CAPÍTULO 6. Tratamiento biológico Lección 26. Lodos activados

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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente -Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas
Comunidades. Autor: Ing. Claudia Patricia Gómez Rendón - 2012
CAPÍTULO 6. Tratamiento biológico
El tratamiento biológico de las aguas residuales implica actividad biológica para disminuir
la carga orgánica de compuestos orgánicos solubles convirtiendo la materia orgánica
disuelta y finamente dividida en flóculos biológicos y sedimentables. Para ello se vale de
proceso aerobios, anaerobios, anóxicos y combinados que varían según el tipo de
crecimiento y régimen de flujo.
Lección
26. Lodos activados
Corresponde esta tecnología de tratamiento de agua a un proceso aerobio de crecimiento
en suspensión. El proceso consiste en producir masa activa de microorganismos capaces
de estabilizar de manera aerobia el agua residual. Para ello debe previamente al afluente
del tanque de lodos haberse realizado sedimentación. Dicho tanque, debe estar
completamente aireado (tanque de aireación) para que se dé la mezcla agua –
microorganismos – aire a fin de que los organismos oxiden la materia orgánica a dióxido
de carbono y agua obteniéndose energía como resultado. Posteriormente, la mezcla se
lleva a sedimentación donde los microorganismos floculantes se asientan; el efluente
puede reutilizarse o descargarse. Los lodos del sedimentador secundario tienen dos vías.
La primera se destina para realimentar el afluente mediante recirculación y la segunda se
destina a tratamiento de lodos propiamente dicho (entiéndase estos lodos como residuo).
(Crites & Tchobanoglous, Op.Cit.).
26.1 Criterios de diseño
 Criterios de carga. Incluyen la relación alimento/microorganismo (F/M), tiempo medio
de retención celular (TMRC) y la tasa volumétrica de carga. Esta última se relaciona en
detalle en la tabla 25.
Tabla 26. Valores para el diseño de lodos activados
Modificación
del proceso
c
- d
F/M
Lb DBO5/Lb SSVLM
Tasa de carga
volumétrica
SSVLM .
mg/L
V/Q - h
Qr/Q
Lb DBO5/103 pie3 d
Flujo
de
pistón
convencional
Mezcla
completa
Aireación
extendida
Zanjón
de
oxidación
3 - 15
0.2 – 0.6
20 – 40
1000 – 3000
4 – 8
0.25 – 0.75
0.75 - 15
0.2 – 1.0
50 – 120
800 – 6500
3.5
0.25 – 1.0
20 – 40
0.04 – 1.0
5 – 15
2000 – 8000
18 – 36
0.5 – 1.50
5 – 15
2000 – 8000
8 – 36
0.5 – 1.50
15 – 30
0.04
- 0.10
Fuente: Adaptado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 456)
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El tiempo medio de retención celular es el tiempo que duran los microorganismos en el
tanque de aireación y se expresan mediante la ecuación 26.1
c 
Vr X
Qw X r  Qe X e
26.1
Donde:
c
= Tiempo de retención celular – días
Vr
X
Xr
Xe
Qw
Qe
=
=
=
=
=
=
Volumen del reactor – m3
Concentracción de microrganismos en el afluente SSV – mg/L
Concentracción de microrganismos en la recirculación SSV – mg/L
Concentracción de microrganismos en el efluente SSV – mg/L
Caudal de desechos – m3/s
Caudal efluente – m3/s
 Volumen basado en la relación F/M
Vr 
Q( S o )
X (F / M )
26.2
Donde:
Vr
Q
So
X
=
=
=
=
Volumen del reactor – Mgal
