Documento de Capacitación Sistema de Tratamiento de

REPÚBLICA DE
NICARAGUA
Ministerio de Fomento Industria y Comercio
UNIÓN EUROPEA
Programa de Apoyo a la Mejora del Clima de
Negocios e Inversiones en Nicaragua
DCI-ALA/2007-019-011
Documento Taller de Capacitación
Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales para el
Sector Café
Impartido por el Centro de Producción más Limpia de Nicaragua
La presente publicación ha sido elaborada con la asistencia de la Unión
Europea. El contenido de la misma es responsabilidad exclusiva del Centro de
Producción más Limpia de Nicaragua y en ningún caso debe considerarse que
refleje los puntos de vista de la Unión Europea.
INTRODUCCIÓN
El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire,
la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el
desarrollo.
La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta
finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas
enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como
de la calidad del agua esta fuera de toda duda.
El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y
cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin
embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la
disponibilidad de agua para uso humano. Mas del 97% del agua total del planeta
se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para
casi ningún propósito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en
estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, podemos
terminar diciendo que para el hombre y sus actividades industriales y agrícolas,
sólo resta un 0,62 % que se encuentra en lagos, ríos y agua subterráneas. La
cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es
aún su distribución irregular en el planeta.
El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas
de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua
es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una
mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel
que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los
ecosistemas.
Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua
de dos formas distintas, bien directamente mediante extracción de las mismas y
posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien
indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas.
Nuestro mundo por muchos años ha sido descuidado y maltratado por nosotros
los seres humanos. La industrialización y el modernismo son algunos factores
que ayudan a la contaminación de nuestro ambiente.
I. GENERALIDADES
1.1 Clasificación de Agua Residual Según su Origen
Antes de hablar de los tratamiento de las aguas residuales debemos
conocer un poco de los tipos de aguas residuales que existen, los tipos de
contaminantes, la clasificación de los contaminantes, la contaminantes
habituales en las aguas residuales, las consecuencias que acarrean los
2
vertidos, los métodos analíticos para el control de la calidad del agua para
poder así familiarizarnos con los diferentes tratamientos.
Las cuatro fuentes de aguas residuales son:
1. Aguas domesticas o urbanas
Son los vertidos que se generan en los núcleos de población urbana como
consecuencia de las actividades propias de éstos.
Los aportes que generan esta agua son:
¾ Aguas negras o fecales
¾ Aguas de lavado doméstico
Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad cuanto a
composición y carga contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los
mismos. Pero esta homogeneidad tiene unos márgenes muy amplios, ya que las
características de cada vertido urbano van a depender del núcleo de población
en el que se genere, influyendo parámetros tales como el número de habitantes,
la existencia de industrias dentro del núcleo, tipo de industria, etc
La cantidad de agua residual domestica normalmente se expresa en litros per
capita por día (L/cap.díia) y se asume como fracción (70-85%) del consume
especifico de agua que oscila entre 60 y 350 L/cap día. El caudal de agua residual
domestica que entra al sistema de alcantarillado puede variar considerablemente
durante el día.
200
180
Caudal, % del promedio
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
0
5
10
15
20
25
Tiempo, horas
Area pequeña
Area mediana
Area grande
Figura 1. Fluctuación del caudal de agua residual domestica durante el día
2. Aguas pluviales.
Estas aguas provienen del sistema de drenaje de calles y avenidas, producto de
lluvias o lixiviados (a menudo se les ve como parte de aguas domésticas). En los
3
países desarrollados esta agua nunca entra a las plantas de tratamiento de agua
residual. En el caso de que el alcantarillado sea combinado, el agua de lluvia entra al
alcantarillado y causa problemas a las plantas de tratamiento por lo que provoca picos
en el caudal de entrada hasta 3-5 veces el caudal normal del tiempo seco. Estos picos
perturban el funcionamiento normal de la planta. Por esta razón, los sistemas de
alcantarillado separado se hacen cada vez mas atractivos:
-
el costo total de inversi6n y de mantenimiento de una planta de tratamiento
aumenta con el aumento de la capacidad de diseño.
-
el funcionamiento de las plantas de tratamiento se ve mas afectado por los
picos hidráulicos y de carga orgánica durante la temporada de lluvias.
El agua pluvial urbana a menudo esta contaminada con emisiones de transito
como grasas, hidrocarburos y metales pesados, en el área rural, con pesticidas,
fertilizantes y estiércol.
3. Aguas residuales industriales
Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de
producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son enormemente
variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los
vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también dentro de un mismo tipo
de industria.
A veces, las industrias no emite vertidos de forma continua, si no
únicamente en determinadas horas del día o incluso únicamente en
determinadas épocas de año, dependiendo del tipo de producción y del proceso
industrial. También son habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo
del día.
Estas son más contaminadas que las aguas residuales urbanas, además,
con una contaminación mucho más difícil de eliminar.
Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el
tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso
un estudio específico para cada caso.
4. Aguas de usos agrícolas
Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90%) provienen del uso
domestico e industrial , la de usos agrícolas y pluviales urbanas están
adquiriendo cada día mayor importancia, debido a que los escurrimientos de
fertilizantes (fosfatos) y pesticidas representan los principales causantes del
envejecimiento de lagos y pantanos proceso llamado eutrofización.
4
1.2. Clasificación de los Contaminantes
Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son
muchas y diversas. Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías:
1.2.1 Contaminantes químicos. Estos componen tanto productos químicos
orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de
productos orgánicos es la disminución del oxigeno como resultante de la
utilización del existente en el proceso de degradación biológica, llevando con ello
a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de
compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico,
mas que una disminución de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los
compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la
disminución del mismo.
™ Contaminantes Orgánicos:
Son compuestos cuya estructura química está compuesta fundamentalmente por
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los contaminantes mayoritarios en
vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria.
Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales
son:
a) Proteínas: Proceden fundamentalmente de excretas humanas o de
desechos de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante
inestables y responsables de malos olores. Son portadores de nitrógeno
y fósforo.
b) Carbohidratos: Incluimos en este grupo azúcares, almidones y fibras
celulósicas. Proceden, al igual que las proteínas, de excretas y
desperdicios.
c) Aceites y Grasas: Son todas aquellas sustancias de naturaleza
lipídica, que al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la
superficie dando lugar a la aparición de natas y espumas. Estas natas y
espumas entorpecen cualquier tipo de tratamiento físico o químico, por
lo que deben eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un
agua residual. Son altamente estables, proceden de desperdicios
alimentarios en su mayoría, a excepción de los aceites minerales que
proceden de otras actividades.
d) Otros específicos: Incluiremos varios tipos de compuestos, como los
tensoactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su
origen es muy variable y presentan elevada toxicidad.
™ Contaminantes Inorgánicos:
Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases
inorgánicas, metales pesados, etc.
5
Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son más abundantes
en los vertidos generados por la industria.
Los componentes inorgánicos de las aguas residuales estarán en función
del material contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente
contaminante. Un ejemplo clásico de contaminante inorgánico es arena.
Entendemos como tales, a una serie de particular de tamaño apreciable y que
en las masas de agua cuando están en movimiento, o bien forman depósitos de
lodos si encuentran condiciones adecuadas para sedimentar.
1.2.2 Contaminantes Físicos
Incluyen:
•
•
•
•
Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por
su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de
reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las
aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes
después de ser usadas en intercambiadores.
El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas
residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin
embargo como quiera los compuestos orgánicos son descompuestos por
las bacterias, el oxigeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el
color cambia a negro.
La turbidez originada por los sólidos en suspensión.
Espumas y la radioactividad
1.2.3 Contaminantes Biológicos
Son organismos que pueden ir en mayor o menor cantidad en las aguas
residuales y que son capaces de producir o transmitir enfermedades
(el cólera y la tifoidea).
1.2.4 Composición de Agua Residual
Por lo general los contaminantes del agua residual domestica constituyen una
mezcla muy compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos que prácticamente
es imposible obtener un análisis completo de cada uno de los componentes
presentes. Sin embargo, para diseñar y operar una planta de tratamiento es
suficiente conocer algunos parámetros básicos para caracterizar el estado de agua
cruda a tratar.
Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos
componentes, se clasifica en fuerte, media y débil. Debido a que la
concentración como la composición va variando con el transcurso de tiempo,
con los datos siguientes solo se pretende dar una orientación para la
clasificación de las aguas servidas.
6
Tabla 1. Concentración de diferentes contaminantes en el agua residual (mg/l)
Constituyente
Fuerte
Media
Débil
Sólidos, en total
1200
700
350
Disueltos, en
total
850
500
250
350
250
100
Demanda
Bioquímica de
Oxigeno
300
200
100
Nitrógeno
85
40
20
Amoniaco Libre
50
25
12
Fósforo
20
10
6
Alcalinidad
200
100
50
Grasa
150
100
50
Suspendidos, en
total
1.3 Consecuencias en Medio Ambiente Provocado por los Vertidos
1.3.1 Aparición de fangos y flotantes
Existen en las aguas residuales sólidos en suspensión de gran tamaño que
cuando llegan a los cauces naturales pueden dar lugar a la aparición de
sedimentos de fango (lodo) en el fondo de dichos cauces, alterando seriamente
la vida acuática a este nivel, ya que dificultará la transmisión de gases y
nutrientes hacia los organismos que viven en el fondo.
Por otra parte, ciertos sólidos, dadas sus características, pueden
acumularse en las orillas formando capas de flotantes que resultan
desagradables a la vista y además, pueden acumular otro tipo de contaminantes
que pueden llevar a efectos más graves.
1.3.2 Agotamiento del contenido de oxígeno
Los organismos acuáticos precisan del oxígeno disuelto en el agua para poder
vivir. Cuando se vierten en las masas de agua, residuos que se oxidan
fácilmente, bien por vía químico o por vía biológica, se producirá la oxidación
con el consiguiente consumo de oxígeno en el medio.
7
Si el consumo de oxígeno es excesivo, se alcanzarán niveles por debajo
del necesario para que se desarrolle la vida acuática, dándose una muerte
masiva de seres vivos.
Además, se desprenden malos olores como consecuencia de la aparición
de procesos bioquímicos anaerobios, que dan lugar a la formación de
compuestos volátiles y gases.
1.3.3 Daño a la salud pública
Los vertidos de efluentes residuales a cauces públicos, pueden fomentar
la propagación de virus y bacterias patógenos para el hombre.
1.3.4 Eutroficación
Un aporte elevado de nitrógeno y fósforo en los sistemas acuáticos propicia un
desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y
fitoplancton y plantas superiores. Estas poblaciones acaban superando la
capacidad del ecosistema acuático, pudiendo llegar a desaparecer la masa de
agua.
1.3.5 Otros efectos
Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes
muy específicos, como valores de pH por encima o por debajo de los límites
tolerables, presencia de tóxicos que afecta directamente a los seres vivos, etc.
En la tabla 2 está presentado un resumen de lo anterior
Tabla 2. Principales contaminantes del agua residual municipal y su impacto
Contaminante
Sólidos Suspendidos
Compuestos
orgánicos
biodegradables
Patógenos
Nutrientes
Compuestos
orgánicos
refractarios
Impacto que ocasiona en el Medio Ambiente
Llevan a deposici6n de lodos lo que provoca condiciones
Ejercen demanda del oxigeno lo que crea condiciones anaerobias y
provoca malos olores
Las enfermedades infecciosas pueden transmitirse por medio de los
patógenos en el agua residual. Este factor es especialmente
importante cuando el agua residual tratada se pretende usar en
agricultura para el riego.
Nitrógeno y fósforo son nutrientes esenciales para la vida acuática.
La presencia de estos provoco un excesivo crecimiento de algas lo
que conlleva a reducci6n de la biodiversidad acuática, disminución
de la concentración del oxigeno y problemas tóxicos.
