tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales

TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES DOMESTICAS E
INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERIA
CATEDRA INTERNACIONAL 2008
ING. CARLOS JULIO COLLAZOS
CONTENIDO
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
Introducción
Clasificación de los sistemas de tratamiento
Tratamientos preliminares
Tratamientos primarios
Tratamientos secundarios
Tratamiento de lodos
2.1. Introducción
2.1.1 Situación del sector en
Colombia, América Latina y El Caribe
POBREZA URBANA
Y SANEAMIENTO
Porcentaje de
pobreza urbana
por país en ALC
Porcentaje de pobres en áreas urbanas
Más de 60%
Entre 40 y 60%
Menos de 40%
No disponible
Fuente: OMS/OPS
Diagnóstico
(Fuente: Latinosan 2007)
9 Se estima que el 41% de la población mundial (2600
millones de habitantes) no tiene acceso al saneamiento
básico
9 En América Latina en el 2004, el 14% de la población
urbana (60 millones de personas) y el 51% de la
población rural (65 millones de personas) carecían de
sistemas de saneamiento
9 El año 2008 ha sido declarado por las naciones Unidas
como el año internacional del saneamiento
9 La meta del milenio, busca reducir a la mitad el número
de habitantes sin acceso al saneamiento básico para el
año 2015
Disposición urbana de aguas residuales
en América Latina (1998)
Disposición in situ
Alcantarillado ( 600 m3/s)
Sin servicio
Agua residual tratada
(con tratamiento aceptable
OPS, 2001
27%
63%
10%
14%
6%)
600 m3/s
86%
sin
tratamiento
516 m3/s
ríos,
agricultura y
mares
BALANCE EN LA PRODUCCIÓN DE AGUAS
RESIDUALES MUNCIPALES EN COLOMBIA
20% conducidas
a PTARs.
PRODUCCIÓN
PRODUCCIÓN DIARIA
DIARIA DE
DE
AGUAS
AGUAS RESIDUALES
RESIDUALES DOMESTICAS
DOMESTICAS
SEIS
SEIS (6)
(6) MILLONES
MILLONES DE
DE M
M33..
Fuente: MAVDT
8% efectivamente
tratado
80%
vertidos
sin tratamiento
al suelo, ríos,
quebradas,
lagos y el mar.
Esquema de uso tradicional del agua
en América Latina
Recurso hídrico
Aguas
Residuales
AGRO
CIUDAD
CEPIS/OPS
Esquema tendencia actual en
América Latina
Recurso hídrico
AGRO
CIUDAD
Aguas
Residuales
Reuso
CEPIS/OPS
TRATAMIENTO ADECUADO
2.1. Introducción
2.1.2 Objetivos y gradualidad
del tratamiento
PROPOSITOS DEL TRATAMIENTO
Dependen del destino final y pueden ser, básicamente:
9 Separar o remover del vertimiento los constituyentes
indeseables
9 Modificar las propiedades fisicoquímicas o biológicas
del residuo con el fin de alcanzar niveles compatibles
con los requerimientos de la descarga
GRADUALIDAD
Dentro de una concepción racional del tratamiento es
lógico contemplar un proceso de gradualidad en la
implementación de las soluciones (etapas):
Inicialmente podría considerarse:
-
Acondicionamiento
Remoción de Sólidos Suspendidos
Remoción de DBO soluble
Remoción de patógenos
GRADUALIDAD
Posteriormente:
- Remoción de Nitrógeno
- Remoción de fósforo
Finalmente:
- Remoción de metales pesados
- Remoción de sustancias refractarias
- Remoción de otras sustancias disueltas
2.2. Clasificación de los
sistemas de tratamiento
2.2.1 Criterios de selección
Criterios de selección
Para la selección de los procesos de tratamiento es
necesario observar las siguientes consideraciones:
9
9
9
9
Características del agua a tratar
Grado de tratamiento requerido según el destino final
Disponibilidad de espacio
Costos: Capital y O & M
2.2. Clasificación de los
sistemas de tratamiento
2.2.2 Tipos de tratamiento
Clasificación por el tipo de proceso
En general, los procesos de tratamiento están
categorizados como transporte de momento, masa o
calor o una combinación de los mismos. Por esa
razón se clasifican en:
Procesos
Procesos
Físicos
Físicos
Procesos
Procesos
Químicos
Químicos
Procesos
Procesos
Biológicos
Biológicos
Clasificación por el grado de
tratamiento
En atención a un orden de gradualidad, un proceso de
tratamiento se puede implementar secuencialmente de
la siguiente manera:
Preliminar
E = 5%
Primario
E = 30 – 50%%
Secundario
E = 80 – 95%%
Terciario o
avanzado
2.3. Tratamientos preliminares
2.3.1 Cribado
Cribado – Función y características
Rejas o rejillas de barras
metálicas paralelas e
igualmente espaciadas
Su función es retener sólidos
gruesos que floten o que se
encuentren suspendidos en el
agua
Pueden ser de
limpieza manual
(gruesas) o de
limpieza mecánica
(finas)
Fuente: COMARCO
Cribado – Especificaciones de las rejas
TIPO DE REJA
Gruesa
ESPACIAMIENTO ENTRE
BARRAS (m.m.)
