Tesis Final IGX

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ZONA XALAPA
PROGRAMA EDUCATIVO:
INGENIERÍA QUÍMICA
“EVALUACIÓN DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO EN UNA PLANTA DE
TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EN XALAPA, VERACRUZ”
TESIS
Que para acreditar la Experiencia Educativa:
Experiencia Recepcional
P r e s e n t a:
INGRID GARCÍA XILOT
Asesora:
DRA. MARÍA TERESA LEAL ASCENCIO
Xalapa, Ver., Diciembre 2014
I
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 1
I.
1.1
GENERALIDADES ..................................................................................................... 3
Antecedentes ..........................................................................................................3
1.1.1 Contexto Internacional .................................................................................................3
1.1.2 Contexto Nacional ........................................................................................................5
1.1.3 Contexto Estatal ...........................................................................................................6
1.1.4 Contexto Local ..............................................................................................................6
1.2 PTAR I .............................................................................................................................7
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA......................................................................... 17
1.4 OBJETIVOS ................................................................................................................... 17
1.4.1 Objetivo General ......................................................................................................... 17
1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 17
1.5 HIPÓTESIS .................................................................................................................... 18
1.6 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................ 18
II.
MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 19
2.1 COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES .................................................... 19
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ............................................. 20
2.2.1 Clasificación según su composición ......................................................................... 21
2.2.2 Clasificación según su presentación ........................................................................ 21
2.3 TIPOS DE CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES .............................. 22
2.3.1 Contaminantes Orgánicos ......................................................................................... 22
2.3.1.1 Demanda Bioquímica de Oxígeno a los 5 días (DBO5) ....................................... 23
2.3.1.2 Demanda Química de Oxígeno.............................................................................. 23
2.3.2 Contaminantes Inorgánicos ....................................................................................... 23
2.3.3 Contaminantes Biológicos ......................................................................................... 24
2.4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO .................................................................................. 24
2.5 PRE-TRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO ............................................... 26
2.5.1 CRIBADO .................................................................................................................... 27
2.5.2 TAMIZADO .................................................................................................................. 27
2.5.3 DESARENADO ........................................................................................................... 27
2.5.4 DESENGRASADO ..................................................................................................... 28
II
2.5.5 SEDIMENTACIÓN...................................................................................................... 28
2.6 TRATAMIENTO SECUNDARIO .................................................................................. 29
2.6.1 LODOS ACTIVADOS ................................................................................................. 29
2.6.1.1 Parámetros importantes en los lodos activados (Pérez, 2010):.......................... 30
2.6.1.2 Tipos de lodos activados ........................................................................................ 30
2.7 TRATAMIENTO TERCIARIO ...................................................................................... 31
2.8 DESINFECCIÓN Y CLORACIÓN ................................................................................ 32
III.
METODOLOGÍA ....................................................................................................... 33
3.1 MUESTREO ................................................................................................................... 33
3.2 AFORO ........................................................................................................................... 35
3.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS FISICOQUÍMICOS .................................................... 35
3.4 DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS .............................................................. 36
IV.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................ 37
4.1
CAUDAL ................................................................................................................ 37
4.2
PUNTO DE MUESTREO 1.- CANAL PARSHALL ................................................. 38
4.3 PUNTO DE MUESTREO 2.- ENTRADA AL TANQUE DE AIREACIÓN .................. 41
4.4 PUNTO DE MUESTREO 3.- SALIDA DEL TANQUE DE AIREACIÓN .................... 43
4.5 PUNTO DE MUESTREO 4.- EFLUENTE DE LA PLANTA........................................ 45
4.6 PARÁMETROS DE OPERACIÓN................................................................................ 49
4.6.1 CARGA ORGÁNICA VOLUMÉTRICA (COV) .......................................................... 49
4.6.2 TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO (TRH) ..................................................... 50
4.6.3 RELACIÓN ALIMENTO/MICROORGANISMO (A/M) ............................................. 51
4.7 EFICIENCIA DE REMOCIÓN ....................................................................................... 52
V.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................... 56
VI.
