Restablecimiento operativo de la PTAR UACJ, campus Nuevo

Restablecimiento
operativo de la PTAR UACJ,
campus Nuevo Casas Grandes
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
Ricardo Duarte Jáquez
Rector
David Ramírez Perea
Secretario General
Manuel Loera de la Rosa
Secretario Académico
Juan Ignacio Camargo Nassar
Director del Instituto de Ciencias Sociales y Administración
Luis Enrique Gutiérrez Casas
Coordinador General de Investigación y Posgrado
Ramón Chavira Chavira
Director General de Difusión Cultural y Divulgación Científica
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Restablecimiento
operativo de la PTAR UACJ,
campus Nuevo Casas Grandes
Sergio Saúl Solís
Ciencias Naturales y Exactas
Coordinación General de Investigación y Posgrado
Lisbeily Domínguez Ruvalcaba
Coordinadora de la colección
Solís, Sergio Saúl.
Restablecimiento operativo de la PTAR UACJ, campus Nuevo Casas
Grandes / Sergio Saúl Solís. Ciudad Juárez, Chih. : Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, 2013. (Colección Textos Universitarios, Serie
Investigación)
20 p.; 30 cm.
Incluye bibliografía
Colección Reportes Técnicos de Investigación Isbn: 978-607-7953-80-7
Serie IIT, Vol. 4. isBn: 978-607-520-031-6
Contenido:
1.– Instalaciones de la PTAR, UACJ, Campus Nuevo Casas Grandes.
2.– Reactivación de la PTAR.
D. R. © Solís, Sergio Saúl.
La edición, diseño y producción editorial de este documento estuvo a cargo de la Dirección General de Difusión Cultural y Divulgación Científica, a través de la Subdirección
de Publicaciones.
Índice
Resumen
1. Instalaciones de la PTAR, UACJ Campus Nuevo Casas Grandes
7
1.1 Descripción del sistema
Fig. 1 Diagrama de flujo del sistema de tratamiento
de aguas residuales, campus Nuevo Casas Grandes,
UACJ (Carrasco, 2006)
Figs. 2 y 3 Tanque desarenador con rejillas,
tanque separador de grasas y aceites y tanque ecualizador Figs. 4 y 5 Tanque reactor de electrocoagulación,
tanque de inyección y mezcla de polímeros coagulantes
y formación de flóculos
Figs. 6 y 7 Tanque de sedimentación de flóculos,
sistema de filtrado de lodos Figs. 8 y 9 Tanques con medios filtrantes de grava-arena
y carbón activado, sistema de filtrado e inyección de cloro
7
1.2 Tecnología de diseño (electrocoagulación)
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1.3 Observaciones al sistema
Fig. 10 Configuración de entrada de flujo
al tanque de sedimentación
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2. Reactivación de la PTAR
2.1 Adecuaciones a las instalaciones actuales
2.2 Conversión a un tratamiento biológico
2.3 Conexión a la red de alcantarillado de la ciudad
2.4 Conclusiones
Referencias
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Resumen
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ealizar un análisis técnico sobre las condiciones operativas actuales, de
la planta de tratamiento de aguas residuales de la UACJ, campus Nuevo
Casas Grandes. Establecer los procedimientos de adecuación y/o mantenimiento requeridos para la reactivación de dicha planta.
Derivado del análisis citado, este documento describe las condiciones actuales del
sistema (julio 2008), detalla la tecnología de diseño instalada incluyendo su aplicación y limitaciones, presenta una serie de alternativas a seguir para la puesta en
operación de la planta de tratamiento, así como la consideración de opciones alternas.
También se definieron una serie de criterios mínimos que deberán desarrollarse por
parte de las áreas responsables de la UACJ para dar continuidad a esta obra.
1. Instalaciones de la PTAR,
UACJ Campus Nuevo Casas Grandes
1.1 Descripción del sistema
El campus Casas Grandes de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, cuenta
con una planta de tratamiento físico-químico de aguas residuales, el cual emplea
una combinación de metodologías de electrocoagulación y coagulación-floculación. La
planta fue construida en el año 2006 por la empresa constructora Teporaca.
