Tratamiento residuales 2012-1

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDULES Curso de Saneamieinto Ambiental Universidad Nacional de Colombia

Objetivo

Transformar las características iniciales del agua residual a niveles aceptables para cumplir con las normas de vertimiento y reutilización de agua residual tratada, sin causar mayores efectos sobre los cuerpos de agua receptores.

Niveles de tratamiento del agua residual Nivel de tratamiento Preliminar Primario Primario avanzado

Secundario Secundario con remoción

Descripción Remoción de constituyentes del agua residual que puedan causar problemas operacionales o de mantenimiento. Remoción de parte de los sólidos y materia orgánica presentes en el agua residual Remoción intensiva de sólidos suspendidos y materia orgánica presente en el agua residual, generalmente llevada a cabo mediante la adición de insumos químicos o filtración Remoción de compuestos orgánicos biodegradables y sólidos suspendidos. Puede incluir desinfección. Remoción de compuestos orgánicos biodegradables, sólidos suspendidos y nutrientes (nitrógeno o fósforo por separado o en conjunto)

Terciario

Remoción de sólidos suspendidos residuales, en general por filtración en medio granular. La desinfección hace siempre parte del tratamiento terciario.

Avanzado

Remoción de materiales disueltos o en suspensión que permanecen después del tratamiento biológico convencional. Se utiliza cuando se requiere reutilizar el agua tratada o para control de eutroficación.

Clasificación de los métodos de tratamiento En general, los procesos de tratamiento se clasifican en:

Procesos Físicos

Procesos Químicos

Procesos Biológicos

Operaciones físicas unitarias       

Predomina la aplicación de fuerzas físicas Floculación Sedimentación Flotación Filtración Tamizado Mezcla Transferencia de gases

Operaciones químicos unitarios La remoción o transformación de contaminantes se produce por adición de insumos químicos o por reacciones químicas  Precipitación  Adsorción  Desinfección

Operaciones biológicos unitarios   



La remoción de contaminantes se lleva a cabo gracias a la activación biológica Se utilizan principalmente en la remoción de constituyentes orgánicos biodegradables. Estas sustancias se transforman en gases que se escapan a la atmósfera, y en el tejido celular biológico que puede ser removido por sedimentación. También se emplean para remover nutrientes (nitrógeno y fosforo).

Fuente: Mara et al, 1997

Operaciones y procesos unitarios utilizados en pequeños sistemas de tratamiento Remoción de sólidos suspendidos  

Sedimentación/Flotación, cámara de filtración Procesos naturales (humedales artificiales y tratamiento en el suelo)

Compuestos orgánicos biodegradables    

Proceso de lodo activado con aireación Filtros de lecho empacado intermitentes y con recirculación Procesos en lagunas de estabilización Procesos naturales

Procesos aplicados a diferentes sustancias Compuestos orgánicos volátiles 

Procesos naturales

Patógenos    

Cloración Hipocloración Radiación UV Procesos naturales

Nitrógeno  

Nitrificación (reactor de lecho empacado) Procesos naturales

Procesos aplicados a diferentes sustancias Fósforo  

Remoción biológica de fósforo Procesos naturales

Materia orgánica refractaria 

Procesos naturales

Métales pesados  

Precipitación química Procesos naturales

Sólidos disueltos 

Intercambio iónico

-

Osmosis inversa

Métodos de tratamiento y disposición de lodos en pequeños sistemas de tratamiento

  

  

Lodos provenientes de tanques sépticos y lodos biológicos en general Operaciones preliminares Espesamiento Estabilización Desinfección Deshidratación Compostaje Disposición final

Operaciones preliminares  

Bombeo de lodos Trituración de lodos

Desinfección 

Almacenamiento por tiempo prolongado

Espesamiento

Deshidratación





 

Espesamiento por gravedad Espesamiento con filtro de banda Lagunas

  

Estabilización   

Digestión aerobia Almacenamiento en tanques Compostaje

Filtro de banda Lechos de secado de lodos Lagunas Lechos de cañas

Compostaje  

Pila estática aireada Pilas volteadas

Desinfección

Disposición final







Compostaje Estabilización con cal



Aplicación en el suelo Relleno sanitario

Consideraciones para el diseño de una PTAR Caudal afluente y caracterización del agua residual 2. Elección preliminar de procesos 3. Estudios en laboratorio y planta piloto 4. Diagramas de flujo de tratamiento 5. Definición de criterios de diseño 6. Distribución física de los elementos de la PTAR 7. Perfiles hidráulicos 8. Balance de sólidos 9. Planos de construcción y especificaciones 10. Estimación de costos 1.

