Diseño de un modelo de planta para tratamiento de aguas

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECAATO DE ESTUDIOS PROFESIOALES
COORDIACIÓ DE IGEIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE U MODELO DE PLATA PARA TRATAMIETO DE AGUAS
RESIDUALES DOMÉSTICAS CO TAQUES FIBRATAK
Por:
Adriane Grupp Gutiérrez
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, Octubre de 2010
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECAATO DE ESTUDIOS PROFESIOALES
COORDIACIÓ DE IGEIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE U MODELO DE PLATA PARA TRATAMIETO DE AGUAS
RESIDUALES DOMÉSTICAS CO TAQUES FIBRATAK
Por:
Adriane Grupp Gutiérrez
Realizado con la asesoría de:
Tutor Académico: Prof. Fernando Morales
Tutor Industrial: Ing. Jorge Rabascall
INFORME DE PASANTÍA
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, Octubre de 2010
RESUME
La creciente necesidad de cuidar el ambiente ha llevado a la sociedad a incorporar estrategias
de saneamiento ambiental en todos los campos, especialmente en lo referente al tratamiento del
agua. En el presente proyecto se realizó el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
compactas para pequeñas poblaciones, de forma de contribuir con las necesidades sanitarias de
poblaciones con acceso limitado a los servicios. El diseño consta de obras civiles junto con la
incorporación de tanques de resina reforzados con fibra de vidrio. Por limitaciones del diámetro
de los tanques, los cuales disponen únicamente de 1,22m (4’) o 2,44m (8’), se planteó dos
categorías: plantas para 50 – 100 habitantes y para 200 – 1000 habitantes. Para la primera se
plantea un tratamiento secundario con un filtro biológico percolador de medio plástico de una
sola etapa y para la segunda categoría, un tratamiento secundario dual de tipo aerobio de tipo
Filtro Biológico/Lodos Activados. Para ambas categorías las obras civiles necesarias son: reja de
desbaste, tanque de nivelación, tanque de cloración y lecho de secado. Se comparó teóricamente
el desempeño de los filtros biológicos de doble etapa, tanque de aeración convencional y el
sistema dual, y se obtuvo que el sistema dual ofrece un sistema más compacto y con mejor
calidad de lodo; en este estudio también se obtuvo que la relación volumen/habitante para lodos
activados en cualquiera de los casos (simple o dual) es lineal. Se evaluaron los parámetros de
diseño del proceso de Lodos Activados convencionales en función del tiempo de residencia
celular (SRT) para sistema dual, y se obtuvo que el valor óptimo de SRT teórico corresponde a 3
días. Por la forma cilíndrica y la proporción ancho: largo de los tanques, el reactor tiene un
comportamiento intermedio entre flujo-pistón y mezcla completa. El diseño de sedimentadores
está dado para un Índice Volumétrico de Lodo (IVL) entre los 133 y 142, pudiendo operar con
valores hasta 172 y 183, para cada categoría respectivamente, por encima de estos valores será
necesaria la adición de un agente selector como el cloro o agentes floculantes. La desinfección
utiliza hipoclorito de calcio como agente desinfectante. La estabilización final de lodos, primarios
y secundarios combinados, se realiza con un dosificador de cal apagada (Ca(OH)2). Los lodos son
enviados a un lecho de secado para su deshidratación. Entre las ventajas de este sistema se
observa su facilidad y corto tiempo de instalación al ser prefabricados, el poco espacio que usa en
comparación a los sistemas convencionales y el aprovechamiento de los desniveles del terreno
para ahorro de energía en bombas.
Palabras claves: aguas residuales, pequeñas comunidades, filtros biológicos, lodos activados.
iv
ÍDICE GEERAL
INDICE DE TABLAS ................................................................................................................... vii
INDICE DE FIGURAS .................................................................................................................. x
LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................... xii
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1 .................................................................................................................................. 4
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ............................................................................................... 4
CAPÍTULO 2 .................................................................................................................................. 7
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ...................................................................................................... 7
2.1. Aguas Residuales Domésticas .................................................................................................. 7
2.1.1. Caracterización general de los componentes del agua residual ............................................. 7
2.1.2. Conceptos generales en el tratamiento de agua ..................................................................... 8
2.1.3. Características fisicoquímicas del agua residual doméstica .................................................. 9
2.2. Parámetros de Descarga .......................................................................................................... 10
2.3. Niveles de Tratamiento ........................................................................................................... 11
2.3.1. Tratamiento Preliminar ........................................................................................................ 12
2.3.2. Tratamiento Primario ........................................................................................................... 14
2.3.2.1. Teoría de sedimentación y flotación de partículas discretas ............................................ 14
2.3.2.2. Número de Reynolds ........................................................................................................ 15
2.3.2.3. Diseño de Equipos ............................................................................................................ 18
2.3.3. Tanque de Nivelación .......................................................................................................... 20
2.3.4. Tratamiento Secundario ....................................................................................................... 20
2.3.4.1. Filtro Biológico ................................................................................................................. 20
2.3.4.2. Tratamiento de Lodos Activados ...................................................................................... 26
2.3.4.3. Sistemas Combinados de Tratamiento Aeróbico .............................................................. 40
2.3.4.4. Sedimentadores ................................................................................................................. 43
2.3.5. Tratamiento Terciario .......................................................................................................... 48
2.3.5.1. Tratamientos de Desinfección .......................................................................................... 48
2.3.5.2. Cloro Residual .................................................................................................................. 49
2.3.5.3. Tiempo de Contacto .......................................................................................................... 50
2.3.5.4. Aplicaciones de la cloración ............................................................................................. 50
2.3.5.5. Compuestos clorados ........................................................................................................ 51
v
2.3.6. Disposición de Sólidos ........................................................................................................ 51
2.3.6.1. Estabilización de Lodos .................................................................................................... 51
2.3.6.2. Deshidratación de Lodos .................................................................................................. 53
2.3.7. Lay - Out de la Planta .......................................................................................................... 55
2.3.8. Ubicación de la planta ......................................................................................................... 55
2.3.9. Delimitación y puerta de acceso a la planta........................................................................ 56
CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................ 57
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL .......................................................................................... 57
3.1. Plantas de Tratamiento de agua Doméstica para Pequeñas Poblaciones ................................ 57
3.2. Parámetros de Entrada y Salida del Efluente .......................................................................... 57
3.3. Eficiencia Global de la Planta ................................................................................................ 57
3.4. Esquema General de la Planta para Tratamiento de Aguas Domésticas. ............................... 58
3.5. Entrevista con especialistas en el tema ................................................................................... 59
3.6. Diseño de Equipos .................................................................................................................. 60
3.6.1. Reja de Desbaste.................................................................................................................. 60
3.6.2. Tanque de Nivelación .......................................................................................................... 60
3.6.3. Filtro Biológico ................................................................................................................... 61
3.6.4. Tanque de Lodos Activados ................................................................................................ 61
3.6.5. Sistema Dual ........................................................................................................................ 62
3.6.6. Sedimentador ....................................................................................................................... 63
3.6.7. Tanque de Cloración ............................................................................................................ 63
3.6.8. Disposición de Lodos .......................................................................................................... 63
3.7.
Balance de Masa General ................................................................................................... 64
3.8.
Mantenimiento .................................................................................................................... 64
CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................ 65
RESULTADOS ............................................................................................................................. 65
4.1. Diseño de Equipos .................................................................................................................. 65
4.1.1. Reja de Desbaste .................................................................................................................. 65
4.1.2. Tanque de Nivelación .......................................................................................................... 66
4.1.3. Filtro Biológico .................................................................................................................... 66
4.1.4. Tanque de Lodos Activados ................................................................................................ 68
4.1.5. Sedimentador Sistema Convencional .................................................................................. 71
4.1.6. Sistema Dual ........................................................................................................................ 71
vi
4.1.7. Diseño del Sedimentador ..................................................................................................... 75
4.1.8. Tanque de Cloración ............................................................................................................ 78
4.1.9. Disposición de Lodos .......................................................................................................... 79
4.2. Control del Proceso................................................................................................................. 84
4.3. Balance de Masa General ....................................................................................................... 81
4.3.1. Poblaciones de 50 – 100 habitantes. .................................................................................... 81
4.3.2. Poblaciones de 200 – 1000 habitantes. ................................................................................ 83
CAPÍTULO 5 ................................................................................................................................ 86
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................ 86
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 88
APÉNDICES ................................................................................................................................. 89
APÉNDICE A. Ejemplos de cálculo del sistema de tratamiento de aguas residuales. ................ 88
APÉNDICE B. Uso de medio plástico para tratamiento de agua residual .................................. 103
APÉNDICE C. Parámteros diseño para distintos tipos de Filtro Biológico................................ 105
APÉNDICE D. Plano del Filtro Biológico .................................................................................. 106
APÉNDICE E. Plano Tanque para Lodos Activados .................................................................. 107
APÉNDICE F. Plano del Sedimentador ...................................................................................... 108
APÉNDICE G. Tanque de Nivelación ........................................................................................ 108
APÉNDICE H. Plano Lecho de Secado ...................................................................................... 110
APÉNDICE I. Plano Tanque de Cloración ................................................................................. 111
vii
ÍDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Contribución de las fracciones del líquido cloacal a las concentraciones del mismo .... 9
Tabla 2.2. Análisis Químico Sanitario Típico ................................................................................ 9
Tabla 2.3. Composición de líquidos cloacales en Venezuela ........................................................ 10
Tabla 2.4. Parámetros fisicoquímicos de descarga hacia cuerpos de agua.................................... 11
Tabla 2.5. Coeficiente de pérdida para rejillas .............................................................................. 13
Tabla. 2.6. Retención de material en función de la abertura de la reja.......................................... 14
Tabla 2.7. Geometría recomendada para desarenadores de diferente tipo .................................... 18
Tabla 2.8. Parámetros de diseño típicos para trampas de grasa .................................................... 19
Tabla 2.9. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores .................. 22
Tabla 2.10. Coeficientes de tratabilidad normalizados de la ecuación de Germain. .................... 25
Tabla 2.11. Coeficientes cinéticos típicos para la remoción de materia orgánica en aguas
domésticas en el proceso de lodos activados. ................................................................................ 28
Tabla 2.12. Parámetros de diseño típicos para el proceso de lodos activados .............................. 35
Tabla. 2.13. Ventajas y limitaciones para procesos lodos activados ............................................. 35
Tabla 2.14. Filamentosas asociadas al proceso de lodos activados ............................................... 36
Tabla. 2.15. Factores asociados al Sludge Bulking ....................................................................... 38
Tabla 2.16. Porcentajes de Caudal de Retorno basados en el Índice de Molhman para distintas
concentraciones de SSLM ............................................................................................................. 39
Tabla 2.17. Parámetros de los procesos Filtro Biológico/Contacto de Sólidos (TF/SC) y Filtro
Biológico/ Tanque de Aeración (RS/AS) ...................................................................................... 41
Tabla 2.18. Parámetros de los procesos Biofiltro Activado (BF) y Biofiltro/Lodos Activados
(BF/AS) ......................................................................................................................................... 42
Tabla 2.19. Información típica de diseño de sedimentadores secundarios para el proceso de
lodos activados .............................................................................................................................. 46
Tabla 2.20. Comparación de características de diferentes tipos de desinfectantes ....................... 49
Tabla 2.21. Dosis típicas de desinfección ..................................................................................... 51
Tabla 2.22. Descripción de procesos de estabilización de Lodos ................................................. 52
Tabla 2.23. Grado de atenuación alcanzado por varios procesos de estabilización de lodos........ 53
Tabla 2.24. Dosis típicas para el pre-tratamiento con cal .............................................................. 53
Tabla 2.25. Comparación de alternativas para la deshidratación de varios tipos de lodos ........... 54
viii
Tabla 2.26. Área típica requerida para lechos de secado abiertos para varios tipos de
biosólidos ....................................................................................................................................... 55
Tabla 3.1. Comparación de la composición fisicoquímica entre Afluente y Efluente .................. 58
Tabla 4.1. Diseño de rejas de desbaste en función del caudal ....................................................... 65
Tabla 4.2. Dimensionamiento de la Estación de Bombeo ............................................................. 66
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de filtros biológicos ................................................................... 67
Tabla 4.4. IVL para distintos caudales de retorno para poblaciones de 50 – 1000 habitantes @
SRT 5 días ..................................................................................................................................... 70
Tabla 4.5. Parámetros de diseño del sedimentador secundario del sistema convencional ............ 71
Tabla 4.6. Carga Orgánica volumétrica en función de la población de diseño. ............................ 72
Tabla 4.7. Oxígeno requerido por el proceso de lodos activados .................................................. 74
Tabla 4.8. Parámetros de diseño del sedimentador secundario para ambas configuraciones ....... 75
Tabla. 4.9. Dimensiones del Sedimentador ................................................................................... 76
Tabla 4.10. Parámetros de diseño del sedimentador secundario para ambas configuraciones ..... 77
Tabla 4.11. Comparación entre la profundidad de diseño y la teórica .......................................... 78
Tabla 4.12. Parámetros velocidad de resuspensión para distintas partículas ................................ 78
Tabla 4.13. Dimensiones del tanque de cloración en función de la población.............................. 79
Tabla 4.14. Dimensiones de lecho de secado en función de la población ..................................... 80
Tabla 4.15. Balance de masa de plantas de tratamiento para 50 – 100 habitantes. ....................... 82
Tabla 4.16. Balance de masa de plantas de tratamiento para 200 – 1000 habitantes. ................... 83
ix
ÍDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Organigrama Industrias Fibratank UST C.A. ............................................................... 4
Figura 1.2. Tanque de pared sencilla para almacenamiento de agua. ............................................. 5
Figura 1.3. Proceso de Fabricación de medio tanque. ..................................................................... 6
Figura 1.4. Diagrama de bloque del proceso de ensamblaje de los tanques.................................... 6
Figura 2.1. Esquema de los componentes del agua residual ........................................................... 7
Figura 2.2. Diferentes Formas de Rejillas. Vista Frontal. ............................................................. 13
Figura 2.3. Coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds....................................... 16
Figura 2.4. Velocidad de sedimentación para partículas bajo distintas condiciones a 20°C de
temperatura. ................................................................................................................................... 17
Figura 2.5. Diagrama del proceso de lodos activados con la línea de retorno de lodos
proveniente del sedimentador ........................................................................................................ 27
Figura 2.6. Esquema Aeración Convencional ............................................................................... 33
Figura 2.7. Esquema Aeración Extendida ..................................................................................... 33
Figura 2.8. Esquema Aeración Escalonada ................................................................................... 34
Figura 2.9. Esquema Aeración por Mezcla Completa ................................................................... 34
Figura 2.10. Microorganismos presentes a distintas condiciones de SRT y relación F/M ........... 37
Figura 2.11. Crecimiento de microorganismos en función de la concentración de sustrato. ........ 38
Figura 2.12. Concentración de sustrato en el efluente, S, (mg/L) y porcentaje de remoción Vs
tiempo de residencia celular SRT .................................................................................................. 40
Figura 2.13. Esquema de tratamiento Biológico/Contacto de Sólidos (TF/SC)............................ 41
Figura 2.14. Esquema de tratamiento Filtro Biológico/ Tanque de Aeración (RS/AS) ................ 41
Figura 2.15. Tiempo de residencia celular para un filtro biológico en función de la carga
orgánica. ........................................................................................................................................ 42
Figura 2.16. Esquema de tratamiento Biofiltro Activado .............................................................. 43
Figura 2.17. Esquema de tratamiento Biofiltro/Lodos Activados ................................................. 43
Figura 2.18. Tanque rectangular de sedimentación ....................................................................... 46
Figura 2.19. Tanque de sedimentación de Flujo Ascendente ........................................................ 47
Figura 2.20. Existencia de coliformes como función de cloro residual en un reactor batch. ....... 50
Figura. 3.1. Vista isométrica del sistema de tratamiento en el caso del sistema dual. .................. 59
Figura 4.1. Eficiencia del filtro biológico con medio plástico rugoso .......................................... 67
Figura 4.2. Volumen del reactor Vs habitantes ............................................................................. 68
x
Figura 4.3. Relación F/M en función de la población ................................................................... 69
Figura 4.4. Carga orgánica volumétrica en función del SRT. ....................................................... 69
Figura 4.5 Relación F/M para valores de SRT típicos del sistema dual ........................................ 72
Figura 4.6 Carga orgánica volumétrica para valores de SRT típicos del sistema dual. ................ 73
Figura 4.7 Comparación del volumen del tanque de aeración entre el sistema convencional
y el sistema dual. ........................................................................................................................... 74
Fig. 4.8. Determinación de la profundidad del sedimentador en función del caudal .................... 77
Figura 4.9. Esquema de tratamiento de plantas para poblaciones de 50 – 100 habitantes. ........... 82
Figura 4.10. Esquema de tratamiento de plantas para poblaciones de 200 – 1000 habitantes ...... 83
xi
LISTA DE SÍMBOLOS
β:
ϴ:
ρP:
ρW :
τ:
η:
μm:
µm:
a:
A:
AL:
AP:
AT:
b:
b:
B:
CO:
CO’:
Db
D1:
D2:
d p:
E:
EG:
E1:
E2:
f:
F:
Fd:
Fg:
F/M:
fS :
g:
h
k:
K:
K:
Factor de forma de la barra, adim
Ángulo de la reja con respecto a la horizontal, radianes
Densidad de la partícula, kg/m3
Densidad del fluido, kg/m3
Tiempo de residencia hidráulico, d
Viscosidad cinemática del fluido, m2/s
Viscosidad absoluta del fluido, N.s/m2.