Con base en los planos esquemáticos de la planta y en una inspección visual de
las instalaciones realizada en el mes de Julio 2008; la PTAR esta configurada de los
siguientes elementos:
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1. Tanque desarenador con rejillas
2. Trampa de grasas y aceites
3. Tanque ecualizador de flujos
4. Tanque reactor electrocoagulador
5. Tanque de mezclado de coagulantes y floculado
6. Tanque sedimentador de placas inclinadas
7. Cárcamo de bombeo
8. Tanque de filtrado de arena sílica
9. Tanque de filtrado de carbón activado
10.Tanque de inyección de cloro
Con base en el manual de operaciones (Anexo 1) entregado por la compañía constructora, se presenta en la Figura 1, el diagrama de flujo conceptual de la planta, el
cual indica de forma general la disposición del sistema. El sistema incluye además,
un equipamiento de bombas sumergibles, bombas dosificadoras de compuesto polímero e hipoclorito de sodio, así como un equipo compresor de aire.
Las Figuras 2 a la 8, muestran una serie de componentes de la planta, de acuerdo
en el orden del proceso de tratamiento.
Polímero Aniónico A-176-2
Agua residual
Trampa de
grasas y aceites
Reactor de
Electrocoagulación
Tanque de
Mezclado
Sedimentador
de placas inclinadas
Filtro
de bolsa
Agua tratada
Desinfección con
Hipoclorito de Sodio
Filtro
Pulidor
Filtro de
arena y carbón
Fig. 1 Diagrama de flujo del sistema de tratamiento de aguas residuales,
campus Nuevo Casas Grandes, UACJ (Carrasco, 2006)
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Figs. 2 y 3. Tanque desarenador con rejillas (izq.); tanque separador de
grasas y aceites y tanque ecualizador (der.)
Figs. 4 y 5. Tanque reactor de electrocoagulación (izq.); tanque de inyección y mezcla de polímeros coagulantes y formación de flóculos (der.)
Figs. 6 y 7. Tanque de sedimentación de flóculos (izq.); sistema de filtrado
de lodos (der.)
Resumen
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Figs. 8 y 9. Tanques con medios filtrantes de grava-arena y carbón activado (izq.); sistema de filtrado e inyección de cloro (der.)
La mayor parte de las instalaciones se encuentra cubiertas bajo techo e incluyen
una oficina y un área para el preparado de polímeros.
El agua residual generada en el campus es recolectada mediante una red interna
de alcantarillado, la cual arriba a los primeros componentes de la planta por debajo
del nivel del terreno (Figs. 2 y 3). Posteriormente el agua es bombeada y elevada
hasta el reactor de electrocoagulación, circulando después al tanque de inyección de
compuestos coagulantes y floculación (Figs. 4 y 5).
Una vez completado el proceso de formación de flóculos, el agua en tratamiento
desciende por gravedad hasta el tanque de sedimentación, entrando por la parte inferior del mismo y ascendiendo el fluido a través de las rejillas inclinadas de dicho
tanque (Fig. 6, izq.), sobresaliendo el fluido a través de las ranuras del borde superior. Este proceso permite la precipitación por gravedad de los flóculos previamente
formados, acumulándose las partículas en las rejillas y llegando éstas hasta el fondo
del tanque para su posterior remoción. Los lodos acumulados se bombean a través de
encapsulado de filtración (Fig. 7 der.).
Después de circular por el tanque de sedimentación, el agua residual desciende
hasta un cárcamo donde posteriormente es bombeado a presión a través de dos tanques cilíndricos, los cuales contienen medios filtrantes de grava-arena y carbón activado, respectivamente (Fig. 8, izq.). La última parte del sistema incluye otro proceso
de filtrado y la inyección de cloro para la desinfección del agua tratada (Fig. 9, der.).
La planta opera de forma manual a través de la activación de una serie de interruptores localizados en un tablero central, los cuales controlan el funcionamiento
de las bombas y equipo antes mencionado. Con base en información disponible del
manual de operaciones de la planta (Carrasco, 2006), la capacidad de tratamiento de
la planta es de 1 lps.
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1.2 Tecnología de diseño (electrocoagulación)
La tecnología de coagulación-floculación representa uno de las tecnologías más
utilizadas de tratamiento físico-químico de aguas (Hammer & Hammer, 2004), teniendo como objetivo principal el remover las partículas de tamaño coloidal mediante
un proceso de desestabilización electrostática a través de la adición de compuestos
químicos que auxilien en este proceso (Metcalf & Eddy, 2003). En comparación con
las tecnologías tradicionales de coagulación química, en la electrocoagulación este
proceso se puede lograr mediante medios eléctricos.