Estos compuestos resisten al tratamiento convencional. Ejemplo
típico de estos es: detergentes, fenoles y pesticidas.
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Metales pesados
Tiene importancia cuando el agua residual o lodos están en mira de
reuso
Inorgánicos disueltos Los sólidos disueltos tienen relevante importancia cuando el agua
residual es usada en la agricultura. La producci6n de granos, de
proteína en acuacultura (pescado, plantas acuáticas) puede
1.4 Necesidad del Tratamiento de Aguas Usadas
Tradicionalmente las excretas humanas formaban las aguas negras y se
depositaban en sistemas sanitarios tipo letrinas o tanques sépticos (sistema en el
sitio). La parte sólida se acumulaba en el misino tanque y posteriormente se
biodegradaba de manera natural. La parte liquida de las deposiciones se infiltraban
en subsuelo o se descargaban a los canales (abiertos o cerrados) del drenaje de
agua de lluvia.
Sin embargo, con la urbanización y el crecimiento de la población se incrementó
el consumo del agua {en litres por capita por día) de tal manera que supera la
capacidad de infiltración local del sucio. En las áreas de alta densidad de población
las alcaldías se ven obligadas recolectar y transportar todos los flujos de agua
residual por medio de sistemas de alcantarillado separados o combinados hacia
las plantas de tratamiento.
En Europa la cobertura del alcantarillado convencional difiere de país a país: 50%
en Grecia, mas de 98 % en Holanda. En Estados Unidos la cobertura es menor
por la existencia de muchas comunidades de baja densidad poblacional.
Últimamente, se ha incrementado un gran interés por prevenir o minimizar la
contaminación del agua tanto del uso domestico como industrial.
El principal objetivo del tratamiento de agua residual es protección del Medio
Ambiente de:
1) alto contenido de sólidos suspendidos
2) alta carga de materia orgánica y consecuentemente bajo nivel de
oxigeno
3) alto contenido de nutrientes (como N y P) que provocan
eutroficación
4} carga de las sustancias peligrosas no-biodegradables
4) contaminación de (micro)-organismos patógenos
Con el fin de:
1) establecer y mantener saludable el medio acuático para la flora y fauna
2) garantizar a
la humanidad el uso de recurso acuático para
diferentes propósitos
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3) (abastecimiento de agua, recreación, pesca, navegación, irrigación etc.)
4) prevenir las enfermedades que se transmiten por agua.
El Gobierno de Nicaragua en conjunto con el Ministerio de Medio Ambiente
en 1995 estableció las normas para los efluentes que provienen de las
industrias y son descargadas en los receptores naturales de agua. Ahora la
palabra la tienen los ingenieros sanitarios, civiles y ambientalistas en general
para encontrar las soluciones más viables en materia de tratamiento de estas
aguas.
1.5 Métodos Analíticos para el Control de la Calidad del Agua
1.5.1 Color, olor y sabor
La coloración de un agua puede clasificarse en verdadera o real cuando
se debe sólo a las sustancias que tiene en solución, y aparente cuando su color
es debido a las sustancias que tiene en suspensión. Los colores real y aparente
son casi idénticos en el agua clara y en aguas de escasa turbidez.
La coloración de un agua se compara con la de soluciones de referencia
de platino-cobalto en tubos colorimétricos, o bien con discos de vidrio coloreados
calibrados según los patrones mencionados.
El olor puede ser definido como el conjunto de sensaciones percibidas por
el olfato al captar ciertas sustancias volátiles. El procedimiento normalmente
utilizado es el de ir diluyendo el agua e examinar hasta que o presente ningún
olor perceptible. El resultado se da como un número que expresa el límite de
percepción del olor, y corresponde a la dilución que da olor perceptible. Debido
al carácter subjetivo de la medida, es recomendable que la medida la realicen al
menos dos personas distintas, comparando la percepción con la de un agua
desodorizada. Debe evitarse, como es lógico, en todo lo posible, la presencia de
otros olores en el ambiente.
Por último, la evaluación del sabor, se realiza por degustación del agua a
examinar, comenzando por grandes diluciones, que se van disminuyendo hasta
la aparición del sabor. Este ensayo no se realiza mas que en aguas potables.
1.5. 2 Turbidez
La turbidez de un agua se debe a la presencia de materias en
suspensión. Finamente divididas; arcillas, limos, partículas de sílice, materias
inorgánicas. La determinación de la turbidez tienen un gran interés como
parámetro de control en aguas contaminadas y residuales. Se puede evaluar en
el campo o en el laboratorio.
10
1.5.3 Materia sólida
La materia sólida presente en un agua suele agruparse en tres
categorías. La clasificación se basa en diferente tamaño de las partículas, y
según éste pueden ser divididos en disueltos, coloidales o suspendidos.
La materia decantable se determina dejando en reposo un litro de agua
en un cono o probeta graduada. El resultado se expresa como mililitros de
materia decantada por litro de agua.
La determinación de las materias en suspensión en el agua puede
realizarse por filtración o por centrifugación. La filtración se realiza a vacío sobre
un filtro. El filtro con el residuo es nuevamente secado y pesado. La diferencia
entre este peso y el que teníamos antes del filtro solo, proporciona el valor de los
sólidos.
1.5.4 pH
Las medidas de PH se realizan con un electrodo de vidrio, el cual genera
un potencial que varía linealmente con el PH de la solución en la que está
inmerso. El electrodo consiste en una célula con un potencial controlado por la
actividad del protón a cada lado de una membrana de vidrio muy fina.
Este método se utiliza si se quiere obtener medidas muy precisas y puede
aplicarse a cualquier caso particular.
1.5.5 Dureza
También llamada grado hidrotimétrico, la dureza corresponde a la suma
de las concentraciones de cationes metálicos excepto los metales alcalinos y el
ion hidrógeno En la mayoría de los casos se debe principalmente a la presencia
de iones calcio y magnesio, y algunas veces también se unen hierro, aluminio,
manganeso y estroncio.
1.5.6 Acidez y Alcalinidad
La acidez de un agua corresponde a la presencia de anhídrido carbónico
libre, ácidos minerales y sales de ácidos fuertes y bases débiles.
La alcalinidad de un agua corresponde a la presencia de los bicarbonatos,
carbonatos de hidróxidos.
La depuración de las aguas residuales es un proceso que persigue
eliminar en la mayor cantidad posible la contaminación que lleva un vertido
antes de que éste incida sobre un cauce receptor, de forma que los niveles de
contaminación que queden en el efluente ya tratado puedan ser asimilados de
forma natural.
11
1.6 El Grado de Purificación de Agua Residual
Técnicamente, aguas residuales municipales pueden ser purificadas hasta el
punto de convertirse en agua potable cumpliendo con todos los parámetros
estándares para la misma. Sin embargo, el costo del tratamiento crece
exponencialmente con el grado de remoción de los contaminantes.
Los procesos de tratamiento del agua residual según el grado de remoción de
contaminantes que se puede lograr se clasifican en los siguientes:
Tratamiento primario (o preliminar) consiste en remoción física del
material (basura) flotante y suspendida del agua residual cruda.
Tratamiento secundario incluye procesos biológicos para remover
materia orgánica. Esta comprobado que !os procesos físico-químicos de
tratamiento para reducir BOD tienen baja eficiencia y elevados costos, además a
menudo presentan dificultades operacionales.
Tratamiento terciario (o avanzado) intenta eliminar los contaminantes
que no han sido removidos en el tratamiento primario ni secundario. Este se
refiere a procesos dirigidos a remoción de N y P de alto grado, así como una
profunda remoción de sólidos suspendidos y materia orgánica, desinfección y
eliminación de micro contaminantes no-biodegradables.
Terciario
Secundario
Primario
Preliminar
Remoción, %
DBO
TSS
TN
TF
30
60
15
15
50 -70
80-90
25
75
90-95
90-95
40
90
>95
>95
>80
>90
Figura 2. Relación de costos de tratamiento de agua residual en dependencia
de la calidad del efluente
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Existen varios procesos y operaciones unitarias para llevar a cabo los
métodos de tratamiento mencionados arriba. La selecci6n de la tecnología
mas apropiada depende de las condiciones locales como disponibilidad de
personal calificado, equipamiento, abastecimiento energético confiable,
disponibilidad del terreno y sobre todo los fondos suficientes.
La Tabla 3 presenta un resumen de las tecnologías mas comunes para el
tratamiento de agua residual domestica:
Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento de agua residual en
primario, secundario y terciario
Tratamiento primario Tratamiento secundario
Tratamiento terciario
Calidad minima
Calidad media
Alta calidad
Cribado
Lodos activados
Remocion biologica de
nutrientes
Remoción de arenisca
Aireaci6n extendida
Filtraci6n
Sedimentación
Lagunas aeróbicas
Precipitación química
Flotación
Lagunas de estabilizaci6n
Adsorción
Separación de aceites
Intercambio iónico
Filtro percolador
Discos rotatorios
Métodos anaerobios
Electrodiálisis
Desinfección
1.7 Selección de la Tecnología para el Tratamiento de Agua Residual
¿Como y en que condiciones una comunidad toma la decisión de tratar sus aguas
residuales?
Existen dos maneras para llegar a esta decisión:
1. La comunidad toma la conciencia de la necesidad de tratar las aguas
residuales cuando atraviesa series problemas de la salud publica
ocasionados por la extrema contaminaci6n ambiental.
2. Presionados por las regulaciones del Gobierno.
Para enfrentar la tarea de tratar las aguas residuales la comunidad necesita
contar con los científicos para asentar las normas de calidad de agua tratada,
con los ingenieros para encontrar la soluci6n mas viable de tratamiento y
diseñar la planta, y por ultimo se necesitan los técnicos para operar la planta.
En los piases como el nuestro, de escasos recursos pero abundante nocalificada (y por lo tanto muy barata) mano de obra, las soluciones de
13
tratamiento deben dirigirse hacia tecnologías menos mecanizadas, con el
menor nivel de automatización de los procesos de control, de tal manera que
para la construcción, operación, mantenimiento y reparación se aprovecha el
recurso humano nacional y no se importen mecanismos y tecnologías
sofisticadas.
Cabe mencionar, que en vista que la demanda del agua potable crece de día a
día al nivel mundial, es necesario agotar todas las posibilidades de dar un
segundo uso al agua servida, después del tratamiento esta puede ser utilizada en
la agricultura, en acuicultura o para recarga de agua subterránea.
Primario
Patógenos
Demanda de O2
SELECCIÓN DE
LA
TECNOLOGÍA
Secundario
Terciario
Nutrientes (N y P)
Sólidos
sedimentables
Microcontaminante
s
Tratamiento
físicoquímico
Tratamiento
natural
Tecnología del tratamiento
ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL
El objetivo operacional de las plantas de tratamiento es alcanzar dichas normas
de calidad de agua que se descarga a los receptores naturales.
Recreación Eutroficación Transporte Ecología Re-uso
OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO ⇔ NORMAS DE CALIDAD
Figura 3. Selección de la tecnología de tratamiento apropiada
II. MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
Los métodos de tratamiento en los que predominan la aplicación de principios
físicos se conoce como Tratamiento Primario. Los métodos de tratamiento en
los que la eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o
biológica es conocido como Tratamiento Secundario. Recientemente el
Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o
procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados
por los tratamientos antes mencionados.
14
2.1 Tratamiento Primario
El tratamiento primario del agua residual domestica se refiere a procesos
mecánicos para remover basura flotable y sólidos suspendidos en orden de
preparar el caudal para ser tratado en las operaciones subsiguientes. Es por
eso que el tratamiento primario a veces llaman tratamiento mecánico y este
incluye: cribado, desarenado y sedimentaci6n primaria.
