capítulo 5.

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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 5. Tratamiento primario
La remoción de sólidos gruesos y finos de origen orgánico e inorgánico presentes
en
las
aguas
desarenadores
residuales
y
se
retiran
sedimentadores
mediante
así
como
operaciones
en
procesos
unitarias
como
biológicos
que
igualmente operan como éstos últimos. Es propio de estas unidades su baja
eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, DBO
y E. Coli razón por la cual
se conocen como operaciones que integran el tratamiento primario.
Lección
21. Remoción de arenas
Se denominan arenas a aquellos materiales sólidos como gravas, cenizas u otras
materiales
cuyo
peso
específico
es
mayor
a
los
sólidos
susceptibles
de
descomposición presente en el agua residual, es decir es de 2.65 gr/cm y una
3
temperatura del agua residual de 15.5 °C.
La remoción de arenas se realiza en unidades de tratamiento denominados
desarenadores con el fin de 1) proteger los equipos mecánicos de la abrasión, 2)
reducir la formación de depósitos de sólidos pesados en unidades y conductos
aguas abajo, 3) reducir la frecuencia de limpieza de los digestores por causa de
acumulación excesiva de arenas.
Las arenas se remueven de las aguas residuales para:
 Proteger los equipos mecánicos de la abrasión y del excesivo desgaste
 Reducir la formación de depósitos de sólidos pesados en unidades y
conductos aguas abajo
 Reducir la frecuencia de limpieza de los digestores por causa de acumulación
excesiva de arenas
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Normalmente, los desarenadores se ubican después de
las
unidades
que
remueven sólidos gruesos (tamizado) y antes de tanques de sedimentación
primaria. Tres clases de desarenadores son los más usados: de flujo horizontal
para canales de sección rectangular o cuadrada; aireados y de vórtice.
21.1 Desarenadores de flujo horizontal tipo canal
Contiene un canal que debe tener velocidad controlada, para el caso es del
orden de 0.3 m/s, proporcionando el tiempo suficiente para que las partículas de
arena sedimenten en el fondo del canal. Esta velocidad se controla con las
dimensiones del canal y el uso de vertederos con secciones especiales para el
efluente. La extracción de arenas sedimentadas se realiza mediante un mecanismo
transportador dotado de raspadores. La elevación de arenas para su lavado se
realiza mediante tornillos. Ver figura 19. Si la planta de tratamiento es pequeña,
la remoción de arenas se hace en forma manual.
Figura 19. Desarenadores de flujo horizontal.
Tomado
el
19/10/2012
http://sistemasdetratamientodelagua.blogspot.com
de
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21.2 Desarenadores rectangulares de flujo horizontal
El agua a tratar pasa a través de la cámara en dirección horizontal y la
velocidad lineal del flujo se controla con las dimensiones del canal, mediante
compuertas para distribuir mejor el flujo.
21.2.1 Criterios de diseño
Tabla 17. Criterios de diseño desarenadores de flujo horizontal
Parámetro
Unidad
Intervalo
Valor usual
Tiempo de retención
s
45 – 90
60
Velocidad horizontal
pie/s
0.8 – 1.3
1.0
Material malla 50
pie3/min
9.2 – 10.2
9.6
Material malla 100
pie3/min
2.0 – 3.0
2.5
%
30 – 40
36
%
25 – 50
30
Velocidad
sedimentación
de
para
remover:
Pérdida de carga en
la
sección
de
control como % de
la
profundidad
del
canal
Longitud adicional
por aumento de
turbulencia
Fuente: Tomado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 292)
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21.3 Desarenadores cuadrados de flujo horizontal
El caudal afluente se distribuye uniformemente por toda la sección transversal del
tanque a través de compuertas o deflectores y fluye a través del mismo hasta
rebosar por un vertedero de descarga libre. Los sólidos sedimentados se
transportan por medio de barredores mecánicos de rotación hasta un pozo
ubicado al lado del tanque, los que son retirados mediante equipos para
posterior lavado.
21.4 Desarenadores aireados
Las arenas se remueven del desarenador aireado por el movimiento es espiral
que hace el agua residual. Debido a su masa, las partículas de arena se aceleran
y abandonan las líneas de flujo hasta que alcanzan finalmente el fondo del
tanque, dado que el flujo en espiral es un campo con aceleración variable
inducido por el aire inyectado.