Alternativas de tratamiento

Alternativas de tratamiento

HUMEDALES

Alternativas de tratamiento

HUMEDALES

Alternativas de tratamiento

IMUESTREO

PREPARACIÓN DE UN PROGRAMA DE MUESTREO Y CARACTERIZACIÓN 

Objetivos: Por qué se requiere hacer la medición?  Parámetros: Cuales son los principales parámetros a medir?  Sitios: Dónde se tomarán las muestras?  Frecuencia: Con qué frecuencia se harán las mediciones?  Muestreo: Cómo se tomarán las muestras y cómo serán preservadas para el análisis posterior?  Métodos: Qué métodos de análisis se aplicarán?  Procesamiento de datos: Qué tipo de procesamiento y manejo se dará a los datos?

OBJETIVOS Y PROPOSITOS DEL MUESTREO

OBJETIVOS Y PROPOSITOS DEL MUESTREO

OBJETIVOS Y PROPOSITOS DEL MUESTREO

OBJETIVOS Y PROPOSITOS DEL MUESTREO   

Establecer si las normas de calidad o vertimiento se cumplen o no Obtener información para el diseño Determinar: - Variaciones en las características - Concentraciones de carga ¨pico¨ - Duración de las descargas y los picos

Muestra

PARÁMETROS A MEDIR 

 

Los parámetros deben responder a las necesidades definidas en los objetivos y a los usos principales del agua Además de escoger los parámetros se deben definir también los niveles o concentraciones de interés Los métodos de muestreo y análisis dependen de las referencias anteriores

PARAMETROS MAS COMUNES Temperatura, pH, turbiedad y color  Sólidos (Todos)  OD, DBO, DQO  Nitrógeno (orgánico y amoniacal)  Fósforo  Otros: Detergentes, metales pesados, alcalinidad, acidez, bacteriológicos 

PARAMETROS QUE PUEDEN SER ANALIZADOS EN CAMPO

Además del caudal, se recomienda la medición in situ de : Temperatura  pH  Oxígeno disuelto  Alcalinidad y acidez 

PUNTOS DE MUESTREO

  

Están determinados por los objetivos del muestreo Por ejemplo, para evaluar el funcionamiento de una planta se debe medir el afluente y el efluente También, por ejemplo, para evaluar el efecto de una descarga en la calidad de un cuerpo receptor hay que seleccionar cuidadosamente varios sitios que incorporen la descarga y la corriente antes y después de la misma. Se debe evitar la toma de muestras cerca de la superficie, fondo u orillas

RECOLECCION Y MANEJO DE MUESTRAS

Los métodos de recolección y manejo de las muestras son diferentes para:  Análisis

químicos  Análisis físicos  Análisis bacteriológicos

PRINCIPIOS BASICOS 

Que la muestra recolectada sea en verdad representativa  Utilización de técnicas de muestreo apropiadas  Preservación de las muestras hasta que puedan ser debidamente analizadas  Es importante que cada muestra llegue al laboratorio con una etiqueta que contenga información completa sobre el origen de la muestra

Equipamiento para muestreo 

Se debe considerar el siguiente equipamiento para el desarrollo de esta actividad: 

 

Equipamiento para muestreo manual. Equipos de muestreo automático. Equipos de medición de caudal.

Equipamiento muestreo manual 

El equipamiento más simple para tomar muestras de aguas en forma manual se compone de:  Balde.  Botellas Muestreadoras  Equipamiento de muestreo debe ser de material compatible

Tipos de muestras 

Existen tres tipos básicos de muestras posibles de recolectar en el monitoreo de aguas superficiales: Puntuales.  Integradas.  Compuestas 



Pueden ser recolectadas manual o automáticamente.

Muestra puntual 

Muestra discreta, tomada de una masa de agua de forma aleatoria; se toma en un período de tiempo que no excede de 15 min.



El volumen total de la muestra se extrae de una sola vez.



Son útiles para determinar la composición del agua en un momento determinado.

Muestra Integrada 

Dos o más muestras mezcladas en proporciones conocidas, tomadas en un período de tiempo mínimo. 



Para determinar la concentración promedio de contaminante. Evaluar en menor tiempo las características de un agua

+

+

Muestra compuesta 

Muestras compuestas por tiempo 



muestras alícuotas discretas de volumen constante, tomadas en intervalos constantes de tiempo.

Muestras proporcionales al flujo 



cuando el tiempo entre muestras es constante, y el volumen de cada muestra es proporcional al flujo en ese momento. volúmenes constantes para cada volumen de flujo en intervalos de tiempo inversamente proporcionales al volumen del flujo.