Caudal afluente – Mgal/d
Concentración del sustrato afluente SSV – mg/L
promedio de los sólidos suspendidos en el licor mezclado – mg/L
 Recirculación de lodos
Para determinar la cantidad de lodo que deben recircularse y mantener así los sólidos
suspendidos en el licor mixto SSLM, es necesario utilizar la ecuación 26.3
Q( X o )  Qr ( X r )  (Q  Qr ) X
26.3
Donde:
Q
Qr
= Caudal afluente – Mgal/d
= Caudal recirculado – Mgal/d
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Xo
Xr
X
= Concentración de SST en el afluente – mg/L
= Concentración de SST en la línea de recirculación – mg/L
= SSLM en el reactor – mg/L
 Producción de lodo
Se obtiene a partir de la ecuación 26.4
Yobs 
Y
1  k d c
26.4
Donde:
Y, Kd
c
= Coeficientes cinéticos
= Tiempo promedio de retención celular - dias
La tabla 27, muestra la producción de lodo en función del proceso de lodo activado
Tabla 27. Producción de lodo
Proceso de lodo
activado
Tasa alta (Sin
nitrificación)
Convencional (sin
nitrificación)
Tasa baja (con
nitrificación)
Fuente: Tomado de
TRCM – d
0.75 – 2
Producción – Lb células/Lb DQO aplicado
Con sedimentación 1ª.
Sin sedimentación 1ª.
0.5 – 0.8
0.6 - 0.9
3 – 8
0.4 – 0.6
0.5 – 0.8
>15
0.3 – 0.5
0.5 – 0.7
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 458)
 Requerimiento de oxígeno
Considerando la oxidación carbonácea, nitrificación y desnitrificación se puede calcula el
requerimiento de oxígeno a partir de la ecuación 26.5
Lb O2  (So  S )  Px (1.42)  4.6( NO3 ) f  2.86( NO3 )u
26.5
Donde:
So
S
Px
1.42
=
=
=
=
Concentración del sustrato afluente SSV – mg DQO/L
Concentración del sustrato efluente SSV – mg DQO/L
Células producidas que son desechadas – mg/L
Factor de conversión para DQO
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(NO3)f = Cantidad de nitrato que se forma - mg/L
2.86
= Factor de conversión para el oxígeno equivalente a los nitratos
(NO3)u = Cantidad de nitrato utilizado - mg/L
Los constituyentes particulados biodegradables en aguas residuales para el proceso de
lodos activados se reflejan en la siguiente tabla
Tabla 28. Requerimiento de oxígeno
Proceso de lodo
activado
TRCM – d
Tasa alta (Sin
nitrificación)
Convencional (sin
nitrificación)
Tasa baja
(con nitrificación)
0.75 – 2
Requerimiento de
oxígeno Lb O2/Lb
DQO aplicado
0.6 – 0.8
3 – 8
0.7 – 0.9
>15
0.8 – 1.1
4.6 – 4.7
Fuente: Tomado de
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 458)
26.2 Aireación
El oxígeno requerido se suministra a través de equipos. Diferente son ellos: Mecánicos y
difusores.
26.2.1 Aireación con difusores. Involucra la inyección de aire bajo presión para efectos de
mantener el reactor bien mezclado. Mediante la ecuación 26.6 se obtiene la capacidad de
aire requerido en los sopladores
Qaire 
Woxígeno
ERTO O2  aire 1440 min/ d 
26.6
Donde:
Qaire = Flujo requerido de aire – pie3/min
Woxígeno = Requerimiento de oxígeno – Lb/d
ERTO
O2
 aire
=Eficiencia real de transferencia de oxígeno
= Porcentaje de fracción de oxígeno por peso – 0.2315
= Peso específico del aire (0.075 Lb/pie3 a una atmosfera y 20 °C
Lección
27. Zanjones de oxidación
Este es un proceso de tratamiento de aguas residuales correspondiente a una variación
