Pre-Tratamiento y Tratamiento de Aguas Residuales

PRETRATAMIENTO PLANTAS DE AGUAS RESIDUALES

Pretratamiento El pretratamiento es el conjunto de operaciones, fundamentalmente de tipo físico y mecánico, que permite eliminar sólidos de gran tamaño, arenas, gravas, grasas y aceites, que puedan dar problemas en las etapas posteriores. En esta etapa se producente Residuos Sólidos Urbanos (RSU’s), lodos contaminados y un efluente parcialmente descontaminado que será objeto de tratamiento por el resto de las unidades mejorando su rendimiento. El correcto diseño y posterior mantenimiento de la etapa de pretratamiento son aspectos de gran importancia, pues cualquier deficiencia en los mismos repercutirá negativamente en el resto de las instalaciones originando obstrucciones de tuberías, válvulas y bombas, desgaste de equipos, formación de costras, etc.

Etapa

Objetivo

Unidades Representativas

Tipo de fenómenos principales involucrados

Niveles de eficiencia

Pretratamient o

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

· Pozo de gruesos

Físicos.

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

· Rejillas · Desarenador · Desengrasador · Tanque de Igualación u homogenización (efluentes industriales, especialmente) · Tanque de neutralización (efluentes industriales, especialmente)

Químicos (neutralización).

Esquema del pretratamiento de una EDARU

DESBASTE • El desbaste se conoce también como cribado y se hace, de manera frecuente, mediante la instalación de rejillas metálicas de diferentes características de diseño y operación, dependiendo del tipo de agua a tratar.

• Es la operación utilizada para separar material grueso del agua, mediante el paso de ella por una criba o rejilla. Los elementos flotantes como plásticos, trozos de madera y ramas, entre otros, deben ser retirados en el desbaste. • Esta unidad no es prescindible en ninguna depuradora y es independiente de la existencia o no, del pozo de muy gruesos.

• En el tratamiento de aguas residuales se usan rejillas gruesas, principalmente de barras o varillas de acero, para proteger bombas, válvulas, tuberías y equipos, etc. • Las plantas de tratamiento de agua residual industrial pueden o no requerir de rejillas, según la característica del residuos. • A medida que el material se acumula sobre la rejilla, ésta se va taponando y la pérdida de energía aumenta, por lo que el diseño estructural debe ser el adecuado para impedir la rotura de la rejilla cuando está taponada.

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

Clasificación de las rejillas de desbaste Las rejas pueden clasificarse según: • Su limpieza • Manual • Mecánica • Su separación entre barrotes • Fina: entre 0,5 y 1,5 cm de separación • Media: entre 1,5 y 5,0 cm de separación • Gruesa: mayor a 5,0 cm de separación • Su inclinación • Verticales: a 90° respecto de la horizontal • Inclinadas: entre 60 y 80° respecto de la horizontal

El tamaño de los barrotes usados en las rejillas, dependerá del tamaño de los materiales que se pretende retener, con el fin de que sean lo suficientemente fuertes para que no se deformen. Para rejillas gruesas se usan barrotes de entre ½ y 1 pulgada (1,3 a 2,5 cm) de diámetro (o de ancho) y para las finas, de entre ¼ y ½ pulgada (0,6 a 1,3 cm).

Rejillas de limpieza manual Se instalan en depuradoras pequeñas y son inclinadas usualmente a 60° respecto de la horizontal para facilitar las labores de limpieza del operario. El operario retira los sólidos retenidos en la rejilla con ayuda de un rastrillo u otra herramienta similar dentada y los dispone temporalmente en una lámina perforada o canastilla, conocida como depósito escurridor, para eliminar el agua. Posteriormente, estos desechos se llevan a incineración o a un relleno sanitario.

Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído.

Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento

Rejillas de limpieza mecánica Llamadas también rejillas de limpieza automática; éstas suelen instalarse en depuradoras grandes cuyos grandes caudales arrastran ingentes cantidades de materiales gruesos de forma permanente, que no podrían ser evacuados manualmente.

Estas rejillas suelen ser verticales, con inclinaciones que varían entre los 80 y 90° respecto de la horizontal Los mecanismos de limpieza son variables dependiendo del fabricante; los más usuales son los de barras dentadas o los de peines giratorios.

Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio.

