Taller “Operación y Mantenimiento de Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales” ASPECTOS BASICOS DE SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS Ing. PEDRO E. ORTIZ BARDALES ASESOR TECNICO SANAA La Ceiba, Atlántida, 03 al 07 de Marzo de 2014 TRATAMIENTO O B J E T I V O REMOCIÓN DE: MATERIA ORGÁNICA PARÁSITOS BACTERIAS Y VIRUS NUTRIENTES TECNOLOGIA APROPIADA PARA PAÍSES INDUSTRIALIZADOS PATÓGENOS LAGUNA DE ESTABILIZACIÓN COSTO: INVERSIÓN + OPERACIÓN + MANTENIMIENTO CEPIS/OPS Operaciones y procesos unitarios utilizados para el tratamiento de aguas residuales Contaminante Operación o proceso utilizado Sólidos Suspendidos Desbaste y dilaceración Desarenado Sedimentación Filtración Flotación Adición de polímeros Coagulación / sedimentación Sistemas naturales Materia orgánica Biodegradable Variante de fangos activos Película fija, filtros percoladores, biodiscos Lagunas de estabilización Filtración intermitente en arena Sistema físico químico Sistemas naturales Operaciones y procesos unitarios utilizados para el tratamiento de aguas residuales Contaminante Operación o proceso utilizado Compuestos Orgánicos Volátiles Arrastre por aire Tratamiento de gases Adsorción en carbón Patógenos Cloración Hipo cloración Cloruro de bromo Ozonación Radiación ultra violeta Sistemas naturales Metales pesados Precipitación química Intercambio iónico Sistemas de tratamiento evacuación al terreno Sólidos Inorgánicos Disueltos Intercambio iónico Osmosis inversa Electrodiálisis Sistema de Tratamiento de aguas residuales TRATAMIENTO PRELIMINAR Remoción de materiales gruesos y arena PRIMARIO Remoción de materiales Sedimentables SECUNDARIO Degradación de compuestos Carbonosos Recirculación Lodo secundario Arena y sólidos gruesos Lodo primario Remoción de lodo biológico TERCIARIO Remoción de nutrientes y materiales no biodegradables Espesamiento digestión acondicionamiento deshidratación Disposición adecuada Desinfección Lodo Pretratamiento Tratamiento Primario de las Aguas Residuales Elimina una fracción de los Sólidos Suspendidos y de la Materia Orgánica del agua residual.- Esta eliminación suele llevarse acabo mediante operaciones físicas tales como: Tamizado Sedimentación El efluente resultante contiene una cantidad considerable de: Materia Orgánica y alta DBO Tratamiento Secundario Convencional Está principalmente encaminado a la eliminación de: Sólidos en Suspensión y Compuestos Orgánicos Biodegradables Aunque a menudo se incluye la Desinfección como parte del tratamiento secundario. Tratamiento Terciario o Avanzado Es el nivel de tratamiento necesario, después del tratamiento Secundario Convencional, para la eliminación de: Nutrientes, Compuestos no biodegradables, metales pesados, Sólidos inorgánicos disueltos, sólidos suspendidos remanentes y organismos patógenos Ejemplo de estos procesos son: Eliminación de nutrientes Coagulación Química, Floculación, Sedimentación y Filtración y carbón activado Intercambio Iónico Osmosis Inversa Tratamiento de Residuos Tóxicos Las concentraciones de contaminantes Tóxicos suelen eliminarse mediante tratamientos específicos antes de su vertido a la red de alcantarillados. Los Metales Pesados. Tratamiento Físico Químico como la: Coagulación, Floculación, Sedimentación y Filtración. Los Compuestos Volátiles Adsorción Carbónica o arrastre con Aire Procesos Biológicos Unitarios Eliminan la contaminación por medio de la actividad biológica, su principal aplicación es la eliminación de matera orgánica biodegradable, que se convierte en gas y en tejido celular biológico. También se emplean para eliminación de nutrientes. Procesos biológicos Lagunas de estabilización, Anaerobias, Aerobias, Facultativas y de Maduración. Lagunas aireadas Filtros percoladores. Filtros anaerobios. Reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB). Contactores Biológicos Rotativos (RBC). Reactor intermitente secuencial (SBR) Aireación prolongada. Lodos activados. Fundamentos de Microbiología Para poder realizar sus funciones vitales los microorganismos necesitan: Una fuente de energía = Sol (fotosíntesis) y Reacción orgánica de oxidación - reducción Una fuente de Carbono = Materia Orgánica y CO2 Nutrientes inorgánicos = Nitrógeno, Fósforo, Azufre, Potasio, y orgánicos Calcio, Magnesio, Aminoácidos, Purinas Clasificación de los microorganismos según la fuente de Energía y de Carbono Clasificación Fuente de Energía Fuente de Carbono Celular Autótrofos a) Fotoautótrofos Luz CO2 b) Quimiautótrofos Reacción de oxidación reducción inorgánica CO2 Heterótrofos a) Quimioeterótrofos Reacción de oxidación reducción orgánica Carbono Orgánico