Documento de Capacitación Sistema de Tratamiento de Aguas

REPÚBLICA DE
NICARAGUA
Ministerio de Fomento Industria y Comercio
UNIÓN EUROPEA
Programa de Apoyo a la Mejora del Clima de
Negocios e Inversiones en Nicaragua
DCI-ALA/2007-019-011
Documento Taller de Capacitación
Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales para el
Sector Tenerías
Impartido por el Centro de Producción más Limpia de Nicaragua
La presente publicación ha sido elaborada con la asistencia de la Unión
Europea. El contenido de la misma es responsabilidad exclusiva del Centro de
Producción más Limpia de Nicaragua y en ningún caso debe considerarse que
refleje los puntos de vista de la Unión Europea.
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
INTRODUCCIÓN
El agua es uno de los recursos naturales más fundamentales, y junto con el aire, la
tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo.
La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales
del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades
infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua
esta fuera de toda duda.
El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre
aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en
contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua
para uso humano. Mas del 97% del agua total del planeta se encuentra en los océanos
y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3%
restante, por encima del 2% se encuentra en estado sólido, hielo, resultando
prácticamente inaccesible. Por tanto, podemos terminar diciendo que para el hombre y
sus actividades industriales y agrícolas, sólo resta un 0,62 % que se encuentra en
lagos, ríos y agua subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa,
aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta.
El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de
donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno
de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de
aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita
compatibilizar el uso de los recursos con la conservación de los ecosistemas.
Hay que considerar también que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos
formas distintas, bien directamente mediante extracción de las mismas y posterior
vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien indirectamente alterando la
vegetación y la calidad de las aguas.
Nuestro mundo por muchos años ha sido descuidado y maltratado por nosotros los
seres humanos. La industrialización y el modernismo son algunos factores que ayudan
a la contaminación de nuestro ambiente.
I. GENERALIDADES
1.1 Clasificación de Agua Residual Según su Origen
Antes de hablar de los tratamiento de las aguas residuales debemos conocer un
poco de los tipos de aguas residuales que existen, los tipos de contaminantes, la
clasificación de los contaminantes, la contaminantes habituales en las aguas
residuales, las consecuencias que acarrean los vertidos, los métodos analíticos
para el control de la calidad del agua para poder así familiarizarnos con los
diferentes tratamientos.
Las cuatro fuentes de aguas residuales son:
2
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
1. Aguas domesticas o urbanas
Son los vertidos que se generan en los núcleos de población urbana como
consecuencia de las actividades propias de éstos.
Los aportes que generan esta agua son:
¾ Aguas negras o fecales
¾ Aguas de lavado doméstico
Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad cuanto
a
composición y carga contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los mismos.
Pero esta homogeneidad tiene unos márgenes muy amplios, ya que las características
de cada vertido urbano van a depender del núcleo de población en el que se genere,
influyendo parámetros tales como el número de habitantes, la existencia de industrias
dentro del núcleo, tipo de industria, etc
La cantidad de agua residual domestica normalmente se expresa en litros per capita
por día (L/cap.díia) y se asume como fracción (70-85%) del consume especifico de
agua que oscila entre 60 y 350 L/cap día. El caudal de agua residual domestica que
entra al sistema de alcantarillado puede variar considerablemente durante el día.
200
180
Caudal, % del promedio
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
0
5
10
15
20
25
Tiempo, horas
Area pequeña
Area mediana
Area grande
Figura 1. Fluctuación del caudal de agua residual domestica durante el día
2. Aguas pluviales.
Estas aguas provienen del sistema de drenaje de calles y avenidas, producto de lluvias
o lixiviados (a menudo se les ve como parte de aguas domésticas). En los países
desarrollados esta agua nunca entra a las plantas de tratamiento de agua residual. En el caso
de que el alcantarillado sea combinado, el agua de lluvia entra al alcantarillado y causa
problemas a las plantas de tratamiento por lo que provoca picos en el caudal de entrada hasta
3-5 veces el caudal normal del tiempo seco. Estos picos perturban el funcionamiento normal
3
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
de la planta. Por esta razón, los sistemas de alcantarillado separado se hacen cada vez mas
atractivos:
-
el costo total de inversi6n y de mantenimiento de una planta de tratamiento aumenta con
el aumento de la capacidad de diseño.
-
el funcionamiento de las plantas de tratamiento se ve mas afectado por los picos
hidráulicos y de carga orgánica durante la temporada de lluvias.
El agua pluvial urbana a menudo esta contaminada con emisiones de transito como
grasas, hidrocarburos y metales pesados, en el área rural, con pesticidas, fertilizantes y
estiércol.
3. Aguas residuales industriales
Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de
producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son enormemente
variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los
vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también dentro de un mismo tipo de
industria.
A veces, las industrias no emite vertidos de forma continua, si no únicamente en
determinadas horas del día o incluso únicamente en determinadas épocas de año,
dependiendo del tipo de producción y del proceso industrial. También son habituales
las variaciones de caudal y carga a lo largo del día.
Estas son más contaminadas que las aguas residuales urbanas, además, con
una contaminación mucho más difícil de eliminar.
Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el
tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un
estudio específico para cada caso.
4. Aguas de usos agrícolas
Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90%) provienen del uso
domestico e industrial , la de usos agrícolas y pluviales urbanas están adquiriendo cada
día mayor importancia, debido a que los escurrimientos de fertilizantes (fosfatos) y
pesticidas representan los principales causantes del envejecimiento de lagos y
pantanos proceso llamado eutrofización.
1.2. Clasificación de los Contaminantes
Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son muchas y
diversas. Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías:
4
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1.2.1 Contaminantes químicos. Estos componen tanto productos químicos orgánicos
como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos
es la disminución del oxigeno como resultante de la utilización del existente en el
proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias
perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el
resultado más importante es su posible efecto tóxico, mas que una disminución de
oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan
una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminución del mismo.
™ Contaminantes Orgánicos:
Son compuestos cuya estructura química está compuesta fundamentalmente por
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los contaminantes mayoritarios en
vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria.
Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales son:
a) Proteínas: Proceden fundamentalmente de excretas humanas o de desechos
de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y
responsables de malos olores. Son portadores de nitrógeno y fósforo.
b) Carbohidratos: Incluimos en este grupo azúcares, almidones y fibras
celulósicas. Proceden, al igual que las proteínas, de excretas y desperdicios.
c) Aceites y Grasas: Son todas aquellas sustancias de naturaleza lipídica, que
al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la superficie dando lugar a
la aparición de natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier
tipo de tratamiento físico o químico, por lo que deben eliminarse en los
primeros pasos del tratamiento de un agua residual. Son altamente estables,
proceden de desperdicios alimentarios en su mayoría, a excepción de los
aceites minerales que proceden de otras actividades.
d) Otros específicos: Incluiremos varios tipos de compuestos, como los
tensoactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su origen es
muy variable y presentan elevada toxicidad.
™ Contaminantes Inorgánicos:
Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases
inorgánicas, metales pesados, etc.
Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son más abundantes en los
vertidos generados por la industria.
Los componentes inorgánicos de las aguas residuales estarán en función del
material contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente contaminante. Un
ejemplo clásico de contaminante inorgánico es arena. Entendemos como tales, a una
serie de particular de tamaño apreciable y que en las masas de agua cuando están en
movimiento, o bien forman depósitos de lodos si encuentran condiciones adecuadas
para sedimentar.
5
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
1.2.2 Contaminantes Físicos
Incluyen:
•
•
Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por su
efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de reacción y
en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las aguas
provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes después de ser
usadas en intercambiadores.
Presencia de sólidos origina la turbidez en el agua y depositada al ambiente
sin tratamiento previo puede ocasionar mal olores.
1.2.3 Contaminantes Biológicos
Son organismos que pueden ir en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y
que son capaces de producir o transmitir enfermedades
(el cólera y la tifoidea).
1.2.4 Composición de Agua Residual
Por lo general los contaminantes del agua residual domestica constituyen una mezcla muy
compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos que prácticamente es imposible obtener
un análisis completo de cada uno de los componentes presentes. Sin embargo, para
diseñar y operar una planta de tratamiento es suficiente conocer algunos parámetros
básicos para caracterizar el estado de agua cruda a tratar.
Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos
componentes, se clasifica en fuerte, media y débil. Debido a que la concentración como
la composición va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo
se pretende dar una orientación para la clasificación de las aguas servidas.