Rejilla de limpieza mecánica

Diseño del desbaste • Los criterios de diseño de las rejillas se fundamentan en las velocidades de paso del flujo de aguas residuales, a través de ellas. • Esta velocidad no debe ser tan baja que promueva la sedimentación de sólidos en el canal ni tan alta que genere arrastre de sólidos ya retenidos por los barrotes de la reja.

Criterios de diseño de las rejillas de desbaste Parámetro

Valor o rango

Velocidad mínima de paso

0,6 m/s (a caudal medio

Velocidad máxima de paso

1,4 m/s (a caudal punta)

Grado de colmatación estimado entre intervalos de limpieza

30%

Pérdida de carga máxima admisible

15 cm (a caudal medio)

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

Donde, AR : área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) Bc : ancho del canal (m) L : luz o espacio entre barrotes (m) b : ancho de los barrotes (m) G : grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%)

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

Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999)

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

Donde, P Q Vp L b Bc G

Profundidad en la zona de rejillas (m) caudal de aguas residuales (m3/s) velocidad de paso entre la rejilla (m/s) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m) ancho del canal (m) Grado de colmatación de la rejilla

La pérdida de carga generada por la rejilla diferencia de altura de la lámina de agua antes y después del paso por la rejilla se puede calcular con esta expresión propuesta por Lozano-Rivas.

Donde,

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

El número de barrotes se puede calcular con la siguiente:

Donde, N número de barrotes BR ancho del canal en la zona de rejilla (m) L luz o espacio entre barrotes (m) b ancho de los barrotes (m)

Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas Tipo de rejilla

Cantidad de sólidos retenidos

Fina

5 a 12 mL/d*hab

Gruesa

12 a 25 mL/d*hab

Ejercicio Calcular el tamaño de una rejilla fina, de limpieza manual, para el canal de entrada y el caudal. (Qmd = 69 L/s. Vcanal = 0,6 m/s. Dimensiones del canal: 0,34 x 0,34 m y un borde libre de 0,35 m). La criba tendrá barrotes de 0,6 cm de ancho y 1,2 cm de separación; con una velocidad de paso en la rejilla de 0,8 m/s.

Solución: Se calcula la sección o área útil del canal en la zona de la rejilla, así Donde, AR : área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) Bc : ancho del canal (m) L : luz o espacio entre barrotes (m) b : ancho de los barrotes (m) G : grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%)

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

P Q Vp L b Bc G

Profundidad en la zona de rejillas (m) caudal de aguas residuales (m3/s) velocidad de paso entre la rejilla (m/s) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m) ancho del canal (m) Grado de colmatación de la rejilla

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

Desarenador En el desarenador, como lo indica su nombre, se remueven las partículas de arena y similares, que tienen un peso específico de cercano a 2,65 g/cm3 y tamaños superiores a los 0,15 mm de diámetro (e.j. cáscaras, semillas). Este tipo de partículas presentes, especialmente, en las aguas residuales urbanas y muy rara vez en las de tipo industrial, causan abrasión y daños en las tuberías y en otros equipos de la depuradora. Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de

pretratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la sedimentación de las partículas discretas, pero no lo suficiente para que se presente asentamiento de la materia orgánica. Su diseño está soportado, entonces, en las velocidades de sedimentación de las partículas que quieren removerse, las cuales son explicadas mediante las fórmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y Allen (régimen transitorio).

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

En los cuatro niveles de complejidad deben emplearse desarenadores cuando sea necesario cumplir con lo siguiente :

• Protección de equipos mecánicos contra la abrasión. • Reducción de la formación de depósitos pesados en tuberías, Conductos y canales. • Reducción la frecuencia de limpieza de la arena acumulada en tanques de sedimentación primaria y digestores de lodos. • Minimización de pérdida de volumen en tanques de tratamiento biológico. • Antes de las centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta presión.

Localización Deben localizarse después de rejillas y antes de tanques de sedimentación primaria y estaciones de bombeo. Velocidad mínima del agua Los desarenadores deben diseñarse de manera tal que la velocidad pueda controlarse. La variación debe estar únicamente en un rango entre 0.2 m/s y 0.4 m/s. Número El número de desarenadores es característico a cada diseño. Se recomienda un mínimo de dos unidades en cualquiera de los niveles de complejidad. Cada unidad debe tener la capacidad para operar con los caudales de diseño cuando la otra

unidad está en limpieza. Tasa de desbordamiento superficial Se recomienda un rango entre 700 y 1600 m³/m²/dia. Estos valores pueden ser expresados en términos de velocidad de sedimentación, variando aproximadamente entre 30 m/h y 65 m/h.