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 57
III
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.- Planta de tratamiento de agua residual I ............................................................8
Figura 2.- Contenedor de basura..........................................................................................9
Figura 3.- Desarenador de la PTAR I ................................................................................. 10
Figura 4.- Tanque de Aireación PTAR I ............................................................................. 12
Figura 5.- Clarificador secundario de la PTAR I ................................................................ 13
Figura 6.- Digestor de lodos de la PTAR I ......................................................................... 15
Figura 7.- Tanque de contacto de cloro de la PTAR I ...................................................... 16
Figura 8.- Efluente de la PTAR I ......................................................................................... 16
Figura 9.- Sistemas de tratamiento .................................................................................... 26
Figura 10.- Pasos de la metodología ................................................................................. 33
Figura 11 Puntos de muestreo............................................................................................ 34
Figura 12.- Comportamiento del caudal ............................................................................. 37
Figura 13.- Comportamiento de la DBO5 en el afluente ................................................... 38
Figura 14.- Comportamiento de la DQO en el afluente .................................................... 39
Figura 15.- Comportamiento de la relación DBO5/DQO en el afluente ........................... 40
Figura 16.- Comportamiento de los SST y SSV en el afluente ........................................ 41
Figura 17.- Sólidos volumétricos en 30 minutos en la entrada al tanque de aireación . 42
Figura 18.- Sólidos suspendidos volátiles y sólidos suspendidos totales en la entrada al
tanque de aireación ............................................................................................................. 43
Figura 19.- Sólidos volumétricos en 30 minutos en la salida del tanque de aireación .. 44
Figura 20.- Sólidos suspendidos volátiles y sólidos suspendidos totales en la salida del
tanque de aireación ............................................................................................................. 45
Figura 21.- Comportamiento de la DBO5 en el efluente. .................................................. 46
Figura 22.- Comportamiento de la DQO en el efluente .................................................... 47
Figura 23.- Relación de la DBO5/DQO en el efluente ....................................................... 47
Figura 24.- Sólidos suspendidos volátiles y sólidos suspendidos totales en el efluente48
Figura 25.- Comportamiento de la carga orgánica volumétrica ....................................... 49
Figura 26.- Comportamiento del tiempo de retención hidráulico ..................................... 50
Figura 27.- Comportamiento de la relación alimento/microorganismos .......................... 51
Figura 28.- Eficiencia de remoción de DBO5 ..................................................................... 52
IV
Figura 29.- Eficiencia de remoción de DQO ...................................................................... 53
Figura 30.- Eficiencia de remoción de los SST ................................................................. 54
Figura 31.- Eficiencia de remoción de SSV ....................................................................... 55
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.- Etapas de Tratamiento ........................................................................................ 25
Tabla 2.- Parámetros, muestras y técnica ......................................................................... 35
Tabla 3.- Parámetros a evaluar .......................................................................................... 36
V
INTRODUCCIÓN
Históricamente las aguas residuales son un residuo ligado a las diferentes
actividades diarias del ser humano. El progreso cultural e industrial lleva la
problemática a situaciones límite, que se refleja como una necesidad de tratar el
agua contaminada. Un volumen considerable de aguas residuales es vertido sin
previo tratamiento, contaminando el suelo y las aguas superficiales, tanto en
zonas urbanas como rurales, que es un riesgo obvio para la salud humana y el
medio ambiente.
El crecimiento demográfico, la urbanización y el incremento en el consumo de
agua
en
los
hogares,
la
agricultura
y
la
industria,
han
aumentado
significativamente el uso global del agua dando como resultado que el
saneamiento de las aguas residuales adquiera más importancia para asegurar su
recolección, conducción, tratamiento y adecuada disposición en los cuerpos
receptores, en condiciones que no perjudiquen al ambiente y a la población (BID,
2013).
De acuerdo a las estadísticas del agua en México, en los últimos años se ha
incrementado la cobertura de agua potable y alcantarillado para los hogares, sobre
todo urbanos, sin embargo el tratamiento de las aguas usadas por la población no
ha aumentado en la misma proporción. Así, mientras se cubre el 90.3% de las
necesidades de agua potable en el país, y el 86.4% del alcantarillado, tan sólo el
40.2% de las aguas residuales son tratadas. Esto quiere decir que una gran parte
de las aguas servidas regresan a los cauces naturales sin ningún tratamiento,
contaminando los cuerpos de agua, cambiando su química y alterando
gravemente a los ecosistemas que dependen de ellos (CONAGUA, 2009).
1
Según la última información disponible que cubre el año 2011, en México existen
2,289 plantas de tratamiento de aguas residuales municipales en operación
formal, repartidas en los diferentes estados que conforman la República. Dichas
plantas tienen una capacidad instalada de 137,082.13 l/s y caudal tratado de
97,640.22 L/s, que significa incrementos en el ejercicio del 7.47% en cuanto a
capacidad instalada y de 4.14% en caudal tratado, que permitieron alcanzar una
cobertura de tratamiento de aguas residuales municipales del 46.5% en el ejercicio
(CONAGUA, 2011).
En este contexto, el Estado de Veracruz ocupa el séptimo lugar en cantidad en
número de plantas instaladas en el país con 105 estaciones, con capacidad de
instalación de 6911.9 L/s ocupando con ello el séptimo lugar. En lo que respecta a
caudal tratado se observa que es 5359.4 L/s, es decir que está trabajando al
77.5% de la capacidad instalada, ocupando el sexto lugar
en caudal de
tratamiento de aguas residuales en el país (SEMARNAT, 2011).
En el presente trabajo se evaluó el tratamiento biológico en una planta de
tratamiento de agua residual mediante lodos activados, en la ciudad de Xalapa,
Veracruz.
2
I.
GENERALIDADES
1.1 Antecedentes
El crecimiento de la industrialización, la urbanización y la población humana
acrecienta los problemas de contaminación y en consecuencia el suministro de
agua potable y el tratamiento de las aguas residuales. Debido a esto, actualmente
se han desarrollado diferentes técnicas (tratamiento aerobio, anaerobio) para
disminuir la contaminación de los productos que se vierten a ríos y lagos, las
cuales están siendo adoptados por diferentes sectores industriales ya que son
requisito por parte de las autoridades ambientales de tratamiento. Las plantas de
tratamiento de agua residual deben seguir un programa de vigilancia continuo de
su funcionamiento, la evaluación de las plantas de tratamiento de aguas
residuales sirve para saber qué tan eficientes son y además solucionar a tiempo
los problemas que se estén presentando (Domínguez, 2009).
1.1.1 Contexto Internacional
Un estudio del tratamiento biológico en una planta de tratamiento de aguas
residuales urbanas
de Ilha Solteira en São Paulo, Brasil tuvo como objetivo
principal evaluar el desempeño de la planta durante diferentes épocas climáticas
del año ejecutada en 3 etapas de colecta de 3 meses por periodo de investigación.