El diseño de este tipo de desarenadores se usa para remover sólidos de 0.21
mm o mayores, con tiempo de retención de 2 a 5 minutos bajo condiciones de
caudal pico horario. Si la velocidad es excesiva, las partículas de arena saldrán
del desarenador
y a velocidades bajas se incentiva la remoción de material
particulado. La sección transversal se diseña para crear flujo en
espiral, de ahí
que contiene un canal colector de arenas de 0.9 m de profundidad, con paredes
laterales inclinadas, ubicado a lo largo del fondo del tanque justo debajo de los
difusores de aire.
Ver figura 20. Estos últimos se ubican entre 0.45 a 0.6 m. por
encima del fondo del tanque (Crites & Tchobanoglous, 2000). Los criterios de
diseño se presentan en la tabla 18.
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Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores aireados
Característica
Unidad
Intervalo
Valor usual
min
2 – 5
3
Profundidad
pie
7 – 16
10
Longitud
pie
25 - 65
40
Ancho
pie
8 – 23
12
Razón
1:1 a 5:1
1.5:1
Razón
3:1 a 5:1
4:1
pie3/pie-min
3 – 8
5
pie3
0.5 – 27
2
Tiempo de retención
para caudal pico
Dimensiones:
Relación ancho –
profundidad
Relación largo – ancho
Suministro de aire por
pie de longitud
Cantidad de arena
Fuente: Tomado de
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 296)
Figura 20. Sedimentadores aireados con flujo en espiral.
Tomado de Gómez, 2012.
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21.5 Desarenadores de vórtice
Es un tanque cilíndrico al cual ingresa el agua a tratar en forma tangencial,
creando un vórtice dentro del cilindro. La turbina giratoria se emplea para
producir una trayectoria toroidal de las partículas, logrando la sedimentación en
el fondo de donde se extraen con una bomba de arenas. Otros desarenadores
generan un vórtice libre por acción del flujo tangencial de entrada. El efluente
sale por el centro de la parte superior de la unidad desde un cilindro rotatorio.
Las fuerzas centrífuga y gravitacional presentes dentro del cilindro rotatorio
limitan la liberación de las partículas con densidad superior a la del agua. Las
arenas se sedimentan por gravedad mientras que las otras partículas son
liberadas por el efluente debido a la acción de las fuerzas centrífugas. La tabla
19 presenta los criterios de diseño para este tipo de desarenadores.
Tabla 19. Criterios de diseño para desarenadores con vórtice
Característica
Unidad
Intervalo
Valor usual
s
20 – 30
30
Cámara superior
pie
4.0 – 24
Cámara inferior
pie
3.0 – 6.0
Altura
pie
9.0 – 16
%
92 – 98
95
%
80 – 90
85
%
60 – 70
65
Tiempo de retención a
caudal medio
Diámetro
Tasas de remoción
Material malla 50
(0.30mm)
Material malla 70
(0.21mm)
Material malla 100
(0.15mm)
Fuente: Tomado de
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 296)
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21.6 Dimensionamiento
El dimensionamiento del desarenador consistirá en determinar las dimensiones del
tanque, es decir, el alto, largo y ancho del mismo.
Lección
22. Sedimentadores
El objetivo de la sedimentación es remover los residuos sólidos sedimentables y
material flotante para disminuir la concentración de sólidos suspendidos. Los
sedimentadores primarios empleados como pretratamiento del agua residual,
remueven entre el 50% y el 70% de sólidos suspendidos y entre el 25% y 40%
de la DBO5.
La sedimentación se clasifica en cuatro tipos a saber: Discreta, floculenta, de
zona y de compresión. La primera, conocida también como sedimentación tipo I,
se caracteriza por que la sedimentación se realiza en forma individual y sin
interferir entre ellas. La teoría que rige este tipo de sedimentación es la Ley de
Stokes, aunque la aproximación a través de la relación Q/As es la más utilizada
para aguas residuales.
La sedimentación floculenta o tipo II, se caracteriza por ser una sedimentación de
partículas poco concentradas con tendencia a la floculación, por lo tanto; la
velocidad de sedimentación de las partículas aumentan con el proceso de
sedimentación. Es propio en sedimentadores primarios.