Tiempo de retención hidráulico El tiempo de retención debe basarse en el tamaño de las partículas que deben separarse ; se recomienda un tiempo entre 20 segundos y 3 minutos. Esto se logra mediante dispositivos que permitan regular la velocidad del flujo.

Componentes Esta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas

a) Zona de entrada Tiene como función el conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro de la unidad, uniformizando a su vez la velocidad. b) Zona de desarenación Parte de la estructura en la cual se realiza el proceso de depósito de partículas por acción de la gravedad.

c) Zona de salida Conformada por un vertedero

de rebose diseñado para mantener una velocidad que no altere el reposo de la arena sedimentada. d) Zona de depósito y eliminación de la arena sedimentada Constituida por una tolva con pendiente mínima de 10% que permita el deslizamiento de la arena hacia el canal de limpieza de los sedimentos.

• El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años. • El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento. En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.

Desarenador de 2 unidades en paralelo (planta).

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

Es importante recordar que los valores que se toman para el

diseño de cualquier unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura sin el debido sustento. Para el caso del diseño de un desarenador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad en una columna de sedimentación.

Criterios de diseño • El periodo de operación es de 24 horas por día. • Debe existir una transición en la unión del canal o tubería de llegada al desarenador para asegurar la uniformidad de la velocidad en la zona de entrada. • La relación largo/ancho debe ser entre 10 y 20. • La sedimentación de arena fina (d25

0,5

 El fondo de la cámara de digestión tendrá la forma de un tronco de pirámide invertida (tolva de lodos), para facilitar el retiro de los lodos digeridos.  Las paredes laterales de esta tolva tendrán una inclinación de 15° a 30° con respecto a la horizontal.  La altura máxima de los lodos deberá estar 0.50m por debajo del fondo del sedimentador. Diseño de digestor.(OPS/CEPIS/05.164)

 Para quitar e impedir la acumulación de gases, se colocara un tubo de hierro fundido de 200mm de diámetro, en posición aproximadamente vertical, con su extremo inferior abierto a unos 15cm por encima del fondo del tanque.

• Tiempo requerido para digestión de lodos. El tiempo requerido para la digestión de lodos varia con la temperatura, para esto se empleará la tabla. • Frecuencia del retiro de lodos. La frecuencia de remoción de lodos deberá calcularse en base a estos tiempos referenciales, considerando que existiría una mezcla de lodos frescos y lodos digeridos, estos últimos ubicados al fondo del digestor. De este modo el intervalo de tiempo entre extracciones de lodos sucesivas deberá ser por lo menos el tiempo de digestión a excepción de la primera extracción en la que se deberá esperar el doble de digestión.

Tabla. Tiempo de Digestión Temperatura C

Tiempo de digestión en días

5

110

10

76

15

55

20

40

>25

30

• Extracción de lodos

El diámetro mínimo de la tubería para la remoción de lodos será de 0.20 m y deberá estar ubicado 0.15m por encima del fondo del tanque. Para la remoción se requerirá de una carga hidráulica mínima de 1.80 m. Extracción de lodos.(OPS/CEPIS/05.164)

• Área de ventilación y cámara de natas. Para el diseño de la superficie libre entre las paredes del digestor y el sedimentador (zona de espuma o natas) se tendrán en cuenta los siguientes criterios.  El espaciamiento libre será de 1m como mínimo.  La superficie total será por lo menos 30% de la superficie total del tanque.  El borde libre será como mínimo de 0.30m.  Las partes de la superficie del tanque deberán ser accesibles, para que puedan destruirse o extraerse las espumas y los lodos flotantes.

Ventilación.(OPS/CEPIS/05.164)

Lechos de secado de lodos Los lechos de secado de lodos son generalmente el método más simple y económico de deshidratar los lodos estabilizados (lodos digeridos), lo cual resulta ideal para pequeñas comunidades.