Velocidad máxima de crecimiento de bacterias, g células nuevas/ g células .d
Coeficiente que representa la fracción de DBO removida, generalmente 0,35– 0,55
Área seccional del clarificador, m2
Área libre, m2
Área proyectada por la partícula en dirección al fluido, m
Área total, m2
Coeficiente que representa la rata de respiración endógena, generalmente 0,01-0,12
Constante de intercepción, por lo general para coliformes totales y fecales: 2,8 y 3,
respectivamente
DBO agregado al sistema, kgDBO/d
Carga orgánica aplicada en la primera etapa, kg
Carga orgánica aplicada a la segunda etapa, kg
Distancia entre barras, m
Profundidad del filtro 1, m
Profundidad del filtro 2, m
Diámetro de partícula, m
Eficiencia de Remoción
Eficiencia Global, %.
Eficiencia en la remoción de DBO de la primera etapa incluyendo el clarificador, %
Eficiencia en la remoción de DBO de la segunda etapa incluyendo el clarificador,
%
Factor de fricción Darcy-Weisbach (adim)
Factor de recirculación para cualquiera de las etapas, adim.
Fuerza por fricción, kg.m/s2
Fuerza gravitacional, kg. m/s2
Relación alimento a microorganismo, kg DBO/g SSVLM .d
Relación PV,VSS/ PX,TSS, adim.
Aceleración de la gravedad, 9,81 m/s2.
Pérdida de carga, m
Máxima velocidad específica de de utilización de sustrato (mg/ mg. d)
Constante, típicamente 600mg/L para un lodo activado con un IVL de 150, adim.
Constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad del filtro a una
temperatura de 20°C.
xii
K d:
kr:
Ks:
K 1:
K 2:
Kd:
Lorg:
n:
n:
N:
No:
NR:
nbVSS:
OR:
PX,TSS:
PX, VSS:
q:
Q:
QR:
Qw:
RO2:
S:
Se:
sgP:
SF:
Si:
So:
Ss:
SSTo:
SSVo:
SRTmín:
SRT:
t:
v:
V:
V 1:
vH :
Vi:
Vm:
Vmáx:
vP:
Coeficiente de decaimiento endógeno, gSSV/gSSV.d
Constante que depende del tipo de material arrastrado, adim.
Constante de velocidad media g/m3.
Constante de tratabilidad a la profundidad D1 del filtro 1.
Constante de tratabilidad a la profundidad D2 del filtro 2.
Coeficiente de decaimiento endógeno (mg SSV/ mg SSV. d)
Carga orgánica volumétrica, kg DBO/m3.d
Exponente relacionado al medio filtrante, usualmente 0,5.
pendiente de inactivación, por lo general para coliformes totales y fecales: 2,8 y 3,
respectivamente
Número de organismos remanentes luego del tiempo de desinfección t
Número de organismos presentes antes de la desinfección
Número de Reynolds, adim.
Concentración de sólidos volátiles no biodegradables, kg/m3.
Sobrecarga hidráulica, m3/m2.d
Pérdida neta de lodo activado producido por día, medido en términos de sólidos
suspendidos, kg/d
Masa de sólidos volátiles en el tanque de aeración, kg/d
Tasa de carga hidráulica en el afluente, L/(s.m2)
Caudal, m3/d
Caudal de retorno de lodo, m3/d
Caudal de lodo purgado desde la línea de retorno de lodos, m3/d
Requerimiento de oxígeno, kg/d
Concentración de sustrato en la salida, mgDBO/L ó (gbDQO/m3)
Concentración de DBO en el efluente, mgDBO/L
Gravedad específica de la partícula, adim.
Factor de seguridad, comprendido entre 1,75 y 2,5
Concentración de DBO en el afluente, mgDBO/L
Concentración de sustrato en la entrada, mgDBO/L
Sólidos suspendidos volátiles en el reactor, kgSSV/d
Concentración de sólidos suspendidos totales en la entrada, kg/m3
Concentración de sólidos suspendidos volátiles en la entrada, kg/m3
Tiempo mínimo de residencia celular, d
Tiempo de residencia celular, d
Tiempo de contacto
Velocidad a través de las barras, m/s
Volumen del reactor, m3
Velocidad media del agua en el canal de llegada a la rejilla, m/s
Velocidad horizontal que produce resuspensión de las partículas, m/s
Velocidad de sedimentación de interface, m/h
Volumen del medio filtrante, m3
Velocidad máxima de asentamiento de interface, típicamente 7m/h, m/h
Velocidad de la partícula, m/s
xiii
W:
X:
X R:
XT:
Y:
Ancho máximo de las barras frente al flujo, m
Concentración de SSLM, kg/m3
Concentración de la línea de retorno de lodos activados, mg/L
Concentración de biomasa, mgSSVLM/L
Coeficiente de productividad, mgSSVLM/mgDBO
xiv
1
ITRODUCCIÓ
El tratamiento de aguas residuales se ha convertido en un tema de gran atención durante las
últimas décadas. En Estados Unidos se han realizado estudios que datan desde la década de los
treinta en los que hicieron reportes del funcionamiento de plantas de tratamiento en campos
militares. Posteriormente en Venezuela se han encontrado estudios de composición de aguas
residuales desde la década de los cuarenta, que reflejan la iniciativa del tratamiento del agua
residual.
El surgimiento del Instituto Nacional de Obras Sanitarias (INOS) en el año 1943, encargado
de la potabilización, distribución y tratamiento de aguas servidas, inicia las actividades de
tratamiento de agua en Venezuela. Posteriormente, el Ministerio del Ambiente ha tomado
iniciativas ambientales para regular las descargas domésticas e industriales, implementado la Ley
Orgánica del Ambiente, la Ley Penal del Ambiente, y decretos como el N°2.222 en 1992 sobre
los vertidos sobre el Lago de Maracaibo, el N°883 en el año 1995 sobre normas para la
clasificación y el control de la calidad de los cuerpos de agua y vertidos o efluentes líquidos, y N°
3.219 en 1999 sobre los vertidos en el Lago de Valencia, entre otros.
Recientemente se ha planteado una nueva proyección del tratamiento agua, hacia el reuso de la
misma para fines agronómicos industriales. El interés es tal, que la Organización Mundial de la
Salud, ha realizado una revisión de las “Guías para el Uso seguro de Aguas residuales y excretas
en la agricultura y acuicultura” y las ha publicado recientemente en el año 2006 [1].
PLATEAMIETO DEL PROBLEMA
La legislación obliga a los constructores que los nuevos proyectos urbanísticos a incluir plantas
de tratamiento para aguas residuales domésticas para dichas comunidades. Por consiguiente, esto
ha obligado a desarrollar plantas de tratamiento para pequeñas comunidades.
Industrias Fibratank UST. C.A., al elaborar un producto con ventajas ecológicas como la nocorrosión y no-infiltración en los tanques, e inspirarse en la casa matriz XERXES que es uno de
los principales proveedores de tanques para fines de tratamiento de agua en EEUU, decide tomar
parte en el mercado de tratamiento de agua residual, diseñando un producto compacto, ecológico
y de fácil traslado, que pueda alcanzar a estas pequeñas comunidades.
2
Este producto se ha enfocado para poblaciones desde 50 hasta 1000 habitantes, en el cual se ha
buscado minimizar la complejidad de la operatividad de la planta y el ahorro de energía eléctrica
en lo referente a bombas y otros equipos eléctricos. Como en la mayor parte de los casos, los
constructores designan poco espacio para la planta de tratamiento, se busca que ésta sea lo más
compacta posible.
Algunos contratistas plantean pequeños centros comerciales en estas comunidades. Por esta
razón, a pesar de tratarse de cargas orgánicas que serán diluidas por el volumen de agua
descargada por la comunidad, es necesario tomar en cuenta que pudieran obtenerse las
denominadas cargas “shock” en el sistema de tratamiento.
Este trabajo plantea el desarrollo del diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales
domésticas desde la teoría precisada para la selección de los equipos en cada etapa del
tratamiento; el análisis del diseño de los equipos de tratamiento aerobio en lo referente a
volumen, eficiencia, requerimientos y funcionamiento; hasta el dimensionamiento detallado de
cada uno de los componentes de la planta proyectado para el rango de población planteado.
3
OBJETIVO GEERAL
•
Diseño de un modelo integral de planta compacta para el tratamiento de aguas residuales
domésticas, utilizando materiales de fibra de vidrio en conjunto con equipos de
operaciones unitarias.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
Recolección de información de equipos y operaciones unitarias utilizadas en el campo de
tratamiento de aguas.
•
Desarrollar un modelo de planta de tratamiento de efluentes integral a partir del uso de los
tanques prefabricados de la empresa Fibratank UST. C.A
•
Escalamiento del modelo integral.
•
Estudio de factibilidad del modelo integral y su escalamiento.
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓ DE LA EMPRESA
Industrias Fibratank UST C.A. es una empresa dedicada a la fabricación de tanques de pared
sencilla y pared doble en poliéster reforzado con fibra de vidrio, subterráneos y exteriores, para
Agua Potable, Aguas Residuales, Combustibles, Grasas, Químicos, y Pozos Sépticos.
Se
encuentra localizada en la Zona Industrial Sur, en la ciudad de Maracay – Edo. Aragua. Inicia sus
operaciones en agosto del año 1996 después de obtener una licencia de XERXES Corporation
para la producción de tanques de poliéster reforz
reforzado
ado con fibra de vidrio en Sudamérica.
El personal está conformado por 16 personas, entre empleados administrativos y obreros. En el
siguiente esquema se muestra el organigrama de la empresa:
PRESIDENCIA
GERENCIA GENERAL
ADMINISTRACIÓN
PRODUCCIÓN
COMERCIALIZACIÓN
CONTABILIDAD Y
FINANZAS
PRODUCCIÓN
Y CALIDAD
VENTAS
NACIONALES
COMPRAS Y
LOGÍSTICA
SERVICIO TÉCNICO
A CLIENTES
Figura 1.1. Organigrama Industrias Fibratank UST C.A. [2]
5
Los tanques Fibratank son tanques de forma cilíndrica con anillos que refuerzan su estructura
cilíndrica. Los tanques horizontales terminan con una semiesfera a cada lado, mientras que los
tanques cilíndricos poseen el fondo plano. En la Figura 1.1. se muestra un tanque de 2,44m de
diámetro completamente terminado.
Figura 1.2. Tanque de pared sencilla para almacenamiento de agua [2]
El proceso productivo para fabricar medio tanque se presenta en el diagrama de bloque que se
muestra en la Figura 1.3. Es un proceso principalmente manual. Los equipos utilizados en la
fabricación de los tanques son: moldes de fibra de vidrio y/o metal, estación de moldeo (motor
para rotación del molde), pistola de “chopeado” (proceso mediante el cual se agrega resina
mezclada con catalizador por un lado y por el otro fibra de vidrio cortada) y rodillos de diferentes
medidas para eliminar burbujas de aire [2]. Al de obtener dos medios tanques se procede al
ensamblaje de éstos y a la colocación de los accesorios. En esta parte son utilizados esmeriles,
taladros, sacabocados, rodillos, brochas y caladora. Los tipos de moldes existentes en la empresa
sirven para fabricar tanques de 1,22 y 2,44m de diámetro. En la figura 1.3 se observa el diagrama
de bloque del proceso de fabricación de medio tanque.
6
SOLICITUD DE
MATERIAS PRIMAS
“CHOPEADO” DE LA
PARED INTERNA
SEGUNDA PASADA
AJUSTE DEL MOLDE
SECADO
ENCERADO Y
COLOCACIÓN DEL
MYLAR
MEDICIÓN DEL
ESPESOR DE PARED
CHOPEADO DE LA
PARED INTERNA
PRIMERA PASADA
DESMOLDEO DEL
MEDIO TANQUE
Figura 1.3. Proceso de Fabricación de medio tanque [2]
Luego de haberse fabricado el medio tanque, se unen ambas mitades mediante un proceso
manual, tal como se describe en la Figura 1.4.
VERIFICACIÓN DEL
ESPESOR DE PARED
COLOCACIÓN DE
ACCESORIOS EN FIBRA
DETERMINACIÓN DEL
MARCADO DE DEFECTOS
INTERNOS Y EXTERNOS
LIJADO Y APPLICACIÓN
DE RESINA EN LAS
PARTES TRABAJADAS
REPARACIÓN DE LOS
DEFECTOS
REPARACIÓN DE LOS
DEFECTOS
CORTE Y LIJADO DE LOS
BORDES PARA EL MEDIO
DE LOS TANQUES
CONTROL DE CALIDAD
Figura 1.4. Diagrama de bloque del proceso de ensamblaje de los tanques [2]
CAPÍTULO 2
FUDAMETOS TEÓRICOS
2.1. Aguas Residuales Domésticas
En general, el líquido cloacal contiene un 99,99% de agua. La materia sólida está constituida
por los desechos sólidos que normalmente provienen de las edificaciones que sirven el sistema
cloacal: fibras de papel (celulosa), jabón, ac
aceites
eites y grasas, residuos de alimentos de variada
procedencia y composición, heces, orina, material mineral insoluble (arena, arcilla y grava), ente
otros.
2.1.1. Caracterización general de los componentes del agua residual
A continuación se presenta un esquema iilustrativo
lustrativo de la caracterización del agua residual.
Degradado
Rápidamente
(Soluble)
Complejos
DQO
Biodegradable
Degradado
Lentamente
(Particulado)
DQO Total
Ácidos Grasos
Volátiles
Coloidal
En Suspensión
No-Biodegradable
(Soluble)
DQO
No-Biodegradable
No-Biodegradable
(No Soluble)
Figura 2.1. Esquema de los componentes del agua residual [3]
8
2.1.2. Conceptos generales en el tratamiento de agua
•
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Representa una medida de la cantidad de materia carbonosa contenida en los diferentes tipos
de materia orgánica presentes en las aguas residuales. Está basada en el hecho de que todos los
compuestos orgánicos (con raras excepciones) pueden ser oxidados a dióxido de carbono y agua,
en medio ácido, con agentes fuertemente oxidantes [4a].
•
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
Hace referencia a la cantidad de oxígeno requerido para la respiración de los microorganismos
responsables de la estabilización (oxidación) de la materia orgánica a través de su actividad
metabólica en medio aerobio. Así mismo, representa indirectamente una medida de la
concentración de materia orgánica biodegradable contenida en el efluente [4a].
•
Sólidos Totales
En el agua residual se identifican componentes sólidos que le atribuyen propiedades
indeseables al agua. Los sólidos totales son los residuos presentes luego de la evaporación de la
materia, se clasifican de la forma siguiente [4a]:
-
Temperatura de evaporación.
a) Sólidos Totales: Residuo remanente después de la evaporación y secado de la muestra
(sin sedimentar, filtrar o centrifugar) a 103°C durante 60 minutos, determina los
sólidos totales.
b) Sólidos Fijos: Residuo remanente después de la evaporación, carbonización e
incineración durante una hora y a 600°C, esto da la idea del contenido mineral.
c) Sólidos Volátiles: Son el resultado de la diferencia entre los sólidos totales y los
sólidos fijos. Éstos representan la materia orgánica biodegradable tanto en partículas
como disuelta presente en el agua residual.
-
Tamaño de partícula.
a) Sólidos Suspendidos no coloidales: Las partículas tienen un tamaño mayor a una
micra de diámetro. Pueden ser removidos mediante la aplicación de tratamientos
físicos sencillos.
b) Sólidos Coloidales: Las partículas tienen un diámetro de 1 a 1x10-3 micras. Con la
aplicación de de sustancias coagulantes que neutralicen las cargas o potenciales
9
electrocinéticos de sus micelas coloidales, se les puede aglutinar sus núcleos
incipientes, que al flocular pueden crecer al límite de ser removidos a su vez por la
acción de la gravedad.
c) Sólidos Disueltos: conformados por dispersión homogénea, molecular o iónica de
diámetros entre 1x10-3 y 2x10-4 micras. Los sólidos disueltos volátiles pueden ser
removidos o transformados mediante la acción biológica de de microorganismos que
los utilizan como sustratos solubles en su mecanismo metabólico.
2.1.3. Características fisicoquímicas del agua residual doméstica
A continuación se presenta una tabla de composición de aguas residuales para dar a conocer
mejor la proporción de sólidos orgánicos y minerales que contribuyen a la inestabilidad de los
líquidos cloacales [4a]
Tabla 2.1. Contribución de las fracciones del líquido cloacal a las
concentraciones del mismo [4a]
Parámetro de
Concentración
Sólidos Totales
Sólidos
Volátiles
DQO
Nitrógeno
Orgánico
Separación Física
Separación química corregida
para coagulantes agregados
Partículas
Solubles
(%)
(%)
41,1
58,9
Partículas
(%)
34,7
Solubles
(%)
65,3
57,6
42,4
63,0
37,0
77,3
22,7
83,6
16,4
80,5
19,5
77,0
23,0
Para dar una referencia de los valores de parámetros fisicoquímicos en aguas residuales
domésticas, se presenta la Tabla 2.2 evaluada para poblaciones en los Estados Unidos.
Tabla 2.2. Análisis Químico Sanitario Típico [4a]
Contribuyentes
Sólidos Totales
Volátiles
Fijos
Sólidos suspendidos Totales
Volátiles
Fijos
Valores medios
(mg/L)
500
350
150
300
250
50
10
Tabla 2.2. Análisis Químico Sanitario Típico (cont.)
