Operaciones Unitarias en Tratamiento de Aguas Residuales

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Facultad de Quimica , Ingenieria Quimica y Agroindustria PROGRAMA DE ACTUALIZACION Y EXAMEN DE APTITUD PROFESIONAL Curso OPERACIONES UNITARIAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Profesor. Ing Gilberto Salas Colotta e-mail: [email protected]

Minimizacion de vertidos industriales • Auditoria ambiental previa • Plan de minimizacion - Modificacion de los procesos de produccion - Segregacion de efluentes - Sustitucion de materia prima - Optimizacion del consumo, recuperacion reciclado del agua

Capitulo 1 Tratamiento y Caracterizacion de Aguas Residuales Industriales

Introduccion • Los procesos industriales generan una gran variedad de aguas residuales de orígenes distintos • Algunos de los contaminantes, especialmente los metales pesados y ciertas sustancias orgánicas, están sometidas a severas restricciones. • Los contaminantes pueden encontrarse en forma disuelta o en suspensión y por su naturaleza química pueden ser orgánicos e inorgánicos

Caracteristicas de las ARI • • • •

Homogenizar previamente los efluentes Segregar efluentes muy contaminados Neutralizacion de efluentes Aplicación de tratamientos especificos

Tuberia de descarga de agua de bombeo de una pesquera

Valores Máximos Admisibles (VMA) de las descargas de aguas residuales no domésticas en el sistema de alcantarillado sanitario

OPERACIONES UNITARIAS

Tratamientos primarios

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA SUPERFICIAL ( RIO )

• Planta de tratamiento de agua superficial del rio chillon , para obtener agua potable para el cono norte de lima , ubicada en Carabayllo y concesionada a la empresa agua azul de la municipalidad de roma , italia

OPERACIONES UNITARIAS

• • • • • •

TAMIZADO DESARENADO COAGULACION/ FLOCULACION SEDIMENTACION FILTRACION DESINFECCION

BOCATOMA Rejillas

DESARENADOR

DESARENADORES Desarenadores

TANQUE DE COMPENSACION Tanque de homogenización

CANALES PARSHALL

CANALES PARSHALL Y COAGULACION

FLOCULADORES

Coagulación

Floculadores

FLOCULADORES

SEDIMENTADORES

VISTA DEL FILTRO DE ARENA VACIO

FILTROS DE ARENA ABIERTOS

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CLOACALES

PRINNCIPIOS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CLOACALES

• El objetivo primordial del tratamiento de aguas residuales cloacales consiste en eliminar o modificar los contaminantes perjudiciales para la salud humana o el entorno acuático, o terrestre • Se fijan requisitos de efluentes en cuanto a DBO, SST y coliformes fecales • Los contaminantes en suspensión, coloidales y disueltos ( orgánicos e inorgánicos) en las aguas residuales cloacales se pueden separar fisicamente , biologicamente o químicamente

PROCESOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CLOACALES • Retención del material grueso con rejilllas o tamiz( palos trapos) aceites y grasas ( flotación) ( sólidos • Separación de arenilla por sedimentación o desarenado intermedios ) • Separación de sólidos en suspensión( parte sedimentable) en tanques primarios de sedimentación • Tratamiento biológico ( oxidación biologica de la materia organaica disuelta y coloidal) • Sedimentación final de los microorganismos del tratamiento biologico y tratamiento de lodos • Desinfección para disposición final

MALLA ROTATORIA

ESQUEMA GENERAL DE LODOS ACTIVADOS

LODOS ACTIVADOS

TRATAMIENTO DE AGUAS ÁCIDAS DE MINA(DAM, drenaje acido de mina) La pirita es el peor villano de formación de ácido sulfúrico por la oxidación de sulfuros Minerales principalmente la pirita. (Fes2). El H2SO4 induce la inestabilidad de muchos metales. La ecuación básica de oxidación es como sigue:

El DAM puede producirse en cualquiera de los siguientes medios: – Lavado de las paredes de minas a cielo abierto; – Terrenos de minas metálicas; – Terreros de minas de carbón sulfuroso; – Presas de jales; – Montones de lixiviación; – Exposición natural de rocas que contienen sulfuros.