40 hasta 100
Media
20 hasta 40
Fina
10 hasta 20
Muy fina (rotatoria)
C A R A C TE R ÍS T IC A S
Espacia m iento entre barras de la
rejilla (m m )
V elocidad m ínim a de aproxim ación
(m /s)
V elocidad m ínim a en tre barras
(m /s)
Fuente: M inisterio de D esarrollo
0,25 hasta 2,5
D E L IM P IE ZA
MANUAL
15 - 50
D E L IM P IE ZA
M E C Á N IC A
3 - 70
0.3 – 0.6
0.3 – 0.9
0.3 – 0.6
0.3 – 1.2
2.3. Tratamientos preliminares
2.3.2 Desarenadores
Desarenadores – Características y función
Estructuras destinadas a remover
arenas y otros guijarros presentes
en las aguas residuales
Los desarenadores pueden ser
rectangulares o circulares; de flujo
horizontal o helicoidal; aireados o
no; de limpieza manual o mecánica
Foto: PTAR Breda, Holanda
Tienen
como
función
prevenir la abrasión de
equipos mecánicos, evitar
la sedimentación de arenas
en tuberías, canales y
tanques ubicados aguas
abajo
Foto: PTAR El Salitre, Bogotá - Colombia
Desarenadores – Especificaciones
Parámetros de diseño para desarenadores rectangulares de
flujo horizontal
PARÁMETRO
UNIDAD
VALOR
INTERVALO
TIPICO
s
45 - 90
60
m/s
0,24 - 0,40
0,3
- Material tamiz # 50 (0,30 mm)
m/s
2,80 - 3,10
2,9
- Material tamiz # 100 (0,15 mm)
m/s
0,60 - 0,90
0,75
%
25 - 50
30
Tiempo de retención hidráulico
Velocidad horizontal
Velocidad de sedimentación para remover:
Longitud adicional por aumento en
turbulencia a la entrada y la salida
FUENTE: CRITES Y TCHOBANOGLOUS (2000)
Desarenadores – Especificaciones
Parámetros de diseño para desarenadores aireados
VALOR
PARÁMETRO
UNIDAD
INTERVALO
TIPICO
min
2-3
3,0
- Profundidad
m
2,1 - 4,9
3,0
- Longitud
m
7,6 - 19,8
12,2
- Ancho
m
2,4 - 7,0
3,7
Relación ancho - profundidad
Razón
1:1 a 5:1
1,5:1
Relación largo - ancho
Razón
3:1 a 5:1
4:1
m3/min*m
0,28 - 0,74
0,46
Tiempo de retención para caudal pico
Dimensiones:
Suministro de aire por m de longitud
FUENTE: CRITES Y TCHOBANOGLOUS (2000)
2.3. Tratamientos preliminares
2.3.3 Homogenización (igualación)
Homogenización – Función
Son tanques que sirven
para regular o disminuir los
efectos de la variación del
flujo o de la concentración
de las aguas residuales
Estos tanques son indispensables en
el tratamiento de las aguas residuales
industriales y a veces se utilizan en
las instalaciones municipales
Un tanque de igualación
es un depósito de
cualquier forma con
capacidad suficiente
para contener el flujo de
agua que sobrepasa un
determinado valor.