de los lodos activados. Le es inherente la aireación prolongada. Usa un canal cerrado
con dos curvas para generar allí la aireación y la mezcla.
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Un zanjón típico no incluye sedimentación primaria, solo el canal de aireación,
sedimentación primaria y lechos de secado o tratamiento de lodos como residuo.
27.1 Criterios de diseño
Profundidad
Paredes
Velocidad del agua
Velocidad de operación
de los cepillos
Sumergencia
Tasas de transferencia
de oxigeno
Número de aireadores
= 1.2 a 1.8 m
= laterales con inclinación a 45°
= 0.30 m/s
= 60 – 110 RPM
= 5 – 30 cm
= 1.5 – 10 Kg O2/m-h
= usualmente 2
La tabla 29, indica algunos parámetros adicionales para el diseño de zanjones de
oxidación
Tabla 29. Parámetros de diseño zanjones de oxidación
Parámetro
Relación A/M – kg DBO/kg SSV- d
Carga orgánica volumétrica – g DBO/m3- d
SSLM – mg/L
Edad de lodos – d
Tiempo de aireación – h
Relación de recirculación %
Profundidad – m
Sumergencia de los cepillos – cm
Longitud de los cepillos m
Velocidad de los cepillos – RPM
Relación ancho zanjón/longitud de cepillo
Relación volumen zanjón/longitud de cepillo
Fuente: Tomado de
Valor
0.1 – 0.3
200 - 1200
2000 - 6000
20 - 30
12 - 36
25 - 75
1 – 1.5
18
(para cepillos de 1.07 m de diámetro)
0.3 – 4.5
(para cepillos de 70 cm de diámetro)
60 - 95
1.5 – 2.8
150 – 200
(Romero R., J., 2005; pág 509)
El volumen del reactor se consigue mediante la utilización de la ecuación 26.2
Lección
28. Filtros percoladores
Corresponde este sistema a proceso aerobio de película bacterial adherida, es decir los
microorganismos están adheridos al lecho. Cuentan con una clasificación, es decir pueden
de película adherida no sumergida, adherida y crecimiento en suspensión y adherido
sumergido. Para el primero el exponente de ellos es el filtro percolador, entre tanto a los
segundos; corresponden los biofiltros y los últimos son lechos de crecimiento de flujo
ascendente.
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Los filtros percoladores consisten en hacer pasar el agua a través de un medio granular
grande alcanzando tamaños entre 2 y 4 pulgadas. Sin embargo, para mejorar la eficiencia
del tratamiento, se han desarrollado medios nuevos de plástico.
28.1 Criterios de diseño
Tabla 30. Criterios de diseño para filtros percoladores
Elemento
Medio filtrante
Tamaño – pulg
Superficie
específica
Espacio vacío %
Carga hidráulica
Gal/pie2 -min
Tasa
carga
orgánica
Baja carga
Carga
intermedia
Carga alta
Carga alta
Piedra/desechos
Piedra/desechos
Piedra/desechos
Plástico
1 - 5/2 - 5
1 - 5/2 - 5
1 - 5/2 - 5
24X24X48
12 - 30
12 - 30
12 - 30
24 - 60
40 – 55
40 – 55
40 – 55
92 - 97
0.02 – 0.06
0.06 – 0.16
0.16 – 0.64
0.2 – 1.20
5 – 25
15 – 30
30 – 80
50 - 200
6 - 8
6 - 8
6 - 8
10 - 40
0
0 – 1
Remoción
de
carbono
Lb
DBO5/103 pie3-d
Profundidad
pie
Relación
de
recirculación
1
– 2
1 - 4
Fuente: Tomado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 485)
28.2 Diseño criterio NCR
Es el método más comúnmente usado para el diseño de filtros percoladores. Pueden ser
de una (1) o dos (2) etapas. Para ello se utilizan las ecuaciones 28.1 a 28.3