Sólidos Disueltos Totales
Volátiles
Fijos
Sólidos Sedimentables (mL/L)
DBO (5 días, 20°C)
Oxígeno disuelto
Nitrógeno Total
Orgánico
Amoniacal libre
Nitritos (RNO2)
Nitratos (RNO3)
Alcalinidad (CaCO3)
Grasas
200
100
100
8
200
0
50
20
30
0,05
0,20
100
20
Se han manejado estadísticas de la composición del agua residual para distintos tipos de
poblaciones venezolanas, dentro de las cuales existen diferencias en cuanto al ritmo de vida,
costumbres de la población, entre otras variables [4b].
Tabla 2.3. Composición de líquidos cloacales en Venezuela [4b]
Constituyentes
Maracay
Yare
Caracas
S.
Tomé
Cloruros (mg/L)
14,00
Alcalinidad (mg/L)
142,00
N-Nitritos(mg/L)
0,02
N-Nitratos(mg/L)
0,10
Sólidos Sedimentables
1,20
(mg/L)
Sólidos Totales (mg/L)
743
Sólidos fijos (mg/L)
303,00
Sólidos Volátiles
440,00
(mg/L)
OD (mg/L)
1,10
6,00
DBO (5 días, 20°C)
121
578
485
87
(mg/L)
Consumo
150
140
L/persona . día
Habitantes servidos
20.000
6.750 181.000 7.549
* DBO 1era etapa = 135% DBO (5 días, 20°C); K base @ 20°C = 0,12 d-1
Altamira
Coche
Planta
Experimental
UCV
---
640
389
280
206
170
--214*
250
1.380
10.785
>50.000
2.2. Parámetros de Descarga
Para determinar la eficiencia con la que debe trabajar la planta de tratamiento, se fijan los
parámetros de descarga del efluente en función de las Normas para la Clasificación y el Control
11
de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos o Efluentes Líquidos Establecidas del Decreto
N°883 en su Gaceta Oficial Extraordinaria de Venezuela: 5.021 del 18/12/95. Los parámetros
más representativos y relacionados con aguas de naturaleza doméstica, se muestran en la
siguiente tabla:
Tabla 2.4. Parámetros fisicoquímicos de descarga hacia cuerpos de agua [5]
Parámetros Físico-Químicos
Aceites minerales e hidrocarburos
Aceites y grasas vegetales y animales
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5, 20)
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Nitrógeno Total
Espuma
Sólidos flotantes
Sólidos Suspendidos
Sólidos Sedimentables
pH
Límites máximos o
rangos
20 mg /l
20 mg /l
60 mg/l
350 mg/l
40 mg/L
Ausente
Ausentes
80 mg/l
1,0 ml/l
6-9
2.3. iveles de Tratamiento
La naturaleza de cada componente de las aguas residuales permite dividir el tratamiento en
diferentes niveles, que por lo general, van desde la remoción de componentes macroscópicos a
los microscópicos. Para cada nivel se dispone de una variedad de equipos, que son diseñados y/o
utilizados a medida de la capacidad y costo que permita el proyecto. Los niveles de tratamiento
son descritos en las siguientes secciones.
2.2.1. Tratamiento Preliminar
Consiste en la remoción de constituyentes del agua de tratamiento tales como trapos, ramas,
objetos flotantes, arenilla y grasa, que pudieran ocasionar problemas de mantenimiento o de
operatividad en el tratamiento, en alguna de las operaciones unitarias, procesos o sistemas
auxiliares [4a].
12
Desbaste por Rejas
Es un mecanismo colocado usualmente antes de la estación de bombeo o de cualquier equipo
de tratamiento subsecuente que sea susceptible de obstruirse por el material grueso que trae el
agua residual sin tratar. Debe tomarse en cuenta que el canal de aproximación a la rejilla debe ser
diseñado de manera que prevenga la acumulación de arena u otro material aguas arriba de ésta
[6].
Respecto a la inclinación de las barras, cuando sea instalada una reja de limpieza manual, debe
ser colocada con una inclinación entre 30° a 45° con respecto a la horizontal, y que las aperturas
libres entre las platinas de la reja de 2,5 y a 5,0 cm. Así mismo, exige que la velocidad del agua
dentro del canal sea por lo mínimo de 0,6m/s para evitar acumulación de sedimentos [7].
a) Diseño
Lothar indica que una vez fijada la velocidad del agua a través de las barras, se estima el área
libre mediante la siguiente ecuación [8]:
=
Donde:
AL: Área libre, m2
Q: Caudal, m3/d
v: velocidad a través de las barras, m/s
Ec. (2.1)
Habiendo establecido el espacio entre las barras y el espesor de las mismas, se calcula el área
total aguas arriba de ésta. En lo referente al espesor de las barras, en general tienen sección
rectangular de 5 a 15mm de espesor. Las barras gruesas usualmente son utilizadas en grandes
instalaciones, con dimensiones de 13mm por 60mm, mientras que en las instalaciones pequeñas
son utilizadas rejas de 6mm x 40mm [8].
=
Donde:
AT: Área total, m2
AL: Área libre, m2
Db: Distancia entre barras, m
W: espesor de barras, m
+ Ec. (2.2)
El denominador de esta ecuación representa la razón entre área total y área libre, siendo los
valores más comunes para ésta entre 0,6 y 0,85 [8].
13
b) Pérdida de Carga
Se recomienda que la pérdida de carga no sea mayor a 0,75m [6]. Ésta se puede calcular
mediante la siguiente ecuación [4a]:
= β . . . θ
Ec. (2.3)
2
Ec. (2.4)
Donde:
h: Pérdida de carga, m
β: Factor de forma de la barra, adim
W: Ancho máximo de las barras frente al flujo, m
Db: Ancho mínimo de aberturas entre rejas, m
V1: Velocidad media del agua en el canal de llegada a la rejilla, m/s
g: Aceleración de la gravedad ≈ 9,81 m/s2
ϴ: ángulo de la reja con respecto a la horizontal, radianes
La siguiente tabla muestra los coeficientes para β en funci
función
ón de la forma de las barras. Este
cálculo tiene la limitación de ser válido sólo cuando la rejilla está limpia.
Tabla 2.5. Coeficiente de pérdida para rejillas [4a]
Forma
β
A
B
C
D
E
F
G
2,42
1,83
1,67
1,035
0,92
0,76
1,79
Figura 2.2. Diferentes Formas de Rejillas [6]. Vista Frontal.
14
c) Cantidad de material retenido
La cantidad de material que queda en las rejas está influenciada por condiciones locales,
costumbres de la población, época del año, etc., pero también depende fuertemente de la abertura
especificada entre las rejas.
En los Estados Unidos la cantidad de material retenido en rejas con aberturas de orden de
25mm generalmente está compuesta entre 0,015 y 0,030 litros por m3 de agua residual [8]. En
este mismo sentido, Shroepfer presenta datos sobre la acumulación de material retenido en
función de la abertura entre las rejas [8]:
Tabla. 2.6. Retención de material en función de la abertura de la reja [8]
Aberturas, mm
20
Cantidad L/m3
0,038
25
0,023
35
0,012
40
0,009
d) !aturaleza del material retenido
El material retenido está compuesto principalmente por trapos, estopa y detritos de cocina, y
su masa corresponde a 0,7 - 0,9 kg/litro [8].
2.2.2. Tratamiento Primario
Se refiere a la remoción de una parte de los sólidos suspendidos y de materia orgánica
contenida en el agua de tratamiento [3].
2.2.2.1. Teoría de sedimentación y flotación de partículas discretas
La teoría de sedimentación de partículas no floculantes se rigen por las leyes de Newton y de
Stokes [3].
Newton plantea las fuerzas ejercidas sobre una partícula mientras ésta cae. De manera que
plante que la fuerza gravitacional actuante está dada por:
!" #$% − $ '. . %
Ec. (2.5)
15
Donde:
Fg: Fuerza gravitacional, kg. m/s2
ρP: densidad de la partícula, kg/m3
ρW: densidad del fluido, kg/m3
g: aceleració2n de la gravedad; 9,81 m/s2
vP: velocidad de la partícula, m/s
Mientras que la fuerza ejercida por la fricción sobre la partícula depende de su velocidad,
densidad, diámetro y el coeficiente de arrastre, como se muestra en la siguiente ecuación:
)( . % . $. % !( =
2
Ec. (2.6)
Donde:
Fd: Fuerza por fricción, kg.m/s2
AP: Área proyectada por la partícula en dirección al fluido, m
ρW: Densidad del fluido, kg/m3
vP: velocidad de la partícula, m/s
De esa manera se puede determinar la velocidad de partícula relacionando ambas ecuaciones,
de esa forma se tiene que:
%#*) +
4
(.
3)(
% − 1'. 0%
Ec. (2.7)
Donde:
vp: velocidad de partícula, m/s
g: aceleración de la gravedad; 9,81 m/s2
Cd: coeficiente de arrastre, adim.
sgP: gravedad específica, adim.
dp: diámetro de partícula, m
El coeficiente de arrastre toma distintos valores dependiendo del régimen de flujo que rodee a
la partícula, por lo que el coeficiente de arrastre es función del número de Reynolds.
2.2.2.2. úmero de Reynolds [3]
Es un número adimensional que compara es la relación entre los términos convectivos y los
términos viscosos que gobiernan el movimiento de los fluidos. En el caso de sedimentación de
partículas, está dado por:
12 $3 . % . 0% % . 0%
=
43
53
Ec. (2.8)
16
Donde:
NR: Número de Reynolds, adim.
ρw: densidad del fluido, kg/m3
vP: velocidad de la partícula, m/s.
dP: diámetro de la partícula, m.
µm: viscosidad absoluta del fluido, N.s/m2.
ηw: viscosidad cinemática del fluido, m2/s
El coeficiente de arrastre toma distintos valores dependiendo del régimen de flujo que rodee a
la partícula, por lo que el coeficiente de arrastre es función del número de Reynolds, tal como se
muestra en la siguiente figura:
Figura 2.3. Coeficiente de arrastre en función del número de Reynolds [3].
El coeficiente de arrastre está dado por la siguiente expresión:
)( =
24
3
+
+ 0,34
12 612
Ec. (2.9)
Dependiendo del número de Reynolds se han distinguido tres regímenes básicos de flujo:
a) Régimen Laminar
Para un número de Reynolds menor a 1,0 la viscosidad es la fuerza predominante en el proceso
de asentamiento, asumiendo partículas esféricas, la ecuación de Ley de Stokes correspondiente:
% . (.
− 1'. 0% 18 . η
%
Ec. (2.10)
17
Donde:
vp: velocidad terminal de la partícula, m/s
sgP: gravedad específica de la partícula, adim.
dP: diámetro de la partícula, m
η: viscosidad cinemática, m2/s
b) Régimen Transitorio
Corresponde al valor del número de Reynolds comprendido dentro rango de 1,0 y 2000. En las
Figura 2.4 se puede observar la velocidad de asentamiento en función del número de Reynolds y
el diámetro de la partícula:
A Gravedad Específica = 2,65
Esfericidad =1,00
B Gravedad Específica = 2,65
Esfericidad =0,85
C Gravedad Específica = 1,30
Esfericidad =1,00
D Gravedad Específica = 1,05
Esfericidad =1,00
Figura 2.4. Velocidad de sedimentación para partículas bajo distintas condiciones a 20°C de
temperatura [3].
c) Régimen Turbulento
En régimen turbulento, las fuerzas inerciales predominan sobre la viscosidad. Se toma
para valores de Re > 2000. El coeficiente de arrastre para esta zona Cd es de 0,4. Al sustituir este
valor en la Ecuación 2.9, queda de la forma:
18
% ;3,33 <= ><?
<?
. 0%
Ec. (2.11)
Donde:
vp: velocidad terminal de la partícula, m/s
ρP: densidad de la partícula, kg/m3
ρw:: densidad del agua, kg/m3
dP: diámetro de la partícula, m
2.2.2.3. Diseño de Equipos de tratamiento primario
A continuación se presentan los parámetros de diseño para equipos de tratamiento primario.
A) Desarenadores
Deben emplearse para cumplir los siguientes propósitos:
•
Protección de equipos mecánicos contra la abrasión.
•
Reducción de la formación de depósitos pesados en tuberías, conductos y canales.
•
Reducción la frecuencia de limpieza de la arena acumulada en tanques de sedimentación
primaria y digestores de lodos.
•
Minimización de pérdida de volumen en tanques de tratamiento biológico.
•
Antes de las centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta
presión.
A.1) Geometría
En el Reglamento Técnico del Sector RAS [6] se muestra la siguiente tabla con las
características geométricas recomendadas para cada tipo de desarenador.
Tabla 2.7. Geometría recomendada para desarenadores de diferente tipo
Desarenador de
flujo Horizontal
2–5
Desarenador
aireado
2–5
Desarenador
tipo vórtice
2,5 – 5
Longitud (m)
--
8 – 20
--
Ancho (m)
--
2,5 – 7
--
2,5: 1 – 5
3: 1,5
--
1,5 – 1
1,5 – 1
--
Parámetro
Profundidad (m)
Relación Largo: Ancho
Relación Ancho: Profundidad
19
A.2) Tiempo de Retención Hidráulico
El tiempo debe basarse en el tamaño de las partículas que deben separarse, se recomienda un
tiempo entre 20 segundos y 3 minutos [6].
B) Trampa de Grasa
Son tanques pequeños que se basan en la diferencia de densidades entre la grasa y el agua para
retener la grasa en la superficie mientras que el agua aclarada sale por una descarga inferior.
B.1) Características de Diseño
El diseño debe hacerse en función de las características y el caudal de agua a tratar, teniendo en
cuenta que la capacidad de almacenamiento mínimo expresada en kg de grasa. En la Tabla 2.9 se
muestra los valores típicos para los parámetros de diseño.
Tabla 2.8. Parámetros de diseño típicos para trampas de grasa [6]
Área en función del caudal
2
0,25 m /(L/s)
Relación ancho/longitud
Velocidad ascendente mínima
1:4 hasta 1:18
4 mm/s
B.2) Entradas y Salidas
El diámetro mínimo de la tubería de entrada debe ser de 0,05m (2”) y el de salida por lo menos
de 0,1m (4”). El extremo final del tubo de entrada debe estar sumergido por lo menos 0,15m. El
tubo de salida que haga la recolección debe localizarse por lo menos a 0,15m del fondo del
tanque y con una sumergencia de al menos 0,9m [6].
B.3) Operación y Mantenimiento
Las trampas de grasa deben recibir un mantenimiento regular con el fin de que no rebosen las
grasas y para que no se generen malos olores. La frecuencia de limpieza se determina en base a la
observación. Por lo general, debe hacerse cada vez que se alcance el 75% de la capacidad de
retención como mínimo. Por las exigencias del diseño, los tanques deben estar provistos de lo
siguiente [6]:
•
Capacidad suficiente de acumulación de grasa entre cada operación de limpieza
•
Condiciones de turbulencia mínima suficiente para permitir la flotación del material.
20
•
Dispositivos de entrada y salida convenientemente proyectados para permitir una
circulación normal del afluente y el efluente.
•
Distancia entre los dispositivos de entrada y salida, suficiente para retener la grasa y evitar
que este material sea arrastrado con el efluente.
2.2.3. Tanque de ivelación
Esta obra civil cumple con la función de recibir los caudales mínimos y máximos y retenerlos
de forma que puedan ser bombeados con un caudal constante. Por esta razón se le llama también
Estación de Bombeo. En la Gaceta Oficial n°4.103 [7] hacen referencia a ciertos parámetros que
deben cumplir esta obra civil, tales como:
•
La capacidad de bombeo debe ser adecuada para satisfacer el gasto máximo.
•
Estar dotadas de un aliviadero o desborde que entre en operación cuando sea excedida la
capacidad de bombeo, o por interrupción del suministro de energía eléctrica. Esto sólo se
permite en casos de reboses que no perjudiquen la salud pública ni a la comunidad.
•
El diámetro mínimo de las tuberías descarga y de succión de las bombas será de 0,1m
(4”), siempre que el gasto lo permita.
•
El nivel máximo de los líquidos dentro del pozo húmedo estará por lo menos 0,20 m por
debajo del nivel de la rasante del colector más bajo que descargue en el pozo húmedo.
•
El fondo del tanque debe tener una pendiente mínima de 2% respecto a la horizontal.
2.2.4. Tratamiento Secundario
Consiste en emoción de materia biodegradable (en solución o en suspensión) y de sólidos
suspendidos [4a].
2.2.4.1. Filtro Biológico Percolador
Se definen como unidades de tratamiento biológico que dentro del sistema global de
tratamiento de aguas tienen la labor de remover la materia orgánica mediante la metabolización
de esta a cargo de una población bacteriana adherida a un medio filtrante, traduciéndose esto en
un efluente con una menor demanda bioquímica de oxígeno [9].
A) Parámetros de Dimensionamiento
El diseño de filtros biológicos percoladores se basa principalmente en dos parámetros: carga
orgánica y carga hidráulica. La carga hidráulica hace referencia a la resistencia del medio filtrante
21
a colocar en función del área del mismo, por lo que define el área a utilizarse para cierto caudal
dado. El valor de la carga orgánica sirve para determinar la eficiencia que debe lograr el filtro,
por lo que indirectamente determina la profundidad que debe tener el medio filtrante.
A.1) Carga Orgánica
Representa el flujo másico de materia por unidad de volumen del filtro. Es proporcional a la
relación alimento-microorganismos, por lo que también sirve como referencia para determinar la
rapidez del crecimiento de la población de bacterias del sistema.