TRATAMIENTO DE AGUASACIDAS DE MINA AURIFERA –Técnicas Activas Son aquellas que se basan en el procesamiento químico del DAM mediante la adición de reactivos neutralizantes: carbonato cálcico, hidróxido sódico, bicarbonato sódico o hidróxido amónico. Estos reactivos llevan el pH a valores aceptables, y favorecen la precipitación de la mayor parte de los metales pesados que pueda contener el agua.

TRATAMIENTO DE AGUAS DE PROCESO EN MINERIA DEL ORO

. CONTAMINANTES MAS COMUNES DEL AGUA DE PROCESO

Cianuros.- Empleados en la lixiviación de mineral de oro. La eventual contaminación por cianuros puede producirse debido a vaciamientos de solución lixiviadora, a infiltraciones en el suelo a partir de pilas de lixiviación o de las cuencas de neutralización o también durante el transporte del insumo, que es el caso que el evento contaminante puede producirse lejos de la mina.

Proyecto YANACOCHA Objetivos del Proyecto  Tratar el exceso de agua del procesamiento para distintos minerales minados (óxidos, sulfuros, etc.), cumpliendo los limites máximos permisibles de elementos pesados en el agua.  Alcanzar la exigencia de contenido de Cianuro WAD de 0.1 ppm exigido por DIGESA a partir del 2002 para la descarga de aguas al medio ambiente.  Reducción del contenido de Nitrato en la descarga de aguas a niveles aceptables: Vh , no seran arrasradas, caso contrario seran arrastradas . Donde Vh es la velocidad hidraulica( Q/ A')

Remocion de DBO y SST R=

t a + bt

Donde R = % de remocion esperado t = tiempo de retencion,h a,b = constantes empiricas

REMOCION DBO Y SST •

R = t / ( a + bt ) donde : R = % remocion esperado t = tiempo de retencion.,h a,b = constantes empiricas variable a, b DBO 0,018 0,020 SST 0,0075 0,014

Ejemplo de la fraccion total removida de particulas discretas(tipo I) en un sedimentador

Problema • Considerar una suspension de particulas (s = 2,65) en agua a 20 °C con un tamaňo uniforme de particula (dp = 0,07 mm). El caudal es de 4 000 m3/dia Calcular 1) la superficie As para la separacion del 100% de las particulas, 2) Si As se reduce en 70% determinar el nuevo factor de carga y el tamaňo de particula que se separa completamente

Vh

Problema • Considerar una suspension de particulas de peso especifico(s = 2,65) a 20 °C, con una distribucion de tamaňos como la que se muetra. El caudal es de 4 000 m3/dia. Diseňar el sedimentador rectangular si se desea separar completamente las particulas de 0,085 mm. Determine el % de separacion, si ninguna particula es arrastrada

Problema • En un sedimentador horizontal la alimentacion es de 2 840 m3/dia y sus dimensiones son: • H = 2,45m W = 6,10 m L = 15,20 m • Determinar si las particulas de diametro 0,1 mm y p.e = 2,65 seran arrastradas. Tomar f = 0,03 y k = 0,04

Problema • En un sedimentador horizontal la alimentacion es de 2 840 m3/dia y sus dimensiones son: • H = 2,45m W = 6,10 m L = 15,20 m • Determinar si las particulas de diametro 0,1 mm y p.e = 2,65 seran arrastradas. Tomar f = 0,03 y k = 0,04

Problema • Diseňar un sedimentador horizontal de tal forma que el 100% de las particulas de 0,5 mm sean separadas y solo sean arrastradas las particulas de 0,1 mm. El caudal a tratar es de 80 000 m3/dia , k= 0,04 y f = 0,08. Tomar W = 6,0 m • La distribucion de tamaňos es:

Distribucion de tamaňos % en peso

Tamaňo , dp mm

50

1,0

20

0,5

20

0,2

10

0,1

Problema • Diseňar un sedimentador circular para particulas discretas(tipo I) que deba tratar 80 ton suspension/h (8% solidos suspendidos)a 20 °C, si se desea separar completamente particulas de tamaňo superior a 35 micras. Densidad del solido = 2 710 kg/m3, • Viscosidad = 1,14 cP , tiempo de retencion = 30 minutos