Pueden ser construidos de mampostería, de concreto o de tierra (con diques), con profundidad total útil de 50 a 60 cm. El ancho de los lechos de secado es generalmente de 3 a 6m, pero para instalaciones grandes pueden sobrepasar los 10m. El medio de drenaje es generalmente de 0.30m de espesor y deberá tener los siguientes componentes

 El medio de soporte recomendado esta constituido por una capa de 0.15m formada por ladrillos colocados sobre el medio filtrante, con una separación de 0.02 a 0.03m llena de arena.  La arena es el medio filtrante y deberá tener un tamaño efectivo de 0.3 a 1.3 mm  Debajo de la arena se deberá colocar un estrato de grava graduada hasta 0.20m de espesor. Carga de sólidos que ingresa sedimentador C (kg de SS/día).

al

Donde: SS: sólidos en suspensión en el agua residual cruda en mg/l. Q: caudal promedio de aguas residuales.

Lechos de Lodos

TANQUE SÉPTICO

Tanque Séptico Sistema de tratamiento de las aguas residuales domésticas provenientes de una vivienda o conjunto de viviendas, que combina la separación y digestión de sólidos. El efluente es dispuesto por infiltración en el terreno y los sólidos sedimentados acumulados en el fondo del tanque y son removidos periódicamente en forma manual o mecánica.

• Las aguas residuales pueden proceder exclusivamente de las letrinas con arrastre hidráulico o incluir también las aguas grises domésticas (generadas en duchas, lavaderos, etc.). • Uno de los principales objetivos del diseño del tanque séptico es crear dentro de este una situación de estabilidad hidráulica, que permita la sedimentación por gravedad de las partículas pesadas. • El material sedimentado forma en la parte inferior del tanque séptico una capa de lodo, que debe extraerse periódicamente. • La eficiencia de la eliminación de los sólidos por sedimentación dependen en gran medida del tiempo de retención, los dispositivos de entrada y salida y la frecuencia de extracción de lodos (período de limpieza del tanque séptico).

• La materia orgánica contenida en las capas de lodo y espuma es descompuesta por bacterias anaerobias, y una parte considerable de ella se convierte en agua y gases. • Los lodos que ocupan la parte inferior del tanque séptico se compactan debido al peso del líquido y a los sólidos que soportan. • Como el efluente de los tanques sépticos es anaerobio y contiene probablemente un elevado número de agentes patógenos, que son una fuente potencial de infección, no debe usarse para regar cultivos ni descargarse canales o aguas superficiales

Funcionamiento Sedimentación Uno de los principales objetivos del diseño del tanque séptico es crear dentro una situación de estabilidad, que permita la sedimentación por gravedad de las partículas pesadas. Los resultados dependen en gran medida del tiempo de retención, los dispositivos de entrada y salida y la frecuencia de la extracción de lodos (periodo de limpieza del tanque séptico). Si llegan repentinamente al tanque grandes cantidades de líquido, la concentración de sólidos en suspensión en el efluente puede aumentar temporalmente, debido a la agitación de los sólidos ya sedimentados

Flotación

Las espumas, grasas y aceites que son materiales menos densos que el agua flotan en la superficie, formando una nata que puede llegar a endurecerse considerablemente. El líquido pasa por el tanque séptico entre dos capas constituidas por la nata y los lodos. Digestión y compactación de los lodos La materia orgánica contenida en las capas de lodo y natas es descompuesta por bacterias anaerobias, y una parte considerable de ella se convierte en agua y gases. Los lodos que ocupan la parte inferior del tanque séptico se compactan debido al peso del líquido y los sólidos que soportan, además estos deben permanecer en el fondo 2 o 3 años para completar su degradación por acción de los microorganismos.

Estabilización de los líquidos El líquido contenido en el tanque séptico experimenta transformaciones bioquímicas, pero se poseen pocos datos sobre la destrucción de los agentes patógenos.

Como el efluente de los tanques sépticos es anaerobio y contiene probablemente un elevado número de agentes patógenos, que son una fuerte potencial de infección, no debe usarse para regar cultivos ni descargarse en canales o aguas superficiales.