a) Fotoheterótrofos Luz Carbono Orgánico Microorganismos más importantes en los procesos biológicos Bacterias = Protistas unicelulares, heterótrofos que metabolizan materia orgánica soluble, tamaño de 1 a 15 μm, fórmula aproximada C5H7O2N, clasificación : Criófilas (030ºC), mesófilas (20 - 45ºC), termófilas (45 – 70ºC) Hongos = Protistas heterótrofas, no fotosintéticas, multicelulares, y la mayoría aeróbicos estrictos, crecen con poca humedad y toleran un rango amplio de pH( 2 a 4), compiten con las bacterias. Algas = Son protistas unicelulares o multicelulares, autótrofos, y fotosintéticos producen Oxígeno mediante el mecanismo de fotosíntesis. Protozoos = Son protistas móviles microscópicos y por lo general unicelulares la mayoría son heterótrofos aeróbicos, suelen consumir bacterias como fuente de energía y partículas orgánicas Rotíferos = Son animales aeróbicos, heterótrofos y multicelulares, consumen bacterias dispersas y floculadas y pequeñas partículas de materia orgánica. Crustáceos = Son animales aeróbicos, heterótrofos, multicelulares, sirven de alimento a los peces y su presencia indica que el efluente esta bajo contenido de materia orgánica y oxígeno disuelto Fundamentos de los procesos biológicos Procesos de Oxidación biológica 1. Reacciones de Síntesis CHON + O2 + Bacterias + Energía → C5H7O2N 2. Reacciones de Oxidación C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3 + Energía En caso de Nitrificación C5H7O2N + 7O2 → 5CO2 + 3H2O + NH3- + H+ + Energía Conversión biológica en los sistemas Aerobios y Anaerobios Biogás 70-90% CO2 4050% DQO 100% Reactor Aeróbio Lodo 50-60% Efluente 5-10% DQO 100% Reactor Anaeróbio Lodo 515% Efluente 10-30% ELIMINACIÓN ESPERADA DE MICROORGANISMOS Reducción de órdenes de magnitud o Reducción de unidades logarítmicas Proceso de tratamiento Bacterias Helminos Virus Quistes Sedimentación primaria simple Con coagulación previa 0-1 0-2 0-1 0-1 1-2 1-3 0-1 0-1 Lodos activados 0-2 0-2 0-1 0-1 Biofiltros 0-2 0-2 0-1 0-1 Zanja de oxidación 1-2 0-2 1-2 0-1 Desinfección 2-6 0-1 0-4 0-3 Laguna aireada 1-2 1-3 1-2 0-1 Lagunas de estabilización 1-6 1-3 1-4 1-4 OPS/CEPIS Fuente: Feachem et al (1983) Eficiencia de remoción de los sistemas de tratamiento de aguas residuales, en porcentaje SS DBO DQO Bacterias C. Log10 Helmintos C. Log10 Sedimentación primaria 60 - 90 30 - 35 30 - 35 0-1 0-1 Tratamiento químico C+F+D 90 - 95 30 - 50 30 - 50 TP + Lodos activados 90 - 97 85 - 97 85 - 90 0-2 0-1 TP + Filtro percolador 87 – 95 80 – 90 80 - 90 0-2 0-1 T. Primario + Biodiscos 90 - 95 85 - 90 85 - 90 TP + FP + lodos activados 95 - 99 95 - 99.5 95 - 98.5 TP + BD + lodos activados 97 - 99 97 - 99.3 97 - 98.5 1-6 1-4 Tipo de tratamiento Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Lagunas de estabilización 70 - 85 Superficie necesaria por tipo de Tratamiento (Collado 1991) Tipo de tratamiento Superficie necesaria (m2/Hab.) Fosa Séptica 0.1 – 0.5 Tanque Imhoff 0.05 – 0.1 Zanja filtrante 6 – 66 Lecho filtrante 2 – 25 Pozo filtrante 1 – 14 Lecho de juncos 2–8 Lag. aireada 1–3 Lag. aeróbica 4–8 Lag. facultativa 2 – 20 Lag. anaeróbica 1–3 Lag. Anaeróbica + facultativa 2 – 12 Filtro percolador 0.5 – 0.7 Aireación prolongada 0.2 – 1.0 Canal de oxidación 1.2 – 1.8 Cantidad y concentración de fangos (Collado 1990) Proceso Cantidad (l/m3A.R.) Concentración (%) Primario 2.0 – 3.0 4-6 Tratamiento previo Fosa séptica Tanque Imhoff 0.9 – 2.0 1.5 – 2.0 10 10 – 12 Procesos de biopelícula Lechos bacterianos Biodiscos 1.0 – 3.0 1.0 – 3.0 2–4 2–6 Aireación prolongada 3.0 – 7.0 1.5 – 2.0 Lagunaje natural 1.0 – 2.0 10 Lagunaje aireado 1.0 – 2.5 - Aplicación al terreno Físico químico Los del tratamiento previo 6.0 – 25.0 0.5 – 10.0 Fosa Séptica Introducción Es uno de los más útiles y satisfactorios procedimientos para la disposición de excretas y residuos líquidos provenientes de viviendas individuales, pequeños grupos de casas o instituciones situados en zonas rurales donde no existe sistema de alcantarillado. Descripción Mientras las aguas residuales se mantienen en reposo, los sólidos más pesados se depositan en el fondo formando lodo o fango, la mayoría de los sólidos ligeros, como las grasas, permanecen en el agua en la parte superior de la fosa formando una capa de espuma, mientras el efluente se lleva los sólidos no sedimentables al final del sistema de evacuación. Que se puede limitar empleando Fosas de dos compartimientos o instalando una cámara de filtración. Desventajas de la fosa Séptica • Malos olores. • Acumulación de grasas y flotantes. • Por ser un tratamiento primario se necesita tratar su efluente. • Limitada remoción de patógenos Ventajas • Fácil de operar • Es aplicable donde no existe alcantarillado • No requiere equipamiento • Fácil de construir • Se tiene que vaciar cuando se llena. El proceso que se desarrolla en el interior de la fosa constituye el tratamiento primario de los residuos brutos y el que se efectúa en la zona de evacuación es el tratamiento secundario. Pozo de absorción Dimensionamiento del pozo de absorción Parámetros de diseño Area de infiltración • A=V/Ci • V=PxD • Profundidad 2 <h< 4.0m • Diámetro 1< D <2.5 m Prueba de Infiltración Tasa de aplicación en función del tipo de terreno (EPA 1980) Textura del suelo Tasa infiltración (min/cm) Tasa aplicación (m3/m2.d) Arena gruesa – grava < 0.40 No utilizable Arena media - gruesa 0.40 - 2 0.048 Arena fina - margosa 2–6 0.030 Marga arenosa – marga 6 – 12 0.024 Marga – marga porosa 12 – 24 0.018 Marga arcillosa 24 – 48 0.008 > 48 No utilizable Terreno impermeable Zanjas de Infiltración Descripción Consisten en aberturas hechas en el terreno, con profundidades que varían entre 0.60 a 1.0 m y un ancho de 0.50 a 1.0 m. En estas Zanjas se debe instalar tubería perforada, con un diámetro mínimo de 0.10 m, que debe estar recubierta con material granular correspondiente al tamiz No 3 , la cama de piedra bajo la tubería debe tener un espesor que varié entre 0.30 a 0.60 m. Además de lo anterior se deben seguir las recomendaciones siguientes: Zanjas de Filtración Parámetros de Diseño Coef. Infiltración = 38 l/m2 Longitud L < 30 m Profundidad 1.20 < h < 1.50 m Diámetro de tubería < 100 mm Separación s < 1.0m lecho Filtrante 0.25 < de < 0.5 mm Espesor > 0.50 m material grueso 0.30 m 0.30 0.30 0.70 0.50 Desbaste Consiste en la separación del agua residual de sólidos tales como: Piedras, ramas, plásticos, trapos etc. mediante rejas o tamices. Tiene como objeto: Eliminar los objetos capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la planta. Separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua bruta, que podrían disminuir la eficiencia de los tratamientos siguientes, o complicar la realización de los mismos. Rejas En las rejas, la separación de los sólidos se realiza mediante barrotes, su limpieza se hace en forma manual empleando un rastrillo, esta labor se realiza en forma periódica y los objetos rastrillados previamente a su eliminación se escurren sobre una placa perforada situada sobre el canal, posteriormente se depositan en un hoyo excavado en el terreno y ubicado las inmediaciones a la reja. Desarenador Tiene por objeto eliminar las materias más pesadas que el agua y mayores que 2 milímetros. Con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y tuberías, proteger las bombas del desgaste y evitar sobrecargas en las fases de tratamiento siguientes. El mantenimiento tiene que ser por lo menos semanal y cada dos días debe hacerse un barrido o limpieza de fondo para liberar el material orgánico retenido entre el material granular para evitar su descomposición. Desarenador – Rejilla en planta Digestión Anaerobia Es un proceso que se realiza en ausencia de oxígeno, en el cual la materia orgánica compleja es convertida en : Metano(CH4), Dióxido de carbono(CO2), agua, sulfuro de hidrógeno(H2O) y amónia(NH3 ) además de nuevas células bacterianas. CH4 CO2 Materia orgánica Bacterias Anaerobias H2O H2S NH3 NUEVAS CELULAS Fases del proceso Hidrólisis de compuesto orgánicos complejos Producción de ácidos Producción de metano (CH4) Secuencia metabólica y grupos microbianos envueltos en la Digestión Anaerobia Orgánicos complejos Carbohidratos, proteínas, lípidos Bacterias fermentativas(hidrólisis) Orgánicos simples Azúcares, aminoacidos, peptídos Bacterias fermentativas acidogénesis Acidos orgánicos Propano y buriatico, etc Bacterias acetogénicas acetogenesis Bacterias acetogénicas productoras de Hidrógeno H2 + CO2 ACETATO Bacterias acetogénicas consumidoras de H Bacterias metanogénicas CH4 + CO2 Metanogénicas hidrogenotróficas Metanogénicas acetoclásticas Reactor Anaerobio de flujo ascendente y manto de lodos Consiste en un flujo de aguas residuales que pasa a través de un lecho de lodo denso y de elevada actividad. El perfil de sólidos en el reactor varia de muy denso y con partículas granulares de elevada capacidad de sedimentación , próximas al fondo (lecho de lodos), hasta un lodo más disperso y leve en la parte superior del reactor( manto de lodos). La estabilización de la materia orgánica ocurre en todas las zonas de reacción( lecho y manto) siendo la mezcla del sistema generada por el flujo ascensional de las aguas residuales y las burbujas de gas. El agua residual entra en el fondo y sale del reactor a través de un decantador