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2 • Las partículas coloidales son coaguladas y floculadas. A medida que ocurre la coalescencia la masa de partículas aumenta y se sedimenta más rápido • El desarrollo de la floculación depende de la colisión entre partículas, que a su vez es función de la carga superficial, de la profundidad del sedimentador, de la concentración de las partículas y del tamaño de las mismas

Coloides • Los coloides son partículas de tamaño intermedio entre las moléculas y las partículas suspendidas • Aunque las partículas coloidales son muy pequeñas, son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz (efecto Tyndall) por lo que estas partículas comunican aspecto turbio u opaco al agua, a menos que estén muy diluidas. • La mayoría de los coloides están cargados negativamente, por lo que en agua son estables debido a la repulsión electrostática entre estas partículas invisibles. •

.

Estabilidad de los coloides:fuerzas coloidales

Electroforesis • Comportamiento eléctrico de los coloides • Las coloides están cargadas de electricidad, lo que se puede demostrar introduciendo dos electrodos conectados a una fuente de corriente continua en una dispersión coloidal, en cuyo caso las partículas se mueven según el signo de su carga, • Los coloides tienen movilidad electroforetica

COAGULACION- FLOCULACION • Los procesos de coagulacion- floculación se emplean para extraer del agua sólidos que en ella se encuentran suspendidos siempre que su rapidez natural de asentamiento sea demasiado baja para proporcionar clarificación efectiva. Estos solidos no se asientan por ser coloides • La coagulación dessestabiliza estos coloides al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados. Esto se logra añadiendo cioagulantes químicos y aplicando energía de mezclado • La etapa de formación de flóculos es la floculación

Coagulantes metálicos • Los coagulantes metalicos(el alumbre y las sales de hierro) actuan como coagulantes y floculantes.

Condiciones del proceso de coagulacion La utilizacion de Al2(SO4)3 y FeCl3 implica • Al2(SO4)3 en H2O

2Al+3 (ac) + 3SO4 2- (ac)

• Estos iones hidratados , dependiendo de pH evolucionan a la formacion de iones solubles • Al (H2O)6+3 que actuan como coagulantes

Condiciones del proceso de coagulacion La utilizacion de FeCl3 implica • FeCl3 en H2O

Fe+3

(ac)

+ 3Cl - (ac)

• Estos iones hidratados , dependiendo de pH evolucionan a la formacion de iones solubles Fe (H2O)6+3 que actuan como coagulantes

Condiciones del proceso de floculacion formacion de hidroxidos Al+3 (ac) + 3OH- (ac)

Al(OH)3 (s)

Fe+3 (ac) + 3OH- (ac)

Fe(OH)3 (s)

Los hidroxidos son precipitados gelatinosos que atrapan a los floculos(floculacion) y facilitan su sedimentacion

PRUEBA DE JARRAS

PRUEBAS DE JAR-TEST PARA ELEGIR COAGUALNTE Y FLOCULANTE

FLOCULO

Floculación

, •

Promueve colisiones entre las partículas desestabilizadas en la coagulación, por efecto del transporte de fluido, formando partículas de mayor tamaño, visibles a la vista: los flóculos. • La agitacion debe ser lenta para evitar romper el "floc" del

FLOCULACION

COAGULADOR –FLOCULADOR

Fracción de partículas removidas %R = Σ [Δhi / H ][ (Rn + R n+1 ) /2] Donde: R = remoción de SST , % n = número de curva con igual porcentaje de remoción Δhi = distancia entre curvas de igual porcentaje de remoción, pie ( m) H = altura total de la columna de sedimentación, pie (m) Rn = porcentaje igual de remoción de la curva n R n+1 = porcentaje igual de remoción de la curva n+1

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

lastscan.jpg

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Datos de laboratorio que ilustran el diseño de clarificadores para parículas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Diseño de un clarifcador ( partículas tipo 2)

Sedimentación de partículas floculentas tipo 2

Sedimentación zonal interferida tipo 3 • En sistemas que contienen concentraciones elevadas de sólidos en suspensión, además de la sedimentación discreta( libre) y floculenta, también ocurre otros tipos de sedimentación como la interferida o zonal (de tipo 3 )

