358039 – diseño de plantas de tratamiento de aguas

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente
Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
358039 – DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Autor:
Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, PhD
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
2012
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CONTENIDO
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO ...................................... 18
INTRODUCCIÓN GENERAL ................................................................................................ 19
UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS
GRUESOS .............................................................................................................................. 25
CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA ................................................................................. 25
Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales ............................ 25
Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes ............................... 31
Lección 3. Esquema de depuración ....................................................................... 34
Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección .................... 39
Lección 5. Cálculos hidráulicos ............................................................................... 42
CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO .................................................................................... 46
Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada ............................................ 46
Lección 7. Pozo de muy gruesos ............................................................................. 51
Lección 8. Desbaste................................................................................................... 54
Lección 9. Desarenador ............................................................................................ 60
Lección 10. Desarenador-Desengrasador ............................................................. 63
CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO........................................................................ 68
Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria ....................................... 68
Lección 12. Tamices .................................................................................................. 71
Lección 13. Decantador primario ............................................................................ 75
Lección 14. Decantación asistida químicamente ................................................ 79
Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios ........ 82
UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS .................................. 85
CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ................................. 85
Lección 16. Teoría de la aireación .......................................................................... 85
Lección 17. Equipos aireadores ............................................................................... 89
Lección 18. Teoría de la depuración biológica .................................................... 92
Lección 19. Control del proceso biológico ............................................................ 95
Lección 20. Modelos de reactores y características ............................................ 99
CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO ..................................... 102
Lección 21. Lodos activados .................................................................................. 103
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CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES
REGENERADAS .............................................................................................................. 131
Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado ....................... 131
Lección 27. Desinfección ........................................................................................ 134
Lección 28. Nitrificación y desnitrificación .......................................................... 136
Lección 29. Eliminación de fósforo ........................................................................ 139
Lección 30. Reuso de aguas residuales regeneradas........................................ 141
UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS ....................... 146
CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ........................ 146
Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales.. 146
Lección 32. Tanque de igualación ........................................................................ 148
Lección 33. Neutralización ..................................................................................... 151
Lección 34. Flotación por aire disuelto ................................................................. 154
Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos ................................... 157
CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN ................................................ 159
Lección 36. Principios de la geodepuración ....................................................... 161
Lección 37. Trampa de grasas ............................................................................... 163
Lección 38. Tanques de decantación-digestión ................................................. 167
Lección 39. Filtro anaerobio ................................................................................... 171
Lección 40. Campo de infiltración ........................................................................ 173
CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS ..................................................................... 176
Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) ......................................................... 177
Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) ........................................................ 180
Lección 43. Humedales artificiales ........................................................................ 183
Lección 44. Filtros verdes ........................................................................................ 187
Lección 45. Filtros intermitentes ............................................................................. 190
Trabajos citados ............................................................................................................... 193
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo. ......................... 22
Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia
orgánica ..................................................................................................... 27
Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). ..... 33
Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría ...................................... 33
Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas
residuales.................................................................................................... 36
Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de
entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). ...................................... 40
Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe
ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de
aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 41
Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales .................................................. 44
Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades.
..................................................................................................................... 45
Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. ........... 48
Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y
punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012) ....................................................................................... 49
Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). ...................................................................................... 50
Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). ...................................................................................... 52
Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). ...................................................................................... 57
Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012) ....................................................................................... 59
Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de
arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al
90% (Moreno López, 2009-2010) ............................................................. 60
Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material
de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales,
2012). ........................................................................................................... 61
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Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 65
Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de
Potabilización de Agua, 2012). .............................................................. 68
Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). ...................................................................................... 74
Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). ...................................................................................... 74
Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 77
Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales, 2012). ......................................................................... 81
Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en
tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase
para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).. 82
Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................ 84
Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua
limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). ................................... 87
Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos
de oxidación biológica (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 96
Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados
(Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012)
................................................................................................................... 106
Tabla 29. Criterios de diseño según tipo de operación y medio de contacto
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 113
Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina &
Pohland, 1992)......................................................................................... 116
Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores
anaerobios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................... 117
Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase
para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
................................................................................................................... 119
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Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales, 2012). ....................................................................... 122
Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 124
Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de
igualación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .......................................... 150
Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). .................................................................................... 157
Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA.
Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor. ........ 163
Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de
trampas de grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 164
Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). .................................................................................... 164
Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el
caudal de diseño (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 165
Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas
Residuales, 2012). .................................................................................... 173
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ÍNDICE DE FOTOS
Foto 1. Biofltro. Fuente: http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patprocont/BiofiltroBoletin.jpg .................... 37
Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas,
2001. .............................................................................................................. 38
Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. . 50
Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy
gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obr
allegada/17.jpg .......................................................................................... 52
Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material
extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. ....................................... 55
Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No
cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen
tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9
e770a877a3fbf5149553f1525633a7d ....................................................... 55
Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada
de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/ProductoReja-de-desbaste-37170.html ................................................................... 56
Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada
de:
http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/
........................................................................................................................ 61
Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de:
http://www.vlcciudad.com/las-depuradoras-generan-679toneladas-de-fangos/ ................................................................................ 64
Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la
zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo
de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de
aire (abajo). En la izqueira está la zona de desnatado. Al fondo de
la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador
y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg ................. 65
Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).j
pg................................................................................................................... 73
Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de:
http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20fu
ncionando.jpg ............................................................................................. 73
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Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta
de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y
el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat
am1/5.jpg ..................................................................................................... 76
Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se
aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada.
Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat
am1/10.jpg ................................................................................................... 76
Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen
tomada de: http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600
/DSC_0173.JPG ............................................................................................ 78
Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de:
http://ptecdaf.com/images/flocculator.png ....................................... 80
Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el
serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelnivalgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg ...................... 81
Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de:
http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/planta-de-lavadode-arenas-539813.jpg ................................................................................ 83
Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de:
http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png
........................................................................................................................ 84
Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen
tomada de:
http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration001.jpg........................................................................................................... 89
Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de:
http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f523673
3e0b.jpg........................................................................................................ 90
Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aeratorfor-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-inchina.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-SystemWastewater-Aerator-LY-1-.jpg .................................................................. 90
Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada
de:
http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_Brush
Aerators.jpg.................................................................................................. 92
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Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa
adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de:
http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg ............. 100
Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen
tomada de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg ..................... 101
Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima
genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 102
Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de:
http://www.mixing.com/site/images/019.jpg ..................................... 105
Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en
el filtro percolador. Imagen tomada de:
http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg ........................................ 112
Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores
(Balda R. , 2001). ....................................................................................... 112
Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la
parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje.
Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima
genesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador1.jpg_729600497.jpg ......... 113
Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen
tomada de:
http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG .............. 122
Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de:
http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg 127
Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación
de fangos digeridos. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg ............... 128
Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de
quemado. Image tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg ............... 128
Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de:
http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20R
un%20Per%C3%BA32.JPG ........................................................................ 129
Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t%
25C3%25ADtulo.png................................................................................. 130
Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes
tratados de las depuradoras agua residual, pero que no reciben
tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
específicos. Imagen tomada de:
http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4
d_52.jpg ...................................................................................................... 132
Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización
(exceso de nutrientes como nitrógeno y fósforo) que causa el
crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de:
http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg .... 133
Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas
tratadas de la depuradora. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat
am3/imagenes/4.jpg ............................................................................... 134
Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales
tratadas. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat
am3/imagenes/2.jpg ............................................................................... 135
Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg ............... 138
Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en
Yanacocha, Perú. Imagen tomada de:
http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg
...................................................................................................................... 143
Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de:
http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg ......... 143
Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada
de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima
genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 144
Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de:
http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG .. 145
Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para
retención de sólidos. Imagen tomada de:
http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampade-grasas1.jpg ........................................................................................... 147
Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante.
Imagen tomada de:
http://www.greenarrowenvironmental.com/wpcontent/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg .......................................... 148
Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de:
http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG ........... 149
Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de:
http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg ...................... 156
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Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema
individual de tratamiento de aguas residuales, en el sitio de origen.
Imagen tomada de:
http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecu
tados/C1L2%202009/Agua%20y%20Saneamiento/031%20Laramate/L
aramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg .............................. 159
Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como
un gran filtro bioquímico. Imagen tomada de:
http://3.bp.blogspot.com/_d9ZUVwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+deg
radado.jpg ................................................................................................. 161
Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de:
http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil__BagleyStabilizationPonds.jpg ................................................................ 180
Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de:
http://corporativoambitec.com/wpcontent/uploads/2012/03/laguna.gif ................................................... 181
Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de:
http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842
_orig.jpg ...................................................................................................... 186
Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales.
Imagen tomada de:
http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG186
Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de:
http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Vic
tor_IMDEA.jpg ............................................................................................ 187
Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc
/imagenes/5.jpg ....................................................................................... 189
Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc
/imagenes/3.jpg ....................................................................................... 192
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996). ..................... 28
Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008). ...... 29
Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del
material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A. .................................... 36
Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ........................................................................... 38
Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobaincanalizacao.com.br ....................................................................... 42
Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de:
http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_resi
duales/Pretratamiento.................................................................... 46
Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de:
http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i
mgs/1.entrada.gif ............................................................................ 51
Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esque
ma_muygruesos.png ....................................................................... 53
Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y
otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de:
http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i
mgs/2.desbaste.gif .......................................................................... 54
Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSE
SSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 ............................. 56
Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999) .......................................... 58
Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada
de:
http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Gr
ift-chamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor. . 64
Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda
Valencia, 2000). ............................................................................... 70
Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapt
ure1.jpg .............................................................................................. 72
Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de:
http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shop
s/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94C/9B1E/6626/tami
z-rotativo-esquema.jpg .................................................................. 74
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Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar
io/tratam1/decantacion.htm........................................................ 75
Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento
de Aguas Residuales, 2012). .......................................................... 85
Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido. . 86
Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de:
http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg ......................... 91
Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de:
http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg ...... 91
Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales, 2012). ................................................................ 93
Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA.
Universidad de Salamanca, 2005)................................................ 95
Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................................. 101
Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen
tomada de
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj
km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 103
Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj
km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 104
Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj
km08de18.pdf?sequence=8 ........................................................ 104
Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de
flujo a pistón (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 105
Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de:
http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamient
os/blandos/diseno6.gif ................................................................. 110
Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador
(Romero Rojas, 1999)..................................................................... 111
Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen
tomada de:
http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_
07_IMG/7020601i.gif....................................................................... 111
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Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona
de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de
sedimentación. Imagen tomada de:
http://www.uasb.org/discover/uasb-scheme.gif modificada
por el autor. .................................................................................... 117
Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de
digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de
sedimentación (Romero Rojas, 1999). ....................................... 118
Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ... 120
Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de:
http://www.pollutionsolutionsonline.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/
800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg .............................. 121
Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada
de:
http://www.foro3d.com/attachments/117991d12585356563ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantador-secundario-02.jpg
........................................................................................................... 125
Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa
de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de
Sevilla). ............................................................................................. 126
Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas
residuales. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar
io/tratam3/imagenes/1.jpg ......................................................... 137
Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de
cuatro reactores (dos anóxicos y dos aerobios) con
recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media
de 5 veces el caudal tratado. Imagen tomada de:
http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 140
Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que
se añade un reactor anaerobio (ausente de oxígeno y
nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de
nitrógeno y DBO también. Imagen tomada de:
http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 140
Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada
de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%2020
06%20grease%20trap.png y modificada por el autor. ........... 147
Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH
(Hoffland Environmental Inc.). ..................................................... 152
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Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH
con ácido o agente alcalinizante. Imagen tomada de:
http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jp
g ........................................................................................................ 153
Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho,
1996). ................................................................................................ 154
Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ......................................................................... 155
Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por
aire disuelto (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 156
Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas
residuales con 4 opciones de disposición de las aguas
residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo
de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de:
http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-domiciliario-diagrama.jpg ............................................. 160
Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada
de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf ............. 163
Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada
de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ..... 166
Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de
escurrimiento de la grasa extraída (a la derecha). Imagen
tomada de:
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ............ 166
Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio
de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999). .......... 168
Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4
opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1)
Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4)
Corriente Hídrica. Imagen tomada de:
http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-integrado-Diagrama.jpg ............................................... 170
Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo
ascendente. Imagen tomada de:
http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnol
ogias/tec_s/tec_s11.jpg ................................................................ 171
Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado.
Imagen tomada de:
http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes
/digestor.jpg ................................................................................... 172
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Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascedente, independiente. Imagen
tomada de:
http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg.......... 172
Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de
infiltración. Imagen tomada de:
http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif ........................ 174
Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo
de infiltración .................................................................................. 175
Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales
según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ......................................................................... 177
Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto
Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s
1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG............................. 177
Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación
“Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las
A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua
(CENTA)............................................................................................ 178
Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación
“Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las
A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua
(CENTA)............................................................................................ 179
Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y
nutrientes, en una laguna facultativa. Imagen tomada de: la
presentación “Tecnologías No Convencionales para la
Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas
Tecnologías del Agua (CENTA). .................................................. 179
Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor:
Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s16
00/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiacial+Vertical+%25
28HAFSV%2529.JPG ....................................................................... 184
Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales.
Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus,
Dinamarca)..................................................................................... 185
Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto
Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/16
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AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1
600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG ............................................... 188
Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen
tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s160
0/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG ....................................... 190
Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de:
http://3.bp.blogspot.com/skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s16
00/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro+de+turba.JPG 191
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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El contenido didáctico del curso académico DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES, el cual recopila no sólo la experiencia del autor sino gran parte del
material empleado durante muchos años de docencia, ha sido elaborado por WILLIAM
ANTONIO LOZANO-RIVAS, quien es Ingeniero Ambiental y Sanitario, PhD en Biotecnología,
MSc en Ingeniería del Agua, Experto en Tecnología del Agua, con Especialización en
Creación de Modelos Ecológicos y estudios en Ciencias Hidrológicas. Fue ganador del
“Development Co-operation Prize”, otorgado por el Ministerio de Desarrollo Europeo, por
su trabajo investigativo e innovación tecnológica en tratamiento de aguas. Ha trabajado
en diversos proyectos hídricos y de saneamiento ambiental para la Empresa de Acueducto
y Alcantarillado de Bogotá, la Secretaría Distrital de Ambiente, el Instituto Colombiano de
Normas Técnicas y Certificación -ICONTEC- y la Pontificia Universidad Javeriana, entre
otros. En el año 2011 fue el coordinador del primer proyecto en Colombia para la
evaluación de alternativas para la recuperación de ríos urbanos. Como consultor
independiente, cuenta con una importante experiencia en el diseño, control y tratamiento
de aguas residuales industriales y de agua potable. Tiene una notable trayectoria como
docente de pregrado y postgrado de diversas universidades públicas y privadas en
Colombia y como profesor visitante de postgrado en la Escuela Universitaria Politécnica de
la Universidad de Sevilla, España. Es autor de varios libros y artículos científicos en
prestigiosas revistas nacionales e internacionales y autor y coautor de múltiples capítulos
de libro en temas de gestión urbana, tecnología ambiental, tratamiento de agua y manejo
de recursos naturales.
Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera:
Lozano-Rivas, W.A. (2012). Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales.
Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
INTRODUCCIÓN GENERAL
En la actualidad, más de 2600 millones de personas no tienen acceso a saneamiento
básico en el mundo y 1200 millones carecen de abastecimiento de agua potable
(Madrazgo, 2009). La carencia de una formación académica en las universidades de
Latinoamérica que enfatice en la enseñanza de soluciones económicas, efectivas y con
posibilidad de autoconstrucción, se constituye en un obstáculo para remediar estas graves
deficiencias; las tecnologías convencionales enseñadas por los docentes resultan, en más
de la mitad de los casos, inapropiadas y, además, inalcanzables, dadas las limitaciones
financieras, técnicas y administrativas de los países pobres donde el déficit de estos
servicios básicos es crítico y las necesidades en saneamiento crecen a un ritmo mucho
mayor que sus recursos económicos (Lozano-Rivas, Gutiérrez de Piñeres, Hernández,
Romero, & Sánchez, 2009).
Lo anterior es, sin duda, una de las razones que impide avances visibles en materia de
cobertura de servicios de agua y saneamiento, porque es de todos conocido que la mayor
parte de estas carencias se concentran, especialmente, en comunidades con un bajo nivel
de ingreso, las cuales son también las que muestran un crecimiento poblacional más
elevado. Es sabido además que las mayores inversiones se realizan en las grandes
ciudades, lo que deja a la deriva los pequeños conglomerados y las zonas rurales,
incentivando la migración hacia los núcleos urbanos en busca de una mejor calidad de
vida. El acelerado crecimiento de estas urbes, aunado a la llegada permanente de familias
campesinas y de bajos recursos (muchas de ellas padeciendo el desplazamiento forzado)
que intentan ubicarse en los barrios marginales y suburbanos, dificulta también una
gestión efectiva en materia de saneamiento (Lozano-Rivas, 2009).
Los fenómenos de conurbación, aunados al crecimiento de la industria, así como al
advenimiento de nuevas tecnologías, sustancias químicas y productos, han incrementado
ostensiblemente el aporte y el nivel contaminante de los vertidos líquidos, la mayoría sin
ningún tipo de tratamiento, a los ecosistemas acuáticos. Esta realidad se recrudece al
conocer que las cifras del que fuera, hace casi un lustro, Viceministro de Agua y
Saneamiento Básico, señalaban que únicamente el 9% de las aguas residuales que se
generan en el país, son tratadas y que, adicionalmente, se tiene un déficit de cerca de 900
depuradoras según Jairo Romero Rojas, profesor de la Escuela Colombiana de Ingenieros
(Diario El Espectador, 2008).
Así, el país necesita de profesionales que tengan los conocimientos básicos y los criterios
esenciales, no sólo para seleccionar y diseñar las mejores opciones de tratamiento para
aquellas industrias y poblaciones que todavía lanzan sus desechos líquidos a los cauces
naturales que, casi siempre, son utilizados aguas abajo, como fuente de abastecimiento,
con grave amenaza para la salud pública, sino también para optimizar y garantizar una
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lozano-Rivas,
2012).
Por esta razón, este curso académico que estás iniciando ahora, tiene como objetivo
principal, darte a conocer de forma sucinta, práctica y didáctica, los criterios
fundamentales que te permitan el dimensionamiento de las unidades más
frecuentemente usadas para la depuración de las aguas residuales en el ámbito urbano,
rural e industrial. Es preciso reconocer que la ciencia de la depuración de las aguas
servidas es un tema de mucha profundidad que abarca extensos conceptos de bioquímica,
microbiología, cinética, matemática e hidráulica, además de los aspectos ambientales y
sociales, por lo que de ninguna manera es posible abarcarla en un curso universitario. De
la misma manera, como lo repetiré en varios ocasiones durante las lecciones, dimensionar
tanques no presenta mayor dificultad pero, seleccionar los criterios de diseño y las
alternativas para cada uno de los procesos y operaciones unitarias involucradas en el
tratamiento del agua residual, sólo debe hacerse fundamentado en repetidos análisis y
ensayos de laboratorio que permiten dilucidar la dinámica de las reacciones bioquímicas y
fenómenos físicos y mecánicos que aseguran las eficiencias requeridas en cada caso y para
cada tipo de agua en particular.
El presente módulo se estructura en 3 unidades, 9 capítulos y 45 lecciones que pretenden
brindar las herramientas que permitan afianzar conceptos formadores de criterio en la
identificación de las necesidades de tratamiento, la selección de las mejores unidades, la
propuesta de soluciones individuales y el diseño de la unidades involucradas en cada
etapa de tratamiento para cada tipo de agua, así como para la optimización de sistemas
de depuración existentes.
En la Unidad 1 “Fundamentos y diseño de pretratamientos y tratamientos gruesos”, se
encuentran temas relacionados con el origen y características de las aguas residuales, las
consideraciones preliminares y los datos de partida necesarios para el diseño de
depuradoras, con un repaso de los cálculos hidráulicos requeridos. De igual forma, se
expone el diseño y funcionamiento de las unidades de pretratamiento y tratamiento
primario en los esquemas convencionales de depuración. La Unidad 2 “Fundamentos y
diseño de tratamientos finos”, hace énfasis en los conceptos esenciales del tratamiento
biológico de las aguas residuales y en el diseño de las unidades de tratamiento secundario
y terciario. De manera breve se tocarán temas de reúso de los efluentes de las
depuradoras, llamados aguas residuales regeneradas. Por último, la Unidad 3 “Vertidos
industriales y tratamientos alternativos” está dedicada a exponer el funcionamiento y los
criterios para el diseño de unidades de depuración de residuos industriales líquidos,
tratamientos en el sitio de origen, fundamentados en la geodepuración (muy empleada en
las zonas rurales y pequeños conglomerados), así como también para las tecnologías
blandas (o naturales), las cuales son usadas en casi el 50% de los sistemas de tratamiento
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
de aguas residuales de Latinoamérica por su bajo costo y escasas demandas en operación
y mantenimiento.
Debe tenerse en cuenta que las fórmulas y coeficientes recomendados por un libro
técnico o incluidos en las Normas o Reglamentos de diseño, no eximen al proyectista de
aplicar su propio criterio si está debidamente sustentado en sus investigaciones, en su
propia experiencia o en nuevos avances científicos.
¡Éxitos!
El Autor.
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo.
UNIDAD 1
Nombre de la
Unidad
CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS
GRUESOS
DATOS DE PARTIDA
Lección 1
Origen y características de las aguas residuales
Lección 2
Carga contaminante y habitantes equivalentes
Lección 3
Esquema de depuración
Lección 4
Consideraciones preliminares y criterios de selección
Lección 5
Cálculos hidráulicos
CAPÍTULO 2
PRETRATAMIENTO
Lección 6
Caudales de diseño y canal de entrada
Lección 7
Pozo de muy gruesos
Lección 8
Desbaste
Lección 9
Desarenador
Lección 10
Desarenador-Desengrasador
CAPÍTULO 3
TRATAMIENTO PRIMARIO
Lección 11
Fundamentos de la decantación primaria
Lección 12
Tamices
Lección 13
Decantador primario
Lección 14
Decantación asistida químicamente
Lección 15
Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios
UNIDAD 2
Nombre de la
Unidad
CAPÍTULO 4
FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS
FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Lección 16
Teoría de la aireación
Lección 17
Equipos aireadores
Lección 18
Teoría de la depuración biológica
Lección 19
Control del proceso biológico
Lección 20
Modelos de reactores y características
CAPÍTULO 5
TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO
Lección 21
Lodos activados
Lección 22
Filtro percolador
Lección 23
Sistemas anaerobios
Lección 24
Decantador secundario
Lección 25
Manejo de lodos secundarios
CAPÍTULO 6
TRATAMIENTO
REGENERADAS
Lección 26
Justificación del tratamiento terciario
Lección 27
Desinfección
Lección 28
Nitrificación y desnitrificación
Lección 29
Eliminación de fósforo
Lección 30
Reúso de aguas residuales regeneradas
TERCIARIO
Y
REUSO
DE
AGUAS
RESIDUALES
UNIDAD 3
Nombre de la
Unidad
VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS
CAPÍTULO 7
DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Lección 31
Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales
Lección 32
Tanque de igualación
Lección 33
Neutralización
Lección 34
Flotación por aire disuelto
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Lección 35
Eliminación de contaminantes inorgánicos
CAPÍTULO 8
TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN
Lección 36
Principios de la geodepuración
Lección 37
Trampa de grasas
Lección 38
Tanques de decantación-digestión
Lección 39
Filtro anaerobio
Lección 40
Campo de infiltración
CAPÍTULO 9
TECNOLOGÍAS BLANDAS
Lección 41
Sistemas de Lagunaje (parte I)
Lección 42
Sistemas de Lagunaje (parte II)
Lección 43
Humedales artificiales
Lección 44
Filtros verdes
Lección 45
Filtros intermitentes
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UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS
GRUESOS
CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA
La formulación de un “Plan de Depuración”, podría resumirse en los siguientes puntos:
1. Caracterización
 Origen y naturaleza de las aguas residuales
 Estado de las redes de alcantarillado
 Localización y características de los puntos de vertido
 Dinámica de contaminación de los cauces fluviales receptores de los
vertidos
2. Diagnóstico ambiental
 Evaluación de Impacto Ambiental
3. Establecimiento de objetivos de calidad
 Planteamiento de metas alcanzables y necesarias
4. Propuesta y estudio de las soluciones técnicas
 Comparación técnica y económica (incluye planes de financiación y costos
de mantenimiento y operación)
5. Selección de la mejor combinación de procesos y conveniencia tecnológica
6. Aspectos institucionales y operativos (sostenibilidad técnica y financiera)
En este esquema básico de trabajo, se hace necesario conocer con certeza el agua residual
que será depurada, la concentración de la materia orgánica que debe ser eliminada, su
caudal, su carga contaminante y su equivalencia en el número de habitantes, entre otros.
Estos datos de partida permiten efectuar una selección acertada de las unidades y de los
criterios de diseño que deben emplearse para alcanzar las eficiencias requeridas por la
normativa vigente.
En este capítulo se presentarán los datos de partida más relevantes para establecer,
estructurar, definir y trazar el planteamiento del “Plan de Depuración”, que son aplicables
a las descargas líquidas de poblaciones, urbes e industrias.
Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales
Actualmente, la humanidad -en todos los niveles- viene mostrando creciente
preocupación por la conservación del entorno. Algunos mercados europeos han
bloqueado su dinámica transaccional a muchas industrias contaminadoras, obligándolas a
adoptar estrategias o políticas de producción más limpia (PML), buenas prácticas de
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manufactura (BPM) y mejores tecnologías disponibles (BTA, por sus siglas en inglés), entre
otras medidas enmarcadas en Planes de Mejoramiento Continuo y de Responsabilidad
Socioambiental Empresarial.
1.1. Contaminación hídrica
Desafortunadamente, las aguas residuales (al igual que los residuos sólidos) son un
producto inevitable de la actividad humana. En la antigüedad, diferentes civilizaciones
(desarrolladas por obvias razones en las riberas de ríos y lagos) hicieron uso de la
capacidad de asimilación o autodepuración del agua, pero con descargas tan pequeñas
que sus vertidos no presentaban mayor problema. No obstante, la densificación actual de
las ciudades y el crecimiento poblacional e industrial, entre otros aspectos, ha ocasionado
que esta capacidad limitada de autopurificación de los cuerpos hídricos haya sido
excedida. Por esta razón, se hace necesario “asistir” a la naturaleza mediante la
instalación de depuradoras y unidades de tratamiento de las aguas servidas.
Todos los cuerpos de agua poseen una capacidad natural y LIMITADA de dilución y
“autopurificación” de los elementos que incorpora, conocida como Capacidad de
Asimilación o Capacidad de Carga (Lozano-Rivas, 2012).
Se considera como contaminación hídrica, la presencia de formas de energía, elementos,
compuestos (orgánicos o inorgánicos) que disueltos, dispersos o suspendidos alcanzan
una concentración tal, que limita cualquiera de los otros usos del agua (consumo humano,
uso agrícola, pecuario, industrial, recreativo, estético, conservación de flora y fauna, etc.).
Esta definición deja en evidencia que el uso del agua depende, de manera ineludible, a sus
características físicas, químicas, microbiológicas y organolépticas que definen su calidad
en función del uso establecido por una normativa.
Las aguas residuales son aquellas aguas de desecho que contienen una gran cantidad
de sustancias contaminantes y que han sido empleadas en alguna actividad humana
sea doméstica, industrial, pecuaria, agrícola o recreativa.
1.2. Origen de las aguas residuales
Las aguas residuales, entonces, tienen diversos orígenes (e.g. doméstico, industrial,
pecuario, agrícola, recreativo) que determinan sus disímiles características. Las aguas
residuales pueden clasificarse de la siguiente manera:

Agua Residual Doméstica (ARD): residuos líquidos de viviendas, zonas
residenciales, establecimientos comerciales o institucionales. Estas, además, se
pueden subdividir en:
26
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

o Aguas Negras: aguas que transportan heces y orina, provenientes del
inodoro.
o Aguas Grises: aguas jabonosas que pueden contener grasas también,
provenientes de la ducha, tina, lavamanos, lavaplatos, lavadero y lavadora.
Agua Residual Municipal o Urbana (ARU): residuos líquidos de un conglomerado
urbano; incluye actividades domésticas e industriales y son transportadas por una
red de alcantarillado.
Agua Residual Industrial (ARI): residuos líquidos provenientes de procesos
productivos industriales, que incluso pueden tener origen agrícola o pecuario.
1.3. Características fisicoquímicas de las aguas residuales
Una cuidadosa y completa caracterización de las aguas residuales que pretenden ser
tratadas, es fundamental para asegurar el éxito de la depuradora. El fracaso de la mayor
parte de las depuradoras (al menos las conocidas por este autor) incluyendo la PTAR de
una de las ciudades más importantes del país, obedece a una mala caracterización de las
aguas, ya que impide seleccionar correctamente los tratamientos y aplicar criterios
adecuados para el diseño.
Materia orgánica: es la fracción más relevante de los elementos contaminantes en las
aguas residuales domésticas y municipales debido a que es la causante del agotamiento
de oxígeno de los cuerpos de agua. Está formada principalmente por CHONS (Carbono,
Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre) constituyendo las proteínas (restos de origen
animal y vegetal), los carbohidratos (restos de origen vegetal), los aceites y grasas
(residuos de cocina e industria) y los surfactantes (detergentes).
Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica
Tipo de descomposición
Tipo de materia orgánica
Aeróbica
Anaeróbica
Nitratos (NO3=), anhídrido
Mercaptanos, indoles, escatol,
Nitrogenada
carbónico (CO2), agua (H2O),
ácido sulfhídrico (H2S),
sulfatos (SO4=)
cadaverina y putrescina.
Anhídrido carbónico (CO2), gas
Anhídrido carbónico (CO2), agua
Carbonácea
metano (CH4), gas hidrógeno
(H2O)
(H2), ácidos, alcoholes y otros.
Oxígeno disuelto: Es un parámetro fundamental en los ecosistemas acuáticos y su valor
debería estar por encima de los 4 mg/L para asegurar la sobrevivencia de la mayor parte
de los organismos superiores. Se usa como indicador de la contaminación o, por decirlo
así, de la salud de los cuerpos hídricos. Para el correcto funcionamiento de los
tratamientos aerobios de las aguas residuales, es necesario asegurar una concentración
mínima de 1 mg/L.
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Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): es una medida indirecta de la cantidad de
materia orgánica contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de
oxígeno que hacen los microorganismos para degradar los compuestos biodegradables. Se
evalúa analíticamente incubando una muestra con microorganismos por 5 días a 20 °C,
tiempo después del cual se lee la concentración final de oxígeno y se compara con la
inicial; esta prueba es conocida como DBO5 o DBO estándar1. También se hacen,
eventualmente, pruebas a 7 días (DBO 7) y a 20 días (DBO última - DBOu o total – DBOt).
Para las aguas residuales domésticas, se estima que:
DBO5  0,75 DBOu
Una curva característica de la DBO evidencia que a los 5 días se ha degradado cerca del
70% de la materia orgánica y que a partir del día 10 ésta curva se hace asintótica, como se
muestra en la Ilustración 1.
Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996).
Demanda Química de Oxígeno (DQO): es también una medida indirecta de la cantidad de
materia orgánica contenida en una muestra. A diferencia de la DBO, esta prueba emplea
un oxidante fuerte (dicromato de potasio – K2Cr2O7) en un medio ácido (ácido sulfúrico –
H2SO4) en vez de microorganismos. Para el control de una depuradora, este método se
prefiere sobre el de la DBO, debido a que el resultado de la DQO se obtiene en unas 3
horas y con un error mucho menor que la DBO obtenida a los 5 días.
Un error aceptable en la prueba de la DBO se estima que puede oscilar cerca de un 25%
y podría alcanzar hasta un 35%. Esta considerable discrepancia pone en tela de juicio la
conveniencia de su uso en el control de vertimientos y su empleo como argumento para
ejecutar procesos sancionatorios.
1
28
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La relación entre la DQO y la DBO es usada para estimar la biodegradabilidad de un
vertido así:
DQO/DBO ≥ 5 (No biodegradable)
DQO/DBO ≤ 1,7 (Muy biodegradable)
Para un ARD, esta relación oscila entre 2,0 y 2,5.
Tanto la DQO como la DBO se emplean para determinar la calidad del agua o la carga
contaminante de un vertido, para diseñar las unidades de tratamiento biológico y para
evaluar y/o controlar la eficiencia de los tratamientos.
Para mayor claridad en los conceptos de DBO y DQO, se recomienda consultar el documento “Medida de la
Contaminación Orgánica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento
Sólidos: La materia orgánica se presenta, a menudo, en forma de sólidos. Estos sólidos
pueden ser suspendidos (SS), disueltos (SD), los que también pueden ser volátiles (SV), los
cuales se presumen orgánicos, o fijos (SF) que suelen ser inorgánicos. Parte de los sólidos
suspendidos pueden ser también sedimentables (SSed). Esta clasificación se muestra en la
Ilustración 2. Todos ellos se determinan gravimétricamente (por peso).
Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008).
Potencial de hidrógeno (pH): tiene importancia en el control de los procesos biológicos
del tratamiento de las aguas residuales (TAR). La mayoría de los microorganismos
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responsables de la depuración de las aguas residuales se desarrollan en un rango de pH
óptimo entre 6,5 y 8,5 unidades.
Nitrógeno: es el componente principal de las proteínas y es un nutriente esencial para las
algas y bacterias que intervienen en la depuración del agua residual. Puede presentarse en
forma de nitrógeno orgánico (presente en las proteínas), nitrógeno amoniacal2 (producto
de la descomposición del nitrógeno orgánico)3 y formas oxidadas como nitritos y nitratos.
Valores excesivamente altos de nitrógeno amoniacal (>1500 mg/L) se consideran
inhibitorios para los microorganismos responsables del TAR.
Fósforo: es, junto con el nitrógeno, un nutriente esencial para el crecimiento de los
microorganismos. No obstante, valores elevados pueden causar problemas de
hipereutrofización en los cuerpos de agua lóticos (e.g. lagos, embalses, lagunas).
Las características típicas de las aguas residuales urbanas y otras industriales, pueden ser consultadas en
este documento: Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura
1.4. Características microbiológicas de las aguas residuales
Un vertido de aguas residuales aporta una gran cantidad de materia orgánica que sirve de
alimento para hongos y bacterias encargados de la mayor parte de su descomposición.
Finalmente, los protozoos ciliados se alimentan de las bacterias, puliendo u optimizando el
tratamiento del agua.
Bacterias: son los principales responsables de la degradación y estabilización de la materia
orgánica contenida en las aguas residuales. Su crecimiento óptimo ocurre a pH entre 6,5, y
7,5. Algunas de las bacterias son patógenas, como la Escherichia coli, indicador de
contaminación de origen fecal.
Hongos: predominan en las aguas residuales de tipo industrial debido que resisten muy
bien valores de pH bajos y la escasez de nutrientes.
Protozoos: en especial los ciliados, se alimentan de bacterias y materia orgánica,
mejorando la calidad microbiológica de los efluentes de las PTAR.
Actinomicetos: son bacterias filamentosas conocidas por causar problemas en reactores
de lodos activados, generando la aparición de espumas (foaming) y pérdida de
sedimentabilidad del lodo, hinchamiento o bulking filamentoso, incrementando los sólidos
Amoniaco (NH3) y amonio (NH4+).
La suma del nitrógeno orgánico y el amoniacal es conocido como Nitrógeno Total
Kjeldahl, por la prueba analítica con la que se determinan estas formas.
2
3
30
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del efluente y la disminución de la eficiencia del TAR. Uno de los actinomicetos más
recurrente en los reactores es la Nocardia.
Una revisión más profunda de la microbiología de las aguas residuales, puede ser consultada en el
documento “Revisión mínima de la microbiología fundamental de las aguas residuales” de Lozano-Rivas
(2012): Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura
Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes
No es posible establecer con precisión unos valores “estándar” para las aguas residuales
independientemente de su origen, sea doméstico, urbano o industrial. Los hábitos
alimenticios, la calidad de vida o la pobreza, hacen variar las características fisicoquímicas
y microbiológicas de los efluentes domésticos. En las ciudades, los vertidos de las
actividades económicas e industriales hacen variar los parámetros; incluso, dos industrias
de igual naturaleza que manejen un proceso productivo similar, pueden generar aguas
servidas de características disímiles.
2.1. Carga contaminante
Aunque la concentración de un parámetro específico nos dice mucho de las características
contaminantes de un vertido, en el diseño de las unidades de tratamiento de las aguas
residuales y aún en los procesos de control de la contaminación hídrica (aunque todavía
no se use como criterio sancionatorio) es mucho más significativo el concepto de CARGA
CONTAMINANTE, la cual involucra también la valoración del caudal vertido.
Por ejemplo, la empresa “Anita” puede tener un vertido con una concentración de DQO
aparentemente baja (e.g. 20 mg/L) pero descarga un caudal excesivamente alto (e.g. 400
L/s) en el río. De otro lado, la industria “Berta” puede descargar un caudal muy pequeño
(e.g. 0,1 L/s) pero con unos niveles de concentración de DQO, significativamente altos
(e.g. 80000 mg/L) al río. ¿Cuál empresa sería la más contaminante?
Si juzgamos estos vertidos según la concentración de DQO, podríamos sostener que la
empresa “Berta”, con 80000 mg/L de DQO es mucho más contaminante que “Anita” que
vierte sólo 20 mg/L. Nada más falso. La contaminación de un vertido o la cantidad de
materia orgánica aportada por un vertido, no sólo es función de su concentración medida
en DQO (u otro parámetro análogo) sino también de su caudal, debido a que la inclusión
de esta última variable, permite valorar dicho aporte en el tiempo.
La CARGA CONTAMINANTE, entonces, es la concentración (del parámetro medido en la
descarga) por el caudal vertido. Se expresa frecuentemente en kg/d y debe entenderse
como una masa de contaminantes aportada en una unidad de tiempo.
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Carga Contaminante = Concentración * Caudal * 0,0864
Donde,
Carga contaminante (en kg/d)
Concentración (en mg/L)
Caudal (en L/s)
El valor 0,0864 es un factor de conversión para pasar de mg/s a kg/d, que se explica a
continuación:
Si retomamos el ejemplo de las industrias “Anita” y “Berta”, tenemos que:
Nombre de la
industria
Anita
Berta
Concentración de
DQO (mg/L)
20
80000
Caudal
vertido (L/s)
400
0,1
Carga contaminante (kg/d)
20*400*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO)
80000*0,1*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO)
Como se puede apreciar, ambas industrias están aportando la misma cantidad de
contaminación al río.
Los parámetros más usados para estimar la carga contaminante a nivel mundial son:
DBO5, DQO, SST (Sólidos Suspendidos Totales), N (Nitrógeno) y P (Fósforo). No obstante,
de ser conveniente para un estudio específico, pueden emplearse otros parámetros
distintos. En Colombia, los parámetros más usados son DBO 5 y SST.
2.2. Habitantes equivalentes
De la misma forma, considerando que no existen dos industrias iguales y con el fin de
ponderar la carga contaminante de un vertido industrial tomando como referente del
aporte del mismo contaminante a nivel doméstico, se ha adoptado el concepto de
HABITANTES-EQUIVALENTES4 (h-eq).
Una vez se tenga estimada la carga contaminante del vertido industrial, el número de
habitantes equivalentes se determina dividiendo la carga, por el aporte que hace un
habitante, es decir, una persona, por día, para el mismo parámetro.
4
Conocido también como población equivalente (pob-eq).
32
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Habitantes equivalentes (h-eq) = Carga contaminante/Carga por persona
Aunque en Colombia no se tiene oficializada una cifra del aporte diario de una persona
para ninguno de los parámetros, algunos de estos valores, fundamentados en la
normativa europea, se exponen en la Tabla 3.
Parámetro
DBO5
DQO
SST
N
P
Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio).
Aporte de 1 habitante equivalente (h-eq)
60 g/d
135 g/d
90 g/d
10 g/d
4 g/d
Valores fundamentados en la Directiva 91/271/CEE (21 de mayo de 1991) de la Comunidad Europea y ajustados por el
autor con base en estimaciones propias para Colombia y España.
Por ejemplo, la industria “Berta” (ver numeral 2.1.) que aporta una carga contaminante de
691,2 kg/d de DQO, tiene un número de habitantes equivalentes, considerando un aporte
por habitante de 0,135 kg/d (135 g/d), de:
También suele emplearse algunas equivalencias con los desechos líquidos generados de la
cría de algunos animales de granja y de lugares o edificaciones que prestan servicios
especiales, tal como se muestra en las Tablas 4 y 5.
Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría
Animal
Habitantes equivalentes (h-eq)
4 h-eq
3 h-eq
3 h-eq
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2,5 h-eq
Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com
Lugar
Habitantes equivalentes (h-eq)
1 paciente de hospital = 4 h-eq
1 huésped de hotel = 2 h-eq
1 niño de guardería = 0,5 h-eq
1 campista = 0,7 h-eq
Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com
Pregunta de análisis: ¿por qué la gallina siendo un animal tan pequeño tiene una carga
contaminante equivalente a la generada por 2,5 personas?
Lección 3. Esquema de depuración
La depuración de las aguas residuales, a cualquier escala, tiene como objetivos principales
la protección de la salud pública y la conservación de la calidad hidrobiológica de los
ecosistemas acuáticos.
El diseño de una depuradora dependerá, inicialmente, del origen (tipo) de agua a tratar,
de las características fisicoquímicas del efluente y del cumplimiento de la legislación
vigente.
34
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3.1. ¿Qué es una depuradora?
Una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) o Estación Depuradora de Aguas
Residuales (EDAR), es el conjunto de procesos y operaciones unitarias encaminadas a la
depuración de las aguas residuales antes de su vertido al cuerpo receptor, mitigando el
daño al medio acuático (Lozano-Rivas, Antecedentes y Definiciones Básicas Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en
PDF), 2012).
De esta manera, la depuración de las aguas residuales busca eliminar o disminuir la
concentración de sustancias o elementos contaminantes que afectan la calidad del agua o
fuente receptora para un uso específico.
3.2. Operaciones y procesos unitarios de una depuradora
Debemos recordar que la diferencia entre operaciones unitarias y procesos unitarios
radica en que las primeras (operaciones unitarias) hacen referencia a unidades y
procedimientos en donde prevalecen mecanismos de tipo físico en las que no se
presentan cambios a nivel químico (e.g. una rejilla de retención de sólidos, un
desarenador) mientras que los procesos unitarios involucran reacciones químicas o
bioquímicas y cambios a nivel molecular (e.g. una unidad de coagulación y floculación, un
reactor biológico, una torre de adsorción, una cámara de desinfección).
De esta manera, los contaminantes de las aguas residuales pueden ser eliminados o
reducidos mediante la aplicación de uno o más fenómenos de tipo:



Físico (operaciones unitarias de separación física)
Químico (procesos unitarios de transformación química)
Biológico (procesos unitarios de transformación bioquímica)
En los procesos unitarios de transformación bioquímica o reactores biológicos, la
degradación, reducción o eliminación de contaminantes se consigue por la intervención
de microorganismos que aprovechan la materia orgánica soluble e insoluble para
alimentarse, generar nuevos compuestos, gases y energía, así como también para
multiplicarse, generando nuevas células (síntesis celular). Estos procesos biológicos
pueden dividirse en dos grandes grupos:


Procesos Aerobios
o En presencia del oxígeno libre generado por algas o alimentado por
dispositivos mecánicos.
Procesos Anaerobios
35
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o en ausencia de oxígeno libre
Estos procesos y operaciones unitarias intervienen en diferentes etapas de la depuración
de las aguas residuales. El esquema de depuración se representa en la Ilustración 3:
Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A.
Esta clasificación, mundialmente aceptada, corresponde al grado de depuración obtenida,
como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales
Etapa
Unidades más
representativas
Objetivo
Pretratamiento
Remover sólidos
gruesos para evitar
atascos, abrasión y
daños a tuberías,
bombas, equipos y a
otros elementos de la
depuradora.
Tratamiento Primario
Remover la mayor
parte de la materia
orgánica suspendida
decantable.
Tipo de
fenómenos
principales
involucrados
Niveles de eficiencia





Pozo de gruesos
Rejillas
Desarenador
Desengrasador
Tanque de
Igualación u
homogenización
(efluentes
industriales,
especialmente)
 Tanque de
neutralización
(efluentes
industriales,
especialmente)
 Decantadores
primarios (por
gravedad o asistidos
Físicos.
Químicos
(neutralización).
Físicos.
Químicos
(decantación
No se considera que
se logren remociones
significativas en DBO
y SST.
DBO: hasta 50%
(hasta 80% con
decantación asistida)
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Tratamiento
Secundario
Remover materia
orgánica soluble y
suspendida.
Eliminar patógenos y
otros elementos
contaminantes.
químicamente)
 DAF (unidades de
flotación por aire
disuelto. Usadas
para efluentes
industriales,
especialmente)
 Tamices (efluentes
industriales,
especialmente)
 Reactores biológicos
aerobios (e.g. lodos
activados, filtros
percoladores,
biodiscos,
humedales, lagunas)
 Reactores biológicos
anaerobios (e.g.
UASB, RAP, EGSB)
asistida).
Biológicos.
SST: hasta 70% (hasta
85% con decantación
asistida)
DBO: hasta un 92%
SST: hasta un 90 %
Pulimento en la
reducción de la
 Coagulaciónmateria orgánica.
floculación
Eliminación de
Eficiencias variables
 Adsorción
Químicos.
contaminantes
de remoción,
Tratamiento Terciario
 Intercambio iónico
específicos (e.g.
dependiendo del tipo
Biológicos.
 Filtración
nitratos, patógenos,
de contaminante
 Lagunas
metales, pesticidas,
 Desinfección
disruptores
endocrinos).
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)
Adicional a la línea de aguas, en donde se emplean estas etapas para depurar los
efluentes, se tienen la línea de manejo de gases y la de manejo de lodos.
3.3. Manejo de gases
Algunas unidades de tratamiento pueden liberar olores molestos
(especialmente las anaerobias), los cuales pueden ser tratados en
biofiltros. Estas unidades constan de un lecho de soporte
(compuesto frecuentemente de compost maduro o turba) sobre
el cual se adhieren microorganismos que, mediante procesos
oxidativos, degradan las sustancias que producen los malos
olores. La aspersión permanente de agua sobre el lecho, facilita la
fijación y degradación de los compuestos oloroso; las unidades
que usan este sistema de aspersión, se conocen como
biolavadores (biotrickling). Buena parte del éxito del proceso
Foto 1. Biofiltro. Fuente:
http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patp
rocont/BiofiltroBoletin.jpg
depende del mantener unos niveles de humedad aceptables en el
medio de soporte (50 a 60%).
37
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Los gases (biogás) producto de la descomposición anaerobia de los lodos o de la materia
orgánica en reactores biológicos, pueden ser empleados como combustible para la
generación de energía y para elevar las temperaturas de los digestores de lodos, con lo
que se acelera el proceso de estabilización de los biosólidos. No obstante, en la mayoría
de las depuradoras colombianas, este gas no se aprovecha y es quemado en unas
estructuras diseñadas para este propósito, llamadas “quemadores”.
Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001.
3.4. Manejo de lodos
La línea de lodos tiene como objetivo, tratar los subproductos sólidos (fangos) originados
en la línea de agua de la depuradora. Estos lodos (llamados también biosólidos) deben ser
reducidos en volumen para facilitar su manejo (Espesamiento), ser estabilizados para
evitar fermentaciones y crecimiento de organismos patógenos (Digestión) y deshidratarse
para conseguir una buena textura que facilite su manejo y transporte hacia su uso o
disposición final (Deshidratación).
Los biosólidos de una depuradora pueden usarse, siempre y cuando estén libres de
patógenos, metales y otros elementos tóxicos y peligrosos, como acondicionadores de
suelo en campañas de reforestación o recuperación de áreas degradadas. Por la
experiencia del autor, esta condición sólo se da en lodos de depuradoras que manejen casi
de forma exclusiva, aguas residuales domésticas. Cuando se mezclan efluentes de tipo
industrial, como ocurre en la mayoría de depuradoras de aguas residuales municipales,
esta condición rara vez se puede asegurar, razón por la cual son dispuestos en un relleno
sanitario.
Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).
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Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección
4.1. ¿Por qué tratar las aguas residuales?
Las razones que justifican el tratamiento del agua residual son distintas para cada sector
de la sociedad, a saber (Balda R. , 2002):
Razones para la industria:



Recuperar productos.
Mostrar una imagen amigable con el ambiente.
Cumplimiento de estándares internacionales que garantizan participación en
mercados.
Razones estatales:


Protección de los recursos naturales.
Protección de las redes de alcantarillado y del correcto funcionamiento de la PTAR
municipal.
Razones sociales:

Protección de la salud pública.
Entre los principales impactos negativos de las aguas servidas, se encuentran (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Restricciones de los usos múltiples del agua.
Abatimiento del oxígeno disuelto en el agua.
Muerte de peces.
Olores ofensivos.
Desequilibrios en la cadena trófica.
Disminución de los procesos fotosintéticos.
Aporte de organismos patógenos.
Afectación de la calidad visible del agua y el paisaje.
Hipereutrofización
4.2. Sustancias inhibidoras
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Antes del tratamiento secundario (biológico) es necesario verificar y controlar los niveles
de algunas sustancias que interfieren con la actividad biológica en estos reactores y que,
consecuentemente, afectarán las eficiencias de estas unidades. Los niveles máximos
recomendados se exponen en la Tabla 6.
Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda
R. , 2002).
Compuesto
Nivel máximo recomendado
Productos alcalinizantes
10 ppm
Productos ácidos
10 ppm
Ácido nítrico
50 ppm
Cloro libre
10 ppm
Formaldehído
7 ppm
Fosfatos
100 ppm
Peróxido de hidrógeno
10 ppm
Nitrógeno amoniacal
250 ppm
4.3. Caracterización mínima de las aguas residuales
Una caracterización de aguas residuales, sean domésticas, urbanas o industriales, deben
incluir la estimación de los siguientes parámetros, como mínimo:












Caudal (incluyendo los caudales punta y mínimos).
Temperatura
pH
Sólidos sedimentables
DBO5 total y disuelta
DQO total y disuelta
Sólidos Totales (suspendidos y disueltos)
Nitrógeno Total Kjeldahl – NTK
Fosfatos
Grasas y Aceites
Sulfatos
Presencia de agentes de limpieza (tipo, volumen empleado, frecuencia de uso)
4.4. Datos adicionales
Adicional a una buena caracterización deben evaluarse también los siguientes aspectos
que se exponen en la Tabla 7.
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Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un
sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Ciudades y Pueblos
Industrias
Proyección de la población
Procesos industriales involucrados
Materias primas o productos tóxicos que puedan
presentarse en el efluente
Actividades económicas principales, cuyos efluentes
puedan influir en las características del agua
Indicadores de producción (productos generados
residual
por la industria)
Diagramas de flujo de proceso
Eficiencias requeridas para los parámetros exigidos por la autoridad ambiental
Caudales punta y su composición
Área disponible para el sistema de tratamiento
Dinero disponible para invertir en la depuradora
4.5. Otros criterios de selección
La selección de las unidades a emplear en la depuradora, además de los aspectos
mencionados anteriormente, dependerá también de:




Ubicación
Costos de inversión y operación
Necesidad de personal (Cualificado y No Cualificado) comparado con la
disponibilidad local.
Otras consideraciones particulares, como:
o Clima
o Tamaño de la población servida o número de habitantes equivalentes
o Nivel socioeconómico de los usuarios (sostenibilidad financiera)
o Estabilidad geológica (sismología)
o Dirección de los vientos
o Consideraciones ambientales
o Facilidades (y costos) para la disposición de subproductos
o …
4.3. Cálculo de la población
La estimación de la población futura es un parámetro fundamental para asegurar el
correcto funcionamiento de una depuradora de aguas residuales domésticas o urbanas,
hasta el final de su periodo de diseño. El periodo de diseño es el tiempo de vida útil de las
estructuras, equipos e instalaciones de la depuradora en los que se cumple un punto de
equilibrio entre la inversión inicial y el lucro efectivo (no cesante) de la misma. Como estos
tiempos suelen ser distintos para cada elemento de la planta de tratamiento, se toma un
periodo único de diseño entre 25 y 30 años, como base para el cálculo de la población
futura.
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La estimación del comportamiento demográfico de una población es un aspecto complejo
debido a que depende de factores fluctuantes como: economía, dinámicas sociales,
desarrollo industrial, políticas públicas, turismo, etc. En poblaciones turísticas, además de
la población fija, debe considerarse la población flotante (turistas que visitan el lugar en la
temporada vacacional).
Los métodos más usados para el cálculo de la población futura, son:





Comparación gráfica de las poblaciones
Método aritmético o lineal
Método geométrico o exponencial
Método logarítmico
Método Pearl o curva logística
Para periodos de diseño de hasta 25 años, puede aplicarse el método más expedito sin
incurrir en un error considerable.
Una revisión más profunda de los métodos de cálculo de crecimiento poblacional, puede ser consultada en el
documento “Tasas de Crecimiento Poblacional” de Torres-Degró (2012): Ir al documento
Lección 5. Cálculos hidráulicos
5.1. Línea piezométrica
Aunque en algunos textos especializados se define a la línea piezométrica como la línea
imaginaria que une los puntos hasta donde podría ascender el agua si se insertaran
pequeños tubos verticales (piezómetros) en distintos puntos de una tubería o canal
abierto, existe una leve imprecisión al asegurar que esta línea es imaginaria debido a que
es perfectamente observable en un laboratorio.
Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobain-canalizacao.com.br
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En la Ilustración 5, la línea piezométrica (1) muestra la presión hidrostática disponible en
cada punto de la tubería tendida entre el tanque elevado (punto A) y las viviendas
ubicadas en la falda de la montaña mientras el agua se encuentra en movimiento (Línea
Dinámica). La diferencia “H” entre la línea de presión dinámica para un caudal
determinado y la línea de presión estática (la horizontal proyectada desde el nivel de agua
del tanque elevado (punto A), se conoce como pérdida de carga o pérdida de presión para
ese caudal. Esta gráfica sugiera que en la vivienda cuenta con un dispositivo de control
(e.g. una válvula) a la salida. De lo contrario, el sistema consume toda la altura.
Esta pérdida de carga o de presión, se produce por accidentes (singularidades) en la línea
de conducción (e.g. cambios de dirección, estrechamientos, válvulas, orificios, accesorios)
y por la fricción del fluido con las paredes de la tubería o del canal.
En una depuradora, debe evitarse el uso excesivo de energía eléctrica y de los dispositivos
que la emplean (e.g. bombas, aireadores mecánicos, sopladores), de manera que se
privilegie el flujo del agua por gravedad. Para asegurar un transporte fluido y por gravedad
de estas aguas, entre las unidades de tratamiento, deben estimarse las pérdidas de carga
que se presentan en cada una de las interconexiones, verificando que las descargas se
mantengan por debajo de la línea piezométrica para cada punto. Las cotas de línea
piezométrica y de los niveles de agua en la depuradora, se expresan en metros sobre el
nivel de mar (m.s.n.m.) y las pérdidas en metros columna de agua (m.c.a.).
5.2. Pérdida de carga en tuberías
La expresión de Darcy-Weisbach para el cálculo de pérdidas, expresada en función de
caudal:
Donde,
hf
f
L
D
Q
pérdida de carga (m.c.a./m)
coeficiente de fricción (adimensional)
longitud de la tubería
diámetro de la tubería (m)
caudal (m3/s)
El coeficiente de fricción puede calcularse así:
43
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Donde,
K
Re
rugosidad absoluta
número de Reynolds
El número de Reynolds se calcula así:
V

velocidad del fluido
viscosidad cinemática (m2/s)
La rugosidad absoluta se puede obtener de la Tabla 8.
Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales
Material
Rugosidad absoluta
Polietileno
0,002
PVC
0,02
Aluminio
0,015 – 0,06
Acero galvanizado
0,07 – 0,15
Hormigón liso
0,3 – 0,8
Hormigón rugoso
3–9
Hormigón armado
2,5
Fibrocemento nuevo
0,05 – 0,10
Fibrocemento con años de servicio
0,60
Pueden emplearse otras expresiones como la fórmula de Hazen-Williams.
5.3. Pérdida de carga en canales
Para la pérdida de carga en canales, se usa la expresión de Manning.
Donde,
V
Rh
n
S
velocidad del fluido (m/s)
radio hidráulico (m)
número de rugosidad de Manning
pendiente o pérdida de carga (m/m)
44
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El radio hidráulico es el cociente entre el área de la sección y su perímetro mojado (A/P),
el cual depende de la forma del canal.
5.4. Pérdida de carga en orificios
Un orificio es una abertura sumergida en la pared de un tanque, depósito o estructuras
similares. La pérdida en esta singularidad puede calcularse así:
Donde,
caudal que pasa por el orificio (m3/s)
constante (toma un valor medio de 0,62)
área del orificio (m2)
aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)
pérdida de carga en el orificio (m.c.a.)
Q
K
A
g
h
5.5. Pérdida de carga en accidentes o singularidades
La pérdida de carga de una singularidad (e.g. accesorio, dispositivo de control) puede
calcularse con la siguiente expresión:
Donde,
h
K
V
g
pérdida de carga en la singularidad (m.c.a.)
constante que depende de la singularidad
velocidad del fluido (m/s)
aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)
Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades.
Singularidad
K
Contracción brusca
0,5 – 1,5
Expansión brusca
0,5 – 1,1
Codo 45°
0,15 – 0,19
Codo 90°
0,26 – 0,33
Válvula de compuerta
0,15 – 0,30
Válvula de retención
1,5 – 2,9
Compuerta de un canal abierto
0,2 – 0,3
Mayor información de los conceptos básicos de hidráulica pueden ser consultados en el siguiente
documento: Ir al documento
45
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CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO
Como se expuso anteriormente, el pretratamiento, aunque no se considera un
tratamiento con el que se logre reducir la carga contaminante de los vertidos, si
desempeña un papel fundamental en la medida en que elimina elementos que pueden
causar descensos en la eficiencia del tratamiento y, quizá lo más importante, protege los
equipos, partes y unidades de la depuradora de daños que pueden resultar funestos para
el funcionamiento de la planta y del sistema de evacuación y transporte de aguas
residuales, en general.
Los objetivos principales de la etapa del pretratamiento, son:
a) Eliminar material grueso.
b) Eliminar arenas.
La selección del tipo de dispositivos para la etapa de pretratamiento, dependerá de:
a) Tipo de aguas residuales.
b) Características del agua residual.
c) Tipos de unidades que serán empleadas posteriormente.
d) Nivel de operación de la depuradora.
Este capítulo resume el cálculo de los caudales de diseño, el caudal de entrada y de los
principales dispositivos empleados en el pretratamiento, como son: pozo de muy gruesos,
rejillas (o desbaste), desarenador y desarenador aireado, conocido también como
desarenador-desengrasador.
Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de:
http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Pretratamiento
Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada
El flujo de aguas residuales domésticas y urbanas, dependerá especialmente de:

Número de habitantes
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




Consumo de agua potable (dotación)
Coeficiente de retorno (usualmente entre 0,70 y 0,85).
Caudales de infiltración
Conexiones erradas
Aportes institucionales, comerciales e industriales
El caudal medio diario (L/s) aportado a un sistema de tratamiento será:
Donde,
Qmd caudal medio diario de aguas residuales (L/s)
Qdom aporte de aguas residuales de origen doméstico (L/s)
Qind aporte de aguas residuales de origen industrial (L/s)
Qcom aporte de aguas residuales de origen comercial (L/s)
Qins
aporte de aguas residuales de origen institucional (L/s)
6.1. Aporte doméstico
El caudal doméstico corresponde únicamente al aporte de aguas residuales derivado de
las actividades humanas (vida hogareña) en las zonas residenciales. Se calcula a partir del
consumo de agua potable por persona (dotación) 5, considerando que ésta -en su mayor
porcentaje- es retornada al alcantarillado (entre un 70 y 85%, que corresponde al
coeficiente de retorno sanitario) y el número de habitantes.
El coeficiente de retorno es la fracción porcentual del consumo total de agua potable
que es usada en el hogar (e.g. descarga de sanitarios, ducha, lavado de manos) y que
se transforma en agua residual. Este valor se estima entre el 70 y el 85%, con lo cual,
los coeficientes de retorno sanitario se encuentran entre 0,70 y 0,85.
El caudal doméstico se puede calcular así:
Donde,
Qdom
d
P
5
corresponde al aporte de aguas residuales de las actividades domésticas (L/s).
dotación o cantidad de agua potable consumida por habitante y por día (L/hab*d).
número de habitantes proyectado para el periodo de diseño asignado.
La dotación en Colombia se estima que oscila entre 90 a 130 L/hab*d.
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CR
coeficiente de retorno sanitario (entre 0,70 y 0,85, pero usualmente corresponde
se utiliza 0,80).
Dotación
Doméstica
(L/hab*d)
Industrial
(m3/mes)
Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades.
Bogotá D.C.
Medellín
Manizales
Pereira
126
150
124
160
587
203
319
279
Valores de la Contraloría General de la República, 2000. Tomados de:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion4/capitulo05/04_05_01.htm
6.2. Aporte industrial
Pueden estimarse unos valores de aporte de aguas residuales industriales de entre 0,4 a
1,5 L/s por hectárea de suelo de uso industrial, dependiendo del nivel de industrialización
de la población (mayores valores para ciudades con mayores industrias).
6.3. Aporte comercial e institucional
Puede adoptarse un valor de 0,5 L/s por hectárea de suelos de uso comercial e
institucional.
6.4. Aportes adicionales
Las conexiones erradas (drenajes de aguas lluvias conectados a la red sanitaria en zonas
donde hay alcantarillado separado), pueden sumar al flujo de aguas residuales, unos 0,2
L/s*ha.
De igual manera, en época de invierno, si se tiene una red de alcantarillado unitario
(llamado también “combinado”), el aporte de aguas lluvias puede estimarse en unos 2
L/s*ha.
6.5. Caudales de diseño
Una vez se haya estimado el caudal medio diario “Qmd” con la suma de los aportes de
aguas a la red de alcantarillado, deben estimarse el caudal mínimo y el caudal punta que
puede llegar, en un momento determinado, al sistema de depuración. Las oscilaciones
abruptas de caudal pueden causar disminución en la eficiencia del tratamiento y fallas a
nivel hidráulico en las unidades. Por esta razón, debe preverse y evaluarse el
funcionamiento de cada unidad y componente de la depuradora con cada uno de estos
caudales (mínimo, medio y punta).
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La estimación de los caudales mínimo, medio y punta, de aguas residuales, deberá
estar apoyada únicamente en mediciones in situ. Jamás deberán tomarse supuestos,
expresiones empíricas y otras formulaciones matemáticas como valores de diseño.
Algunas expresiones para la estimación de los caudales de diseño se presentan en la Tabla
11.
Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y punta para diferentes tamaños de
población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)
Tamaño de la población
Caudal mínimo “Qmin”
Caudal punta “Qp”
Pequeña
(<20.000 h-eq)
Mediana
(20.000 a 60.000 h-eq)
Grande
(>60.000 h-eq)
Cualquier tamaño de población
Pregunta de análisis: ¿por qué el caudal punta de una población pequeña puede ser
hasta cinco veces el valor del caudal medio diario y para una población mucho más
grande es sólo del doble de su valor?
En algunas ocasiones, suele hablarse también del caudal máximo horario “QMH”. No
obstante, este concepto es equivalente al del caudal punta para el caso de los sistemas de
depuración de aguas residuales, ya que como lo demostró Lozano-Rivas (2007), los
hidrogramas de las aguas residuales al interior de las redes de alcantarillado, sufren una
atenuación de su caudal punta, descrito por los modelos que rigen el comportamiento del
tránsito de dicho hidrograma (Lozano-Rivas, Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas
Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado, 2007).
6.6. Canal de entrada a la depuradora
La entrada de aguas residuales a la depuradora, generalmente se hace mediante un canal
de sección rectangular. Dependiendo de las condiciones topográficas, este canal se
proyectará antes del pozo de muy gruesos o después de este, siempre anterior a la unidad
de desbaste.
Este canal que se diseña con la fórmula de Manning, deberá tener un ancho y profundidad
mínimo, con un área vertical útil, mayor o igual a las dimensiones del colector de aguas
residuales que conduce el caudal a la depuradora. Los criterios básicos de diseño se
exponen en la Tabla 12.
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Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Altura mínima de lámina de agua
0,3 m (a caudal medio)
Velocidad de flujo en el canal
0,6 a 1,0 m/s (a caudal medio)
Borde libre (por encima del caudal punta al final del
0,3 a 0,4 m
periodo de diseño)
Coeficiente de rugosidad de Manning
0,014 (independientemente del material de
construcción)
Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas.
Ejemplo 6.1.
Dimensionar un canal de entrada a una depuradora con un caudal medio diario de 69 L/s y
una velocidad de flujo de 0,6 m/s. El colector de alcantarillado es de 12 pulgadas, con una
pendiente del 1,5%.
Solución:
Siendo el colector de alcantarillado de 12 pulgadas y un área transversal de 0,073 m2, el
canal deberá proyectarse con un área útil igual o mayor que esta.
El área mojada del canal está dada por su ancho y dos veces su altura. Asumiendo un canal
de sección cuadrada:
Esta área mojada es mayor a la del colector de alcantarillado. Asumiendo una sección
cuadrada, el canal tendrá unas dimensiones de 0,34 m de ancho y 0,34 m de altura útil
(lámina de agua).
50
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La pendiente requerida para el canal, en estas condiciones, se determina con la fórmula
de Manning:
Despejando la pendiente “S”:
Lección 7. Pozo de muy gruesos
Se diseña especialmente para aguas residuales urbanas en donde se espera el arrastre de
una gran cantidad de arenas y sólidos de gran tamaño que viajan por el alcantarillado (e.g.
juguetes, pedazos de madera, trapos, muebles).
Su fondo suele ser troncopiramidal invertido (en forma de tolva) para evitar la
acumulación de sólidos en las paredes laterales y facilitar la extracción del material
retenido, mediante el accionar de una cuchara bivalva anfibia, operada por un motor
electrohidráulico. Los sólidos se extraen periódicamente, se dejan escurrir y se depositan
en contenedores. Este material es incinerado o dispuesto, posteriormente, en un relleno
sanitario.
Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de:
http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/1.entrada.gif
51
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Los criterios de diseño para el pozo de muy gruesos, se exponen en la Tabla 13.
Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o Rango
3
2
Carga superficial (m /m *h)
<300 (a caudal punta)
Tiempo de Retención Hidráulica (s)
30 a 60 (a caudal punta)
Profundidad del Pozo (m)
>2
Velocidad de paso (m/s)
0,50 a 0,65 (a caudal punta)
Inclinación de las paredes
>70°
Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy gruesos. Al fondo, cuchara
bivalva. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obrallegada/17.jpg
La carga superficial puede ser entendida como la cantidad de caudal (m 3/h) de aguas
residuales que es tratada por cada unidad de superficie (m 2) del tanque o reactor. Sus
unidades son “m3/m2*h”, lo que es igual a “m/h” y por ello se comporta de manera
análoga a una velocidad de tratamiento.
Ejemplo 7.1.
Dimensionar un pozo de muy gruesos para un caudal punta de aguas residuales de 690
L/s, una carga superficial de 270 m/h, un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 60 s y
una velocidad de paso de 0,50 m/s.
52
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Aclaración: Para todos las fórmulas y ecuaciones contenidas en este módulo, con el fin de evitar
confusiones en la manera de expresar matemáticamente los conceptos de “Volumen” y “Velocidad”, se
emplearán las letras “ ” para volumen y “V” para velocidad.
Solución:
Con el tiempo de retención hidráulico, se estima el volumen del pozo:
El área superficial del pozo se determina con la carga superficial (270 m/h):
Se verifica que el calado (profundidad) del pozo esté acorde con el mínimo establecido:
Esta profundidad es mayor a la recomendada (>2 m), por lo tanto se acepta.
Se proyectarán las paredes con una inclinación superior a los 70° respecto de la horizontal.
Un video de una prueba de una cuchara bivalva anfibia de un pozo de gruesos, se puede apreciar abriendo
este hipervínculo.
Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esquema_muygruesos.png
53
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Lección 8. Desbaste
Los elementos flotantes como plásticos, trozos de madera y ramas, entre otros, deben ser
retirados en el desbaste. Esta unidad no es prescindible en ninguna depuradora y es
independiente de la existencia o no, del pozo de muy gruesos.
El desbaste se conoce también como cribado y se hace, de manera frecuente, mediante la
instalación de rejillas metálicas de diferentes características de diseño y operación,
dependiendo del tipo de agua a tratar.
Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y otra fina) de limpieza mecánica.
Imagen tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/2.desbaste.gif
8.1. Clasificación de las rejillas de desbaste
Las rejas pueden clasificarse según:



Su limpieza
o Manual
o Mecánica
Su separación entre barrotes
o Fina: entre 0,5 y 1,5 cm de separación
o Media: entre 1,5 y 5,0 cm de separación
o Gruesa: mayor a 5,0 cm de separación
Su inclinación
o Verticales: a 90° respecto de la horizontal
o Inclinadas: entre 60 y 80° respecto de la horizontal
54
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El tamaño de los barrotes usados en las rejillas, dependerá del tamaño de los materiales
que se pretende retener, con el fin de que sean lo suficientemente fuertes para que no se
deformen. Para rejillas gruesas se usan barrotes de entre ½ y 1 pulgada (1,3 a 2,5 cm) de
diámetro (o de ancho) y para las finas, de entre ¼ y ½ pulgada (0,6 a 1,3 cm).
8.2. Rejillas de limpieza manual
Se instalan en depuradoras pequeñas y son inclinadas (usualmente a 60° respecto de la
horizontal) para facilitar las labores de limpieza del operario, quien retira los sólidos
retenidos en la rejilla con ayuda de un rastrillo u otra herramienta similar dentada y los
dispone temporalmente en una lámina perforada o canastilla, conocida como depósito
escurridor, para eliminar el agua. Posteriormente, estos desechos se llevan a incineración
o a un relleno sanitario.
Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído. Foto: William Antonio
Lozano-Rivas.
Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o
lámina de escurrimiento. Imagen tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9e770a877a3fbf5149553f1525633a7d
55
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8.3. Rejillas de limpieza mecánica
Llamadas también rejillas de limpieza automática; éstas suelen instalarse en depuradoras
grandes cuyos grandes caudales arrastran ingentes cantidades de materiales gruesos de
forma permanente, que no podrían ser evacuados manualmente. Estas rejillas suelen ser
verticales, con inclinaciones que varían entre los 80 y 90° respecto de la horizontal.
Los mecanismos de limpieza son variables dependiendo del fabricante; los más usuales
son los de barras dentadas o los de peines giratorios.
Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada de:
http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/Producto-Reja-de-desbaste-37170.html
Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSESSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4
Un video de cribas mecánicas, puede apreciarse abriendo este hipervínculo.
56
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8.4. Diseño del desbaste
Los criterios de diseño de las rejillas se fundamentan en las velocidades de paso del flujo
de aguas residuales, a través de ellas. Esta velocidad no debe ser tan baja que promueva la
sedimentación de sólidos en el canal ni tan alta que genere arrastre de sólidos ya
retenidos por los barrotes de la reja.
Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Velocidad mínima de paso
0,6 m/s (a caudal medio)
Velocidad máxima de paso
1,4 m/s (a caudal punta)
Grado de colmatación estimado entre intervalos de
30%
limpieza
Pérdida de carga máxima admisible
15 cm (a caudal medio)
Una vez se tengan definidas las dimensiones del canal de desbaste, el área del canal en la
zona de la rejilla se puede calcular con la siguiente expresión:
Donde,
AR
Bc
L
b
G
área útil del canal en la zona de la rejilla (m2)
ancho del canal (m)
luz o espacio entre barrotes (m)
ancho de los barrotes (m)
grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%)
Debido a que los barrotes restan área útil del canal, incrementando la velocidad del flujo
entre la rejilla, se hace necesario, en ocasiones, incrementar el ancho del canal en la zona
donde está ubicada la criba o aumentar la profundidad (Ilustración 11).
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Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999)
Para estimar el ancho o la profundidad en la zona de la rejilla, se puede emplear la
siguiente expresión:
Donde,
P
Q
Vp
profundidad en la zona de rejillas (m)
caudal de aguas residuales (m3/s)
velocidad de paso entre la rejilla (m/s)
La pérdida de carga generada por la rejilla (diferencia de altura de la lámina de agua antes
y después del paso por la rejilla se puede calcular con esta expresión propuesta por
Lozano-Rivas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales, 2012):
Donde,
H
Vp
pérdida de carga generada por la rejilla (m)
velocidad de paso del agua a través de la rejilla (m/s)
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El número de barrotes se puede calcular con la siguiente expresión:
Donde,
N
BR
L
b
número de barrotes
ancho del canal en la zona de rejilla (m)
luz o espacio entre barrotes (m)
ancho de los barrotes (m)
Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)
Tipo de rejilla
Cantidad de sólidos retenidos
Fina
5 a 12 mL/d*hab
Gruesa
12 a 25 mL/d*hab
Ejemplo 8.1.
Calcular el tamaño de una rejilla fina, de limpieza manual, para el canal de entrada y el
caudal del ejemplo 6.1. (Qmd = 69 L/s. Vcanal = 0,6 m/s. Dimensiones del canal: 0,34 x 0,34
m y un borde libre de 0,35 m). La criba tendrá barrotes de 0,6 cm de ancho y 1,2 cm de
separación; con una velocidad de paso en la rejilla de 0,8 m/s.
Solución:
Se calcula la sección o área útil del canal en la zona de la rejilla, así:
La profundidad en la zona de rejilla, manteniendo el mismo ancho del canal en la zona de
rejilla, será:
La pérdida de carga generada por la rejilla, empleando la expresión de Lozano-Rivas, será:
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Esta es una pérdida de carga aceptable.
El número de barrotes será:
Lección 9. Desarenador
En el desarenador, como lo indica su nombre, se remueven las partículas de arena y
similares, que tienen un peso específico de cercano a 2,65 g/cm 3 y tamaños superiores a
los 0,15 mm de diámetro (e.g. cáscaras, semillas). Este tipo de partículas presentes,
especialmente, en las aguas residuales urbanas y muy rara vez en las de tipo industrial,
causan abrasión y daños en las tuberías y en otros equipos de la depuradora.
Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de
pretratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la
sedimentación de las partículas discretas, pero no lo suficiente para que se presente
asentamiento de la materia orgánica. Su diseño está soportado, entonces, en las
velocidades de sedimentación de las partículas que quieren removerse, las cuales son
explicadas mediante las fórmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y
Allen (régimen transitorio).
Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de arenas a una temperatura de 16 °C y
una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010)
Diámetro de partícula
Velocidad de sedimentación
0,15 mm
40 a 50 m/h
0,20 mm
65 a 75 m/h
0,25 mm
85 a 95 m/h
0,30 mm
105 a 120 m/h
El contenido de materia orgánica en las arenas extraídas está, usualmente, entre el 3 y el
5%.
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Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada de:
http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/
Los valores expuestos como criterios de diseño son valores guía que nunca se podrán
constituir en “camisa de fuerza” para llevar a cabo los cálculos de las unidades.
Los desarenadores se diseñan con el caudal punta; los criterios para su cálculo se
presentan en la Tabla 17.
Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Carga superficial
40 a 70 m3/m2*h (a caudal punta)
Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)
100 a 300 s (a caudal punta)
Más frecuentemente = 180 s
Velocidad horizontal
0,20 a 0,40 m/s (a caudal punta)
Longitud
10 a 30 veces la altura de la lámina de agua
Altura mínima de la unidad
1,0 m
Altura máxima de la unidad
2,5 m
La cantidad de arena removida por estas unidades oscila entre 5 y 40 mL por m 3 de agua
residual tratada para alcantarillados sanitarios, con valores típicos cercanos a los 20
mL/m3. Si la red es combinada, estos valores podrían ascender en épocas de invierno, a
200 mL/m3.
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Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier
unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de
laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por
la literatura sin el debido sustento. Para el caso del diseño de un desarenador, deben
efectuarse ensayos de sedimentabilidad en una columna de sedimentación.
Ejemplo 9.1.
Determinar las características de una unidad compuesta por dos canales desarenadores
que tratan un caudal punta de aguas residuales de 690 L/s. Se asume una carga superficial
de 40 m/h.
Solución:
Al ser dos canales de desarenado, cada uno tratará la mitad del caudal que ingresa a la
depuradora (345 L/s).
Operando la carga superficial como una velocidad, el área de cada canal es:
Considerando que se trata un caudal mediano, la altura o profundidad efectiva “P” de la
unidad se establecerá en 1,2 m.
El volumen efectivo de cada canal de desarenado es:
Para este volumen, se verifica el tiempo de retención hidráulica “TRH”:
Para una velocidad horizontal “VH” de 0,30 m/s, se calcula, también, el área transversal
“AT” de cada desarenador, así:
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Para una altura o profundidad efectiva “P” de 1,2 m, el ancho de cada canal será:
De manera que el largo “L” del canal será:
Esta longitud equivale a 27 veces la profundidad efectiva del desarenador o de la altura de
la lámina de agua. Este valor se encuentra entre el rango recomendado (10 a 30).
Lección 10. Desarenador-Desengrasador
El desarenador-desengrasador es una variante del desarenador convencional, empleado
en grandes instalaciones depuradoras. En este tipo de canales aireados además de
remover las arenas y otras partículas de peso específico similar, se retirarán también
grasas, aceites, espumas y otro material flotante que pueden causar interferencia en los
tratamientos posteriores y que, incluso, (como en el caso de las grasas) podrían promover
la aparición organismos filamentosos causantes del bulking en los reactores biológicos.
Este tipo de unidades tienen básicamente tres zonas diferenciadas, además de las de
entrada y salida:



Zona de desengrasado
Zona de desarenado
Zona de extracción de arenas
En la zona de desengrasado, un bafle disipa la energía generada por los difusores
aireadores, permitiendo el ascenso, sin turbulencias, de grasas desemulsionadas, aceites y
otros flotantes adheridos a las microburbujas de aire producidas por los difusores. Un
dispositivo desnatador, montado sobre un puente grúa, se desplaza permanentemente
por esta zona retirando los flotantes que se van acumulando.
El fondo inclinado de esta zona (45° de pendiente) permite también que las arenas
afectadas por la turbulencia de la aireación, rueden libres hasta el fondo de la unidad en
donde se encuentra la zona de extracción de arenas.
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Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradorasgeneran-679-toneladas-de-fangos/
Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada de:
http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Grift-chamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el
autor.
En la zona de desarenado, se ubica también el suministro de aire a través de unos
difusores de poro fino, los cuales se ubican a profundidad, en la pared opuesta a la zona
de desengrasado. Estos difusores provocan un movimiento de tipo helicoidal al interior de
la unidad y el aire insuflado reduce los olores y ayuda en la limpieza de las arenas
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extraídas. Así mismo, en el fondo de esta zona, se encuentra el tubo extractor de arenas,
el cual está montado sobre un puente grúa que se desplaza lentamente por toda la
longitud del canal, succionando el material decantado.
Los materiales extraídos, tanto flotantes como arenas, son llevados temporalmente a un
contenedor para ser luego incinerados o dispuestos en un relleno sanitario.
Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier
unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de
laboratorio. Nunca deben asumirse, a la ligera, valores de rangos dados por una
normativa o por la literatura. Para el caso del diseño de un desarenadordesengrasador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad y de flotación
inducida en columnas diseñadas para este fin.
Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la zona de desarenado y de extracción
de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo).
En la izquierda está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el
desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg
Los criterios de diseño del desarenador-desengrasador se aprecian en la Tabla 18.
Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Carga superficial
< 40 m3/m2*h (a caudal punta)
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Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)
Caudal tratado por unidad
Velocidad horizontal
Relación Longitud/Ancho
Profundidad
Relación Profundidad/Ancho
Longitud
Ancho
Suministro de aire
Profundidad de los difusores
12 a 16 min (a caudal medio)
0,2 a 0,4 m3/s (a caudal medio)
0,02 a 0,07 m/s (a caudal punta)
3/1 a 10/1
2a5m
1/1 a 3/1
7,5 a 25 m
3a8m
0,5 a 2,0 m3/h*m3 de tanque
0,5 a 0,9 m respecto del fondo del tanque
Ejemplo 10.1.
Diseñar unos canales desarenadores-desengrasadores para un caudal medio de 1,0 m 3/s y
un caudal punta de 2,2 m3/s.
Solución:
Para este caudal, se proyectarán 4 canales de desarenado-desengrasado. Cada uno tratará
0,25 m3/s de agua residual, a caudal medio.
Aclaración: Para este tipo de unidades, se calculan las dimensiones del canal de desarenado. La zona de
desengrasado se adiciona considerando un ancho igual a 1/3 del ancho de la zona de desarenado y una
profundidad, antes del inicio de la inclinación a 45°, de 1/3 de la altura de la zona de desarenado
(Lozano-Rivas, 2012).
Se calcula el volumen requerido por cada unidad, tomando un tiempo de retención de 15
minutos.
Se tomará como valor de carga superficial, 35 m/h para el caudal punta. Con este valor, se
estima el área superficial:
El área transversal de la unidad se calcula estimando una velocidad horizontal de flujo de
0,05 m/s trabajando con el caudal punta.
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La longitud del canal, será:
La profundidad útil del canal, será:
El ancho de la unidad de desarenado, será:
Así, la relación Longitud/Ancho es de 7,4/1 y la relación Profundidad/Ancho es 1,44, que
está dentro de los límites recomendados.
Adicionando un tercio más del ancho de la zona de desarenado para proyectar la zona de
desengrasado, la cual estará separada por una pantalla, el ancho total de la unidad será:
El suministro de aire, asumiendo un valor de 1 m 3/h*m3 de tanque, será de:
Mayor información sobre el pretratamiento y sobre medidores de caudal, puede ser consultada en el
documento del Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo de España: Ir al documento
También en la documentación de Dègremont: Ir al documento
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CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO
Esta etapa tiene como objetivo eliminar, por efecto de la gravedad, los sólidos
suspendidos de las aguas residuales; se logra bien sea de manera libre, o asistida con
químicos que aglomeran las partículas (floculantes) para que ganen peso y decanten con
mayor velocidad.
Estos sólidos suspendidos eliminados son, en su mayoría, materia orgánica, por lo cual se
presenta una reducción importante en la concentración de DBO del efluente. Las
operaciones unitarias más frecuentemente empleadas para el tratamiento primario de las
aguas residuales urbanas, son:



Decantadores.
Tamices (usados, generalmente, para aguas residuales industriales).
Unidades de decantación asistida químicamente.
Paras las aguas residuales industriales, suelen emplearse también unidades de flotación,
que se tratarán en detalle en la Lección 34.
Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria
Algunas partículas presentes en las aguas residuales, por su baja densidad y poco tamaño,
no alcanzan a ser removidas en el tratamiento primario. La mayor parte de estas
partículas (50 a 70%) corresponden a materia orgánica en suspensión, que debe ser
eliminada en tanques con velocidades muy bajas, tiempos largos de retención y flujos
laminares que permitan la decantación de estas partículas por efecto de la gravedad.
11.1. Tipos de sedimentación
La sedimentación se presenta de diferentes maneras dependiendo de la temperatura, del
tipo de partículas presentes, de su concentración en el agua, del tipo de sedimentador y
de la zona de la unidad en donde ocurre ese fenómeno (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas
de Potabilización de Agua, 2012). Estos tipos de sedimentación pueden apreciarse en la
Tabla 19.
Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012).
Características de los
Características de la
Tipos de unidades de
Tipo de Sedimentación
sólidos
sedimentación
tratamiento
I
Partículas discretas y
Cada partícula
Desarenadores, dársenas
De partículas discretas
aisladas en soluciones
sedimenta de forma
de sedimentación o
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diluidas
II
De partículas floculentas
Partículas (coloides)
floculentas o
aglomerables
III
Zonal o interferida
Suspensiones de sólidos
aglomerables de
concentración
intermedia
IV
Por compresión
Suspensiones de alta
concentración
independiente sin
interacción entre ellas ni
con el fluido que las
contiene
Las partículas se van
aglomerando formando
coágulos o flóculos de
mayor tamaño y peso
La sedimentación es
interferida dada la
cercanía entre partículas
y se comportan como un
bloque
Las partículas están en
contacto íntimo entre
ellas y su peso forma
una masa compactada
en el fondo de las
unidades
presedimentadores
Sedimentadores de agua
potable (con coagulaciónfloculación previas) y
decantadores de aguas
residuales
Sedimentadores y
decantadores de flujo
ascendente y de manto
de lodos
Compactación de lodos
en sedimentadores y en
unidades de
espesamiento de aguas
residuales
En la Ilustración 13 se muestran diferentes tipos de unidades que en su orden (de arriba
hacia abajo) corresponden a: un desarenador, un sedimentador de placas inclinadas, un
decantador de aguas residuales. Puede evidenciarse que, en la práctica, en una unidad de
tratamiento se presentan, de manera simultánea, dos o más tipos de sedimentación
(llamada también clarificación) (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de
Agua, 2012).
Los decantadores son unidades de gran tamaño, debido a los altos tiempos de retención
hidráulica que emplean. Luego del proceso de decantación, queda como producto agua
residual clarificada y un lodo o fango primario. En casos excepcionales, la decantación
primaria es el único proceso de depuración que se le realiza al agua, siempre y cuando la
legislación lo permita y el efluente cumpla con los niveles de remoción establecidos. No
obstante, la práctica muestra que aunque un tratamiento primario logre cumplir con la
normativa ambiental, la calidad del efluente podrá causar impactos considerables a los
ecosistemas hídricos. Por esta razón, el tratamiento primario suele ser parte de un
proceso más largo, acompañado, al menos, de tratamientos biológicos que reduzcan los
niveles de carga contaminante.
Los decantadores que se usan en el tratamiento de las aguas residuales pueden
clasificarse en:


Circulares: el agua ingresa ascendiendo por el centro y es recogida en un canal
perimetral.
Rectangulares: el agua ingresa por un extremo y es extraída por el opuesto.
69
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Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda Valencia, 2000).
11.2. Decantadores circulares
Los decantadores circulares son de mayor uso, debido a que facilitan las labores de
mantenimiento y purga de fangos. Tienen un diámetro que oscila entre los 10 y los 60 m.
El ingreso del agua se hace mediante una campana deflectora ubicada en el centro de la
unidad que obliga a que el agua ingrese por la parte baja y, además, funciona como
atenuadora de la energía de flujo, eliminando turbulencias que pueden afectar la
decantación de las partículas.
El agua es recogida por un canal perimetral dentado, para asegurar una salida homogénea
del efluente clarificado en cada metro lineal de la periferia del tanque. Adicionalmente, se
proyecta, también, antes de la salida del agua, una lámina o pared deflectora que evita
que salga la porción más superficial del agua, la cual lleva consigo sólidos, espumas y otros
objetos flotantes.
El sistema de barrido de fangos se realiza a través de un puente móvil que se desplaza
lentamente por todo el decantador y que posee en su fondo unas rasquetas que empujan
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los lodos hacia la poceta de fangos, la cual se encuentra ubicada en el centro del tanque
circular. Adicionalmente, este mismo puente tiene en su superficie una lámina, conocida
como desnatador, que arrastra el material flotante hasta la tolva de grasas o colector de
espumas.
11.3. Decantadores rectangulares
Son mucho menos usados que los circulares. El ingreso del agua residual se hace a través
de un vertedero con un deflector frontal que permite el ingreso por la parte baja de la
unidad y disminuye la energía del flujo. Para la salida del efluente, en el extremo opuesto,
se emplea un vertedero dentado. Los lodos y las natas son empujados por unas rasquetas
adosadas a un puente móvil que se desplaza a lo largo de la unidad. Otra opción es el uso
de rasquetas movidas por una cadena sinfín.
Un video sobre tecnologías en decantación de aguas residuales puede apreciarse abriendo este hipervínculo
y configurando su visualización a pantalla completa.
Lección 12. Tamices
Por el tamaño de las aberturas que manejan este tipo de unidades, no es recomendable
su uso con aguas residuales brutas que traen consigo gran cantidad de elementos gruesos
y/o arenas. Aunque varios autores clasifican los tamices como unidades de
pretratamiento, los pequeños tamaños de poro que manejan estas unidades permiten la
eliminación de una parte considerable de materia orgánica suspendida; por esta razón, el
autor considera que los tamices pueden ser clasificados, también, como una unidad de
tratamiento primario, útil en la depuración de aguas residuales de tipo industrial.
Muy pocas industrias tienen la disponibilidad de terreno para construir grandes
decantadores primarios, en consecuencia, los tamices y las unidades de flotación forzada
que ocupan mucho menos espacio, se constituyen en las unidades de tratamiento
primario más empleadas en estos casos. No obstante, aunque el uso de tamices es muy
escaso en depuradoras urbanas por su escasa capacidad para manejar grandes caudales,
en algunos países latinoamericanos, como México, se usan de manera regular para este
tipo de efluentes.
Los tamices manejan tamaños de abertura entre 0,2 y 3 mm. Están hechos de un tejido de
hilos de acero inoxidable, cuya disposición garantiza una superficie que prácticamente no
se obstruye y que tiene un alto poder de filtrabilidad. Los tamices pueden clasificarse en:


Estáticos
Giratorios
71
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Los tamices pueden sustituir los decantadores primarios en aguas residuales industriales
de procesos como:









Industria de alimentos en general.
Industrias de lácteos.
Ingenios azucareros.
Cervecerías.
Destilerías.
Industrias de bebidas no alcohólicas.
Frigoríficos.
Industria de papel.
…
12.1. Tamiz estático
Los más empleados son los curvos. Suelen tener una inclinación de unos 25° respecto de la
vertical. El agua ingresa por la parte superior y, mientras los sólidos quedan retenidos en
la superficie, el agua se cuela atravesando el tamiz, para ser recogida por la parte baja. El
material detenido se va deslizando, por la acción del agua y del nuevo material retenido,
hacia el extremo inferior, en donde cae a una tolva.
Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapture1.jpg
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Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).jpg
12.2. Tamiz rotatorio
Este tipo de tamices cuenta con un tambor filtrante y un cuerpo de filtro, en acero
inoxidable, sobre el cual se monta el tambor. Dispone de una rasqueta que elimina los
sólidos retenidos en la superficie el tambor.
Los tamices rotatorios tienen una mayor capacidad de tratamiento por metro lineal, que
los tamices estáticos (cerca de unas 2,5 veces más), pero tienen la desventaja de causar un
mayor gasto energético y más desgaste de las piezas.
Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de:
http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20funcionando.jpg
73
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Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de:
http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shops/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94
C/9B1E/6626/tamiz-rotativo-esquema.jpg
12.3. Selección del tamiz
La selección de este tipo de unidades se hace a partir de las diferentes alternativas que
ofrecen los fabricantes y de las características propias del diseño del tamiz. Sin embargo,
para tener un referente, Lozano-Rivas plantea unos valores indicativos de la capacidad de
tamizado de estas unidades, en las Tablas 20 y 21.
Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Abertura del tamiz (mm)
Caudal tratado por metro lineal (m3/h)
0,15
15
0,25
20
0,50
40
0,75
50
1,00
60
1,50
75
2,00
90
2,50
100
3,00
110
Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Abertura del tamiz (mm)
Caudal tratado por metro lineal (m3/h)
0,15
30
0,25
50
0,50
90
0,75
120
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
145
180
210
240
260
Un video sobre tamices puede apreciarse abriendo este hipervínculo.
Lección 13. Decantador primario
Estas unidades pueden alcanzar niveles de remoción de entre 25 y 40% para DBO y entre
50 y 70% para SST. Los decantadores primarios se componen de:





Tanque decantador.
Estructuras de entrada y salida del agua.
Puente (móvil) del decantador.
Dispositivos de eliminación y extracción de flotantes.
Dispositivos de extracción de fangos.
Estas partes pueden apreciarse en la Ilustración 16.
Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/decantacion.htm
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Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta de fangos, el puente móvil con las
rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/5.jpg
Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se aprecia el vertedero dentado para la
salida del agua clarificada. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/10.jpg
Los criterios de diseño del decantador primario se exponen en la Tabla 22:
76
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Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para
las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Tiempo de retención hidráulico (TRH)
Carga superficial
Capacidad de tratamiento de cada unidad
Carga sobre el vertedero
Profundidad del decantador (en la vertical del
vertedero de salida)
Pendiente de fondo hacia la poceta de fangos
Relación diámetro/altura
Diámetro de la campana deflectora
Altura de la campana deflectora
Velocidad máxima perimetral del puente del
decantador
Características de la poceta de fangos
2 a 3 horas (sin tratamiento secundario posterior y a
caudal punta)
1 a 2 horas (con tratamiento biológico posterior y a
caudal punta)
2 a 3 m3/m2*h (a caudal punta)
< 0,25 m3/s (a caudal medio)
3
< 40 m /h*m lineal del vertedero perimetral (a
caudal punta)
2,5 a 4,0 m
2a8%
5 a 16
15 a 20% del diámetro del decantador
33 a 20% de la profundidad del decantador
< 120 m/h
Tronco-cono invertido con una pendiente aprox. de
1:12
Capacidad de almacenamiento de lodos generados:
entre 1 y 5 horas
Se estima una producción de natas y flotantes de 5 mg/m 3 de agua tratada, con una
concentración de 6 g/L.
La producción de fangos para decantadores, se calcula de la siguiente manera:
Donde,
lodos
CSST
E
Cf
volumen de lodos (L/d considerando una densidad de 1 kg/L)
carga de sólidos suspendidos totales (kg/d)
coeficiente de reducción de sólidos en el decantador
coeficiente de concentración de lodos en el decantador (3 a 7% para sólidos
almacenados en pocetas y 1 a 2% cuando se hace extracción por succión).
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Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño, deben estar
avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca
deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura
técnica, sin el debido sustento. Para el caso del diseño de los decantadores, deben
efectuarse ensayos de sedimentabilidad en columnas diseñadas para este fin.
Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600/DSC_0173.JPG
Ejemplo 13.1.
Dimensionar las características básicas de un decantador primario para un caudal medio
de 690 L/s y caudal punta de 2000 m3/s. Se proyecta tratamiento biológico posterior.
Solución:
Se proyectarán 8 unidades decantadoras: cada una tratará un caudal medio de 86,25 L/s y
un caudal punta de 250 L/s.
El volumen de cada decantador, considerando un tiempo de retención de 2 horas a caudal
punta, es:
El área superficial de cada decantador, considerado una carga de 2 m/h, es:
78
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Se calcula y verifica la altura de la unidad:
Esta altura se encuentra dentro del límite recomendado (2,5 a 4,0 m), por lo cual se
acepta.
El diámetro del tanque será:
Con este diámetro, la relación diámetro/altura es aproximadamente igual a 6, que se
encuentra dentro de los valores recomendados.
Se verifica la carga del vertedero, calculando la longitud del perímetro del tanque:
Este valor está por debajo del máximo permitido y esto evitará un efecto de succión sobre
los fangos decantados en la unidad.
Lección 14. Decantación asistida químicamente
Los decantadores empleados para el Tratamiento Primario Químicamente Asistido (TPQA)
tienen idéntica configuración y funcionamiento que los decantadores convencionales, sin
embargo, con la ayuda de sales coagulantes, las cuales promueven o facilitan la
aglomeración de flóculos o coágulos de mayor tamaño y peso, se pueden alcanzar niveles
de remoción de entre 60 y 80% para DBO y entre 65 y 85% para SST.
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Aunque su uso no es muy común en las depuradoras municipales, se suele emplear en
instalaciones que sólo cuentan con tratamiento primario, con el fin de alcanzar los niveles
de remoción exigidos por la autoridad ambiental. De igual manera, algunos vertidos
industriales que tienen altas cargas de coloides y otras sustancias de difícil remoción por
gravedad, deben ser tratados con asistencia química.
Es importante recordar que los coloides son partículas de escaso tamaño, con unas
características eléctricas de superficie cuya carga negativa hace que se repelan
incesantemente unas a otras, en un fenómeno conocido como “movimiento browniano”.
Los coagulantes o aglomerantes, atrás mencionados, son sustancias químicas, conocidas
bajo el genérico de “sales metálicas coagulantes”, que desestabilizan las partículas
coloidales neutralizando su carga negativa de superficie; de esta manera, tales partículas
que antes se repelían, pueden ahora agruparse, constituyendo flóculos de tamaño y peso
suficientes para ser afectados por la gravedad.
No obstante, las partículas desestabilizadas no logran “per sé”, agruparse. Es necesario
proporcionarles una agitación suave que les permita incrementar su oportunidad de
contacto, es decir, encontrarse unas con otras para formar así los flóculos. En resumen, es
fundamental hacer una correcta aplicación de la solución de coagulante, de manera que
se mezcle rápidamente y de manera homogénea con la masa de agua (esto se denomina
“coagulación”) y, posteriormente, proveer una agitación suave que incremente la
oportunidad de contacto entre los coloides desestabilizados (lo que se denomina
“floculación”), antes de pasar el agua al decantador.
En algunas depuradoras se acondiciona una estructura al interior del mismo decantador
para realizar la coagulación-floculación. Sin embargo, lo más común es emplear el llamado
“serpentín de mezcla”.
Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://ptecdaf.com/images/flocculator.png
80
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Para el correcto funcionamiento de la sal coagulante, es necesario controlar el pH. En la
Tabla 23, se exponen los rangos óptimos de pH para la actuación eficiente de los
coagulantes más comunes.
Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Sal coagulante
pH óptimo
Cloruro férrico (FeCl3)
4,0 a 11,0 unidades
Sulfato férrico
3,5 a 11,0 unidades
Policloruro de aluminio (PAC)
5,5 a 9,0 unidades
Como ayudas adicionales al proceso, pueden usarse también otras sustancias de refuerzo
o ayuda, llamadas coadyuvantes de floculación. Estos coadyuvantes son polímeros
(macromoléculas) de cadenas largas y alto peso molecular, obtenidos a partir de extractos
de algas, almidones o derivados de la celulosa. Su estructura permite “atrapar” flóculos
preformados, haciéndolos mucho más resistentes, grandes y pesados, incrementando así
la eficiencia del proceso. Su principal desventaja es su alto costo (no sólo de adquisición,
sino de manejo dentro del proceso). Recientemente, se ha encontrado que algunos
monómeros de estas cadenas poliméricas son tóxicos e incluso, cancerígenos.
Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el serpentín de mezcla. Imagen
tomada de: http://prechistvatelni-valgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg
La asistencia con químicos puede ser muy costosa en una depuradora de aguas residuales.
El autor conoce ce casos en Colombia en los que el gasto en químicos representa cerca del
70% del costo de operación de una planta de tratamiento de aguas residuales.
81
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Tanto los coagulantes como los coadyuvantes se aplican en solución. Las
recomendaciones de dosificación para estas sustancias químicas y su aplicación, se
exponen en la Tabla 24.
Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en tratamiento de aguas residuales
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Coagulante
Dosis (ppm)
Aplicación
100-150
Eliminación de la materia
orgánica
50-100
Eliminación de fósforo en
tratamiento biológico
Cloruro Férrico (FeCl3)
100-200
Sulfato Férrico (Fe2(SO4)3)
50-100
75-100
Policloruro de Aluminio (PAC)
al 18%
Sal Mixta de Fe y Al
25-50
150-250
Eliminación de fósforo en
tratamiento
fisicoquímico
Eliminación de fósforo en
tratamiento terciario
Floculante
(Polímero)
Dosis
(ppm)
Aniónico
0,5-1,0
Eliminación de materia
orgánica y fósforo
Eliminación de materia
orgánica y fósforo en
tratamiento primario
Eliminación de fósforo en
tratamiento
fisicoquímico
Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios
15.1. Residuos de pretratamiento
Para facilitar su transporte, los residuos retirados del pozo de muy gruesos y del cribado,
deben escurrirse y compactarse mediante el uso de prensas hidráulicas o mecánicas.
La arena extraída en forma manual de los canales de desarenado, no es reutilizable; por
esta razón, debe ser enviada a un relleno sanitario junto con los residuos deshidratados
del pozo de muy gruesos y del cribado.
Para el caso de desarenadores aireados y desarenadores-desengrasadores, cuya
extracción de arenas se realiza por bombeo continuo, el extraído debe llevarse a depósitos
de poca profundidad en donde la arena se deposita en el fondo y el agua se extrae por
rebose y es regresada a la entrada del desarenador nuevamente. Otra opción es el retiro
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
mediante un tornillo de Arquímedes, el cual permite la extracción de la arena en seco o,
también, a través de un hidrociclón equipado de un tornillo sinfín.
La arena se lleva a unos contenedores para su posterior disposición. En algunas
instalaciones lavan las arenas antes de su almacenamiento temporal en unos lavadores
tipo Geiger. Esto evita la aparición de malos olores.
Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de: http://img.directindustry.es/images_di/photog/planta-de-lavado-de-arenas-539813.jpg
Las grasas removidas se conducen a un depósito donde el reposo permite concentrar las
grasas en la superficie y evacuar el agua por el fondo, retornándola nuevamente a la
entrada el desarenador-desengrasador. En algunas instalaciones combinan el material
sólido con las grasas y se llevan conjuntamente al relleno sanitario. Otra opción es
incinerar estas grasas.
Un video sobre estos equipos de separación y clasificación de los residuos extraídos del pretratamiento,
puede ser visto abriendo este hipervínculo.
Algunos de estos equipos separadores y clasificadores de los residuos extraídos del
pretratamiento, pueden también hacer la compactación de los mismos.
Un video sobre los equipos que también incorporan compactación de los residuos extraídos del
pretratamiento, puede ser visto abriendo este hipervínculo.
15.2. Lodos del tratamiento primario
Estos lodos tienen una consistencia limosa y una coloración entre marrón y grisácea. Por
su alto contenido de materia orgánica se descomponen con facilidad, causando malos
olores. Cuando se hace tratamiento primario químicamente asistido (TPQA), se obtienen
lodos de color negro con menos susceptibilidad a la putrefacción y, por ende, con menos
olor que los del tratamiento convencional.
83
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Estos lodos se deben tratar de manera conjunta con los lodos resultantes de los
tratamientos secundarios, cuyos detalles se exponen en la Lección 25. Las características
generales de los lodos primarios se exponen en la Tabla 29.
Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria (Lozano-Rivas, Material de clase para
las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valores típicos
SST (g/hab*d)
30 a 38
Contenido de agua (%)
92 a 96
Fracción orgánica (medida como % de sólidos
70 a 80
suspendidos volátiles – SSV en base seca)
Grasas (% base seca)
12 a 15
Proteínas (% base seca)
4 a 15
Carbohidratos (% base seca)
8 a 12
pH
5,0 a 7,0
Fósforo (% base seca)
0,5 a 1,5
Nitrógeno (% base seca)
2,5 a 5,0
Patógenos (NMP/100 mL)
1000 a 1.000.000
Parásitos (NMP/100 mL)
8 a 15
Metales pesados (% base seca de Zn, Pb y Cu)
0,5 a 3
Poder calorífico (kcal/kg)
4000 a 5000
Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de: http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 1
 Preguntas sobre la Unidad
1) El agua residual está compuesta generalmente por:
2) Con respecto a los Sólidos totales, que porcentaje de Sólidos en suspensión
(SS) están representados en forma de partículas en el Agua Residual
3) La DBO5 representa:
4) La DQO representa:
5) La degradación de la materia orgánica se produce como consecuencia de la
acción de los microorganismos en las cuales las bacterias depuradoras se
clasifican en:
 Actividades prácticas relacionadas con la unidad 1
En su municipio indague donde son depositados los vertimientos y/o aguas
residuales, ubique el lugar y mediante un análisis general, realice un paralelo
entre las aguas residuales y la fuente receptora (aguas arriba) diligenciando la
siguiente matriz comparativa
Características
Color
Agua residual
Fuente Receptora Responda los siguientes interrogantes aguas arriba
1‐ Tomaría agua de la fuente receptora? 2- Se bañaría en la fuente receptora?
3Turbiedad
Alta-media-baja
Olor
Prepararía sus alimentos con el agua de la fuente receptora?
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Temperatura
 Fuentes Documentales de la Unidad 1
-Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua. Bogotá
D.C.: McGraw Hill.
-Collazos, C. (2008). Tratamiento de Aguas Residuales - Generalidades.
Recuperado el 1 de Julio de 2012, de Universidad Nacional de
Colombia:http://www.ing.unal.edu.co/catedra/drs_diaz_collazos/GENERALIDA
DES.pdf
-CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua.(s.f.). La
Reutilización de Aguas Residuales. En Agua potable para comunidades rurales,
reúso y tratamientos avanzados de aguas residuales domésticas. Madrid.
-Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de
ESAMUR. (2006). Tecnología del Agua N°269. Murcia.
Murcia -
-Lozano-Rivas, W. (2012). Antecedentes y Definiciones Básicas -Presentaciones
del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en PDF).
Recuperado el 1 de Julio de 2012,de Blog - Agua y Ambiente:
http://wlozano.blogspot.com
-Lozano-Rivas, W. (2012). Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de
Aguas Residuales. Varios documentos. Bogotá D.C., Colombia: Disponibles en
http://wlozano.blogspot.com.
-Malina, J., & Pohland, F. (1992). Design of Anaerobic Processes for the Treatment
of Industrial and Municipal Wastes. New York: Technomic.
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS
CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO
El tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es entendido como la eliminación
de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en
los reactores. De esta manera se removerán sustancias orgánicas biodegradables,
partículas coloidales y contaminantes disueltos, entre otros, convirtiéndolos en gases y en
biomasa (nuevas células), separable por sedimentación. Este esquema se aprecia en la
Ilustración 17.
Gases
Materia
orgánica
Hongos, bacterias y
protozoos
Floc biológico como
sustrato (alimento)
Biomasa en
suspensión +
compuestos
oxidados
Nuevos
microorganismos
Floc biológico
(biomasa extraíble
por sedimantación
Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
En este capítulo se presentarán los fundamentos de la aireación, los equipos aireadores
más usados en la depuración biológica del agua, los principios que rigen la depuración
biológica, las herramientas de control de dichos principios y los modelos de reactores
existentes en el esquema de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR).
Lección 16. Teoría de la aireación
El proceso de aireación consiste en poner el agua en contacto íntimo con el aire. Para los
procesos de tratamiento de aguas residuales, el objetivo principal de la aireación es el de
proporcionarle a los microorganismos el oxígeno necesario para que realicen sus procesos
de transformación y degradación de la materia orgánica contaminante. De igual manera,
la aireación permite:
85
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





Transferir oxígeno disuelto.
Remover sustancias volátiles.
Eliminar anhídrido carbónico (CO 2).
Remover ácido sulfhídrico (H2S).
Remover hierro (Fe) y Manganeso (Mn).
Eliminar gas metano (CH4), gas cloro (Cl2) y amonio (NH4).
Los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales requieren concentraciones
de oxígeno entre 0,2 y 2,0 mg/L. Los requerimientos de la mezcla son los que
determinarán la potencia necesaria de los equipos de aireación empleados.
16.1. Teoría de la doble capa
En la interfase entre el líquido (agua residual) y el gas (aire u oxígeno) se forma una
película a través de la cual se transfiere el gas hacia el líquido por difusión molecular 6. La
cantidad de gas transferido por unidad de tiempo (coeficiente de transferencia) es un
valor constante a través de cada película y es dependiente del tipo de aireador y de la
geometría del tanque de aireación.
Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido.
El coeficiente de transferencia de oxígeno depende del valor de saturación de oxígeno en
el agua residual, el cual corresponde al valor de saturación de oxígeno en el agua limpia,
afectado por un factor de corrección “β”. Los valores de saturación de oxígeno “Cs” en el
agua limpia a diferentes temperaturas se muestran en la Tabla 26.
6
Es un movimiento aleatorio de las moléculas, similar al movimiento browniano.
86
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Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua limpia a 1 atmósfera de presión (760
mm Hg).
“Cs” Oxígeno Disuelto
“Cs” Oxígeno Disuelto
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
(mg/L)
(mg/L)
0
14,62
18
9,54
5
12,80
19
9,35
7
12,17
20
9,17
8
11,87
21
8,99
9
11,59
22
8,83
10
11,33
23
8,68
11
11,08
24
8,53
12
10,83
25
8,38
13
10,60
26
8,22
14
10,37
27
8,07
15
10,15
28
7,92
16
9,95
29
7,77
17
9,74
30
7,63
Para determinar el valor de concentración de saturación para un agua residual “Csw”, debe
tomarse el valor de concentración de saturación del agua limpia “Cs” y afectarse por el
factor de corrección “β”, el cual oscila entre 0,92 y 0,98, de manera que:
Para presiones distintas a 1 atmósfera (760 mm Hg):
Donde,
β
PL
Pv
factor de corrección para aguas residuales, entre 0,92 a 0,98
presión Local Atmosférica o Barométrica (mm Hg)
presión de Vapor de Agua (mm Hg, en tablas)
El coeficiente de transferencia de oxígeno puede ser medido en pruebas de laboratorio,
así:


Tomar entre 2 y 200 L de agua potable, se lee su OD y se desoxigena con Sulfito de
Sodio (12 mg/L por mg/L de OD) y 0,04 mg/L de Cloruro de Cobalto (catalizador).
También se logra burbujeando gas nitrógeno.
Con el oxígeno disuelto en cero, encender los agitadores o burbujeadores (de
velocidad o volumen constante) y registrar los incrementos de oxígeno en función
87
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del tiempo de aireación, hasta que el oxígeno disuelto se estabilice (este
corresponderá al valor de saturación).
Graficar el Logaritmo de la concentración de saturación de oxígeno “Log Cs”,
dividido por la concentración de saturación de oxígeno menos el valor de oxígeno
disuelto a diferentes intervalos de tiempo “Cs-C”, contra el tiempo:


Calcular el valor de la pendiente de la recta obtenida y estimar el coeficiente de
transferencia “KLa” considerando que:
Hasta aquí, sólo se ha calculado el Coeficiente de Transferencia del equipo aireador, cuyo
fabricante, de hecho, lo pone en las especificaciones del equipo. No obstante, este
coeficiente dado por el fabricante corresponde a un ensayo de laboratorio con agua
potable, a 20 °C y 1 atmósfera de presión, por lo tanto, el valor de KLa debe corregirse para
las condiciones de operación con aguas residuales.
El fabricante también proporcionará el valor de “N”, el cual corresponde a la capacidad
nominal (en condiciones estándar) de oxigenación del equipo, cuyas unidades son
kilogramos de oxígeno por hora (kg O 2/h). Este valor permite estimar la cantidad de aire
suministrada “R” por el equipo aireador, así:
Donde,
R
N
n’
hd
CA
cantidad de aire suministrada (m3/h)
capacidad nominal de oxigenación del equipo (kg O 2/h)
tasa de absorción específica (es igual a 0,044, quiere decir que sólo un 4,4% del
aire se disuelve, el resto escapa hacia la atmósfera)
sumergencia o profundidad a la que se instalan los difusores (m)
concentración de O2 en el aire (es igual a 0,28 kg/m3 para condiciones estándar)
Para estimar una potencia teórica debe considerarse entre 1 y 2 kilogramos de oxígeno
por horse-power (potencia7) y por hora: 1 a 2 kg de O2/hp*h.
7
1 hp = 0,746 kW = 746 J/s
88
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Lección 17. Equipos aireadores
Los tipos de equipos de aireación más empleados en el tratamiento de aguas residuales,
son:
 Sistemas de Aireación Difusa o Aire Comprimido.
o Equipos difusores
 Sistemas de Aireación Superficial
o Equipos de flujo Radial
o Equipos de flujo Axial
o Equipos aspirantes
o Rotores horizontales o cepillos
 Sistemas de Turbina
o Equipos de turbina sumergida
17.1. Sistemas de aireación difusa o por aire comprimido
La aireación difusa es la inyección de gas, aire u oxígeno, bajo presión, por la parte inferior
de la superficie libre del fluido. Esta aplicación se realiza a través de medios porosos
conocidos como difusores, que producen burbujas de diámetros muy pequeños. Los
preferidos son los de poro fino (2 a 5 mm), seguidos por los de poro semifino (6 a 10 mm)
y los de burbuja gruesa (>10 mm).
Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen tomada de:
http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration-001.jpg
Pueden transferir de 0,3 kg O2/kW*h a 1,2 kg O2/kW*h, siendo usados, especialmente en
depuradoras pequeñas con tanques que tienen profundidades entre 2,5 y 5,0 m, con
89
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anchos entre 3 a 9 metros. La relación ideal ancho/profundidad de estos tanques debe ser
menor a 2, con el fin de asegurar una aireación efectiva y una mezcla apropiada.
Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de:
http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f5236733e0b.jpg
17.2. Sistemas de aireación superficial
Estos pueden ser de flujo radial (baja velocidad), axial (alta velocidad), equipos aspirantes
o cepillos (rotores horizontales).
Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aerator-for-wastewater-treatment-560483.jpg y
de http://image.made-in-china.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-System-WastewaterAerator-LY-1-.jpg
90
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Los equipos de flujo radial usan velocidades de operación entre 20 a 100 rpm
(revoluciones por minuto), con potencias hasta de 150 kW. Pueden ser fijos o flotantes. La
capacidad de transferencia oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h.
Los equipos de flujo axial se usan mucho en lagunas aireadas, las cuales tienen bajas
profundidades. Estos equipos consumen menos energía que los radiales. Se encuentran
con potencias hasta de 93 kW y tienen capacidades de transferencia entre 0,7 y 1,4 kg
O2/kW*h. Generan una mejor mezcla en los tanques de aireación.
Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de: http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg
Los equipos aspirantes poseen un eje hueco con un motor en un extremo y una hélice en
el otro. El aire se aspira desde la atmósfera y se inyecta al agua. Tienen inclinación variable
y suelen instalarse sobre soportes flotantes. Su capacidad de transferencia va de 0,5 a 0,8
kg O2/kW*h.
Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de:
http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg
91
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Los cepillos de aireación se emplean en zanjones de oxidación. La tasa de oxigenación
oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h. Para asegurar una buena mezcla el volumen del zanjón
debe ser inferior a 200 m3/m de rotor.
Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada de:
http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_BrushAerators.jpg
17.3. Sistemas de turbina sumergida
Aunque tienen un volumen o área de influencia menor que los aireadores superficiales,
tienen altas capacidades de transferencia de oxígeno que oscilan entre 1,0 y 2,0 kg
O2/kW*h. Los diámetros de turbina suelen ser entre 0,1 y 0,2 veces el ancho del tanque
para depósitos con alturas entre 5 y 6 metros.
Mira los siguientes videos de equipos de aireación y trata de identificar de qué tipo son, aireador 1, aireador
2, aireador 3, aireador 4.8
Lección 18. Teoría de la depuración biológica
El principio del tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es análogo al de la
autopurificación de las aguas. En las depuradoras, estos fenómenos se dan en reactores
que mantienen los microorganismos bajo condiciones controladas, acelerando así el
proceso de descomposición y la neutralización de la materia orgánica.
En la depuración biológica se presentan múltiples reacciones de tipo bioquímico que
transforman la materia orgánica, los nutrientes y otros compuestos (e.g. sulfuros,
En su orden, los videos corresponden a: aireador superficial; difusores; cepillos de
aireación y, el último, corresponde a una muestra de varios equipos, empezando por los
aspiradores.
8
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metales) en elementos más simples y de mayor estabilidad; este proceso se conoce como
oxidación biológica y en él, se realiza una conversión de los elementos orgánicos a formas
inorgánicas altamente oxidadas (mineralización). Estas reacciones pueden efectuarse
mediante un proceso:


Aerobio: en presencia de oxígeno disuelto.
Anaerobio: en ausencia de oxígeno disuelto y de nitratos
Igualmente, cada uno de estos procesos puede llevarse a cabo con la biomasa
(microorganismos):


Adherida
En suspensión
En el TBAR, los microorganismos (biomasa) emplean las sustancias suspendidas o
disueltas, presentes en las aguas residuales, para incorporarlas a su metabolismo en los
procesos de obtención de energía y síntesis celular (generación de nuevas células). Toda
oxidación, incluyendo la mineralización u oxidación biológica, implica una transferencia de
electrones entre un donador (sustancia reductora) y un aceptor de electrones (sustancia
oxidante). En el TBAR, la materia orgánica es la donante de electrones para los organismos
vivos; no obstante, elementos inorgánicos reducidos como amoniaco, sulfuros, hierro
ferroso e hidrógeno molecular se comportan, para las bacterias, como donantes de
electrones, alimento o fuente de energía (Romero Rojas, 1999).
18.1. Proceso aerobio
Se considera un proceso de respiración de oxígeno en el que el oxígeno libre es el único
aceptor final de electrones. El carbono se oxida y el oxígeno se reduce. A pesar de la
complejidad de este metabolismo microbial, su representación puede simplificarse de la
siguiente manera (Ilustración 21).
Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
93
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Como puede deducirse de la ilustración 21, la molécula C 5H7CO2 representa las bacterias o
la biomasa formada; de igual manera, la degradación biológica aerobia de la materia
orgánica, implica la aparición de nitrógeno amoniacal, incrementándolo en el afluente.
Las bacterias emplearán el oxígeno disuelto para oxidar la materia orgánica a en anhídrido
carbónico y generar energía. En ambas vías del metabolismo aeróbico de la materia
orgánica, se genera nitrógeno amoniacal y se consume el oxígeno disponible en el agua.
Estequiométricamente, se estima que para oxidar 1 g de biomasa, se consumen 1,42 g de
oxígeno.
18.2. Proceso anaerobio
Se conoce también como digestión o fermentación anaerobia. En el proceso anaerobio, la
mayor parte de la energía liberada permanece en los productos finales orgánicos
reducidos como el metano; razón por la cual, se genera una menor cantidad de biomasa (y
de menos lodos) que en el proceso aerobio.
El uso de sulfatos y CO2 como aceptores de electrones obliga a tener condiciones
anaerobias estrictas (ausencia de oxígeno y nitratos), de lo contrario, la formación de
metano (CH4) se verá afectada. El proceso anaerobio se puede reducir en tres etapas, de
las cuales, las dos últimas ocurren de manera simultánea:



Fase hidrolítica
Fermentación ácida
Fermentación metanogénica
En la primera etapa, las bacterias hidrolíticas transforman enzimáticamente los
compuestos complejos (e.g. proteínas, carbohidratos y grasas) en otros de baja masa
molecular (e.g. azúcares, aminoácidos, ácidos grasos, glicerol) que son fuentes aptas de
energía y carbón celular.
Estas moléculas simples serán transformadas, en la etapa acetogénica (fermentación
ácida) en ácidos de cadena corta (e.g. ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico), así
como hidrógeno y CO2.
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En la fase metanogénica, las bacterias anaerobias estrictas convertirán los productos de la
fermentación ácida en CO2 y CH4, principalmente.
Estas etapas se pueden ver ilustradas en la siguiente figura (Ilustración 22):
Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).
Mayor información sobre la oxidación biológica, puede ser consultada en el documento “Principios básicos
de la oxidación biológica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento
Lección 19. Control del proceso biológico
Tanto para los procesos aerobios como los anaerobios, los microorganismos encargados
de la mineralización de la materia orgánica se desarrollarán y actuarán de manera óptima
siempre y cuando se mantenga, de forma general:



Nutrientes en cantidad y proporciones apropiadas.
Inexistencia de compuestos tóxicos o inhibitorios.
Condiciones ambientales apropiadas (e.g. pH, temperatura).
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Los microorganismos requieren carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), como
nutrientes principales; en menor proporción también demandarán fósforo, azufre,
potasio, calcio, hierro, magnesio, zinc y molibdeno. Todos estos nutrientes se encuentran
comúnmente en las aguas residuales domésticas y en las municipales o urbanas; no
obstante, los efluentes industriales suelen presentar deficiencias en varios de estos
elementos.
Una de las relaciones de rendimiento óptimo más empleadas para evaluar la
disponibilidad de nutrientes en las aguas residuales, es:
DBO/N/P = 100/5/1
Otro aspecto a considerar y que dependerá del tipo de reactor y de su modo de
operación, es la relación alimento/microorganismo, notada frecuentemente como F/M
(del inglés Food/Microorganisms), aunque también se cita en algunos textos como
relación A/M. Este valor da cuenta de la fracción en masa de materia orgánica disponible
por microorganismo.
Algunos compuestos presentes en las aguas residuales son de difícil descomposición por
vías microbianas y deben usarse tratamientos fisicoquímicos para su eliminación. La
lignina y la celulosa son compuestos extremadamente estables y sólo pueden ser
descompuestos por bacterias especializadas. Algunos compuestos tóxicos, como los
metales pesados, pueden ser inhibitorios para el crecimiento de los organismos; no
obstante, este efecto es muy variable dependiendo de las características de la biomasa, el
tipo de proceso y la aclimatación, entre otros factores. Las concentraciones inhibitorias en
aguas residuales para algunos compuestos presentes, se exponen en la Tabla 27.
Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos de oxidación biológica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Aluminio
Amoniaco
Arsénico
Cadmio
Calcio
Cianuros
Cloruros
Cobre
Cromo hexavalente
Cromo trivalente
Fenoles
Hidrocarburos
Hierro
Concentración inhibitoria (mg/L)
Aerobia
Anaerobia
25
580
1500
0,1
100
0,02
2500
5
1
15000
1
2
2
10
50
500
180
50
20
5
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Magnesio
Mercurio
Níquel
Nitritos
Plata
Plomo
Potasio
Sodio
Sólidos disueltos
Sulfatos
Sulfuros
Vanadio
Zinc
50
0,005
1
1000
1
2
35
1a2
0,1
2500
3500
15000
500
100
10
5
20
Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos aerobios son:
 Nutrientes suficientes.
 pH entre 6,5 y 8,5.
 Temperatura inferior a 38 °C.
 Presencia de oxígeno.
 Ausencia de sustancias tóxicas.
Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos anaerobios son:
 Nutrientes suficientes.
 pH entre 6,5 y 7,6.
 Temperatura entre 30 y 38 °C para organismos mesófilos o entre 50 a 60 °C para
organismos termófilos.
 Ausencia de oxígeno.
 Potencial de óxido-reducción (POR) entre -470 a -550 mV.
 Ausencia de sustancias tóxicas.
La producción de biomasa anaerobia es casi 20 veces menor que la que se presenta en los
procesos aerobios.
19.1. Definiciones fundamentales para el control y diseño de los procesos biológicos
En cualquiera de los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR),
existen conceptos fundamentales que permiten, no sólo verificar el control de la
depuración en los reactores, sino también, diseñar o modificar el diseño del reactor.
a. Carga Hidráulica “CH”: corresponde al caudal de aguas residuales tratado (/t) por
unidad de área horizontal del reactor “S”. Puede ser también entendida como una
velocidad de tratamiento.
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b. Carga Másica o Carga Orgánica “CM”: conocida también como Carga
Contaminante, es el producto de la concentración de un contaminante “C” y el
caudal de aguas residuales vertidas “Q”. Es entendida como el aporte en masa de
contaminantes de un vertido.
c. Carga Volumétrica “CV”: es el cociente entre la carga másica (carga contaminante)
“CM” por volumen de la unidad de tratamiento (reactor) “”.
d. Carga Superficial “Cs”: corresponde al cociente entre la carga másica (carga
contaminante) “CM” por unidad de área superficial del reactor “S”.
e. Tiempo de Retención Hidráulico (TRH): es el cociente entre el volumen del reactor
o unidad de tratamiento “” por el caudal tratado de aguas residuales “Q”.
f. Tiempo de Retención Celular o Edad de Lodo (TRC): es la relación en masa de la
cantidad de biomasa existente (microorganismos) en el reactor “Mexis”, por la
biomasa eliminada “Melim” y por día.
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Lección 20. Modelos de reactores y características
El tratamiento de las aguas residuales puede efectuarse en unidades que se clasifican
según su forma de alimentación, en:

Flujo intermitente: conocidos también como de llenado y vaciado, o reactores por
cochada, son unidades que se llenan con un volumen de agua residual (etapa de
llenado), se tratan estas aguas (etapa de tratamiento) y se vacía (etapa de vaciado)
para dar lugar a una nueva carga con otro volumen de aguas residuales. Se usa
frecuentemente en aguas residuales industriales, en donde la descarga de
efluentes líquidos no se realiza de manera continua, sino en periodos o lapsos del
día. Aunque este fue el modelo de reactor que empezó a usarse en los inicios del
tratamiento de aguas residuales municipales, el rápido crecimiento de las ciudades
obligó a cambiar estos reactores por otros de funcionamiento continuo. También
se usa mucho en investigaciones y experimentos de laboratorio debido a la
comodidad que supone el no trabajar con flujos constantes de agua.

Flujo continuo: estos reactores presentan una entrada y salida permanente de
caudal y, de manera simultánea, se efectúa el tratamiento de las aguas residuales.
Adicionalmente, se tienen reactores que según su hidráulica de flujo se clasifican en:

De mezcla completa: podemos imaginar que en estos reactores se tiene una
turbina que recorre totalmente el área del tanque, combinando casi
instantáneamente las aguas que se encuentran dentro del reactor, con las que
están ingresando como afluente. De manera coloquial, es como estar batiendo
constantemente el contenido de una olla, balde o vaso, que tiene una entrada y
salida constantes de líquido.