100


E1 

W 
 1  0.0561 1 
VF 

28.1
Donde:
E1
= Eficiencia de remoción de DBO para procesos a 20 °C, incluyendo recirculación
y sedimentación - %
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W1
F
R
Qr
Q
=
=
=
=
=
Carga de DBO al filtro – Lb/d
Factor de recirculación
Relación de recirculación
Caudal de recirculación
Caudal de agua residual
F
1 R
1  R / 102
28.2




100


E2  
0.0561 W2 
 1 

1  E1 VF 

28.3
E2
= Eficiencia de la remoción de la DBO para un filtro de segunda etapa a 20 °C,
incluyendo recirculación y sedimentación - %
W1
= Carga de DBO al filtro en la segunda etapa – Lb/d
Lección
29. Lagunas
Los sistemas de tratamiento de aguas residuales que utilizan lagunas de estabilización
para la degradación de la materia orgánica no solo actúan como tal sino que también
son perfectos tanques de sedimentación si se tiene en dimensiones suficientes. (Imhoff,
1979).
Las lagunas de estabilización contienen principalmente algas y bacterias en suspensión, el
oxígeno liberado por estas (las algas) a través de la fotosíntesis es usado por las
bacterias para la descomposición aeróbica de la materia orgánica.
29.1 Factores de influencia
Fotosíntesis, pH, profundidad, nutrientes, sedimentos de lodos, vientos, oxígeno disuelto,
radiación solar, temperatura, entre otros son factores determinantes para el diseño y
operación de los sistemas lagunares. La figura 25 muestra el proceso de tratamiento en
una laguna
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Figura 25. Proceso de tratamiento en una laguna
Tomado de (Romero R., J., 1994; PÁG 120)
29.2 Modelos de diseño
Según Romero R., J., 1994, son principios para el diseño de lagunas de estabilización los
siguientes:
 Escaso dinero disponible para el tratamiento de aguas residuales
 Las lagunas de estabilización constituyen procesos de tratamiento biológico más
confiable por su resistencia máxima a cargas de materiales orgánicos
 Lagunas en serie son más eficientes y por tanto más económicas
 Las lagunas primarias tienen como propósito la remoción de la DBO 5, coliformes y
sólidos suspendidos
 Las lagunas secundarias tienen como propósito la remoción de la DBO 5, coliformes
 Las lagunas terciarias remueven esencialmente la remoción de coliformes fecales
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29.3 Criterios de diseño
Tabla 31. Criterios de diseño lagunas
Parámetro
Tipo de laguna
Aeróbica
Aeróbica
tasa baja tasa alta
Área - ha
Tiempo
de
retención - d
Profundidad – m
COS DBO5
kg/ha-d
SST efluente –
mg/L
Fuente: Tomado de
Anaerobia
Facultativa
Maduración
<4
10 - 40
0.2 – 0.8
4 - 6
0.2 – 0.8
20 – 50
0.8 – 4
5 - 30
0.8 - 4
5 - 20
0.9 – 1.2
65 – 135
0.3 – 0.45
90 – 180
2.4 – 5
220 – 560
1.2 – 2.4
56 – 202
0.9 – 1.5
≤17
80 – 140
150 – 300
80 – 160
40 – 60
10 - 30
(Romero R., J., 1994; 141)
29.4 Lagunas aerobias
Conocidas también como lagunas de oxidación. Aplicando los estudios de Oswald, la
producción de oxígeno por las algas, es función de la energía solar y se puede calcular
mediante la ecuación 29.1
O  0.28FS
29.1
Donde:
O
F
S
= Producción de oxígeno – Kg O2/ha –d
= factor de oxigenación
= Radiación solar – cal/cm2 – d
El factor de oxigenación F, representa la relación entre la masa de oxígeno producido y
la DBOU a satisfacer. (se obtiene por gráfica). La radiación solar es función de la
localización geográfica, elevación y condiciones meteorológicas (se obtiene por tabla).
La carga orgánica superficial se puede calcular por medio de la siguiente ecuación:
COS 
10d ( DBOU )

29.2
Donde:
COS
d
=
=
=

DBOU =
Carga orgánica superficial – kg DBO/ha – d
Profundidad de la laguna – m
Tiempo de retención – d
DBO última – mg/L
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10
= Factor de conversión de mg/L a kg/ha – d
Igualando la producción de oxígeno se obtiene la ecuación 29.3
d

 0.028
FS
( DBOU )
29.3
29.5 Lagunas facultativas
Se pueden diseñar con base en reactores de mezcla completa y cinética de remoción de
DBO de primer orden como el modelo de Marais, carga orgánica, entre otros.
29.5.1 Modelo de mezcla completa y cinética de primer orden – Marais
Supone que las partículas del fluido afluente son dispersadas a través de toda la masa
de agua.
Para obtener la concentración del efluente de la laguna se utiliza la siguiente ecuación:
C
600
2d  8
29.4
La constante de remoción de la DBO se obtiene con la ecuación 29.5
KT  K35 T 35