2.1.1 Cribado
Las Cribas y rejillas sirven para eliminar partículas contaminantes gruesas
(como papeles, bolsas plásticas y otras basuras flotantes) para evitar daños en
las bombas, aireadotes y vertederos.
Según el tamaño de las partículas que retienen (lo que determina la distancia
entre las barras de una criba) las cribas se puede clasificar en finas, medianas y
gruesas. Las cribas finas pueden lograr un nivel muy alto de remoción de sólidos
pero tienen problema de un frecuente atascamiento. Las cribas gruesas usan en
pre-cribado para proteger y asegurar el buen funcionamiento de la criba fina que
lo sigue.
En términos de operación, las cribas pueden ser divididas en manuales y
mecánicas.
Las barras de las cribas manuales tienen un grosor de 10 mm y están inclinadas
entre 30-40°. De esta manera se aumenta el área de la sección por donde pasa
el flujo del agua entre las barras lo que facilita la remoci6n (limpieza) manual del
cribado. El ancho del canal de flujo de agua hacia la criba no puede ser mas de
0.5 m y la profundidad no mas de 1.5 m para facilitar el trabajo manual de
limpieza.
Las cribas mecánicas tienen inclinaci6n de 45 a 80° respecto al horizonte, la
profundidad del canal siempre es más grande en comparaci6n a la criba
manual. Los sistemas con el cribado mecánico proporcionan mejores condiciones
de la limpieza, esta es mas confiable y mas frecuente (es regular). El cribado
mecánico es mas eficiente, lo que se demuestra por mayores cantidades del material
desechado capturado en el agua residual. El régimen de operación de una criba
mecánica puede ser: 1) encendido - apagado manual, 2) instalación de un timercontrol (por ejemplo limpieza cada 5 minutos), o 3) interruptor electrónico según el
nivel del agua.
15
a)
b)
Figura 4. Criba manual (a) y mecánica (b)
2.1.2 Desarenado
La remoción de arenisca de las aguas residuales en las primeras etapas del
tratamiento es necesaria por varias razones:
1. Prevenir el desgaste y rayado de los equipos mecánicos como bombas,
aireadores
2. Reducir la formaci6n de las deposiciones de material arenoso y
consecuentemente
atascamiento en las unidades de operación subsiguientes y tubos de transporte.
3. Evitar la acumulaci6n de los s61idos incites en el lodo primario que
perjudicara el
funcionamiento del reactor de lodos.
El objetivo del desarenado es remover las pesadas partículas de arena (arenisca)
con el diámetro mayor de 0.2 mm. Al mismo tiempo, las partículas de materia
orgánica (de bajo peso) tienen que permanecer en la suspensión para ser tratadas
en las subsiguientes etapas. Eso puede ser logrado por medio de:
-
-
manteniendo la velocidad horizontal del flujo de agua vH, a 0.3 m/s.
creando condiciones de turbulencia (hidráulicamente, mecánicamente o por
aireación)
lo que previene la sedimentación de las partículas orgánicas.
proporcionando suficiente tiempo para que las partículas de arenisca se
sedimenten con
una velocidad de precipitación vs.
Para las partículas de la arenisca con la velocidad de sedimentación vs (m/h)
el tiempo requerido para alcanzar el fondo del desarenador con la profundidad D
es:
t = D/vs
16
El tiempo de retención hidráulica en el desarenador es igual a éste t:
t = D.vs = V/Q
donde
Q
L, W, D
A
vs = Q/L.W = Q/A
es la máximo caudal, m/h
son el largo, ancho y alto de la unidad del sistema de
desarenador
es el área de la superficie de la unidad del sistema
desarenador
De esta ecuación se puede ver que la velocidad de sedimentación vs es igual a
Q/A, o sea que la profundidad del desarenador no afecta la eficiencia de la
remoción de arenisca sino el área del sistema. Por esta razón, vs generalmente
es llamada "carga superficial". Normalmente vs es igual a 30-40 m3/m2 h, esta
velocidad asegura que todas las partículas de arenisca del Ø >0.2 mm precipite
según la ley de Newton.
Para llevar a cabo el proceso de desarenación se utilizan diferentes
estructuras y mecanismos.
A) Canales abiertos son las estructuras simples en el diseño y operación y se
utilizan como desarenadores en las pequeñas plantas de tratamiento. El
desarenador rectangular tiene la velocidad horizontal
VH = Q/W D <0.30m/s
y la velocidad de precipitación vs < 40m/h (0.011 m/s). Utilizando los valores
típicos para VH y vs (indicados arriba), el largo de un desarenador rectangular se
puede calcular como:
L - (vH/vs) D = 0.3/0.011 D = 27.3 D.
Los desarenadores rectangulares tienen muchos problemas de operación con
los caudales en fluctuación, ya que esta afecta directamente VH y vs. El efecto
de fluctuaciones en el caudal se trata de evitar o minimizar de muchas maneras.
Una de las opciones es instalando un sistema multicanal, el cual consiste en la
conexión paralela de varios canales que se pueden activar en horas pico en
dependencia de la demanda según el caudal.
17
Figura 5. Perfil de un drenaje con by-pass
Figura 6. Plano de un desarenador de dos canales abiertos
Otra opción para mantener vH, y v, constante en el marco de los limites es
crear un desarenador con la forma parabólica de perfil. En este caso cuando
aumenta el caudal aumenta el área superficial y v, se amortigua contra mayores
fluctuaciones. Para mantener constante la VH, en el final de los canales
parabólicos acostumbran ubicar vertederos, mecanismos que permitan controlar
la velocidad.
Para reducir la frecuencia de la limpieza de un desarenador a 1-2 veces por
semana, en la parte inferior del mismo se provee una pila de almacenamiento
de arenisca. Normalmente, la pila de almacenamiento se hace de 0.2-0.3 m de
profundidad para recolectar el material inerte durante varios días de operación
continua. El proceso de remoción puede ser manual o mecánico, el último es
más caro pero más practico cuando se trata de una planta de tratamiento
grande.
En la operación de un desarenador el "lavado de arenisca" es una practica
común Este proceso asegura que a cierta velocidad del caudal las partículas
orgánicas son re-suspendidas mientras del fondo del desarenador, mientras
la arenisca permanece sedimentada. Este procedimiento reduce la cantidad
del material recolectado, reduce su impacto medioambiental, sirve para prevenir
la formaci6n de malos olores.
18
La velocidad horizontal del flujo de agua para asegurar la resuspensión de las
partículas orgánicas debe ser mas de 0.1 m/s. Para el diseño de los
desarenadores el valor de VH que se utiliza con mayor frecuencia es de 0.3 m/s.
B) Desarenador de aeración. Además de los canales abiertos, para remover
arenisca se utilizan otros tipos de sistemas como desarenador aireado con el
flujo helicoidal. El flujo helicoidal esta creado por un difusor de aire instalado
en el sistema. Las partículas orgánicas se mantienen en la solución mientras
que las pesadas partículas de arena y arenisca precipitan en el fondo.
Normalmente el tiempo mínimo de retenci6n de 3-4 minutos y el flujo del aire 0.51.0 m3 aire/m3 de volumen del desarenador por hora es suficiente para la
separación de las partículas.
Figura 7. Desarenador de flujo helicoidal en cámara de aire
Este sistema del desarenador se recomienda utilizar en plantas de tratamiento
grandes. La ventaja de desarenación aireada es el "refrescamiento" de las aguas
residuales lo que permite reducir las posibilidades de formación de olores durante la
siguiente etapa de tratamiento: sedimentaci6n primaria.
2.1.3 Sedimentación primaria
El proceso de sedimentación primaria tiene por objetivo remover la materia
orgánica suspendida de las aguas residuales a tratar y de esta manera reducir la
carga contaminante para la siguiente etapa: tratamiento biológico. En la
sedimentación primaria la eficiencia de la remoci6n de los sólidos orgánicos
suspendidos depende de los siguientes factores:
19
- velocidad de la sedimentación (la carga superficial), vs
- tiempo de retención hidráulica, t
- concentraci6n de los TSS en el caudal
Remoción, %
Normalmente para el agua residual domestica la vs debe ser en el rango de 12.5m/h, mientras que el tiempo de retención puede oscilar entre 1-2 horas.
Como puede ser observado en la Figura 8, la remoción de BOD y TSS son
fuertemente afectados por el grado de contaminación del agua residual.
Tiempo, horas
Figura 8. Remoción de BOD y TSS en por ciento como función del tiempo de
retención
El grado de remoción se puede aumentar hasta 65-85% utilizando la
coagulación química y floculación. Al mismo tiempo esto permite reducir el
contenido de fósforos. Cabe mencionar que este grado de remoci6n solo se
puede mantener en las condiciones cuando el caudal de entrada al tanque
sedimentador es estable. En la práctica, el viento, cambio de temperaturas del
aire, densidad del flujo del agua a tratar reducen la eficiencia de remoción de BOD
y de los sólidos suspendidos (TSS).
El viento provoca la circulación del agua
20
Surge el gradiente de temperatura
c) flujos de mayor densidad
Figura 9. Las condiciones no-ideales en la circulaci6n de un tanque de precipitación
2.1.3.1 Tipos de tanques para sedimentación primaria
Los tanques de sedimentaci6n pueden ser clasificados en:
•
•
•
tanques rectangulares y circulares con el fondo piano
tanques de los flujos verticales y horizontales
tanques sedimentadores tipo Imhoff
La mayoría de los tanques tienen el fondo piano y utilizan el flujo horizontal
de agua residual, son muy confiables en operación y proporcionan alta
remoción de TSS. Esos tanques necesitan un mecanismo para recolectar y
evacuar el lodo que se forma en el fondo.
•
Para los tanques rectangulares generalmente, la relaciona L: B es
de 4-6 y L: D es de por lo menos 12, aunque nunca el largo máximo de un
tanque es de 60 metros. La relación L: D de 25: 1 asegura un flujo estable y
como consecuencia, alta eficiencia de la remoción de sólidos. El tiempo de
retención es de 1.5 a 2.0 horas.
Las ventajas de un tanque sedimentador rectangular son las siguientes:
21
-
relativamente baja demanda del terreno
alta estabilidad del flujo
posibilidad de construir series de tanques utilizando las paredes comunes.
•
Hablando de los tanques circulares, son muy susceptibles a las
perturbaciones de las corrientes del viento y cambio de temperatura. A la hora
de construir varios tanques los elementos de uno no se puede usar para el otro
(como las paredes comunes de los tanques rectangulares) y eso encarece la
obra, además que se requiere mas área para construcción. El alto de la pared
del tanque circular normalmente es de 2-3 m, solo en el caso de que el nivel de
las aguas subterráneos sea muy alto, la altura del tanque no accede a 1.5-2 m.
La pendiente del fondo del tanque en la parte de sedimentaci6n es de 8-10%,
mientras que en la parte de la deposición de lodo es de 60°. El diámetro de los
tanques circulares llega hasta 20m.