ESQUEMA GENERAL DE LODOS ACTIVADOS

LODOS ACTIVADOS

SEDIMENTACION INTERMITENTE

Z0

Z

Área necesaria con base en el método de resultado de ensayos de sedimentación • En el diseño de unidades de sedimentación, la elección de la carga superficial se debe dar en base a los siguientes factores: 1) el área necesaria para la clarificación 2) el área necesaria para el espesado 3) la velocidad de extracción de lodos

Capitulo 4 FLOTACION

FLOTACION

• La flotacion es un proceso para separar solidos de baja densidad o particulas liquidas de una fase liquida. • Flotacion por aire disperso o inducido(IAF) • Flotacion por aire disuelto ( DAF) • Flotacion por aire cavitado( CAF)

FLOTACION POR AIRE DISUELTO ( DAF ) • La separación se lleva a cabo introduciendo un gas ( normalmente aire ) en la fase líquida , en forma de burbujas. La fase liquida se somete a un proceso de presurización en presencia de sufiente aire para conseguir la saturación del aire en agua. • Luego este líquido saturado de aire se somete a un proceso de despresurización llevandolo hasta la presión atmosférica por paso a traves de una valvula reductora de presión. En esta situación y debido a la despresurización se forman pequeñas burbujas de aire que se desprenden de la solución. • Los sólidos en suspensión o las particulas líquidas flotan debido a que estas pequeñas burbujas se asocian a los mismos y los obligan a elevarse

PRUEBA DE FLOTACION

ADHERENCIA DE BURBUJAS

GENERACION DE MICROBURBUJAS

DAF CIRCULAR PARA MATERIAL FLOTABLE

DAF

DAF RECTANGULAR

DAF RECTANGULAR

DAF CON RECIRCULACION

Evaluación de las variables de flotación en el diseño de procesos • Sistemas de flotación sin recirculación: A/S = 1,2 Sa ( fP –1) / X0 Despejando P = ( 1/f) [ (A/S ) X0/( 1,2 Sa +1)] •Sistemas de flotación conn recirculación: A/S = ( R/Q) 1,2 Sa ( fP –1) / X0

Efecto de la relación A/S sobre la eficiencia de la remoción de sólidos en suspensión (SS)

Efecto de la carga hidraulica sobre la remoción de sólidos en suspensión(SS)

Efecto de la relación A/S sobre la eficiencia de la remoción de sólidos en suspensión (SS)

Problema Una unidad de flotación es utilizada para concentrar 0,011 m3/s de un lodo activo de 0,3 a 4% de sólidos. Operación en planta piloto indicó una relación óptima de aire / sólidos (A/S) de 0,02 y un factor de carga de 0,54 L/m2.s , y una presión de 3 atm Determinar , la superficie de la unidad de flotación. • Datos : f = 0,6 y la solubilidad del aire en agua = 22 cm3 /L

Problema • Un estudio experimental de flotación fue efectuado con agua residual industrial a 20°C. El caudal es de 1 600 m3/ dia y el afluente contiene 900 mg/L de sólidos suspendidos . Tomar f = 0,5 ( factor que tiene en cuenta la instauración del aire en el tanque de presurización) y una presión en de 80 psig. Para un sistema de flotación con aire disuelto (DAF), con recirculación, hallar el diámetro del flotador .Los estudios de laboratorio muestran la relacion A/S vs la remocion y el factor de carga optimo

Efecto de la relación A/S sobre la eficiencia de la remoción de sólidos en suspensión (SS)

Efecto de la carga hidraulica sobre la remoción de sólidos en suspensión(SS)

Capitulo 5 FILTRACION

FILTRACION • Las particulas suspendidas en un liquido se separan mecanicamente o fisicamente usando un medio poroso que retiene las particulas en forma de fase separada que permite el paso del filtrado sin solidos • Cuando la concentracion es minima, los filtros operan por tiempos muy largos, antes de que sea necesario limpiar el medio filtrante

TIPOS DE EQUIPOS DE FILTRACION • •

• •

Filtros de lecho abiertos Filtros a presion *Filtros de cartucho * Filtros de canastilla * Filtros de arena * Filtros de lecho profundo * Filtros prensa Filtros al vacio Filtros de banda

ESQUEMA DE FILTRO DE LECHO ABIERTO

Filtro a Presion

Este proceso equivale a un filtrado de 20-15 micras, por lo que al pasar por este proceso, el agua no debe tener substancias a la vista del ojo humano. El equipo requiere continuamente hacer un retrolavado, es decir hacer pasar el agua en sentido inverso.

