratamiento. Producción de lodos elevada.

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CAPITULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO.

INTRODUCCION Una vez comprendida la acción de los microorganismos, el siguiente paso es el desarrollo de las diferentes tecnologías, las cuales buscan aprovechar la población microbiana presente en el agua residual, es importante comprender criterios de diseño, las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías, los requerimientos energéticos, equipos, áreas y porcentajes de remoción obtenidos, estos conocimientos junto con una buena caracterización del agua residual permiten el diseño del sistema de tratamiento. Las tecnologías que se presentan a continuación se han dividido en tecnologías que emplean microorganismos aerobios y sistemas o tecnologías anaerobias, sin embargo las plantas de tratamiento de agua residual puede combinar procesos aerobios, anaerobios y anóxicos.

OBJETIVOS GENERAL Describir las diferentes tecnologías aplicadas par el tratamiento biológico del agua residual.

ESPECIFICOS  Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleando procesos biológicos.  Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías.  Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos.

LECCION 21. PROCESOS AEROBIOS 21.1. FANGOS O LODOS ACTIVADOS En este tratamiento las aguas a tratar se introducen en un reactor donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. En el reactor se produce la transformación de los nutrientes en tejido celular y diversos gases. La demanda de oxigeno se atiende mediante difusores o aireadores mecánicos. Las bacterias constituyen el grupo más importante de microorganismos en el proceso de lodos activados, siendo muy comunes la de los géneros Alcaligenes flavobacterium, bacillus y pseudonomas, otros microorganismos presentados son los hongos. La comunidad de los lodos activados es muy variable y depende de:

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1. 2. 3. 4. 5. 6.

Naturaleza del suministro alimenticio. Concentración del alimento Turbulencia Temperatura Tiempo de aireación Concentración de lodos

En la figura No. 35 se esquematiza el proceso de lodos activados

FIGURA No. 35 PROCESO DE LODOS ACTIVADOS OD

CO2

OD Nuevo crecimiento bacterial

Afluente agua residual

Materia Orgánica - bacteriana

Efluente

CO2 Nuevas células

Protozoos

Recirculación de material orgánico celular liberado en la muerte o lisis de células

Incorporación de residuos orgánicos en el floc biológico mediante síntesis bacterial y protozoos depredadores

Flor Biológico suspendido en el agua

Separación por gravedad

residual

Sedimentador

Tanque de aireación mezclado Flor biológico sedimentado recirculado al tanque de aireación

Las aguas residuales crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materia orgánica (DBO) como suministros alimenticios. Las bacterias metabolizan y producen residuos y nuevas bacterias utilizando oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse, Una porción del crecimiento bacteriano muere, liberando su contenido celular en la solución para una nueva síntesis de células microbiales. La mezcla liquida, aguas residuales con flock biológico en suspensión es separada en un sedimentador; se recircula flock sedimentado continuamente al tanque de aireación y se descarga el efluente clarificado. El sistema de lodos activados es un proceso estrictamente aerobio.

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Con la figura No. 36 se indica el esquema del flujo del proceso biológico convencional de lodos activados. FIGURA No. 36 ESQUEMA DEL PROCESO CONVENCIONAL DE LODOS ACTIVADOS Residuo