A.2) Carga Hidráulica
Equivale a la velocidad superficial que tiene el agua residual con la recirculación al pasar por el
área plana del corte transversal del volumen que atraviese. Sin embargo, ya que el flujo por el
medio filtrante es en láminas delgadas, la velocidad real es mayor; el incremento de la carga
hidráulica es proporcional a la velocidad real.
La carga hidráulica afecta el tiempo de residencia del líquido que se filtra a través del medio
filtrante y simultáneamente a la cantidad de líquido retenido en cualquier momento por el medio
filtrante. Es decir, el tiempo de retención disminuye con el aumento de la carga hidráulica.
Callaoapaza [9] plantea la existencia de ciertos límites para la carga hidráulica. La mínima es
aproximadamente 1,8 m3/m2.h y si no es suficiente deberá hacerse una recirculación. En lo
referente al límite superior se debe prever que no haya desprendimiento excesivo de biomasa.
B) Proceso Microbiológico [9]
Dentro de los filtros principalmente se encuentran organismos pertenecientes al reino protista,
donde se encuentran bacterias aeróbicas, anaeróbicas y facultativas, hongos, algas y protozoarios.
También se encuentran otro tipo de animales como gusanos, larvas de insectos y lombrices.
Las bacterias predominantes son las facultativas. Éstas son las que se encargan de degradar la
materia orgánica del agua residual. Las especies más comunes son: Achromobacter,
Flavobacterium, Pseudomonas y Alcaligenees. Para las nitrificación, las bacterias existentes son:
Nitrosomas y Nitrobacter.
Los hongos trabajan en función de la estabilización de los residuos bajo condiciones bajas de
PH. Debe controlarse su crecimiento debido a que pudieran llegar a obstruir el paso del agua en
22
el medio filtrante. Algunas especies de hongos que pudieran encontrarse son: Fusazium, Mucor,
Penicillium, Geotrichu y Sporatichem.
Las algas mediante el proceso de fotosíntesis, aportan cierta cantidad de oxígeno durante las
horas que hay luz solar. Se pueden encontrar las siguientes especies: Phormidium, Chlorella y
Ulothrix.
Los protozoarios controlan el crecimiento bacteriano, donde predomina el grupo de los ciliados
como Vorticella, Opercularia y Epistylis.
Los gusanos, insectos y lombrices ayudan a mantener la población bacteriana en alto
crecimiento y contribuyen con la rápida utilización de alimento.
Según sus características de diseño, Lee y Dar Lin [10] plantean en siguiente cuadro:
Tabla 2.9. Características de diseño para los diferentes tipos de filtros percoladores [10]
Medio Filtrante
Carga hidráulica
m3/(m2.d)
Carga Orgánica
kgDBO5 /(m3.d)
Profundidad, m
Tasa de
Recirculación
Eficiencia de
Remoción DBO5, %
Nitrificación
(Efluente)
Desprendimiento
Tasa Baja
Tasa
Intermedia
Tasa Alta
Tasa Super
Alta
Rugoso
Dos
etapas
Roca,
escoria
Roca,
escoria
Roca
Plástico
Plástico,
madera
roja
Roca,
Plástico
1,0 - 3,7
3,7 - 9,4
9,4-37,0
14,0 - 84,0
47,0 - 187
9,4 - 37
0,08 - 0,4
0,24 - 0,48
0,32-1,0
0,8 – 6,0
1,6 - 8,0
1,0 - 2,0
1,8 - 2,4
1,8 - 2,4
0,9 - 1,8
3,0 – 12,0
4,6 - 12,0
1,8 - 2,4
0
0-1
1-2
1-2
1-4
0,5 - 2
80 - 90
50 - 70
65 - 85
65 - 80
40 - 65
85 - 95
Buena
Parcial
Poca
Poca
Ninguna
Buena
Intermitente
Intermitente
Continuo
Continuo
Continuo
Continuo
C) Eficiencia
La eficiencia de los filtros biológicos se basa en su capacidad de remoción de DBO5 presente en
el afluente.
23
Las ecuaciones para calcular la eficiencia del filtro están basadas en factores la temperatura
(que afecta la cinética de la reacción), la profundidad del reactor, el tipo de medio filtrante (roca o
plástico), y las tasas de carga orgánica e hidráulica.
C.1) Eficiencia para Medios Filtrantes de Roca
Para los filtros percoladores se encuentran expresiones empíricas desarrolladas por el Consejo
Nacional de Investigación (CNI), éstas son producto de un amplio estudio de los datos de
operación de plantas de tratamiento norteamericanas. Esta ecuaciones sirven para estimar la
eficiencia de filtros percoladores de roca de una o dos etapas con distintas tasas de recirculación
[3].
@ AA
BA, .
@ B
AA
H,IIJK
.
LMNL
CD
;
EF.G
;
CDO
EF.G
Ec. (2.12)
Ec. (2.13)
Donde:
E1: Eficiencia en la remoción de DBO de la primera etapa incluyendo el clarificador, %
E2: Eficiencia en la remoción de DBO de la segunda etapa incluyendo el clarificador, %
CO: Carga orgánica aplicada en la primera etapa, kg
CO’: carga orgánica aplicada a la segunda etapa, kg
Vm: Volumen del medio filtrante, m3
F: factor de recirculación para cualquiera de las etapas, adim.
El factor de recirculación puede calcularse de la siguiente manera:
!=
1+P
(1 + 0,1 . P'
Ec. (2.14)
Donde:
r: caudal recirculado/caudal del afluente, (adim).
Para calcular la eficiencia global de las dos etapas en conjunto:
@Q 100 − #100 − @ ).
Donde:
EG: Eficiencia Global, %.
@
100
Ec. (2.15)
24
C.2) Eficiencia para medios filtrantes de plástico
Los medios filtrantes de plástico se han vuelto populares desde los años sesenta, ya que
ofrecen numerosas ventajas ante el uso de roca. Entre ellas se tiene que ofrece una mayor área
superficial específica, y que admiten altas cargas volumétricas con un menor riesgo de obstruirse
[5].
Puede ser calculada mediante la ecuación de Germain:
>SKH°C .
UV
R
Ec. (2.16)
Donde:
Se: Concentración de DBO en el efluente, mgDBO/L
Si: Concentración de DBO en el afluente, mgDBO/L
K: constante de tratabilidad correspondiente a la profundidad del filtro a una temperatura de
20°C.
D: Profundidad del filtro, m
q: tasa de carga hidráulica en el afluente, L/(s.m2)
n: exponente relacionado al medio filtrante, usualmente 0,5.
La constante de tratabilidad debe ser corregida cuando se está analizando a otra profundidad del
filtro que aquella tomada como referencia, mediante la siguiente expresión:
A,X
W W . L K
Y
A,X
. L
Y
K
Ec. (2.17)
Donde:
K2: constante de tratabilidad a la profundidad D2 del filtro 2.
K1: constante de tratabilidad a la profundidad D1 del filtro 1.
D1: profundidad del filtro 1, m
D2: profundidad del filtro 2, m
Dow Chemical Company realizó estudios en 140 plantas piloto para aguas residuales de origen
distinto. Este estudio reflejó los valores de K1 mostrados en la Tabla 2.11., los cuales fueron
obtenidos utilizando una profundidad de filtro de referencia de 6,1m con un afluente de
concentración de 150 mg/L de DBO [3].
25
Tabla 2.10. Coeficientes de tratabilidad normalizados de la ecuación de Germain [3].
Tipo de agua residual
K1 (L/s)0,5/m2
Doméstica
0,210
Enlatadoras de frutas
0,181
Proceso Kraft
0,108
Empaquetadora de Carne
0,216
Farmacéutica
0,221
Procesadoras de Papa
0,351
Refinerías
0,059
Procesadoras de Azúcar
0,165
Procesadoras de Lácteos
0,170
Industria Textil
0,107
D) Dimensiones del filtro biológico
El dimensionamiento del filtro biológico abarca el medio filtrante dependiendo del tipo,
ventilación, y su operatividad en función de las cargas orgánica e hidráulica y recirculación.
D.1) Geometría
La geometría puede consistir en un recipiente cilíndrico o rectangular con diámetros variables
hasta de 60 m y con profundidades entre 0,9 y 12 m [6] y [10].
D.2) Medio filtrante
El medio filtrante puede ser piedra triturada o cantos rodados con diámetros entre 0,05 y 0,1m
o un medio plástico manufacturado especialmente para tal fin. Este último se ha vuelto muy
popular debido a que tiene menor peso específico y es capaz de aportar una mayor superficie de
contacto para la formación de la capa de microorganismos [11].
Se recomienda que el medio filtrante, en el caso de la piedra, tenga una profundidad mínima de
0,4 m y máxima de 2,4 m sobre los desagües, excepto cuando los estudios justifiquen una
construcción especial. En caso del medio plástico, la profundidad debe determinarse por medio
de estudios pilotos o experiencias previas debidamente sustentadas, pero se ha observado que en
promedio se encuentran entre los 3,0 y 12 m. En lo referente a los brazos distribuidores, el
espacio libre mínimo entre ellos debe ser de 15 cm como mínimo, entre los brazos distribuidores
y el medio filtrante [10].
26
D.3) Configuración
Es de gran importancia que el diseño hidráulico a utilizar brinde la suficiente flexibilidad para
realizar las variaciones en la dirección del flujo de tal forma que una vez construida la planta, se
puedan corregir con relativa facilidad los problemas de operación que se lleguen a presentar [9].
D.4) Recirculación
Para determinar la tasa de circulación se debe determinar si se va a realizar antes o después del
clarificador, puesto que esto afecta significativamente en el diseño. Las ratas de recirculación se
encuentran entre 0 y 4, siendo las tasas masas usuales entre 0,5 y 3,0 [10].
D.5) Ventilación
Es de gran importancia mantener el filtro en condiciones aeróbicas. La ventilación puede
realizarse por medios naturales mediante gradientes de temperatura presentes entre el lecho y el
medio ambiente o por medios forzados usando equipos similares a los extractores de aire [9].
2.2.4.2. Tratamiento de Lodos Activados
La Federación para el Control de la Polución del Agua (Water Pollution Control Federation
WPCF), en su manual práctico N°8 [12] define este proceso como un tratamiento biológico para
aguas cloacales en el cual una mezcla de estas aguas con lodo activado es aireada y mezclada.
Posteriormente el lodo activado es separado del agua tratada mediante un proceso de
sedimentación, y luego es retornado al proceso según la dosis necesaria. El agua tratada rebosa
por la superficie del tanque de sedimentación en el que se da el proceso de separación del lodo
[12].
A) Parámetros de Diseño
A.1) Concentración de masa dentro del reactor.
La concentración de licor mezclado dentro del reactor es vital para el diseño ya que de ella
depende el caudal y la concentración de retorno, el volumen del reactor, y en algunos casos, la
escogencia del SRT.
Para determinar la concentración de masa en el sistema se realiza un balance de masa en el
volumen de control indicado en la siguiente figura [10]:
27
Figura 2.5. Diagrama del proceso de lodos activados con la línea de retorno de lodos
proveniente del sedimentador [10].
Este balance se puede representar con el siguiente planteamiento:
Acumulación = Entra – Sale + Generación
Ec. (2.18)
Es importante señalar que la biomasa que ingresa a un reactor se mide comúnmente en
términos de Sólidos Suspendidos Totales (SST) y de Sólidos Suspendidos Volátiles (SSV); a la
mezcla resultante de combinar lodo reciclado con agua entrante al reactor se le denomina Sólidos
Suspendidos del Licor Mezclado (SSLM), ó Sólidos Suspendidos Volátiles del Licor Mezclado
(SSVLM), dependiendo del tipo de sólidos al que se haga referencia.
Se plantea la siguiente ecuación en función del parámetro del Tiempo de Retención de Sólidos
(SRT), definiendo este parámetro como la cantidad de lodo contenida en el sistema dividida por
la masa de sólidos removida por día (Metcalf, 2004). En otras palabras, es el tiempo promedio en
el que los sólidos del lodo activado permanecen en el sistema.
Z Y2
[
]#YD >Y)
\B#
S^ )Y2
_ `( W( Y2
[
]#Y >Y)
\B#SD )Y2_ ab Donde:
XT: Concentración de biomasa, mgSSVLM/L
SRT: Tiempo de retención de sólidos, d
: Tiempo de residencia hidráulico, d
Y: coeficiente de productividad, mgSSVLM/mgDBO
So: Concentración de sustrato en la entrada, mgDBO/L
S: Concentración de sustrato en la salida, mgDBO/L
Kd: Coeficiente de decaimiento endógeno, gSSV/gSSV.d
^
cde,f Y2
[
Ec. (2.19)
28
Los datos de coeficientes cinéticos típicos para esta ecuación son dados en la siguiente tabla:
Tabla 2.11. Coeficientes cinéticos típicos para la remoción de materia orgánica en aguas
domésticas en el proceso de lodos activados [3].
Valora
Coeficiente
Rango
Típico
2-10
5
k
g bsDQO/ g VSS.d
Ks
mg/L DBO
25-100
60
mg/L bsDQO
10-60
40
mg VSS/ mg DBO
0,4 - 0,8
0,6
mg VSS/ mg bsDQO
0,3 - 0,6
0,4
0,06 - 0,015
0,10
Y
kd
a
Unidades
g VSS/gVSS.d
Valores tomados a 20°C
A.2) Concentración de sustrato en el efluente
Es posible calcular la concentración de sustrato a la salida del tanque de aeración a partir de
datos de cinética de reacción y el tiempo de retención de sólidos (SRT). Se puede determinar a
través de la siguiente ecuación:
=
WY . g1 + (W( ' . abh
ab . (4i − W( ' − 1
Ec. (2.20)
Donde:
S: concentración de sustrato en el efluente gDBO/m3
Ks: constante de velocidad media g/m3.
Kd: coeficiente de decaimiento, d-1
SRT: tiempo de residencia celular, d
µm: velocidad máxima de crecimiento de bacterias, g células nuevas/ g células .d
Metcalf et al plantea que la bDQO es aproximadamente 1,6 DBO.
A.3) Producción de masa en el reactor
Para calcular la producción de biomasa dentro del reactor, se utiliza la siguiente expresión:
29
jd,kl (`( '(W( 'm(l − 'ab
m(l − '
+
1 + (W( 'ab
1 + (W( 'ab
Ec. (2.21)
Donde:
PX,bio: Producción de biomasa en el reactor, kg/d
Q: Caudal de entrada, m3/d
Y: Coeficiente de productividad mgSSVLM/mgDBO5,20
So: Concentración de bDQO en la entrada, g/m3
S: Concentración de bDQO en la salida, g/m3
Kd: Coeficiente de decaimiento, d-1
fd: Desechos celulares, gVSS/gVSS
SRT: Tiempo de residencia celular, d
Para determinar la producción total de sólidos volátiles dentro del tanque de aeración, se toman
en cuenta tanto la producción de biomasa como la cantidad de sólidos volátiles no
biodegradables:
jd,nYY jd,kl + (
'
Ec. (2.22)
Donde:
PX, VSS: masa de sólidos volátiles en el tanque de aeración, kg/d
Q: Caudal de entrada, m3/d
nbVSS: Concentración de sólidos volátiles no biodegradables, kg/m3
En relación a la cantidad de sólidos totales en el tanque de aeración, se calculan con la siguiente
expresión:
jd,YY %o,pfe
qr
+ (
' + (bl − l '
Ec. (2.23)
Donde:
Q: Caudal de entrada, m3/d
PX,TSS: Pérdida neta de lodo activado producido por día, medido en términos de sólidos
suspendidos, kg/d
SSTo: Concentración de sólidos suspendidos totales en la entrada, kg/m3
SSVo: Concentración de sólidos suspendidos volátiles en la entrada, kg/m3
fS : Relación PV,VSS/ PX,TSS, adim.
Por otra parte, la masa de SSML y SSVLM se pueden obtener con las siguientes ecuaciones:
st.t 0 us = (ZYY '. (' = vjd,YY w . ab
st.t 0 us = (ZnYY '. (' = vjd,nYY w. ab
Ec. (2.24)
Ec. (2.25)
30
A.4) Relación Alimento a Microorganismos (F/M)
Metcalf [3] lo define como la razón de DBO o DQO aplicada por unidad de licor mezclado. En
la literatura se han encontrado valores típicos desde 0,04 g sustrato/g biomasa.d para procesos de
aeración extendida hasta 1,0 g/g.d para procesos de alta rata. Es utilizado para evaluar el diseño
de los tanques de lodos activados y su operatividad; es importante ya que se le atribuye la
existencia de ciertos organismos como distintos tipos de Parvicella y hongos.
. l
!
=
Z.. . s
Ec. (2.26)
Donde:
F/M: Relación alimento a microorganismo, kg DBO/g SSVLM .d
Q: Caudal de entrada, m3/d
So: Concentración de DBO, kg/m3
Xvss: Concentración de SSVLM, kg/m3
V: Volumen del reactor, m3.
A.5) Carga Orgánica Volumétrica
Constituye otro parámetro típico de diseño, el cual hace referencia a la cantidad de
materia orgánica (expresada como DQO o DBO) aplicada diariamente en el volumen del tanque
de aeración. Ciertos problemas operacionales debido a la baja cantidad de nutrientes están
asociados a este parámetro.
ulx" =
. l
Ec. (2.27)
Donde:
Lorg: carga orgánica volumétrica, kg DBO/m3.d
Q: Caudal de entrada, m3/d
So: Concentración de DBO, kg/m3
V: Volumen del reactor, m3
A.6) Tiempo mínimo de residencia celular
Físicamente se refiere al tiempo de residencia celular en las que las células son purgadas
del sistema antes de que éstas puedan reproducirse [3].