Figura 10. Perfil de un tanque de sedimentación primaria
•
Los tanques tipo Imhof tienen doble función: sedimentaci6n del material
suspendido y digestión de las partículas sedimentadas. Esto se debe a que el
tanque Imhoff posee dos compartimientos, en el compartimiento superior se da
la sedimentaci6n y acumulación de lodos, mientras que en la parte inferior
tiene lugar el proceso de digesti6n y almacenamiento de lodo. Los tanques
Imhoff fueron desarrollados en Alemania para simplificar el diseño de una planta
de tratamiento (en un equipo se dan dos operaciones). La decisión de la
construcción de un Imhoff en lugar de un tratamiento tradicional donde la
sedimentación se realiza separado de la digesti6n, se hace en
dependencia de las condiciones locales como: costo del terreno, estabilidad
del suelo, nivel del agua subterránea, capacidad de planta de tratamiento,
temperatura del ambiente. Los tanques Imhoff en ocasiones llegan hasta
más de 10 metros de altura debido a que poseen 2 compartimientos. Estos
no necesitan ningún mecanismo para remover el lodo que se acumula se el
fondo del primer compartimiento ya que la pendiente que llevan las paredes es
de 60° y eso facilita que lodo escurre por su propio peso a la secci6n de
deposito de donde se evacua después de un tiempo prudente de digesti6n. En
22
la actualidad los tanques tipo Imhoff casi no se construyen por las dificultades
que presenta su construcci6n en las áreas donde el suelo no es suficientemente
estable o el nivel freático es alto.
Figura 11. Perfil del tanque Imhoff con tres compartimientos
2.1.3.2 Flotación
Si el proceso de sedimentación no es efectivo para un cierto tipo de agua residual,
para eliminar la materia suspendida se puede implementar el método de flotación. El
método de flotación consiste en lo siguiente: las burbujas de agua liberadas bajo
presión en la parte inferior del tanque de flotación suben arrastrando a la superficie
los sólidos suspendidos en forma de torta que puede ser eliminada con un
mecanismo de escarbador especial. Normalmente este tipo de remoción primaria
de sólidos suspendidos se utiliza para las aguas residuales de los procesos de
producción de celulosa y papel ya que el proceso de flotación es muy efectivo para
recuperaci6n de los materiales fibrosos antes de desechar el agua al alcantarillado.
Otra ventaja que tiene esta operación unitaria es que la unidad es muy compacta.
El método de flotación, con diferentes dispositivos también se utiliza para remover las
grasas y aceites en el tratamiento preliminar.
2.2 Tratamiento Secundario (Tratamientos Biológicos)
Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se
pueden eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el material
que debe ser eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica
usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia
orgánica en CO2, es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son
procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales.
El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de
23
microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a
ríos o a otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento
biológico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya
que este esta ligado íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales
pueden ser aerobios y anaerobios.
El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de
reacciones complejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de
diferentes especies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales
orgánicos en CO2 y gas metano, este ultimo se puede separar y quemar como
una fuente de energía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el
efluente líquido ha disminuido notablemente su contenido en sustancias
orgánicas. La eficiencia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de
porcentaje de disminución de la DBO inicial.
A. Procesos Aeróbicos
En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el
aporte de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y
aireación sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su
actividad para degradar crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las
sustancias orgánicas e inorgánicas acompañantes productoras de
enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de
bacterias y hongos de las aguas residuales, los flóculos que, con una intensidad
de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro de unos milímetros
dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se ve posibilitada
por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las microfibrillas de la
pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 – 50% de las
sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 –
60% de las mismas se degrada.
La acción depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el
porcentaje de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha
disminución depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de
residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa
asi mismo en unidades de DBO. El numero de bacterias de los fangos activados
asciende a muchos miles de millones por ml, entre ellas aparece regularmente la
bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que forma grandes colonias con
numerosas células encerradas en una gruesa cubierta mucilaginosa común, las
células individuales libres se mueven con ayuda de flagelos polares. Entre las
bacterias de los flóculos predominan las representantes de géneros con
metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcalígenas,
Arthrobacter, Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium.
Pero también se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son
24
fermentativas en ausencia de sustratos oxigenados, de los generos Aeromonas,
Enterobacter, Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas
las bacterias contribuyen con las cápsulas de mucílago y con las microfibrillas al
crecimiento colonial y a la formación de los flóculos.
En las aguas residuales con una composición heterogénea, la microflora
se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la selección de
bacterias y en la circulación y formación de flóculos juegan un importante papel
los numerosos protozoos existentes, la mayoría de ellos ciliados coloniales y
pedunculados de los géneros Vorticela, Epystilis y Carchesium, aunque también
puedan nadar libremente como los Colpidium que aparecen a la par de ellos,
alimentándose de las bacterias de vida libre que se encuentran tanto sobre la
superficie como fuera de las colonias. Su función es esencial en la consecución
de unas aguas claras y bien depuradas. La salida de los fangos activados
sintéticos libres de ciliados se ve contaminada y enturbiada por la presencia de
bacterias aisladas. Se realiza una inoculación de ciliados que crecen
rápidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la
circulación de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas
limpio. Además en los fangos activados aparecen regularmente hongod edaficos
y levaduras, siendo las mas frecuentes las especies de Geotrichum,
Trichosporum, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium.
Tras la depuración biológica, las aguas residuales contienen compuestos
orgánicos, fosfatos y nitratos disueltos que solo se degradaran ya lentamente.
Los nitratos se forman por oxidación del amonio desprendido en la degradación
de compuestos orgánicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias
Nitrificantes, uno de cuyos grupos esta reprensado en las aguas residuales
principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que únicamente llevan a cabo la
reacción de oxidación del amonio a nitrito para obtener energía metabólica,
mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre junto al ya
citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene
energía gracias exclusivamente a este proceso:
Oxidación del amonio:
a. NH4 + ½ O2 → NH2OH + H
b. NH2OH + O2 + 2ADP + 2PO4 → HNO2 + H2O + 2 ATP
Oxidación del nitrito:
NO2- + ½ O2 + ADP + PO4 → NO3- + ATP
Otros microorganismos que también intervienen en el tratamiento aerobio
de aguas residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actúan
mas de componentes acompañantes que de degradantes y algunas algas como
Anabaena que convierte los poliuretanos en H2; Chrorella los alginatos los
25
convierte en glicolato; Dulaniella los alginatos en glicerol; Nostoc el agar el H2;
Algas como el Volvox, Tabellaria, Anacistis y Anabaena; las algas que obstruyen
los filtros son Anacistis, Chorella, Anabaena y Tabellaria.
2.2.1 Filtros percoladores
Los filtros percoladores usualmente son de forma circular y consiste en un lecho
del medio altamente permeable rodeado por una pared. Como material de medio
puede servir roca quebrada, piedras volcánicas e incluso material plástico. El
agua residual pre-sedimentada se vierte uniformemente sobre el lecho del filtro
co la ayuda de los distribuidores rotativos. El agua atraviesa toda la altura del
material permeable hasta llegar al fondo perforado donde es recolectada.
Los
filtros
percoladores
fueron
desarrollados en Inglaterra a finales del
siglo 19. Este tipo de tratamiento llegó
a sustituir el método de purificación de
agua donde el flujo de agua usada se
regaba sobre el suelo y se le permitía
infiltrar de manera natural. La gran
desventaja de este procedimiento erala
alta área especifica del terreno
requerida para tratar las aguas (20-40
m2/EP). Para reducir el área de tierra
necesaria
para
el
tratamiento
comenzaron a utilizar los filtros de
arena de 0.5 a 1 m de altura. Dos al
día el filtro se cargaba con el agua a
tratar, de esta manera la demanda del
Figura 12. Esquema de un filtro
área se bajo hasta 2-4 m2/EP.
percolador
Mas tarde, para evitar problemas del atascamiento del filtro, arena fue
sustituida por otros materiales filtrantes (material de relleno) de mayor tamaño
de medio (de 6 a 8 cm). El aumentar el tamaño de medio trajo otro beneficio:
mejor aireación y menor tiempo de retención lo permitía condensar el diseño del
filtro y por lo tanto reducir los costos de diseño. Hoy en día los filtros
percoladores se utilizan ampliamente en Europa, en algunos países de
Centroamérica (Salvador). Los nuevos, altamente porosos materiales de relleno
permiten reducir requerimiento de área hasta 0.1-0.2m2/EP, sin embargo su
popularidad esta decreciendo debido a que las normas de calidad para el agua
tratada en Europa cada día se hacen mas estrictos y los filtros percoladores no
la garantizan.
26
Tabla 4. Ventajas y desventajas de un filtro percolador
Ventajas
Baja demanda de energía eléctrica
Baja la producción de los lodos
Simple en operación
Bajos costos de mantenimiento
Bajo costo de inversión
Desventajas
No garantiza alta calidad del efluente
(BOD<10)
Baja remoción de N y P (no cumple con
las normas europeas)
El proceso poco flexible, difícil de
Existe un potencial riesgo de creación
de fuente para mosquitos, malos olores,
atascamiento
Su funcionamiento es seriamente
afectado por la temperatura
Lodos son fácilmente deshidratados
2.2.1.1 Procesos que se desarrollan dentro del filtro percolador
A medida que el filtro percolador esta funcionando la superficie del material de
relleno se cubre de una película formada por los microorganismos que se adhieren
al medio. El agua residual entra en contacto con esta película y materia orgánica
biodegradable se oxida. El proceso de absorción y biodegradación causa el
constante incremento del grosor de la película que finalmente puede provocar
limitaciones de difusión del substrato y/u oxigeno y reduce el crecimiento de las
bacterias. Cuando los microorganismos no tienen suficiente "alimentación" (BOD) y
oxigeno su actividad se reduce según la ley de Monod.
Como consecuencia de las limitaciones del oxigeno se inician los procesos
anaerobios. Los microorganismos anaerobios comienzan la producción de
gases (CH4, N2) !os cuales provocan parcial destrucción de la película
microbiana (despegándola del medio poroso), ocasionando la reducci6n de la
eficiencia de purificaci6n, además surge formación de desagradables olores y
posible atascamiento del filtro dificultando su operación.
En condiciones normales de operación de filtro debe existir control sobre el
aumento del grosor de la capa microbiana. Eso se logra por medio de regulación
del régimen de la carga superficial que se proporciona al filtro. El fenómeno de la
perdida de una parte de la capa microbiana se llama "lavado" del filtro. Mientras
mas alta es la carga orgánica del agua a tratar en el filtro, más rápido es el
crecimiento de biomasa. Como consecuencia, tiene que ser incrementada la
carga superficial para aumentar las fuerzas de fricci6n con el objetivo de "lavar"
el exceso de la película microbiana y prevenir el atascamiento del filtro. Bajo las
condiciones estables de la operación del filtro la cantidad de biomasa que se
forma tiene que ser igual a la cantidad de biomasa que se "lava" del filtro.
Basados en la carga superficial, existen dos tipos de filtros percoladores.
27
• Los filtros de baja carga superficial. Este tipo de filtros no emplea la
recirculación, operan con las aguas de bajas cargas orgánicas, la carga
hidráulica oscila entre 0.05-0.3 m/h.
• Los filtros de alta carga superficial. Este tipo de filtros necesita la
recirculación del efluente, operan con las aguas residuales de alias cargas
orgánicas, requieren de alias cargas superficiales para evitar el atascamiento de
los filtros. La carga hidráulica típica para estos filtros es de 0.6-2.0 m/h.
La carga volumétrica (1), la carga superficial (2) y la hidráulica (3) son tres
principales parámetros de diseño de los filtros percoladores, por lo tanto es
importante detallar estos términos.
1. Carga volumetrica, Lv:
Lv = (Q m3/dia (BOD mg/l) 10-3) /Vfiltro m3
(kg/m3día)
Carga de materia orgánica (kg de BOD/día) = F
2
Carga superficial (u orgánica) del filtro, OSLR:
OSLR = F kg BOD/dia / (1 000 • Abiofilm m2)
3.
( g/m2 .dia)
Carga hidráulica, HSLR
HSLR = (Q afiuente+ Q reciciado m3/día) / Aiiter .24 horas
(m/h)
2.2.1.2 Diseño de filtros percoladores
La mayoría de las ecuaciones para el diseño de los filtros percoladores se
basa en la evaluación estadística del funcionamiento práctico de los filtros.