La primera etapa se ejecutó en el periodo de lluvias; la segunda etapa el periodo
de sequía y la tercera etapa durante el inicio del periodo de lluvias; dónde obtuvo
cerca del 40% de su volumen efectivo ocupado por lodo; el efluente final registró
una eficiencia media de remoción de la DBO de 80,2%; los valores de sólidos
sedimentables superaron el límite permisible de 1,0 ml/l. La mayor parte del
tiempo y pese a las variaciones climáticas, la planta cumplió con la normatividad
ambiental brasileña en términos de remoción de DBO y sólidos sedimentables,
pero transgredió la norma en cuanto a los límites máximos permisibles de
3
coliformes fecales, evidenciando la necesidad de implementar un sistema de pos
tratamiento para reducir los eventuales impactos ambientales producidos durante
las diferentes épocas del año. Como conclusión de dicho estudio, los resultados
ayudaron a detectar la necesidad de efectuar la remoción de los lodos acumulados
para mejorar las condiciones hidráulicas de funcionamiento, incrementar el tiempo
de retención hidráulica y, en consecuencia, mejorar el desempeño de la planta.
Aunque el efluente final de la planta cumplió con la normatividad ambiental en
términos de DBO, el 40% de las muestras reportaron valores por debajo del
porcentaje mínimo exigido. Para la parte del efluente de la planta en términos de
materia orgánica se recomendó la implementación de un sistema de tratamiento
adicional para pulir los resultados obtenidos (Sánchez, 2012).
Por otra parte la evaluación de operación a 12 plantas de tratamiento de aguas
residuales en El Salvador, Guatemala y Honduras dio como resultado varias
recomendaciones técnicas, operativas y económicas que llevaron a un mejor
funcionamiento de las plantas. Las causas principales de la deficiencia de las
plantas de tratamiento de aguas residuales fueron el poco interés de los países a
pesar de tener reglamentos y normas estrictos sobre descargas y protección al
medio ambiente, así mismo como el alto costo de mantenimiento de todas las
plantas. De acuerdo a la calidad del agua según la normatividad en cada país sólo
el 67% cumplió con lo establecido. Las capacidades del sistema en las plantas el
33% resultaron con sobrecarga de caudal, el 17% saturado y el 50% sin
sobrecarga. El 25% de las plantas tienen unidades de medición como canal
Parshall y vertederos, pero se encontraron incompletos o con daños, por lo que no
se obtuvo una medición ordenada de los caudales. La evaluación de las plantas
permitió detectar los puntos importantes del proceso de cada una en donde había
fallas o mecanismos que se estaban ejecutando erróneamente. Al observar las
fallas al final del estudio se pudieron hacer varios cambios como capacitar a los
trabajadores, elaborar manuales de operación y mantenimiento, diagramas de flujo
y su trabajo con el cumplimiento de las normas (Campos, 2005).
4
1.1.2 Contexto Nacional
La eficiencia de las plantas de tratamiento de aguas residuales a nivel regional en
la República Mexicana, la situación varía ampliamente. Los estados del norte
cuentan con los niveles más altos del país, donde Aguascalientes y Nuevo León
presentan niveles de tratamiento del 100%, siguiendo Baja California con 93%,
Nayarit con 90.7%, Tamaulipas con 85.6% y Chihuahua, Sinaloa y Guerrero con
más de 75%. Por el contrario, las coberturas más bajas las presentan Yucatán y
Campeche tratando sólo un 3% y 7% respectivamente, mientras que en el centro
del país el Distrito Federal registra una cobertura de alrededor del 15% (BID,
2013).
Durante años se ha reportado una cantidad importante de plantas de tratamiento
sin funcionar; según una evaluación hecha a una muestra de plantas de
tratamiento por personal de la CONAGUA, la mayoría de las que se encontraban
en operación “correspondían a diseños sobredimensionados en los que, además,
se observa una excesiva mecanización, instrumentación y automatización, que
encarece y complica, tanto la operación y el mantenimiento, como la amortización
de las inversiones.” (Romero et al., 2009).
Se realizó la evaluación de un sistema natural para el tratamiento de aguas
residuales en Tenosique, Tabasco que recibe más del 70% de las descargas de la
ciudad y genera un caudal medio de aguas residuales de 87.5 L/s con
concentraciones altas de contaminantes básicos que rebasan los límites máximos
permisibles de la NOM-001-SEMARNAT-1996, tales como grasas y aceites con
284.76 mg/L, SST con 350 mg/L, coliformes totales con 16900 nmp/100ml, etc.
Durante la evaluación se obtuvieron valores de DQO en el rango de 308 a 650
mg/L; la DBO se encontró en valores de 135 a 378 mg/L. En cuanto a nutrientes y
metales pesados se encontraron presentes sin rebasar los límites máximos
permisibles establecidos por la normatividad mexicana. El agua del municipio en
general puede considerarse por su concentración como un agua de características
débil a media establecidas por Metcalf (1996). El análisis de biodegradabilidad de
5
las aguas, mostró que la mayor parte del agua estaba dentro de los parámetros de
aguas difícilmente degradables con tendencias a biodegradable sin llegar a tener
valores de agua tóxica. En general se obtuvieron resultados de parámetros altos,
por ejemplo, las grasas y aceites rebasaron los valores de la norma con 124% (el
límite permitido es de 150 mg/l y el promedio en nuestra descarga es de 186.18
mg/L), los SST rebasan la norma 178%, el límite permitido es de 150 mg/L y el
promedio de la descarga es de 267.5 mg/L), la DBO rebasa la norma un 171%, el
límite permitido es de 150 mg/L y el promedio de la descarga es de 256.5 mg/L.
Dicha evaluación sirvió como base para el mejoramiento del proceso (López,
2011).