1
≅ m. | − W(
abiíz
Ec. (2.28)
31
Donde:
SRTmín: tiempo mínimo de residencia celular, d
Y: coeficiente de productividad, mg SSV/g DBO
k: máxima velocidad específica de de utilización de sustrato, mg/ mg. d
Kd: coeficiente de decaimiento endógeno, mg SSV/ mg SSV. d
Para asegurar un tratamiento adecuado, el proceso biológico suele diseñarse con un tiempo de
residencia celular de 2 a 20 veces el tiempo de residencia celular mínimo.
A.7) Caudal de lodo de retorno
La cantidad de sólidos que entran al tanque debe ser igual a la cantidad de sólidos que dejan el
tanque, si es posible considerar insignificantes el crecimiento de las nuevas células [3].
2 =
Z. Z. − ab
Z2 − Z
Ec. (2.29)
Donde:
QR: caudal de retorno de lodo, m3/d
Q: caudal de entrada, m3/d
V: Volumen del reactor, m3
X: Concentración de SSLM, mg/L
XR: concentración de la línea de retorno de lodos activados, mg/L
SRT: tiempo de retención de sólidos, d
A.8) Purga de lodo
Para mantener un tiempo de residencia celular determinado, el exceso de lodo producido
diariamente debe ser purgado del sistema. Comúnmente se obtiene de la línea de retorno de lodos
para aprovechar que su concentración es mayor a la concentración de lodo dentro del tanque de
aeración, lo que a su vez hace que se tenga que eliminar una menor cantidad de volumen y por lo
tanto permitir el uso de bombas más pequeñas [3].
=
. Z
Z2 . ab
Donde:
Qw: caudal de lodo purgado desde la línea de retorno de lodos, m3/d
V: Volumen del reactor, m3
X: Concentración de SSLM, mg/L
XR: concentración de lodos en la línea de retorno de lodos activados, mg/L
SRT: tiempo de retención de sólidos, d
Ec. (2.30)
32
B) Requerimiento de Oxígeno
Los procesos biológicos aerobios, en especial el de lodos activados, demandan oxígeno para
obtener energía para oxidar la materia orgánica biodegradable a CO2 y H2O, y el resto lo utilizan
para el crecimiento y reproducción microbiana [4a]. Eckenfelder et al plantea la siguiente
correlación [4a]:
R ~K = t .  . @ − . .
Ec. (2.31)
Donde:
RO2: Requerimiento de oxígeno, kg/d
a: Coeficiente que representa la fracción de DBO removida, generalmente 0,35– 0,55
B: DBO agregado al sistema, kgDBO/d
E: Eficiencia de Remoción
b: Coeficiente que representa la rata de respiración endógena, generalmente 0,01-0,12
Ss: Sólidos suspendidos volátiles en el reactor, kgSSV/d
C) Presión de descarga
La eficiencia de los difusores depende de muchos factores, entre ellos: el tipo, tamaño y forma
del difusor, el caudal de aire, la profundidad de sumersión la geometría del tanque y la
composición del agua residual. Típicamente, la eficiencia de oxígeno aumenta con la
profundidad.
Para el suministro de aire es necesario calcular la presión de descarga dentro del tanque, por lo
que toma en cuenta el peso de la columna de agua por encima del difusor.
D) Difusores de aire
La eficiencia de la transferencia de oxígeno depende de numerosos factores, entre ellos están el
tipo, tamaño y forma del difusor; el caudal de aire; la profundidad de sumergencia; la geometría
del tanque incluyendo la localización del difusor; la temperatura del proceso y las características
del aire a tratar. Dependiendo de la profundidad de sumergencia, se esperan eficiencias de
transferencia del 5 al 8% para difusores no porosos y del 15 al 25% con difusores de poro fino.
E) Tipos de lodos activados
Los procesos de lodos activados han sido modificados para su innovación según las
características del agua, costos de inversión, costos de operación, entre otros. A continuación se
menciona una breve descripción de los procesos de lodos activados más conocidos:
33
E.1) Aeración Convencional
El agua del clarificador primario y el lodo retornado son mezclados dentro del tanque de
aeración mediante difusión de aire. Típicamente se usan 3 o 5 canales de paso. En los primeros
canales usualmente la concentración de oxigeno es baja. El sistema de aeración es diseñado de
tal modo que se pueda satisfacer la demanda de oxígeno a lo largo del proceso.
Durante este periodo, puede haber adsorción, floculación y oxidación de materia orgánica.
Posteriormente el lodo activado es separado en un sedimentador secundario.
Clarificador
Primario
Afluente
Tanque de
Aeración
Clarificador
Secundario
Efluente
Lodos
Primarios
Lodos
Secundarios
Recirculación de Lodos
Figura 2.6. Esquema Aeración Convencional [3]
E.2) Aeración Extendida
El proceso de aeración extendida se asemeja a la aeración convencional por el tipo de reactor
excepto que opera en la fase de decaimiento de la curva de crecimiento de microorganismos, para
lo cual se requiere una baja carga orgánica y altos SRT. Los sólidos resultantes son bien
estabilizados, sin embargo, requieren procesos adicionales de estabilización para poder ser
reutilizados.
Clarificador
Secundario
Desbaste
Afluente
Desechos
Tratamiento
Primario
Lodos
Primarios
Tanque de
Aeración
Efluente
Recirculación de Lodos
Figura 2.7. Esquema Aeración Extendida [3]
Lodos
Secundarios
34
E.3) Aeración Escalonada
Se trata de una modificación del sistema de aeración convencional, en la cual el agua residual
procedente de un clarificador primario es introducida al sistema en 3 o 4 puntos. La finalidad es
nivelar la relación F/M a lo largo del proceso. Puede manejar concentraciones de SSLM entre los
5000 – 9000 mg/L que será variante a lo largo del proceso.
Clarificador
Primario
Afluente
Tanque de Aeración
Clarificador
Secundario
Efluente
Lodos
Primarios
Recirculación de Lodos
Lodos
Secundarios
Figura 2.8. Esquema Aeración Escalonada [3]
E.4) Mezcla Completa
Está basado en los reactores de agitación continua, el agua del clarificador primario es
mezclada con lodo recirculado al sistema. Normalmente el licor mezclado es introducido en
varias partes del tanque de manera que la concentración sea uniforme. Este proceso es capaz de
diluir cargas shock, sin embargo, tiende a tener bajas concentraciones de substrato, traduciéndose
en una baja relación F/M.
Tanque de
Aeración
Clarificador
Primario
Clarificador
Secundario
Efluente
Afluente
Lodos
Primarios
Recirculación de Lodos
Lodos
Secundarios
Figura 2.9. Esquema Aeración por Mezcla Completa [3]
35
Tabla 2.12. Parámetros de diseño típicos para el proceso de lodos activados [3]
Proceso
Tipo de
Reactor
Aeración
Flujo
Convencional
Pistón
Aeración
Flujo
Extendida
Pistón
Aeración
Flujo
Escalonada
Pistón
SRT, d
F/M
Kg DBO/
Kg
SSVLM
Kg
DBO/m3.d
SSLM,
mg/L
Tiempo
hidráulico
, τ (h)
Qr
(%)
3-15
0,2 – 0,4
0,3 – 0,7
1000 - 3000
4–8
25 - 75
20 - 40
0,04 – 0,10
0,1 – 0,3
2000 - 5000
20 – 30
50 - 100
3 – 15
0,2 0,4
0,7 - 1
1500 - 4000
3–5
25 – 75
3 – 15
0,2 – 0,6
0,3 – 1,6
1500 -4000
4-8
50 – 150
Tanque
Mezcla
Agitado
completa
Continuo
F) Ventajas y limitaciones de los distintos procesos de lodos activados
Cada uno de los procesos, se caracteriza por sus complejidades, requerimiento de energía,
posibles problemas operacionales, dimensionamiento, flexibilidad operacional y susceptibilidad a
cargas “shock”. A continuación se presenta una comparación entre los tipos de lodos activados
señalados anteriormente:
Tabla. 2.13. Ventajas y limitaciones para procesos lodos activados [3]
Proceso
Ventajas
Desventajas
Aeración
Convencional
Proceso Probado.
Puede remover más amoniaco que el reactor
de mezcla completa.
Es adaptable para varias configuraciones.
Puede ser complicada
hallar el requerimiento de
oxígeno al principio.
Aeración
Extendida
Alta calidad del efluente.
Fácil de operar.
Capaz de soportar cargas shock ó tóxicas.
Baja producción de lodo.
Lodo bien estabilizado.
Tanques de grandes
dimensiones.
Aeración
Escalonada
Distribuye uniformemente el oxígeno.
Proceso más complejo en
operatividad y en diseño.
36
Tabla. 2.13. Ventajas y limitaciones para procesos lodos activados [3] (cont.)
Mezcla
Completa
Común, Proceso Probado.
Adaptable para varios tipos de agua residual.
Soporta Cargas Shock y cargas tóxicas.
Demanda de oxígeno uniforme.
Susceptible a tener una
gran cantidad de
filamentosas en el
sedimentador.
G) Problemas de Operatividad
Se han identificado ciertos problemas operación ales asociados al proceso de Lodos Activados.
A continuación se nombran los más relevantes:
G.1) Crecimiento de Bacterias
Algunos de ellos son provocados por el crecimiento de bacterias de tipo filamentoso que
reflejan alguna falla en el sistema:
Tabla 2.14. Filamentosas asociadas al proceso de lodos activados [3]
Tipo de Filamentosa
Causa del crecimiento de la Filamentosa
Sphaerotilus natans, M.
Oxígeno disuelto bajo
Parvicella
M. Parvicella de varios tipos
Nocardia, Sphaerotilus natans,
Nostocodia limícola, Thiothrix
Relación F/M baja
Condiciones de Reactor Mezclado
Beggiatoa, Thiothrix spp.
Agua Residual Séptica/compuestos azufrados disponibles.
Sphaerotilus natans, Thiothrix
Deficiencia de Nutrientes
spp.
Hongos
pH bajo, deficiencia de nutrientes.
La presencia de microorganismos sigue la tendencia mostrada a continuación:
37
Figura 2.10. Microorganismos presentes a distintas condiciones de SRT
y relación F/M [3]
G.2) Baja Calidad de Lodos
Por otra parte, se puede obtener lodos que contengan muchas partículas en suspensión que no
sedimentan bien. A este fenómeno se le llama ¨Sludge Bulking”. Es producido básicamente por el
38
crecimiento de bacterias filamentosas mencionadas anteriormente o por la presencia de
biopolímeros que generan una textura gelatinosa que sedimentan lentamente.
Velocidad específica de
utilización de sustrato. h-1.
Formas No-Filamentosas
Formas Filamentosas
Sustrato, mg/L
Figura 2.11. Crecimiento de microorganismos en función de la concentración de sustrato [3].
Tabla. 2.15. Factores asociados al Sludge Bulking [3]
Factor
Características del agua
Descripción
Variaciones en el caudal
residual
Variaciones en composición
pH
Temperatura
Septicidad
Contenido de Nutrientes
Naturaleza de los componentes del agua residual.
Limitaciones de Diseño
Suministro de Aire Limitado
Mezclado Insuficiente
Recirculación Insuficiente
Diseño del clarificador
Capacidad Limitada de bombeo del lodo de retorno
Problemas Operacionales
Oxígeno disuelto Bajo
Insuficiencia de nutrientes
Relación F/M baja
BOD soluble insuficiente
39
H) Control del Proceso
Caudal de retorno en función del IVL o Índice de Molhman.
Otra forma de calcular el caudal de retorno (QR) evalúa las propiedades del lodo de retorno en
términos del Índice de Volumen de Lodo (IVL) y la concentración de SSVLM en porcentaje (P).
Este método es muy usado en la práctica, ya que aporta una mejor estimación ajustada a la
capacidad del sedimentador secundario, y permite realizar ajustes estando en el campo. Está dado
por:
c€
c
=
AA
LHH
E‚ . ƒ
− 1
Ec. (2.32)
W.P.C.F recomienda que si se desea operar la planta satisfactoriamente con índices de
Molhman considerablemente mayores a 100, los sólidos del líquido mezclado no deben exceder
los 2000 a 2500 mg/L y que aun así la cantidad de lodos de retorno debe estar más cercana al
100% que al 50% recomendado por Los Diez Estados [4a].
A continuación se presenta una tabla que ayuda a tener una idea del porcentaje de retorno de
lodo en función del índice de Molhman:
Tabla 2.16. Porcentajes de Caudal de Retorno basados en el Índice de Molhman para distintas
concentraciones de SSLM [4a]
Concentración Sólidos
Índice de Molhman
Aeración, mg/L
100
150
200
250
300
350
1.000
9
14
20
27
33
42
1.500
14
23
33
46
60
79
2.000
20
33
50
73
100
141
2.500
26
45
72
110
168
278
3.000
33
60
100
171
300
750
I) Estabilidad del Proceso de Lodos Activados
Para cada tipo de reactor, se ha evaluado la estabilidad en función de la concentración de DBO
soluble en el efluente. Resultando que el flujo pistón alcanza más rápido la estabilidad que el
tanque de mezcla completa [3]:
Porcentaje de remoción, %
Concentración de sustrato
en el efluente, mg/L
40
Figura 2.12. Concentración de sustrato en el efluente, S, (mg/L) y porcentaje de remoción
Vs tiempo de residencia celular SRT [3]
2.2.4.3. Sistemas Combinados de Tratamiento Aeróbico
En muchas ocasiones se han combinado equipos de filtros biológicos con procesos de lodos
activados, en los que se ha jugado con la línea de retorno de lodos o modificaciones pequeñas a
los equipos que lo incorporan [3].
Los procesos combinados tienen las ventajas de los procesos individuales que lo componen,
estas son:
•
La estabilidad y la resistencia a las cargas shock de los filtros biológicos.
•
La eficiencia volumétrica y los bajos requerimientos de energía de los filtros biológicos
para remoción parcial de DBO.
•
El papel de selector biológico que mejora las características de sedimentación de los lodos
activados.
•
La alta calidad del efluente del tratamiento del lodo activado.
A) Filtro biológico/Contacto de Sólidos (TF/SC) y Filtro biológico/Lodos Activados (TF/AS).
Este primer grupo de combinación de procesos se caracteriza por la recirculación de agua hacia
el filtro desde la propia salida del filtro y por el retorno de lodos proveniente del sedimentador
secundario hacia el tanque de aeración.
En el caso de Filtro biológico/Contacto de Sólidos se han realizado estudios incorporando una
aeración previa al retorno, y se ha incorporado una sustancia floculante en el sedimentador. Lo
señalado anteriormente se refleja en las Figuras 2.12 y 2.13.
41
Filtro
Biológico
Sedimentador
Secundario
Afluente
Efluente
Tanque de
Aeración
Retorno de Lodos
Reciclo
Lodos
Re- aeración (opcional)
Figura 2.13. Esquema de tratamiento Biológico/Contacto de Sólidos (TF/SC) [3].
Filtro
Biológico
Sedimentador
Secundario
Afluente
Efluente
Tanque de
Aeración
Reciclo
Lodos
Retorno de Lodos
Figura 2.14. Esquema de tratamiento Filtro Biológico/ Tanque de Aeración (RS/AS) [3].
La principal diferencia entre ellos se refiere a la carga orgánica del filtro biológico y al SRT de
los lodos activados, tal como se señala en la Tabla 2.17.
Tabla 2.17. Parámetros de los procesos Filtro Biológico/Contacto de Sólidos (TF/SC) y Filtro
Biológico/ Tanque de Aeración (RS/AS) [3]
Lodos Activados
τ, min
SRT, d
SSLM, mg/L
0,3 – 1,2
10 – 60
0,3 – 2,0
1000 – 3000
Tasa de
desbordamiento
superficial del
clarificador
(m/h)
1,8 – 3,0
1,2 – 4,8
10 – 60
2,0 – 7,0
2500 – 4000
2,0 – 3,5
Proceso
Carga Orgánica
Filtro Biológico
Kg DBO/m3.d
TF/SC
RF/AS
42
B) Biofiltro Activado (BF) y Biofiltro/Lodos Activados (BF/AS)
Este segundo grupo de procesos combinados es muy similar al anterior, con la excepción de
que la línea de retorno de lodos es llevada al filtro biológico, y el tanque de aeración puede no ser
usado.
Este método perdió popularidad debido a que el diseño original fue diseñado con empaques de
madera roja que hoy en día tienen un costo muy elevado.
Tabla 2.18. Parámetros de los procesos Biofiltro Activado (BF)
y Biofiltro/Lodos Activados (BF/AS) [3]
Lodos Activados
τ, h
SRT, d
SSLM, mg/L
0,36 – 1,2
–
0,5 – 2,0
1000 – 3000
Tasa de
desbordamiento
superficial del
clarificador
(m/h)
1,8 – 3,0
1,2 – 4.8
2–4
2,0 – 7,0
2500 – 4000
2,0 – 3,5
Proceso
Carga Orgánica
Filtro Biológico
Kg DBO/m3.d
BF
BF/AS
En el caso del biofiltro, el SRT que estima la producción de lodos, se puede hallar gráficamente
a través de la Figura 2.15.