De flujo a pistón: en este reactor, el agua que ingresa como afluente recorre
longitudinalmente el tanque, como si se tratase de una pared que se desplaza a
una misma velocidad sin mezclarse con el resto del líquido, hasta su salida.
Las características geométricas y el equipo empleado en el reactor, determinarán el tipo
de hidráulica predominante en el tanque de reacción. Es fácil imaginar que un tanque de
sección circular con una turbina, trabajará como reactor a mezcla completa, mientras que
un tanque rectangular, muy alargado, tendrá una hidráulica cercana al flujo a pistón. Estas
combinaciones darán lugar a las siguientes tres (3) tipologías básicas de reactores:
a. Reactor intermitente (a mezcla completa).
b. Reactor de flujo continuo y mezcla completa.
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c. Reactor de flujo continuo a pistón.
20.1. Reactor intermitente (a mezcla completa). Es un sistema cerrado muy empleado
para investigaciones y ensayos a nivel de laboratorio. La composición del agua residual
cambia en el tiempo, pero se mantiene homogénea en todo el reactor.
20.2. Reactor de flujo continuo y mezcla completa. En este reactor el afluente se mezcla
de forma casi instantánea y completa con el contenido del reactor, de manera que la
dispersión de los materiales es infinita. En estas condiciones, la concentración de materia
orgánica del efluente es exactamente igual a la concentración del licor mezclado del
reactor.
20.3. Reactor de flujo continuo a pistón. Cada partícula viajará por este reactor sin
mezclarse, de forma que se descargará en la misma secuencia y orden en las que entran al
reactor: visto de manera coloquial, es semejante a una fila de un banco que es atendida
por un solo cajero. En este modelo, el tiempo de retención hidráulica real para cada
molécula de agua es idéntico al tiempo teórico. Este reactor es teóricamente (y también
en la práctica) más eficiente que los de mezcla completa y ocupará, consecuentemente,
menos espacio.
Los microorganismos en los reactores, independientemente de si son aerobios o
anaerobios, pueden encontrarse de dos formas:


Biomasa Suspendida (cultivo en suspensión).
Biomasa Adherida (cultivo fijo).
Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa adherida (cultivo fijo). Imagen tomada
de: http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg
100
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La biomasa se encontrará suspendida (llamada también cultivo en suspensión), cuando los
microorganismos no cuentan con ningún medio de soporte sobre el cual adherirse. De
manera simple, estos reactores son similares a una piscina en la que los microorganismos
“nadan” libremente en todas las direcciones posibles.
Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen tomada de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg
La biomasa adherida (llamada también cultivo fijo), se presenta cuando los
microorganismos se fijan sobre un medio de soporte (e.g. piedras, piezas plásticas,
materiales inertes) formando una zooglea o biopelícula (biofilm). La clasificación de los
sistemas más usados para el tratamiento de las aguas residuales, se expone en la
Ilustración
Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase
para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
101
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CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO
El tratamiento secundario, conocido también como depuración o tratamiento biológico de
las aguas residuales (TBAR), es entendido como la eliminación de contaminantes mediante
la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores.
La materia orgánica en suspensión y disuelta es convertida, mediante procesos de
oxidación química, en biomasa y sólidos inorgánicos sedimentables. Como ya se ha visto
en los capítulos anteriores, mientras que en el tratamiento primario se remueven sólidos
en suspensión y, por ende, buena parte de la DBO suspendida, el tratamiento secundario
o biológico busca remover, especialmente, la DBO soluble y los remanentes de materia en
suspensión que escaparon del tratamiento primario.
Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_7
29600497.jpg
Aunque el tratamiento secundario es capaz de remover DBO y SST en valores cercanos al
85%, no eliminará significativamente nutrientes (N y P), ni metales pesados, ni patógenos,
los cuales deben ser removidos posteriormente. Las unidades convencionales de
tratamiento biológico más empleadas en nuestro medio, son los lodos activados y los
filtros percoladores, los cuales se tratarán en este capítulo; como tecnologías no
convencionales, en Colombia y en Latinoamérica, se usan de manera extensiva las lagunas
aireadas y de estabilización, las cuales serán expuestas en el Capítulo 9 (Tecnologías
Blandas). En menor proporción se utilizan también los biodiscos o contactores biológicos
rotativos (CBR).
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Lección 21. Lodos activados
Un reactor de lodos activados mantiene en suspensión a un cultivo microbiano en
condiciones aerobias. El proceso hace uso de un sistema de aireación o agitación, el cual
suministrará el oxígeno que demandan las bacterias, evitará que haya asentamiento de la
biomasa en el reactor y, además, mantendrá homogeneidad del licor mezclado en el
tanque.
Una vez que la materia orgánica ha sido oxidada, el efluente se envía a un sedimentador o
decantador secundario en donde se separará el fango (biomasa) del agua. Parte de esta
biomasa decantada es recirculada al reactor con el fin de mantener en él una buena
concentración de microorganismos y otra parte se desecha (purga), llevándola a
tratamiento de lodos, evitando así acumulaciones excesivas de microorganismos en el
sistema que pueden alterar los tiempos de retención celular.
Una de las preguntas recurrentes de los estudiantes es ¿a qué se le llama exactamente
“lodo activo”? una respuesta corta y sencilla es que el lodo activo es la suma de la
biomasa formada en el reactor y los sólidos suspendidos (materia inerte y compuestos
inorgánicos) aportados por el agua residual. Esta mezcla de microorganismos y materia
inerte tiene una alta capacidad de absorción de la materia orgánica y por ello se le llama
“activo” o “activado”.
Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen tomada de
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8
21.1 Lodos activados en reactores de mezcla completa
Estas unidades se suelen emplear para caudales pequeños (<400 m 3/d) y con cargas bajas,
razón por la cual se usan en depuradoras prefabricadas con aireación superficial o con
turbina. Estos sistemas soportan bien los flujos y cargas transientes (variaciones
repentinas de caudal o carga contaminante).
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Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8
21.2. Lodos activados en reactores de flujo a pistón
Suelen emplearse para el tratamiento de grandes caudales, con funcionamiento de carga
media o alta y aireación convencional, escalonada o gradual, empleando difusores
(especialmente).
Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8
21.3. Métodos de aireación para reactores de flujo a pistón
Considerando que la demanda de oxígeno (DBO) o la cantidad de materia orgánica
oxidable, disminuye con el tiempo de tratamiento y en la medida en que avanza por el
reactor, la aireación puede efectuarse de tres formas:



Aireación convencional: consiste en abastecer exactamente la misma cantidad de
oxígeno a lo largo de todo el reactor. Se emplea en operaciones con carga media y
alta.
Adición por pasos o escalonada: en este caso, aunque se mantiene la misma
alimentación de oxígeno a lo largo del reactor, el afluente de aguas residuales se
ingresa al tanque en diferentes puntos a lo largo de su recorrido. Se usa en
operaciones de carga media o alta.
Aireación gradual: se prefiere en caudales mayores a los 2000 m 3/d para aguas
residuales municipales y mayores a 400 m3/d para depuración de aguas residuales
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industriales. El suministro de aire desciende de manera gradual y proporcional a la
disminución de la DBO a lo largo del reactor.
Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de flujo a pistón (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.mixing.com/site/images/019.jpg
21.4. Métodos de operación de los lodos activados
Como se ha venido sugiriendo en esta lección, existen tres modos de operación de los
lodos activados: a) alta carga; b) carga media o convencional; y c) carga baja o aireación
extendida o prolongada. Las características de cada operación, se exponen en la Tabla 28.
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Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados (Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras
de Aguas Residuales, 2012)
AIREACIÓN
CONVENCIONAL
EXTENDIDA O
PARÁMETRO
ALTA CARGA
(CARGA MEDIA)
PROLONGADA
(CARGA BAJA)
Color de Fango
Gris marrón
Marrón
Chocolate
Carga másica (Cm) (kg DBO5/kg SSLM*d)
0,4 – 1,5
0,1 – 1,0
0,03 – 0,12
3
Carga volumétrica (Cv) (kg DBO5/m *d)
1,6 - 16
0,3 – 3,0
0,16 – 0,4
Tiempo de Retención Celular (TRC) (días)
TRH (horas)
SSLM (ppm)
Tasa de Recirculación (%)
Relación F/M
Exceso de Lodos (kg SSLM/kg DBO5*d)
5 - 10
0,5 - 4
1000 - 2000
100 - 500
0,4 – 1,5
1,2
5,0 – 15
4,0 – 10
2000 - 3000
25 - 50
0,2 – 0,4
0,9 - 1
20 – 30
18 – 36
3000 – 6000
75 – 150
0,05 – 0,15
< 0,6
Respiración Endógena (mg O2/g*h)
10
120 - 250
80
<100
25 – 95
80
3 - 10
90 - 160
70
30
>95
90
<3
50 – 100
50
<10
>125
90
IVL (mL/g)
N Total en Lodo (mg/g)
Consumo de Oxígeno (mg O2/L*h)
Equipos de aireación (m3 aire / kg DBO)
Eficiencia media (%)
El modo de operación de alta carga permite reducir costos de construcción (bajo TRH),
pero los decantadores secundarios son más grandes. La aireación extendida o prolongada
es la que más se usa en unidades compactas (prefabricadas) y caudales pequeños (<400
m3/d), dado que los altos tiempos de retención permiten la digestión completa del lodo
(autodigestión y lisis en la fase endógena).
Cuando hay déficit de nitrógeno en el reactor, se agregará amoniaco deshidratado (NH 3);
en los casos en que el fósforo es el elemento que escasea en el tanque de aireación, se
agregará ácido fosfórico (H3PO4) hasta obtener el nivel deseado.
Un video de una depuradora completa que emplea un reactor de lodos activos como tratamiento secundario
puede ser visto abriendo este hipervínculo.
El volumen del tanque de aireación de lodos activados, se calcula con la siguiente
expresión:
Donde,
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
TRC
Y
Q
So
S
X
Kd
volumen del reactor (m3)
tiempo de retención celular (d)
coeficiente de crecimiento bacteriano (oscila entre 0,4 y 0,8)
caudal de aguas residuales (m3/d)
DQO inicial en el afluente (kg/m3)
DQO final en el efluente (kg/m3)
SSLM -sólidos suspendidos del licor mezclado- en el tanque (kg/m3)
coeficiente de eliminación de bacterias (oscila entre 0,040 – 0,075)
La carga másica se calcula de la siguiente manera:
Donde,
Cm
carga másica (kg DQO/kg SSLM*d)
El tiempo de retención celular (en días), se estimará así:
Donde,
Qp
Xr
caudal de purga (m3/d)
SSLM -sólidos suspendidos del licor mezclado- en el lodo (kg/m3)
El caudal de recirculación (en m3/d) se estimará así:
La relación F/M (alimento/microorganismos) podrá calcularse, así:
Los valores de diseño, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o
en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una
normativa o por la literatura técnica, sin el debido sustento.
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Ejemplo 21.1.
Dimensionar un tanque de lodos activados de operación convencional, para un caudal de
aguas residuales (Q) de 7000 m3/d, una DQO de entrada de 500 mg/L (So) y una DQO de
salida (S), de 35 mg/L. Los SSLM en el tanque (X) son 3,5 kg/m3 (3500 mg/L) y en los lodos
(Xr) de 15 kg/m3 (15000 mg/L). El reactor se proyectará con un tiempo de retención celular
de 10 días (TRC), con un coeficiente de crecimiento bacteriano (Y) de 0,5 y un coeficiente
de eliminación de bacterias (Kd) de 0,05 d-1.
Solución:
Se calcula el volumen, así:
El tiempo de retención hidráulica será:
Este tiempo está muy cerca del rango recomendado para la operación de reactores de
carga convencional: 4 a 10 horas y, por tanto, se acepta.
Se determina la carga másica:
Este valor se encuentra dentro del rango recomendado para los reactores operados de
forma convencional: 0,1 a 1,0 kg DBO5/kg SSLM*d y, por tanto, se acepta.
El caudal de purga, despejando “Qp” de la fórmula para el cálculo del tiempo de retención
celular, es:
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Este caudal de purga corresponde al volumen que se extrae del decantador secundario y
que se llevará a tratamiento de lodos. La otra fracción debe ser retornada al reactor como
caudal de recirculación, este volumen o caudal de recirculación “Qr” se calcula así:
Por lo tanto, la tasa de recirculación será:
Este valor se encuentra dentro del rango recomendado para los reactores operados de
forma convencional: 25 a 50% y, por tanto, se acepta.
Para finalizar, se verifica la relación alimento/microorganismos (F/M) que para la
operación convencional deberá oscilar entre 0,2 y 0,4:
Mayor información sobre los lodos activados, puede ser consultada en el documento de Ronzano y Dapena
“Fundamentos de los Fangos Activos”: Ir al documento
También pueden consultarse los problemas de operación: Ir al documento
Lección 22. Filtro percolador
También llamados biofiltros, es quizá el tipo de reactor más usado en nuestro medio. A
pesar de su nombre (filtro percolador) esta unidad no realiza un proceso de filtración
propiamente dicho, sino que se trata de una torre de contacto en la que el agua residual
escurre, desde arriba, por un lecho fijo en el que la biomasa se encuentra adherida.
Este lecho fijo se compone de piedras o, más recientemente, de piezas plásticas u otro
material, sobre las cuales se realiza una aspersión de las aguas residuales, mediante un
brazo rotatorio con orificios o boquillas, el cual es movido por un motor o por la misma
acción dinámica del agua al golpear con la superficie del lecho. Con el tiempo, se forma
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una biopelícula (biofilm), llamada también zooglea, sobre este material de soporte; esta
biopelícula o lama biológica de microorganismos se encargará de tomar como alimento
(adherir y descomponer), la materia orgánica biodegradable presente en las aguas del
afluente.
Esta biomasa adherida se encuentra formada, principalmente, por protistas: bacterias
(aerobias y facultativas, principalmente), hongos (que predominarán si se trabaja con pH
bajos) y protozoos. También se presentan larvas de insectos y caracoles. En la superficie
del filtro, por efecto de la luz solar, suelen crecer comunidades de algas que podrían llegar
a obstruir parcialmente el filtro.
Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de:
http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamientos/blandos/diseno6.gif
En la medida en que avanza la operación del filtro, la biopelícula aumenta gradualmente
su espesor sobre la superficie de las rocas o piezas plásticas. Esto causa que la materia
orgánica que se absorbe, sea empleada por los microorganismos de la parte más
superficial “capa externa”, dejando a los de la parte interna con menos alimento y
oxígeno. En consecuencia, esta “capa interna” entra en fase de crecimiento endógeno
provocando pérdida de adherencia al medio de soporte, hasta que termina por
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desprenderse. Todo lo anterior provoca un ciclo de autolimpieza en el filtro percolador
que evitará su colmatación por engrosamiento de la biomasa adherida.
Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador (Romero Rojas, 1999).
Los filtros percoladores pueden clasificarse según su carga hidráulica y orgánica en:
 Baja tasa
 Alta tasa
Aunque el filtro percolador suele operarse con recirculación del efluente clarificado
proveniente del decantador secundario, no es requisito indispensable; no obstante, ayuda
a recomponer rápidamente la biomasa que se desprende del lecho fijo, mejorando la
eficiencia del proceso de depuración. Siempre que se hable de un filtro percolador de alta
tasa, se estará afirmando que tiene recirculación.
Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen tomada de:
http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_07_IMG/7020601i.gif
Por ejemplo, si se dice que la relación de recirculación es de 0,5, significará que la mitad
del efluente clarificado del decantador secundario, se hará pasar nuevamente por el filtro
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percolador. Así mismo, si la relación de recirculación es de 2, indicará que se hará pasar
todo el efluente del decantador secundario, dos veces más por el filtro percolador.
Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. Imagen
tomada de: http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg
Este video, realizado por estudiantes, ofrece algunos detalles de los filtros percoladores; abre este
hipervínculo.
Es importante asegurar la ventilación de la torre del filtro percolador, con el fin de
mantener unas condiciones aerobias. Para ello, se suelen disponer aberturas (ventanas)
en la base del biofiltro, las cuales deben sumar un área de entre 10 y 25% de su área
superficial.
Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R. , 2001).
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Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso
fondo como sistema de drenaje. Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador
1.jpg_729600497.jpg
Los criterios de diseño según el tipo de operación y medio de contacto de los filtros
percoladores, se expone en la Tabla 30.
Tabla 29. Criterios de diseño para filtros percoladores, según tipo de operación y medio de contacto
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
ELEMENTO
CARGA BAJA
CARGA ALTA
CARGA ALTA
Medio filtrante
Piedra
Piedra
Plástico
Tamaño (cm)
2,5 a 13
2,5 a 13
Varía
Superficie específica
60 a 70
60 a 70
80 a 200
(m2 / m3)
0,4 a 0,6 (según
Constante “n” del material
1,5 a 3,5
1,5 a 3,5
fabricante)
Agua residual doméstica sedimentada = 2,21 (m*d)-0,5
Constante de tratabilidad “K”
Agua residual industrial = 0,25 a 2,51 (m*d)-0,5
Espacio vacío (%)
40 a 60
40 a 60
94 a 97
Peso específico (kg/m3)
800 a 1450
800 a 1450
30 a 100
Carga hidráulica
0,05 a 0,15
0,4 a 1,6
0,4 a 3,0
(m3/m2*h)
Carga orgánica
0,1 a 0,4
0,5 a 0,6
0,3 a 1,8
(kg DBO5/m3*d)
Carga orgánica para
nitrificación
0,1 a 0,16
0,1 a 0,25
0,16 – 0,4
3
(kg DBO5/m *d)
Profundidad (m)
2,0 a 2,5
2,0 a 2,5
3 a 10
Relación de recirculación
0
0,5 a 2,0
0,5 a 4,0
Arrastre de sólidos
Intermitente
Continuo
Continuo
Eficiencia de remoción de DBO5
80 a 85
50 a 70
50 a 85
(%)
Moscas en el filtro
Muchas
Pocas
Muy pocas
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Mayor información sobre los filtros percoladores, puede ser consultada en el documento de Ramalho: Ir al
documento
Para explicar el proceso de dimensionamiento, a continuación se elaborará un ejemplo de
diseño.
Es importante recordar que los valores de diseño deben estar avalados por
determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben
asumirse, sin sustento, valores dados por una normativa o por la literatura técnica.
Ejemplo 22.1.
Dimensionar un filtro percolador de tasa alta, con medio plástico (n = 0,5) para un caudal
de aguas residuales domésticas sedimentadas (Q) de 700 m3/d, una DBO de entrada de
0,3 kg/m3 (So) equivalente a 300 mg/L de DBO5. La carga orgánica de trabajo se ha
estimado en 1,2 kg DBO5/m3*d. La profundidad del tanque es de 4 m y se opera con una
relación de recirculación de 0,5.
Solución:
Se calcula la carga contaminante en términos de DBO, multiplicando la concentración por
el caudal, así:
El volumen requerido por el medio de soporte, a partir de la carga orgánica de trabajo, la
cual se ha estimado en 1,2 kg DBO5/m3*d, se determina así:
Con este volumen y la altura o profundidad del filtro percolador “h”, se calcula su área
superficial:
Se verifica la carga hidráulica “q”, la cual deberá estar entre 0,4 y 3,0 m/h.
114
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La DBO5 del efluente se establece, con el siguiente modelo, sin contemplar la
recirculación:
Donde,
S
DBO del efluente (salida) (mg/L)
So
DBO del afluente (entrada) (mg/L)
K
constante de tratabilidad ((m*d)-0,5)
h
profundidad o altura del filtro percolador (m)
q
carga hidráulica sin incluir recirculación (m/d)
n
constante del material
La DBO del afluente incluyendo la recirculación “Sa” puede ser estimada así:
Considerando ahora, la relación de recirculación “R” de 0,5, la concentración de DBO del
efluente considerando recirculación “Sr”, será:
Reemplazando:
Calculando para este ejemplo:
Con este valor, podemos estimar la eficiencia del sistema, así:
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Lección 23. Sistemas anaerobios
Los procesos anaerobios se prefieren sobre los aerobios, en tratamiento de aguas
residuales con altas cargas de contaminación orgánica (e.g. procesadoras de productos
cárnicos, mataderos, industria agrícola, industria de alimentos). En este tipo de aguas,
cuya DBO supera los 1000 mg/L, los compuestos orgánicos y el anhídrido carbónico (CO 2)
son aceptores finales de electrones de las bacterias, para la producción de metano. Este
gas tiene un poder calorífico aproximado de 36500 kJ/m3.
Como se dijo en las Lecciones 18 y 19, la temperatura óptima de los procesos anaerobios
es elevada (cerca de los 35 °C). No obstante, se usan reactores de este tipo a
temperaturas por encima de los 10 °C y, preferentemente, por encima de los 20 °C. Debe
tenerse en cuenta que por cada descenso de 10 °C en la temperatura de trabajo, se
recomienda incrementar al doble, el tiempo de retención hidráulica del reactor.
Un reactor anaerobio que opere a 35 °C, puede generar entre 0,7 y 0,9 m3 de gas
metano por cada m3 de reactor y por día (Lozano-Rivas, 2012).
Los rendimientos típicos de los reactores anaerobios se muestran en la Tabla 30.
Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina & Pohland, 1992).
Parámetro
Rango o valor
Remoción de DBO (%)
80 a 90
Remoción de DQO (mg/L)
1,5 x DBO removida
Producción de biogás
0,5 m3/kg de DQO removida
Producción de metano
0,35 m3/kg de DQO removida
Producción de lodo
0,05 a 0,10 kg SSV/kg de DQO removida
Se ha comprobado que los reactores anaerobios de biomasa fija o adherida, son más
eficientes para aguas con altos contenidos de DBO soluble; mientras que los de biomasa
suspendida, presentan rendimientos más altos con aguas que presenten grandes
concentraciones de DBO insoluble (materia orgánica particulada).
El tiempo de retención celular, llamado también edad de lodo, tiene una gran influencia
en la eficiencia de los procesos anaerobios y deben proyectarse en función a la
temperatura de operación, así (Tabla 31):
116
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Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores anaerobios (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
T° de operación (°C)
Mínima (d)
Diseño (d)
20
10
27
25
8
20
30
6
14
35
4
10
40
4
10
23.1. Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente a través de un Manto de Lodos (UASB)
Conocido también como UASB (por sus siglas en inglés: Upward-flow Anaerobic Sludge
Blanket) y, en español como RAFA (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente), es un tanque
cerrado que tiene dos zonas características: la de digestión (en la parte baja) y la de
sedimentación (en la parte superior).
En la zona de digestión, el afluente ingresa por la parte baja y fluye de forma ascensional
por el reactor a través de un manto de lodos (biomasa), el cual se mantiene en suspensión
por la fuerza hidrodinámica del flujo. En la medida en que el caudal de aguas residuales
fluye a través del manto de lodos, la materia orgánica se pone en contacto con la biomasa
suspendida que la adhiere y la digiere en ausencia de oxígeno, dando lugar a la formación
de biogás (CH4 y CO2).
Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior
se aprecia la estructura de sedimentación. Imagen tomada de: http://www.uasb.org/discover/uasbscheme.gif modificada por el autor.
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El agua residual tratada, libre de la mayor parte de la materia orgánica granulada que fue
retenida en el manto de lodos, abandona la zona de digestión e ingresa a la zona de
sedimentación ubicada en la parte superior del tanque; allí unas tolvas o campanas
deflectoras (llamadas también separadores GLS o separadores de 3 fases: gas, líquido y
sólido), permiten separar el líquido de los sólidos (algunos) que tienden a escaparse del
manto de lodos y salir juntamente con el efluente; también se recolecta el biogás
generado, el cual es llevado a un sistema de aprovechamiento (como combustible para
generar calor o energía) o para ser quemado.
Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se
aprecia la estructura de sedimentación (Romero Rojas, 1999).
Como se dijo anteriormente, estos reactores de biomasa suspendida, trabajarán bien con
aguas de alto contenido de DBO no soluble y concentraciones de SST menores a 2000
mg/L. De las experiencias colombianas en el diseño y operación de este tipo de reactores,
las cuales tuvieron asistencia técnica holandesa, se pueden destacar los siguientes puntos
(Kooijmans, Lettinga, & Rodríguez, 1995):




El reactor no requiere siembra para su arranque.
Se presentaron eficiencias muy aceptables con tiempos de retención hidráulica tan
bajos como entre 4 y 6 horas (con temperaturas entre 25 y 30 °C).
Se debe proyectar, por lo menos, una entrada de flujo por cada 4 m 2 de superficie
de tanque.
La remoción de patógenos es de un 50%.
118
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Algunas de las ventajas del UASB, son:





Construcción sencilla.
Poca ocupación de área.
Operación simple.
No necesidad de uso de energía eléctrica.
Baja producción de lodos.
Estos reactores son muy usados en aguas residuales de industrias de almidón, azúcar,
papa, papel y cerveza. Los criterios de diseño recomendados para los UASB, se resumen
en la Tabla 32.
Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
DQO de entrada (mg/L)
1000 a 20000
<2000
SST de entrada (mg/L)
Preferentemente, <1000
Relación SS/DQO de entrada
<0,5
Relación DBO/N/P de entrada
<350/5/1
Temperatura del afluente (°C)
>15
4 a 12
Tiempo de retención hidráulica (h)
<24
10 a 20
Carga orgánica (kg DQO/m3*d)
En casos extremos, >0,5 y <40
Profundidad del reactor (zona de digestión + zona
<6
de sedimentación) (m)
Profundidad de la zona de digestión (m)
<4,5
Profundidad de la zona de sedimentación (m)
<1,5
Carga superficial del sedimentador (m/d)
<36
Inclinación de las paredes del sedimentador
45°
3
Volumen del reactor (m )
<1500
0,6 a 0,9
Velocidad ascensional de flujo (m/h)
En casos extremos, <2
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Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).
Un video del funcionamiento de un reactor UASB puede ser visto abriendo este hipervínculo.
El diseño del separador de 3 fases o separador GLS, mencionado con anterioridad, debe
considerar, además de las inclinaciones de 45° tanto de las paredes de la tolva del
sedimentador como de los obstáculos (gorros en forma de V invertida) que lo
complementan, velocidades de entrada o de paso de 5 m/h y traslapos de al menos 0,20
m entre los extremos de la tolva del sedimentador y del obstáculo.
23.2. Reactor Anaerobio de lecho expandido y biomasa en suspensión (EGSB).
Una variación más reciente y mucho más eficiente, muy extendida por el mundo, es
conocida como reactor EGSB, por sus siglas en inglés Expanded Granular Sludge Bed. Esta
unidad se vale del mismo manto de lodos (biomasa suspendida) que el UASB, pero emplea
velocidades mayores que permiten mantener un lecho parcialmente expandido o
fluidizado. Esto mejora el contacto de la materia orgánica con la biomasa suspendida y la
segregación de las partículas inactivas. Esta mayor velocidad también da como resultado,
unidades más esbeltas que facilitan la recirculación de las aguas tratadas. Esta variación se
recomienda en aguas que contienen partículas suspendidas inertes o poco
biodegradables, las cuales no deben acumularse en el manto de lodos. Se diseña con los
mismos criterios del UASB, exceptuando por la velocidad de ascenso que oscila entre 3 y
10 m/h.
Mayor información sobre los reactores UASB y EGSB, puede ser consultada en el documento titulado
“UASB/EGSB Applications for Industrial Wastewater Treatment” de Saleh y Mahmood: Ir al documento
También, una aplicación concreta de los reactores EGSB en la industria cervecera, se encuentra disponible en
la siguiente lectura: Ir al documento
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Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de: http://www.pollutionsolutionsonline.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg
Lección 24. Decantador secundario
A diferencia de los decantadores primarios, estas unidades que acompañan casi la
totalidad de los reactores biológicos, no se diseñan para remover carga contaminante
presente en las aguas residuales, sino para separar el agua tratada, de la biomasa que
escapa juntamente con ella.
Estas unidades son más grandes que los decantadores primarios y no deben tener un
tiempo de retención excesivo debido a que podrían presentarse condiciones anaerobias,
pero sí el suficiente para lograr una separación efectiva de la biomasa. Si este lodo sale
juntamente con el efluente de las aguas tratadas, se presentarán altos niveles de DBO y
SST que echarán a perder todo el proceso de depuración y que causarán incumplimiento
de los parámetros y normativas de vertido.
121
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Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen tomada de:
http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG
El tiempo de retención estimado para el diseño de estas unidades, dependerá de la
sedimentabilidad del lodo, la cual se determina mediante el Índice de Mohlman o Índice
Volumétrico de Lodos (IVL). El IVL corresponde al volumen en mL ocupado por un gramo
de sólidos del licor mezclado (biomasa), tras una sedimentación de 30 min en una probeta
de 1000 mL.
Donde,
IVL
índice Volumétrico de Lodos (mL/g)
SSLM sólidos suspendidos del licor mezclado (mg/L)
La sedimentabilidad del lodo se define de la siguiente manera:
Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
IVL
Valor
Muy buena sedimentabilidad
<40 mL/g
Sedimentabilidad aceptable
40 a 140 mL/g
Pobre sedimentabilidad
>140 mL/g
Tendencia al hinchamiento de lodos (bulking)
>200 mL/g
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Para un proceso de depuración eficiente de las aguas residuales, es imprescindible tener
una biomasa de buena sedimentabilidad, que decante con facilidad por gravedad y que
produzca un efluente claro. Sin embargo, en algunas depuradoras se presenta un floc
biológico de gran volumen y poco peso que presenta dificultades de asentamiento. A este
fenómeno se le conoce como esponjamiento o hinchamiento de los lodos, y también
como bulking filamentoso.
El bulking filamentoso, es causado por una proliferación excesiva de los microorganismos
filamentosos llamados actinomycetes y es quizá el mayor problema de los reactores
aerobios de las estaciones depuradoras de aguas. Este tipo de lodo esponjado no decanta
y escapa juntamente con el efluente del decantador, eliminando la posibilidad de retornar
esta biomasa activa al reactor aerobio, reduciendo el sustrato necesario para mantener el
crecimiento de los microorganismos y obligando a la biomasa restante a funcionar con
régimen de respiración endógena, mientras que el efluente tratado, presentará elevados
niveles de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO).
Los factores que influyen en la formación de un flóculo de biomasa no decantable y con
deficiencias en la compactación, que impiden una separación eficiente de los lodos del
reactor aerobio dependen, en alguna proporción, de la edad de los lodos, la toxicidad
(presencia de metales pesados y compuestos orgánicos), actividad abundante de
protozoos ciliados, altos niveles de tensoactivos. Relaciones bajas de F/M hacen que el
lodo tenga características muy pobres de sedimentación (flóculos dispersos), pero
también relaciones elevadas (entre 0,6 y 1,0 kg DBO/kg SSVLM) provocan la aparición de
filamentosos que hinchan el lodo e impiden su decantación (Ramalho, 1996).
De otro lado, el crecimiento de estas bacterias filamentosas depende en gran medida, de
las condiciones operativas de la planta (Jenkins, Richard, & Daigger, 1993), especialmente
lo que concierne a:








Bajas concentraciones de Oxígeno Disuelto
Altas o bajas relaciones F/M
Deficiencias de nutrientes (fósforo y nitrógeno)
Bajo pH
Temperaturas inapropiadas
Baja carga orgánica
Altas concentraciones de grasas y aceites
Altos tiempos de retención celular
Richard (2003), reporta que son seis las causas principales de crecimiento de
microorganismos filamentosos en los reactores de lodos activados que son: a) Baja
concentración de OD; b) Baja relación F/M; c) Septicidad; d) Presencia de Grasas y Aceites;
e) Deficiencia de Nutrientes; y f) Bajo pH. El autor afirma también que en las aguas
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residuales industriales, las causas podrían reducirse a dos variables: los bajos niveles de
nutrientes y al pH, mientras que en aguas residuales municipales, dependerá de la
interacción de estos seis parámetros, desconociéndose la interacción real de estas
variables, lo que dificulta el diagnóstico de la causa o causas principales en este tipo de
aguas servidas (Richard, 2003).
Aunque varios autores han reportado herramientas y metodologías de control del bulking,
todas ellas se encuentran dirigidas a la aplicación -remediadora o preventiva- de
sustancias químicas inhibitorias de tipo oxidativo, bactericida o bacteriostático, junto con
coagulantes y aglomerantes, como el policloruro de alumino junto con polielectrolito
catiónico (Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de Murcia ESAMUR, 2006) (Richard, 2003), el Ozono que puede favorecer la aparición de bromuros
(Leeuwen & Pretorius, 2007), el Peróxido de Hidrógeno y el Cloro, que elevan los costos de
tratamiento y, eventualmente, el volumen de lodos que debe ser posteriormente tratado
y dispuesto; adicional a esto, el cloro, de no ser aplicado en las dosis correctas, conlleva a
un incremento en la turbiedad del efluente y de los sólidos suspendidos totales (SST),
aniquilamiento de biomasa activa beneficiosa y detrimento en la remoción de DBO.
Aunque se menciona la probabilidad de presencia de subproductos cancerígenos de la
cloración, se afirma que no es probable, dadas las dosis bajas que se manejan y el tiempo
corto de vida del cloro en reactores de fangos activos; no obstante, algunos autores aún
difieren (Richard, 2003). Una de las actividades preventivas más usadas para disminuir los
efectos adversos que causan los organismos filamentosos, es la llamado "Sludge Juggling"
que consiste en variar la tasa de recirculación de los fangos activos y los niveles de
aireación a lo largo del reactor (Richard, 2003).
Los decantadores secundarios son prácticamente idénticos en su configuración a los
decantadores primarios y los criterios de diseño se exponen en la Tabla 34:
Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para
las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Parámetro
Valor o rango
Tiempo de retención hidráulico (TRH)
3 a 5 horas
Carga superficial
Carga sobre el vertedero
Profundidad del decantador (en la vertical del
vertedero de salida)
Pendiente de fondo hacia la poceta de fangos
<0,8 m3/m2*h (a caudal medio)
<1,5 m3/m2*h (a caudal punta)
< 2,5 m3/h*m lineal del vertedero perimetral (a
caudal medio)
< 4,5 m3/h*m lineal del vertedero perimetral (a
caudal punta)
3a6m
8%
124
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Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada de:
http://www.foro3d.com/attachments/117991d1258535656-3ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantadorsecundario-02.jpg
Lección 25. Manejo de lodos secundarios
Los lodos secundarios o lodos biológicos son conocidos también como lodos en exceso ya
que como se vio en las lecciones anteriores, este lodo constituido principalmente por
biomasa activa, se retorna a los reactores para mantener unas condiciones de operación
óptima y unas edades de lodo (tiempos de retención celular) adecuadas.
Estos lodos frescos, tienen una coloración marrón oscura y olor a tierra húmeda que no es
desagradable hasta que empiezan a ser digeridos anaeróbicamente. Su contenido inicial
de humedad varía entre el 98 y el 99,5%, siendo muy difícil su concentración
(espesamiento). El autor conoce algunas depuradoras en donde estos lodos secundarios
son enviados al decantador primario, en donde se mezclan con los lodos primarios y dan
lugar a lodos mixtos.
Los lodos secundarios están compuestos, principalmente de (Programa de Master en
Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla):