1.1.3 Contexto Estatal
La evaluación de una planta de tratamiento de aguas residuales en Veracruz
presentó una relación marcada entre DBO5 y DQO, así como una eficiencia de 60
a 79%. Las cargas orgánicas mantuvieron valores constantes y consistentes a lo
largo del periodo de evaluación, lo cual confirmó lo señalado por la eficiencia, que
la planta opera correctamente. Los parámetros analizados (DBO5, pH, SST y
sólidos sedimentables) en la descarga de esta planta se encontraron
generalmente dentro de los límites señalados por la NOM-001-SEMARNAT-1996.
Sólo en una ocasión superó el límite máximo permisible y fue de manera mínima
(1 mg/L).
1.1.4 Contexto Local
La evaluación del arranque de una planta depuradora de aguas residuales en
Xalapa en la PTAR II, mostró que la planta no estaba operando dentro de los
parámetros recomendados en la literatura y el diseño bajo la cual se construyó.
Sin embargo, en vista de que el efluente de la planta cumplía tanto con la
normatividad existente para descargas y las eficiencias de remoción que se
encontraron fueron elevadas dentro de lo esperado para sistemas de aireación
6
extendida como la remoción de DBO5 y DQO fue del 90% para ambas eficiencias,
en tanto para la eficiencia de SST y SSV fue de 87 y 81% correspondiente, con
esto se concluyó que el proceso era estable y la etapa de arranque había
concluido (Ramírez, 2014).
Por otra parte en la evaluación del tratamiento biológico de una planta de
tratamiento de aguas residuales hospitalarias en Xalapa mostró que los resultados
de los principales parámetros a estudiar en las primeras semanas de muestreo
fueron bajos con relación a los rangos ideales, con forme continuó el estudio los
valores fueron aumentando manteniéndose dentro de los ideales lo que permitió
incrementar la eficiencia de remoción DBO5 y DQO que mostraron similitud de
78% y 74%. Los tiempos de retención hidráulica de 9 a 15 hrs y la relación
Alimento/Microorganismo entre 0.21 y 0.35 d-1 se mantuvieron dentro del rango.
Con base a los resultados obtenidos en las investigaciones se formulan
recomendaciones relacionadas con la operación y el mantenimiento de la planta y
con ello es posible definir opciones de tratamiento complementarias que le
permiten a las PTARs cumplir con los estándares de vertimiento de efluentes
definidos por la legislación ambiental de la región (Rojas, 2012).
1.2 PTAR I
La información de esta sección fue obtenida de la hoja de obra de la Comisión
Municipal de Agua y Saneamiento de la ciudad de Xalapa, Veracruz del año 2002.
La Planta de Tratamiento de Agua Residual Municipal Xalapa I (PTAR I) se
construyó en dos etapas una en el 2004 y operó hasta el año 2009, fue diseñada
por el rezago en infraestructura de drenaje y con la finalidad de iniciar el
saneamiento de los ríos y arroyos de los alrededores de la ciudad de Xalapa y así
prevenir la contaminación ambiental y del agua, al igual que para la protección de
la salud pública. Es regida por la NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los
límites máximos permisibles de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.
7
La Figura 1 muestra la construcción de la PTAR I que se encuentra ubicada en el
predio La Palma del municipio de Emiliano Zapata. El efluente proveniente de la
ciudad es conducido a través de dos colectores sanitarios de 1.20 m de diámetro
que son el Colector Noreste A y el Colector Murillo Vidal que al unirse forma el
Emisor Noreste 'B' de 1.51 m de diámetro donde el agua es conducida por
gravedad hacia el canal de entrada a la planta de tratamiento.
Figura 1.- Planta de tratamiento de agua residual I
Este canal está diseñado para manejar un flujo de operación de 750 L/s, un flujo
máximo de 1350 L/s y un flujo máximo extraordinario de 1396 L/s. Antes de la
entrada a la planta de tratamiento, cuenta con una tubería de by pass de la planta,
que posee el mismo diámetro que el emisor noreste 'B'. El tubo que conduce el
remanente o sobre flujo está diseñado a una altura tal que al aumentar el nivel del
líquido en el tubo de conducción, este desborde al tubo que conduce el sobre flujo.
El emisor se descarga a un canal de conducción, el cual tiene la capacidad de flujo
hasta 1350 L/s. Este canal cuenta con una válvula de corte hecha de placa de
acero inoxidable. En caso de presentarse las condiciones de falta de energía
eléctrica y presencia de un tóxico antes mencionadas, esta válvula cierra e impide
el paso del efluente hacia la planta de tratamiento, que desvía el flujo hacia el by
pass.
8
El agua que viene de los colectores sanitarios llega primero a una caja rompedora
de presión que sirve para reducir la velocidad y permitir un flujo laminar y así
controlar la entrada de agua a la planta.
El cribado o separación de los sólidos gruesos, funciona como un colador, aquí se
retiran los sólidos de gran volumen mayores a 12 mm de tamaño provenientes de
la ciudad como botellas, envolturas, trapos, palos, etc.; se cuenta con una rejilla
auto limpiante tipo curveada, cuya función es la de remover sólidos gruesos, como
medida de protección para los equipos y para la operación efectiva de la planta.
La criba está compuesta de barras curveadas con una separación entre barra y
barra de 8 mm, teniendo un brazo mecánico que arrastra la basura depositándola
en una banda transportadora para después confinarla en un contenedor. Se
estima que en esta etapa del proceso se generan alrededor de 2.4 ton/día de
basura, la cual es recolectada en dicho contenedor que se localiza junto a la
banda transportadora (Figura 2). En caso de que el nivel de agua aumente, se
incrementa el número de veces la limpieza de la criba.
Figura 2.- Contenedor de basura
9
Una vez retirada la basura, el agua pasa a los desarenadores, estos cuentan con
unas paletas rotatorias que giran a una velocidad constante para así retirar grasas
y aceites.