1  CO 
 1

K C

29.5
29.6
Donde:
K
Co
C
= Constante de reacción de primer orden – d-1
= Concentración de la DBO en el afluente – mg/L
= Concentración de la DBO en el efluente – mg/L
La ecuación 29.6 permite determinar la laguna facultativa primaria y secundaria. Cuando
se calcula la secundaria, la concentración afluente es el valor de la salida de la DBO de
la laguna primaria y la concentración efluente es el valor determinado por la norma de
vertimiento impuesta o calidad esperada en mg/L.
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29.6 Lagunas de maduración
Se calculan para remover carga de contenido microbiológico. La reducción de coliformes
fecales en lagunas anaerobias, facultativas y maduración se calcula según la siguiente
expresión:
N
NO
1  K b
29.7
Donde:
N
No
Kb
= Número de CF/100 ML del efluente
= Número de CF/100 ML del afluente
= Constante de remoción de primer orden
Las constantes, varían según el tipo de laguna como se muestra en la tabla 30.
Tabla 32. Constantes Kb para remoción de coliformes
Ecuación
Kb, 20
Modelo
Kb,t
Kb,t
Kb,t
Kb,t
Kb,t
Kb,t
=
=
=
=
=
=
2.60
1.41
3.27
1.10
0.41
0.36
(1.19)T-20
(1.40)T-20
(1.59)T-20
(1.075)T-20
(1.15)T-20
(1.25)T-20
Fuente: Tomado de
2.60
1.41
3.27
1.10
0.41
0.36
d-1
d-1
d-1
d-1
d-1
d-1
Mezcla completa
Mezcla completa – laguna primaria
Mezcla completa – laguna secundaria
Flujo pistón
Flujo pistón – laguna primaria
Flujo pistón – laguna secundaria
(Romero R., J., 1994; pág 163)
29.7 Lagunas anaerobias
Se caracterizan por albergar cargas orgánicas altas y no poseer zonas aerobias excepto
en la superficie. Se usan como lagunas primarias para aguas residuales domésticos. La
profundidad oscila entre 2.5 y 5 m.
29.7.1 Criterios de diseño
 Carga orgánica volumétrica:
Permite utilizar la siguiente ecuación de diseño:
COV  16.5T 100
29.8
Donde:
COV
T
= Carga orgánica volumétrica – g DBO /m3-d
= Temperatura de diseño - > 10 °C
 Modelo de Vincent:
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Supone mezcla completa y temperatura del agua de 20 °C
C1 
Co
29.9
n
 C1 
  K  1
 Co 
Donde:
C1
Co
=
=
=
=
=

K
n
DBO efluente – mg/L
DBO afluente – mg/L
Tiempo de retención hidráulico – d
Constante de remoción de la DBO – 6.0 d-1
Exponente = 4.8
Luego