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La sedimentación zonal
o tipo III, ocurre en concentraciones intermedias de
partículas, cuando estas forman al final del proceso de la sedimentación la
interfase sólido – líquido totalmente definida. Es propio de la sedimentación
secundaria.
Los
parámetros
que
gobiernan
el
diseño
de
este
tipo
de
sedimentación es la carga de sólidos, el caudal, tiempo de detención superficial y
la relación (QX/As).
La sedimentación de compresión ocurre cuando las partículas están sedimentadas
y tienen una estructura de partículas ya formadas. Por lo tanto, puede suceder la
sedimentación por compresión. Ocurre en los espesadores y en el fondo de los
sedimentadores secundarios siendo su parámetro de diseño el caudal.
22.1 Sedimentación primaria
Siempre que un líquido que contenga sólidos es suspensión se encuentre en
estado de relativo reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido
tenderán a depositarse en el fondo, y los de menor peso específico a ascender.
Este es el principio de funcionamiento de los tanques de sedimentación primaria,
los cuales dimensionados y operados de manera eficiente pueden eliminar entre
el 50 y 70%.
22.1.1 Fundamentos del diseño
R
22.1
t
a  bt
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Donde:
R
= Porcentaje de remoción de DBO o SST esperado - %
t
= tiempo nominal de retención - h
a, b
= constantes empíricas
De acuerdo con Crites y Tchobanoglous (2000), las constantes a y b puede
tomar los siguientes valores a 20°C como se muestran en la tabla 20.
Tabla 20. Valores de constantes empíricas
Variable
a, h
b
DBO
0,018
0,020
SST
0,0075
0,014
Fuente: Tomado de
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 304)
22.1.2 Tiempo de retención
Por lo general, los tanques de sedimentación primaria se proyectan para
proporcionar un tiempo de retención entre 1,5 a 2,5 horas para el caudal medio
del agua residual.
La
tabla 21, presenta las características típicas de diseño para sedimentadores
primarios y la figura 21 el esquema típico.
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Tabla 21. Información típica para el diseño de tanques de sedimentación
primaria
Características
Sedimentación
primaria
seguida
de
Intervalo
Típico
1.5 – 2.5
2.0
tratamiento
secundario:
 Tiempo de retención, h
 Carga de superficie - m3/m2 día
-
A caudal medio
30 – 50
40
-
A caudal punta
80 – 120
100
125 –
250
 Carga sobre vertedero, m3/m día
500
Sedimentación primaria con adición del lodo activado
en exceso:

Tiempo de retención - h

Carga de superficie - m3/m2 día
1.5 – 2.5
2.0
-
A caudal medio
24 – 32
28
-
A caudal punta
48 – 70
60
125 –
250
 Carga sobre vertedero - m3/m día
500
Fuente: Tomado de (Metcalf & Eddy, 1996)
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Figura 21. Sedimentador tipo I .
Tomado
el
19/10/2012
de
http://www.bibliocad.com/biblioteca/sedimentador-primario
Lección
23. Tanque séptico
La acción séptica es un proceso biológico natural donde las bacterias propias de
las aguas residuales, actuando en ausencia de oxígeno reducen la materia
orgánica a formas poco oxidadas, algunos sólidos son disueltos y se desprenden
gases que contienen anhídrido carbónico, metano, gas sulfídrico y otros gases
(trazas). La mayor actividad séptica se da en el lodo. Se utilizan los tanques
sépticos para saneamiento rural y núcleos de poblaciones pequeños.
Tiene como ventaja el proceso séptico la poca generación de lodo, estimándose
que pueden estar entre un “25% a un 40% menor en peso y 75% a 80% menor
en volumen que el lodo de tanque sedimentación primaria” (Báez, Op. Cit., pág
48).
A
pesar
de
ser
pequeña
periódicamente ya que de
la
cantidad
de
lodo,
estos
no hacerse, disminuye el
deben
extraerse
volumen del
tanque
originándose la disminución del periodo de retención y por consiguiente el
aumento
de
la
velocidad
de
flujo
que conduce
al
arrastre
de
materias
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sedimentables y mayor velocidad de colmatación de tratamientos secundarios. El
esquema típico del tanque séptico se presenta en la figura 22.
Figura
22.
Tanque
séptico
tipo.