El procedimiento de calculo se basa en
establecer un balance de masa a intervalos
regulares de tiempo
Fuente: Toprak
2.4. Tratamientos primarios
2.4.1 Sedimentación
Sedimentación Primaria – Función y
características
La sedimentación es un proceso
físico que aprovecha la diferencia de
densidad y peso entre el líquido y las
partículas suspendidas
Los sólidos, más pesados que el
agua, precipitan produciéndose su
separación del líquido
La sedimentación primaria aplica
para partículas floculentas (con o
sin coagulación previa)
Los sedimentadores pueden ser
circulares o rectangulares
Sedimentadores Primarios – Criterios
Parámetros de diseño para sedimentadores rectangulares
TIPO DE
TRATAMIENTO
CARGA SUPERFICIAL,
m/d
Profundidad
(m)
Carga sobre
el vertedero
(L/s.m)
Tiempo de
retenció
retención
(h)
Caudal
promedio
Caudal pico
Primario seguido de
tratamiento
secundario
3232-49
8181-122
3 -5
1,4 - 5,8
1,51,5-2,5
Primario con lodo
activado de desecho
24 – 33
48 - 70
3-5
1,4 – 5,8
1,51,5-2,5
Primario
24 - 33
2,1 - 3,6
1,4 - 5,2
1-2
Fuente: Romero, 2005
45
% de remoció
remoción
DBO
SS
3535- 45
5050-70
3535-45
35 - 40
5050-70
50 - 70
2.4. Tratamientos primarios
2.4.2 Flotación
Flotación – Función y características
Es un proceso utilizado para la
separación de partículas sólidas
o líquidas en un medio líquido
La separación se consigue por
flotación simple o introduciendo
burbujas muy finas de aire en la
masa líquida para que arrastren las
partículas suspendidas hacia la
superficie (DAF)
En el tratamiento de las aguas
residuales se utiliza para
remover aceites y grasas y
también para aglutinar sólidos
suspendidos
Flotación sin recirculación
La flotación con aire se puede
aplicar con o sin recirculación
Flotación con recirculación
Fuente: FAO
Flotación DAF – Parámetros de diseño
9Sistema de presión: 3 a 5 atm
9Caudal de recirculación: 15 – 120%
9Carga superficial: 60 – 230 m3/m2.d
9Tiempo de retención: 20 – 40 minutos
9Relación aire/sólidos: 0.005 – 0.08 kg/kg
2.5. Tratamientos secundarios
2.5.1 Sistemas de biomasa en
suspensión – Lodos activados
Lodos activados – Características
Desarrollado por Ardern y lockett en
Inglaterra en 1914
El nombre del proceso se
deriva de la formación de una
masa de ¨microorganismos
activos¨ capaz de estabilizar
un desecho orgánico bajo
condiciones aerobias
El ambiente aerobio
se logra mediante
aireación difusa o
mecánica en un
tanque de aireación
Esquema básico reactor - sedimentador
Fuente: Toprak
Después de tratado el residuo en el tanque
de aireación, la biomasa es separada en un
sedimentador secundario. Parte de la misma
se recircula al reactor
Lodos activados – Tanque de aireación
Aireación difusa
Aireación mecánica
Variantes del proceso y sus aplicaciones
MODALIDAD
APLICACION
Convencional
Aguas residuales domésticas de baja o media
concentración, admite cargas de choque, aunque con
algunas restricciones.
Mezcla Completa
Aplicación general, resistente a cargas de choque
Aireación por
Pasos
Aplicación general para un amplio rango de desechos
Estabilización por
Contacto
Ampliación de sistemas existentes, Plantas compactas,
flexible
Aereación
Extendida
Pequeñas comunidades, plantas compactas, flexible,
aereadores superficiales
Proceso Kraus
Bajo en nitrógeno, residuos de elevada concentración
Parámetros de diseño (típicos)
θc
[d]
F/M
[kg DBO/kg SVLM.d]
COV
[kg DBO/m3.d ]
X
[g/l SSV]
θ
[h]
R
[%]
Convencional
5 - 15
0.2 – 0.4
0.03 – 0.06
1.5 – 3.0
4-8
25 - 75
Mezcla
completa
5 - 15
0.2 – 0.6
0.07 – 0.18
2.5 – 4.0
3-5
25 - 100
Aireación
extendida
20 - 30
0.05 – 0.15
0.01 – 0.04