La principal tecnología de proceso en la planta de tratamiento del campus, incluye
la técnica de electrocoagulación (EC), la cual consiste en la aplicación de una corriente eléctrica a través de dos placas metálicas (cátodo, ánodo) sumergidas en el agua a
tratar, generalmente de fierro o aluminio, lo que permite desestabilizar la materia
coloidal que se encuentre suspendida o disuelta en el agua. Estas partículas tienden
a formar flóculos, los cuales debido a su tamaño son relativamente fáciles de ser remover del agua mediante medios convencionales como la sedimentación y filtración.
Este proceso depende en gran medida de la cantidad de corriente aplicada, la cual
esta directamente vinculada con la conductividad eléctrica característica del agua,
así como el acomodo y configuración física de los electrodos en el tanque reactor, las
dimensiones y dirección del flujo de agua. El proceso de electrólisis que se provoca,
a su vez genera gases de hidrógeno y oxígeno los cuales ascienden a la superficie del
reactor y en su trayecto coadyuvan como mecanismo desestabilizador de partículas.
Los gases generados crean condiciones propicias de oxidación los cuales permiten
neutralizar bacterias, virus y otros microorganismos.
Los mecanismos de coagulación por EC son similares al de coagulación química,
ya que en ambos los componentes catiónicos responsables de desestabilizar las cargas eléctricas de las partículas coloidales son análogos. Los lodos producidos por esta
tecnología tienden a tener menores cantidades de agua en comparación con los producidos por la coagulación química.
La EC ha tenido aplicaciones en el tratamiento de efluentes de diversas industrias, entre las que se encuentran: papel, enlatados, cromados y acabados metálicos,
embutidos y alimentos, minería y descargas de aguas residuales domésticas.
Como se mencionó anteriormente, la efectividad del proceso de tratamiento seleccionado para este campus, dependerá en gran medida de una serie de factores de
diseño, incluyendo los siguientes en relación a la EC:
a. Una caracterización físico-química completa del influente a tratar, que permita establecer los objetivos en la eficiencia de tratamiento a cumplir.
b. Diseño del reactor, que incluya la mecánica de fluidos dentro del reactor, tiempo de retención y volumen de agua a tratar en función del tiempo.
c. Selección, configuración y acomodo de los electrodos en el reactor.
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d. Pruebas de optimización y eficiencia vinculando las variables de aplicación de
corriente, tiempos de retención, formación de flóculos y porcentajes de remoción en la sedimentación y/o filtración.
Entre otros factores relacionados al manejo de otras partes de la planta.
1.3 Observaciones al sistema
Con base en el equipamiento instalado, los principios técnicos de operación y la
normatividad de tratamiento aplicable para el reúso del agua residual tratada, se
presentan las siguientes observaciones:
1. El tanque de grasas y aceites cuenta con un difusor de aire en el fondo el cual
según el proveedor del sistema, se instaló con la finalidad de forzar los aceites
a la superficie. Las tapas de estos tanques no permiten establecer procedimientos de limpieza y mantenimiento efectivos (Fig. 3 der.).
Los sistemas convencionales para la remoción de grasas y aceites, por lo general no requieren de mecanismos de inyección de aire, ya que el ascenso de las
grasas a la superficie del tanque obedece principalmente a un diferencial de
temperaturas en el agua así como a un transporte de fluidos no turbulento. Sin
embargo la aplicación de aire en este sistema contribuye indirectamente para
mantener condiciones sépticas aeróbicas y promueve en menor medida un proceso de oxidación biológica similar al de tratamiento de lodos activados.
2. El tanque contiguo al separador de grasas y aceites (Fig. 2 der.), mencionado
en el manual de operaciones como “homogenizador”, no contiene ningún mecanismo de mezcla, sin embargo es probable que este pueda contribuir a remover
algún porcentaje de sólidos suspendidos operando como un pequeño tanque
de sedimentación primario. En todo caso, la tapa de este tanque no facilita la
remoción de sólidos sedimentados.
3. La técnica de EC por sí sola debiera ser suficiente para establecer el tratamiento de agua, sin embargo en la planta instalada, se presenta además el de
coagulación química (Figs. 5 y 6), encontrándose estos dos sistemas en serie,
lo que representa una duplicidad de procesos de coagulación. Se sugiere una
revisión de los sistemas comerciales de EC y verificar si el sistema instalado
cumple con las especificaciones de sistemas patentados de este tipo.
4. La efectividad del proceso de coagulación química incluido en el sistema, depende en gran medida de la dosificación óptima del polímero así como de las
condiciones apropiadas de mezcla, tiempos de retención y formación flóculos.