Tomado
en
http://www.upme.gov.co/guia_ambiental/carbon/gestion/guias/plantas/contenid/medidas
23.1 Criterios de diseño
Tabla 22. Criterios de diseño para tanques sépticos
Característica
Valor
Altura útil
Menos de 20 personas
1.70 m
Hasta 35 personas
2.00 m
Hasta 50 personas
2.30 m
Hasta 100 personas
2.50 m
Relación Largo – ancho
4:1
Fuente: Tomado de
(Unda O., F., 1993; pág 352)
2012
de
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El tiempo de retención hidráulico del tanque séptico se consigue a través de la
utilización de la siguiente ecuación:
 r  1.5  0.3 * log( P * d )
23.1
Donde:
r
= Periodo de retención hidráulico – días
P
= Población servida – hab
d
= Dotación – L/hb-d
El volumen del tanque se obtiene a partir de la aplicación de la ecuación 23.2
V  103 * ( P * d ) r
23.2
Donde:
V
= Volumen del tanque séptico – m3
El volumen de lodos se obtiene a partir de la aplicación de la ecuación 23.3
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Vl  G * P  N
23.3
Donde:
Vl
= Volumen de lodos – m3
G
= Volumen de lodos percápita – L
N
= Frecuencia de limpieza – años
En clima cálido, una persona el volumen de lodos es 40 L/hb – año y en clima
frio es 50 L/hb – año
A la profundidad útil del tanque séptico, se debe adicionar 0.70 m para efectos
del dejar desarrollar la nata sobrenadante. También debe considerarse mínimo
0.30 m de borde libre. Normalmente, los tanques sépticos se construyen de dos
(2) compartimientos, herméticos, el primero se recomienda se encuentre a 2/3 de
la longitud del tanque.
23.2 Unidades complementarias
Para efectos de mejorar la calidad del agua tratada en el tanque, se suele
acompañar de un filtro anaerobio de flujo ascendente, cuyo volumen de diseño
debe ser 0.05 m3/hb servido. La unidad, tendrá dispuesto como filtro material
granular grueso con espesor de lecho de 0.40 m, sobre el se coloca arenas
gruesas y finas de 10 cm de espesor cada capa, es decir se alcanza una altura
de lecho filtrante de 0.60 m
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23.3 Campos de infiltración
Consisten en drenes conformados por tuberías perforadas o dispuestas a junta
perdida que se conectan desde una caja de distribución luego de haber pasado
el agua residual por el filtro anaerobio. La tubería descansa sobre un material
granular de ¼ “ dispuesta entre una zanja que suele tener entre 0.30 y 0.40 m
de profundidad y entre 0.50 y 1m de ancho.
Para calcular la longitud de la zanja se utiliza la ecuación 22.4
L
N *d
a * K5
22.4
Donde:
L
= Longitud de la zanja de drenaje
A
= Ancho de la zanja en metros
N
= Número de personas
d
= Dotación L/hb- d
K5
= Coeficiente de absorción para el sistema de drenaje – L/m2 – d
El coeficiente de absorción, se obtiene a partir de la tabla 23
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Tabla 23. Coeficiente de absorción del terreno
Índice de infiltración del
m2 de zanja por persona
terreno.
servida para una dotación o
(tiempo en minutos para que el
caudal de 190 L/hb- d
agua descienda 2.5 cm – pequeñas
comunidades)
2 o menos
2.30
3
2.80
4
3.25
5
3.50
10
4.65
15
5.35
30
7.00
45
8.45
60
9.30
Más de 60
No es conveniente infiltrar
Fuente. Tomado de
(Unda O., F., 1993; pág 372)
Lección
24. Tanque imhoff
Son tanques de digestión caracterizados porque en una unidad estructural se ha
refundido el estanque de sedimentación primario sobre una cámara de digestión.
Las aguas servidas escurren por la cámara superior y las partículas sedimentables
pasan entre las dos cámaras hasta la final o de digestión. El fondo tiene una
abertura por donde se extraen los lodos y los gases escapan al aire por las
chimeneas de ventilación.
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Tienen como ventaja estos sistemas de tratamiento su bajo costo de operación y
mantenimiento siendo su desventaja, su alto costo de construcción, ya que los
volúmenes que debe albergar son altos en virtud a que la cámara de digestión al
no poder ser calentada, debe manejar largos tiempos de retención.