Tanque de aireación

Sedimentador secundario

Efluente

Lodos Activados

Exceso de Lodos

En este sistema el tanque de aireación tiene un tamaño fijo y por consiguiente un tiempo de retención fijo para un caudal determinado. Dentro de dicho periodo de retención se efectuará la actividad biológica de los microorganismos. En un proceso de lodos activados, tipo cochada, cuando comienza la aireación la relación Alimento/microorganismo (A/M) es muy grande, los microorganismos están ante un exceso de alimento permitiéndole su reproducción y aumento rápido (logarítmico) de la población. A medida que se consume el alimento y se producen nuevas células la relación A/M disminuye y se llega a un punto en que el alimento ya no se encuentra en exceso sino que empieza a ser el factor limitante, inicia entonces la fase de decrecimiento, algunas células comienzan a perecer y el flock empieza a formarse. La concentración de alimento continúa disminuyendo, la relación A/M alcanza un valor mínimo y se inicia la fase endógena (muerte bacteriana), durante la cual los microorganismos son incapaces de obtener suficiente energía del alimento remanente en el residuo y comienzan a metabolizar sus propias reservas de alimento (lisis), aumentando rápidamente la tasa de formación de flock biológico. Si el tiempo de aireación se prolonga lo suficiente, todas las formas biológicas morirían y solamente permanecerían la porción inerte de las células. El proceso de lodos activados nunca se deja llevar a tales extremos, puesto que se requerirían tiempo de retención de varios meses. En general, cuando se obtiene la fase endógena, el flock biológico formado es separado de la fracción líquida mediante sedimentación y recirculado al tanque de aireación. La recirculación del flock biológico concentrado hace que la concentración de microorganismos sea mayor que la inicial; la relación A/M será también menor que la relación inicial y las bacterias empiezan de nuevo el periodo de crecimiento. Si el tiempo de aireación permaneciera constante, el sistema progresaría poco a poco dentro de la fase endógena y se obtendría una mejor floculación y un efluente más claro. El tamaño del tanque de aireación, en un proceso de lodos activados, debe ser suficiente para permitir que los microorganismos alcancen la fase endógena durante los periodos de caudal máximo y máxima carga orgánica. Si el tanque de aireación no es lo suficientemente grande como para que esto ocurra el efluente se hará turbio, pues se perderán

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microorganismos. Solucionar la oscilación y desequilibrios frecuentes de los microorganismos es el problema básico para un diseño adecuado y una operación exitosa de las unidades de lodos activados. La aireación, de los reactores de lodos activados, tiene como propósito:  

Suministrar oxigeno a las células. Mantener las células en suspensión Mantener en contacto íntimo el residuo de los lodos activados.

En tanque de aireación es el corazón del proceso de lodos activados, y debe ser del tamaño adecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención, usualmente 0.5 a 24 horas, dependiendo del tipo de proceso. El proceso de lodos activados es un proceso aerobio, y por ello es necesario mantener condiciones aerobias en todo el tanque de aireación, sosteniendo un nivel de Oxígeno disuelto (OD) mínimo de 0,5 mg/L en todo punto del tanque. Esto se logra manteniendo una concentración de 2 mg/L de OD en el efluente del tanque de aireación. El suministro adecuado de oxigeno busca el predominio de clases óptimas de organismos en el sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables. La falta de oxigeno trae como resultado un efluente turbio puesto que los protozoos, por ejemplo, no se desarrollan y se promueve el crecimiento de bacterias filamentosas, las cuales retardan la sedimentación del flock. Por otra parte, es importante un suministro adecuado de aire para mantener un contacto íntimo entre el residuo y el lodo activado y hacer que el proceso funcione, así como también para que los sólidos estén en suspensión y no permitir su asentamiento dentro del tanque de aireación. Para diseño, en general, las normas recomiendan que el equipo de aireación sea capaz de mantener un mínimo de 2 mg/L de OD en el licor mezclado, en todo momento y proporcione una mezcla vigorosa del contenido de agua en el tanque de aireación. Requisitos nutricionales: En todo proceso de tratamiento biológico se requiere que los microorganismos reciban los elementos necesarios para formar el protoplasma, algunas aguas residuales contienen los elementos suficientes, existen otros afluentes que presentan deficiencias principalmente en Nitrógeno y fósforo, ocasionando graves problemas de crecimiento bacteriano y por tanto de remoción. Teóricamente, una relación de DBO/N/P de 100/5/1 es adecuada para tratamiento aerobio, con pequeñas variaciones según el tipo de proceso de tratamiento y modo de operación. Para tratamiento en procesos de mezcla completa de lodos activados se ha sugerido una relación DBO/N/P de 100/3,0/0,7. Cuando un agua residual presenta deficiencias en estos elementos se suministra Nitrógeno en forme de urea o amoniaco deshidratado, y si se requiere fósforo se agrega ácido fosfórico (H3PO4).