Tabla 1. Concentración de diferentes contaminantes en el agua residual (mg/l)
Constituyente
Fuerte
Media
Débil
Sólidos, en total
1200
700
350
Disueltos, en total
850
500
250
Suspendidos, en
total
350
250
100
Demanda
Bioquímica de
Oxigeno
300
200
100
Nitrógeno
85
40
20
6
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Amoniaco Libre
50
25
12
Fósforo
20
10
6
Alcalinidad
200
100
50
Grasa
150
100
50
1.3 Consecuencias en Medio Ambiente Provocado por los Vertidos
1.3.1 Aparición de fangos y flotantes
Existen en las aguas residuales sólidos en suspensión de gran tamaño que cuando
llegan a los cauces naturales pueden dar lugar a la aparición de sedimentos de fango
(lodo) en el fondo de dichos cauces, alterando seriamente la vida acuática a este nivel,
ya que dificultará la transmisión de gases y nutrientes hacia los organismos que viven
en el fondo.
Por otra parte, ciertos sólidos, dadas sus características, pueden acumularse en
las orillas formando capas de flotantes que resultan desagradables a la vista y además,
pueden acumular otro tipo de contaminantes que pueden llevar a efectos más graves.
1.3.2 Agotamiento del contenido de oxígeno
Los organismos acuáticos precisan del oxígeno disuelto en el agua para poder vivir.
Cuando se vierten en las masas de agua, residuos que se oxidan fácilmente, bien por
vía químico o por vía biológica, se producirá la oxidación con el consiguiente consumo
de oxígeno en el medio.
Si el consumo de oxígeno es excesivo, se alcanzarán niveles por debajo del
necesario para que se desarrolle la vida acuática, dándose una muerte masiva de
seres vivos.
Además, se desprenden malos olores como consecuencia de la aparición de
procesos bioquímicos anaerobios, que dan lugar a la formación de compuestos
volátiles y gases.
1.3.3 Daño a la salud pública
Los vertidos de efluentes residuales a cauces públicos, pueden fomentar la
propagación de virus y bacterias patógenos para el hombre.
1.3.4 Eutroficación
Un aporte elevado de nitrógeno y fósforo en los sistemas acuáticos propicia un
desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y fitoplancton
y plantas superiores. Estas poblaciones acaban
superando la capacidad del
ecosistema acuático, pudiendo llegar a desaparecer la masa de agua.
7
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
1.3.5 Otros efectos
Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes muy
específicos, como valores de pH por encima o por debajo de los límites tolerables,
presencia de tóxicos que afecta directamente a los seres vivos, etc.
En la tabla 2 está presentado un resumen de lo anterior
Tabla 2. Principales contaminantes del agua residual municipal y su impacto
Contaminante
Impacto que ocasiona en el Medio Ambiente
Sólidos Suspendidos Llevan a deposici6n de lodos lo que provoca condiciones
anaerobias
Compuestos
orgánicos
biodegradables
Patógenos
Nutrientes
Compuestos
orgánicos
refractarios
Metales pesados
Ejercen demanda del oxigeno lo que crea condiciones anaerobias y
provoca malos olores
Las enfermedades infecciosas pueden transmitirse por medio de los
patógenos en el agua residual. Este factor es especialmente
importante cuando el agua residual tratada se pretende usar en
agricultura para el riego.
Nitrógeno y fósforo son nutrientes esenciales para la vida acuática.
La presencia de estos provoco un excesivo crecimiento de algas lo
que conlleva a reducci6n de la biodiversidad acuática, disminución
de la concentración del oxigeno y problemas tóxicos.
Estos compuestos resisten al tratamiento convencional. Ejemplo
típico de estos es: detergentes, fenoles y pesticidas.
Tiene importancia cuando el agua residual o lodos están en mira de
reuso
Inorgánicos disueltos Los sólidos disueltos tienen relevante importancia cuando el agua
residual es usada en la agricultura. La producci6n de granos, de
proteína en acuacultura (pescado, plantas acuáticas) puede
reducirse.
1.4 Necesidad del Tratamiento de Aguas Usadas
Tradicionalmente las excretas humanas formaban las aguas negras y se
depositaban en sistemas sanitarios tipo letrinas o tanques sépticos (sistema en el sitio).
La parte sólida se acumulaba en el misino tanque y posteriormente se biodegradaba de
manera natural. La parte liquida de las deposiciones se infiltraban en subsuelo o se
descargaban a los canales (abiertos o cerrados) del drenaje de agua de lluvia.
Sin embargo, con la urbanización y el crecimiento de la población se incrementó el
consumo del agua {en litres por capita por día) de tal manera que supera la capacidad de
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Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
infiltración local del sucio. En las áreas de alta densidad de población las alcaldías se ven
obligadas recolectar y transportar todos los flujos de agua residual por medio de
sistemas de alcantarillado separados o combinados hacia las plantas de tratamiento.
En Europa la cobertura del alcantarillado convencional difiere de país a país: 50% en
Grecia, mas de 98 % en Holanda. En Estados Unidos la cobertura es menor por la
existencia de muchas comunidades de baja densidad poblacional.
Últimamente, se ha incrementado un gran interés por prevenir o minimizar la
contaminación del agua tanto del uso domestico como industrial.
El principal objetivo del tratamiento de agua residual es protección del Medio Ambiente
de:
1) alto contenido de sólidos suspendidos
2) alta carga de materia orgánica y consecuentemente bajo nivel de oxigeno
3) alto contenido de nutrientes (como N y P) que provocan
eutroficación
4} carga de las sustancias peligrosas no-biodegradables
4) contaminación de (micro)-organismos patógenos
Con el fin de:
1) establecer y mantener saludable el medio acuático para la flora y fauna
2) garantizar a
la humanidad el uso de recurso acuático para diferentes
propósitos
3) (abastecimiento de agua, recreación, pesca, navegación, irrigación etc.)
4) prevenir las enfermedades que se transmiten por agua.
El Gobierno de Nicaragua en conjunto con el Ministerio de Medio Ambiente en 1995
estableció las normas para los efluentes que provienen de las industrias y son
descargadas en los receptores naturales de agua. Ahora la palabra la tienen los
ingenieros sanitarios, civiles y ambientalistas en general para encontrar las soluciones
más viables en materia de tratamiento de estas aguas.
9
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
1.5 Métodos Analíticos para el Control de la Calidad del Agua
1.5.1 Materia sólida
La materia sólida presente en un agua suele agruparse en tres categorías. La
clasificación se basa en diferente tamaño de las partículas, y según éste pueden
ser divididos en disueltos, coloidales o suspendidos.
La materia decantable se determina dejando en reposo un litro de agua en un
cono o probeta graduada. El resultado se expresa como mililitros de materia decantada
por litro de agua.
La determinación de las materias en suspensión en el agua puede realizarse por
filtración o por centrifugación. La filtración se realiza a vacío sobre un filtro. El filtro con
el residuo es nuevamente secado y pesado. La diferencia entre este peso y el que
teníamos antes del filtro solo, proporciona el valor de los sólidos.
1.5.2 pH
Las medidas de PH se realizan con un electrodo de vidrio, el cual genera un
potencial que varía linealmente con el PH de la solución en la que está inmerso. El
electrodo consiste en una célula con un potencial controlado por la actividad del protón
a cada lado de una membrana de vidrio muy fina.
Este método se utiliza si se quiere obtener medidas muy precisas y puede
aplicarse a cualquier caso particular.
La depuración de las aguas residuales es un proceso que persigue eliminar en la
mayor cantidad posible la contaminación que lleva un vertido antes de que éste incida
sobre un cauce receptor, de forma que los niveles de contaminación que queden en el
efluente ya tratado puedan ser asimilados de forma natural.
1.6 El Grado de Purificación de Agua Residual
Técnicamente, aguas residuales municipales pueden ser purificadas hasta el punto
de convertirse en agua potable cumpliendo con todos los parámetros estándares para la
misma. Sin embargo, el costo del tratamiento crece exponencialmente con el grado de
remoción de los contaminantes.
Los procesos de tratamiento del agua residual según el grado de remoción de
contaminantes que se puede lograr se clasifican en los siguientes:
Tratamiento primario (o preliminar) consiste en remoción física del material
(basura) flotante y suspendida del agua residual cruda.
Tratamiento secundario incluye procesos biológicos para remover materia
orgánica. Esta comprobado que !os procesos físico-químicos de tratamiento para
10
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
reducir BOD tienen baja eficiencia y elevados costos, además a menudo presentan
dificultades operacionales.