Antes de entrar al sistema de desarenado, el efluente, se divide en dos para
alimentar a cada desarenador. El objetivo consiste en una remoción de arenas,
grasas y aceites presentes en el efluente. La eficiencia de remoción esperaba en
este equipo es de 95% en arenas mayores a 0.21 mm, mientras que en grasas y
aceites del 20%.
La Figura 3 muestra la forma de los desarenadores que constan de un tanque
circular de 6 m de diámetro de concreto con fondo cónico por donde el influente
fluye a través de este hacia unas paletas rotatorias y el movimiento mecánico de
éstas ayuda a la concentración de la arena en el fondo del desarenador. La arena
acumulada en el fondo es lavada por medio de la inyección de aguas de servicios
al fondo del desarenador, lo que ocasiona que la materia orgánica adherida a la
arena se desprenda posteriormente al lavado, la arena limpia es succionada y
descargada por un sistema de air lift hacia el clasificador de arenas.
Figura 3.- Desarenador de la PTAR I
10
Para la remoción de grasas y aceites, los desarenadores cuentan con un sistema
de difusión de aire que ocasionan que las burbujas de aire transporten las grasas
a la parte superior del desarenador y sean descargadas del mismo por medio de
una compuerta de la placa de acero hacía un tanque de grasas y donde
posteriormente se enviarán por gravedad a un contenedor de grasa para su
disposición final.
La separación de agua es recolectada del clasificador de arenas, se envía por
gravedad al canal de entrada de los desarenadores. Es importante señalar que
cada desarenador cuenta a la entrada con compuertas de placa de acero, en caso
de que el flujo de agua sea menor al de diseño, se puede dejar de operar un tren
de tratamiento cerrando una de estas válvulas y desviando el flujo hacia uno de
los trenes. El flujo de operación de cada tren es de 375 L/s.
El efluente desarenado se descarga en un canal y este a su vez pasa hacia un
medidor tipo Parshall, en donde se mide el flujo de agua de entrada a la planta
para posteriormente descargar el fluente en una caja de distribución y de ahí
dividirse hacia los clarificadores primarios “A” y “B”. En base a la carga hidráulica
de diseño, las eficiencias de remoción esperadas en esta etapa son: 68% de SST,
35% de DBO y 41% en remoción de grasas y aceites.
Los sólidos sedimentados por efecto de la gravedad se colectan por un brazo con
cepillos raspadores mecánicos en el centro y extraídos por medio de equipo de
bombeo para ser enviados hacia el digestor anaerobio. En la parte superior, del
equipo cuenta con una rastra que gira por la superficie del espejo del agua del
clarificador y recolecta las grasas, aceites y sólidos no sedimentables presentes
en la superficie. Estos son descargados en una pequeña tolva que posee el
clarificador y de aquí descargan por gravedad hacia contenedores de grasas, los
cuales se envían posteriormente a disposición junto con las basuras recolectadas
en la rejilla.
11
El efluente clarificado de los dos sedimentadores se recolecta en una caja de
distribución y envía a los dos módulos de tratamiento biológico. Antes de dividirse
el flujo para el tratamiento biológico, el sistema cuenta con una línea de bypass,
en donde el 20-25% del flujo total se desvía hacia el sistema de desinfección y el
resto (75-80%) se envía hacia el tratamiento biológico, de lodos activados
convencionales. Esta derivación es realizada para cumplir con los parámetros de
salida (75 mg/L de DBO, SST y 15 mg/L de grasas y aceites) de una manera
económica ya que el sistema biológico está diseñado para lograr remover DBO Y
SST hasta tener una concentración a la salida del efluente tratado de 20 mg/L.
Además el sistema biológico está diseñado para tratar una carga adicional al 20%.
El bypass cuenta con medidor de flujo y una válvula de control, con el fin de
controlar el flujo de agua hacia el tanque de contacto del cloro. En caso de
presentarse un sobreflujo, la válvula de control permite la salida de este hacia el
sistema de desinfección y así proteger el sistema biológico de una sobrecarga.
La Figura 4 muestra el dimensionamiento de los dos reactores donde se consideró
una capacidad de operación de 600 L/s y un flujo máximo pico de 780 L/s. En
esta etapa del proceso se espera remover el 91% de DBO5. La relación de kg
DBO/kg SSV-día es de 0.17. Cada reactor posee un volumen de operación de
9000 m3.
Figura 4.- Tanque de Aireación PTAR I
12
El consumo de aire del sistema se basa en el requerido para biodegradación de la
materia orgánica y la nitrificación del nitrógeno amoniacal. Para lo anterior se
consideró 1.1 kg de oxigeno/kg de DBO aplicada y 4.6 g de oxigeno/kg de N-NH3.
El consumo de aire fue diseñado para la capacidad de operación con las cargas
de
DBO
promedio
mensual
más
un
20%
de
sobrediseño.
Cada reactor cuenta con tres zonas de difusión, la primera de alta densidad en
donde el flujo de aire de difusión representa el 50% del total a adicionar al reactor
ya que en esta etapa el efluente cuenta con la mayor concentración de carga
orgánica. La segunda etapa requiere de un 30% de flujo total de aire mientras que
la tercera y la última zona requiere de 20%.
La descarga de cada reactor entra por la parte inferior central del clarificador sube
por la columna central y es descargado por orificios de la columna hacia la
periferia del clarificador secundario (Figura 5).
Figura 5.- Clarificador secundario de la PTAR I
13
Los lodos sedimentados son colectados por el brazo de rastras y por el sistema de
extracción el cual envía el lodo a un tanque colector, donde es sifonado por un
extractor eléctrico y de aquí el lodo es enviado por medio de las bombas de lodos
secundarios hacia el reactor.