EFECTOS DE LA ACTIVIDAD MICROBIOLOGICA

Cambios en el balance de nitrógeno  Reducción de fenoles  Disminución de la DBO  Reducción de sulfatos a sulfuros  Variación en concentración de coliformes 

MUESTRAS PARA EL ANALISIS BACTERIOLOGICO

Recipientes esterilizados  Volumen de muestra aproximado de 100 ml  Decloración, cuando se presume que el agua contiene cloro residual  Refrigerar (enfriar a 4°C) 

HUMEDALES

Definición y Concepto

Los humedales son extensiones de marismas, pantanos y turberas o superficies cubiertas de agua, sean estas de régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda de 6 metros (Ramsar Convention, 1971)

Humedal natural

Los humedales naturales son medios semiterrestres con un elevado grado de humedad y una profusa vegetación, que reúnen ciertas características biológicas, físicas y químicas, que les confieren un elevado potencial autodepurador. Las profundidades típicas de estas extensiones de tierras son menores a 0,60 m donde crecen plantas emergentes como juncos, typha (totora), duck weed (lenteja de agua) que contribuye a la reducción de contaminantes a través de procesos aerobios de degradación.

Esquema de humedal natural

Fuente:Llagas, et al.

Humedal Artificial

Un humedal artificial es un sistema de tratamiento de aguas residuales (estanque o cauce) poco profundo, construido por el hombre, en el que se siembran plantas acuáticas para que realicen la depuración con procesos naturales. Los humedales artificiales (wetlands) proporcionan el hábitat para la vida silvestre, y son, estéticamente, agradables a la vista. Por esa razón, se les conoce también como jardines acuáticos.

Esquema de humedal artificial

Fuente:Llagas, et al.

Ventajas

• El sistema puede tener la apariencia de un área recreativa con plantas ornamentales brindando un aspecto decorativo

• Se pueden construir para flujos muy pequeños inclusive

• Son de bajo costo y no requieren personal altamente calificado para su operación y mantenimiento

• Posibilidad de reúso del efluente tratado

Desventajas

• Requieren de grandes áreas de terreno para su construcción. Sin embargo, se pueden ocupar como áreas verdes (1200 m2 /l/s, sólo remoción de DBO).

• Requiere pretratamiento (sedimentación) • El manejo y disposición de las plantas acuáticas puede ser complicado

• La posible obstrucción ó colmatación del material de soporte

Función de las plantas en el sistema

Raíces y/o tallos en la columna de agua

1. Superficies bacterias

sobre

las

cuales

crecen

las

2. Medio de filtración y adsorción de sólidos

1. Atenúan la luz del sol y así previenen el crecimiento de algas Tallos y/o hojas sobre la superficie del agua

2. Reducen los efectos del viento en el agua 3. Importante en la transferencia de gases para y desde las partes sumergidas de la planta

Tipos de humedales

Sistemas superficiales: Estos sistemas consisten básicamente en estanques o canales, con impermeabilización en el fondo para prevenir la filtración + suelo u otro medio conveniente como material de soporte para la vegetación emergente, y una lámina de agua relativamente baja, entre 0,1 y 0,6 m.

Sistema superficial

Sistemas subsuperficiales: Estos sistemas son similares a los filtros horizontales por goteo en las plantas de tratamiento convencionales. Se caracterizan por el crecimiento de plantas emergentes usando el suelo, grava o piedras como sustrato de crecimiento en el lecho del canal. Pueden garantizar un tratamiento hasta nivel secundario. Por eso también suelen emplearse en combinación con lagunas de estabilización.

Sistema subsuperficial

Fuente: WSP

Sistema subsuperficial

Esquema típico de un sistema de humedal

Fuente: WSP

Sistema mixto humedal - lagunas

Costos y requerimientos de área

Fuente: WSP

Restricciones para reúso del agua

Fuente: WSP

LAGUNAS DE ESTABILIZACION

Definición

Son estanques con profundidades hasta de 5 m, generalmente construidos en tierra mediante la modalidad corte-terraplén. Son comúnmente utilizadas para el tratamiento de las aguas residuales domésticas o industriales mediante procesos naturales.

Clasificación

Las lagunas de estabilización se pueden clasificar de diferentes maneras. Por ejemplo:

• • • •

Según el contenido de oxígeno Según la secuencia o ubicación en el sistema Según la función que cumple (propósito) Según el tipo de flujo y/o el régimen de descarga

Clasificación según el contenido de oxigeno

• Anaerobias: sin oxígeno disuelto • Aerobias: con oxígeno disuelto, de aireación natural

• Facultativas: presentan una zona aerobia variable • Aireadas: con aireación artificial

Según la ubicación del sistema

• Primarias: reciben efluentes crudos • Secundarias: reciben efluentes de otros procesos • •

(generalmente de primarias) Terciarias: reciben de lagunas secundarias o de procesos equivalentes Las lagunas, además, pueden estar distribuidas tanto en serie como en paralelo

Según la función que cumplen

• Para remoción de carga orgánica: anaerobias y facultativas

• Para

reducción maduración

• Para

de

coliformes:

Lagunas

de

propósitos múltiples: piscicultura, almacenamiento de lodos, producción de algas ...