Tratamiento terciario (o avanzado) intenta eliminar los contaminantes que
no han sido removidos en el tratamiento primario ni secundario. Este se refiere a
procesos dirigidos a remoción de N y P de alto grado, así como una profunda remoción
de sólidos suspendidos y materia orgánica, desinfección y eliminación de micro
contaminantes no-biodegradables.
Terciario
Secundario
Primario
Preliminar
Remoción, %
DBO
TSS
TN
TF
30
60
15
15
50 -70
80-90
25
75
90-95
90-95
40
90
>95
>95
>80
>90
Figura 2. Relación de costos de tratamiento de agua residual en dependencia de la
calidad del efluente
Existen varios procesos y operaciones unitarias para llevar a cabo los métodos de
tratamiento mencionados arriba. La selecci6n de la tecnología mas apropiada
depende de las condiciones locales como disponibilidad de personal calificado,
equipamiento, abastecimiento energético confiable, disponibilidad del terreno y sobre
todo los fondos suficientes.
La Tabla 3 presenta un resumen de las tecnologías mas comunes para el tratamiento
de agua residual domestica:
Tabla 3. Clasificación de los procesos de tratamiento de agua residual en
primario, secundario y terciario
Tratamiento primario Tratamiento secundario
Tratamiento terciario
Calidad minima
Calidad media
Alta calidad
Cribado
Lodos activados
Remocion biologica de
nutrientes
Remoción de arenisca
Aireaci6n extendida
Filtraci6n
Sedimentación
Lagunas aeróbicas
Precipitación química
11
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Flotación
Separación de aceites
Lagunas de estabilizaci6n
Filtro percolador
Adsorción
Intercambio iónico
Discos rotatorios
Métodos anaerobios
Electrodiálisis
Desinfección
1.7 Selección de la Tecnología para el Tratamiento de Agua Residual
¿Como y en que condiciones una comunidad toma la decisión de tratar sus aguas
residuales?
Existen dos maneras para llegar a esta decisión:
1. La comunidad toma la conciencia de la necesidad de tratar las aguas
residuales cuando atraviesa
series
problemas de
la
salud
publica
ocasionados por la extrema contaminaci6n ambiental.
2. Presionados por las regulaciones del Gobierno.
Para enfrentar la tarea de tratar las aguas residuales la comunidad necesita contar con
los científicos para asentar las normas de calidad de agua tratada, con los ingenieros
para encontrar la soluci6n mas viable de tratamiento y diseñar la planta, y por
ultimo se necesitan los técnicos para operar la planta.
En los piases como el nuestro, de escasos recursos pero abundante no-calificada (y
por lo tanto muy barata) mano de obra, las soluciones de tratamiento deben dirigirse
hacia tecnologías menos mecanizadas, con el menor nivel de automatización de los
procesos de control, de tal manera que para la construcción, operación, mantenimiento
y reparación se aprovecha el recurso humano nacional y no se importen
mecanismos y tecnologías sofisticadas.
Cabe mencionar, que en vista que la demanda del agua potable crece de día a día al
nivel mundial, es necesario agotar todas las posibilidades de dar un segundo uso
al agua servida, después del tratamiento esta puede ser utilizada en la agricultura, en
acuicultura o para recarga de agua subterránea.
El objetivo operacional de las plantas de tratamiento es alcanzar dichas normas de
calidad de agua que se descarga a los receptores naturales.
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Primario
Patógenos
Demanda de O2
SELECCIÓN DE
LA
TECNOLOGÍA
Secundario
Terciario
Nutrientes (N y P)
Sólidos
sedimentables
Microcontaminante
s
Tratamiento
físicoquímico
Tratamiento
natural
Tecnología del tratamiento
ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Recreación Eutroficación Transporte Ecología Re-uso
OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO ⇔ NORMAS DE CALIDAD
Figura 3. Selección de la tecnología de tratamiento apropiada
II. MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL
Los métodos de tratamiento en los que predominan la aplicación de principios físicos se
conoce como Tratamiento Primario. Los métodos de tratamiento en los que la
eliminación de contaminantes se efectúa por actividad química o biológica es conocido
como Tratamiento Secundario. Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado
se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que
no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados.
2.1 Tratamiento Primario
El tratamiento primario del agua residual domestica se refiere a procesos mecánicos
para remover basura flotable y sólidos suspendidos en orden de preparar el caudal
para ser tratado en las operaciones subsiguientes. Es por eso que el tratamiento
primario a veces llaman tratamiento mecánico y este incluye: cribado, desarenado y
sedimentaci6n primaria.
13
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
2.1.1 Cribado
Las Cribas y rejillas sirven para eliminar partículas contaminantes gruesas (como
papeles, bolsas plásticas y otras basuras flotantes) para evitar daños en las bombas,
aireadotes y vertederos.
Según el tamaño de las partículas que retienen (lo que determina la distancia entre
las barras de una criba) las cribas se puede clasificar en finas, medianas y gruesas.
Las cribas finas pueden lograr un nivel muy alto de remoción de sólidos pero tienen
problema de un frecuente atascamiento. Las cribas gruesas usan en pre-cribado para
proteger y asegurar el buen funcionamiento de la criba fina que lo sigue.
En términos de operación, las cribas pueden ser divididas en manuales y mecánicas.
Las barras de las cribas manuales tienen un grosor de 10 mm y están inclinadas entre
30-40°. De esta manera se aumenta el área de la sección por donde pasa el flujo del
agua entre las barras lo que facilita la remoci6n (limpieza) manual del cribado. El
ancho del canal de flujo de agua hacia la criba no puede ser mas de 0.5 m y la
profundidad no mas de 1.5 m para facilitar el trabajo manual de limpieza.
Las cribas mecánicas tienen inclinaci6n de 45 a 80° respecto al horizonte, la
profundidad del canal siempre es más grande en comparaci6n a la criba manual. Los
sistemas con el cribado mecánico proporcionan mejores condiciones de la limpieza, esta es
mas confiable y mas frecuente (es regular). El cribado mecánico es mas eficiente, lo que se
demuestra por mayores cantidades del material desechado capturado en el agua residual.
El régimen de operación de una criba mecánica puede ser: 1) encendido - apagado manual,
2) instalación de un timer-control (por ejemplo limpieza cada 5 minutos), o 3) interruptor
electrónico según el nivel del agua.
a)
b)
Figura 4. Criba manual (a) y mecánica (b)
14
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
2.1.2 Desarenado
La remoción de arenisca de las aguas residuales en las primeras etapas del tratamiento es
necesaria por varias razones:
1. Prevenir el desgaste y rayado de los equipos mecánicos como bombas, aireadores
2. Reducir la formaci6n de las deposiciones de material arenoso y consecuentemente
atascamiento en las unidades de operación subsiguientes y tubos de transporte.
3. Evitar la acumulaci6n de los s61idos incites en el lodo primario que perjudicara el
funcionamiento del reactor de lodos.
El objetivo del desarenado es remover las pesadas partículas de arena (arenisca) con el
diámetro mayor de 0.2 mm. Al mismo tiempo, las partículas de materia orgánica (de bajo
peso) tienen que permanecer en la suspensión para ser tratadas en las subsiguientes
etapas. Eso puede ser logrado por medio de:
-
manteniendo la velocidad horizontal del flujo de agua vH, a 0.3 m/s.
creando condiciones de turbulencia (hidráulicamente, mecánicamente o por aireación)
lo que previene la sedimentación de las partículas orgánicas.
proporcionando suficiente tiempo para que las partículas de arenisca se sedimenten
con
una velocidad de precipitación vs.
Normalmente vs es igual a 30-40 m3/m2 h, esta velocidad asegura que todas las partículas
de arenisca del Ø >0.2 mm precipite según la ley de Newton.
Para llevar a cabo el proceso de desarenación se utilizan diferentes estructuras y
mecanismos.
A) Canales abiertos son las estructuras simples en el diseño y operación y se utilizan
como desarenadores en las pequeñas plantas de tratamiento. El desarenador
rectangular tiene la velocidad horizontal de 0.30m/s y la velocidad de precipitación vs <
40m/h (0.011 m/s). Utilizando los valores típicos para VH y vs (indicados arriba), el largo
de un desarenador rectangular se puede calcular como:
La velocidad horizontal del flujo de agua para asegurar la resuspensión de las
partículas orgánicas debe ser mas de 0.1 m/s. Para el diseño de los desarenadores el
valor de VH que se utiliza con mayor frecuencia es de 0.3 m/s.