T
R
S
Carga Orgánica kg DBO/m3.d
Figura 2.15. Tiempo de residencia celular para un filtro biológico en función
de la carga orgánica [3]
43
Los esquemas para cada este grupo de procesos combinados se presentan en las figuras 2.16 y
2.17:
Filtro
Biológico
Sedimentador
Secundario
Efluente
Afluente
Reciclo
Retorno de Lodos
Lodos
Figura 2.16. Esquema de tratamiento Biofiltro Activado [3]
Filtro
Biológico
Sedimentador
Secundario
Afluente
Reciclo
Tanque de
Aeración
Retorno de Lodos
Efluente
Lodos
Figura 2.17. Esquema de tratamiento Biofiltro/Lodos Activados [3]
2.2.4.4.Sedimentadores
Son equipos que parten del principio de que cuando un líquido que contiene partículas sólidas
es colocado en un recipiente en un estado relativamente estático, aquellas partícula que tengan
una mayor gravedad específica a la del agua, tenderán a precipitar. De esa manera es posible
remover los sólidos en suspensión para clarificar el agua residual. En el área de tratamiento de
aguas, son utilizados para remover sólidos sedimentables y reducir el contenido de sólidos
suspendidos del agua [12].
A) Velocidad de Resuspensión
Para evitar la resuspensión de partículas de procurarse mantener la velocidad del fluido
suficientemente baja. Se plantea la siguiente expresión para calcular la velocidad crítica [3].
44
„ = \
… . †‡ .(ˆ"ƒ >'." .(ƒ
q
_
Ec. (2.33)
Donde:
vH : velocidad horizontal que produce resuspensión de las partículas, m/s
kr: constante que depende del tipo de material arrastrado, adim.
sgP: gravedad específica de las partículas, adim.
g: aceleración de la gravedad, 9,81 m/s2.
d: diámetro de las partículas, m.
f: Factor de fricción Darcy-Weisbach, adim
Los valores típicos para kr son 0,04 para arena unigranular y 0,06 para materia más aglomerada.
El término f (proveniente del factor de fricción de Darcy-Weisbach) depende de las
características de la superficie por la cual recorre el fluido y del número de Reynolds, valores
típicos de éste término oscilan entre 0,02 y 0,03.
B) Índice de volumen de lodo (IVL)
El índice de volumen de lodo se refiere al volumen de 1 g de lodo después de 30 minutos de
asentamiento. Por lo general, estas pruebas se realizan colocando una mezcla de licor mezclado
en un cilindro de 1 ó 2 litros. Es medido a través de la siguiente ecuación:
‰u =
#lŠ‹iŒz (Œ Šl(l ˆŒz*(l,i ⁄ '(AJ i"/"'
(ˆóŠk(lˆ ˆ‹ˆ‘Œz(k(lˆ,i"⁄ '
=
i
"
Ec. (2.34)
Por ejemplo, si una muestra de licor mezclado con una concentración de 3000 mgSST/L
asienta en un volumen de 300ml en 30 minutos en un cilindro de 1 litro, tendrá un IVL de 100.
C) Sobrecarga Hidráulica
Los sedimentadores secundarios son diseñados en base a una
velocidad de la zona de
sedimentación, la cual depende directamente de las propiedades del lodo. La sobrecarga
hidráulica superficial está dada por la siguiente expresión:
’a =
Donde
k . 24
!
OR: Sobrecarga hidráulica, m3/m2. h
Vi: velocidad de sedimentación de interface, m/h
SF: factor de seguridad, comprendido entre 1,75 y 2,5
Ec. (2.35)
45
D) Velocidad de sedimentación de interface
Wilson & Lee [3] plantean la siguiente ecuación para estimar la velocidad de interface. Esta
velocidad está vinculada a la sobrecarga hidráulica que debe soportar el sedimentador. Está dada
por la siguiente expresión:
R = iᔠ. •–#−W . 10>— ' . Z
Ec. (2.36)
Donde:
Vmáx: velocidad máxima de asentamiento de interface, típicamente 7m/h, m/h
K: constante, típicamente 600mg/L para un lodo activado con un IVL de 150, adim
X: concentración promedio de SSLM, g/L
Daigger [3] aporta una correlación adicional entre Vi y SSLM, dada por la expresión:
˜#k ' = 1,871 − (0,1646 + 0,001586 . ‰u' . Z
Ec. (2.37)
Donde:
IVL: índice de volumen de lodo, mL/g
XT: concentración de SSLM, g/L
Las características de sedimentación del SSLM debe ser considerado para el diseño del
sedimentador secundario. El equipo debe ser capaz de proveer una adecuada clarificación del
agua al igual que el asentamiento de sólidos para el sistema de lodos activados [3].
F) Carga Superficial de Sólidos
Este parámetro representa un valor característico de los tanques de sedimentación. Para un área
determinada, la calidad del efluente puede deteriorarse si la carga de sólidos está por encima del
valor característico para la suspensión.
ua =
Donde:
SLR: carga superficial de sólidos, kg/ m2. h
Q: caudal de entrada, m3/d
QR: caudal de retorno de lodo activado, m3/d
X: Concentración de SSLM, mg/L
A: Área seccional del clarificador, m2
( + 2 ' . Z
Ec. (2.38)
46
Información típica de diseño para sedimentadores secundarios para procesos de lodos activados
se muestra en la siguiente tabla [3]:
Tabla 2.19. Información típica de diseño de sedimentadores secundarios para
el proceso de lodos activados [3]
Tipo de Tratamiento
Sobrecarga
Hidráulica
(m3/m2.d)
Promedio
Pico
Carga de Sólidos
(Kg/m2.h)
Promedio Pico
Profundidad
(m)
Sedimentación luego de tratamiento
de lodos activados aireados
(excluyendo aeración extendida)
16 – 28
40 – 64
4–6
8
3,5 – 6
Sedimentación luego de tratamiento
de lodos activados oxigenados
16 – 28
40 – 64
5–7
9
3,5 – 6
8 – 16
24 – 32
1,0 – 5
7
3,5 – 6
Sedimentación luego de tratamiento
con aeración extendida
G) Tipos de Sedimentadores
G.1) Sedimentadores de Flujo Horizontal
Siguen un patrón horizontal al atravesar un tanque por lo general rectangular. Los sedimentos
decantan a lo largo de la trayectoria del flujo y pueden ser recolectados a través de mecanismos
de arrastre en el fondo del tanque, en el caso de tanques grandes, o colocando una pendiente en el
fondo, en el caso de tanques pequeños [13].
La carga hidráulica típica está alrededor de 30m3/m2.d. Se debe considerar la profundidad para
evitar los casos de resuspensión de sedimentos, por lo que se recomienda un mínimo de 1,5m de
distancia del tubo de salida al fondo para tanques pequeños y 3,0m para tanques grandes. En la
figura se muestra el patrón de flujo horizontal dentro de los tanques rectangulares [3].
Figura 2.18. Tanque rectangular de sedimentación [3]
47
El diseño además debe considerar el efecto de la densidad del líquido, estratificación térmica o
la formación de remolinos internos.
G.2) Sedimentadores de Flujo Ascendente
Los tanques de sedimentación de flujo ascendente generalmente son utilizados para
sedimentación a baja o media escala. Este tipo de sedimentadores tienen un costo de construcción
mayor que los tanques de flujo horizontal o radial, excepto cuando la población no excede de
8000 habitantes [13].
Figura 2.19. Tanque de sedimentación de Flujo Ascendente [3]
G.2.A) Consideraciones de diseño
Los sedimentadores de flujo ascendente han sido estudiados por el Instituto Británico para
Control de contaminación de Agua [13], con los que han logrado recolectar ciertos datos
relevantes para el diseño. Algunos de estos datos son:
•
Velocidad de Ascenso: no debe excederse de 1,8 m/h, y usualmente es 1,2 m/h a flujo
máximo.
•
Carga Superficial: Para una velocidad de ascenso de 1,2 m/h a flujo máximo, la carga
superficial no debe excederse de 28,8 m3/m2.d
•
Dimensiones. La parte superior cilíndrica si es piramidal, los costados deben formar un
ángulo de 60°, con esquinas en ángulo de 50°. Para tanques circulares el ángulo formado
respecto a la horizontal debe ser 45°.
G.2.B) Tuberías de Entrada y Salida
La entrada al sedimentador debe ser lateral, dando un giro de 90° cuando alcanza el
centro. La boquilla de salida tiene forma acampanada y debe estar sumergida una corta distancia
por debajo del agua. Alrededor de la salida de la tubería es colocada una caja deflectora de 1,0 a
48
1,22 m2, y puede estar hecha de acero, aluminio, fibra de vidrio o plástico; esta caja deflectora
tiene tubos que sirven para sujetarlo. La salida usualmente es un vertedero periférico que puede
estar protegido con un bafle para la espuma.
G.2.C) Recolección de Lodos
El lodo es recolectado desde el fondo del tanque a través de un tubo localizado dentro del
tanque y debe estar sumergido al menos 1,2 m por debajo del nivel del agua. Para prevenir la
obstrucción del tubo, se establece que el diámetro mínimo de éste debe ser 0,15m.
G.2.D) Eficiencia
El Laboratorio de Investigación de Contaminación del Agua, realizó un estudio para tanques
circulares de flujo ascendente que tratan el agua que luego de pasar por una rejilla, con lodos
provenientes de un filtro biológico [13]. El estudio reflejó una eficiencia de 65% de remoción
para este tipo de lodos. El contenido de sólidos secos de la salida de lodos se encuentra dentro de
un rango amplio dependiendo de la frecuencia de purga y la habilidad del operador, aunque por lo
general se encuentra entre 3 y 4 %.
2.2.5. Tratamiento Terciario
Son aplicados como tratamiento de refinamiento, para que los efluentes resultantes adquieran
una pureza determinada. Algunos casos donde se requiere este nivel de tratamiento son [3]:
•
La remoción de fosfatos y nitratos de los efluentes cloacales, para evitar una eutrificación
de las masas hídricas de recibimiento.
•
La eliminación de los huevos y miracidios de S. Mansoni, presentes en aguas cloacales
domésticas, en regiones donde la bilharziasis es endémica.
•
Los tratamientos de desinfección que se aplican a los efluentes cloacales para reducir la
presencia de microorganismos entéricos y otros trasmisores de enfermedades de orígenes
hídricos o indeseables desde el punto de vista sanitario.
2.2.5.1. Tratamientos de Desinfección
En las aguas residuales domésticas, el punto de interés son los organismos patógenos, bacterias
y virus que se encuentran comúnmente en este tipo de aguas. Algunos desinfectantes utilizados se
muestran a continuación:
49
Tabla 2.20. Comparación de características de diferentes tipos de desinfectantes [3]
Característica
Hipoclorito de
Hipoclorito de
Sodio
Calcio
Gas o
Líquido
Líquido
Líquido ó Sólido
Gas
Alta
Moderada
Moderada
Alta
Homogéneo
Disp. Moderada
Bajo costo
Homogéneo
Disp. Moderada
Bajo costo
Homogéneo
Disp. Moderada
Alto costo
Homogéneo
Alta
Moderada
Moderada
Alta
Moderada
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Alta
Cloro (Cl2)
Estado Físico
Ozono
Habilidad para
desodorizar
Disponibilidad/ Costo
Homogeneidad
Bajo costo
Corrosividad
Solubilidad
Toxicidad en animales
y humanos
Toxicidad a
Microorganismos
2.2.5.2. Cloro Residual
En algunos países, se ha tomado como parámetro regulatorio el cloro residual para un tiempo
determinado. Para determinar el cloro residual después de un tratamiento secundario, se han
propuesto numerosas correlaciones, una de las más reconocidas ha sido propuesta por Selleck en
el año 1978 y modificada por White en el año 2000 [3], la cual establece:
œ
œe
œ
œe
=1
= \
Para CRt < b
€ * >z
_
Para CRt > b
Ec. (2.39)
Ec. (2.40)
Donde:
N: número de organismos remanentes luego del tiempo de desinfección t
No: número de organismos presentes antes de la desinfección
CR: cloro residual remanente luego del tiempo t
t: tiempo de contacto
b: constante de intercepción, por lo general para coliformes totales y fecales: 2,8
respectivamente
n: pendiente de inactivación, por lo general para coliformes totales y fecales: 2,8
respectivamente
y 3,
y 3,
50
2.2.5.3. Tiempo de Contacto
La Gaceta Oficial N°4.103 establece que se utilice cloro como tratamiento de desinfección del
efluente. La concentración a dosificar será calculada para que garantice un contenido de cloro
residual libre de 1mg/L (1 ppm) como mínimo, después de un tiempo de contacto no menor de 30
minutos.
Figura 2.20. Existencia de coliformes como función de cloro residual
en un reactor batch. [3]
2.2.5.4. Aplicaciones de la cloración
Algunas aplicaciones típicas del tratamiento con cloración son [12]:
•
Desinfección: Para que el cloro sea efectivo requiere un tiempo de contacto mínimo de 15
minutos a caudal máximo en el cual el cloro residual se encuentre entre los 0,2 – 1 mg/L.
Para estas condiciones se espera una reducción de coliformes del 99,9%. La dosis de cloro
para desinfección para distintos tipos de agua se refleja en la Tabla 2.21.
•
Control de Olores: Es efectivo para oxidar el H2S generado en la descomposición de la
materia orgánica. El hipoclorito de calcio puede ser utilizado para reducir olores en lechos
de secado con una dosis de 0,225 Kg por cada 9,29m2 de área.
•
Operatividad del Filtro Biológico: Es usado para controlar el crecimiento biológico que
pudiera llegar a obstruir la superficie del filtro.
•
Lodo Flotante: Con una dosis de 1 – 10 mg/L por litro, con un mezclado de 2 – 3 minutos
antes de retornar al tanque de lodos activados, es posible controlar el lodo flotante
causado por la Sphaerotulus natans.
51
A continuación se presentan las dosis típicas basadas en cloro combinado, requerida para
alcanzar desinfección de coliformes totales para varios tipos de aguas residuales, en un tiempo de
30 minutos [3] y [12].
Tabla 2.21. Dosis típicas de desinfección
Tipo de agua residual
Conteo Inicial
Dosis de Cloro, mg/L
de coliformes
NMP/100ml Promedio para Efluentes
NMP/100mL
1000
Cruda
107 – 109
15 – 40
Efluente Primario
107 – 109
200
23
10 – 30
20 – 40
Efluente de Filtro Biológico
10 – 10
6
3 – 10
5 – 20
10 – 40
Efluente de Lodos Activados
105 – 106
2 – 10
5 – 15
10 – 30
Efluente filtrado Lodos Activados
104 – 105
4–8
5 – 15
6 – 20
5
2.2.5.5. Compuestos clorados
Usualmente no son utilizados en plantas municipales para el tratamiento de agua, sino para
plantas para pequeñas comunidades. El costo puede ser de 4 a 10 veces el costo del cloro líquido
[3]. Algunos de estos son:
•
Hipoclorito de calcio: es un polvo blanco que contiene 70% de cloro disponible. Es
relativamente estable y disponible en envases de 0,8 – 45 Kg. Debe ser suministrado
como una solución, y puede ser alimentada con una rata de 4,5Kg por 37,8L de agua
residual.
•
Hipoclorito de sodio: es una solución que contiene de 2 – 15% de cloro disponible, debe
ser almacenado en espacios frescos y oscuros. Es recomendable su uso mediante
dosificadores.
2.2.6. Disposición de Sólidos
Todo tratamiento de agua residual produce los denominados lodos o barros cloacales crudos,
que requieren ser tratados como parte integral del sistema [4a].
2.2.6.1. Estabilización de Lodos
Los sólidos y biosólidos deben ser estabilizados por numerosas razones, entre ellas están [3]:
52
•
La reducción de organismos patógenos
•
Eliminación de olores
•
Inhibir, reducir o eliminar la putrefacción.
Tabla 2.22. Descripción de procesos de estabilización de Lodos [3].
Proceso
Descripción
Comentarios
Estabilización
Alcalina
Adición de un material alcalino,
usualmente cal, para mantener un
nivel de pH alto para la eliminación
de organismos patógenos.
Se obtiene un producto enriquecido
similar a la tierra negra con
patógenos en cantidades reducidas.
La adición de cal incrementa la
masa de la torta.
Digestión
Anaerobia
Conversión biológica de materia
orgánica por fermentación en un
reactor a alta temperatura, en la que
se obtiene gas metano y dióxido de
carbono. La fermentación ocurre en
ausencia de oxígeno.
Conversión biológica de materia
orgánica en presencia de oxígeno,
por lo general los reactores tienen
techo abierto
Digestión
Aerobia
Digestión
Termofílica
Compostaje
La producción de gas metano es
beneficiosa para el
aprovechamiento energético. El
proceso requiere la habilidad del
operador. Puede ser susceptible a
manejos deficientes.
El proceso es mucho más simple
que la digestión anaerobia, pero no
produce ningún gas usable.
Requiere energía para el mezclado e
incorporación de oxígeno.
Similar a la digestión aerobia Requiere consumo alto de energía para
excepto que se añaden mayores el suministro de aire u oxígeno.
cantidades de oxígeno para acelerar
el proceso. Opera a temperaturas de
40 – 80°C.
Conversión biológica de materia Requiere la adición de un agente de
orgánica en reactores cerrados o en aglutinamiento para proveer un
pilotes amontonados.
ambiente favorable a la actividad
biológica.
Algunos procesos de estabilización logran mejores alcances que otros, dependiendo de las
condiciones de septicidad que traiga el lodo y las condiciones a las que éste sea expuesto para
evitar la putrefacción, malos olores y la presencia de organismos dañinos para la salud. En la
Tabla 2.23 se refleja la efectividad de cada tipo de estabilización para estos aspectos:
53
Tabla 2.23. Grado de atenuación alcanzado por varios procesos de estabilización de lodos [3].