En Estados Unidos, después de analizar los datos operacionales y de
funcionamiento de muchos filtros percoladores, el Consejo Nacional de
Investigación (NRC) llego a la siguiente relación entre la eficiencia de remoción
de BOD y carga volumétrica:
28
E=
100
L
1+ a
Af ⋅ D ⋅ F
(1)
Donde
E - eficiencia de remoción de BOD
L - carga de BOD, kg/ dia
Af- Área del filtro, m2
D - Profundidad del filtro, m
a - factor característico del filtro que depende de la temperatura, del
nivel de contaminación del agua a tratar y del tipo de material filtrante
(A específica de piedra volcánica es igual a 50-60 m2/m3).
F - factor que se introduce cuando el agua en filtro se recircula
F=
1+ R
, donde R es el número de reciclajes
(1 + 0.1R) 2
(2)
Si R = 0 (no hay recirculación), F = 1
R=1,
F=1.65
R =2,
F = 2.08
Aumentando la recirculación del agua a tratar en el filtro percolador, la explosión
del agua a la acción de la película biológica aumenta y, por lo tanto la eficiencia
de remoción de la BOD aumenta. Sin embargo, remoción de BOD aumentara en
una menor proporción que lo hace R debido a que:
1)
2)
Mientras mayor es R la carga superficial (OSLR) del filtro aumentara
y como consecuencia, el tiempo de retención de una "ronda" por el
filtro se reducirá desminuyendo la eficiencia de la remoción
En la primera "ronda" por el filtro se degradará la materia orgánica
fácilmente degradable, la materia que degrada con mas dificultad se
queda en el agua, su cantidad va a crecer proporcionalmente a la
recirculación, disminuyendo la velocidad de biodegradación y la
eficiencia de remoción de BOD como consecuencia.
Tabla 5. Valores de "a" basados en las observaciones de funcionamiento de los
filtros percoladores con las piedras volcánicas como material filtrante,
Alemania (Hanisch, 1990) '
29
Temperatura
del afluente
12°C
16°C
20°C
100 mg BOD/l
150 mg
BOD/l
0.46
0.40
0.34
0.50
0.44
0.38
200 mg
BOD/l
0.42
0.36
0.30
Para los filtros de baja carga superficial, donde R = 0 y F - 1 la ecuación de NRC
puede simplificarse de la siguiente manera:
E=
100
(1 + a Lv ) , debido a que
Lv =
L
Af ⋅ D
(3)
Tabla 6. Eficiencia de remoción de BOD en los filtros percoladores asumiendo
a=0.44, Aespec. = 60 m2/m3
OSLR,
Lv
Remoción de BOB
Carga
según NRC, %
superficial
R=0
R=l
g/m3.d
gBOD/m2.d
100
1.5-2
88
90
300
5
31
84
750
12.5
72
77
1000
15
69
74
En las ecuaciones empíricas Schulze y Eckenfelder asumen que el proceso de
degradación de BOD es de primer orden y el flujo es de tipo pistón y describen
el tiempo de contacto entre agua residual y película bacteriana como:
t=a
D
, donde
( HSLR) n
(4)
t - tiempo de contacto en el filtro, h
D - profundidad (altura) del filtro, m
HSLR - carga superficial, m3/m2/d
a - constante empírica
n - constante del filtro (los valores se encuentran en el rango de
0.4 a 0.8)
Los valores a y n dependen mayormente del medio filtrante. Para los filtros
percoladores convencionales, los valores de a se encuentran en el rango de
0.02-0.1, mientras que n se toma como 0.67. Esto confirma que el tiempo de
contacto es entre 10-20 minutos y difícilmente excede 30 minutos.
30
En calidad de ejemplo, a continuación están presentados los datos utilizados
para diseñar un filtro percolador para el tratamiento de agua residual municipal
a temperatura 10-20°C.
Tabla 7. Datos de diseño y funcionamiento de un filtro percolador para
tratamiento de agua residual municipal en condiciones climáticas
moderadas
Características
Tipo del filtro percolador
Carga baja
Carga alta
Medio filtrante
Piedra volcánica, Piedra volcánica, Piezas plásticas
Área especifica m2/m3
Carga hidráulica, m/h
Carga de BOD, kg/m3.dia,
Profundidad del filtro, m
Recirculaci6n (cantidad de
veces), R
Presencia de moscas
BOD en el efluente, mg/L
Remoción de BOD, %
Nitrificación,%
TSS en el efluente, mg/L
piedra bolon
45-90
<0.3
0.1-0.3
1-3
piedra bolon
45-90
<1,5
0.3-1.5
2-3
120-200
>2
0.5-3.0
2-10
0-1
si
<25
80-90
60-80
<25
1-4
a veces
>30
50-70
0-50
>30
1-4
no
>30
65-80
0-25
30
2.2.1.3 Aspectos adicionales para el diseño de filtro percolador
Ventilación
Los filtros percoladores no necesitan la aireaci6n artificial. El movimiento natural
del aire a través del filtro crea suficiente ventilaci6n. La fuerza que mueve el aire
en el filtro es la diferencia entre la temperatura del mismo y la del agua a tratar.
Si la temperatura del agua residual es mas alta que la temperatura del ambiente
(como se mas baja que la temperatura del ambiente (situación común de los
países tropicales y en los países fríos a la época del verano); y la ventilación se
da en la dirección de arriba para abajo.
La ecuación empírica que describe el movimiento natural del aire en el filtro
percolador es:
Aire que entra al filtro = 107 x [Tar - Taire - 2], m3aire/m2filtro.día
(5)
Donde:
Tar - temperatura del agua residual, K
Taire - temperatura ambiente, K
31
La cantidad del oxigeno presente en 1m3 de aire en condiciones estándar
(t=0°C y P = 1bar) es normalmente igual a 0.30 kg. Asumiendo que a la
temperatura de 20°C el aire contiene ≈ 0.28 kg O2/m3; el oxigeno transferido
puede ser encontrado por medio de la formula de arriba (Koot, 1980):
O2 transferido = 0.28.107[Tar-Taire - 2] = 30. [Tar -Taire - 2]
(6)
La ventilación forzada (artificial) puede ser necesaria solamente en casos de
tratamiento de agua industrial con extremada carga orgánica. La capacidad de
diseño del sistema de ventilación por lo general se basa en 20 m3 de
aire/m2.dia. En Europa la ventilación artificial en los filtros percoladores se
implementa solamente cuando como medio filtrante se usa plástico con alta
área especifica, cuando la carga volumétrica es alta y cuando la altura del filtro
excede 5 m.
Medio filtrante
El material de relleno (medio filtrante) se caracteriza por el área especifica
(mientras mayor es el área, mayor es la eficiencia de la remoción de BOD del
filtro), así como por la porosidad (espacios vacíos entre las unidades del
material). El área específica del material filtrante depende de la forma y la
porosidad es determinada por la uniformidad en el tamaño de las partículas
del lecho. De esa manera, las piedras volcánicas, grava, piedras bolón que
poseen una forma irregular proporcionan un funcionamiento satisfactorio de los
filtros percoladores. Las estructuras de matrices plásticos, desarrollados
recientemente, para ser utilizados como material filtrante demuestran una alta
eficiencia en la remoci6n de BOD incluso para el tratamiento de agua
fuertemente contaminada.
Figura 13. Tipos de material de relleno en un filtro percolador
32
2.2.2 Lodos activados
Cerca de los 1880 en Inglaterra fue observado que la aireaci6n artificial de agua
domestica reducía considerablemente los malos olores, además se producía una
cantidad adicional de los sólidos suspendidos que parecía que participaban en e!
proceso de biodegradaci6n. Este fenómeno llevó al desarrollo de los mas usados
hoy en día sistemas de tratamiento de aguas residuales: sistemas de lodos
activados en los cuales el agua residual es intensivamente mezclada con el
oxigeno y microorganismos con el objetivo de acelerar el proceso de
biodegradaci6n de materia orgánica con el propósito de purificar el agua usada
antes de verter la en un receptor de agua natural.
Actualmente el sistema de lodos activados es la tecnología compacta más
aplicada en el mundo debido a su gran flexibilidad operacional y alto rendimiento
en cuanto a eficiencia de remoción de los contaminantes se refiere. Un operador
de la planta puede ajustar las condiciones del proceso de tal manera que la
planta va a cultivar y acumular las poblaciones de los microorganismos que
mejor degraden los contaminantes específicos.
El pase de burbujas de aire a través de las aguas de desecho coagula los
coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO),
y reduce un poco el nitrógeno amoniacal. La aireación también puede impedir
que las aguas de desecho se vuelvan sépticas en uno de los tanques
subsiguientes de sedimentación. Pero si las aguas de desecho se mezclan con
lodo previamente aireado y luego se vuelve a airear, como se hace con los
métodos de tratamiento de aguas de desecho utilizando lodo activado, la
efectividad de la aireación se mejora mucho. La reducción de la DBO y sólidos
en suspensión en el proceso convencional del lodo activado que incluye predecantación y sedimentación final, puede variar desde 80 a 95% y la reducción
de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Además, el costo de construcción de
una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros tipos de plantas de
tratamiento que producen resultados comparables. Sin embargo, los costos
unitarios de operación son relativamente altos.
El método del lodo activado es un tratamiento biológico secundario que
emplea la oxidación para descomponer y estabilizar la materia putrescible que
queda después de los tratamientos primarios. Otros métodos de oxidación
incluyen la filtración, estanques de oxidación, y la irrigación. Estos métodos de
oxidación ponen a la materia orgánica de las aguas de desecho en contacto
inmediato con microorganismos bajo condiciones aeróbicas.
En el reactor del lodo activado tienen lugar una serie de los procesos:
1.
Asimilación y disimilación de la materia orgánica.
Como resultado de las investigaciones, se sabe que aproximadamente el 50%
de la materia orgánica biodegradable (expresada como BOD) es disimilada para
33
producir energía. En otras palabras, se necesitan 0.5 kg de 02 por cada kg de
BOD biodegradable. Energía producida vía asimilación se utiliza para la síntesis
de biomasa. La demanda de oxigeno para el proceso de asimilación es menos
de 10% de aquella que se requiere para la disimilación y por este motivo es casi
siempre ignorada en los cálculos de consumo de oxigeno en las plantas de
tratamiento.
Oxidación (disimilación):
(COHN)x + O2 + Bacterias → CO2 + H2O +NH3 +Energía
Síntesis (asimilación):
(COHN)x + O2 + Bacterias+Energía → C5H7O2N (biomasa)
2.
Autodigestión
Este tipo de respiración microbiana surge cuando la planta esta operando con
los lodos de mayor edad. Una parte de biomasa se puede degradar y servir
como substrato para el resto de los microorganismos activos. La parte positiva
de este proceso es que la producción del lodo se reduce, pero a costa de extra
demanda del oxigeno lo que encarece el proceso.
3.
Nitrificación y desnitrificación
El proceso de nitrificación es realizado por medio de los microorganismos
estrictamente aeróbicos, Nitrosomonas y Nitrobacter, que convierten ion amonio a
nitratos por completo. La ecuación bioquímica simplificada de este proceso puede
ser representada de la siguiente manera:
NH4+ + 3O2 + Notrosomonas → 2NO2-+2H2O +4H+ + Energía
2NO2-+ O2 → 2NO3- + Energía
Es evidente de la ecuación que el proceso de la nitrificación demanda
una adicional y sustancial cantidad del oxigeno; se requiere aproximadamente
4.56 g de 02 para satisfacer la demanda de 1g N-NH4. Una segunda parte
negativa de la nitrificación, es la liberación del ion de hidrogeno, cual puede
afectar el pH y desestabilizar el proceso en el reactor. Se sabe que los
microorganismos nitrificadores tienen muy bajo crecimiento específico
comparando con los microorganismos heterotróficos, eso significa que ellos
pueden actuar solamente si el lodo tiene edad suficiente para la acumulación de
los nitrificadores.