2.1.3 Sedimentación primaria
El proceso de sedimentación primaria tiene por objetivo remover la materia orgánica
suspendida de las aguas residuales a tratar y de esta manera reducir la carga
contaminante para la siguiente etapa: tratamiento biológico. En la sedimentación primaria
la eficiencia de la remoci6n de los sólidos orgánicos suspendidos depende de los siguientes
factores:
15
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
- velocidad de la sedimentación (la carga superficial), vs
- tiempo de retención hidráulica, t
- concentraci6n de los TSS en el caudal
Remoción, %
Normalmente para el agua residual domestica la vs debe ser en el rango de 1-2.5m/h,
mientras que el tiempo de retención puede oscilar entre 1-2 horas. Como puede ser
observado en la Figura 8, la remoción de BOD y TSS son fuertemente afectados por el
grado de contaminación del agua residual.
Tiempo, horas
Figura 8. Remoción de BOD y TSS en por ciento como función del tiempo de
retención
El grado de remoción se puede aumentar hasta 65-85% utilizando la coagulación
química y floculación. Al mismo tiempo esto permite reducir el contenido de fósforos.
Cabe mencionar que este grado de remoci6n solo se puede mantener en las condiciones
cuando el caudal de entrada al tanque sedimentador es estable. En la práctica, el
viento, cambio de temperaturas del aire, densidad del flujo del agua a tratar reducen la
eficiencia de remoción de BOD y de los sólidos suspendidos (TSS).
2.1.3.1 Tipos de tanques para sedimentación primaria
Los tanques de sedimentaci6n pueden ser clasificados en:
•
•
•
tanques rectangulares y circulares con el fondo piano
tanques de los flujos verticales y horizontales
tanques sedimentadores tipo Imhoff
La mayoría de los tanques tienen el fondo piano y utilizan el flujo horizontal de agua
residual, son muy confiables en operación y proporcionan alta remoción de TSS.
16
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Esos tanques necesitan un mecanismo para recolectar y evacuar el lodo que se forma
en el fondo.
•
Para los tanques rectangulares generalmente, la relaciona L: B es de 4-6 y
L: D es de por lo menos 12, aunque nunca el largo máximo de un tanque es de 60
metros. La relación L: D de 25: 1 asegura un flujo estable y como consecuencia,
alta eficiencia de la remoción de sólidos. El tiempo de retención es de 1.5 a 2.0
horas.
Las ventajas de un tanque sedimentador rectangular son las siguientes:
-
relativamente baja demanda del terreno
alta estabilidad del flujo
posibilidad de construir series de tanques utilizando las paredes comunes.
•
Hablando de los tanques circulares, son muy susceptibles a las perturbaciones
de las corrientes del viento y cambio de temperatura. A la hora de construir varios
tanques los elementos de uno no se puede usar para el otro (como las paredes
comunes de los tanques rectangulares) y eso encarece la obra, además que se
requiere mas área para construcción. El alto de la pared del tanque circular
normalmente es de 2-3 m, solo en el caso de que el nivel de las aguas subterráneos
sea muy alto, la altura del tanque no accede a 1.5-2 m. La pendiente del fondo del
tanque en la parte de sedimentaci6n es de 8-10%, mientras que en la parte de la
deposición de lodo es de 60°. El diámetro de los tanques circulares llega hasta 20m.
•
Los tanques tipo Imhof tienen doble función: sedimentación del material
suspendido y digestión de las partículas sedimentadas. Esto se debe a que el tanque
Imhoff posee dos compartimientos, en el compartimiento superior se da la
sedimentaci6n y acumulación de lodos, mientras que en la parte inferior tiene
lugar el proceso de digesti6n y almacenamiento de lodo. Los tanques Imhoff fueron
desarrollados en Alemania para simplificar el diseño de una planta de tratamiento (en
un equipo se dan dos operaciones). La decisión de la construcción de un Imhoff en
lugar de un tratamiento tradicional donde la sedimentación se realiza separado de
la digesti6n, se hace en dependencia de las condiciones locales como: costo del
terreno, estabilidad del suelo, nivel del agua subterránea, capacidad de planta de
tratamiento, temperatura del ambiente. Los tanques Imhoff en ocasiones llegan
hasta más de 10 metros de altura debido a que poseen 2 compartimientos. Estos
no necesitan ningún mecanismo para remover el lodo que se acumula se el fondo
del primer compartimiento ya que la pendiente que llevan las paredes es de 60° y eso
facilita que lodo escurre por su propio peso a la secci6n de deposito de donde se
evacua después de un tiempo prudente de digesti6n. En la actualidad los tanques tipo
Imhoff casi no se construyen por las dificultades que presenta su construcci6n en las
áreas donde el suelo no es suficientemente estable o el nivel freático es alto.
17
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Figura 11. Perfil del tanque Imhoff con tres compartimientos
2.1.3.2 Flotación
Si el proceso de sedimentación no es efectivo para un cierto tipo de agua residual, para
eliminar la materia suspendida se puede implementar el método de flotación. El método de
flotación consiste en lo siguiente: las burbujas de agua liberadas bajo presión en la parte
inferior del tanque de flotación suben arrastrando a la superficie los sólidos suspendidos en
forma de torta que puede ser eliminada con un mecanismo de escarbador especial.
Normalmente este tipo de remoción primaria de sólidos suspendidos se utiliza para las
aguas residuales de los procesos de producción de celulosa y papel ya que el proceso de
flotación es muy efectivo para recuperaci6n de los materiales fibrosos antes de desechar el
agua al alcantarillado. Otra ventaja que tiene esta operación unitaria es que la unidad es
muy compacta. El método de flotación, con diferentes dispositivos también se utiliza para
remover las grasas y aceites en el tratamiento preliminar.
2.2 Tratamiento Secundario (Tratamientos Biológicos)
Los materiales inorgánicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden
eliminar por métodos mecánicos y químicos; sin embrago, si el material que debe ser
eliminado es de naturaleza orgánica, el tratamiento implica usualmente actividades de
microorganismos que oxidan y convierten la materia orgánica en CO2, es por esto que
nos tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los
microorganismos juegan papeles cruciales.
El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminación de
microorganismos patógenos, evitando así que estos microorganismos lleguen a ríos o a
otras fuentes de abastecimiento. Específicamente el tratamiento biológico de las aguas
residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este esta ligado
íntimamente a dos procesos microbiológicos, los cuales pueden ser aerobios y
anaerobios.
18
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reacciones
complejas de digestión y fermentación efectuadas por un huésped de diferentes
especies bacterianas, el resultado neto es la conversión de materiales orgánicos en
CO2 y gas metano, este ultimo se puede separar y quemar como una fuente de
energía. Debido a que ambos productos finales son volátiles, el efluente líquido ha
disminuido notablemente su contenido en sustancias orgánicas. La eficiencia de un
proceso de tratamiento se expresa en términos de porcentaje de disminución de la
DBO inicial.
A. Procesos Aeróbicos
En el tratamiento aeróbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte
de oxigeno por riego de superficies sólidas, por agitación o agitación y aireación
sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad para
degradar crecen proporcionalmente a la tasa de aireación. Las sustancias orgánicas e
inorgánicas acompañantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para
el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los
flóculos que, con una intensidad de agitación decreciente, pueden alcanzar un diámetro
de unos milímetros dividiéndose o hundiéndose después. La formación de flóculos se
ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y también por las
microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 – 50%
de las sustancias orgánicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 –
60% de las mismas se degrada.
La acción depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje
de disminución de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminución
depende de la capacidad de aireación del proceso, del tipo de residuos y de la carga de
contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO.
El número de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones
por mililitro de agua. En las aguas residuales con una composición heterogénea, la
microflora se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos.
2.2.1 Filtros percoladores
Los filtros percoladores usualmente son de forma circular y consiste en un lecho del
medio altamente permeable rodeado por una pared. Como material de medio puede
servir roca quebrada, piedras volcánicas e incluso material plástico. El agua residual
pre-sedimentada se vierte uniformemente sobre el lecho del filtro co la ayuda de los
distribuidores rotativos. El agua atraviesa toda la altura del material permeable hasta
llegar al fondo perforado donde es recolectada.