El manual de operaciones provee de las instrucciones para la preparación de la
concentración del polímero, pero se desconocen si se establecieron pruebas para
medir la eficiencia del tratamiento en función de las variables mencionadas.
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5. La disposición original de entrada de agua al tanque de sedimentación fue
modificado por una entrada de flujo en la parte superior del tanque (Fig. 10),
lo cual reduce la efectividad del proceso de sedimentación de flóculos por gravedad, ya que la entrada debe de ser por la parte inferior del tanque, de forma
que los flóculos desciendan entre las placas inclinadas del mismo.
6. La configuración del sistema incluye la aplicación de tres sistemas de filtrado,
arena-grava, carbón activado, y un último mediante una bolsa filtro (malla).
Considerando que previo al filtrado, el agua proviene de un tanque de sedimentación, la aplicación de tres medios de filtrados resulta excesiva, particularmente la inclusión del último filtrado, ya que si el sistema de tratamiento
operará de forma eficiente, el filtrado de carbón activado sería el que proveería
el pulido final del agua removiendo materia orgánica soluble que no haya alcanzado a flocular.
Fig. 10. Configuración de entrada de flujo al tanque de sedimentación
7. El sistema de cloración instalado no permite establecer si existen condiciones
de mezcla efectiva, posiblemente existan condiciones de dispersión del cloro
apropiadas en la tubería del efluente, pero esto se tendría que demostrar mediante un monitoreo de las concentraciones de este en el efluente en función de
su dosificación.
8. Con relación al manual de operaciones, en este no se establecen los procedimientos de manejo y disposición de lodos generados, así como la regularidad
para el reemplazo de los medios filtrantes particularmente el carbón activado,
el cual pierde propiedades de adherencia conforme los poros del carbón se saturan de materia orgánica.
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A la fecha de este reporte no se dispuso de información adicional generada por la
constructora de la planta de tratamiento; particularmente con relación a la memoria
de cálculo o diseño de los componentes del sistema, así como los parámetros de caracterización del agua residual del campus, análisis de aplicación de corriente eléctrica,
dosificación de coagulantes (“pruebas de jarras”), tiempos de retención hidráulica,
modelado de flujos y cinética de reacciones.
Considerando las características típicas de las aguas residuales propias de un
campus universitario como el de Nvo. Casas Grandes, existen diversas opciones de
tratamiento ya que la cantidad de materia orgánica (DBO), sólidos suspendidos (SS)
y otros parámetros de diseño no son tan altos, en comparación a un efluente industrial o comercial. El sistema instalado con tecnología de EC pudiera representar una
opción viable siempre y cuando se resuelvan y validen los aspectos de diseño y operación enumerados anteriormente.
Otras opciones de tratamiento incluyen los procesos biológicos (lodos activados,
filtros percoladores), las cuales son tecnologías probadas que requieren condiciones
específicas de diseño y operación. Estos sistemas pueden establecer condiciones necesarias para el cumplimiento de la normatividad de reúso del agua tratada con base
en la norma NOM-003-Ecol-1997.
2. Reactivación de la PTAR
A continuación se presentan algunas alternativas para la reactivación del sistema
de tratamiento de aguas residuales del campus.
2.1 Adecuaciones a las instalaciones actuales
La primera opción incluye la reactivación de la planta actual mediante una evaluación y revisión de la técnica de tratamiento, que incluya los siguientes objetivos:
a. Realizar una caracterización físico-química (muestreo y análisis), así como la
cuantificación de las aguas residuales producidas en campus (medición de caudales), en base al establecimiento de un programa de monitoreo.
b. Realizar las adecuaciones que correspondan, previa revisión de ingeniería a los
siguientes componentes de la planta:
ɶɶ Tanque desarenador
ɶɶ Sistema de trampa de grasas
ɶɶ Tanque de sedimentación
ɶɶ Sistema de filtrado (mantenimiento y reemplazo de medios filtrantes)
ɶɶ Sistema de inyección de cloro
c. Realizar un estudio de optimización con relación a la operación del reactor de
electrocoagulación, así como la dosificación de polímeros en el proceso de coagulación química. Evaluando cada proceso por separado.
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d. Establecer los protocolos para el manejo apropiado de los lodos generados mediante el diseño de un sistema de estabilización de lodos con base en la normatividad correspondiente para su disposición.
e. Establecer un programa de capacitación y entrenamiento para un técnico responsable de la operación de la planta.
f. Establecer un programa de monitoreo de la calidad del agua residual tratada
con base en el NOM-003-Ecol-1997, para cumplir con la normatividad aplicable de reúso de agua tratada para riego de parques y jardines.