El proceso de desnitrificación consiste en lo siguiente: En ausencia del
oxigeno libre, muchos heterótrofos son capaces de utilizar nitratos como
alternativa de aceptor de electrones. De esta manera los nitratos se reducen a
los nitritos y después los nitritos al Nitrógeno molecular N2. Para facilitar el
34
proceso descrito arriba, además de las condiciones atóxicas debe haber una
fuente del carbono biodegradable. Con metanol, como fuente de carbono, la
reacción simplificada se puede expresar de la siguiente manera:
0.83 CH3OH + NO3- → 0.5 N2 +0.83 CO2 +1.17 H2O +OHEn una planta convencional de lodo activado, las aguas de desecho que
entran pasan primero por un tanque de sedimentación primaria. Se añade lodo
activado al efluente del tanque, generalmente en la relación de 1 parte de lodo
por 3 o 4 partes de aguas negras decantadas, en volumen, y la mezcla pasa a
un tanque de aireación. En el tanque, el aire atmosférico se mezcla por el líquido
por agitación mecánica o se difunde aire comprimido dentro del fluido mediante
diversos dispositivos; placas filtrantes, tubos de filtro, eyectores y chorros. Con
cualquiera de los métodos, se pone a las aguas negras en íntimo contacto con
los microorganismos contenidos en el lodo. En los primeros 15 a 45 minutos, el
lodo absorbe los sólidos en suspensión y los coloides. Según se absorbe la
materia orgánica, tiene lugar la oxidación biológica. Los organismos presentes
en el lodo descomponen los compuestos de nitrógeno orgánico y destruyen los
carbohidratos. El proceso avanza rápidamente al principio y luego decae
gradualmente en las próximas 2 a 5 horas. Después continúa con un ritmo casi
uniforme durante varias horas. En general el periodo de aireación dura de 6 a 8
horas más.
El efluente del tanque de aireación pasa a un tanque de sedimentación
secundaria, donde se retiene el fluido, en general de 1 1/2 a dos horas para
decantar el lodo. El efluente de este tanque está completamente tratado, y
después de la floración puede descargarse sin peligro.
Cerca de un 25 a 35% del lodo del tanque de sedimentación final se
regresa para la recirculación con las aguas negras de entrada. No debe
retenerse el lodo en el tanque. Es necesaria la remoción parcial (a intervalos de
menos de 1 hora) o la remoción continúa para evitar la desaireación.
Las cantidades de rebose para la sedimentación final van, normalmente,
desde unos 800 galones por pie cuadrado por día, para las plantas pequeñas,
hasta 1 000 para plantas con capacidades mayores de 2 millones de galones por
día. Es preferible que las cargas sobre el vertedero no excedan de 10 000
galones por pie lineal por día. Cuando el volumen requerido de tanque
sobrepase los 2 500 pies, son convenientes tanques múltiples de sedimentación.
Se requieren tanques múltiples de aireación cuando el volumen total del
tanque excede los 5 000 pies cúbicos. Los tanques de aireación en que se use
aire comprimido son, por lo general, largos y estrechos. Para conservar espacio,
el canal puede hacerse girar varías veces 180°, con una pared común que
separe el flujo en dirección opuesta. Se tiende en general, una tubería maestra
de aire, a lo largo de la parte superior del tanque, para alimentar los difusores o
35
placas porosas a lo largo de toda su longitud. El aire establece un movimiento
espiral dentro del líquido según fluye por los tanques. Esta agitación reduce los
requisitos de aire. El ancho del canal va de los 15 a los 30 pies. La profundidad
es de unos 15 pies.
El oxígeno disuelto debe mantenerse a una concentración de 2 partes por
millón (miligramos por litro) o más. Los requisitos de aire varían normalmente de
0.2 a 1.5 pies cúbicos por galón de aguas tratadas. La mayoría de las
autoridades estatales requieren el uso de un mínimo de 1 000 pies cúbicos de
aire por libra de la DBO aplicada por día.
La aireación mecánica puede efectuarse en tanques cuadrados,
rectangulares o circulares, según sea el mecanismo empleado para la agitación.
En algunas plantas, el fluido puede hacerse subir por tubos verticales y
descargarlo en láminas, mientras en la parte superior o el líquido puede hacerse
bajar por tubos aspirantes, mientras el aire burbujea a través del fluido. En
ambos métodos, la agitación en la superficie producida por el movimiento del
líquido, aumenta la aireación. Los periodos de detención son, generalmente,
más largos, 8 horas o más, que para los tanques con difusión de aire.
2.2.2.1 Parámetros de diseño para el reactor de lodos activados
La planta de tratamiento de lodos activados se puede diseñar con base en
los siguientes parámetros:
1. Carga Volumétrica = Qafluentem3/día / V reactor m3
2. Tiempo de Retención = V reactor m3/ Q afluente m3/día
(día-1)
(horas)
Generalmente, las plantas convencionales de lodos activados requieren de 5-14
horas tiempo de retención para garantizar la calidad del afluente (BOD<10 mg/l).
3. Carga Orgánica = Q m3/día. kg BOD /m3/Vreactor m3
(kg BOD /m3.día)
En las plantas convencionales de lodos activados la carga orgánica oscila entre
0.4 - 1.2 kg BOD/m3. día.
4. Relación F/M ó Carga de lodo
Carga de Lodo = (kg BOD /m3. Q m3/día)/ V m3 Biomasa kg/m3) (kg/kg/dia)
F
M
36
Relación F/M cs el parámetro mas importante que se utiliza a la hora de diseñar
una planta de tratamiento de lodos activados. En primer lugar, porque es el único
factor sobre cual el operador tiene un complete control, y en segundo lugar
porque esta muy relacionado con la eficiencia de la remoción de los
compuestos orgánicos en el tratamiento. Está definido como la carga diaria de
BOD (F) que entra al área de aireación dividido sobre la cantidad de biomasa
(M) presente en el tanque.
Para el buen funcionamiento de los reactores de lodos activados es muy
importante contar con una eficiente aireación.
2.2.2.2 Tipos de aireación
Los sistemas de aireación que se emplean en las plantas de tratamiento de
lodos activados básicamente se pueden dividir en 3 grupos:
1. Aireación por os difusi6n
2. Aireación mecánica o superficial
3. Aireación por inyección
La selección del sistema de aireación depende de muchos factores: La
profundidad del tanque de aireaci6n, necesidad de un diseño de planta
compacta, capacidad de la planta de tratamiento. En general, los sistemas
mecánicos y de inyección se recomiendan para las plantas de pequeña
capacidad, mientras que la aireación con difusores es aplicada en las plantas
de mayor capacidad.
• En la aireación por difusión el aire (oxigeno) se pone en contacto con el agua
por medio de las bombas de presión. El aire se libera en el seno del liquido en
forma de burbujas de diferente tamaño. La eficiencia de la transferencia del
oxigeno esta determinada por el tamaño de las burbujas, la cantidad del aire
introducido y la profundidad a la que esta sumergido el difusor en el reactor. Los
difusores tienen forma de platos, discos o tubos y se hacen de materiales muy
porosos como cerámica especial, plástico flexible, membranas de resinas. Los
difusores se ubican en el fondo de los reactores. La transferencia del oxigeno
oscila entre 10-15 g O2/m3.
• Los aireadores mecánicos o superficiales airean y mezclan el agua por medio
de platos rotatorios que están ligéramele sumergidos al agua. Existen dos
tipos de aireadores mecánicos: con el cono rotatorio vertical y horizontal. Los
más comunes son de los conos verticales. Los motores que se emplean para
rotar los platos son de 1 a 120kW proporcionando una velocidad de 35-60
rpm. El diámetro del cono llega hasta 4 m. La eficiencia de la oxigenación en los
tanques >5m llega a 1.5-3 kg O2/kWh.
37
Los principales problemas en la operación de las plantas de lodo
activado están relacionados con la inadecuada separación del lodo en el
tanque de sedimentación secundaria. El problema cuando el lodo que se forma
no es completamente granular sino disperso, poroso, liviano lo que dificulta su
separación del licor clarificado. También el proceso de desnitrificación afecta
negativamente la sedimentación del lodo ya que las burbujas del N2 se
adhieren a los flóculos del lodo y lo hacen flotar.
Se usan diversas modificaciones para el método de lodo activado, para
mejorar el funcionamiento o disminuir los costos. Entre éstos se incluyen la
aireación modificada, activada, en punta y por pasos o fases, entre otros.
La aireación modificada disminuye el periodo de aireación a tres horas o
menos, y mantienen el lodo retornado a una baja proporción. Los resultados son
intermedios entre la sedimentación primaria y un tratamiento secundario
completo.
En la aireación activada, los tanques de aireación se colocan en
paralelo. El lodo activado, procedente de un tanque de sedimentación final o
grupo de dichos tanques, se añade al afluente de los tanques de aireación. El
resto del lodo se concentra y se quita. Los resultados son mejores que con la
aireación modificada y con menos aire.
La aireación en punta difiere de la aireación normal en que los difusores
de aire no están uniformemente espaciados. En su lugar, se colocan más
difusores cerca del extremo de entrada de los tanques de aireación que cerca de
la salida. La teoría pretende qué la demanda de oxígeno es mayor cerca de la
entrada y, por tanto, la eficiencia del tratamiento debe mejorar si se suministra
allí más aire. Sin embargo, los resultados dependen del grado de mezclado
longitudinal, proporción del retorno de lodo y las características de la materia
recirculada, por ejemplo, el contenido de aire del lodo o del licor mezclado.
En la aireación por pasos o fases se añaden las aguas negras en
cuatro o más sitios del tanque de aireación. Cada incremento reacciona con el
lodo que ya se encuentra en el tanque. Por consiguiente, los requisitos de aire
casi son uniformes en todo el tanque. La aireación por mezcla completa
obtiene mejores resultados dispersando el afluente del agua de desecho tan
uniformemente como sea posible, a lo largo de la longitud total del tanque de
aireación, de manera que se produzca una demanda uniforme de oxígeno a todo
lo largo. La aireación extendida es similar, pero el agua de desecho se aérea
por 24 h en vez de las 6 a 8 h convencionales.
B. Procesos Anaerobios
El tratamiento anaeróbico de las aguas residuales supone la descomposición de
la materia orgánica y/o inorgánica en ausencia de oxigeno molecular. La mayor
aplicación se halla en la digestión de los fangos de aguas residuales una vez
concentrada, así como parte de residuos industriales.
38
El modo mas usual de operar de una instalación de tratamiento anaeróbico
de fango concentrado es la utilización de un reactor de mezcla completa y
mínima recirculación celular cuyo objeto es el calentamiento contenido en el
tanque. El tiempo de detención del líquido del reactor oscila entre los 10 y 30
días, incluso más, según opere el sistema.
Los microorganismos causantes de la descomposición de la materia se dividen
en dos grupos:
•
•
Bacterias formadoras de ácidos, estas hidrolizan y fermentan
compuestos orgánicos complejos a ácidos simples, de los cuales los mas
corrientes son el ácido acético y el ácido propiónico.
Bacterias formadoras de metano, estas convierten los ácidos formados
por las bacterias del primer grupo en gas Metano y CO2.
Las bacterias más importantes de este grupo (las que devoran los ácidos
Acético y propiónico) tienen tasas de crecimiento muy lentas y por ello su
metabolismo
se
considera
una
limitante
de
proceso.
Tabla 8 Condiciones optimas para el tratamiento anaerobio
Parámetros
Temperatura optima, ºC
Mesofilico
Termofilico
Nutrientes biológicos
pH
Intervalos/especies
29-39
49-57
Nitrógeno y fósforo
6.6-7.6
Para el tratamiento de aguas residuales muy cargadas de materia orgánica,
cada vez mas popular es el uso de los reactores UASB.