19
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Los
filtros
percoladores
fueron
desarrollados en Inglaterra a finales del
siglo 19. Este tipo de tratamiento llegó
a sustituir el método de purificación de
agua donde el flujo de agua usada se
regaba sobre el suelo y se le permitía
infiltrar de manera natural. La gran
desventaja de este procedimiento erala
alta área especifica del terreno
requerida para tratar las aguas (20-40
m2/EP). Para reducir el área de tierra
necesaria
para
el
tratamiento
comenzaron a utilizar los filtros de
arena de 0.5 a 1 m de altura. Dos al
día el filtro se cargaba con el agua a
tratar, de esta manera la demanda del
Figura 12. Esquema de un filtro
área se bajo hasta 2-4 m2/EP.
percolador
Mas tarde, para evitar problemas del atascamiento del filtro, arena fue sustituida
por otros materiales filtrantes (material de relleno) de mayor tamaño de medio (de 6 a 8
cm). El aumentar el tamaño de medio trajo otro beneficio: mejor aireación y menor
tiempo de retención lo permitía condensar el diseño del filtro y por lo tanto reducir los
costos de diseño. Hoy en día los filtros percoladores se utilizan ampliamente en
Europa, en algunos países de Centroamérica (Salvador). Los nuevos, altamente
porosos materiales de relleno permiten reducir requerimiento de área hasta 0.10.2m2/EP, sin embargo su popularidad esta decreciendo debido a que las normas de
calidad para el agua tratada en Europa cada día se hacen mas estrictos y los filtros
percoladores no la garantizan.
Tabla 4. Ventajas y desventajas de un filtro percolador
Ventajas
Baja demanda de energía eléctrica
Baja la producción de los lodos
Simple en operación
Bajos costos de mantenimiento
Bajo costo de inversión
Desventajas
No garantiza alta calidad del efluente
(BOD<10)
Baja remoción de N y P (no cumple con
las normas europeas)
El proceso poco flexible, difícil de
Existe un potencial riesgo de creación
de fuente para mosquitos, malos olores,
atascamiento
Su funcionamiento es seriamente
afectado por la temperatura
Lodos son fácilmente deshidratados
20
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
2.2.1.1 Procesos que se desarrollan dentro del filtro percolador
A medida que el filtro percolador esta funcionando la superficie del material de relleno se
cubre de una película formada por los microorganismos que se adhieren al medio. El agua
residual entra en contacto con esta película y materia orgánica biodegradable se oxida. El
proceso de absorción y biodegradación causa el constante incremento del grosor de la
película que finalmente puede provocar limitaciones de difusión del substrato y/u oxigeno y
reduce el crecimiento de las bacterias. Cuando los microorganismos no tienen suficiente
"alimentación" (BOD) y oxigeno su actividad se reduce según la ley de Monod.
Como consecuencia de las limitaciones del oxigeno se inician los procesos
anaerobios. Los microorganismos anaerobios comienzan la producción de gases
(CH4, N2) los cuales provocan parcial destrucción de la película microbiana
(despegándola del medio poroso), ocasionando la reducci6n de la eficiencia de
purificaci6n, además surge formación de desagradables olores y posible atascamiento
del filtro dificultando su operación.
En condiciones normales de operación de filtro debe existir control sobre el
aumento del grosor de la capa microbiana. Eso se logra por medio de regulación del
régimen de la carga superficial que se proporciona al filtro. El fenómeno de la perdida de
una parte de la capa microbiana se llama "lavado" del filtro. Mientras mas alta es la
carga orgánica del agua a tratar en el filtro, más rápido es el crecimiento de biomasa.
Como consecuencia, tiene que ser incrementada la carga superficial para aumentar las
fuerzas de fricci6n con el objetivo de "lavar" el exceso de la película microbiana y
prevenir el atascamiento del filtro. Bajo las condiciones estables de la operación del
filtro la cantidad de biomasa que se forma tiene que ser igual a la cantidad de biomasa
que se "lava" del filtro.
2.2.1.2 Aspectos adicionales para el diseño de filtro percolador
Ventilación
Los filtros percoladores no necesitan la aireaci6n artificial. El movimiento natural del aire
a través del filtro crea suficiente ventilaci6n. La fuerza que mueve el aire en el filtro es
la diferencia entre la temperatura del mismo y la del agua a tratar. Si la temperatura del
agua residual es mas alta que la temperatura del ambiente (como se mas baja que la
temperatura del ambiente (situación común de los países tropicales y en los países
fríos a la época del verano); y la ventilación se da en la dirección de arriba para abajo.
Medio filtrante
El material de relleno (medio filtrante) se caracteriza por el área especifica (mientras
mayor es el área, mayor es la eficiencia de la remoción de BOD del filtro), así como
por la porosidad (espacios vacíos entre las unidades del material). El área específica
del material filtrante depende de la forma y la porosidad es determinada por la
uniformidad en el tamaño de las partículas del lecho. De esa manera, las piedras
volcánicas, grava, piedras bolón que poseen una forma irregular proporcionan un
funcionamiento satisfactorio de los filtros percoladores. Las estructuras de matrices
21
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
plásticos, desarrollados recientemente, para ser utilizados como material filtrante
demuestran una alta eficiencia en la remoci6n de BOD incluso para el tratamiento de
agua fuertemente contaminada.
Figura 13. Tipos de material de relleno en un filtro percolador
2.2.2 Lodos activados
Cerca de los 1880 en Inglaterra fue observado que la aireaci6n artificial de agua
domestica reducía considerablemente los malos olores, además se producía una
cantidad adicional de los sólidos suspendidos que parecía que participaban en e!
proceso de biodegradaci6n. Este fenómeno llevó al desarrollo de los mas usados hoy en
día sistemas de tratamiento de aguas residuales: sistemas de lodos activados en los
cuales el agua residual es intensivamente mezclada con el oxigeno y microorganismos
con el objetivo de acelerar el proceso de biodegradaci6n de materia orgánica con el
propósito de purificar el agua usada antes de verter la en un receptor de agua natural.
Actualmente el sistema de lodos activados es la tecnología compacta más
aplicada en el mundo debido a su gran flexibilidad operacional y alto rendimiento en
cuanto a eficiencia de remoción de los contaminantes se refiere. Un operador de la
planta puede ajustar las condiciones del proceso de tal manera que la planta va a
cultivar y acumular las poblaciones de los microorganismos que mejor degraden los
contaminantes específicos.
.
El pase de burbujas de aire a través de las aguas de desecho coagula los
coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), y
reduce un poco el nitrógeno amoniacal. La aireación también puede impedir que las
aguas de desecho se vuelvan sépticas en uno de los tanques subsiguientes de
sedimentación. Pero si las aguas de desecho se mezclan con lodo previamente aireado
y luego se vuelve a airear, como se hace con los métodos de tratamiento de aguas de
desecho utilizando lodo activado, la efectividad de la aireación se mejora mucho. La
reducción de la DBO y sólidos en suspensión en el proceso convencional del lodo
activado que incluye pre-decantación y sedimentación final, puede variar desde 80 a
95% y la reducción de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Además, el costo de
22
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
construcción de una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros tipos de
plantas de tratamiento que producen resultados comparables. Sin embargo, los costos
unitarios de operación son relativamente altos.
El método del lodo activado es un tratamiento biológico secundario que emplea
la oxidación para descomponer y estabilizar la materia putrescible que queda después
de los tratamientos primarios. Otros métodos de oxidación incluyen la filtración,
estanques de oxidación, y la irrigación. Estos métodos de oxidación ponen a la materia
orgánica de las aguas de desecho en contacto inmediato con microorganismos bajo
condiciones aeróbicas.
En el reactor del lodo activado tienen lugar una serie de los procesos:
1.
Asimilación y disimilación de la materia orgánica.
Como resultado de las investigaciones, se sabe que aproximadamente el 50% de la
materia orgánica biodegradable (expresada como BOD) es disimilada para producir
energía. En otras palabras, se necesitan 0.5 kg de 02 por cada kg de BOD
biodegradable. Energía producida vía asimilación se utiliza para la síntesis de biomasa.
La demanda de oxigeno para el proceso de asimilación es menos de 10% de aquella
que se requiere para la disimilación y por este motivo es casi siempre ignorada en los
cálculos de consumo de oxigeno en las plantas de tratamiento.
Oxidación (disimilación):
(COHN)x + O2 + Bacterias → CO2 + H2O +NH3 +Energía
Síntesis (asimilación):
(COHN)x + O2 + Bacterias+Energía → C5H7O2N (biomasa)
2.