La carga hidráulica de diseño a flujo promedio de (300 L/s por clarificador) del
clarificador secundario es de 24 m3/m2.dia. Para flujo pico (390 L/s) la carga
hidráulica es de 31.3 m3/m2.dia. El efluente clarificado posee una calidad esperada
de salida de 30 mg/L en SST y DBO.
La capacidad de las bombas de lodos secundarios es de 300 L/s cada una, lo que
representa el 900L/s de la recirculación de lodo al reactor. En la operación de la
planta esta razón puede cambiar dependiendo de la concentración de sólidos
suspendidos de licor mezclado que se desee mantener, puede ser desde un 20%
hasta un 100% de recirculación a una concentración de lodo del 1% la purga de
lodos se realiza en función de la producción de lodos. Para este caso el sistema
está diseñado para una producción de lodos de 0.65 kg/SST/kg DBO removida.
La recirculación de lodos es una operación continua, mientras que la purga de
lodos se realiza en forma semi continua. Para efectos de diseño se considera que
el tiempo mínimo de purga de lodos es de 12.6-d.
En cuanto a las natas del sistema, el clarificador cuenta con una rastra, la cual gira
en la periferia del tanque y remueve las grasas
y aceites localizadas en las
superficies del clarificador y son depositadas en una caja, que a su vez descarga
al cárcamo de natas. En este cárcamo se recolectan
las natas de ambos
clarificadores y por medio de las bombas son enviadas al digestor de lodos que se
muestra en la Figura 6. La operación de este sistema es de forma intermitente y se
espera que tenga cuando menos 8 paros y arranques durante el día.
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Figura 6.- Digestor de lodos de la PTAR I
El efluente clarificado de los sedimentadores secundarios es descargado
posteriormente a la cámara de contacto de cloro para su desinfección. La entrada
del efluente hacia la cámara se realiza por la parte inferior y el efluente
proveniente del bypass del clarificador primario descarga por la parte inferior, con
el fin de mezclar turbulencia y mezclar ambas corrientes.
La desinfección del agua de tratamiento primario y de tratamiento secundario se
lleva a cabo en un mismo punto, el control de dosificación de cloro se realiza por
medio de la medición de dos parámetros, flujo total del agua a desinfectar y la
concentración del cloro residual en el efluente final del tratamiento.
En esta etapa del proceso ocurre el control de los coliformes fecales y totales por
medio de la adición de cloro al agua. En el tanque de contacto de cloro es
adicionada agua con cloro mediante difusores que están diseñados para
proporcionar un mezclado inmediato, lo cual aumentará la eficiencia del proceso
de desinfección. Las dosis de cloro a adicionar son 12 mg/L para el efluente del
bypass y 8 mg/L para el efluente de los clarificadores secundarios.
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El tanque de contacto de cloro (Figura 7) está diseñado a un tiempo de residencia
para flujo promedio de (750 L/s) de 26 min y de 20 min con un flujo de 975 L/s.
Figura 7.- Tanque de contacto de cloro de la PTAR I
El tanque de contacto de cloro cuenta con mamparas (8) para formar 9 canales
interiores con el fin de favorecer el flujo pistón en el tanque y lograr un buen
mezclado del cloro con el agua. La velocidad del efluente en el canal es de 5.9
m/min cuyo valor es alto para evitar posibles sedimentaciones de SST en el
tanque, debido a la presencia del efluente proveniente del clarificador primario.
Posteriormente el efluente tratado (Figura 8) es descargado por gravedad hacia el
“Arroyo Limpio”.
Figura 8.- Efluente de la PTAR I
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1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La planta de tratamiento de agua residual I recibe la mayor parte de las aguas
residuales de la ciudad de Xalapa, Veracruz; descarga su efluente en el río
“Arroyo Limpio”, dicha descarga está regulada por la NOM-001-SEMARNAT-1996.
La PTAR I está diseñada para una gran capacidad en el caudal, derivado de ello
existen varios problemas dentro de la planta. Los cambios bruscos de carga
orgánica perjudican el proceso y dificulta la estabilización del mismo. La gran
cantidad de basura, el arrastre de arenas de las calles, entre otros provoca
diversos problemas al equipo de la planta como el taponamiento de bombas y
líneas de alimentación al digestor. Dentro de la operación no se tiene el
conocimiento de cómo está funcionando la planta, tampoco se sabe qué proceso
operativo está bajo control y de ello no se sabe que mejorar, así como la toma de
decisiones importantes que ayuden a incrementar la eficiencia de la planta.
Por lo tanto, se requiere evaluar los puntos importantes del proceso de la PTAR I
para poder asegurar tanto la efectividad de dicha planta como la calidad de la
descarga.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo General
Evaluar el tratamiento biológico en una planta de tratamiento de aguas residuales
en Xalapa, Veracruz; para conocer la calidad del agua descargada y la eficiencia
de la planta.
1.4.2 Objetivos Específicos
•
Realizar un muestreo en los cuatro puntos importantes de la planta de
tratamiento.
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•
Analizar las características fisicoquímicas de los puntos escogidos.
•
Determinar la eficiencia de la planta en el tratamiento biológico en base a la
remoción de contaminantes en el tratamiento.
•
Obtener los parámetros de operación de la planta y verificar si cumplen con
lo diseñado.
1.5 HIPÓTESIS
En el periodo de evaluación, la planta opera con una eficiencia en aireación
extendida de DBO5 entre 75% y 95% y para la remoción de SST entre 85% y 95%.