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Entre los microorganismos que degradan la materia orgánica presente en el agua residual, existe un grupo de bacterias llamadas filamentosas, que poseen la propiedad de expandirse y aumentar su área superficial, permitiéndoles tomar mayor cantidad de alimento. Esta característica hace que dichas especies adquieran mayor flotabilidad pero que a la vez pierdan sedimentabilidad. Este inconveniente puede ser debido a: 

Problemas de diseño: Tiempo de retención hidráulica inadecuado.



Problemas Operativos: inapropiada recirculación, formación de zonas sépticas, incorrecta concentración de oxígeno, o cualquier otro inconveniente causado por la persona encargada de operar la planta.

Si la cantidad de organismos filamentosos presentes es elevada, podemos encontrarnos con dos tipos de problemas biológicos: 1) Esponjamiento filamentoso o bulking Se produce debido al crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, que hace que las mismas interfieran en la compactación del flóculo en el decantador secundario, provocando problemas de sedimentación, ya que las mismas forman entramados, flotando en la superficie. Por este motivo, resulta primordial, analizar la muestra, a través de la observación microscópica, como método de detección de estos microorganismos. Los métodos biológicos, mecánicos y químicos que se pueden aplicar para solucionar las dificultades ocasionadas por la presencia de bulking son los siguientes:  Biológicos: - Agregar bacterias comerciales que compitan y degraden a las filamentosas. -Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan de manera apropiada.  Mecánicos: - Airear -Recircular -Eliminar zonas muertas  Químicos -Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos en cuestión -Ajustar los nutrientes. -Efectuar los procesos de coagulación y floculación en la salida del sedimentador secundario 2) Espumamiento biológico o Foaming: Se produce debido a que los microorganismos filamentosos originan una espesa espuma coloreada (en colores del blanco al marrón) y en muchos casos, abundantes flotantes, que

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hacen que el lodo no sedimente. Generalmente se debe a la presencia de Nocardias y Gordonas, dos organismos filamentosos. Por este motivo, al igual que en el caso de bulking, es muy importante mandar a analizar la muestra para saber las especies existentes en el efluente y con base a los resultados corregir dicho inconveniente. Los métodos que se pueden utilizar, en este caso, para solucionar dicha dificultad, son los siguientes: Biológicos -Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores de crecimiento, como por ejemplo, el ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no lo aprovechan bien. Mecánicos -Disminuir la aireación -Incorporar lluvia con inyección de aire y antiespumante. -Recircular Químicos -Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos que causan problemas.

21.2. LAGUNAS AIREADAS En las lagunas aireadas se utilizaba un depósito excavado en el terreno, de profundidad entre 2 y 5 m, y el oxigeno necesario se introduce con aireadores de superficie o bien mediante difusores. El proceso es esencialmente el mismo que el de lodos activados. Una laguna aireada se diseña como laguna aerobia, con un dispositivo mecánico lo suficientemente potente para mantener los lodos en suspensión, o facultativa o de mezcla incompleta cuando el dispositivo apenas genera turbulencia y permite la sedimentación de sólidos, un sistema de tratamiento de lagunas aireadas, permite obtener remociones de DBO mayores del 90% y remociones de coliformes del 90 al 95% con periodos de aireación de 2 a 6 días. Las lagunas aireadas surgieron como solución a los problemas de malos olores existentes en las lagunas naturales de oxidación. En lagunas aireadas, con alta temperatura y bajas cargas, es posible obtener un grado alto de nitrificación. En el pasado, las lagunas aireadas solían ir seguidas de grandes estanques de sedimentación y sin recirculación de lodos, en la actualidad se utilizan muchas lagunas aireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculación de sólidos biológicos. En la figura No. 37 se encuentra el esquema de tratamiento de una laguna aireada.