Autodigestión
Este tipo de respiración microbiana surge cuando la planta esta operando con los
lodos de mayor edad. Una parte de biomasa se puede degradar y servir como
substrato para el resto de los microorganismos activos. La parte positiva de este
proceso es que la producción del lodo se reduce, pero a costa de extra demanda del
oxigeno lo que encarece el proceso.
3.
Nitrificación y desnitrificación
El proceso de nitrificación es realizado por medio de los microorganismos estrictamente
aeróbicos, Nitrosomonas y Nitrobacter, que convierten ion amonio a nitratos por
completo. La ecuación bioquímica simplificada de este proceso puede ser representada
de la siguiente manera:
NH4+ + 3O2 + Notrosomonas → 2NO2-+2H2O +4H+ + Energía
2NO2-+ O2 → 2NO3- + Energía
23
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Es evidente de la ecuación que el proceso de la nitrificación demanda una
adicional y sustancial cantidad del oxigeno; se requiere aproximadamente 4.56 g de 02
para satisfacer la demanda de 1g N-NH4. Una segunda parte negativa de la
nitrificación, es la liberación del ion de hidrogeno, cual puede afectar el pH y
desestabilizar el proceso en el reactor. Se sabe que los microorganismos nitrificadores
tienen muy bajo crecimiento específico comparando con los microorganismos
heterotróficos, eso significa que ellos pueden actuar solamente si el lodo tiene edad
suficiente para la acumulación de los nitrificadores.
El proceso de desnitrificación consiste en lo siguiente: En ausencia del oxigeno
libre, muchos heterótrofos son capaces de utilizar nitratos como alternativa de
aceptor de electrones. De esta manera los nitratos se reducen a los nitritos y después
los nitritos al Nitrógeno molecular N2. Para facilitar el proceso descrito arriba, además de
las condiciones atóxicas debe haber una fuente del carbono biodegradable. Con
metanol, como fuente de carbono, la reacción simplificada se puede expresar de la
siguiente manera:
0.83 CH3OH + NO3- → 0.5 N2 +0.83 CO2 +1.17 H2O +OHEn una planta convencional de lodo activado, las aguas de desecho que entran
pasan primero por un tanque de sedimentación primaria. Se añade lodo activado al
efluente del tanque, generalmente en la relación de 1 parte de lodo por 3 o 4 partes
de aguas negras decantadas, en volumen, y la mezcla pasa a un tanque de aireación.
En el tanque, el aire atmosférico se mezcla por el líquido por agitación mecánica o se
difunde aire comprimido dentro del fluido mediante diversos dispositivos; placas
filtrantes, tubos de filtro, eyectores y chorros. Con cualquiera de los métodos, se pone a
las aguas negras en íntimo contacto con los microorganismos contenidos en el lodo. En
los primeros 15 a 45 minutos, el lodo absorbe los sólidos en suspensión y los coloides.
Según se absorbe la materia orgánica, tiene lugar la oxidación biológica. Los
organismos presentes en el lodo descomponen los compuestos de nitrógeno orgánico y
destruyen los carbohidratos. El proceso avanza rápidamente al principio y luego decae
gradualmente en las próximas 2 a 5 horas. Después continúa con un ritmo casi
uniforme durante varias horas. En general el periodo de aireación dura de 6 a 8 horas
más.
El efluente del tanque de aireación pasa a un tanque de sedimentación
secundaria, donde se retiene el fluido, en general de 1 1/2 a dos horas para decantar el
lodo. El efluente de este tanque está completamente tratado, y después de la floración
puede descargarse sin peligro.
Cerca de un 25 a 35% del lodo del tanque de sedimentación final se regresa
para la recirculación con las aguas negras de entrada. No debe retenerse el lodo en el
tanque. Es necesaria la remoción parcial (a intervalos de menos de 1 hora) o la
remoción continúa para evitar la desaireación.
24
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Las cantidades de rebose para la sedimentación final van, normalmente, desde
unos 800 galones por pie cuadrado por día, para las plantas pequeñas, hasta 1 000
para plantas con capacidades mayores de 2 millones de galones por día. Es preferible
que las cargas sobre el vertedero no excedan de 10 000 galones por pie lineal por día.
Cuando el volumen requerido de tanque sobrepase los 2 500 pies, son convenientes
tanques múltiples de sedimentación.
Se requieren tanques múltiples de aireación cuando el volumen total del tanque
excede los 5 000 pies cúbicos. Los tanques de aireación en que se use aire
comprimido son, por lo general, largos y estrechos. Para conservar espacio, el canal
puede hacerse girar varías veces 180°, con una pared común que separe el flujo en
dirección opuesta. Se tiende en general, una tubería maestra de aire, a lo largo de la
parte superior del tanque, para alimentar los difusores o placas porosas a lo largo de
toda su longitud. El aire establece un movimiento espiral dentro del líquido según fluye
por los tanques. Esta agitación reduce los requisitos de aire. El ancho del canal va de
los 15 a los 30 pies. La profundidad es de unos 15 pies.
El oxígeno disuelto debe mantenerse a una concentración de 2 partes por millón
(miligramos por litro) o más. Los requisitos de aire varían normalmente de 0.2 a 1.5
pies cúbicos por galón de aguas tratadas. La mayoría de las autoridades estatales
requieren el uso de un mínimo de 1 000 pies cúbicos de aire por libra de la DBO
aplicada por día.
La aireación mecánica puede efectuarse en tanques cuadrados, rectangulares o
circulares, según sea el mecanismo empleado para la agitación. En algunas plantas, el
fluido puede hacerse subir por tubos verticales y descargarlo en láminas, mientras en la
parte superior o el líquido puede hacerse bajar por tubos aspirantes, mientras el aire
burbujea a través del fluido. En ambos métodos, la agitación en la superficie producida
por el movimiento del líquido, aumenta la aireación. Los periodos de detención son,
generalmente, más largos, 8 horas o más, que para los tanques con difusión de aire.
2.2.2.1 Tipos de aireación
Los sistemas de aireación que se emplean en las plantas de tratamiento de lodos
activados básicamente se pueden dividir en 3 grupos:
1. Aireación por os difusi6n
2. Aireación mecánica o superficial
3. Aireación por inyección
La selección del sistema de aireación depende de muchos factores: La profundidad
del tanque de aireaci6n, necesidad de un diseño de planta compacta, capacidad de la
planta de tratamiento. En general, los sistemas mecánicos y de inyección se
recomiendan para las plantas de pequeña capacidad, mientras que la aireación con
difusores es aplicada en las plantas de mayor capacidad.
25
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
• En la aireación por difusión el aire (oxigeno) se pone en contacto con el agua por
medio de las bombas de presión. El aire se libera en el seno del liquido en forma de
burbujas de diferente tamaño. La eficiencia de la transferencia del oxigeno esta
determinada por el tamaño de las burbujas, la cantidad del aire introducido y la
profundidad a la que esta sumergido el difusor en el reactor. Los difusores tienen forma
de platos, discos o tubos y se hacen de materiales muy porosos como cerámica
especial, plástico flexible, membranas de resinas. Los difusores se ubican en el fondo
de los reactores. La transferencia del oxigeno oscila entre 10-15 g O2/m3.
• Los aireadores mecánicos o superficiales airean y mezclan el agua por medio de
platos rotatorios que están ligéramele sumergidos al agua. Existen dos tipos de
aireadores mecánicos: con el cono rotatorio vertical y horizontal. Los más comunes
son de los conos verticales. Los motores que se emplean para rotar los platos son
de 1 a 120kW proporcionando una velocidad de 35-60 rpm. El diámetro del cono llega
hasta 4 m. La eficiencia de la oxigenación en los tanques >5m llega a 1.5-3 kg O2/kWh.
Los principales problemas en la operación de las plantas de lodo activado
están relacionados con la inadecuada separación del lodo en el tanque de
sedimentación secundaria. El problema cuando el lodo que se forma no es
completamente granular sino disperso, poroso, liviano lo que dificulta su separación del
licor clarificado. También el proceso de desnitrificación afecta negativamente la
sedimentación del lodo ya que las burbujas del N2 se adhieren a los flóculos del lodo y
lo hacen flotar.
Se usan diversas modificaciones para el método de lodo activado, para mejorar
el funcionamiento o disminuir los costos. Entre éstos se incluyen la aireación
modificada, activada, en punta y por pasos o fases, entre otros.