El efluente está dentro de los parámetros exigidos en la normatividad y bibliografía
especializada.
1.6 JUSTIFICACIÓN
Determinar los parámetros de operación, el diagnóstico del funcionamiento de la
planta, obtener datos de las condiciones bajo las cuales opera permitirán tomar
decisiones apropiadas sobre el tratamiento, medidas para elevar la eficiencia del
manejo de la planta, reducir la presencia de contaminantes que lleven a
gravámenes a la PTAR I, mejora del efluente que reduzca el impacto del cuerpo
receptor, incrementar el caudal bajo tratamiento, así como generar información
pública al respecto.
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II.
MARCO TEÓRICO
Las aguas residuales se definen como las aguas de composición variada
provenientes de las descargas de usos municipales, industriales, comerciales, de
servicios, agrícolas, pecuarios, domésticos, incluyendo fraccionamientos y en
general de cualquier otro uso, así como la mezcla de ellas (NOM-001SEMARNAT-1996).
2.1 COMPONENTES DE LAS AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales municipales presentan tipos de contaminantes muy variados,
por lo tanto, debe saberse en primera instancia cuáles son los contaminantes que
las conforman (Seánez, 2011):
Excreta
Son las que contienen los residuos sólidos y líquidos que constituyen las heces
humanas fundamentalmente, y tienen la siguiente composición:
Deyecciones sólidas: Se componen normalmente de agua, celulosa, lípidos,
prótidos y materia orgánica en general. Cuando son expulsadas las heces,
aparece en principio la putrefacción, que tiene lugar sobre las proteínas, tanto
alimenticias como aquellas provenientes de secreciones y restos de la mucosa
intestinal, apareciendo olores desagradables.
Vertidos líquidos: La orina es el principal componente de estos vertidos que
contienen materia orgánica. Los sistemas hidráulicos de los WC discurren por las
instalaciones de las casas hasta las alcantarillas y la red urbana de evacuación.
Este tipo de vertidos es el más importante por sus características de composición
y concentración, que hacen que sean los puntos principales a tener en cuenta en
la construcción de sistemas de depuración de aguas residuales urbanas.
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Residuos domésticos
Son los que proceden de la evacuación de los residuos y manipulaciones de
cocinas, de los lavados domésticos y de la actividad general de las viviendas y
que se recogen en la limpieza de la habitación humana.
Arrastres de lluvia
Al caer lluvia sobre una ciudad, arrastra las partículas y fluidos presentes en las
superficies expuestas, es decir: hollín, polvo orgánico e inorgánico de los tejados;
partículas sólidas, polvo, hidrocarburos de las vías públicas; restos de vegetales y
animales y partículas sólidas (tierras) de los parques y zonas verdes. Si la
precipitación es suficiente, los arrastres se efectuarán hasta la red de evacuación
y, aparte de los componentes extraños, el volumen de agua es tal que produce
diluciones a tener en cuenta en los procesos de depuración (Mayorga, 2012).
Infiltraciones
Normalmente, las redes de evacuación de las aguas residuales son subterráneas,
y en aquellos casos en los que los acuíferos están próximos a la superficie por
lluvias u otras causas, existe peligro de infiltraciones y fugas a través de tuberías
en mal estado o con conexiones defectuosas, o simplemente por paso gravitatorio
normal.
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales son un líquido turbio color gris y cuyo olor es ofensivo. Se
observan sólidos flotantes de gran tamaño (materia fecal, papel, desperdicios de
cocina, etc.), y sólidos desintegrados de menor tamaño. Su aspecto turbio es
debido a la presencia de sólidos muy pequeños en suspensión coloidal
(Valledupar, 2012).
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La composición de las aguas residuales consiste en agua, sólidos disueltos y
sólidos suspendidos. La cantidad de sólidos es muy pequeña en las aguas
residuales municipales; aún así son causa de una diversidad de problemas en los
sitios de descarga y los sólidos deberán ser removidos por tratamiento y
disposición adecuada (Ramalho, 1996).
2.2.1 Clasificación según su composición
Según su composición se dividen en (Lahera, 2010):
Sólidos orgánicos: Ya se ha indicado el origen vegetal o animal de los sólidos
orgánicos sintéticos. Los glúcidos, lípidos, proteínas y sus derivados son los
grandes grupos de esta clase; son biodegradables y su eliminación por
combustión es relativamente sencilla.
Sólidos inorgánicos: Se incluyen en este grupo todos los sólidos de origen
generalmente mineral, como son sales minerales, arcillas, lodos, arenas y gravas
no biodegradables, y ciertos compuestos como sulfatos, carbonatos, etc.; que
pueden sufrir algunas transformaciones (fenómenos de óxido-reducción y otros).
2.2.2 Clasificación según su presentación
Son cuatro grupos (Seánez, 2011):
Sólidos sedimentables: Son aquellas partículas más gruesas que se depositarán,
por gravedad, en los fondos de los receptores; su análisis se realiza por volumetría
y gravimetría, previa decantación y tamizado. Se componen de un 70% de sólidos
orgánicos y de un 30% de sólidos inorgánicos.
Sólidos en suspensión: Son las partículas flotantes, como trozos de vegetales,
animales, basuras, etc., y aquellas otras que también son perceptibles a simple
vista y tienen posibilidades de ser separadas del líquidos por medios físicos, como
21
arcillas, arenas, etc. Generalmente se componen de un 68% de sólidos orgánicos
y de un 32% de sólidos inorgánicos.
Disoluciones coloidales: Están formadas por partículas de tamaño intermedio entre
el de las disoluciones verdaderas y el de las partículas de las suspensiones
groseras: 1 mµ<ᶲ<0,2 mµ, aunque estos límites son arbitrarios y se fijan por
convivencia.