interno colocado en la parte superior, un dispositivo de separación de gases y sólidos, localizado abajo del decantador, garantiza la condiciones óptimas para la sedimentación de las partículas que se desprenden del manto de lodos, permitiendo que retornen a la cámara de digestión. Filtros Anaerobios Introducción Se utiliza cuando no es posible infiltrar en el suelo el efluente de la fosa séptica o hay necesidad de una tratamiento adicional, porque se quiere disponer el efluente en un cuerpo de agua, Filtro Anaerobio El filtro anaerobio ascendente es básicamente una unidad de contacto, en la cual el agua residual pasa a través de una masa biológica contenida dentro del reactor. La biomasa (microorganismos) retenida en el reactor se puede presentar en tres formas: Película biológica fina adherida al material Biomasa dispersa retenida en los vacíos (poros) del material granular. Flóculos o granos retenidos en el falso fondo, bajo el material de soporte. Los compuestos orgánicos solubles contenidos en el agua residual afluente entran en contacto con la biomasa, difundiéndose a través de la superficie del biofilme o el lodo granular ,donde es convertido en productos intermediarios( ácidos grasos volátiles) y finales específicamente metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) Componentes del filtro Anaerobio Tuberías de ventilación Canales de recolección • Tubería de Entrada • Falso fondo Material filtrante • Tubería de Limpieza • Material filtrante Falso fondo • Canales de recolección Tubería de Limpieza • Tuberías de Ventilación. Tanque Imhoff Introducción Es un tanque de dos pisos, que combina en el compartimiento superior la Sedimentación y en el inferior la Digestión. Sus características peculiares son la abertura protegida que impide que los gases de la digestión pasen a la cámara de sedimentación y la ausencia de una corriente en movimiento en el compartimiento de digestión. Su adopción se ha limitado a poblaciones menores de 2,000 hab. Descripción El tanque está compartimentos: compuesto Cámara de sedimentación Cámara de digestión Cámara de espumas por tres Componentes del Tanque Imhoff • Compuertas de control • Canales para distribución de flujo • Bafles o pantallas deflectoras • Sedimentador • Tolvas y digestor • Ventilas para gases • Tubería para recolección de gases • Tubería para extracción de gases y licuefacción de lodos • Válvulas para extracción de lodos Diagrama de flujo básico Tanque imhoff Desbaste Desarenado Desengrasado Tanque imhoff Desinfección Lechos de secado de fangos Ventajas Bajo costo de inversión inicial No requiere de energía Desventajas Bajo rendimiento en reducción de materia orgánica y patógenos bajo costo de mantenimiento Poca estabilidad frente a incrementos de caudal. No depende de condiciones atmosféricas Generación de malos olores. No requiere personal especializado para su operación. Proliferación de moscas en eras de secado Tanque Imhoff Parámetros de diseño Tiempo de retención 2 - 3 horas Carga Superficial 24.4 - 36.6 m3/m2/d Velocidad Horizontal 0.30 m/s Relación L/B 5:1 y 3:1 Profundidad de cámara de sedimentación 1.5 - 4.5 m Pendiente Sedimentador > 5V a 4H Longitud < 30 m Profundidad Tanque 7.0 - 10.5 m Abertura fondo Sedimentador > 15 cm Area cámara de espumas 25 - 30 % Proyección borde inferior Sedimentador 20 cm 2 3 1 4 Llenado de Tolvas, A - Cerrar compuerta, 1 - Abrir compuerta, 2 Tolvas A - Cerrar compuerta, 3 Tolvas B - Abrir compuerta, 4 - Abrir compuerta, 5 - Cerrar compuerta, 6 6 5 LLENADO DE TOLVAS, A Lechos bacterianos (Filtro percolador) Descripción Consiste en un proceso en el cual la biomasa bacteriana forma una biopelícula sobre un medio de soporte fijo. El agua residual y el aire circulan libremente a través de los huecos que existen en el material soporte . Los organismos presentes en la biopelícula oxidan la materia orgánica que toman del agua residual, valiéndose del aire que circula por el medio. Diagrama de flujo Lecho Desbaste Decantador primario bacteriano Decantador secundario Desinfección Lechos de secado Digestor Espesador Aplicabilidad lechos bacterianos Se puede aplicar en poblaciones de tamaño mediano grande, solo o como primera fase de otro tratamiento biológico, como por ejemplo lodos activados. Debido a su gran estabilidad frente a las variaciones de la carga orgánica, se emplea en numerosas ocasiones previo a un tratamiento biológico. Ventajas Desventajas Alto rendimiento en eliminación de materia orgánica Utilización de gran cantidad de equipo susceptible de averías. Instalación compacta Menor costo energético que un tratamiento convencional. Versatilidad, ya que los parámetros pueden ser controlados. Posibilidad de utilizarlo como proceso de afino Alta inversión inicial Necesidad de material de soporte especial. Elevado costo de mantenimiento electromecánico. Contactor Biológico Rotativo (C.B.R.) Introducción El proceso consiste en una serie de discos que giran entorno a un eje horizontal, colocados dentro de un recipiente de agua residual. Los discos giran lentamente , manteniendo el 40% de su superficie sumergida. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al mismo toma el Oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica. Parámetros de Diseño Carga Hidráulica 0.08 < Ch < 0.16 m3/m2.h Carga orgánica 3.70 < CO < 9.80 g DBOs/m2.d 9.8 < CO < 17.15 g DBOt/m2.d Tiempo de retención hidráulica 0.7 < TR < 1.5 h Longitud de Ejes 1.52 < L < 8.23 m Superficie de medio(8.23) 9,290 11,150 16,750 m2 Volumen óptimo de Tanques = 0.0049 m3/m2 de medio Aplicabilidad. Utilizado en pequeños núcleos poblacionales, pudiendo emplearse en lugar de otros sistemas biológicos secundarios, con resultados similares. Tiene la posibilidad de utilizarse solo o en combinación de otros procesos Ventajas C.B.R. Sencillez de funcionamiento. Buena respuesta a sobrecargas de materia orgánica. Buena respuesta ante tóxicos. Menor coste energético. Bajo costo de mantenimiento Bajo nivel de ruidos. Construcción modular, fácil de ampliar. Desventajas. Alto gasto de inversión inicial. Necesidad de material de soporte especial. Necesidad de diseño mecánico riguroso. Humedales Consisten en excavaciones de baja profundidad que se hacen en el terreno, y se rellenan de grava o material de alta permeabilidad, donde se siembran plantas que degradan la materia orgánica del agua residual aplicada Desventajas Requiere tratamiento previo Requiere área considerable 2- 8 m2 Son afectados por contaminantes tóxicos Ventajas Sencilla de construir y operar No es afectado por las variaciones climáticas No hay producción de malos olores Soporta la variaciones de caudal Buena integración con el ambiente Eliminación de nutrientes No hay proliferación de mosquitos Buena eficiencia en eliminación de DBO y coliformes Puede proveer ingresos con venta de plantas Tipos de humedales De flujo Sub superficial Con Macrofitas De flujo libre Lagunas de estabilización Son estanques construidos de tierra, de profundidad reducida(< 5 m) utilizados para el tratamiento de aguas residuales, por medio de la interacción de la biomasa(algas, bacteria, protozoarios, etc.) la materia orgánica del desecho y otros procesos naturales(factores físico químicos y meteorológicos). Aplicación Se recomiendan especialmente donde se requiera un alto grado de remoción de organismos patógenos, en casos en los cuales la biomasa de algas y los nutrientes que contiene el efluente , pueden ser asimilados sin problemas por el cuerpo receptor. No son recomendadas cuando su efluente descargue en un lago o embalse porque aceleraran el proceso de eutrofización, en vista que son ineficientes para remover nitrógeno y fósforo. Pero son sumamente atractivas desde el punto de vista de reuso agrícola. Lagunas de estabilización El tratamiento con lagunas consiste en el almacenamiento de las aguas residuales durante un tiempo variable, en función de la carga aplicada y de las condiciones climáticas, de manera que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de las bacterias heterótrofas presentes en el medio. Diagrama de flujo básico Desbaste Desarenado Laguna anaerobica Laguna facultativa Laguna de maduración Desengrasado Ventajas Desventajas • Alta reducción de contaminación orgánica Requiere gran superficie • Alta reducción bacteriológica • Estabilidad frente a variaciones de caudal Elevada concentración de sólidos en el efluente debido al fitoplancton • Mínimo costo de mantenimiento Es afectada por los cambios de temperatura • No requiere personal especializado Puede haber proliferación de mosquitos • Mínima producción de lodos Se necesita terreno impermeable • Posibilidad de utilizar el efluente Inestabilidad ante vertidos industriales • Buena integración con el medio Objetivos de una laguna de estabilización Primaria Reducción de compuestos orgánicos ( DBO y DQO ) tanto soluble como total Reducción de sólidos suspendidos Reducción de parásitos Reducción de costos de construcción Secundaria Reducción de Coliformes fecales al nivel deseado Complementar reducción de nematodos Reducir a los niveles requeridos la concentración de otros contaminantes ( DBO, Nemátodos > 10 días > cargas superficiales nutrientes y algas ) Minimizar la influencia de la estratificación termal Clasificación de las de lagunas