B. Procesos Anaerobios
El tratamiento anaeróbico de las aguas residuales supone la descomposición de la
materia orgánica y/o inorgánica en ausencia de oxigeno molecular. La mayor aplicación
se halla en la digestión de los fangos de aguas residuales una vez concentrada, así
como parte de residuos industriales.
El modo mas usual de operar de una instalación de tratamiento anaeróbico de fango
concentrado es la utilización de un reactor de mezcla completa y mínima recirculación
celular cuyo objeto es el calentamiento contenido en el tanque. El tiempo de detención
del líquido del reactor oscila entre los 10 y 30 días, incluso más, según opere el
sistema.
Los microorganismos causantes de la descomposición de la materia se dividen en dos
grupos:
26
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
•
•
Bacterias formadoras de ácidos, estas hidrolizan y fermentan compuestos
orgánicos complejos a ácidos simples, de los cuales los mas corrientes son el
ácido acético y el ácido propiónico.
Bacterias formadoras de metano, estas convierten los ácidos formados por las
bacterias del primer grupo en gas Metano y CO2.
Las bacterias más importantes de este grupo (las que devoran los ácidos Acético y
propiónico) tienen tasas de crecimiento muy lentas y por ello su metabolismo se
considera una limitante de proceso.
Tabla 8 Condiciones optimas para el tratamiento anaerobio
Parámetros
Temperatura optima, ºC
Mesofilico
Termofilico
Nutrientes biológicos
pH
Intervalos/especies
29-39
49-57
Nitrógeno y fósforo
6.6-7.6
Para el tratamiento de aguas residuales muy cargadas de materia orgánica, cada vez
mas popular es el uso de los reactores UASB.
Los reactores UASB (del inglés Upflow Anaerobic Sludge Blanket) son un tipo de
bioreactor tubular que operan en régimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el
afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale
por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los microorganismos se
agrupan formando bio-gránulos.
Figura 14. Esquema y fotografía de un reactor UASB
27
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
El fango granular constituye el corazón de la tecnología UASB. Un fango
granular es un agregado de microorganismos formados durante el tratamiento de agua
residual en un medio en el que exista un régimen hidráulico constante de flujo
ascendente. En ausencia de algún tipo de soporte, las condiciones del tipo de flujo crea
un ambiente selectivo en el cual sólo esos organismos capaces de anclarse a lo otros,
sobrevive y prolifera. La configuración de los agregados dentro de la bio-película densa
y compacta es a lo que se denomina gránulo. Debido a su gran tamaño de partícula
(generalmente en el rango de 0.5 a 2 mm de diámetro), los gránulos resisten el lavado
del sistema de reacción, permitiendo cargas hidráulicas elevadas. Además, las
biopelículas
son
compactas,
permitiendo
elevadas
concentraciones
de
microorganismos activos y de este modo poder tratar elevadas cargas volumétricas en
los reactores UASB. Un gramo de fango granular (peso seco) puede catalizar la
conversión de 0.5 a 1 g de DQO al día. La composición del gránulo está estratificada.
En el centro se localizan los agregados de Methanosaeta (principalmente), y otros
organismos metanógenos, como Methanothrix y Methanosarcina. En la siguiente capa
están localizados organismos productores y consumidores de hidrógeno, en una
asociación simbiótica. En la capa superficial se localizan los organismos que realizan
las primeras etapas de degradación anaerobia, como los acidógenos y otros organimos
consumidores de hidrógeno. Esta estructura está condicionada por la presión parcial de
hidrógeno, en un delicado equilibrio que sólo es posible bajo condiciones determinadas.
El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas residuales
industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas residuales, en los
UASB también son necesarias unas etapas previas de adecuación del afluente antes
de ingresarlas al reactor, como por ejemplo, eliminación de aceites y grasas,
desarenado, corrección de pH. Tras este tipo de pre-tratamientos, el UASB puede
convertir el 70-95% de la materia orgánica biodegradable en una corriente de biogas
valorizable. De ahí que sean posibles mayores eficiencias mediante el acople de prey/o postratamientos adecuados que aumente el tiempo medio de residencia celular, la
composición y la resistencia frente a tóxicos del fango.
La tecnología de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el
separador de tres fases (biogás-líquido-sólido), ha tenido un gran éxito comercial con
un gran número de instalaciones en el mundo.
La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnología de tratamiento
anaerobio. Aunque también se ha implantado en industrias como la cervecera,
destilería, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y la celulosa,
industria textil, química y farmacéutica.
2.2.3 Tratamiento en Lagunas
El uso de lagunas de estabilización comenzó a introducirse al final de la década de los
anos cincuenta en los países de America Latina y el Caribe. En las primeras instalaciones
a que hace referencia la literatura se encuentra la laguna de Canas, Guanacaste - Costa
Rica (construida en 1958) y las lagunas de Chipre - Panamá.
28
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
En la década de los anos 70, el Banco Mundial evidencia su preocupación sobre aspectos
de salud por el manejo de excretas y lodos de sistemas individuales de saneamiento.
Paralelamente el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente
(CEPIS), realiza en el Perú uno de los trabajos pioneros en la determinación de parasites
en aguas residuales. Mas tarde la Organización Mundial de la Salud, reconociendo la
importancia de actualizar criterios sobre el reuso de efluentes, conduce una serie de
investigaciones y reuniones de expertos que finalmente terminan en la publicación de las
nuevas "Guías de salud para el uso de Aguas Residuales en la Agricultura y Acuicultura".
2.2.3.1
Nomenclatura
Lagunas de estabilización: Describe estanques construidos de tierra, de profundidad
reducida (< 5.0 m), diseñados para el tratamiento de aguas residuales por medio de la
interacción de la biomasa (algas, bacterias, protozoarios, etc.), la materia orgánica de
desecho y otros procesos naturales (submodelos hidráulicos y factores físicos, químicos y
meteorológicos). La finalidad de este proceso es entregar un efluente de características
múltiples establecidos (DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parasites, enterobacterias,
coliformes, etc.).
Lagunas de oxidación: Termino aplicado en el pasado para implicar la oxidación de la
materia orgánica con el oxigeno producido por las algas a través de la fotosíntesis.
Por otro lado, existen varias formas de clasificar las lagunas de estabilización:
a)
De acuerdo con el contenido de oxigeno, pueden ser: anaerobia, aerobias y
facultativas. Si el oxigeno es suministrado artificialmente con aeración mecánica o
aire comprimido se denominan lagunas aireadas.
b)
De acuerdo al lugar que ocupan, con relación a otros procesos, las lagunas
pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales crudas,
secundarias si reciben afluentes de otros procesos de tratamiento y, de
maduración si su propósito fundamental es reducir el numero de microorganismos
indicadores.
c)
De acuerdo con la secuencia de las unidades, pueden clasificarse en lagunas en
serie o en paralelo, pudiendo encontrarse combinaciones de varios tipos. El número
de unidades en serie tiene relación primordial con la topografía del terreno y en
menor grado con el nivel de calidad requerido en el efluente del sistema. En cambio,
el número de lagunas en paralelo tiene relación con otros factores como las etapas
de implementación de las unidades, la topografía del terreno y las condiciones
de operación y mantenimiento de la estación.
d)
De acuerdo a las condiciones de descarga, la laguna de descarga continua,
lagunas de retención completa y lagunas de regulación y descarga controlada.
Las unidades de retención completa, llamadas tanbien lagunas terminales, no tienen
29
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
efluente y el líquido se dispone a través de percolación y evaporación. Las lagunas
de descarga controlada son conocidas también como de flujo intermitente, de
regulación o de almacenamiento. Las lagunas de regulación, son las ultimas
unidades de mas serie y su función básica esta de almacenar el agua residual
tratada antes del reuso agrícola.
e)
De acuerdo con la función específica pueden clasificarse en: lagunas para la
reducción de compuestos orgánicos, lagunas para la reducción de organismos
patógenos y lagunas para criterios múltiples de calidad del efluente.
f)
Grupo de lagunas airadas, existen 4 tipos de unidades; todos ellos con el
propósito fundamental de reducción de compuestos orgánicos:
•
Lagunas airadas de mezcla completa o biomasa en suspensión, tienen
una alta densidad de energía y la presencia de algas no es aparente.