Mantenimiento Una norma sencilla consiste en extraerlos lodos cuando los sólidos llegan a la mitad o a las dos terceras partes de la altura entre el nivel del líquido y el fondo. Para extraer los lodos del tanque séptico, se puede utilizar un camión cisterna aspirador o también pueden extraerse manualmente con cubos. En zonas donde no exista fácil acceso a las plantas de tratamiento o estas no existan en lugares cercanos, se debe disponer de lodos en trincheras y una vez secos proceder a enterrarlos o usarlos como mejorador de suelo.

Eliminación del efluente de los tanques sépticos

El efluente es anaerobio y puede contener gran cantidad de organismos patógenos. Aunque es posible eliminar un alto porcentaje de los sólidos en suspensión. Cuando se descargan los efluentes de un tanque séptico en una zona de infiltración demasiado pequeña o con los poros obstruidos, a menudo se forman charcos, que representan un riesgo potencial para la salud. El efluente se puede tratar por medio de: • Pozos de infiltración o de absorción • Zanjas de infiltración o de percolación • Biojardineras

Pozos de infiltración o de absorción Los pozos utilizados para eliminar el efluente de los tanques sépticos Tienen por lo general una profundidad de 2 a 5 m y un diámetro de 1,0 a 2,5m Su capacidad no debe ser inferior a la del tanque séptico. Se deben instalar tantos pozos como sean necesarios de acuerdo con la capacidad de infiltración del terreno, la distancia entre ellos se regulará por su profundidad o por su diámetro. Zanjas de infiltración o de percolación Cuando la capacidad y el área del terreno lo permita se deben instalar zanjas de infiltración o percolación, que distribuyen el líquido en una extensa zona, reduciendo el riesgo de sobrecarga en el lugar.

Las biojardineras: Son humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales, principalmente las que provienen de una vivienda, aunque también se usan en proyectos de dimensiones mayores como comunidades, residenciales, industrias u hoteles. Una biojardinera es un recipiente o excavación impermeable. No se le debe escapar el agua. Puede construirse con diferentes materiales como concreto, ferrocemento, bloques o ladrillos, plástico reforzado con fibra de vidrio o simplemente logrando impermeabilizar el suelo con telas de plástico o con el mismo suelo, si es arcilloso.

Ventajas

Simplicidad, confiabilidad y bajo costo. Pocos requisitos para el mantenimiento. Los nutrientes de los residuos regresan al suelo. Un sistema diseñado y mantenido correctamente puede durar mas de Veinte años.

Desventajas Las limitaciones de los sistemas sépticos incluyen el tipo y la permeabilidad natural del suelo, el agua subterránea y la topografía. Se deben considerarlas normas referentes a la distancia entre el tanque séptico y el abastecimiento de agua, los limites de propiedad y las Tuberías de drenaje. Los sistemas que no son operados correctamente pueden introducir nitrógeno, fósforo, materia orgánica y patógenos bacterianos y virales a áreas cercanas y al agua subterránea

Principios de diseño

Los principios que han de orientar el diseño de un tanque séptico son los siguientes: Considerar un tiempo de retención de las aguas servidas, en el tanque séptico, suficiente para la separación de los sólidos y la estabilización del líquido. Considerar condiciones de estabilidad hidráulica para una eficiente sedimentación y flotación de los sólidos. Asegurar que el tanque sea lo bastante grande para la acumulación de los lodos y la espuma. Prevenir las obstrucciones y asegurar la adecuada ventilación de los gases.

Factores por considerar para el diseño del tanque séptico : • Debe mantener una relación ancho: largo de 1:3 y profundidad mínima de 1m.

• Debe ser resistente al ataque de los sulfatos y a la acidez. • Debe ser hermético (con una tubería de evacuación de gas).

El tratamiento se desarrolla

• 2da etapa:  Se continua el proceso de biodegradación a través del contacto del agua pretratada con los microorganismos que se encuentran adheridos a las piedras del drenaje.  Se da la percolación del agua a través del suelo.  La piedra debe ser de tamaño que oscile entre 7 y 10 cm.  No se debe colocar plástico para promover vapotranspiración.  El sedimentador debe remover la mayoría de partículas sólidas y pesadas.  El sistema no se puede utilizar si existen mantos acuíferos cerca.  La recolección de sólidos en el tanque séptico debe darse frecuentemente.  El fondo de la zanja debe estar a por lo menos 2 metros del nivel subterránea de aguas.

Diseño de tanque séptico