Grado de Atenuación
Proceso
Patógenos
Putrefacción
Potencial de Olor
Estabilización por
Alcalinización
Bueno
Justo
Justo
Digestión Anaerobia
Justo
Bueno
Bueno
Digestión Aerobia
Justo
Bueno
Bueno
Excelente
Bueno
Bueno
Justo
Bueno
Pobre a Justo
Digestión Termofílica
Compostaje
Pre-tratamiento con Cal
Se le denomina pre-tratamiento por ser realizado antes de la deshidratación del lodo.
Normalmente se limita a pequeñas plantas de tratamiento. El objetivo es mantener el pH por
encima de 12 por al menos 2 horas para asegurar la destrucción de organismos patógenos.
WEF muestra una tabla con las dosis típicas para el pre-tratamiento con cal, se recomienda
colocar 1,5 veces la cantidad indicada [3]. Los valores indicados son los requeridos para
mantener un pH de 12 por 30 min.
Tabla 2.24. Dosis típicas para el pre-tratamiento con cal [3].
Tipo de Lodo
Primario
Purga de Lodos Activados
Digerido Anaeróbicamente
Séptico
Concentración de Sólidos, %
Dosis de Cal
g Ca(OH)2/Kg Sólidos Secos
Rango
Promedio
Rango
Promedio
3–6
1 – 1,5
6–7
1 – 4,5
4,3
1,3
5,5
2,7
60 – 170
210 – 430
140 – 250
90 – 510
120
300
190
200
2.2.6.2. Deshidratación de Lodos
La deshidratación de los lodos permite facilitar el manejo de los sólidos obtenidos en la planta
de tratamiento. A continuación se presenta una tabla comparativa de varios métodos existentes
[3]:
54
Tabla 2.25. Comparación de alternativas para la deshidratación de varios tipos de lodos [3].
Descripción
Ventajas
Centrífuga
El lodo es alimentado
de forma continua a
una cámara centrífuga.
Se logran obtener
lodos hasta de 10 –
30% de concentración.
Buena apariencia, buena
contención de olores,
arranque rápido.
Bajo capital CostoCapacidad.
Nivel alto de
mantenimiento.
Requiere personal bien
capacitado.
Filtro Prensa de
Correa
Es de alimentación
continua. Utiliza
principios de
condicionamiento
químico, drenaje por
gravedad y aplicación
mecánica para
deshidratar el lodo.
Bajo requerimiento de
energía.
Bajos costos de capital y
de operación.
Máquinas de alta presión
pueden producir tortas
muy secas.
Potencial de generación de
malos olores. Requiere
trituradora de lodos a la
entrada del proceso.
Requiere personal bien
capacitado.
Filtro Prensa de
Platos
Consiste en una serie
de platos rectangulares
que presionan contra
un marco para
deshidratar
mecánicamente. . La
concentración de la
torta varía entre 15 –
28%.
Consiste en la
disposición de lodos
sobre una cama de
grava colocada sobre
pavimento, en los que
son secados al aire
libre. El agua infiltrada
es recolectada
mediante canales y
retornada al sistema.
Concentración de torta de
sólido más alta.
Baja cantidad de sólidos
suspendidos en el
filtrado.
Altos costo de equipos.
Requiere área
relativamente extensa para
la disposición de equipos.
Constituye el costo más
bajo de inversión cuando
se dispone del terreno.
No requiere mucha
habilidad del operador.
Consume poca energía.
Menos susceptible a
variabilidades en el lodo.
Concentraciones de lodo
más altas que los
métodos mecánicos.
Requiere mayor extensión
de terreno.
Requiere lodo estabilizado.
Diseños requieren de
consideraciones climáticas.
Requiere mano de obra
para la remoción de lodo
seco.
Pueden ser utilizadas
para deshidratar lodos
digeridos. La
evaporación es el
mecanismo principal
de secado.
Bajo consumo de energía.
Se estabiliza la materia
orgánica.
Bajo costo de inversión
Requiere poca habilidad
del operador.
Potencial de generación de
malos olores y de
degradación de la tierra.
Requiere mayor extensión
de terreno que los métodos
mecánicos.
Lechos de
Secado
Lagunas
Desventajas
55
Lecho de Secado
Los lechos de secado generalmente son usados para comunidades pequeñas. Para ciudades de
más de 20.000 habitantes, deben considerarse otras opciones debido a que el costo inicial, el
costo de remoción y de reemplazo de la grava, y las dimensiones del área se tornan muy elevados
[3]. El espesor del lodo aplicado a los lechos es generalmente de unos 20cms. El número de
aplicaciones por año en los países nórdicos es solo de unos ocho o diez, mientras que en
Venezuela se puede esperarse de 20 o más [4a].
El borde libre de los lechos es de unos 10cm; los drenajes de los lechos está formado por tubos
colectores con juntas abiertas, cubiertos por grava (por encima de la corona del tubo) del orden de
15 a 20cm; generalmente lleva 12cm con grava entre ½ y 2 pulgadas, y otros 8 cm con grava de 1
pulgada [4a]. La pendiente recolectora de agua hacia los tubos de drenaje debe ser mínimo del
1% [3]. El líquido drenado por los lechos de secado de lodos de aguas residuales debe ser
recirculado nuevamente a través de las unidades del sistema [7]. El área esa dada por [3]:
Tabla 2.26. Área típica requerida para lechos de secado abiertos
para varios tipos de biosólidos [3]
Carga Superficial de sólidos
(SLR)
kg sólidos secos/m2. año
120 – 150
Tipo de Biosólidos
Área
m2/persona
Digerido Primario
0,10 – 0,12
Primario y humus del Filtro biológico digerido
0,12 – 0,16
90 – 120
Primario y Lodos Activados digeridos
0,16 – 0,23
60 – 100
Primarios y de precipitación química digeridos
0,19 – 0,23
100– 160
2.2.7. “Lay – Out” de la Planta
Existen legislaciones que regulan la ubicación y características de las obras civiles de las
plantas. Estas hacen referencia a la ubicación, delimitación y acceso a la misma [14].
2.2.8. Ubicación de la planta
Según la Gaceta Oficial N° 4.103 en su Artículo n°160 establece que la ubicación del sistema
de tratamiento de aguas residuales deberá estar en un sitio tan retirado como sea posible. En el
caso de lagunas de estabilización se mantendrá una distancia mínima de 500 m; y en los sistemas
56
convencionales y compactos la distancia será de 20 m. Adicionalmente debe considerarse la
dirección de los vientos para la selección del sitio.
2.2.9. Delimitación y puerta de acceso a la planta
Las plantas de tratamiento deben estar acondicionadas para impedir el libre acceso de personas
y entradas y de los animales y a tal fin debe ser cercado el terreno para la misma con malla
metálica o similar de 1,8 m de largo y dotada con una puerta de acceso de 4 m de ancho como
mínimo.
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA EXPERIMETAL
3.1. Plantas de Tratamiento de agua Doméstica para Pequeñas Poblaciones
El objetivo es elaborar el diseño de plantas compactas para
poblaciones de 50 a 1000
habitantes utilizando el producto principal de la empresa Industrias Fibratank UST, C.A. Para
ello, se tomó el tratamiento biológico aerobio, aprovechando así la composición mayormente
orgánica de las aguas residuales domésticas. No se seleccionó el tratamiento anaerobio por la
razón de que éste implica el manejo de gas metano, que resulta poco práctico para pequeñas
poblaciones y además, por la semejanza al funcionamiento de un pozo séptico, el cual no es bien
aceptado por las autoridades.
Se evaluó el dimensionamiento para distintas configuraciones de equipos. Primero se evaluó
únicamente la eficiencia de equipos independientes (Filtros Biológicos de una y doble etapa, y
Lodos Activados), para el rango de población antes especificado. Luego se planteó sustituir éstos
por un Sistema Dual (Filtro Biológico/Lodos Activados) en los casos que estos equipos
independientes sean muy voluminosos o complejos.
3.2. Parámetros de Entrada y Salida del Efluente
Se tomó la composición del agua del afluente de la Tabla 2.2, y un consumo de 250L/día
según lo establecido por la Planta Experimental de la UCV en la Tabla 2.3 [4a]. Así mismo, se
tomaron los parámetros de descarga hacia cuerpos de agua, exigidos por el Decreto N° 883 en su
Art. 10, debido a que el sistema va orientado hacia pequeñas comunidades, que por lo general,
descargan hacia lagos o ríos de la zona.
3.3. Eficiencia Global de la Planta
El afluente se encuentra conformado por distintas sustancias contaminantes del agua, que se
cuantifican mediante los parámetros fisicoquímicos mencionados en el Capítulo 2. En la siguiente
tabla se muestra una comparación entre los parámetros de entrada y salida del sistema:
58
Tabla 3.1. Comparación de la composición fisicoquímica entre Afluente y Efluente [4a] y [5]
Contribuyentes
Afluente (mg/L)
Efluente (mg/L)
300
80
Sólidos Sedimentables (mL/L)
8
1
Demanda Química de Oxígeno
400
350
Demanda Bioquímica de Oxígeno
214
<60
Nitrógeno Total
50
40
Grasas
20
20
Coliformes Totales y Fecales
106
<1000
Sólidos suspendidos Totales
Para plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, la eficiencia se determina
generalmente a través de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). Según lo observado en la
tabla comparativa, la eficiencia de la planta debe ser al menos de 76%.
3.4. Esquema General de la Planta para Tratamiento de Aguas Domésticas.
Se plantearon tres niveles de tratamiento: el tratamiento preliminar primario abarca la remoción
de escombros mediante una rejilla; se omitió el tratamiento primario siguiendo el planteamiento
de Hemming (ver Apéndice A), en el cual expone que al usar medios plásticos no es necesario el
uso de sedimentadores primarios, al contrario de los filtros de roca. Seguidamente se colocó un
tanque de nivelación que recibe los caudales pico diario (mínimo y máximo), de modo que se
pueda colocar una bomba que suministre un caudal constante hacia la planta.
Dependiendo del número de habitantes, se eligió el sistema de tratamiento secundario que
puede utilizar un filtro biológico de una o dos etapas, o un sistema dual (filtro biológico y lodos
activados). En este sentido, se planteó la metodología de diseño para las configuraciones
mencionadas, y luego se escogió el sistema más conveniente.
Posteriormente (para cualquiera de los casos de tratamiento secundario) el agua es llevada hacia
un tanque de sedimentación de forma cónica que permite la acumulación de lodos en el fondo,
mientras que el agua clarificada pasa a un tanque de cloración que cumple con el tratamiento
terciario para la desinfección, atacando los organismos coliformes junto con otras bacterias que
componen el agua residual doméstica.
59
Periódicamente es necesario purgar lodo del sistema. Éste es enviado hacia un lecho de secado,
donde se le aplica cal apagada (Ca(OH)2) para su estabilización final. La cal permite la elevación
del pH hasta 12, lo cual permite la eliminación de coliformes y otros microorganismos dañinos
para la salud. En el siguiente cuadro muestra una vista isométrica de los componentes de la planta
de tratamiento en el caso del sistema dual:
4
5
1
2
7
3
6
LEYEDA
1.
2.
3.
4.
Tanque de Nivelación
Filtro Biológico
Punto de Mezcla
Tanque de Aeración
5.
6.
7.
Sedimentador Secundario
Lecho de Secado
Tanque de Cloración
Figura. 3.1. Vista isométrica del sistema de tratamiento en el caso del sistema dual.
3.5. Entrevista con especialistas en el tema
Prof. María Rincones.- Profesora de Postgrado de la Escuela de Ingeniería Sanitaria de la
UCV.
Inicialmente se había planteado un sistema dual (filtro biológico y tanque de aeración) con un
clarificador intermedio. La finalidad era compartir la carga orgánica entre varios equipos de
tratamiento biológico y establecer a través del clarificador intermedio, un mayor control del
sistema. Sin embargo, la Prof. Rincones dio sugerencias para no retirar parte de la carga orgánica
en el clarificador intermedio que ingresa al tanque de aeración para trabajarlo como una aeración
convencional y no como una aeración extendida.
Ing. Glenda Rincón.- Gestión de Aguas del Ministerio Popular para la Salud.
La entrevista con la Ing. Glenda Rincón estableció ciertos puntos de interés para el diseño del
sistema de tratamiento:
60
•
Se trata de evitar en lo posible, el uso de tanques sépticos debido a que la estadísticas
reflejan el incumplimiento del mantenimiento del sistema. Sin embargo, existen ciertos
casos especiales donde son autorizados.
•
Se debe considerar condiciones extremas de inundación en el diseño de la planta. Por
ejemplo: colocar boquillas de salida en los equipos para la salida de agua a camiones
cisterna de contención.
•
Se debe considerar condiciones escasas de luz, hasta de 4 días. Por lo que debe haber un
plan de contingencia para la planta en estos casos. Así mismo, si se considera colocar una
planta eléctrica, ésta no debe generar contaminación sónica a la comunidad.
•
El lodo depositado en el lecho de secado puede ser reutilizado para compostaje luego de
haberse realizado pruebas y determinarlo “apto” por el MPPS.
•
El MPPS incentiva a que el agua de salida de la planta sea aprovechada para riego.
3.6. Diseño de Equipos
A continuación se presenta la metodología para el cálculo de cada uno de los equipos
involucrados en la planta, tomando como base lo planteado en el Capítulo 2.
3.6.1. Reja de Desbaste
El diseño del sistema de desbaste se basa en la colocación de rejas que pueden ser limpiadas
manualmente. Se tomó una separación entre rejas de 2,5cm siguiendo lo indicado por la Gaceta
Oficial 4.103., con un espesor de barra de 0,6cm recomendado por Lothar [8] para instalaciones
pequeñas. Así mismo, el ángulo de las barras será de 30°, dentro del rango exigido por la Gaceta
Oficial 4.103.
El área total de la reja de desbaste se calculó con la Ec. 2.1. Luego, se especificó la velocidad
de 0,6m/s exigida igualmente por la norma, y se verificó que la razón entre el área total y el área
libre se encuentra entre 0,65 y 0,85 como lo señala Lothar. Siguiendo las recomendaciones típicas
de ingeniería sanitaria, el largo del canal debe ser el doble del ancho.
Posteriormente, utilizando las Ecs. 2.3 y 2.4 se verificó que la pérdida de carga no sea mayor
de 0,75m para evitar el arrastre indeseable de objetos entre las rejas; para este diseño, dado que la
pérdida de carga depende únicamente de la velocidad y las características de la barra, ésta tiene
un valor constante para todos los caudales estudiados.
3.6.2. Tanque de ivelación
Para el tanque de nivelación que funciona como una estación de bombeo, se diseñó con un
tiempo de retención hidráulico de 30 minutos, cumpliendo con lo establecido en la Gaceta Oficial
61
4.103. La tubería de ingreso será colocada 20cm por debajo del borde libre. El fondo tendrá una
pendiente del 2%, y estará al menos a 1,5m por debajo de la tubería de entrada. Este
planteamiento se diseñó siguiendo las especificaciones para las estaciones de bombeo según lo
dictado por la Gaceta Oficial 4.103. Luego, se incrementará por un factor de 2,5 típicamente
utilizado en Ingeniería Sanitaria para considerar riesgos de inundación, infiltración u otro.
3.6.3. Filtro Biológico
Se eligió el medio plástico por el hecho de que éste permite mayor carga volumétrica de DBO
al mismo tiempo de ser más liviano; lo cual facilita el medio de trasporte e instalación de los
equipos en comunidades con acceso limitado.
En cuanto al diseño, la mayor limitación es la carga hidráulica. Esto se debe a que el molde de
los tanques tiene el límite de diámetro de 2,44 m; de modo que el relleno empacado debe tener
una diagonal menor a este valor.
Tal como refleja la Tabla 2.9, el valor máximo de carga hidráulica que puede soportar un filtro
de medio plástico es 187 m3/m2.día (7,8 m3/m2.h).
Para la altura del medio filtrante, Lee [10] recomienda que ésta tenga como mínimo 3m de
altura, de modo que se escogió inicialmente una altura de 3,6m y como máximo una de 4,8m por
limitaciones de la estabilidad estructural de los tanques; ambas alturas son compatible con los
empaques plásticos de dimensiones predeterminadas. Con el área del medio plástico se determinó
la carga hidráulica. Luego, con la profundidad del medio plástico se adaptó la constante de
tratabilidad tomando como referencia el valor de K1 (0,21 para aguas domésticas) de la tabla 2.11
a una profundidad D1 de 6,1m. Con el valor de K2 obtenido de la Ec. 2.17, y con la Ec. 2.16 se
procedió a determinar la eficiencia del filtro.
Para observar el comportamiento de un diseño de un filtro doble etapa en los casos donde no se
alcanzaba el requerimiento (DBO <60 mg/L), se repitió el cálculo de eficiencia con medio
plástico con el doble de la altura. Para lo cual Metcalf expone que un filtro biológico de medio
plástico de doble etapa arroja resultados muy similares a un filtro de una etapa con un empaque
del doble de profundidad.
3.6.4. Tanque de Lodos Activados
Para la metodología de cálculo del reactor de lodos activados, fueron tomados los valores de
cinética específicos para este proceso reportados en la Tabla 2.11 y se determinó el valor del
62
substrato en el efluente con la Ec. 2.20; esto fue evaluado en función de varios SRT, para
poblaciones desde 50 hasta 1000 habitantes.
Una vez obtenido el valor de sustrato, se calculó la biomasa en el reactor con la Ec. 2.21, y la
masa de sólidos volátiles con la Ec. 2.22 tomando como concentración de nbVSS un valor
promedio de 25 mg/L, según Metcalf [3]. Mediante la Ec. 2.23 se calculó la cantidad de sólidos
totales diarios contenido en el taque de aeración. Seguidamente se determinó la cantidad de
sólidos totales producidos para el SRT deseado y se fijó el valor de 2350 mg SSLM/L para el
rango de 50 – 1000 habitantes, el cual se encuentra en el rango típico para lodos activados según
la Tabla 2.13 (1000 – 3000 mg/L). Luego, con la Ec. 2.24 se determinó el volumen del reactor.