•
Lagunas airadas facultativas, son frecuentes en climas calidos y consiste
en un estanque con aeración y una densidad de energía mas baja que
la anterior para mantener la biomasa en suspensión parcial. En este tipo
de unidad, la producción de oxigeno por fotosíntesis juega un papel
muy reducido y todo el oxigeno necesario es abastecido por los
aireadores.
•
Lagunas facultativa con agitación mecánica, es un estanque del tipo
facultativo en el que se ha instalado un mecanismo de mezcla con una
baja densidad de energía. En esta situación el oxigeno necesario
para la estabilización de la materia orgánica es abastecido vía
fotosíntesis.
•
Laguna de estabilización airada, en la cual la oxigenación es
principalmente via fotosíntesis, suplementada con difusión de aire
comprimido desde el fondo, a través de tuberías y difusores de varios
tipos. Como las tuberías de conducción del aire están colocadas en el
fondo, no es recomendable permitir la acumulación de lodo, por lo cual
se diseñan con cargas bajas, las que las hacen no atractivas para países
en desarrollo.
2.2.3.2 Lagunas Anaerobias
Son estanques con profundidades de 2.5 a 5.0 m; reciben cargas orgánicas elevadas, se
encuentra ausencia de oxigeno en todos sus niveles. En estas condiciones las lagunas
actuaran como un digestor anaeróbico abierto sin mezcla y debido a las altas cargas
orgánicas que soportan, el efluente contiene un alto porcentaje de materia orgánica y
requiere de otro proceso complementario de tratamiento.
30
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
Estas unidades son utilizadas preferentemente para el tratamiento de desechos industriales
o desechos domésticos con un elevado aporte industrial. En este sentido, una de las
grandes ventajas de las lagunas anaerobias es reducir las concentraciones de
compuestos tóxicos o inhibidores presentes.
De los dos grupos de microorganismos descritos, los formadores de metano son muy
sensibles a condiciones ambientales como variaciones de carga, pH y temperatura y la
eficiencia del proceso depende de su desarrollo, el mismo que ocurre en poblaciones
reducidas debido a que pierden gran cantidad de energía en la producción de metano.
Las lagunas anaerobias pueden ser usadas como una primera etapa en el tratamiento
de aguas residuales domesticas e industriales y presentan una serie de factores positivos
y negativos que tienen que ser considerados antes de su uso.
Entre las ventajas se mencionan:
• Bajo costo, en razón de su reducido requisito de área.
• Son atractivas para el tratamiento de desechos de altas concentraciones.
• Han sido empleadas con éxito en el tratamiento de una variedad de desechos
industriales biodegradables.
Los aspectos desfavorables son:
•
•
•
•
•
•
El proceso es muy sensible a factores ambientales y operativos como:
temperatura, variaciones bruscas de carga y pH, lo cual puede producir periodos de
baja eficiencia con un efluentes de calidad pobre.
La normal acumulación de natas presenta un aspecto poco agradable y
condiciones estéticas desfavorables, lo cual normalmente incide en el mantenimiento.
El efluente del proceso tiene un alto contenido de materia orgánica y calor, lo que
hace necesario una siguiente fase de tratamiento.
La tasa de mortalidad bacteriana es muy reducida en comparación con otras opciones.
Los malos olores ocasionales y sobre todo en los primeros años de operación.
Rápida acumulación de sólidos, requiriendo una limpieza de lodos mas frecuentes.
Los sólidos se acumulan principalmente en las unidades primarias y requieren de
limpieza después de un cierto periodo de operación. El lodo sedimentado sufre una
degradación anaerobia reduciendo los sólidos volátiles en una proporción de por lo
menos el 50% y además es sometido a un proceso de espaciamiento. La tasa de
acumulación de lodo en el fondo de una laguna anaerobia esta en el intervalo de
0.08 - 0.113 l/Hab . día y para propósitos de diseño se puede tomar el limite
superior que equivale a 40 m3/Hab.año.
La profundidad es por lo general suficiente de manera que no es necesario considerar,
una profundidad adicional para la acumulación de lodos. En la práctica se
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Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
considera conveniente efectuar una limpieza cuando la altura de lodos alcanza la
mitad de la profundidad. En cases en los cuales se observe que hay una
acumulación visible de material de fondo cerca de la entrada de la laguna, se podrá
disminuir el periodo entre limpiezas. En número de años de operación entre dos
limpiezas consecutivas puede calcularse mediante la siguiente relación:
n = (0.5.V)/(ta.P)
donde n es el numero de años de operación para limpieza, V es el volumen de laguna
(m3), ta es la tasa de acumulación de lodos, normalmente 0.04 m3/Hab.año; y P es la
población equivalente servida.
2.2.3.3
Lagunas Aerobias
Son conocidas también como fotosintéticas, son estanques de profundidad reducida (0.3
-0.45 m), lo cual permite la penetración de luz hasta el fondo y diseñados para una máxima
producción de algas con cortos períodos de retención. En estas lagunas se mantienen
condiciones aerobias a todo nivel y tiempo y la reducción de materia orgánica es
efectuada por la acción de organismos aerobios.
En estas lagunas el oxigeno se suministra por aireación natural a través de la superficie
y por fotosíntesis de las algas, comunidad biológica presente en los estanques de
estabilización es similar a la existente en los sistemas de fangos activados. El oxigeno
liberado por las algas en el proceso de fotosíntesis es utilizado por las bacterias en la
degradación aerobia de la materia orgánica.
Los nutrientes y el dióxido de carbono liberado en este proceso de degradación los
emplean, a su vez, las algas. Esta relación ciclo-simbiótica se ilustra en la figura 15.
Nuevas
algas
Materia
orgánica
Bacterias
Figura 15. Ciclo simbiótico de algas y bacterias en una laguna aeróbica
También se presentan animales superiores tales como los rotíferos y
protozoos, cuya principal función consiste en la mejora del efluente. El grupo especifico de
algas, animales o especies bacterianas presentes en cualquier zona de un estanque
32
Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
aerobio depende de factores tales como la carga orgánica, el grade de mezclas, pH, los
nutrientes, la luz solar y la temperatura. Para el proceso de diseño ver la página 53-54.
2.2.3.4 Lagunas Facultativas
Las características principales de las lagunas facultativas son el comensalismo entre
algas y bacterias en el estrato superior y la descomposición anaerobia de los sólidos
sedimentados en el fondo. Por consiguiente, su ubicación como unidad de
trabamiento en un sistema de lagunas puede ser, como laguna primaria única o como
una unidad secundaria después de lagunas anaeróbias o airadas.
Estos son estanques con profundidad entre 1.5 - 2.5 m y su contenido de oxigeno varia
de acuerdo a la profundidad y la hora del día.
El mecanismo característico de las lagunas facultativas ocurre en el estrato superior y
corresponde a una simbiosis o comensalismo de bacterias aerobias y algas. Las bacterias
heterotróficas descomponen la materia orgánica produciendo compuestos inorgánicos
solubles y dióxido de carbono. La cantidad de oxigeno requerido para esta degradación
es suministrada principalmente por el proceso de fotosíntesis. Un esquema simplificado
de esta simbiosis entre algas y bacterias esta indicado en la figura 16.
Figura 16. Simbiosis entre algas y bacterias en una laguna facultativa
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Tratamiento de Aguas Residuales, Tenerías
En un estanque facultativo existen tres zonas:
1. Una zona superficial en la que existen bacterias aerobias y algas en una relación
simbiótica.
2. Una zona inferior anaerobia en la que se descomponen activamente los sólidos
acumulada por acción de las bacterias anaerobias
3. Una zona intermedia, que es parcialmente aerobia y anaerobia, en la que
descomposición de los residuos orgánicos la llevan a cabo las bacterias
facultativas.
Los estanques facultativos, se alimentan con agua residual procedente de un proceso
previo de desbaste o con el efluente de un tratamiento primario. Los sólidos de gran
tamaño sedimentan para formar una capa de fango anaerobio. Los materiales orgánicos
sólidos y coloidales se oxidan por la acción de las bacterias aerobias y facultativas
empleando el oxigeno generado por las abundantes algas presentes cerca de la
superficie.
El dióxido de carbono, que se produce en el proceso de oxidación orgánica, sirve como
fuente de carbono para las algas. La descomposición anaerobia de los sólidos de la capa
de fango comparte la producción de compuestos orgánicos disueltos y de gases tales
como el CO2, el H2S y el CH4, que o bien se oxidan por las bacterias aerobias, o se
liberan a la atmosfera. En la practica, la presencia de oxigeno en la capa superior se
consigue por las algas.
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