3.0 – 6.0
18-36
50 - 150
Zanjas de
oxidación
10 - 30
0.05 – 0.30
0.01 – 0.05
3.0 – 6.0
18-36
75 - 150
PROCESO
VARIANTE
Convenciones:
• Edad de lodos: θc
; F/M: Relación Alimento/Microorganismos
• Carga Orgánica Volumétrica: COV ; X = SSVLM (sólidos suspendidos en licor mezclado
• Tiempo de Retención Hidráulico: θ
; Tasa de Recirculación (%): R
Rej as
Bomb eo
Desa renad or
Sedimentador
Pr imario
T RATAMIENTO
S ECUNDA RIO
Tanques de Sedimentador
Aireación
Secundario
Lodos
A ctivados
Espesamiento
Basuras
Gas Metano
Línea de A guas
Línea de Lodos
Basuras
Retorno de Lodos
Procesos bioló gicos
Inhibidos por tó xicos
Recuper ación
de Energía
Deshidratación
D igestor
Anaeróbico
Biosólid os
Río Me dellín
TRATA MIENTO
PRIMARI O
TRATAMIENTO
PRELIMINAR
Efluente
In fluente
Interce ptor
Diagrama básico de una planta
convencional de lodos activados
7
MA NEJO DE SÓLIDOS
Fuente EPM, PTAR San Fernando
2.5. Tratamientos secundarios
2.5.2 Sistemas de biomasa adherida
Sistemas de biomasa adherida fundamentos
En los sistemas de tratamiento
con biomasa adherida los
microorganismos se
encuentran pegados a un
medio de soporte que puede
ser de plástico, piedra o
cualquier otro material inerte
Diferentes medios
Dependiendo de las condiciones
ambientales que rodean el
medio de soporte, los sistemas
de biomasa adherida pueden ser
aerobios o anaerobios
Sistemas de biomasa adherida – Ejemplos
de aplicación
Filtro percolador
Biorotores o biodiscos
Fuente: IWK
Filtros percoladores – Parámetros de diseño
TIPO
H
(m)
CARGA
HIDRAULICA
m3/m2.d
CARGA
ORGANICA
kg DBO/m3.d
Baja carga
1.8 - 2.4
1-4
0.07 – 0.22
Carga
intermedia
1.8 – 2.4
4 - 10
Alta carga
1.8 – 2.4
Alta carga
Desbaste
EFICIENCIA
Remoción
DBO (% )
R
Piedra
80 – 90
0
2–4
0.24 – 0.48
Piedra
50 – 80
0 -1
2–8
10 – 40
0.4 – 2.4
Piedra
50 – 90
1–2
6 – 10
3.0 - 12
10 – 75
0.6 – 3.2
Plástico
60 – 90
1–2
6 – 10
0.9 – 6.0
40 - 200
> 1.5
Piedra o
plástico
40 - 70
0-2
10 - 20
Fuente: Metcalf & Eddy
TIPO DE
RELLENO
POTENCIA
Kw/103 m3
Biorotores – Parámetros de diseño
PARAMETRO
UNIDAD
REMOCION DE DBO
UNICAMENTE
REMOCION DE DBO
Y NITROGENO
Carga hidráulica
m3/m2.d
0.08 – 0.16
0.03 – 0.08
g DBOs/m2.d
4 – 10
2.5 – 8
g DBOt/m2.d
8 – 20
5 – 16
g DBOs/m2.d
12 – 15
12 – 15
g DBOt/m2.d
24 – 30
24 – 30
Carga orgánica
Carga máxima en
la 1ª etapa
Carga de NH3
TRH
g N/m2.d
0.75 – 1.5
h
0.7 – 1.5
1.5 – 4
Efuente de DBO
mg/L
15 - 30
7 – 15
Efluente NH4-N
mg/L
<2
2.6. Tratamiento de lodos
2.5.2 Origen y características
Generación de lodos
Generación de lodos en una planta convencional
Los lodos son un
subproducto del
tratamiento de las
aguas residuales.
Puede ser primario,
secundario o digerido
Las características de
los lodos varían con
la composición del
agua residual y con el
tipo de tratamiento
Fuente: Toprak
Composición típica de los lodos
LODO PRIMARIO
SIN TRATAR
PARAMETRO
LODO PRIMARIO
DIGERIDO
LODO ACTIVADO
SIN TRATAR
Rango
Típico
Rango
Típico
Rango
5-9
6
2-5
4.0
0.8 - 1.2
60 - 80
65
30 - 60
40
59 - 88
Nitrógeno, % de ST
1.5 – 4.0
2.5
1.6 – 3.0
3.0
2.4 – 5.0
Fósforo, % ST (P2O5)
0.8 – 2.8
1.6
1.5 - 4.0
2.5
2.8 – 11
Alcalinidad (mg/L CaCO3)
500-1500
600
2500-3500
3000
580 - 1100
ST, % (materia seca)
STV, % de ST
Fuente: Metcalf & Eddy
Esquema básico de tratamiento de lodos
ESPESAMIENTO
DIGESTIÓN
AEROBIA
DIGESTIÓN
ANAEROBIA
ACONDICIONAMIENTO
QUIMICO
DESHIDRATACIÓN
ERAS DE
SECADO
FILTROS
DE VACÍO
CENTRIFUGA
EVACUACIÓN
DISPOSICIÓN FINAL
FILTROS
PRENSA
FILTROS
BANDA
Tratamiento de lodos
Tanque de espesamiento por gravedad
Deshidratación (filtro prensa)
Digestores PTAR El Salitre
Lechos de secado de lodos