Por el contenido de oxígeno Anaerobia Aerobio Facultativa Aireada --- Aireación artificial Por su ubicación con otros procesos Primarias Secundarias Maduración Por su secuencia En paralelo En serie Lagunas Anaerobias Operan bajo una condición de ausencia de Aire u Oxígeno libre y se caracterizan por el empleo de una alta carga orgánica y por consiguiente un corto período de retención. Su aspecto físico es de coloración negra o gris, cuando por efecto de una carga adecuada, presentan condiciones de fermentación del metano. Se utilizan como una primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domésticas e industriales. CO2 CH4 Lagunas facultativas Son aquellas donde la estabilización de las aguas residuales se lleva a cabo mediante una combinación de bacterias aerobias, facultativas y anaerobias. Estas lagunas se excavan en el terreno y 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 oxígeno generado por las abundantes algas presentes en la superficie. El dióxido de carbono ( CO2) 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 permite la producción de compuestos orgánicos disueltos y de gases como el CO2, H2S, CH4 y el NH3 que se oxidan por las bacterias aerobias o se liberan a la atmósfera. Reacciones en lagunas facultativas Lagunas de Maduración Son frecuentes como tratamiento terciario después de una secuencia de lagunaje anaerobio + facultativo, con el objeto de mejorar la calidad del efluente principalmente reduciendo la concentración de patógenos, para lo cual su colocación en serie o con flujo pistón es más efectiva . Los factores que intervienen en el proceso son: Sedimentación, escasez de alimento, rayos ultravioletas, predadores, competencia y toxinas producidas por algunas especies en el medio, altas temperaturas y valores de pH. Los principales parámetros de diseño para una carga dada son el régimen hidráulico adoptado y el tiempo de retención. El régimen hidráulico tiene una gran eficiencia en la remoción de coliformes, en orden descendente la eficiencia es la siguiente: Flujo pistón Lagunas en serie Flujo disperso Mezcla completa Lagunas Aireadas Son empleadas generalmente como primera unidad de un sistema, en casos donde la disponibilidad de terreno es limitada o para el tratamiento de desechos domésticos con altas concentraciones y desechos industriales, son muy utilizadas en climas fríos. El efluente es de buena calidad si se coloca seguidamente una laguna de decantación. Tipos de lagunas Lagunas aireadas de mezcla completa. Lagunas aireadas facultativas. Laguna facultativa con agitación mecánica. Laguna de oxidación aireada. Los dos primeros tipos de lagunas, deben ser complementadas con lagunas facultativas diseñadas con la finalidad de tratar el efluente de la laguna primaria, asimilando una gran cantidad de sólidos en suspensión. Lagunas aireadas de mezcla completa En estas lagunas se mantiene la biomasa en suspensión, con un alta densidad de energía instalada( >15 W/m3). Son consideradas como un procesos incipiente de lodos activados sin eliminación y recirculación de lodos y la presencia de algas no es aparente. la profundidad en este tipo de lagunas varia entre 3 y 5 m y el período de retención entre 2 y 5 días. Se recomienda el uso de aireadores de baja velocidad de rotación. Lagunas Aireadas Rejas Laguna Aereación Laguna decantación TR. = 1.0 día Profundidad = 1.5 m Parámetros de Diseño TR M. Completa 2-7 d , Facultativa 3-10d Densidad de Potencia M. C. 5- 10 W/m3,Facul. 1-1.5 W/m3 Profundidad 3 < h < 5.0 m Ef. Remoción DBO M.C. = 70-85% Facul. = 75- 90% Aireador más utilizado = tipo Superficial Lagunas aireadas de mezcla completa y laguna de decantación Ventajas • Construcción, Operación y manutención simples en comparación con aireación extendida o lodos activados. • Menores requisitos de área que todos los sistemas de lagunas. • Mayor independencia climáticas. de las condiciones Desventajas • No es eficiente para remover patógenos • Necesidad de equipamiento • Requisitos de energía relativamente altos • Requisitos de área todavía elevados • Buena eficiencia para remoción de DBO. • Operación más complicada que en lagunas anaeróbicas y facultativas. • Satisfactoria resistencia a las variaciones de carga. • Necesidad de remover el lodo en forma continua o periódica. • Reducidas posibilidades de malos olores Parámetros de diseño Un tiempo de retención mayor de 1 día, para sedimentación de sólidos en suspensión. El volumen para acumulación de lodos debe calcularse separadamente. Los dispositivos de entrada y salida deben evitar al máximo el aparecimiento de zonas muertas. Para evitar el crecimiento de algas, se