Agua: su contenido variará entre el 50 y el 99% según su estado de tratamiento.
Materia orgánica: en el caso de los lodos frescos, su contenido varía entre el 60 y
el 75%, una vez digerido, esta cantidad disminuye entre 54 y 60%.
Nutrientes: son importantes en lodos empleados con fines agrícolas. Hacen
referencia, principalmente a: nitrógeno total, fósforo (P 2O5) y potasio (K2O).
Contaminantes orgánicos: los lodos pueden presentar trazas detergentes y
antibióticos, así como otros de productos químicos de uso común. De otro lado,
podrían presentar niveles peligrosos de virus, oocitos, quistes y huevos de
125
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
helminto así como de algunos parásitos, que limitan el uso de los lodos para el
sector agrícola.
Contaminantes minerales: las aguas residuales de grandes ciudades con una
importante actividad industrial, presentan comúnmente niveles apreciables de
metales pesados como Zn, Pb, Cu, Cd, Hg y Fe, entre otros.
En el tratamiento de lodos secundarios se deben llevar a cabo 3 fases principales:



Espesado: para reducir los volúmenes iniciales de lodo y facilitar su manejo en el
tratamiento.
Digestión: para estabilizar anaerobiamente la materia orgánica presente y evitar su
fermentación y putrefacción.
Deshidratación o secado: para eliminar el exceso de agua y conseguir una textura
apropiada que facilite su manejo y transporte.
Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa de Master en Ingeniería del Agua
de la Universidad de Sevilla).
25.1. Espesado
Con el fin de reducir los costos de tratamiento, los lodos frescos provenientes de los
reactores biológicos, los cuales tienen más de un 95% de agua, deben ser reducidos en
volumen. Esta concentración de lodos se realiza en unidades llamadas espesadores. Estos
tanques, de manera similar a un decantador, tienen un brazo rotatorio móvil, anclado a un
armazón barrelodos, el cual tiene la función de eliminar los espacios ocupados por el agua
y agrupar los sólidos. Su rendimiento puede ser mejorado usando sales coagulantes
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(frecuentemente, cloruro férrico - FeCl3 a dosis entre 1 y 6 mg/L). Estas unidades manejan
una carga de rebose de 2 a 8 m/d y tiempos de retención entre 1 a 2 días. El diámetro de
estas unidades, generalmente, no excede los 12 m (aunque se proyectan hasta los 30 m) y
tienen profundidades entre 2 y 5 m. La velocidad periférica del barrelodos es
aproximadamente unos 0,10 m/s.
Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de:
http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg
25.2. Digestión
En la digestión, los lodos concentrados son estabilizados bioquímicamente con el fin de
que no continúen su proceso de descomposición o se presente crecimiento de
microorganismos, en su reutilización o en su disposición final. Adicionalmente, esta
digestión completa, permite la eliminación de los organismos patógenos presentes y la
reducción de olores desagradables.
Esta digestión se realiza a través de un proceso anaerobio, en tanques cerrados, y se
obtendrá como producto normal de la fermentación anaerobia, biogás (CH 4 y CO2) y
nuevas células, que serán eliminadas una vez que se haya digerido toda la materia
orgánica y entren a la fase de crecimiento endógeno.
Es importante controlar, especialmente, la temperatura (entre 30 y 35 °C), el pH (entre 6,8
y 7,4) y alcalinidades entre 1500 y 2000 mg/L. Los parámetros usados para determinar la
estabilidad del lodo, son el contenido de sólidos volátiles y el número de patógenos. Estos
digestores suelen cargarse de forma continua o intermitente (al menos 1 vez al día),
aunque esta última suele presentar eficiencias menores por la producción súbita de
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hidrógeno y ácidos, propiciada por una mayor heterogeneidad de los productos
transformados.
Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación de fangos digeridos. Imagen tomada
de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg
Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de quemado. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg
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Existen dos maneras de operar estos digestores:


Tasa baja: llamados también de proceso convencional o de tasa estándar, se
alimentan de manera intermitente, sin mezcla y sin calentamiento adicional de los
lodos. La carga de sólidos oscila entre 0,5 y 1,5 kg SV/m 3*d. El tiempo de retención
oscila entre 30 y 60 días y, en algunos casos, hasta 90 días.
Tasa alta: tienen alimentación continua, con mezcla y calentamiento del lodo, para
lo cual se emplea la temperatura derivada de la quema del mismo biogás generado
en la digestión. La carga de sólidos oscila entre 1,6 y 4,0 kg SV/m 3*d. El tiempo de
retención oscila entre 10 y 20 días.
25.3. Deshidratación o secado
Para reducir su volumen al máximo y darle a los lodos una textura que facilite su manejo,
se emplean diferentes alternativas de deshidratación. Aunque pueden emplearse lechos
de secado (áreas con superficies drenantes sobre las que se extienden los lodos para ser
secados por efecto del aire y la radiación solar), se emplean de manera más frecuente
equipos mecánicos como los filtros prensa y los filtros banda, los cuales presionan los
lodos digeridos a través de telas porosas que permiten la salida del agua, dando lugar a
unas “tortas” de lodos deshidratados.
Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de:
http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20Run%20Per%C3%BA32.JPG
El líquido extraído de este proceso, es llevado nuevamente a cabeza de proceso, en el
tanque espesador.
129
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Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t%25C3%25ADtulo.png
25.4. Destino final de los lodos
Considerando el alto contenido de nutrientes, pero dependiendo de las características de
toxicidad a causa de la presencia de contaminantes orgánicos o minerales y de la
patogenicidad de los lodos, estos pueden emplearse (con las debidas precauciones) en:


Compostaje, con fines agrícolas.
Acondicionamiento de suelos para agricultura, reforestación, recuperación de
áreas degradadas, incluyendo las de actividades extractivas.
No obstante, especialmente en depuradoras municipales, la presencia de procesos
industriales con vertidos tóxicos, entre otras actividades, impide el aprovechamiento
seguro de estos lodos, de manera que deberán tratarse y disponerse. Para ello, se
deberán disponer en un relleno sanitario, en el que puede existir previamente un proceso
de incineración.
Mayor información sobre el tratamiento de lodos secundarios de una depuradora, puede ser consultada en
este documento titulado “Tratamiento de Lodos”: Ir al documento
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CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS
El tratamiento terciario de las aguas residuales puede ser entendido como cualquier
práctica adicional a los procesos biológicos secundarios (que remueven materia orgánica
biodegradable e inorgánica oxidable), cuyo objetivo es el de eliminar contaminantes
orgánicos no biodegradables, organismos patógenos y nutrientes como el nitrógeno y el
fósforo.
En países como los latinoamericanos, predominantemente agrícolas, se hace casi
imprescindible desinfectar las aguas residuales tratadas, con el propósito de no restringir
su uso en el sector agropecuario. Así mismo, especialmente en cuerpos de agua lénticos
(con velocidades de flujo muy bajas) como lagos y estuarios, las descargas de aguas
residuales tratadas pueden llegar a ocasionar problemas de hipereutrofización, por los
altos niveles de nitrógeno y fósforo que se encuentran en éstas. Por esta razón, deben ser
removidos en el tratamiento terciario. En este capítulo se incluyen, también, algunos
conceptos acerca de la reutilización de las aguas residuales tratadas, llamadas también
aguas residuales regeneradas.
Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado
El tratamiento terciario, avanzado o específico (en cuento tiene, por lo general, un
objetivo particular), surgió como una alternativa de tratamiento que aseguraba el reúso
posterior del agua residual tratada. No obstante, en la actualidad, los tratamientos
específicos o terciarios desempeñan un papel fundamental en el cumplimiento de las cada
vez más exigentes normativas de vertimientos de los países, en los que los tratamientos
primario y secundario, no sólo no son suficientes para hacer que un vertido cumpla con las
disposiciones normativas de las autoridades ambientales competentes, sino que en varios
casos, puede incrementar las concentraciones de algunos compuestos que hoy son
vigilados por su incidencia en las restricciones de uso agrícola, como el caso de los
patógenos, y por los efectos nocivos sobre el funcionamiento de los ecosistemas hídricos,
como es el caso del nitrógeno y el fósforo.
Desafortunadamente, como se presentó en los capítulos 4 y 5, los procesos biológicos
aerobios, los cuales son los de uso más extendido en el mundo, tienen la particularidad de
multiplicar por millones, los microorganismos del licor mezclado presentes como biomasa
activa en los reactores. Esta síntesis celular en la que se usan los productos de conversión
de la materia orgánica como materia prima, causa también un notable crecimiento del
número de organismos patógenos que, eventualmente, pueden escapar con el efluente
del decantador secundario, llegando a los cuerpos hídricos receptores de los residuos o
líquidos tratados.
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Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes tratados de las depuradoras agua
residual, pero que no reciben tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes específicos.
Imagen tomada de: http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4d_52.jpg
Evidentemente, esta situación en el escenario de los países agrícolas como el nuestro,
provoca serias dificultades en el uso para riego, de aguas superficiales que reciben
vertidos de plantas depuradoras.
Adicionalmente, la biomasa activa de los reactores biológicos aerobios no usa todo el
fósforo disponible en las aguas residuales que se tratan y, como resultado de las
actividades de degradación de la materia orgánica biodegradable, se forma nitrógeno
amoniacal que en presencia del oxígeno, se transformará en nitritos y, finalmente, en
nitratos.
La aparición de nitrógeno amoniacal puede ser explicada por las siguientes ecuaciones de
síntesis y de transformación en energía, respectivamente.
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El nitrato, aunado al fósforo no utilizado, constituyen sustancias que pueden llegar a
causar problemas de hipereutrofización en los cuerpos de agua lénticos y en algunos ríos
de velocidades bajas. Por esta razón, deben ser eliminados hasta alcanzar los niveles
aceptables establecidos para los vertidos, en las normativas ambientales.
Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización (exceso de nutrientes como
nitrógeno y fósforo) que causa el crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de:
http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg
Además de la desinfección y la eliminación de nitratos por procesos de nitrificacióndesnitrificación, existen otros tratamientos terciarios o avanzados como son:




Adsorción (con carbón activo).
Intercambio Iónico.
Procesos con membranas.
Procesos de oxidación avanzada.
Estos procesos permiten remover, también, contaminantes específicos como metales
pesados, agroquímicos, pesticidas y detergentes, entre otros.
Mayor información sobre los tratamientos terciarios, puede ser consultada en el documento “Tratamiento
Terciario de Aguas Residuales por Filtración e Intercambio Iónico”: Ir al documento
También en el documento “Tratamiento terciario en la EDAR de Benidorm”: Ir al documento
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Lección 27. Desinfección
La desinfección es un tratamiento terciario que busca la destrucción de los
microorganismos patógenos presentes en los efluentes de las depuradoras de aguas
residuales, antes de su vertido a los cuerpos hídricos receptores. Debe recordarse que los
tres grandes grupos de patógenos de origen entérico que causan la mayor parte de los
problemas de salud pública relacionada con enfermedades gastrointestinales son:



Bacterias
Virus
Protozoos
Entre estos protozoos, los más reconocidos son los quistes de ameba. Otro organismo
patógeno que debe controlarse permanentemente en las aguas y en los lodos tratados de
las depuradoras, son los huevos de helminto.
Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas tratadas de la depuradora. Imagen
tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/4.jpg
Para la desinfección de las aguas residuales tratadas en la depuradora, pueden emplearse
los siguientes oxidantes:


Cloro gaseoso
Hipoclorito de sodio
134
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




Hipoclorito de calcio
Dióxido de cloro
Cloruro de bromo
Ozono
Radiación UV (disminuye su eficiencia con la presencia de sólidos en suspensión)
Estas sustancias son altamente tóxicas para los microorganismos, destruyen su pared
celular, causando su muerte, y/o inhiben su actividad enzimática, inactivándolos.
Cualquier desinfectante que se use debe considerar la inactivación o destrucción de los
patógenos en el menor tiempo posible, empleando dosis bajas y sin que promueva la
aparición de subproductos que puedan ser dañinos para los ecosistemas hídricos
receptores.
Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales tratadas. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/2.jpg
El oxidante más empleado en el mundo, por su bajo costo, su facilidad de manejo, su
estabilidad y su solubilidad, entre otras, es el cloro en todas sus formas, seguido por la
radiación ultravioleta (UV), muy practicada en Europa.
No obstante, la desinfección con rayos UV puede llegar a ser ineficiente, en aguas
efluentes que contengan sólidos suspendidos, debido a que los patógenos se resguardan
bajo estas partículas, del efecto desinfectante de la radiación.
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Para desinfección de aguas residuales, la forma de cloro más empleada es el hipoclorito
de sodio (líquido). Éste se aplica al efluente de la depuradora en una cámara de mezcla, en
la que se aprovecha la turbulencia que causa la caída del agua tratada para dispersar el
oxidante de manera homogénea en toda la masa del vertido que será desinfectado.
Posteriormente, el agua residual que recibió la dosis de cloro, pasará a un tanque de
contacto que tiene unas pantallas o tabiques que mejoran la reacción del desinfectante
con la masa de agua e incrementan los tiempos de contacto, mejorando la eficiencia del
proceso.
Se recomienda el empleo del hipoclorito en concentraciones entre el 10 y el 20% de cloro
libre disponible en solución. Las dosis aplicadas de hipoclorito de sodio son usualmente
inferiores a 10 mg/L, con tiempos de contacto nunca inferiores a 30 min y,
preferiblemente, de 60 minutos.
El canal de contacto, resultante de la ubicación de los tabiques en el tanque (Foto 39 y 40),
debe mantener unas velocidades de flujo de 5 cm/s.
Mayor información sobre la desinfección del agua residual, puede ser consultada en el documento
“Desinfección con Cloro” de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos): Ir al documento
También en el documento “Desinfección con luz ultravioleta” de la EPA: Ir al documento
Lección 28. Nitrificación y desnitrificación
Como se mencionó anteriormente, el vertido de aguas residuales puede ocasionar
problemas de hipereutrofización en lagos y embalses, a causa de la presencia de
concentraciones significativas de nutrientes. Adicionalmente, altos niveles de nitrógeno
en las aguas pueden causar la reducción del oxígeno disuelto en los ecosistemas hídricos
receptores y, para muchas especies, puede llegar a constituirse en un tóxico.
28.1. Eliminación de nitrógeno
En las aguas residuales, la mayor parte del nitrógeno se encuentra en forma de nitrógeno
orgánico (e.g. aminoácidos, proteínas, carbohidratos) y amoniaco (e.g. urea de la orina).
Se estima que los sistemas convencionales de depuración de aguas residuales, logran
eliminar sólo el 30% del nitrógeno inicial. Para eliminar este nitrógeno remanente, se usa
el proceso de nitrificación-desnitrificación, cuyas etapas pueden resumirse de la siguiente
manera:

Nitrificación: es un proceso biológico aireado en donde se agota la demanda de
oxígeno del amoniaco, oxidándolo hasta su conversión a nitrato.
136
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
Desnitrificación: en ausencia de oxígeno, el nitrato se transforma en nitrógeno
gaseoso que se incorpora a la atmósfera.
Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas residuales. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/1.jpg
En la nitrificación, es fundamental la presencia de las bacterias Nitrosomona y
Nitrobacter. Las primeras, transforman oxidativamente las formas amoniacales de
nitrógeno en nitritos, mientras que las segundas, continúan oxidando los nitritos hasta la
formación de nitratos. Las reacciones son las siguientes; para Nitrosomonas:
Para Nitrobacter:
En la nitrificación, aunque aún no se logra la eliminación de nitrógeno, sí se anula su
consumo de oxígeno. Para que se presente la nitrificación, debe mantenerse la
concentración de oxígeno disuelto, por encima de 1 mg/L. Esta nitrificación puede tener
lugar en el mismo reactor aerobio empleado en el tratamiento biológico o secundario,
tanto en procesos de biomasa fija, como suspendida. También es muy usual, emplear
tanques independientes, los cuales reciben el efluente del decantador secundario. Con un
reactor independiente para la nitrificación, se obtiene mayor fiabilidad y flexibilidad en el
proceso.
La desnitrificación es la etapa siguiente a la nitrificación y que permite la transformación
del nitrato en nitrógeno gaseoso que se escapa a la atmósfera. Esta etapa se desarrolla en
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un medio anóxico (sin oxígeno). En esta etapa, son fundamentales bacterias como:
Achromobacter, Aerobacter, Alcalibacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium,
Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas y Spirillum, para
convertir las formas oxidadas de nitrógeno a otras fácilmente eliminables.
El proceso de desnitrificación se puede representar con las siguientes reacciones:
Los últimos tres compuestos son gaseosos y se pierden hacia la atmósfera. Para el
correcto funcionamiento de esta etapa de desnitrificación, se hace necesaria la ausencia
de oxígeno que, de estar presente, inhibe por completo la actividad enzimática de los
microorganismos encargados de la transformación de los nitratos. Así mismo, se debe
mantener un pH entre 7 y 8. Esta desnitrificación puede llevarse a cabo en reactores de
biomasa suspendida o de biomasa fija y puede requerirse una fuente adicional de carbono
como el metanol (en algunas depuradoras, mezclan los efluentes del tratamiento
secundario con aguas residuales brutas que contienen una importante cantidad de
carbono como materia orgánica).
Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg
Con este sistema se elimina cerca del 90% del nitrógeno total presente en el afluente.
Recientemente, se ha demostrado que no es necesario realizar la nitrificación (en un
reactor independiente) como proceso previo a la desnitrificación. La ventaja de hacer la
desnitrificación sin nitrificación adicional previa (excepto la que se presenta en el reactor
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aerobio secundario), radica en que el agua residual aún tiene cantidades importantes de
materia orgánica como fuente de carbono.
Uno de los problemas que aún no se ha logrado solventar del todo, es la necesidad de
mantener una agitación mecánica en el tanque de desnitrificación (reacción anóxica) para
liberar con facilidad los gases de nitrógeno que se van produciendo y para mantener unas
condiciones homogéneas y sin sedimentaciones en el reactor; esto deriva en la inevitable
incorporación de oxígeno nocivo para el proceso. Así mismo, la necesidad de alimentación
externa de carbono, se constituye también en una de las dificultades que abre excelentes
oportunidades para la investigación.
Lección 29. Eliminación de fósforo
El fósforo puede ser eliminado por vías químicas, biológicas o físicas. Si se requieren
niveles de fósforo inferiores a 1 mg/L, se suele realizar filtración combinada con procesos
químicos o biológicos.
Para la eliminación química, suele emplearse coagulación con aluminato sódico o cloruro
férrico e, incluso, cal con adición de polímeros. No obstante, esta práctica viene siendo
desestimada por el incremento sustancial de los lodos generados por la depuradora.
La eliminación física se hace mediante procesos de ósmosis inversa o ultrafiltración. Sin
embargo, estos métodos son costosos por el elevado consumo de energía, así como el
precio de las membranas y su corta vida útil.
29.1. Vía biológica de eliminación del fósforo
La bacteria Acinetobacter es una de las principales responsables de la eliminación de
fósforo en reactores destinados a este propósito. No obstante, se han encontrado otras
bacterias que compiten muy bien con este género de microorganismos, como son:
Pseudomonas vesicularis y Klebsiella pneumoniae. El éxito de la eliminación biológica de
fósforo consiste en alternar, para estas bacterias, un ciclo anóxico seguido de otro
aerobio, el cual puede repetirse dependiendo de las necesidades de eficiencia en la
eliminación de este nutriente.
Durante el ciclo anóxico (ausente de oxígeno) las bacterias responsables de la eliminación
del fósforo, emplean sus reservas celulares de polifosfatos como fuente principal de
energía y toman como alimento los ácidos grasos volátiles (AGV) que son productos
normales de la fermentación anaerobia; de esta manera, emplean casi la totalidad del
fósforo acumulado intracelularmente. Posteriormente, en el ciclo aerobio, estos
microorganismos emplean las reservas de carbono como fuente energética y, como si
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estuvieran “temerosos” de no tener suficientes reservas energéticas para enfrentar otra
fase anaerobia, almacenan grandes cantidades de fósforo, las cuales exceden sus
necesidades estequiométricas. Así, una vez finalizado este proceso, la biomasa rica en
fósforo debe ser eliminada.
Esta eliminación de biomasa enriquecida con fósforo, puede hacerse mediante dos
procedimientos:


Purga de fango o Bardenpho.
Tratamiento en línea auxiliar o PhoStrip.
El proceso Bardenpho® consiste en realizar la secuencia de ciclos anóxico y aerobio para
después efectuar una purga de fango que es conducida al tratamiento específico de estos
lodos.
Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de cuatro reactores (dos anóxicos y
dos aerobios) con recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media de 5 veces el caudal tratado.
Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf
Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que se añade un reactor anaerobio
(ausente de oxígeno y nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de nitrógeno y DBO también.
Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf
140
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Mayor información sobre los procesos Bardenpho® para la eliminación de fósforo, puede ser consultada en el
folleto (en Inglés) “Bardenpho® Process – Biological Nutrient Removal System” de la compañía EIMCO: Ir al
folleto
De otro lado, el PhoStrip, concentra la biomasa enriquecida a una línea auxiliar en donde
se emplea tratamiento químico, el cual consiste (la mayoría de las veces) en una adición
de cal para precipitar el fósforo.
Más recientemente se ha formulado una línea de investigación en eliminación biológica de
fósforo utilizando procesos de biopelícula.
Mayor información sobre los procesos de biopelícula para la eliminación de fósforo, puede ser consultada en
el documento “Consideraciones de diseño para la eliminación biológica de fósforo empleando procesos de
biopelícula” de Castillo de Castro & Tejero Monzón: Ir al documento
Más información sobre los procesos de eliminación de nitrógeno y de fósforo, puede ser consultada en el
documento “Tecnologías de Eliminación de Nutrientes” de Gálvez Borrero: Ir al documento
Lección 30. Reúso de aguas residuales regeneradas
Con mucha más frecuencia, en las últimas décadas se viene hablando del reúso de las
aguas residuales tratadas, llamadas en Europa, “aguas residuales regeneradas”. La
demanda creciente de agua para satisfacer las necesidades domésticas, agrícolas e
industriales, se incrementa en la medida en que la población crece y el modelo económico
impone una tendencia cada vez más consumista.
Entre las alternativas no convencionales para aprovechamiento de agua, pueden citarse
las siguientes (CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua):




Escorrentía
Agua residual regenerada
Agua de mar desalinizada
Agua salobre desalinizada
El CYTED destaca que de estas alternativas, la más importante en volumen y
disponibilidad, es la de agua residual regenerada. Estas aguas tienen la ventaja adicional,
de ser, en teoría, una fuente de caudal continuo; por esta razón, desde hace muchas
décadas, se han venido empleando de manera directa o indirecta, especialmente, para
riego de cultivos. No obstante, estas prácticas son consideradas en la actualidad, de gran
riesgo para la salud pública por los patógenos asociados a este tipo de aguas.
141
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Algunos de los usos que podrían darse a las aguas residuales regeneradas son
(Fundamentado en el Real decreto 1620/2007 de España):
a) Usos domésticos y urbanos:
a. Riego de jardines privados, parques y campos deportivos.
b. Descarga de artefactos sanitarios
c. Limpieza de calles
d. Sistemas contraincendios
b) Usos agrícolas:
a. Riego de cultivos.
b. Riego de pastos para alimentación de ganado
c. Acuicultura
d. Cultivos de flores ornamentales
c) Usos industriales:
a. Aguas de proceso
b. Torres de refrigeración
d) Usos recreativos:
a. Riego de campos de golf.
b. Lagos y fuentes ornamentales sin acceso público al agua.
e) Usos Ambientales:
a. Recarga de acuíferos.
b. Riego de bosques y zonas verdes sin acceso público
c. Silvicultura
d. Mantenimiento de humedales
30.1. Tecnologías de tratamiento para la regeneración de aguas residuales
Los tratamientos avanzados destinados a la regeneración de las aguas residuales son
múltiples. No obstante, suelen preferirse aquellos que implican un gasto energético muy
bajo, justificado en el hecho de que, en la mayoría de las ocasiones, se empleará para usos
relativamente poco “nobles” (CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración
del Agua).

Tecnologías de Membrana
Son tecnologías costosas y sólo se justifica su utilización en los que el uso del agua
regenerada justifica el precio final (e.g. ósmosis inversa para agua de bebida en campos de
refugiados, naves espaciales, abastecimientos de emergencia o recarga de acuíferos).
Entre estas tecnologías se cuentan: microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis
inversa, electrodiálisis reversible y electrodesionización.
142
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Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en Yanacocha, Perú. Imagen tomada
de: http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg

Filtración Avanzada
En este caso, se usan anillas planas plásticas con ranuras. Estas anillas se comprimen unas
sobre otras formando así el cuerpo del filtro. Dependiendo del nivel de compresión y el
tamaño de ranuras empleadas, habrá mayor o menor filtrabilidad.
Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de:
http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg

Tecnologías intensivas de regeneración
143
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Entre estas alternativas se pueden mencionar, los SBR (sequencing batch reactors:
reactores secuenciales discontinuos) y los biodiscos.
Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_7
29600497.jpg
Los SBR funcionan de manera análoga a los lodos activados, en los cuales los procesos de
aireación y sedimentación se llevan a cabo en el mismo reactor. No demandan grandes
áreas de terreno y sus costos son competitivos, generando un efluente fácilmente tratable
para regeneración.
Los biodiscos son reactores de biomasa fija con discos que giran sobre un eje. La biomasa
tiene dos etapas continuas de contacto: con el agua y con el aire (alimentación y
respiración). Es un proceso económico, muy empleado en pequeñas instalaciones y, con
una desinfección posterior del efluente generado, suele bastar para la reutilización de las
aguas.

Tecnologías extensivas de regeneración
Entre las alternativas se encuentran: los filtros intermitentes de arena, los sistemas de
lagunaje y los humedales artificiales. En los filtros de arena, se emplea material granular
entre 0,1 y 2 mm de diámetro y debe asegurarse que el lecho no se sature para mantener
unas condiciones de trabajo aerobio.
Los sistemas de lagunaje ocupan mucho espacio y su funcionamiento se basa en la
potenciación del fenómeno de eutrofización. Es el método que puede lograr los más altos
valores de abatimiento de organismos patógenos.
144
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Los humedales artificiales son lagunas construidas en las que se tiene un lecho de grava
sembrado con macrófitas y plantas acuáticas como la espadaña o el junco. Los más
empleados son los de flujo subsuperficial y los de flujo vertical.

Tecnologías de desinfección para regeneración
La desinfección con ozono u ozonización tiene efectos sobre virus y bacterias,
principalmente. Como ventajas se cuentan que no produce olores y no es afectado por el
pH del agua. En aguas con altos contenidos de materia en suspensión, se requerirá altas
dosis de ozono para asegurar su efectividad.
El dióxido de cloro también se emplea de forma extensiva en la desinfección de las aguas
residuales. Entre sus inconvenientes está la alta inestabilidad y su poder biocida que
puede afectar algas y otros microorganismos base de la cadena trófica, de no aplicarse en
las dosis adecuadas.
Más frecuentemente, en Europa, se viene empleando la desinfección con radiación
ultravioleta, la cual destruye los ácidos nucleicos y las proteínas de los organismos
patógenos. Se emplean radiaciones de 253,7 nm, que son las más eficientes. Para que sea
efectivo este proceso, se deben tener aguas con bajos contenidos de materia en
suspensión. Un inconveniente frecuente, es el la necesidad de limpieza permanente de las
lámparas.
Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de:
http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 2
 Preguntas sobre la Unidad
1) El proceso de aireación consiste en poner el agua en contacto íntimo con el aire, en consecuencia el objetivo principal de la aireación es el de:
2) Los tipos de equipos de aireación más empleados en el tratamiento de aguas residuales, son:
3) En la depuración biológica se presentan múltiples reacciones de tipo bioquímico que transforman la materia orgánica, los nutrientes y otros compuestos Estas reacciones pueden efectuarse mediante procesos: 4) El proceso anaerobio se puede reducir en tres etapas, las cuales son:
5) Un reactor de lodos activados hace uso de un sistema de:
 Actividades prácticas relacionadas con la unidad 2
Investigar en su municipio y/o Departamento, que municipios han
implementado los sistemas de Plantas de tratamiento de Aguas Residuales
escoja uno con el objeto de verificar los siguientes aspectos referentes a la
planta de tratamiento de Aguas Residuales.
MUNICIPIO: _______________
PLANTA DE TRATAMIENTO: ______________________
CARACTERÍSTICAS Permisos obtenidos para la ejecución de la obra
Caudal promedio de diseño
Número de habitantes
Área
Caudal máximo
Cargas esperadas
Tipo de tratamiento
Tratamiento de lodos:
Reúso
de
regeneradas
aguas
residuales
OBSERVACIONES
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Fuentes Documentales de la Unidad 2
-Balda R. (2002). ¿ Why to treat wastewater? Presentación en PPT. Bogotá
D.C., Colombia: Universidad de la Salle.
-CIDTA. Universidad de Salamanca. (2005). Módulo en Modelización y
Simulación de Plantas Depuradoras de Agua. En CD. Salamanca, España.
-CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua.
(s.f.). La Reutilización de Aguas Residuales. En Agua potable para Comunidades
rurales, reúso y tratamientos avanzados de aguas residuales domésticas. Madrid.
-Diario El Espectador. (25 de Septiembre Collazos, C. (2008). Tratamiento de
Kooijmans J., Lettinga G., & Rodríguez, G. (Octubre de 1995). Institution of Water
Engineers and Scientist. Institution of Water Engineers and Scientist, 39(5).
-Lozano-Rivas, W. (2007). Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas
Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado. En:Sistema Integral
de Saneamiento con Fito depuración de Ornato Para Pequeños Núcleos Urbanos.
Tesis de Máster. Sevilla, España: Lozano-Rivas, W. A. & López E., O. Escuela
Universitaria Politécnica de la Universidad de Sevilla.
-Lozano-Rivas, W. (2012). Diseño de Plantas de Potabilización de Agua.
Material de clase. Bogotá D.C., Colombia: Disponible en:
http://wlozano.blogspot.com
-Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de
Murcia - ESAMUR. (2006). Tecnología del Agua N°269. Murcia.
-Madrazgo, E. (2009). Agua Potable y Saneamiento Básico en América
Latina. Un objetivo compartido y alcanzable. Boletín Económico de ICE 2974.
-Richard, M. (2003). Activated Sludge Microbiology Problems and their
Control. 20th Annual USEPA National Operator Trainers Conference.
New York.
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS
CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
En este capítulo se hará un recuento de las unidades de tratamiento mínimas que deben
tener las instalaciones industriales para la depuración de sus vertidos antes de ser
descargados a los sistemas de alcantarillado. También se expondrá el funcionamiento, la
necesidad y el dimensionamiento de las unidades de tratamiento y procesos más usados
en la industria, diferentes a los tratamientos convencionales, como son: tanques de
igualación, procesos de neutralización, unidades de flotación de aire disuelto (DAF) y
tratamientos fisicoquímicos para la eliminación de contaminantes inorgánicos.
Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales
Con el fin de proteger de daños, obstrucción, corrosión y generación de gases explosivos
en las redes de alcantarillado sanitario de los municipios, toda industria, por pequeña que
sea (e.g. lavaderos de autos, restaurantes) deberá contar con, al menos, los siguientes
tratamientos:



Desbaste para remoción de sólidos gruesos.
Eliminación de grasas y aceites.
Desarenador o sedimentador para eliminación de barro, arenas y otros sólidos
decantables.
Un sistema de rejillas de desbaste, es fundamental en cualquier tipo de aguas residuales
industriales. Generalmente se usan rejillas medias y finas de limpieza manual. Los residuos
retirados deben ser secados y dispuestos como residuos sólidos.
En los lavaplatos de los restaurantes y locales de ventas de comidas, deberá exigirse el uso
de rejillas finas que se encuentren fijas (no removibles) en el sifón de los lavaplatos y de
las pocetas del área de preparación de alimentos y de lavado.
Industrias de alimentos, procesadoras de carnes, restaurantes, asaderos de pollo,
instalaciones de comidas rápidas y cocinas de uso comercial e industrial, en general,
causan serios problemas de obstrucción en el alcantarillado sanitario, por acumulación de
grasas.
Las grasas, aceites y otros materiales flotantes pueden ser retirados mediante el uso de
cajas simples provistas de pantallas y/o con entrada y salida de tuberías acodadas en las
que se aprovecha la diferencia de densidad de estas sustancias que tienen flotabilidad
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natural y que pueden ser separadas y acumuladas en forma de nata, sobre la superficie
del agua al interior de la trampa.
Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%202006%20grease%20trap.png y modificada por
el autor.
Estas trampas de grasa deben tener un mantenimiento periódico (cada dos días o cada
una o dos semanas, dependiendo de las características del afluente) ya que de acumularse
grasas en exceso, éstas empezarán a saponificarse (descomponerse) y a generar malos
olores y descensos en el pH.
Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para retención de sólidos. Imagen tomada
de: http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampa-de-grasas1.jpg
Estas trampas de grasa deberán ubicarse lo más cerca posible de la fuente generadora.
Generalmente se usan trampas de grasa prefabricadas en plástico, fibra de vidrio o acero
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inoxidable, que se instalan en superficie y que son fácilmente desmontables. No obstante,
también pueden estar enterradas.
Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante. Imagen tomada de:
http://www.greenarrowenvironmental.com/wp-content/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg
Los desarenadores o sedimentadores, son tanques, generalmente, de sección rectangular
en donde se tienen bajas velocidades de flujo y tiempos de retención hidráulica de varios
minutos u horas (dependiendo de las velocidades de sedimentación de las partículas
presentes en el afluente). Aunque se le da poca importancia a esta unidad, gran parte de
las sanciones que reciben las industrias a causa de vertimientos a la red de alcantarillado
por encima de los límites de la norma, obedecen a sólidos sedimentables.
Lección 32. Tanque de igualación
Los procesos industriales, por su naturaleza misma, usualmente generan flujos de aguas
residuales de características disímiles y de caudales notoriamente variables en el tiempo.
Esto es nocivo para los sistemas de depuración (tanto biológicos como fisicoquímicos)
debido a que no logran adaptarse bien a las oscilaciones permanentes de carga
contaminante y de caudal.
En estos casos, y a menos que se empleen reactores de flujo secuencial (SBR), se debe
asegurar una regulación de caudales y de características fisicoquímicas en el tiempo, antes
del vertido a la red de alcantarillado o previo a la entrada del sistema de depuración. Este
tanque recibe los afluentes variables de aguas residuales de proceso, los homogeniza
mediante el empleo de una turbina o mezclador (que además mantiene condiciones
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aerobias en el tanque) y los va descargando a la depuradora o a la red, mediante un
sistema de bombeo, a un caudal constante.
Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de:
http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG
Generalmente, se ha asociado el término “igualación” a una función de estabilización de
caudales, mientras que se emplea el término “homogenización” al de una normalización
de las características fisicoquímicas del agua (e.g. pH, temperatura, DQO, DBO, nitrógeno,
fósforo).
No obstante, un tanque de igualación de caudales, generalmente, cumple también la
función de regular los picos de las características del agua vertida.
En términos generales, las funciones que desempeña un tanque de igualación son:




Minimizar y controlar las fluctuaciones de caudal y características variables de las
aguas residuales.
Amortiguar flujos transientes (flujos pico de caudal o de características
fisicoquímicas específicas).
Estabilizar los valores de pH.
Brindar un flujo continuo a los sistemas de tratamiento.
Los parámetros generales de diseño de este tipo de unidades, se resumen en la Tabla 35.
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Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de igualación (Lozano-Rivas, Material de
clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
PARÁMETRO
Tiempo de retención hidráulica (TRH)
Potencial de óxido-reducción (POR)
Profundidad máxima del tanque
Borde libre recomendado
VALOR O RANGO
12 a 24 horas
> -100 mV
4,6 m
1m
Para calcular el volumen del tanque de igualación, es necesario realizar un muestreo con
medida de caudales de descarga, al menos, cada hora. En el ejemplo 32.1, se explicará el
método de cálculo.
Ejemplo 32.1.
Dimensionar un tanque de igualación para una empresa que vierte sus aguas residuales
las 24 horas del día, con un valor promedio de sólidos suspendidos totales (SST) de 450
mg/L. Para este cálculo, se realizó un aforo medio de caudales cada hora, el cual arrojó los
siguientes resultados promedio, en una semana de monitoreo:
(1)
Hora
(2)
3
Flujo (m /h)
01.00
02.00
03.00
04.00
05.00
06.00
07.00
08.00
09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00
23.00
24.00
1,5
3,1
1,5
2,2
4,8
2,3
1,9
3,8
3,7
1,3
0,5
4,8
0,2
0,4
2,5
5,0
2,5
0,6
1,2
1,2
0,2
0,2
3
Caudal medio de descarga: 1,89 m /h
(3)
Volumen vertido en el intervalo de tiempo
3
determinado (m )
1,5
3,1
1,5
2,2
4,8
2,3
1,9
3,8
3,7
1,3
0,5
4,8
0,2
0,4
2,5
5,0
2,5
0,6
1,2
1,2
0,2
0,2
Volumen vertido acumulado (sumatoria):
3
45,4 m
150
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Solución:
En la tabla del monitoreo la columna 3 es idéntica a la número 2, debido a que el caudal
fue registrado en m3/h (columna 2) y el caudal vertido en el intervalo de 1 hora (columna
3), corresponde consecuentemente al mismo valor.
Para seleccionar la bomba que llevará, a caudal constante, el afluente regulado desde el
tanque de igualación hacia la depuradora, se asumirá con un valor de bombeo
ligeramente por debajo al caudal promedio de descarga estimado (1,89 m3/h). Para este
caso, se tomará un valor de bombeo de 1,7 m 3/h.
El volumen del tanque de igualación se puede calcular de la siguiente manera:
En este caso en que el volumen vertido acumulado es de 45,4 m 3 y las horas de flujo y de
bombeo son de 24 horas, será:
La potencia del mezclador se calcula considerando que:
 Para aguas con SST>200 mg/L debe ser de 15 a 30 W/m 3 de tanque
 Para aguas con SST<200 mg/L debe ser de 4 a 8 W/m3 de tanque
En este caso en que las aguas tienen un valor medio de SST de 450 mg/L, y un tanque de
9,08 m3, asumiendo una potencia de 20 W/ m3 de tanque, el mezclador deberá tener una
potencia de:
Se buscará la potencia comercial de valor inmediatamente superior a este calculado; el
equipo seleccionado deberá también asegurar una alimentación de entre 9 y 15 litros de
aire por minuto por cada m3 de tanque, con el fin de evitar que se presenten condiciones
anaerobias.
Lección 33. Neutralización
La neutralización es un procedimiento de adición de un ácido o un agente alcalinizante al
agua residual, con el propósito de:
151
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


Ajustar el pH del efluente último de la depuradora, antes de su descarga al medio
receptor (en la mayoría de las normativas, estos valores oscilan entre 5 y 9
unidades).
Para ajustar el pH a un rango óptimo para la eficiente actividad biológica (6,5 – 8,5
unidades). Se hará antes del ingreso al reactor secundario.
Para la precipitación de metales pesados (depende del pH de precipitación de cada
metal, pero los valores más usuales oscilan entre 6 y 11 unidades.
Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.).
Para conseguir una buena neutralización es necesario:




Mantener unas características estables de caudal y pH en el afluente de la
depuradora.
La profundidad del tanque de neutralización no debe ser mayor de 3 m.
El tanque de neutralización debe ser (preferentemente) de sección circular y con
un diámetro igual a su profundidad.
Los tiempos de retención en los tanques de neutralización deben oscilar entre 5 y
30 min (se recomienda de 30 minutos para la neutralización con cal).
152
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

Si la mezcla en el tanque de neutralización se realiza de manera aireada, debe
adquirirse un equipo que permita inyectar entre 0,3 y 1,0 m3 de aire por minuto y
por m2 de tanque.
Si la mezcla en el tanque de neutralización se realiza de manera mecánica, debe
adquirirse un equipo que desarrolle una potencia entre 40 y 80 W por m 3 de
tanque.
Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH con ácido o agente alcalinizante.
Imagen tomada de: http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jpg
33.1. Agentes alcalinizantes


Hidróxido de calcio [Ca(OH)2]: es el más usado por su bajo costo. No obstante,
tiene el inconveniente de que genera grandes cantidades de lodo y de que toma
largos tiempos en reaccionar.
Soda cáustica o hidróxido de sodio [NaOH]: es costosa pero genera muy poco lodo
y reacciona rápidamente.
33.2. Ácidos


Ácido Sulfúrico [H2SO4]: es el más usado por su bajo precio pero presenta
dificultades y peligros en su manipulación.
Dióxido de carbono [CO2]: es inerte, incoloro, inodoro y no tóxico. Se considera un
excelente sustituto del ácido sulfúrico, porque:
o Es un ácido débil y no genera sobreacidificación (generalmente no alcanza
valores de pH inferiores a las 6 unidades), por lo que proporciona un mejor
control de pH.
o No genera corrosión en tuberías.
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o
o
o
o
No es tóxico, no es inflamable, no quema la piel.
Se puede manipular y almacenar sin mayor peligro.
El precio es sólo ligeramente superior al ácido sulfúrico.
Genera mayores economías en la instalación y operación de los equipos
dosificadores.
En depuradoras pequeñas e instalaciones antiguas, esta neutralización se hace aún en
lechos de caliza.
Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho, 1996).
Para el diseño de estas unidades, en instalaciones con tanques de igualación, deben
considerarse los siguientes criterios:


Profundidad del lecho de caliza: 1,5 a 2,5 m
Carga hidráulica superficial: 120 a 170 m3/m2*d.
En caso de faltar el tanque de igualación previo, deberán reducirse a la mitad los valores
de la carga hidráulica.
Lección 34. Flotación por aire disuelto
La flotación consiste en la remoción de partículas más ligeras que el agua, que son
arrastradas hacia la superficie. En otras palabras, es un sistema de separación sólidolíquido o líquido-líquido, basado en la diferencia de densidades.
Las grasas presentes en las aguas residuales pueden estar emulsionadas o no
emulsionadas. Las grasas emulsionadas tiene la particularidad de presentarse en forma de
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micelas de poco tamaño y de flotabilidad media, lo que deriva en una dificultad de
ascenso a la superficie, de manera natural. Las no emulsionadas tienen una alta
flotabilidad y pueden ser separadas fácilmente empleando deflectores que las acumulen
en la superficie de trampas de grasa (se detallan en la Lección 37) o dispositivos similares.
De esta manera, se tienen dos tipos de flotación:
 Flotación natural (usada para grasas no emulsionadas)
 Flotación provocada o acelerada (usada, generalmente, para grasas emulsionadas)
La flotación provocada o acelerada se utiliza para separar las emulsiones y las partículas
sólidas presentes en una fase líquida, mediante la inyección de aire a presión, en forma de
diminutas burbujas.
Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).
Las unidades de flotación provocada o acelerada son conocidas como FAD (Flotación por
Aire Disuelto) o DAF (por sus siglas en inglés: Dissolved Air Flotation).
En estas unidades, una mezcla de aire y agua (libre de sólidos y grasas), es sometida a una
elevada presión en un tanque independiente de presurización y es inyectada al tanque de
aireación (cuerpo principal del DAF) en la entrada de agua residual a tratar. Cuando esta
mezcla de aire comprimido y agua (del presurizador) pasa a condiciones de presión
atmosférica en el tanque de aireación del DAF, se produce la formación de miles de
burbujas finas que se adhieren a las partículas sólidas y grasas de las aguas residuales a
tratar, formando conjuntos (aglomeraciones) burbuja-gas, de menor densidad que el
agua, las cuales ascenderán rápidamente a la superficie.
Una vez en superficie, estos sólidos y grasas son eliminados en una tolva de natas, a
donde son arrastrados por la acción de una rasqueta o desnatador. Este residuo es
deshidratado y dispuesto como un residuo sólido.
155
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En la mayoría de las depuradoras, este proceso de flotación acelerada es mejorado
mediante una aplicación previa de sales coagulantes y/o polímeros.
Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por aire disuelto (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
El criterio fundamental para el diseño de las unidades DAF, es la relación aire/sólidos
(A/S). Esta relación debe mantenerse entre 0,02 y 0,05 kg/d de aire suministrado por kg/d
de sólidos en el afluente de aguas residuales.
Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de:
http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg
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Un video demostrativo de un sistema de tecnología DAF, puede ser visto abriendo este hipervínculo.
La mayor parte de estas unidades son de fabricación modular (sistemas prefabricados) y
algunos cuentan con patente. Son muy usadas en aguas residuales industriales,
especialmente, en industria de cárnicos, alimentos y similares.
Más información sobre los procesos de flotación y decantación, puede ser consultada en el documento
“Decantación-Flotación” de la compañía Dègremont: Ir al documento
Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos
Algunas aguas residuales industriales contienen importantes cantidades de metales
pesados y otras sustancias tóxicas inorgánicas que inhiben la actividad microbiana en los
sistemas de depuración biológica y causan problemas de aprovechamiento de los lodos de
las depuradoras.
Algunos de estos contaminantes y los métodos de remoción, se muestran en la Tabla 36.
Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Contaminante
Arsénico
Bario
Cadmio
Cianuro
Método más empleado
Métodos alternativos
Oxidación con cloro para
Oxidación de arsenito a arsenato y
transformar arsenito en
coagulación-floculaciónarsenato y luego precipitación
precipitación con hidróxido de
con cal hasta pH>12.
aluminio o hidróxido de hierro.
Desventaja: grandes cantidades Desventaja: grandes cantidades de
de lodo generado.
lodo generado.
Coagulación-floculación y
posterior precipitación con sales
de hierro. Desventaja: reacción
lenta.
Precipitación con soda cáustica
Precipitación con cal (pH entre 9
(pH entre 9 y 12) y posterior
y 12) y posterior filtración.
filtración. Desventaja: menos
efectiva que la cal.
Cloración alcalina: una etapa de
contacto con cloro y mezcla
permanente durante dos horas,
a pH>10; y una segunda etapa a
pH entre 8,0 y 8,5, durante 1
hora en contacto con cloro.
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Cobre
Cromo
Fluoruros
Hierro
Manganeso
Mercurio
Níquel
Precipitación con cal a un pH
cercano a 9,5 unidades.
Desventaja: la formación de
sulfato de calcio que impide el
filtrado posterior (cementa el
filtro, endureciéndolo y
obstruyéndolo).
Reducción de cromo
hexavalente a trivalente usando
ácido sulfúrico a un pH entre 2 y
3 unidades y posterior
aplicación de dióxido de azufre,
bisulfito de sodio o sulfato
ferroso para su conversión
completa. La precipitación del
cromo se realiza con cal a un pH
cercano a 8 unidades.
Desventaja: grandes cantidades
de lodo generado.
Precipitación con soda cáustica a
un pH cercano a 9,5 unidades y
posterior filtración. Desventaja:
mayores tiempos de secado de
lodos.
Para la precipitación, luego de la
reducción completa del cromo, se
puede emplear soda caustica.
Desventajas: es menos efectiva
que la cal y se requiere de
filtración posterior para igualar las
eficiencias.
Empleo de resinas de intercambio
iónico a un pH controlado entre 4
y 6 unidades.
Coagulación con alumbre a pH
entre 6 y 7 y dosis superiores a
Precipitación con cal a un pH>12 200 mg por cada mg de fluoruro.
Desventaja: grandes cantidades de
lodo generado.
Se emplea cal para ajustar el pH
a 7,0 unidades y se oxida el
hierro (ferroso a férrico) con un
sistema de aireación.
Oxidación con dióxido de cloro o
Coagulación química a un pH
permanganato de potasio, seguido
mayor de 9,4 unidades y
de coagulación química y posterior
posterior sedimentación.
precipitación.
Coagulación química con sales de
Adición de cloro o hipoclorito
hierro o aluminio y posterior
como oxidante y paso por
filtración. Desventaja: grandes
resinas de intercambio iónico.
cantidades de lodo generado y
Posteriormente, el efluente
altamente contaminado.
debe hacerse pasar por una
resina de intercambio aniónico.
Adsorción con carbón activado.
Desventaja: poca eficiencia.
Precipitación a un pH>9,5
Ósmosis Inversa.
unidades, usando cal, y
158
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posterior sedimentación
prolongada y filtración.
Plomo
Selenio
Zinc
Oxidación con cloro y posterior
precipitación a un pH entre 9 y
10 unidades, empleando cal.
Oxidación con cloro y posterior
precipitación a un pH entre 9 y 10
unidades, empleando soda
cáustica. Desventaja: es menos
efectiva que la cal y requiere de
filtración posterior para igualar las
eficiencias obtenidas con cal.
Precipitación a pH de 6,6
unidades.
Precipitación con cal o soda
cáustica a pH entre 9,0 a 9,5 ó
>11 unidades; debe estar
seguida de un proceso de
filtración.
-
-
CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN
Los tratamientos en el sitio de origen, llamados también, “sistemas individuales”, son la
primera línea de acción en las soluciones para pequeñas poblaciones.
Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema individual de tratamiento de aguas
residuales, en el sitio de origen. Imagen tomada de:
http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecutados/C1L2%202009/Agua%20y%20San
eamiento/031%20Laramate/Laramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg
159
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Los sistemas individuales se fundamentan en el tratamiento y disposición “in situ” de las
aguas residuales generadas por viviendas aisladas o pequeñas urbanizaciones e
instalaciones, en general, en donde no es posible el vertido de las aguas servidas a una red
de alcantarillado (bien sea por inexistencia o por distancia). Debido a que estas aguas no
deben ser vertidas sin tratamiento, se han planteado desde hace varias décadas, sistemas
pequeños que permiten el tratamiento y la disposición de estos efluentes sobre el suelo,
con el mínimo impacto sobre los ecosistemas o sobre los componentes ambientales (aire,
agua, suelo, población, etc.).
Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales con 4 opciones de
disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4)
Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septicodomiciliario-diagrama.jpg
Estos sistemas de tratamiento en el sitio de origen, al igual que las tecnologías blandas o
naturales, deben asegurar unos costos financieros bajos, demandan una baja cualificación
del personal que las construye, opera y mantiene, y no requieren de excesivo
mantenimiento y control, aunque deben operarse con la misma atención que cualquier
otro sistema de depuración.
160
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Lección 36. Principios de la geodepuración
El suelo es una matriz conformada por materiales complejos, micro y macro-organismos,
así como constituyentes minerales y orgánicos de naturaleza, tamaño, distribución y
composición muy disímiles. Las características estructurales del suelo permiten la
existencia de espacios vacíos (poros) que facilitan la transmisión y retención del agua y del
aire. Por estas razones, el suelo tiene una capacidad (aunque limitada) de tratar materia
orgánica e inorgánica, al actuar como un gran filtro bioquímico, en donde se presentan
retenciones de sólidos, degradación biológica, intercambio iónico y adsorción, entre
muchos otros fenómenos.
Las partículas presentes en los suelos, frecuentemente, están cargadas negativamente;
por esta razón, tienen la habilidad de atraer y retener sustancias y compuestos catiónicos
presentes en las aguas residuales. Es por esta razón, que suele asociarse la capacidad de
intercambio catiónico del suelo, con la aptitud de tratamiento de las aguas residuales.
Nutrientes como el amonio, el nitrógeno y el fósforo, así como virus y bacterias, pueden
ser retenidos por el suelo. Las arcillas tienen afinidad por el amonio, el cual quedará
retenido en condiciones anaerobias; en presencia de oxígeno, el amonio se transformará
en nitritos y nitratos (proceso de nitrificación) que podrían alcanzar las capas freáticas y
los acuíferos subterráneos.
Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como un gran filtro bioquímico. Imagen
tomada de: http://3.bp.blogspot.com/_d9ZUVwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+degradado.jpg
161
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Por su parte, el fósforo es absorbido por los minerales del suelo y forma precipitados con
hierro, aluminio o calcio allí presente, lo que determina su tránsito lento por los estratos
geológicos.
Se ha comprobado que una capa de suelo no saturado entre 0,6 y 1,2 m de espesor, es
capaz de remover de manera eficiente, virus y bacterias y casi la totalidad del fósforo. Este
requisito de espesor, para lograr remociones considerables, es función de la
permeabilidad del suelo. Un suelo permeable no se saturará con la aplicación de aguas
residuales, pero provocará eficiencias menores en una misma profundidad, que un suelo
poco permeable, el cual tendrá mayor eficiencia pero que se saturará con rapidez. Por
esta razón, es fundamental realizar las pruebas de infiltración, las cuales permiten medir
la permeabilidad o conductividad hidráulica del suelo.
36.1. Pruebas de Infiltración
Las pruebas de infiltración permiten definir la permeabilidad del suelo, a través de la
estimación de la tasa de infiltración o velocidad de percolación del agua que es vertida al
suelo. Para la instalación de sistemas individuales, deben hacerse como mínimo, cuatro (4)
pruebas de infiltración, uniformemente repartidas en el área destinada para la instalación
del sistema individual.
Para esta prueba, debe excavarse un cuadrante de 1 m de lado y de entre 0,30 y 0,60 m de
profundidad, llamada “gaveta”, la cual permite el trabajo cómodo del encargado de
ejecutar la prueba de infiltración. Dentro de esta “gaveta” (en un extremo, no en su
centro) se excavará un hoyo de entre 0,1 y 0,3 m de diámetro y una profundidad mínima
de 0,30 m, de manera que la profundidad del hoyo, coincida con la profundidad del
sistema de disposición “in situ” de las aguas tratadas (entre 0,6 y 1,1 m).
A este hoyo se le limpian muy bien las paredes y el fondo, con la ayuda de un filo de
cuchillo o similar. Se agregan 5 cm de arena gruesa o gravilla para evitar que la caída del
agua socave el fondo del orificio. Durante 24 horas, este agujero debe llenarse
constantemente de agua con el fin de saturar y expandir el suelo, simulando su
funcionamiento del terreno en época invernal.
Completadas las 24 horas de saturación, se vierte una altura mínima de 15 cm de agua
(sobre la capa de arena o grava) y se mide el tiempo que tarda ésta en descender 2,5 cm
respecto de su nivel original. Otra forma de hacerlo es, tomar la lectura del descenso de
agua en un intervalo definido de 10, 20 o 30 min. De cualquier manera, este
procedimiento permitirá estimar la tasa de infiltración en minutos por centímetro
(min/cm).
162
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Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada de:
http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf
Según la tasa de infiltración, puede clasificarse el tipo de suelo, de la siguiente manera
(Tabla 37).
Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005),
modificada por el autor.
Lección 37. Trampa de grasas
Las trampas de grasa son pequeños tanques de flotación natural, en donde los aceites y
las grasas, con una densidad inferior a la del agua, se mantienen en la superficie del
tanque para ser fácilmente retenidos y retirados.
Estas unidades se diseñan en función de la velocidad de flujo o el tiempo de retención
hidráulica (TRH), ya que todo dispositivo que ofrezca una superficie tranquila, con
entradas y salidas sumergidas (a media altura), actúa como separador de grasas y aceites.
163
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Las trampas de grasa deben ubicarse lo más cerca posible de la fuente de generación de
estas sustancias (generalmente, corresponde al lavaplatos o similar) y antes del tanque
séptico o sedimentador primario. Esta ubicación evitará obstrucciones en las tuberías de
drenaje y generación de malos olores por adherencias en los tubos o accesorios de la red.
Nunca deben conectarse aguas sanitarias a las trampas de grasas.
Para estimar el caudal de diseño de la trampa de grasa, deben tenerse en cuenta las
unidades de gasto de cada artefacto sanitario que se conectará a la unidad. Estas unidades
se indican en la Tabla 38.
Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de trampas de grasa (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Artefacto Sanitario
Unidades de Gasto
Lavaplatos de uso doméstico
2
Lavaplatos de uso industrial
4
Lavadero (Lavadora) de uso doméstico
3
Lavadero (Lavadora) de uso industrial
5
Otros artefactos de uso doméstico
1
Otros artefactos de uso industrial
2
Deben asumirse las unidades de gasto, por cada grifo de cada artefacto sanitario. Una vez
se tenga la contabilidad, se aplicará la siguiente expresión:
Donde,
Qdiseño caudal de diseño de la trampa de grasa (L/s).
U
total de grifos de los artefactos sanitarios conectados a la trampa de grasa.
Nunca debe diseñarse una trampa de grasa de un volumen inferior de 120 L. Otros
criterios de diseño, se exponen en la Tabla 39.
Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas
de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Característica
Valor o rango
Tiempo de Retención Hidráulica (TRH)
24 minutos
Relación Largo:Ancho
Entre 2:1 y 3:2
Mínima: 0,8 m
Profundidad útil:
Máxima: 2,0 m
Dispositivos de ingreso y salida
Tee de 90° y mínimo de 3 pulgadas de diámetro
Sumergencia del codo de entrada
Mínimo 0,15 m respecto del nivel de salida
Borde libre
0,30 m (mínimo)
164
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Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el caudal de diseño (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Dimensiones estimadas (metros)
Rango de Caudales
Volumen trampa de
(Litros/seg)
grasa (m3)
Profundidad (H)
Ancho (A)
Largo (L)
1,5
1,00
1,20
<1
1,80
1,0
1,00
1,80
1a2
3,60
1,5
1,10
2,20
2a3
5,40
2,0
1,13
2,40
3a4
7,20
2,0
1,45
2,50
4a5
8,10
2,0
1,50
2,70
5
9,12
2,0
1,60
2,85
Ejemplo 37.1.
Calcule el volumen de una trampa de grasas para un restaurante que tiene los siguientes
artefactos sanitarios:
 3 lavaplatos (con 2 grifos cada uno)
 2 pocetas para lavado de traperos y otros elementos de aseo (con 1 sólo grifo).
Solución:
Para estimar el caudal de diseño, se realiza la contabilidad de las unidades de gasto, así:
Artefacto
[1]
Cantidad
[2]
Grifos
[3]
Unidades de gasto
[4]
Total
= [1]*[2]*[3]
3
2
4
24
2
1
2
4
Lavaplatos de uso
industrial
Pocetas (uso
industrial)
UNIDADES TOTALES DE GASTO
28
El caudal de diseño será:
Considerando un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 24 minutos, el volumen de la
trampa de grasas será:
La trampa de grasas trabajará con un caudal punta, aproximado, de 1,59 L/s y tendrá un
volumen de 2,3 m3.
165
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Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada de:
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf
Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de escurrimiento de la grasa extraída
(a la derecha). Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf
166
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Lección 38. Tanques de decantación-digestión
Los tanques de decantación-digestión, son reactores anaerobios simples en donde las
bajas velocidades y los altos tiempos de detención hidráulica, permiten la sedimentación
de la materia orgánica de las aguas residuales y la salida de un efluente clarificado. Estos
sólidos retenidos, sufren un proceso de digestión anaerobia que acaba mineralizando este
residuo, el cual se extrae al cabo de varios meses e, incluso, años.
El dispositivo de decantación-digestión más usado en el mundo es el tanque séptico. En
este reactor, la decantación y la digestión de la materia orgánica ocurre en el mismo
recipiente, siendo este el método más común de depuración de las aguas residuales para
los sistemas individuales, el cual permite su disposición posterior sobre el suelo. El sólo
tanque puede lograr remociones de DBO que oscilan entre un 20 y 40%, respecto del agua
residual bruta.
El diseño del tanque séptico dependerá del tipo de instalaciones o edificaciones a servir,
de la carga contaminante, del origen y las características de las aguas residuales a tratar,
de la carga hidráulica, de los aspectos geológicos y topográficos del área en que se
implantará (e.g. tipo de suelo, nivel freático). Algunas consideraciones para la instalación
de estos tanques son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento
de Aguas Residuales, 2012):












El sistema deberá garantizar el cumplimiento de las normas exigidas por las
autoridades ambientales.
Debe asegurar un funcionamiento bajo las condiciones higiénicas y sanitarias
apropiadas.
No debe causar conflictos estéticos con la zona.
Debe ubicarse en terrenos no inundables.
Deben instalarse a no menos de 15 metros de las fuentes hídricas, a 3 metros o
más de árboles y redes de servicios públicos y a más de 2 metros de las
edificaciones.
Debe garantizar la no contaminación de los acuíferos y de las aguas subsuperficiales (aguas freáticas).
El sistema debe ser aceptado por la comunidad.
Debe estar ubicado en un sitio de fácil acceso para las labores de operación,
control y mantenimiento.
Debe ser la alternativa más económica.
Deben ser depósitos estancos (sin fugas ni filtraciones).
Su diseño debe evitar la formación de zonas muertas y de cortocircuitos
hidráulicos.
Debe preverse la extracción y disposición de lodos.
167
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Para el diseño, suele estimarse una tasa de acumulación de lodo de 0,04 m 3/persona*año
y deben dejarse salidas para los gases liberados en la fermentación anaerobia (chimeneas
de 3 pulgadas de diámetro y de altura igual a las edificaciones cercanas). Los tanques
sépticos pueden proyectarse sin compartimientos, pero se ha demostrado que son mucho
más eficientes los que se encuentran compartimentados (2 o 3 cámaras). Éstos suelen
incorporar en la última cámara, un filtro anaerobio del cual se hablará en la Lección 39.
Los pasos de un compartimiento a otro debe hacerse mediante orificios ubicados a media
altura (entre 30 y 40% de la profundidad efectiva, medida desde la superficie) para evitar
el paso de lodos y flotantes entre cámaras. Deberán también dejarse manholes (entradas
o registros) de acceso e inspección en cada compartimiento.
Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio de gravas en la última cámara
(Romero Rojas, 1999).
Algunas consideraciones que evitan deficiencias de funcionamiento y bajo rendimiento de
remoción de materia orgánica, en los tanques sépticos u otro tanque de decantacióndigestión (como los Tanques Imhoff) son (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):



El vertido no debe sobrepasar los 200 mg/L de nitrógeno amoniacal.
Debe instalarse una trampa de grasas antes para evitar la llegada de estas
sustancias que pueden ocasionar graves inconvenientes de olores.
Debe evitarse el uso excesivo de detergentes, lejías y desinfectantes, ya que
pueden causar la destrucción de los microorganismos anaerobios responsables de
la digestión de la materia orgánica, afectando su eficiencia.
168
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales

No es recomendable el uso de trituradores de basura en los sifones de los
lavaplatos (o dispositivos similares). Su uso implicará un incremento del 50% del
volumen inicialmente calculado para el tanque séptico.
No es recomendable el uso de estos sistemas para poblaciones que superen los 200
habitantes equivalentes (h-eq) o que generen caudales de aguas residuales superiores a
los 40 m3/d. No obstante, y a pesar de su extendido uso en el mundo, los criterios de
diseño son muy dispares entre países. Algunas consideraciones de diseño son (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):









El caudal de diseño corresponde al caudal medio diario.
El Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) varía entre 1 y 3 días, siendo el más
frecuente entre 24 y 48 horas y nunca menor a las 12 horas.
Tiempos menores a 12 horas, promueven la aparición de malos olores, además de
presentarse baja eficiencia.
En el diseño, debe preverse que cerca del 30% del volumen calculado se pierde por
acumulación de lodos y natas en el tanque.
La relación ancho:largo:altura debe ser aproximadamente de 2:5:1.
La altura mínima debe ser de 1,2 m.
La altura máxima debe ser de 1,7 m.
Borde libre de entre 0,25 y 0,30 m.
Las divisiones de los compartimientos:
o Con dos cámaras, la división se construye al 66% de la longitud del tanque.
o Con tres cámaras, la primera división se construye al 50% de la longitud del
tanque y la segunda al 75%.
Para su diseño pueden emplearse algunas de las siguientes expresiones (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):
En zonas de alto consumo de agua se puede emplear estas expresiones:
También:
Donde,