Los reactores UASB (del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket) son un tipo de
bioreactor tubular que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es
decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil
longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los
microorganismos se agrupan formando bio-gránulos.
39
Figura 14. Esquema y fotografía de un reactor UASB
El fango granular constituye el corazón de la tecnología UASB. Un fango
granular es un agregado de microorganismos formados durante el tratamiento
de agua residual en un medio en el que exista un régimen hidráulico constante
de flujo ascendente. En ausencia de algún tipo de soporte, las condiciones del
tipo de flujo crea un ambiente selectivo en el cual sólo esos organismos capaces
de anclarse a lo otros, sobrevive y prolifera. La configuración de los agregados
dentro de la bio-película densa y compacta es a lo que se denomina gránulo.
Debido a su gran tamaño de partícula (generalmente en el rango de 0.5 a 2 mm
de diámetro), los gránulos resisten el lavado del sistema de reacción,
permitiendo cargas hidráulicas elevadas. Además, las biopelículas son
compactas, permitiendo elevadas concentraciones de microorganismos activos y
de este modo poder tratar elevadas cargas volumétricas en los reactores UASB.
Un gramo de fango granular (peso seco) puede catalizar la conversión de 0.5 a 1
g de DQO al día. La composición del gránulo está estratificada. En el centro se
localizan los agregados de Methanosaeta (principalmente), y otros organismos
metanógenos, como Methanothrix y Methanosarcina. En la siguiente capa están
localizados organismos productores y consumidores de hidrógeno, en una
asociación simbiótica. En la capa superficial se localizan los organismos que
realizan las primeras etapas de degradación anaerobia, como los acidógenos y
otros organimos consumidores de hidrógeno. Esta estructura está condicionada
por la presión parcial de hidrógeno, en un delicado equilibrio que sólo es posible
bajo condiciones determinadas.
El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas
residuales industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas
residuales, en los UASB también son necesarias unas etapas previas de
adecuación del afluente antes de ingresarlas al reactor, como por ejemplo,
eliminación de aceites y grasas, desarenado, corrección de pH. Tras este tipo de
pre-tratamientos, el UASB puede convertir el 70-95% de la materia orgánica
biodegradable en una corriente de biogas valorizable. De ahí que sean posibles
40
mayores eficiencias mediante el acople de pre- y/o postratamientos adecuados
que aumente el tiempo medio de residencia celular, la composición y la
resistencia frente a tóxicos del fango.
La tecnología de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el
separador de tres fases (biogás-líquido-sólido), ha tenido un gran éxito comercial
con un gran número de instalaciones en el mundo.
La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnología de
tratamiento anaerobio. Aunque también se ha implantado en industrias como la
cervecera, destilería, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y
la celulosa, industria textil, química y farmacéutica.
2.2.3 Tratamiento en Lagunas
El uso de lagunas de estabilización comenzó a introducirse al final de la década de
los anos cincuenta en los países de America Latina y el Caribe. En las primeras
instalaciones a que hace referencia la literatura se encuentra la laguna de Canas,
Guanacaste - Costa Rica (construida en 1958) y las lagunas de Chipre - Panamá.
En la década de los anos 70, el Banco Mundial evidencia su preocupación sobre
aspectos de salud por el manejo de excretas y lodos de sistemas individuales de
saneamiento. Paralelamente el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y
Ciencias del Ambiente (CEPIS), realiza en el Perú uno de los trabajos pioneros en la
determinación de parasites en aguas residuales. Mas tarde la Organización
Mundial de la Salud, reconociendo la importancia de actualizar criterios sobre el
reuso de efluentes, conduce una serie de investigaciones y reuniones de expertos
que finalmente terminan en la publicación de las nuevas "Guías de salud para el
uso de Aguas Residuales en la Agricultura y Acuicultura".
2.2.3.1
Nomenclatura
Lagunas de estabilización: Describe estanques construidos de tierra, de
profundidad reducida (< 5.0 m), diseñados para el tratamiento de aguas
residuales por medio de la interacción de la biomasa (algas, bacterias,
protozoarios, etc.), la materia orgánica de desecho y otros procesos naturales
(submodelos hidráulicos y factores físicos, químicos y meteorológicos). La finalidad
de este proceso es entregar un efluente de características múltiples establecidos
(DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parasites, enterobacterias, coliformes, etc.).
41
Lagunas de oxidación: Termino aplicado en el pasado para implicar la oxidación
de la materia orgánica con el oxigeno producido por las algas a través de la
fotosíntesis.
Por otro lado, existen varias formas de clasificar las lagunas de estabilización:
a)
De acuerdo con el contenido de oxigeno, pueden ser: anaerobia, aerobias y
facultativas. Si el oxigeno es suministrado artificialmente con aeración
mecánica o aire comprimido se denominan lagunas aireadas.
b)
De acuerdo al lugar que ocupan, con relación a otros procesos, las
lagunas pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales
crudas, secundarias si reciben afluentes de otros procesos de tratamiento
y, de maduración si su propósito fundamental es reducir el numero de
microorganismos indicadores.
c)
De acuerdo con la secuencia de las unidades, pueden clasificarse en
lagunas en serie o en paralelo, pudiendo encontrarse combinaciones de
varios tipos. El número de unidades en serie tiene relación primordial con la
topografía del terreno y en menor grado con el nivel de calidad requerido en el
efluente del sistema. En cambio, el número de lagunas en paralelo tiene
relación con otros factores como las etapas de implementación de las
unidades, la topografía del terreno y las condiciones de operación y
mantenimiento de la estación.
d)
De acuerdo a las condiciones de descarga, la laguna de descarga
continua, lagunas de retención completa y lagunas de regulación y
descarga controlada. Las unidades de retención completa, llamadas tanbien
lagunas terminales, no tienen efluente y el líquido se dispone a través de
percolación y evaporación. Las lagunas de descarga controlada son
conocidas también como de flujo intermitente, de regulación o de
almacenamiento. Las lagunas de regulación, son las ultimas unidades de
mas serie y su función básica esta de almacenar el agua residual tratada
antes del reuso agrícola.
e)
De acuerdo con la función específica pueden clasificarse en: lagunas para la
reducción de compuestos orgánicos, lagunas para la reducción de
organismos patógenos y lagunas para criterios múltiples de calidad del
efluente.
f)
Grupo de lagunas airadas, existen 4 tipos de unidades; todos ellos con el
propósito fundamental de reducción de compuestos orgánicos:
•
Lagunas airadas de mezcla completa o biomasa en suspensión,
tienen una alta densidad de energía y la presencia de algas no es
42
aparente.
•
Lagunas airadas facultativas, son frecuentes en climas calidos y
consiste en un estanque con aeración y una densidad de energía
mas baja que la anterior para mantener la biomasa en
suspensión parcial. En este tipo de unidad, la producción de
oxigeno por fotosíntesis juega un papel muy reducido y todo el
oxigeno necesario es abastecido por los aireadores.
•
Lagunas facultativa con agitación mecánica, es un estanque del
tipo facultativo en el que se ha instalado un mecanismo de
mezcla con una baja densidad de energía. En esta situación el
oxigeno necesario para la estabilización de la materia
orgánica es abastecido vía fotosíntesis.
•
Laguna de estabilización airada, en la cual la oxigenación es
principalmente via fotosíntesis, suplementada con difusión de aire
comprimido desde el fondo, a través de tuberías y difusores de
varios tipos. Como las tuberías de conducción del aire están
colocadas en el fondo, no es recomendable permitir la
acumulación de lodo, por lo cual se diseñan con cargas bajas, las
que las hacen no atractivas para países en desarrollo.
2.2.3.2 Lagunas Anaerobias
Son estanques con profundidades de 2.5 a 5.0 m; reciben cargas orgánicas
elevadas, se encuentra ausencia de oxigeno en todos sus niveles. En estas
condiciones las lagunas actuaran como un digestor anaeróbico abierto sin
mezcla y debido a las altas cargas orgánicas que soportan, el efluente contiene
un alto porcentaje de materia orgánica y requiere de otro proceso complementario
de tratamiento.
Estas unidades son utilizadas preferentemente para el tratamiento de desechos
industriales o desechos domésticos con un elevado aporte industrial. En este
sentido, una de las grandes ventajas de las lagunas anaerobias es reducir las
concentraciones de compuestos tóxicos o inhibidores presentes.
Los mecanismos de degradación tienen dos fases bien diferenciadas que
dependen del desarrollo de dos grupos específicos de bacterias.
43
Etapa 1: Fermentacion Acida
Lodo crudo
+
Complejos
orgánicos
Substratos
Carbohidratos
Grasas
Proteínas
Microorganismos A → Productos
intermedios de
degradación
Formadores de
Orgánicos simples
acidos
Acidos orgánicos
Saproficos
CO2, H2O
Facultativos
+ nuevos
microorganismos A
Otros productos
intermedios
Etapa 2: Fermentacion de Metano
Productos +
intermedios de
degradacion
Microorganismos B → Productos
finales y gas
+ nuevos
microorganismos B
Orgánicos simples
Acidos orgánicos
CO2, H2O
Formadores de
metano
Anaerobios
obligatorios
Otros productos
finales
CH4, CO2, H2S,
H2O, otros
productos de
degradacián
Si bien ambas fases están sucediéndose simultáneamente, la primera etapa de
fermentación acida es llevada a cabo por organismos formadores de ácidos que
atacan las sustancias orgánicas y las transforman en compuestos orgánicos mas
simples y ácidos orgánicos. La segunda etapa es llevada a cabo por un grupo de
organismos estrictamente anaerobios que utilizan los productos intermedios de la
etapa anterior para producir gases como el metano (CH4), dióxido de carbono (CO2)
y otros productos de degradación.
De los dos grupos de microorganismos descritos, los formadores de metano son
muy sensibles a condiciones ambientales como variaciones de carga, pH y
temperatura y la eficiencia del proceso depende de su desarrollo, el mismo que
ocurre en poblaciones reducidas debido a que pierden gran cantidad de energía en
la producción de metano.
Las lagunas anaerobias pueden ser usadas como una primera etapa en el
tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales y presentan una serie
de factores positivos y negativos que tienen que ser considerados antes de su uso.
Entre las ventajas se mencionan:
44
• Bajo costo, en razón de su reducido requisito de área.
• Son atractivas para el tratamiento de desechos de altas concentraciones.
•
Han sido empleadas con éxito en el tratamiento de una variedad de desechos
industriales biodegradables.
Los aspectos desfavorables son:
•
El proceso es muy sensible a factores ambientales y operativos como:
temperatura, variaciones bruscas de carga y pH, lo cual puede producir
periodos de baja eficiencia con un efluentes de calidad pobre.
•
La normal acumulación de natas presenta un aspecto poco agradable y
condiciones estéticas desfavorables, lo cual normalmente incide en el
mantenimiento.
•
El efluente del proceso tiene un alto contenido de materia orgánica y calor, lo
que hace necesario una siguiente fase de tratamiento.
•
La tasa de mortalidad bacteriana es muy reducida en comparación con otras
opciones.
•
Los malos olores ocasionales y sobre todo en los primeros años de operación.
•
Rápida acumulación de sólidos, requiriendo una limpieza de lodos mas
frecuentes.
Elementos de diseño de lagunas anaerobias
El diseño anaerobias esta todavía en desarrollo. Los principales parámetros
usados en el dimensionamiento son:
•
•
•
•
•
Carga superficial
Carga volumétrica
Profundidad
Eficiencia
Acumulación de sólidos.