recomienda un tiempo de detención menor de 2 días. En lugares calientes debe tener la posibilidad de trabajar a nivel variable, de modo de mantener un tiempo de retención próximo a un día. Para el control de olores una altura entre 1 y 2 m de agua debe mantenerse sobre el lodo. La profundidad de la laguna normalmente entre 3 y 5 m. varia Se estima que entre el 40 y 60 % de los sólidos volátiles son degradados cada año Remoción de sólidos en lagunas aireadas La remoción de sólidos en suspensión de las lagunas aireadas debe hacerse con decantación , generalmente se utilizan lagunas de decantación. Lodos Activados En este proceso pueden distinguirse dos operaciones diferenciadas: Oxidación biológica y la separación sólido líquido. La primera tiene lugar en la cuba de aireación, donde se desarrolla un cultivo biológico formado por un gran número de microorganismos agrupados en flóculos (fangos activos), La segunda en un clarificador o decantador secundario , donde el licor mezcla se retiene para separar el agua depurada y los fangos floculados. Este proceso requiere para su desarrollo de un sistema de aireación y agitación, que suministre el oxígeno necesario para que las bacterias aeróbicas realicen la acción depuradora, evite la sedimentación de los flóculos en el reactor y permita la homogenización de los fangos activos. La población bacteriana se mantiene en un determinada concentración de sólidos( MLSS), para llegar a un equilibrio entre la carga orgánica a eliminar y la cantidad de microorganismos existentes en el reactor, el cual se alimenta con agua residual a depurar. Parámetros de diseño para Lodos Activados, en Japón Tipo de proceso MLSS(mg/l) QA/Q(-) T. Retención hrs Carga de DBO DBOkg/KgSS.d DBO Kg/m3.d Qr/Q(-) Convencional 0.2 - 0.4 0.3 – 0.8 1,500 – 2,000 3–7 6-8 0.2 – 0.4 Aireación extendida 0.03 – 0.05 0.15 – 0.25 3,000 – 6,000 15 16 – 24 0.50 – 1.5 Aireación con oxígeno 0.3 – 0.6 1.0 – 2.0 3,000 – 4,000 - 1–3 0.2 – 0.5 Canal de oxidación 0.03 – 0.05 0.1 – 0.20 3,000 – 4,000 - 24 – 48 0.5 – 1.5 Q = Caudal afluente, m3/d Qr = caudal de circulación, m3/d Qa = caudal de aire, m3/d Difusores de burbuja fina Parámetros de diseño Decantador Primario Velocidad ascensional a Qm < 2.5 m/h Tiempo de retención a Qm > 1hora Carga sobre el vertedero a Qm < 40m3/ml* hora Profundidad sobre el vertedero entre 2 y 3.5m Tiempo de retención de fangos < 5.0 horas Velocidad de rasquetas circular < 120 y rectangular < 60m/h Parámetros de diseño Decantador Secundario Parámetro Convencional Tiempo de retención Carga superficial Aereación extendida 6-12 hrs 20-30 m3/m2.d 8-12 m3/m2d Carga sobre el vertedero <150 m3/m.d 25-30 m3/m.d Profundidad (H) 3.0 – 4.0m 2.5 – 4.0 m Longitud o diámetro 6 – 12 veces H Ancho, m 1/5 – 1/3de L Zanjas de oxidación Son reactores donde la oxidación biológica se realiza en un canal cerrado, provisto de aireadores superficiales horizontales, que provocan la aireación y circulación de los fangos. Se diseñan para baja carga, aunque pueden trabajar a carga media. El sistema es flexible a las variaciones de carga y debido a su geometría es un proceso que presenta ventajas para la nitrificación- desnitrificación. Zanjas de oxidación Aireador Efluente TS Afluente Exceso Recirculación de lodos Cr(MLSS) = 8,000 mg/l Parámetros de Diseño MlSS(Ca) 2.500 < Ca < 5.000 mg/l Carga DBO/SS (LS) SS.día 0.03 < Ls < 0.07 Kg DBO/Kg Relación lodo de retorno 1.0 < R < 2.0 Tiempo de retención < 24 h Profundidad 1.0 < h < 3.0 m Ancho B < 6.0 m lodo Proceso de Nitrificación Es el proceso bacteriano en el cual el nitrógeno orgánico y amoniacal, se oxidan transformándose en nitrito y posteriormente en nitrato Nitrificación: NH3 NO-2 NH3 + O2 + Bacterias NO-3 NO3 + Bacterias + nuevas bacterias La aparición del proceso de nitrificación en el seno de los tratamientos biológicos aerobios, requiere de los siguientes factores: Edad de fango elevada, E = 12.0 X 1,12315-T E = edad del fango en días T = temperatura del licor mixto(°C) Aportación de oxígeno suplementaria, el oxigeno disuelto como mínimo debe ser 2.0 mg/l. pH y Alcalinidad, el pH óptimo se sitúa entre 7.2 y 8.5. La alcalinidad siempre debe ser mayor de 40gr/l (expresado en CO3Ca), preferiblemente mayor de 100.0gr/l. Reactor Discontinuo Secuencial (S.B.R.) Es un sistema de lodos activados cuyo funcionamiento se basa en ciclos de llenado y vaciado. En ambos sistemas intervienen la aireación y la sedimentación-clarificación la diferencia consiste en que en los SBR, los procesos tiene lugar secuencialmente en el mismo tanque. Etapas del proceso Llenado El objetivo es adición de sustrato Reacción. Aireación para