Generalmente no se alcanza a cubrir la región de espuma de flotación, por lo
que no se puede recolectar el gas de la digestión.
24.1 Criterios de diseño
Tabla 24. Criterios de diseños para tanques Imhoff
Valor
Parámetros de diseño
Unidad
Intervalo
Carga superficial
Periodo de retención
m3/m2 - d
41 - 24
33
h
2- 4
3
2:1 – 5: 1
3:1
Relación
1.25:1 – 1.75: 1
1.5: 1
pulgadas
0.15 – 0.31
0.25
m
0.15 – 0.31
0.25
m
0.25 – 0.41
0.31
0.31
0.31
0.43 – 0.61
0.61
Relación largo/ancho
Pendiente
de
la
cámara
Usual
de
sedimentación
Abertura
de
paso
entre cámaras
Longitud del traslapo
Deflector de espuma
Por
debajo
de
la
de
la
superficie
Por
encima
superficie
Borde libre
m
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Zona de ventilación de gases
Área (con relación al
%
15 – 30
20
m
0.46 – 0.77
0.61
área superficial total)
Ancho
de
la
abertura*
Cámara de digestión de lodos
Capacidad
de
almacenamiento
Mes
4 – 8
6
m3/hb
0.06 – 0.10
0.07
pulgadas
8 – 12
10
m
0.30 – 0.90
0.60
m
7.5 – 9.5
9
(sin
calentamiento)
Volumen**
Tubería de extracción
de lodos
Distancia libre hasta
el nivel del lodo
Profundidad total del
tanque
(desde
superficie
hasta
la
el
fondo
Fuente: Tomado de
(Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 330). Adaptado por la Autora
* La abertura mínia debe ser de 18” ó
** Para digestión de 6 meses
Otras consideraciones de diseño.
El caudal de diseño debe ser el promedio. El tanque imhoff tipo se muestra en la
figura 23
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Figura 23. Tanque imhoff. Tomado en 2012 de
http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/sanea/163esp-diseno-ti.pdf
Lección
25. Proceso ascencional de manto
de lodos anaerobio
Es conocido este proceso como UASB, RAFA O PAMLA. El agua residual afluente
se hace por el fondo del reactor y fluye por un manto de lodos conformado por
material
granular
características
biológico
ideales
para
generando
en
sedimentación,
ese
bien
contacto
mezcladas
bacterias
por
circulación. La figura 24, muestra un diagrama tipo de estos reactores
el
gas
con
de
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Figura 24. Filtro UASB – RAFA
PAMLA tipo
Tomado en 2012 de www.fing.edu.uy/imfia/ambiental/reactores_anaerobios.ppt
25.1 Características
 No posee material inerte para el soporte de la biomasa
 La inmovilización de microorganismos se realiza por la formación de flóculos
densos suspendidos, que se disponen en capas de lo a partir del fondo del
reactor
 El flujo es ascendente y pasa a través del lecho de lodo denso
 La estabilización de la materia orgánica se da en todo el reactor
En la parte superior del sistema se localiza el sedimentador para evitar la salida
de partículas de lodo con el efluente, debajo se dispone el evacuador de gases.
25.2 Criterios de diseño
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Tabla 25. Criterios de diseño reactor UASB
Parámetro
Valor
Carga orgánica volumétrica
kg DQO/m3- d
Carga hidráulica volumétrica - m3/m2-d
Tiempo de retención - h
Profundidad del digestor - m
0.05 – 0.15
≤4.5
-m
Profundidad del reactor - m
Volumen del reactor – m3
Fuente: Tomado de
< 5
≥ 4.8
Carga de lodos* - kg DQO/kg SSV-d
Profundidad del sedimentador
< 15
≤1.5
≤6
<1500
(Romero R., J., 2005, pág 703. Adaptado por la Autora
* En operación puede alcanzar 2 kg DQO/kg SSV-d
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Referencias Bibliográficas
Baez N., J. (1995). Tratamiento básico de aguas residuales. Barranquilla: Ediciones Uninorte.
Crites & Tchobanoglous. (2000). Sistemas de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y
descentralizados (Vol. I). McGraw-Hill Interamericana, S.A.
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.
Romero R., J. (2005). Tratamiento de aguas residuales (Primera reimpresión ed.). Bogotá: Escuela
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