 Co  
1

    1 
n
 C1    C1  
K 
  Co  
29.10
Lección
30. Biodiscos
En las dos últimas décadas, los biodiscos se han consolidado en los países más
desarrollados como una de las tecnologías más notables en el tratamiento de aguas
residuales e industriales. En la actualidad hay cerca de 10.000 instalaciones en todo
el mundo, especialmente en Europa. Japón y Estados Unidos. La figura 26 muestra el
biodisco tipo.
Figura 26. Biodisco tipo
Tomado. Congreso aneiap 2000
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La película biológica está fijada sobre discos colocados sobre un eje horizontal que los
hace girar lentamente. Dicho eje, se encuentra en el tanque que contiene el agua residual
quedando la mitad sumergida; cuando giran los discos, la película biológica queda
expuesta alternadamente entre el agua residual y el aire atmosférico.
Los discos tienen diámetro de 0.6 a 3 m y espesor entre 0.7 y 15 mm, ubicándose en
bloques de 20 discos y a una distancia de 2 cm sobre ejes de hasta 7 m de longitud. En
una cuba o caja de soporte, pueden ubicarse cuatro (4) bloques de discos, solo con dos
(2) se obtiene una eficiencia de remoción de 85%.
Se identifican como principales ventajas el bajo consumo de energía, fácil operación y
mínimo mantenimiento.
30.1 Criterios de diseño
Tabla 33. Valores recomendados para diseño de biodiscos
Disminución de la DBO5 - %
Número de etapas
Área superficial – m2/hb
Fuente: Tomado de
Valores recomendados
80
90
2
1
>3
2
95
>4
3
(GTZ, Cooperación Técnica República Federal Alemana, 1991; pág 619)
Los discos comerciales, tienen la siguiente área superficial:
Discos de 2 m de diámetro=
As= 5.9 m2
Discos de 3 m de diámetro=
As= 13 m2 GTZ, Op. Cit., pág 619
 Cálculo de área necesaria para el disco:
A
S om * Q
BA
30.1
Donde:
A
Som
Q
BA
=
=
=
=
Superficie necesaria del disco – m2
DBO afluente – mg/l
Caudal de diseño – L/s
Carga superficial DBO5 – kg/m2 - d
Para la carga superficial de la primera etapa menor a 60 gr/m 2 –d para ARD
Para la carga superficial de la segunda etapa menor a 40 gr/m 2 –d para AR
en degradación
Luego:
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BA
BA
= 8 gr/m2 –d para condiciones mínimas o para menos de 500 personas como
población a servir
= Para completar la nitrificación: 4 gr/m2 –d
Se debe corregir el volumen del agua calculado cuando se esperan variaciones de caudal
o de carga de DBO5. La tabla 34, presenta el factor de corrección.
Tabla 34. Factor de corrección en función del caudal
Personas
Factor de corrección para q (m3/min)
>10000
1
10000 – 5000
5000 – 1500
1.1.
a 1.2
1.2 a 1.3
1500 – 400
<400
1.3 a 1.5
1.5
Fuente: Tomado de (GTZ, Cooperación Técnica República
Federal Alemana, 1991; pág 620)
Luego el caudal corregido es igual a
q corregido  q * factor de corrección
30.2
 Volumen de la unidad
Se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación:
VB  0.32D 2 L  me
30.3
Donde:
VB
D
L
m
e
=
=
=
=
=
Volumen de la unidad – m3
Diámetro del disco – m
Longitud entre los discos de una etapa y las paredes externas - m
Número de discos en el eje
Espesor de los discos - m
 Número de revoluciones
Mediante la utilización de la ecuación 30.4
n
V
6.37
(0.9  R
D
Qh
30.4
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente -Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas
Comunidades. Autor: Ing. Claudia Patricia Gómez Rendón - 2012
Donde:
n
= Número de revoluciones de los discos por minuto. Se alcanzan siempre qie
haya suficiente desarrollo bacterial. Para ello:
Diámetro = 2; n debe ser mayor a 2.05 rev/min
Diámetro = 3; n debe ser mayor a 1.368 rev/min Datos tomados de GTZ, Op. Cit. Pág
621
qh
= Caudal afluente – m3/h
 Tiempo de contacto
T
Qh * 24
VB
30.5
Donde:
T
= Tiempo de contacto – adimensional
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Comunidades. Autor: Ing. Claudia Patricia Gómez Rendón - 2012
Referencias Bibliográficas
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descentralizados (Vol. I). McGraw-Hill Interamericana, S.A.
Imhoff, K. (1979). Manual de saneamiento de poblaciones (Segunda ed.). España: Ediciones
Rosario.
Gómez R., C. (2012) Módulo Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas Comunidades. Bogotá –
Colombia, Escuela de Ciencias Agrarias, Pecuarias y de Medio Ambiente, Ingeniería Ambiental,
ECAPMA, UNAD.
Romero R., J. (1994). Acuitratamiento por lagunas de estabilización. Bogotá: Escuela Colombia de
Ingeniería.
Webgrafía
Congreso
ANEIAP
2000.
Recuperado
http://aneiapuninorte.jimdo.com/inicio/historia/
el
12/08/2012
de
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