FILTROS DE CARTUCHO

PRINCIPIO DE OPERACION

FILTROS DE CANASTILLA

FILTROS A PRESION DE LECHO PROFUNDO

FILTROS DE ARENA A PRESION

FILTRO PRENSA

ESQUEMA FILTRO PRENSA

QUEQUE O TORTA

SISTEMA DE FILTRACION

FILTRO ROTATORIO AL VACIO • Consiste en un tambor rotatorio cilindrico perforado que gira en una tina que contiene la suspensión que debe filtrarse • El vacio en el interior produce la separación solido-líquido, dejando los solidos sobre el medio filtrante

Pruebas de filtracion al vacio

ESQUEMA DE FILTRO AL VACIO

SISTEMA DE VACIO

FILTRO ROTATORIO AL VACIO

FILTRO ROTATORIO AL VACIO

FILTRO DE DISCOS • Filtro continuo de discos basado en los principíos del filtro al vacio, salvo que la superficie de filtración esta formada por las dos caras de varios discos montados perpendicularmente a una flecha horizontal giratoria que pasa por el centro de los discos. • El filtrado se extrae de cada disco y se remueve la torta mediante raspadores

FILTRO DE DISCOS

FILTRO DE BANDAS • Es otro tipo de filtro de presión • El lodo fluye a la zona de drenado donde se efectua un espesamiento inicial • Lodo pasa a traves de dos cedazos donde se aplica presión y se efectua un desecamiento parcial • Finalmente al aumentar la presión sobre las bandas se termina de desecar

FILTRO DE BANDAS

FILTRO DE BANDAS

Problema • Filtraciones de laboratorio realizadas a caida de presion constante con una suspension en agua han conducido a los datos que se presentan en la tabla. El area del filtro era de 440 cm2, la masa de solido por volumen de filtrado es de 23,5 g/L, y la temperatura de 25 °C. Evaluese α y Rm como funciones de la caida de presion, y obtengase una ecuacion empirica para α ajustando los resultados

Problema • Se desea filtrar una suspension en un filtro prensa que tiene 20 marcos y cada maco tiene un area de 0,873 m2. Se usara un ΔP = 16,2 lbf/pulg2. El area del filtro de laboratorio fue de 0,0439 m2 y las constantes de filtracion son K1 = 6,28x 106 s/m6 y K2 = 5475 s/m3. Calculese el tiempo de filtracion necesario para extraer 10 m3 de filtrado

Problema • Un filtro rotatorio de tambor al vacio que sumerge 33% del tambor en la suspension se va a utilizar para filtrar una suspension con una caida de presion de 67,0 kPa. L concentracion de solidos en la suspension es de 0,191 kg solidos /kg suspension y w = 308,1 kg de solidos /m3 de filtrado. Calcule el area de filtro necesaria para filtara 0,778 kg de suspension/s. El tiempo del ciclo es de 250 s. La resistencia nespecvifica de la torta se puede representar como α = (4,37x109) (-ΔP)0,3, donde –ΔP se da en Pa y α en m/. • ρH20 = 996,9 kg /m3 , μH20 = 0,8937 x 10-3 kg/m-s

Problema • En un filtro prensa de placas es necesario filtrar una suspension, obteniendo en 3 horas 6 m3 de filtrado. La filtracion experimental de esta suspension en un filtro prensa de laboratorio , bajo la misma presion y con el mismo espesor de capa de sedimento, ha demostrado que las constantes de filtracion referidas a 1 m2 de area de filtro tienen los valores siguientes: • K 1= 13,02 s/L2 , K 1= 28,21 s/L • Determinar el numero demarcos si cada marco tiene una dimension de 0,25m x0,25 m