El primer criterio de carga orgánica superficial, especifica que la carga de trabajo
debe estar muy por encima de los 1,000 kg DBO5/Ha.día
El criterio mas empleado en el dimensionamiento de lagunas anaerobias cs el de
carga volumétrica, la que debe ser superior a 100 g DBO5/m3.d. Para el caso de
aguas residuales domesticas, se sugiere una carga maxima de 400g DBO5/m3.d.
La OMS, recomienda de 100 a 300 g DBO5/m3.d. Para temperatura sobre los 20°C.
45
La profundidad recomendada en la mayoría de los casos esta entre 2.5 y 5.0m
Las eficiencias están en función del periodo de retención (según masa) son:
TR
(d)
1
2.5
5
% Reduction
DBO5
50
60
70
Otro criterio recomendado es el de intervalos de temperaturas, periodos de
retención y eficiencia.
Temperatura
(°C)
10-15
15-20
20-25
25-30
TR (d)
4-5
2-3
1-2
1-2
DBO5>
(%)
30-40
40-50
50-60
60-80
'
Los sólidos se acumulan principalmente en las unidades primarias y requieren
de limpieza después de un cierto periodo de operación. El lodo sedimentado
sufre una degradación anaerobia reduciendo los sólidos volátiles en una
proporción de por lo menos el 50% y además es sometido a un proceso de
espaciamiento. La tasa de acumulación de lodo en el fondo de una laguna
anaerobia esta en el intervalo de 0.08 - 0.113 l/Hab . día y para propósitos
de diseño se puede tomar el limite superior que equivale a 40 m3/Hab.año.
La profundidad es por lo general suficiente de manera que no es necesario
considerar, una profundidad adicional para la acumulación de lodos. En la
práctica se considera conveniente efectuar una limpieza cuando la altura de
lodos alcanza la mitad de la profundidad. En cases en los cuales se observe
que hay una acumulación visible de material de fondo cerca de la entrada de
la laguna, se podrá disminuir el periodo entre limpiezas. En número de años de
operación entre dos limpiezas consecutivas puede calcularse mediante la
siguiente relación:
n = (0.5.V)/(ta.P)
donde n es el numero de años de operación para limpieza, V es el volumen de
laguna (m3), ta es la tasa de acumulación de lodos, normalmente 0.04
m3/Hab.año; y P es la población equivalente servida.
46
2.2.3.3
Lagunas Aerobias
Son conocidas también como fotosintéticas, son estanques de profundidad
reducida (0.3 -0.45 m), lo cual permite la penetración de luz hasta el fondo y
diseñados para una máxima producción de algas con cortos períodos de
retención. En estas lagunas se mantienen condiciones aerobias a todo nivel y
tiempo y la reducción de materia orgánica es efectuada por la acción de
organismos aerobios.
En estas lagunas el oxigeno se suministra por aireación natural a través de la
superficie y por fotosíntesis de las algas, comunidad biológica presente en los
estanques de estabilización es similar a la existente en los sistemas de fangos
activados. El oxigeno liberado por las algas en el proceso de fotosíntesis es
utilizado por las bacterias en la degradación aerobia de la materia orgánica.
Los nutrientes y el dióxido de carbono liberado en este proceso de
degradación los emplean, a su vez, las algas. Esta relación ciclo-simbiótica se
ilustra en la figura 15.
Nuevas
algas
Materia
orgánica
Bacterias
Figura 15. Ciclo simbiótico de algas y bacterias en una laguna aeróbica
También se presentan animales superiores tales como los rotíferos y
protozoos, cuya principal función consiste en la mejora del efluente. El grupo
especifico de algas, animales o especies bacterianas presentes en cualquier zona
de un estanque aerobio depende de factores tales como la carga orgánica, el grade
de mezclas, pH, los nutrientes, la luz solar y la temperatura. Para el proceso de
diseño ver la página 53-54.
2.2.3.4 Lagunas Facultativas
Las características principales de las lagunas facultativas son el
comensalismo entre algas y bacterias en el estrato superior y la
descomposición anaerobia de los sólidos sedimentados en el fondo. Por
consiguiente, su ubicación como unidad de trabamiento en un sistema de
47
lagunas puede ser, como laguna primaria única o como una unidad secundaria
después de lagunas anaeróbias o airadas.
Estos son estanques con profundidad entre 1.5 - 2.5 m y su contenido de oxigeno
varia de acuerdo a la profundidad y la hora del día.
El mecanismo característico de las lagunas facultativas ocurre en el estrato
superior y corresponde a una simbiosis o comensalismo de bacterias aerobias y
algas. Las bacterias heterotróficas descomponen la materia orgánica
produciendo compuestos inorgánicos solubles y dióxido de carbono. La cantidad
de oxigeno requerido para esta degradación es suministrada principalmente por el
proceso de fotosíntesis. Un esquema simplificado de esta simbiosis entre algas y
bacterias esta indicado en la figura 16.
Figura 16. Simbiosis entre algas y bacterias en una laguna facultativa
En un estanque facultativo existen tres zonas:
1. Una zona superficial en la que existen bacterias aerobias y algas en una
relación simbiótica.
2. Una zona inferior anaerobia en la que se descomponen activamente los
sólidos acumulada por acción de las bacterias anaerobias
48
3. Una zona intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia, en
la que descomposición de los residuos orgánicos la llevan a cabo las
bacterias facultativas.
Los estanques facultativos, se alimentan con agua residual procedente de un
proceso previo de desbaste o con el efluente de un tratamiento primario. Los
sólidos de gran tamaño sedimentan para formar una capa de fango anaerobio.
Los materiales orgánicos sólidos y coloidales se oxidan por la acción de las
bacterias aerobias y facultativas empleando el oxigeno generado por las
abundantes algas presentes cerca de la superficie.
El dióxido de carbono, que se produce en el proceso de oxidación orgánica, sirve
como fuente de carbono para las algas. La descomposición anaerobia de los
sólidos de la capa de fango comparte la producción de compuestos orgánicos
disueltos y de gases tales como el CO2, el H2S y el CH4, que o bien se oxidan por
las bacterias aerobias, o se liberan a la atmosfera. En la practica, la presencia de
oxigeno en la capa superior se consigue por las algas.
Elementos de diseño de lagunas facultativas
Algunos de los criterios generales utilizados para el dimensionamiento de estas
unidades son:
I.- El suelo de la laguna, debe ser impermeabilizado, con el objetivo de proteger las
aguas subterráneas, para ello debe buscarse un lugar en donde preferentemente
predomine un impermeabilizante natural (por ej: sonsocuite), para ahorrar el costo
de impermeabilización de la laguna.
2.- En climas calurosos, debe disponerse de 100 m2 de área superficial de
laguna por cada 100 personas.
3.- Se recomienda una relación Largo/Ancho menor de 3.
4.- Respetar los valores de carga orgánica y periodo de retención establecidos.
CALCULO:
a) Datos básicos:
- Población contribuyente
- Consumo de agua potable
- Periodo de diseño
- Factor de uso de aguas residuales
49
- Temperatura minima del mes mas frío en el sitio del proyecto
- Contribución DBO5 per. capita
- Eficiencia de remoción DBO5, según el tipo de laguna.
b) Dimensionamiento:
•
Relación DBOafl.
DBOafl. = (l –Efic.)* 100
•
Estimación de la constante de reacción (K), en función de la
temperatura; para esto se utiliza la siguiente tabla y se escoge el valor
que mas se aproxima.
Tabla 9. Constante de reacción K en dependencia de la temperatura
Temperatura °C
15
20
30
35
K
(1/día)
0.24
0.35
0.80
1.20
•
Revisar el periodo de retención: TR = {[DBOafl /DBOefl]-1}*[1/K]
•
Calcular el volumen requerido: V = Q*TR
•
Área superficial:
A = V/H,
donde H es la profundidad según el tipo de laguna y V es el volumen
requerido.
•
Dimensiones con base en la relación: L/B <3
•
Revisión de la carga organica: Lar = {[Qafl/DBO/Área]*0.001}
kg/ha/día
50
Donde Qafl es caudal de diseño (gppd) y el A es el área en hectáreas (ha)
•
Limite de varga L at = 357.4*(1.085)T-20 kg/ha/día
•
Revisión de la carga orgánica Lar < Lat
•
Las lagunas secundarias, además de realizar el calculo anterior, se
debe revisar la remoción de coliformes, para lo cual se efectúan los
siguientes cálculos:
Kb = (0.84)*(1.07)T-20 día -1
•
Factor de forma de laguna (d): d= L/B.
El factor de forma debe estar comprendido entre 0.2 y 0.4.
•
Factor “a”:
a = [1+4*(Kb)*TR*(d)]0.5
donde Kb es la tasa de mortalidad (día-1), TR es periodo de retención (días)
y d es el coeficiente de forma.
•
Remocion de coliformes (N/No): N/No = {4*a*e*d 0.5/a}
:
51
Resumen de Elementos de Diseño de Lagunas
El proceso de diseño se basa en las cargas orgánicas y el tiempo de retención hidráulico. Los parámetros típicos se
resumen a continuación:
Parámetros
Tipo de estanque
Estanque
Estanque
aerobio (de
aerobiomaduración)
anaerobio
facultativob
Estrato
Mezcla
superfici
intermitent
al
e
0,80-4
0,80-4
unidades
unidade
múltiples
s
En serie o
En serie o
en paralelo
en
5-20
5-30
Estanque
anaerobio
Lagunas
aireadas
0,200,80
unidade
En serie
20-50
Mezcla
complet
a
0,80-4
unidade
s
En serie o
en
3-10
1,2-2,4
2,4-4,8
1,8-6,0
6,5-10,5
6,5-8,5
6,5-7,2
6,5-8,0
5-30
0-30
0-50
6-50
0-30
20
20
20
20
30
20
67- 1 34
90- 1 80
<17
56-200
225-560
Estanque
aerobio (baja
carga)a
Estanque
aerobio
(alta carga)
Mezcla
intermitent
e
<4
unidades
múltiples
En serie o
en paralelo
10-40
Mezcla
Intermitent
e
0,20-0,80
Profundidad, m
0,9-1,2
0,30-0,45
0,9-0,5
PH
6,5-10,5
6,5- i 0,5
0-30
Régimen de flujo
Tamaño del estanque, ha
Funcionamientoc
Tiempo de retención,d
Intervalo de temperaturas, °C
Temperatura optima, °C
Carga de DBO5d, kg/ha.dia
En serie
4-6
Conversión de DB05, %
Principales productos
la conversión
de
Concentración de algas, mg/l
Sólidos suspendidos en el
afluentee, mg/l
80-95
80-95
60-80
80-95
50-85
80-95
Algas, CO2,
tejido celular
bacteriano
40-100
Algas, CO,,
tejido celular
bacteriano
100-260
Algas, CO2,
tejido celular
bacteriano,
5-10
Algas, CO2,
CH4, tejido
celular
5-20
C02, CH4
tejido
celular
0-5
CO2
tejido
celular
80-J40
150-300
10-30
40-60
80-160
80-250
a
Estanques aerobios convencionales proyectados para maximizar la producción de oxigeno mas que la cantidad de
algas.
b
Los estanques incluyen un sistema de aireación adicional. En estanques sin aireación adicional, las cargas de DBO
típicas son del orden de una tercera parte de
las indicadas.
C
Depende de las condiciones climáticas.
d
Valores típicos. En muchos lugares se han empleado valores muy superiores. Los valores de las cargas suelen venir
impuestos por las agencias reguladoras.
e
Incluye algas, microorganismos y sólidos suspendidos residuales. Los valores se basan en una DBO soluble del
afluente de 200 mg/l y excepto en el caso de los estanques aerobios, una concentración de sólidos suspendidos de 200
mg/l.
53