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FIGURA No. 37

AFLUENTE

PLANTAS DE TRATAMIENTO CON LAGUNAS AIREADAS

LAGUNA AIREADA AEROBIA

AFLUENTE

LAGUNA DE SEDIMENTACION Y LODOS

LAGUNA AIREADA AEROBIA

TANQUE DE SEDIMENTACION

DIGESTOR AEROBIO

LAGUNA DE MADURACION

EFLUENTE

LECHOS DE SECADO

LODO SECO

21.3. ZANJONES DE OXIDACION El zanjón de oxidación es un proceso de lodos activados, del tipo de aireación prolongada, que usa un canal cerrado, con dos curvas, una para la aireación y mezcla y la otra para la sedimentación. Como equipo de aireación y circulación del licor mezclado usa aireadores mecánicos del tipo cepillos horizontales, de jaula o de discos. La planta típica de un zanjón de oxidación no incluye sedimentación primaria, utilizan un solo canal concéntrico, un sedimentador secundario y lechos de secado de lodos. Los canales de aireación tienen profundidades entre 1,2 y 1,8 m con paredes laterales a 45°; sin embargo, se construyen también canales más profundos de 3,0 a 3,6 m. En general el zanjón se reviste de concreto o de otro material apropiado para prevenir la erosión y la infiltración. Los aireadores pueden instalarse fijos o flotantes, sobre uno o más sitios a lo largo del canal para suministrar suficiente velocidad dentro del zanjón, generalmente mayor de 0,30 m/s, así como para mantener el nivel de oxigeno disuelto requerido y los sólidos del licor mezclado en suspensión. La mayoría de los cepillos opera a velocidades de 60 a 110 RPM, sumergidos 5 a 30 cm, y producen tasas de transferencia de oxigeno entre 1,5 y 10 kg O 2/h. Generalmente se instalan dos aireadores como mínimo para asegurar la aireación permanente del licor mezclado. La unidad de salida del sedimentador puede ser una caja con una compuerta de madera que permita variar el nivel del agua en el zanjón y ajustar la inmersión de las paletas del cepillo de aireación. Para el sedimentador secundario se utilizan cargas superiores de diseño de 15 a 20 m3/d para caudales promedio y de 40 a 80 m3/d para caudales pico; se recomiendan profundidades de 3,0 a 4,2 m. El zanjón de oxidación, adecuadamente diseñado y operado, prevee remociones promedio de DBO y SS mayores del 85%; tiene

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capacidad de afectar un nivel alto de nitrificación por el tiempo de retención prolongado (24 horas) y contar con edades de lodos mayores de diez días. El zanjón de oxidación también se ha usado para remover nitrógeno mediante la producción de zonas aerobias y anóxicas dentro del canal, controlando la tasa de transferencia de oxigeno para que el OD de licor mezclado se agote en una porción del canal de aireación. La fuente de carbono para la desnitrificación, en la zona anóxica, se provee, en estos casos, alimentando el residuo crudo al canal, aguas arriba del inicio de la zona anóxica; con una operación cuidadosa se pueden lograr remociones de nitrógeno del 80%. Para una construcción económica, el zanjón debe localizarse con su longitud en paralelo con las curvas de nivel y el terreno debe permitir flujo por gravedad.

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FIGURA No. 38 PLANTA DE TRATAMIENTO CON ZANJÓN DE OXIDACIÓN

Lechos de secado o Lagunas de lodos

Rotor

Bomba de recirculación de lodo

Lodo sedimentado

Efluente Tanque de sedimentación final Afluente Rejilla

Cloración Vertedero de control de nivel Zanjón de Oxidación

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LECCION 22. FILTRO PERCOLADOR