Sólidos disueltos: Se incluyen en este grupo todos aquellos sólidos que pasan por
el crisol de Gooch, aunque una pequeña parte está constituida por coloides. Su
proporción es de un 40% de productos orgánicos y un 60% de sólidos inorgánicos.
2.3 TIPOS DE CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES
2.3.1 Contaminantes Orgánicos
Pueden ser de origen vegetal o animal, materia viva o muerta. Los glúcidos,
lípidos, proteínas y sus derivados son los grandes grupos de esta clase; son
biodegradables y su eliminación por combustión es relativamente sencilla. La
presencia de estas sustancias ha complicado en los últimos años el tratamiento de
las aguas residuales, ya que muchas de ellas no pueden descomponerse tan
fácilmente o bien lo hacen muy lentamente. Los contaminantes orgánicos ayudan
a diferenciar un agua residual tratada de un agua no tratada, conociendo la
cantidad de compuestos orgánicos agregados presentes en el agua. Con estos
parámetros se analiza el desempeño de los procesos de tratamiento de las aguas
residuales, para ello se analizan 2 parámetros importantes (Ocampo, 2013):
Demanda Bioquímica de Oxígeno a los 5 días (DBO5)
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
22
2.3.1.1 Demanda Bioquímica de Oxígeno a los 5 días (DBO5)
La demanda bioquímica de oxígeno escrito como DBO o DBO5, es el parámetro
de control de contaminación orgánica más usado en aguas superficiales y
residuales. Se define como la cantidad de oxígeno disuelto en el agua usado por
microorganismos heterótrofos para oxidar bioquímicamente la materia orgánica,
en un periodo de incubación de cinco días a 20 °C. Se trata de una prueba de
largo tiempo establecida, habiendo sido propuesta originalmente en 1913, y ha
obtenido una amplia aceptación. (Rodríguez, 2005).
2.3.1.2 Demanda Química de Oxígeno
La DQO es la cantidad de materia orgánica e inorgánica, en un cuerpo de agua,
susceptible de ser oxidada por un oxidante fuerte. Una gran cantidad de
compuestos orgánicos e inorgánicos son oxidados con una mezcla de ácido
crómico y sulfúrico a ebullición la muestra se coloca a reflujo en una disolución de
ácido fuerte, con un exceso conocido de dicromato de potasio (K2Cr2O7). Después
de la
digestión,
el
dicromato no
reducido,
se
mide
por
titulación o
espectrofotométricamente para determinar la cantidad de dicromato consumido y
calcular la materia oxidable en términos de oxígeno equivalente. Esto significa que
requiere condiciones menos controladas que la DBO. El límite que se permite para
descargas a sistemas de alcantarillado, no debe exceder de 75 mg/l (CONAGUA,
2001).
2.3.2 Contaminantes Inorgánicos
Son sustancias inertes, no sujetas a la degradación, pueden estar en suspensión,
disueltos o como coloidales. Se incluyen en este grupo todos los sólidos de origen
generalmente mineral, como son sales minerales, arcillas, lodos, arenas y gravas
no biodegradables, y ciertos compuestos como sulfatos, carbonatos, etc.; que
pueden sufrir algunas transformaciones (fenómenos de óxido-reducción y otros) .
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2.3.3 Contaminantes Biológicos
Las aguas residuales urbanas contienen gran número se organismos vivos que
son los que mantienen la actividad biológica, produciendo fermentaciones y
descomposición y degradación de la materia orgánica e inorgánica.
Los principales grupos de organismos presentes, tanto en aguas residuales como
superficiales,
se
clasifican
en
organismos
eucariotas,
eubacterias
y
arquebacterias; donde éstos pueden ser vegetales como bacteriofitos, micofitos,
virus, ficofitos, etc., o animales como cordados y metazoarios triblásticos
(protozoarios, ciliados, flagelados, anélidos, rotíferos) (Ramalho, 1996).
2.4 SISTEMAS DE TRATAMIENTO
La finalidad del tratamiento a las aguas residuales es prevenir la contaminación en
los cuerpos receptores, buscando eliminar los componentes definidos como
contaminantes, molestos o nocivos para el medio ambiente y así garantizar un
medio ambiente sano (Rivera, 2013).
No perder de vista que la consecuencia del impacto ambiental en el desarrollo de
políticas amigables con el medio ambiente, deben de convertirse en prioridad de
estudio desde la parte técnica, social y medio ambiental, que fomenten el mayor
desarrollo de investigaciones y planteamientos acorde al desarrollo social.
Con el objeto de eliminar la mayor parte de la carga de contaminación orgánica en
aguas residuales se requiere de un proceso de tratamiento, y se clasifica en
varias etapas de acuerdo a las necesidades que se tengan como se muestra en la
siguiente Tabla 1:
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Tabla 1.- Etapas de Tratamiento
Fuente: CEA, 2013
Teniendo en cuenta la gran cantidad de operaciones y procesos disponibles para
tratamiento de aguas, es común hablar de pre-tratamiento y tratamiento primario
que se emplea para la eliminación de los sólidos en suspensión y los materiales
flotantes, impuesta por los límites, tanto de descarga al medio receptor como para
poder llevar los efluentes a un tratamiento secundario que comprende tratamientos
biológicos convencionales y en cuanto al tratamiento terciario o avanzado de
aguas residuales su objetivo es la eliminación de contaminantes que no se
eliminan con los tratamientos biológicos. En la Figura 9 se encuentra el esquema
donde básicamente se observa los tipos de tratamiento y en que secuencia van
los tratamientos del agua residual, (CEA, 2013):
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