Según el régimen de alimentación • Flujo intermitente • Flujo continuo • Adicionalmente, en teoría, pueden ser de flujo en pistón o de mezcla completa.

Lagunas Anaerobias

Características • Son estanques profundos (2 – 5 m) y elevadas cargas orgánicas (> 100g DBO/m3.d) que garantizan condiciones anaerobias permanentes.

• Se emplean para el tratamiento de aguas residuales con una alta concentración de materia orgánica (industriales) o como lagunas primarias en el tratamiento de aguas residuales municipales.

• Un adecuado diseño puede garantizar eficiencias hasta del 70% en remoción de DBO5 (25°C).

• Los tiempos de retención son cortos y generalmente varían entre 1 y 5 días, dependiendo de la concentración del desecho y de la temperatura del lugar. Para aguas residuales domésticas, por lo general, 1 día resulta suficiente a temperatura > 20°C.

Ventajas

La principal ventaja de las lagunas anaerobias consiste en su gran capacidad de asimilación de carga, mayores profundidades y por tanto menor área en comparación con otros tipos de lagunas. Esto, por supuesto, se traduce en una disminución de los costos asociados a la compra de terrenos.

Desventajas

El mayor inconveniente que se presenta con este tipo de lagunas es la emisión de olores desagradables. Por esa razón su ubicación debe ser cuidadosamente estudiada para garantizar un adecuado aislamiento de los sectores urbanos. De todas maneras, se considera que cierta concentración de sulfatos en el agua puede ser benéfica para el proceso. Un pH cercano a 7.5 garantiza una mínima emisión de olor.

Diseño de Lagunas Anaerobias

Criterios Las lagunas anaerobias se pueden diseñar con base en tres criterios:

• La carga orgánica • El tiempo de retención • El modelo de mezcla completa

Diseño por el método de carga Se basa en aplicar una carga orgánica volumétrica (λ) entre 100 y 350 g DBO/m3.d, dependiendo de las condiciones de temperatura.

La ecuación general de diseño es (Mara): λ= SQ/V Donde: λ = carga orgánica volumétrica, en g DBO/m3.d S = DBO afluente, en mg/L o g/m3 Q = caudal, en m3/d V = volumen de la laguna, en m3

Diseño de lagunas anaerobias por el método de carga

Valores de carga y remoción de DBO en función de la temperatura

Temperatura (°C)

Carga orgánica volumétrica (g/m3.d)

Remoción de DBO5 (%)

< 10

100

40

10 – 20

20T – 100

2T + 20

20 – 25

10T + 100

2T + 20

> 25

350

70

T = temperatura (°C)

Fuente: Mara et al, 1997

Diseño por tiempo de retención • El tiempo de retención es función de las características del residuo y de la temperatura.

• Tiempo de retención hidráulico mínimo para una laguna anaerobia: 1 día. • En la planta piloto La Rosita en Bucaramanga, a 24°C, en lagunas anaerobias, con TRH de 0.9 d y cargas volumétricas de 230 g DBO/m3.d se obtuvo una eficiencia del 67% en remoción de DBO total y del 40% en remoción de la DBO5 soluble (Collazos, 1987).

Acumulación de lodo • La tasa de acumulación de lodos en lagunas anaerobias varía entre 0.04 y 0.08 m3/hab.año.

• El número de años de operación entre dos limpiezas consecutivas se puede estimar mediante la siguiente expresión (Romero):

Donde:

0.5V N aP

N = número de años entre dos limpiezas consecutivas V = volumen de la laguna, m3 a = tasa de acumulación de lodos, m3/hab.año P = población equivalente servida, habitantes

Lagunas Facultativas

Características • Son estanques de profundidad media (1 – 2 m)

• El contenido de oxígeno disuelto varía con la profundidad y con la hora del día

• El fondo de la laguna constituye un ambiente anaerobio donde se estabilizan los lodos y sedimentos depositados

• En el estrato superior de la laguna se presenta un fenómeno de simbiosis entre algas y bacterias. El oxígeno requerido para la biodegradación es suministrado por la fotosíntesis: las bacterias heterotróficas descomponen la materia orgánica produciendo compuestos inorgánicos solubles y CO2; las algas sintetizan el CO2 y otros nutrientes y con ayuda de la luz solar producen material celular y el O2 requerido por las bacterias.

• El tiempo de retención mínimo recomendado para lagunas facultativas es de 3 días para temperatura > 20°C (4 ó 5 días para temperatura