Volumen del tanque séptico (L)
169
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Q
TRH
P
caudal medio de aguas residuales (L/d)
tiempo de retención hidráulica (d)
habitantes-equivalentes (h-eq)
Aunque pueden construirse en mampostería o en concreto, en la actualidad muchos de
estos tanques se venden prefabricados en el comercio, y suelen ser más económicos que
los construidos.
Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4 opciones de disposición de las aguas
residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen
tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septico-integrado-Diagrama.jpg
Ejemplo 38.1.
Calcule el volumen de un tanque séptico para un grupo de viviendas que albergan una
media de 50 personas. El aporte de aguas residuales por persona se ha estimado en 120
L/día.
Solución:
El caudal medio diario para el diseño de esta unidad, es:
170
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
El volumen de la unidad, considerando un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 48
horas (2 días), es:
Lección 39. Filtro anaerobio
Es un sistema complementario al tanque de decantación-digestión, altamente eficiente.
Puede lograr reducciones de entre un 50 a 70% de DBO, sobre la remoción lograda
previamente en el tanque séptico. Consiste en un tanque o cámara cerrada, compuesta
por un lecho de grava y gravilla en donde el afluente proveniente del tanque séptico pasa
de manera ascendente, a través de los intersticios y la película biológica que se forma
sobre la superficie de este material granular, realiza un trabajo de digestión y reducción
anaerobia.
Estas unidades pueden estar unidas a manera de última cámara de un tanque séptico (lo
que disminuye costos de construcción) o pueden ser unidades independientes (lo que
facilita las labores de limpieza y mantenimiento).
Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo ascendente. Imagen tomada de:
http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnologias/tec_s/tec_s11.jpg
Los lechos de contacto anaerobio deben cumplir con las siguientes especificaciones
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales,
2012):
171
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales




Volumen: 0,02 a 0,04 m3 por cada 0,1 m3/d de aguas residuales a tratar.
Como falso fondo, puede proyectarse una placa perforada con orificios de entre
2,4 y 3,6 cm.
También puede emplearse, como falso fondo, una cama de grava de 0,20 m de
espesor, con grava de entre 2,5 y 3,5 cm de diámetro.
El lecho filtrante suele tener un espesor no menor a los 0,5 m y está compuesto, de
manera ascendente, de la siguiente manera:
o Una primera capa de grava de 0,45 a 0,55 m de espesor y tamaños entre
1,2, y 1,8 cm de diámetro
o Seguida por otra capa de 0,25 a 0,30 cm de espesor y tamaños entre 0,6 y
0,9 cm de diámetro.
Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado. Imagen tomada de:
http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes/digestor.jpg
Esta grava puede ser reemplazada por piezas plásticas como las usadas en lo filtros
percoladores.
Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascendente, independiente. Imagen tomada de:
http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg
172
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Lección 40. Campo de infiltración
Luego de haber separado las grasas en una trampa y de haber hecho pasar las aguas
sanitarias por un tanque séptico y un filtro anaerobio, este efluente parcialmente tratado
puede ser llevado a un campo de infiltración.
Lo primero que debe realizarse para el emplazamiento de un sistema individual que
contemple como disposición final un campo de infiltración, es evaluar si el suelo es apto
para funcionar como sistema de depuración, para que posteriormente se proceda a
calcular el área necesaria, a partir de la tasa de infiltración determinada por la prueba de
infiltración.
Una vez que se haya determinado la tasa de infiltración (min/cm) con la prueba en campo,
este valor se relacionará con los valores de carga hidráulica y absorción efectiva de la
siguiente tabla (Tabla 41).
Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).
Carga
Tasa de
Absorción
hidráulica
Ancho de zanja
Profundidad
Separación de
Infiltración
efectiva
3
2
(m /m *d) ó
(m)
de zanja (m)
zanjas (m)
2
(min/cm)
(m /m)
(m/d)
<0,4
No es recomendable su uso
0,4 – 0,8
0,058
0,45
0,5 a 1,0
1,5
1,9
0,8 – 1,2
0,047
0,60
0,5 a 1,0
1,8
1,9
1,2 – 2
0,038
0,60
0,5 a 1,0
2,0
1,9
2–4
0,030
1,00
0,50 a 1,25
2,4
2,3
4 – 12
0,016
1,25
0,50 a 1,25
3,0
2,8
12 – 24
0,008
1,25
0,50 a 1,25
4,0
2,8
>24
No es recomendable su uso
El campo de infiltración consiste en una serie de zanjas, con tuberías enterradas que
tienen perforaciones en la parte inferior y que reparten en el suelo, de forma homogénea
el agua residual parcialmente tratada y clarificada, para permitir su tratamiento y
disposición en el terreno, empleando los principios de la geodepuración.
Con los valores de tasa de infiltración, carga hidráulica y absorción efectiva, se procede a
calcular la superficie útil del campo de infiltración, empleando la siguiente expresión:
173
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Donde,
A
Qmd
Ch
Ae
superficie útil del campo de infiltración (m2)
caudal medio diario de aguas residuales (m 3/d)
carga hidráulica (m/d)
absorción efectiva (m2/m)
El número de zanjas y tuberías perforadas se calcula así:
Donde,
superficie útil del campo de infiltración (m2)
ancho de zanja (m)
longitud de zanja (m)
A
b
l
La máxima longitud de zanja permitida es de 25 m.
Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de infiltración. Imagen tomada de:
http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif
Otras consideraciones para la construcción de un campo de infiltración son (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):


Para el tendido de la tubería perforada, debe establecerse una cama de grava de
0,30 cm de espesor y entre 1,2 y 6,0 cm de diámetro.
El recubrimiento se hará con 5 cm de grava, de igual diámetro, por encima de la
cota clave de la tubería perforada. Esta grava se cubre con una membrana
174
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
(geotextil) y se completa la zanja con material grueso (hasta el nivel de terreno) y
se remata con un empradizado.
El fondo de las zanjas del campo de infiltración deben estar entre 0,60 y 1,0 metros
por encima del nivel freático (aunque hay normas que establecen distancias
mayores).
Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo de infiltración
Ejemplo 40.1.
Calcule el área útil de un campo de infiltración y el número de zanjas, para un caudal de
aguas residuales de 3 m3/d.
Las pruebas de infiltración dieron como resultado una taza de infiltración de 1,5 min/cm,
que corresponde a una carga hidráulica de 0,038 m/d y una absorción efectiva de 2 m 2/m
(Tabla 41).
Solución:
La superficie útil del campo de infiltración será:
Considerando una disponibilidad de terreno para una longitud de zanja de 11 m y
tomando un ancho de zanja de 0,60 m (Tabla 41), el número de zanjas será:
175
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CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS
En Colombia y en el mundo, la mayoría de poblaciones tienen menos de 20.000 habitantes
(h-eq) y se encuentran separadas por distancias considerables unas de otras, lo que
imposibilita la construcción de depuradoras multi-población. Surge, entonces, la idea de
las “pequeñas plantas depuradoras”.
Generalmente, se entiende por pequeñas depuradoras, a las instalaciones destinadas al
tratamiento de las aguas residuales de comunidades inferiores a los 20.000 h-eq. Los
problemas de depuración de estas pequeñas poblaciones son muy distintos a los de las
grandes depuradoras. Entre esos problemas pueden destacarse (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005):





Falta de legislación específica para pequeños sistemas.
Poca planificación.
Deficiencias en construcción.
Altos costos económicos.
Poca disponibilidad de medios técnicos y de personal calificado para la operación.
Entre los inconvenientes que se derivan de una mala planificación y que conllevan
también a diseños deficientes, se pueden contar:



No se simulan los procesos de depuración en laboratorio.
Uso de legislación no adaptada para estos pequeños sistemas.
Empleo incorrecto de parámetros de diseño.
Otro aspecto fundamental que debe considerarse para la elección de los sistemas de
depuración de las pequeñas poblaciones es que las fluctuaciones de carga y caudal, son
mucho más pronunciadas cuanto más reducida sea la población. Adicionalmente, deben
evaluarse en cada caso específico, los aspectos culturales, las costumbres y las actividades
industriales, entre otros. Estas particularidades se suman a los altos costos de las
depuradoras que, en el caso de las pequeñas poblaciones, van en contravía de las
dinámicas de economía de escala.
Por estas y otras razones, deben escogerse sistemas que funcionen por gravedad, que
demanden un bajo consumo energético, que no requieran de personal de construcción ni
de operación altamente calificado y que, en lo posible, se integre con el entorno. Surgen
entonces las llamadas “tecnologías blandas”, conocidas también como “tecnologías
naturales” o “soluciones de bajo costo”, las cuales se fundamentan en los principios de
depuración que emplea la naturaleza y cuyo aspecto, armoniza con el paisaje del lugar en
176
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
el que se implemente. Entre las tecnologías más usadas en Colombia se encuentran las de
los Sistemas de Lagunaje (conocidos como lagunas de estabilización) y los humedales
artificiales. También se han usado con algo de éxito en otros continentes, tecnologías de
filtros verdes y los llamados filtros intermitentes. Estas tecnologías se expondrán
brevemente en este Capítulo 9.
Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales según el número de habitantes
(CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).
Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I)
Los sistemas de lagunaje emulan los procesos de autodepuración que se presentan de
manera natural, en ríos y, especialmente, en lagos.
Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen
tomada de: http://2.bp.blogspot.com/8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG
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La depuración del agua residual se logra básicamente por sedimentación de la materia
orgánica en suspensión y por la labor de oxidación bioquímica de los microorganismos,
tanto en los lodos retenidos como en la materia orgánica que se encuentra en disolución.
Las lagunas que hacen parte del sistema de lagunaje, pueden clasificarse de la siguiente
manera:

Lagunas Anaerobias: tienen entre 3 a 5 m de profundidad. Generalmente, es el
primer reactor del sistema de lagunaje y recibe el agua residual bruta, después de
haber pasado por el pretratamiento. Allí se presenta la mayor parte de la
sedimentación de la materia orgánica, por lo que se presenta una alta demanda de
oxígeno disuelto que sumada a la poca superficie de intercambio y gran
profundidad, condiciona el predominio de los fenómenos de tipo anaerobio.
Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación “Tecnologías No Convencionales para
la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA).

Lagunas Facultativas: suelen ir precedidas de una laguna anaerobia. Tienen entre
1,5 y 2,0 metros de profundidad. Allí se presenta la sedimentación de los sólidos en
suspensión que no fueron retenidos en el reactor previo (laguna anaerobia). Son
llamadas así porque se presentan fenómenos aerobios en la superficie (debidos al
intercambio de gases y los procesos fotosintéticos), anaerobios en el fondo y
facultativos en el centro (con microorganismos que se adaptan fácilmente a ambas
condiciones aerobia o anaerobia).
178
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Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para
la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA).
Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y nutrientes, en una laguna
facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las
A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA).

Lagunas aerobias o de maduración: son lagunas de muy poca profundidad (entre
0,7 y 1,1 m), en las que se presenta muy poca demanda de oxígeno y una tasa alta
de actividad fotosintética; por esta razón, predominan los fenómenos de foto179
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
oxidación y asimilación celular de nutrientes. Suelen ser lagunas de pulimento en
la eliminación de la carga orgánica contaminante y para la eliminación de
patógenos y nutrientes (fósforo y nitrógeno) que pueden causar inconvenientes de
hipereutrofización en cuerpos hídricos de baja velocidad.
Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de:
http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil_-_BagleyStabilizationPonds.jpg
Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II)
Los sistemas de lagunaje demandan para su implementación, un área de terreno de entre
7 y 10 m2 por habitante equivalente. Los rendimientos medios de remoción alcanzados
por estos sistemas son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):
Laguna Anaerobia:





Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 60%
DBO estándar: 40 al 50%
DQO: 40 al 50%
Nitrógeno: 0 al 15%
Fósforo: 0 al 5%
180
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Laguna Facultativa:





Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 70%
DBO estándar: 60 al 80%
DQO: 50 al 70%
Nitrógeno: 30 al 60%
Fósforo: 0 al 30%
Laguna de Maduración:





Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 80%
DBO estándar: 70 al 80%
DQO: 70 al 80%
Nitrógeno: 30 al 80%
Fósforo: 10 al 60%
Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://corporativoambitec.com/wpcontent/uploads/2012/03/laguna.gif
Entre las ventajas de los sistemas de lagunaje se cuentan:
181
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales








Su operación es sencilla, al igual que su construcción.
Baja demanda de energía eléctrica.
Poca producción de lodos debido a la alta mineralización de los sedimentos como
consecuencia de los altos tiempos de retención.
Los lodos son evacuados cada 3 a 6 años.
Integración armónica con el medio natural.
El efluente suele ser apto para riego con algunas restricciones.
Se adapta bien a las variaciones de caudal y carga contaminante (flujos
transientes).
Genera el más alto abatimiento (reducción) de microorganismos patógenos entre
las tecnologías no convencionales.
Entre las desventajas puede mencionarse que:





Demanda una gran superficie de terreno para su implementación, aunque inferior
a la del filtro verde.
Es muy dependiente de las condiciones climáticas. Por esta razón, no es
aconsejable en zonas muy frías o con baja insolación (horas efectivas de sol).
Las lagunas anaerobias, por su naturaleza, suelen presentar problemas de olores
molestos. Esta situación limita las alternativas de ubicación, las cuales deben estar
siempre alejadas de las zonas pobladas.
Dificultad para hacer modificaciones que varíen sus condiciones operativas.
Alto contenido de algas en el efluente.
42.1. Aspectos a considerar en el diseño y operación de los sistemas de lagunaje.

Lagunas Anaerobias:
La laguna anaerobia, por su naturaleza, operará de manera más eficiente a temperaturas
cercanas a los 30 °C. El color grisáceo del agua, la presencia de burbujas que emergen a la
superficie y de una nata de aspecto grasoso sobre la laguna, son indicadores de una
correcta operación y/o de un buen funcionamiento. El potencial del oxido-reducción (POR)
en estas lagunas, debe oscilar entre -0,42 a +0,82 voltios, para asegurar un
funcionamiento anaeróbico óptimo. Los tiempos de retención suelen ser de entre 2 y 5
días, manteniendo un pH no inferior a 7,0 unidades.
Más información sobre las Lagunas Anaerobias, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento

Lagunas Facultativas:
182
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En las lagunas facultativas, un indicador de buen funcionamiento es la coloración verde
brillante característica de la actividad fotosintética de las algas. La temperatura óptima de
trabajo se encuentra alrededor de los 28 °C y entre 7,5 y 8,5 unidades de pH.
Más información sobre las Lagunas Facultativas, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento

Lagunas aerobias:
Las lagunas aerobias o de maduración, no sólo son usadas como etapa final en los
sistemas de lagunaje sino que pueden servir de pulimento de la depuración y remoción de
patógenos y nutrientes, en sistemas convencionales de depuración, antes de su vertido al
cuerpo hídrico receptor.
Más información sobre las Lagunas de Maduración, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al
documento
Para su diseño, existe una gran cantidad de modelos que han sido adaptados a regiones o
climas específicos. En cualquier caso, deben evaluarse muy bien las condiciones de
precipitación, temperatura, velocidad del viento, insolación y evaporación, entre otros
factores climáticos, para cada zona en particular; de esta manera, no debe tomarse ningún
modelo a la ligera.
Más información sobre los modelos de diseño de los sistemas de lagunaje, puede ser consultada en el
siguiente texto: Ir al documento
Lección 43. Humedales artificiales
Los humedales artificiales son reactores análogos a los sistemas de lagunaje, pero con la
diferencia de enfocar su principio de depuración, en el uso de plantas acuáticas o
semiacuáticas, emergentes. Las especies más usadas son los carrizos, juncos, eneas, entre
otras, las cuales presentan una elevada productividad (entre 50 a 70 toneladas de materia
seca por hectárea y por año) y son muy resistentes a las condiciones de carencia de
oxígeno que se presentan en suelos pantanosos y encharcados.
Los mecanismos de depuración se fundamentan en la eliminación de sólidos en
suspensión mediante fenómenos de sedimentación y filtración, que se facilitan por el paso
del agua a través del conjunto formado por el soporte de gravas, los tallos y raíces de las
plantas acuáticas.
Una vez que esta materia orgánica ha sido retenida, la acción de microorganismos
(bacterias, principalmente) transforma estos compuestos en otros más simples, los cuales
183
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son fácilmente asimilables por el ecosistema artificial recreado en el humedal. El oxígeno
requerido por los microorganismos es proveído no sólo por los procesos fotosintéticos
que pueden darse en superficie, sino principalmente por las raíces de las plantas. No
obstante, en algunas zonas del humedal (las que se encuentran a mayor profundidad)
pueden darse también procesos de degradación anaerobia.
Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias.
Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s1600/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiac
ial+Vertical+%2528HAFSV%2529.JPG
En estos sistemas se presenta también la eliminación de nutrientes como nitrógeno y
fósforo, por el aprovechamiento directo que realizan las plantas para su crecimiento. La
remoción de nitrógeno es favorecida también por los procesos de nitrificacióndesnitrificación que se desarrollan por la existencia de zonas aerobias y anaerobias. La
eliminación de patógenos se presenta por la acción depredadora de bacteriófagos y
protozoos, así como también por la secreción de sustancias biocidas de las mismas plantas
acuáticas.
Los humedales, pueden clasificarse considerando si la circulación de agua en ellos se da de
forma superficial o subsuperficial, de la siguiente manera:



Flujo superficial
Flujo subsuperficial horizontal
Flujo subsuperficial vertical
184
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Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales. Imagen tomada de: Hans Brix
(Universidad de Aarhus, Dinamarca).
Entre muchas de las ventajas de estos sistemas se cuentan:






Fácil de construir y operar.
No requiere de mano de obra calificada.
Las labores de mantenimiento pueden limitarse al retiro de los sólidos retenidos
en las unidades de pretratamiento y a la poda de la vegetación seca.
Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos.
No demanda consumo de energía eléctrica.
Se integra de forma armónica al ambiente natural.
185
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Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de:
http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842_orig.jpg
Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales. Imagen tomada de:
http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG
Algunas de las desventajas son:
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales


Demanda de una gran superficie de terreno para su implementación (entre 4 y 7
m2 por habitante equivalente).
Exige el uso de un sedimentador primario previo; o, en sistemas más pequeños, de
un tanque de decantación-digestión como los sépticos o los Imhoff.
Los rendimientos medios de remoción alcanzados por estos sistemas son (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):





Sólidos Suspendidos Totales: 60 al 70%
DBO estándar: 60 al 80%
DQO: 50 al 70%
Nitrógeno: 20 al 40%
Fósforo: 20 al 30%
Lección 44. Filtros verdes
Los filtros verdes se fundamentan en el la geodepuración de las aguas residuales vertidas
sobre un terreno con vegetación. En estas áreas no sólo se consigue el tratamiento del
vertido de aguas servidas sino también el crecimiento de la vegetación existente.
Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de:
http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Victor_IMDEA.jpg
187
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Los filtros verdes no hacen posible la utilización posterior del agua, debido a que casi la
totalidad de ella, es consumida por la vegetación y retornada en forma de vapor a la
atmósfera (transpiración). La que no es aprovechada por la biomasa forestal, se evapora o
se percola horizontal y verticalmente en el suelo. Por esta razón, de contar con un suelo
muy permeable, podría provocarse la contaminación de las aguas subterráneas.
Visto de forma simplificada, un filtro verde es un campo de infiltración, en donde se
tienen especies vegetales de alto consumo hídrico, que evitan la saturación del suelo y
disminuyen el peligro de contaminación de los acuíferos.
En su operación, deben alimentarse las parcelas de manera intermitente (cada 4 a 10
días), dependiendo de la cantidad de lluvias en cada época del año. El caudal de
alimentación oscila entre 20 y 60 m3 de aguas residuales por hectárea y por día (m3/ha*d).
Aunque se puede aplicar el agua bruta directamente sobre las parcelas de filtro verdes,
dependiendo de las características del suelo (especialmente con aguas con alto contenido
de grasas y aceites), deberá proveerse un pretratamiento y un sistema de sedimentación
previo.
Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada
de: http://2.bp.blogspot.com/AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG
La selección de la especie vegetal a implantar en el filtro verde, deberá tener las siguientes
características:



Alto consumo de agua que retorne por transpiración.
Una alta asimilación de nutrientes.
Rápido crecimiento.
188
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales


Gran tolerancia a los suelos húmedos.
Mínima exigencia de cuidados y mantenimiento.
Las ventajas de este sistema son, entre otras:









Fácil construcción y operación.
El mantenimiento puede restringirse a la limpieza de las unidades de
pretratamiento y sedimentación, la rotación periódica de la parcela y al retiro de la
costra que puede formarse sobre el terreno, con el fin de airearlo y retornar su
permeabilidad (esto se hace cada 3 meses, aproximadamente).
Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos.
No demanda consumo de energía eléctrica.
Se integra de forma armónica al ambiente natural.
Posibilidad de compensar algunos costos operativos con la venta de madera.
No se producen lodos.
Altos rendimientos de depuración.
Puede asimilar bien caudales pico e incrementos de carga contaminante (flujos
transientes).
Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc/imagenes/5.jpg
Algunas desventajas que podrían asociarse a los filtros verdes son:
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales



Limitación de su aplicación en zonas de alta pluviosidad.
La exigencia de grandes áreas de terreno para su implementación (40 a 60 m2 por
habitante equivalente).
No es aplicable en todos los suelos (depende de su capacidad de infiltración y de la
profundidad del nivel freático, entre otras características).
Los rendimientos medios de remoción alcanzados por estos sistemas son (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012):





Sólidos Suspendidos Totales: 90 al 95%
DBO estándar: 90 al 95%
DQO: 80 al 90%
Nitrógeno: 80 al 90%
Fósforo: 80 al 90%
Lección 45. Filtros intermitentes
Estos sistemas se fundamentan en la filtración biológica del agua residual, a través de
mantos filtrantes que emplean turba o arena, como medio. La turba, es una tierra
enriquecida (a manera de humus) que se forma en zonas pantanosas, de alta saturación,
que mantiene condiciones anaerobias.
Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/-CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s1600/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG
En estos filtros se presentan varias acciones de remoción de los contaminantes presentes
en las aguas residuales, a saber:
190
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales



Acciones físicas: el lecho actúa como criba, dependiendo de su granulometría y
porosidad.
Acciones biológicas: se forma una biomasa bacteriana a manera de película
(biofilm) sobre la superficie del lecho, que permite la degradación biológica de la
materia orgánica.
Acciones químicas: en el caso de la turba, se presenta una elevada capacidad de
intercambio iónico. Adicionalmente, la alternancia o intermitencia de las fases de
saturación-aireación del lecho, promueve la aparición de reacciones de oxidoreducción.
Entre las ventajas de los filtros intermitentes se tienen:









Fácil construcción y operación.
El mantenimiento puede restringirse a la regeneración de los lechos agotados
(cada 10 o 15 días) que se consigue rastrillando la superficie seca de los lechos
filtrantes para eliminar la costra superficial. Posteriormente se cava el filtro,
removiendo el lecho y aireándolo; finalmente se alisa la superficie y queda listo
para un nuevo ciclo de llenado (saturación).
Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos.
No demanda consumo de energía eléctrica.
Se integra de forma armónica al ambiente natural.
Posibilidad de compensar algunos costos operativos con la venta de madera.
No se producen lodos, sino una costra de manejo sencillo.
La baja demanda de superficie para su implementación, comparada con otras
tecnologías naturales (0,6 a 1,2 m2 por habitante equivalente).
Puede asimilar bien caudales pico e incrementos de carga contaminante (flujos
transientes).
Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s1600/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro
+de+turba.JPG
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Algunas de sus desventajas son:




Limitación para su uso en zonas de alta pluviosidad.
Mayor necesidad de mano de obra que otras tecnologías blandas.
La turba debe cambiarse cada 8 o 10 años de uso.
Las condiciones del afluente o la selección granulométrica inadecuada del lecho (o
ambas) pueden inducir el taponamiento u obstrucción.
Los rendimientos medios de remoción alcanzados por los lechos intermitentes son
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales,
2012):





Sólidos Suspendidos Totales: 80 al 90%
DBO estándar: 75 al 85%
DQO: 70 al 80%
Nitrógeno: 30 al 40%
Fósforo: 10 al 20%
Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc/imagenes/3.jpg
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales ACTIVIDADES DE AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD 3
 Preguntas sobre la Unidad
1) Cuáles son los Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos
industriales?
2) En los lavaplatos de los restaurantes y locales de ventas de comidas,
deberá exigirse el uso de:
3) Las Industrias de alimentos, procesadoras de carnes, restaurantes,
asaderos de pollo, entre otras causan serios problemas de obstrucción en
el alcantarillado sanitario, por acumulación de grasas , aceites y otros
materiales flotantes los cuales pueden ser retirados mediante el uso de:
4) Algunas aguas residuales industriales contienen importantes cantidades de
metales pesados y otras sustancias tóxicas inorgánicas que inhiben la
actividad microbiana en los sistemas de depuración biológica y causan
problemas de aprovechamiento de los lodos de las depuradoras, para la
remoción del Arsénico, cuales Métodos son los más empleados y cuáles
son los Métodos alternativos?
5) Los filtros verdes se fundamentan en el la geo-depuración de las aguas
residuales vertidas sobre un terreno con vegetación Algunas desventajas
que podrían asociarse a estos filtros son:
Actividades prácticas relacionadas con la unidad 3
De acuerdo a lo visto en el curso Diseño de Plantas de Tratamiento de
Aguas Residuales escriba los contaminantes característicos de cada una de las
industrias que se presentan a continuación. Industria PORCICOLA
AVICOLA
LACTEOS
CURTIEMBRES
MATADEROS
TEXTILES
CONTAMINACIÓN CARACTERÍSTICA DE LA INDUSTRIA
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Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales EXPLOTACIONES
MINERAS Y
SALINAS
LAVADEROS DE
MINERAL Y
CARBÓN
BEBIDAS B- Seleccione un sistema de tratamiento el cual remueva los contaminantes presentes,
en los vertimientos generados de cada una de las industrias.
Industria PORCICOLA
AVICOLA
LACTEOS
CURTIEMBRES
MATADEROS
TEXTILES
EXPLOTACIONES
MINERAS Y
SALINAS
LAVADEROS DE
MINERAL Y
CARBÓN
BEBIDAS Sistemas y procesos de tratamiento UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales Fuentes Documentales de la Unidad 3
-Balda, R. (2001). Filtro Percolador. Bogotá D.C., Colombia: Presentación en
PPT. Material de Clase. Universidad de la Salle.
-Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de
Murcia - ESAMUR. (2006). Tecnología del Agua N°269. Murcia.
Jenkins D., Richard M., & Daigger G. (1993). Manual on the causes and
Control of activated sludge bulking and foaming. New York: Lewis Publishers.
- Leeuwen J., & Pretorius W. (2007). Sludge Bulking Control with Ozone.
Water and Environmental Journal, 223-227.
- Lozano-Rivas W. (2009). Los Canales Abiertos de Saneamiento (CAS) o
Canales Percoladores de Biotratamiento (CPB): Saneamiento sin
Discriminación en zonas rurales y suburbanas. Bogotá D.C.: Segundo
-Lozano-Rivas, W., Gutiérrez de Piñeres M., Hernández C., Romero S., &
Sánchez, A. (2009). Canales Percoladores de Biotratamiento (CPB):
Una nueva alternativa de saneamiento de bajo costo. II Simposio de
Semilleros de Investigación. Bogotá D.C.: Universidad Piloto de
Colombia.
-Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla.
(s.f.). Aguapedia. Recuperado el 20 de Agosto de 2012, de Capítulo
8. Línea de Fango:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/lfan
go /lfango.htm
- Ramalho R. (1996). Tratamiento de Aguas Residuales. Barcelona: Editorial
Reverté S.A.
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Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
Trabajos citados
Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua.
Bogotá D.C.: McGraw Hill.
Balda, R. (2001). Filtro Percolador. Bogotá D.C., Colombia: Presentación en
PPT. Material de Clase. Universidad de la Salle.
Balda, R. (2002). ¿Why to treat wastewater? Presentación en PPT. Bogotá
D.C., Colombia: Universidad de la Salle.
CIDTA. Universidad de Salamanca. (2005). Módulo en Modelización y
Simulación de Plantas Depuradoras de Agua. En CD. Salamanca,
España.
Collazos, C. (2008). Tratamiento de Aguas Residuales - Generalidades.
Recuperado el 1 de Julio de 2012, de Universidad Nacional de
Colombia:
http://www.ing.unal.edu.co/catedra/drs_diaz_collazos/GENERALIDA
DES.pdf
CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua.
(s.f.). La Reutilización de Aguas Residuales. En Agua potable para
comunidades rurales, reuso y tratamientos avanzados de aguas
residuales domésticas. Madrid.
Diario El Espectador. (25 de Septiembre de 2008). Colombia sólo trata 9%
de sus aguas residuales. El Espectador.
Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de
Murcia - ESAMUR. (2006). Tecnología del Agua N°269. Murcia.
Jenkins, D., Richard, M., & Daigger, G. (1993). Manual on the causes and
control of activated sludge bulking and foaming. New York: Lewis
Publishers.
Kooijmans, J., Lettinga, G., & Rodríguez, G. (October de 1995). Institution of
Water Engineers and Scientist. Institution of Water Engineers and
Scientist, 39(5).
Leeuwen, J., & Pretorius, W. (2007). Sludge Bulking Control with Ozone.
Water and Environmental Journal, 223-227.
Lozano-Rivas, W. (2007). Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas
Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado. En:
Sistema Integral de Saneamiento con Fitodepuración de Ornato
para Pequeños Núcleos Urbanos. Tesis de Máster. Sevilla, España:
Lozano-Rivas, W. A. & López E., O. Escuela Universitaria Politécnica de
la Universidad de Sevilla.
Lozano-Rivas, W. (2009). Los Canales Abiertos de Saneamiento (CAS) o
Canales Percoladores de Biotratamiento (CPB): Saneamiento sin
discriminación en zonas rurales y suburbanas. Bogotá D.C.: Segundo
193
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente
Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
informe de avance de investigación. Grupo Ecología Urbana de la
Facultad de Ciencias Ambientales. Universidad Piloto de Colombia.
Lozano-Rivas, W. (2012). Antecedentes y Definiciones Básicas Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas
Residuales". (Documento en PDF). Recuperado el 1 de Julio de 2012,
de Blog - Agua y Ambiente: http://wlozano.blogspot.com
Lozano-Rivas, W. (2012). Diseño de Plantas de Potabilización de Agua.
Material de clase. Bogotá D.C., Colombia: Disponible en:
http://wlozano.blogspot.com.
Lozano-Rivas, W. (Febrero de 2012). Estaciones Depuradoras de Aguas
Residuales. Syllabus. Programa de Ingeniería Ambiental. Bogotá D.C.,
Colombia: Universidad Antonio Nariño.
Lozano-Rivas, W. (2012). Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales. Varios documentos. Bogotá D.C.,
Colombia: Diponibles en http://wlozano.blogspot.com.
Lozano-Rivas, W., Gutiérrez de Piñeres, M., Hernández, C., Romero, S., &
Sánchez, A. (2009). Canales Percoladores de Biotratamiento (CPB):
una nueva alternativa de saneamiento de bajo costo. II Simposio de
Semilleros de Investigación. Bogotá D.C.: Universidad Piloto de
Colombia.
Madrazgo, E. (2009). Agua Potable y Saneamiento Básico en América
Latina. Un objetivo compartido y alcanzable. Boletín Económico de
ICE 2974.
Malina, J., & Pohland, F. (1992). Design of Anaerobic Processes for the
Treatment of Industrial and Municipal Wastes. New York: Technomic.
Moreno López, M. (2009-2010). Contaminación y Tratamiento de Aguas.
Módulo 1. Universidad de Huelva: IV Máster oficial en Tecnología
Ambiental.
Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla.
(s.f.). Aguapedia. Recuperado el 20 de Agosto de 2012, de Capítulo
8. Línea de Fango:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/lfan
go/lfango.htm
Ramalho, R. (1996). Tratamiento de Aguas Residuales. Barcelona: Editorial
Reverté S.A.
Richard, M. (2003). Activated Sludge Microbiology Problems and their
Control . 20th Annual USEPA National Operator Trainers Conference.
New York.
Romero Rojas, J. A. (1999). Tratamiento de Aguas Residuales. Teoría y
principios de diseño. Bogotá D.C.: Escuela Colombiana de Ingeniería.
194