2.2 Conversión a un tratamiento biológico
La segunda opción incluye la conversión y readecuación de la planta actual a un
sistema de tratamiento biológico, mediante una evaluación técnica de algunas de las
opciones disponibles, tales como lodos activados, filtros percoladores, filtros biológicos rotatorios o humedales; el cual previo análisis por parte de la subdirección de
planta física de la UACJ deberá considerar los siguientes elementos si esta opción
fuera ejecutada por un constructor/consultor externo:
a. Establecer los términos de referencia de diseño por parte de un equipo de especialistas en esta materia por la UACJ, incluyendo las partes que conformaran
el sistema.
b. El constructor deberá comprometerse por escrito a entregar la memoria de cálculo de diseño del sistema biológico, manual operativo de la planta, así como
integrar los conceptos de los incisos a, d, e y f. del caso anterior, y tomar en
cuenta los planes de crecimiento y desarrollo del campus.
2.3 Conexión a la red de alcantarillado de la ciudad
Estudio económico y de factibilidad para la construcción de la red de alcantarillado que permita la conducción de las aguas residuales del campus hasta la planta
de tratamiento de Nvo. Casas Grandes, Chih., el cual deberá considerar el diseño y
tendido de la tuberías de drenaje, atarjeas y/o cárcamos de bombeo, conexión a la red
de alcantarillado existente, con base en un análisis de los niveles del terreno.
Esta última alternativa podría establecer un punto de desarrollo para las áreas
circundantes al campus, con base a los planes de desarrollo del poblado. El financiamiento de esta obra pudiera ser compartida con otros niveles de gobierno en caso de
que fuera factible.
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2.4 Conclusiones
Es evidente la necesidad de reactivar la operación de la planta de tratamiento de
aguas residuales del campus, particularmente con el desarrollo que ha experimentado
este en los dos últimos años.
Con base en el análisis presentado anteriormente, el sistema instalado actual cuenta con una serie de componentes, que aunque no están configurados de una manera
eficiente y en algunos de los casos parecen redundantes, estos pudieran permitir establecer condiciones de tratamiento del agua residual, si se toman en cuenta las recomendaciones presentadas.
La alternativa de un nuevo tipo de tratamiento, sugiere la necesidad de establecer
reglas claras sobre la caracterización, diseño, operación, y cumplimiento de la normatividad de reúso de agua tratada por parte de los constructores de la planta así como de
las autoridades universitarias. Este tipo de tecnología se encuentra plenamente probada y permitiría cumplir con la normatividad aplicable, aunque en términos de costos de
operación es uno de los más costosos.
La consignación de una obra de este tipo a una constructora/consultora, requerirá de
una estrecha supervisión y evaluación por parte de especialistas de la UACJ en diversas áreas de conocimiento, que permitan garantizar la eficiencia operativa de la planta
de tratamiento mediante una evaluación al diseño y modelos de reactores propuestos.
La UACJ cuenta con personal, laboratorios y especialistas que pueden brindar una
asesoría, evaluación y orientación sobre establecimiento y monitoreo de los procesos
que operen en la planta de tratamiento; también puede contribuir en la definición de
los términos de referencia, ya sea para la reactivación del sistema actual o para la
selección de otra alternativa de tratamiento que permita cumplir con los objetivos de
tratamiento.
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Referencias
Carrasco Gómez, José (2006). Manual de operación planta de tratamiento de agua
residual “Universidad Autónoma de Ciudad Juárez”. Representante Legal de
la Constructora Teporaca, Chihuahua, Chih.
Rosfer Ingeniería Ambiental (sin fecha). Evaluación de la planta de tratamiento de
aguas residuales de la UACJ Campus Nuevo Casas Grandes Chihuahua. Calle
Portal del Sol 2405-34. Fracc. Portal del Sol, Cd. Juárez, Chihuahua. Tel. (656)
343 2191, email [email protected].
Metcalf & Eddy (2003). Wastewater engineering, Treatment and reuse, Fourth Edition; Inc. McGraw Hill. Pp 478-493.
Mark J. Hammer & Mark J. Hammer Jr (2004). Water and wastewater technology,
Fifth Edition; Editorial John Wiley & Sons. Pp 216-222.
Norma Oficial Mexicana NOM-003-ECOL-1997, Que establece los límites máximos
permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reúsen
en servicios al público. Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y
Pesca. Diario Oficial de la Federación, 14 de agosto de 1998.
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