completar las reacciones iniciadas en el proceso de llenado. Sedimentación. Separar los sólidos para obtener un sobrenadante clarificado Extracción. Extraer el agua clarificada Fase inactiva Realizar la purga de fangos y permitir que otro reactor termine la fase de llenado Volumen Máximo 25-100 Reactor Duración Llenado Objetivo Operación Adición ciclo 25 Aire substrato On/Off Reacción 100 35 Tiempo Aire Reacción On Discontinuo Aire 100 20 Secuencial (SBR) 100-35 15 sedimentación off Clarificación Evacuación Aire Efluente off Evacuación Efluente 35-25 5 Fase Inactiva Purga Fango Reactor SBR Aireación extendida Consiste en una variación del proceso de lodos activados, en la cual el tratamiento de aguas se realiza con una carga másica suficientemente baja para que pueda asegurarse simultáneamente la estabilización de los fangos. Diagrama de flujo Reactor de aireación Desbaste Desarenado Decantador secundario Desinfección Lechos de secado Espesador Aplicación aireación extendida Su principal campo de aplicación es en poblaciones con menos de 50.000 habitantes equivalentes, dado que necesita un mayor volumen de aireación que el proceso de lodos activados. Ventajas Desventajas Alto rendimiento en eliminación de materia orgánica. Los fangos salen estabilizados Tiene la posibilidad de simultanear la eliminación de nutrientes. Versatilidad, ya que los parámetros pueden ser controlados. No fomenta la aparición de insectos. Mayor sencillez de explotación que el proceso de lodos activados. Alta inversión inicial Gran cantidad de equipos necesidad de personal especializado Mayor área que el proceso de lodos activados Mayor consumo de energía que los tratamientos primarios y tecnologías blandas. Objetivos de la deshidratación Reducir los costos de transporte Facilitar su manipulación Es necesaria para aumentar su poder calorífico previo a su incineración Antes del compostaje para reducir la cantidad de material de enmienda o soporte Para evitar la generación de olores y que el lodo sea putrescible. Para reducir la producción de lixiviados previo a la evacuación a vertederos controlados. Lechos de Secado La deshidratación es una operación unitaria física (Mecánica) utilizada para reducir el contenido de humedad generalmente de los lodos digeridos. El lodo se deshidrata la mayor parte por drenaje a través de la arena, y por evaporación desde la superficie expuesta al aire. El lodo se puede extraer después de que se haya secado y drenado suficientemente para ser paleado, este lodo seco tiene una textura gruesa y agrietada y es de color negro o marrón oscuro. El contenido de humedad después de 15 días en condiciones favorables es del orden del 60 % . La extracción del fango se realiza cargando manualmente con palas carretillas de mano. El lodo seco se retira y se evacua a vertederos controlados o se utiliza como mejorador de suelos. Componentes del Lecho de Secados Solera de drenaje Sistema de drenaje Material filtrante Camada de soporte Corte Transversal, Lecho de secado Corte longitudinal, Lecho de secado Diagrama Esquemático de Centrífuga Decanter Filtrado Lodo Acondicionado Filtrado Disposición de Lodos Vertedero Vertido al mar Acondicionamiento Uso agrícola Incineración Compost Otros de suelo RECURSO HÍDRICO AGRO CIUDAD Aguas Residuales TRATAMIENTO ADECUADO CEPIS/OPS MODULO DE TRATAMIENTO Y USO 100 l/s (9 ha) 50,000 hab. vvvvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvv ACUICULTURA (9 ha) FORRAJES (24 ha) HORTALIZAS (17 ha) FORESTACIÓN (40 ha) CEPIS/OPS INCREMENTO DE LA PRODUCCIÓN (TACNA, PERÚ) tm/ha CULTIVO AGUAS NEGRAS AGUAS BLANCAS Alfalfa 12 10 Maíz 5 2 Trigo 3 2 Cebada 4 2 Avena forraje 22 12 Tomate 35 18 Ají 12 7 CEPIS/OPS, 1997 PRODUCCIÓN DE TILAPIA DEL NILO PROYECTO DE ACUICULTURA SAN JUAN, LIMA, PERÚ 4,400 kg/ha Sin alimentación suplementaria !!!! CEPIS/OPS, 1991 ENTORNOS ECOLÓGICOS PULMONES DE LA CIUDAD CADA HECTÁREA DE BOSQUE : PRODUCE 600 kg OXÍGENO/DÍA ABSORBE 1,000 kg C02/DÍA RETIENE 30 TM PARTÍCULAS/AÑO APORTA AIRE PURO PARA 230 PERSONAS CEPIS/OPS COMPLEJO BIOECOLÓGICO DE SAN JUAN, LIMA , PERÚ (600 ha) CEPIS/OPS FRANJAS FORESTALES DE PLANTAS DE LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN LAGUNAS DE PARANOÁ, BRASIL LAGUNAS DE IBAGUÉ, COLOMBIA CEPIS/OPS Reflexión final La globalización ha incrementado el acceso al conocimiento, pero también nuestra dependencia tecnológica. Estamos promoviendo tecnologías no apropiadas ni sostenibles. Estamos profundizando la brecha de la inequidad Tenemos una gran responsabilidad en este proceso de deterioro. Es necesario cambiar nuestra actitud, si realmente queremos un futuro mejor para nuestros países.