Aunque el nombre de filtro supone retención de partículas, este tipo de filtro biológico no esta diseñado para ejercer una acción de tamizado del agua residual, sino para poner en contacto aguas residuales con biomasa adherida a un medio de soporte fijo. El medio filtrado suele estar formado de piedra, de diámetro entre 2,5 y 10,0 cm, la profundidad del lecho se sitúa entre 0,9 y 2,5 metros. Filtros percoladores con medio plástico, biotorres, se constituyen con profundidades hasta de 12 m. Cada filtro tiene un sistema de drenaje inferior para recoger el agua residual tratada y los sólidos biológicos que se desprenden del medio. El sistema de drenaje es importante como unidad de recolección y como estructura porosa a través de la cual circula el aire. La materia orgánica presente en el agua residual se degrada por la acción de la población de microorganismos adherido al medio. La materia orgánica del líquido es adsorbida en la película biológica, en cuyas capas externas (0,1 a 0,2 mm) se degrada bajo la acción de microorganismos aerobios. Cuando los microorganismos crecen, aumenta el espesor de la película y al oxigeno se consume antes que penetre en todo el espesor de la película, por lo tanto la proximidad de la superficie del medio, se crea un ambiente anaerobio conforme la película aumenta de espesor, la materia orgánica adsorbida se metaboliza antes de que pueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, en consecuencia los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, se hallan en la etapa endógeno y pierden capacidad de adherirse a la superficie del medio, en estas condiciones el líquido arrastra la película a su paso por el medio, y se inicia el crecimiento de una nueva capa biológica. El fenómeno se muestra en la figura No. 39

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FIGURA No. 39 ESQUEMA DE PELÍCULA BIOLÓGICA EN UN FILTRO PERCOLADOR AIRE

RESIDUO LIQUIDO

LAMA BIOLOGICA Endo gena

Activa Sustancias Orgánicas

A E R O B I O

O2

CO2

OD O2 Sustancias Inorgánicas

A N A E R O B I A

MEDIO SOLIDO DEL FILTRO

Aire

O2

Agua Residual DBO

CH4

Capa aerobia Residual Capa anaerobia H2S

Película Biológica (0,1 – 2,0 mm) Ácidos Orgánicos

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Los principales factores que hay que tener en cuenta para predecir el funcionamiento de los filtros percoladores son: Las cargas orgánicas expresadas como la relación de carga de DBO por unidad de tiempo y por unidad de volumen de filtro (kg DBO/m3d) y la carga hidráulica expresada como volumen total de líquido, incluyendo recirculación por unidad de tiempo, por área superficial de filtro, se expresa generalmente en m3/m2/d; y el grado de tratamiento necesario. La unidad de sedimentación es esencial en el proceso de tratamiento al retener los sólidos suspendidos lavados o renovados del filtro. Una acción común consiste en la recirculación de los lodos, ayudando a la inoculación y maduración del filtro, aumentando la eficiencia. El medio filtrante mas usado es piedra triturada, o grava de río por y entre los medio sintéticos PVC. En la tabla No. 21 se muestra las características principales de filtros percoladores. TABLA No.21 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS FILTROS PERCOLADORES Características Carga hidráulica m3/m2d m3/m3.d Carga Orgánica kg DBO/ m3.d Profundidad, m Medio

Tasa Baja o estándar 1–4 0,5 – 2,5

Tasa intermedia 4 – 9* --

Tasa Alta 9 – 37* --

Torres biológica 14 – 240*

Desbaste

0,08 – 0,320* 0,24 – 0,48+

0,32 – 1,8+

≤4,8

>2

1,5 – 3,0 Piedra, escoria

0,9 – 2,5 Piedra, escoria sintético 0,5 – 4,0

≤12 Sintético

0,9 – 6,0 Piedra sintético

1–4

0

Continua Pocas 6 – 10

Continua Pocas 10 – 20

Continua Pocas -

No nitrificado

Nitrificación Baja 65 – 85

No nitrificado

1,0 – 2,5 Piedra, escoria

Relación de 0 0,5 – 2,0 Circulación Dosificación Intermitente Continua Moscas de filtros Muchas Pocas Requerimientos 2–4 2–8 de potencia, W/m3 Calidad del Nitrificado Nitrificado efluente parcial % de remoción 80 – 85 50 – 70 de DBO * no incluye recirculación + Excluye recirculación  Con cargas menores de 0,08 kg DBO/ m3d >80%

40 – 80

57 – 171

40 – 85

y T>20°C se puede lograr una nitrificación

o

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD - 118TECNOLOGIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CURSO: 301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

 Con cargas menores de 0,1 kg DBO/ m3d y T>20°C se logran efluentes con DBO