Por último se evaluaron la carga orgánica volumétrica (Lorg), la relación alimento a
microorganismos (Relación F/M), el tiempo de residencia hidráulico (SRT) y la tasa de retorno
(Qr), para comprobar que se mantuvieran dentro de los rangos típicos de diseño presentados por
la WEF.
Este procedimiento sirvió para estudiar el comportamiento del los parámetros típicos de diseño
en función del SRT. También se elaboró una gráfica del volumen del reactor en función del SRT
y la población. Esta información, junto con la Tabla 2.12, ha permitido seleccionar el SRT más
adecuado para el proceso.
3.6.5. Sistema Dual
Se seleccionó el sistema de tratamiento aerobio Contacto de Sólidos/Lodos Activados
convencionales y Filtro Biológico/Lodos Activados convencionales, por su simplicidad frente a
los otros sistemas combinados, además de ser un proceso ampliamente estudiado, a diferencia de
otros métodos combinados.
Con este sistema se busca compactar la planta compartiendo la carga biológica entre estos dos
equipos; tal como señala Metcalf, el efecto de esta combinación da buenos resultados en las
propiedades de sedimentación del lodo.
Se evaluó el sistema dual para poblaciones donde se tuvo que diseñar un filtro de doble etapa.
Luego se han realizado comparaciones de dimensionamiento, simplicidad y calidad de lodo como
criterios de selección para una población determinada.
63
3.6.6. Sedimentador
Para el diseño del sedimentador secundario se calculó la velocidad de interface (Vi) con la
Ecuación de Daigger Ec. 2.36, ya que ésta ofrece el IVL directamente como parámetro. Con el
valor de Vi y un factor de seguridad de 2, se calculó la rata superficial de desbordamiento (OR).
Para calcular el área del sedimentador se dividió el caudal promedio diario entre OR.
Posteriormente se calculó la carga superficial de sólidos (SLR) con la ecuación con la Ec. 2.37.
En función del IVL, se comprobó que el SLR estuviera dentro de los parámetros de diseño para
sedimentación después de lodos activados convencionales, reflejados en la Tabla 2.19.
3.6.7. Tanque de Cloración
El volumen del tanque se calculó a través del tiempo de retención de 30 minutos, exigido por
la Gaceta Oficial 4.103. Luego, se dispuso el volumen en proporción Largo: Ancho de 3:1,
colocando bafles interceptores de flujo cada tercio del largo; esto en función de favorecer la
turbulencia para propiciar un buen mezclado del agente desinfectante.
En cuanto al agente desinfectante se ha escogido hipoclorito de calcio debido a la simplicidad
de su manejo, principalmente por encontrarse en estado sólido. Esto permite un fácil
almacenamiento, además de contar con dosificadores compactos para su difusión. La W.P.C.F
(Federación para el Control de la Polución del Agua) indica que es comúnmente usado en
pequeñas comunidades, además que de ser efectivo para el control de olores. Su costo es
relativamente bajo, a pesar de ser más costoso que el cloro líquido.
Para determinar la dosificación del hipoclorito de calcio, se utilizaron los datos de dosis típicas
de cloro de la Tabla 2.21. A este valor, se le sumó el cloro residual necesario para el tiempo de
30 minutos, y se le añadió 2 – 4 mg/L adicional según lo recomendado por la W.P.C.F en su
Manual de Operaciones No. 8 en el capítulo de desinfección con cloro. La concentración
resultante fue dividida entre 70% para considerar el cloro disponible en el hipoclorito de calcio.
3.6.8. Disposición de Lodos
Para la disposición de lodos se escogió el tratamiento de estabilización con cal, debido a que se
trata de comunidades pequeñas. La dosificación de cal apagada (o Ca(OH)2) se fijó en 0,3 Kg
Ca(OH)2/Kg de Sólido Seco, según lo establecido en la Tabla 2.24. En cuanto a la deshidratación
de lodos, se escogió el lecho de secado. Éste resulta conveniente para comunidades pequeñas
64
comunidades debido al bajo costo de inversión, bajo costo energético y que no requiere mayor
habilidad del operador.
Para su diseño se tomaron las consideraciones planteadas en el Capítulo 2, en las que se
determinó una pendiente del 2% en el fondo del lecho que lleva el agua infiltrada hacia un tubo
recolector. El tubo recolector drena hacia el tanque de nivelación según lo establecido en la
Gaceta No. 4.103, la cual exige su retorno hacia el proceso.
El borde de la obra tiene 30 cm para cumplir con los 10cm de borde libre y 20cm rellenos con
grava de ½ y 2 pulgadas según lo recomendado por Rivas Mijares [4a].
El área del lecho de secado se determinó según la cantidad anual de lodos purgados del sistema
divididos entre la carga superficial de sólidos anual reportada en la Tabla 2.26 [3], dependiendo
de la procedencia de los lodos. Luego se verificó que la razón área/persona coincidiera con lo
reportado en esta misma tabla.
3.7.
Balance de Masa General
Para el balance de masa general se estableció un volumen de control que abarcó todos los
equipos de la planta. Se determinó tanto las corrientes de salida del proceso distintas al efluente,
tales como el desbaste de sólidos gruesos y la purga de lodos del sedimentador, así como las
corrientes de entrada distintas al afluente, como la adición de reactivos como cloro y cal en el
tanque de cloración y en el lecho de secado, respectivamente. Adicionalmente se colocaron datos
de recirculación interna de caudal para una mejor visualización del sistema. Por último, se evaluó
el porcentaje de recuperación de agua residual tratada en la planta, estableciendo que no hay
infiltración de agua por parte de los equipos debido a las propiedades del material.
3.8. Mantenimiento
A partir de los datos obtenidos del balance de masa general, se establecieron los sólidos
generados por el tratamiento, para determinar la frecuencia de recolección de los sólidos en el
lecho de secado. Además, esto permite evaluar la reposición de cal necesaria para el tratamiento.
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
4.1. Diseño de Equipos
A continuación se presentan los resultados del dimensionamiento de cada equipo con sus
especificaciones, realizados con la metodología descrita anteriormente. En los apéndices se
encuentran los planos de cada uno de ellos.
4.1.1. Reja de Desbaste
Se diseño la reja de desbaste siguiendo los pasos de la metodología planteada en el capítulo
anterior. Los resultados se muestran en la Tabla 4.1.
Tabla 4.1. Diseño de rejas de desbaste en función del caudal
Q (m3)
2
A (m )
12,5
18,75
25
50
75
100
150
200
250
0,00058 0,00092 0,00121 0,00242 0,00363 0,00479 0,00723
0,00963 0,01204
Razón AT/AL 0,80645 0,80645 0,80645 0,80645 0,80645 0,80645 0,80645
0,80645 0,80645
Área Final
(m2)
Ancho (cm)
0,01194 0,01493
Largo
Número de
Barras
0,00072 0,00114 0,00150 0,00300 0,00450 0,00594 0,00897
0,01902
2,4
2,7
3,9
4,7
5,5
6,7
7,7
8,6
1,9
4,8
5,5
7,7
9,5
10,9
13,4
15,4
17,3
1
1
1
2
3
3
4
5
5
Dado el caso que se fijó la velocidad en fluido en 0,6 m/s y se seleccionó las barras
rectangulares de dimensiones 6mm de ancho con espaciamiento de 2,5 cm, la pérdida de carga es
constante para todos los caudales, arrojando el valor de 0,3 cm. Siendo ésta menor a 75cm, se
asegura que no se arrastraran objetos sólidos entre las rejas.
Debido a que las dimensiones de la reja son muy pequeñas pera todos los casos, se propuso la
colocación de una cesta metálica en la entrada de agua al tanque de nivelación, que en algunos
casos excederá el dimensionamiento pero logrará que sea más práctica su colocación y limpieza.
66
4.1.2. Tanque de ivelación
Se estipuló un tiempo de residencia de 18 minutos, exigido por la Gaceta Oficial N° 4.103, y se
colocó un factor de seguridad de 2; típico para obras sanitarias. Se fijó una altura mínima de 1,9
m para considerar la profundidad de 1,5 m desde la tubería de entrada más baja (exigida por la
Gaceta Oficial N° 4.103), sumándole los 0,2 m de borde libre y los 0,2 m restantes para el
diámetro de la tubería.
Tabla 4.2. Dimensionamiento de la Estación de Bombeo
Caudal
Volumen
Área
(m3/h)
(m3)
(m2)
50
0,52
0,31
75
0,78
100
Habitantes
Ancho (m)
Largo (m)
0,16
0,41
0,41
0,47
0,25
0,50
0,50
1,04
0,63
0,33
0,57
0,57
200
2,08
1,25
0,66
0,81
0,81
300
3,13
1,88
0,99
0,99
0,99
400
4,17
2,50
1,32
1,15
1,15
600
6,25
3,75
1,97
1,40
1,40
800
8,33
5,00
2,63
1,62
1,62
1000
10,42
6,25
3,29
1,81
1,81
En el fondo se fijó una pendiente del 2% según lo exigido por la Gaceta Oficial 4.103. La
bomba será colocada en la parte opuesta al inicio de la pendiente para evitar que algún sólido
obstruya el eje de la misma.
4.1.3. Filtro Biológico
Se escogió un empaque rugoso con dimensiones de 1,83 m (6’) x 1,51 m (5’) debido a dos
razones: el valor de la diagonal no puede exceder los 2,44m del diámetro del tanque, y la
disponibilidad en el mercado de bloques de empaque en 1,20 m (4’); 1,51 m (5’) y 1,83 m (6’) de
largo por 0,30 m (2’) de ancho. De esa manera, el área de diseño del medio filtrante arroja un
valor de 2,7 m2.
Es importante señalar que la carga hidráulica máxima para medio plástico es de 187 m3/(m2.d)
mostrada en la Tabla 2.9, aunque otros autores como Metcalf señalan una carga hidráulica
máxima de 200 m3/(m2.d), tal como aparece en el Apéndice B. Considerando la población de
67
estudio máxima de 1000 habitantes, y una recirculación del 100%, se estima un caudal de
500m3/d, con lo que se obtiene una carga hidráulica máxima de 185,2 m3/(m2.d), que se ajusta a
los límites establecidos.
En cuanto a carga volumétrica para filtros de empaque rugoso Lee [10] señala hasta 8
kgDBO/m3.d como máximo mientras que Metcalf [3] indica que esta clasificación cae para
cargas orgánicas mayores de 1,6 kgDBO/ m3. Con la altura de 3,6m y 4,8m se fijaron volúmenes
de medio filtrante de 9,72 y 12,96 m3, respectivamente.
Se evaluaron los valores de carga orgánica y carga volumétrica para cada caso en la siguiente
tabla:
Tabla 4.3. Parámetros de diseño de filtros biológicos
Habitantes
50
75
100
200
300
400
500
600
800
1000
Carga Orgánica
(kgDBO/ m3)
Carga Hidráulica
0,99
1,40
1,77
3,02
4,03
4,91
5,70
6,43
7,73
8,88
9,26
13,89
18,52
37,04
55,56
74,07
92,59
111,11
148,15
185,19
m3/(m2.d)
Para estudiar la eficiencia del filtro, se fijó la altura de 3,6m (un poco mayor a la mínima, según
Lee) y 4,8m como altura máxima del filtro, considerando la distancia a los brazos de distribución,
borde libre, y distancia hacia el fondo.
Según las limitaciones de tanques verticales de Industrias Fibratank UST C. A., no se puede
exceder de 5,95m de altura por inestabilidad de la estructura ante condiciones climáticas
extremas. Los resultados observados se encuentran en la Figura 4.1.
100
Eficiencia, %
90
80
2 Etapas @ 4,8m
70
2 Etapas @ 3,6m
1 Etapa @ 4,8m
60
1 Etapa @ 3,6m
50
Norma
40
30
0
200
400
600
Habitantes
800
1000
1200
Figura 4.1. Eficiencia del filtro biológico con medio plástico rugoso.
68
El cumplimiento de la norma exige que el proceso logre como mínimo el 76% de remoción de
DBO, por esta razón para poblaciones de 200 habitantes en adelante, sería necesario aumentar la
altura del filtro o utilizar filtros de doble etapa.
4.1.4. Tanque de Lodos Activados
Se realizó el cálculo del volumen requerido para el proceso de lodos activados a distintos
tiempos de residencia celular en función de la población, gráficamente:
220
200
180
Volumen del Reactor (m3)
160
SRT 12
140
SRT 8
120
SRT 7
SRT 6
100
SRT 5
80
SRT 4
60
SRT 3
40
20
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Habitantes
Figura 4.2. Volumen del reactor Vs habitantes.
Se observó que el volumen varía proporcionalmente a la cantidad de habitantes, de acuerdo
con el incremento de la carga orgánica diaria.
Se evaluó la Relación F/M para comprobar si ésta se mantiene dentro de los rangos típicos de
SRT de lodos activados convencionales.
Razón F/M (DBO/kgSSVLM.d)
69
0,40
0,35
SRT 3
0,30
SRT 4
0,25
SRT 5
0,20
SRT 6
0,15
SRT 7
0,10
SRT8
0,05
SRT 12
0,00
0
200
400
600
800
1000
1200
Habitantes
Figura 4.3. Relación F/M en función de la población.
En la Fig. 4.3 se observó que los SRT comprendidos entre 3 y 5 días cumplen con el rango
típico de diseño (0,2 – 0,4 DBO/kgSSVLM.d). La función constante implica que para una misma
concentración inicial de DBO, la razón F/M depende únicamente del SRT.
Entre los problemas de operatividad, se encuentra que un valor bajo de F/M atribuye
condiciones favorables para el desarrollo de filamentosas como distintos tipos M. Parvicella, que
son las causantes de la formación de una capa superficial color marrón sobre el agua, provocando
problemas de acumulación en la superficie y de mal aspecto.
Por último se verificó el rango de la carga orgánica volumétrica en función del SRT:
Carga Orgánica Volumétrica
Kg BOD/ m3 . d
0,90
0,80
SRT 3
0,70
SRT 4
0,60
SRT 5
0,50
SRT 6
0,40
SRT 7
0,30
SRT 8
0,20
SRT 12
0,10
0,00
0
200
400
600
Habitantes
800
1000
1200
Figura 4.4. Carga orgánica volumétrica en función del SRT.
70
En cuanto a la carga orgánica volumétrica, se observó que al igual que la relación F/M se trata
de una función relacionada estrictamente con el SRT. En la Figura 4.4 se denota que los SRT
comprendidos entre 4 – 8 días satisfacen el rango típico señalado en la Tabla 2.13 para lodos
activados (0,3 – 0,7 Kg DBO/m3.d).
Para cumplir con ambos rangos típicos de diseño, se escogió un SRT de 5 días. En la Fig. 2.7,
se observa que este valor de SRT conserva una buena estabilidad en la concentración del
efluente. Posteriormente, se calculó el volumen del reactor con la Ec. 2.24, fijando una
concentración de 2350 mg/L dentro del reactor (rango 1000 – 3000 mg/L SSLM).
A partir de la concentración de SSLM establecida, se fijó el porcentaje de retorno de lodos en
función del Índice de Molhman. Se colocó una recirculación del 50%, que satisface la
concentración de lodos dentro del reactor, cumpliendo que esté comprendida entre 25 – 75%
según la Tabla 2.13 y además, tiene consonancia con el Índice de Molhman adecuado según la
Tabla 2.14.
Este porcentaje permite que el proceso tenga cierta flexibilidad operacional, para que en el caso
de algún problema de sedimentación, se pueda recurrir a un ajuste de la recirculación. A partir de
los datos de diseño planteados anteriormente, se muestran los resultados en la Tabla 4.4.
Tabla 4.4. IVL para distintos caudales de retorno para poblaciones de
50 – 1000 habitantes @ SRT 5 días
Habitantes
Q (m3)
SSLM
(mg/L)
50
12,5
2350
75
18,75
100
IVL
τ
IVL máx.
@ r = 0,75
τ (h)
@ r = 0,75
0,5
142
6,6
183
5,6
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
25
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
200
50
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
300
75
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
400
100
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
600
150
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
800
200
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
1000
250
2350
0,5
142
6,6
183
5,6
r (Qr/Q)
71
4.1.5. Sedimentador Sistema Convencional
Respecto al sedimentador, se calculó la velocidad de interface (Vi) para un IVL de 142. Se
calculó la tasa de desbordamiento superficial teórica (OR) y se evaluó la OR de diseño con el
área disponible según los moldes de 1,22 y 2,44m de diámetro. Según esta comparación se ajustó
el número de sedimentadores. A continuación se presentan los resultados del diseño en función
del número de habitantes:
Tabla 4.5. Parámetros de diseño del sedimentador secundario del sistema convencional
Habitantes
50
75
100
200
300
400
600
800
1000
25
50
75
100
150
200
250
Q (m3)
12,5 18,75
Vi Daigger (m/h)
2,54
2,54
2,54
2,60
2,60
2,60
2,60
2,60
2,60
Vi Daigger (mm/s)
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
0,07
OR (m3/m2.d)
24,38 24,38 24,38 24,95 24,95 24,95 24,95 24,95 24,95
2
A requerida (m )
0,51
0,77
1,03
2,00
3,01
4,01
6,01
8,02 10,02
A disponible (m2)
1,17
1,17
1,17
1,17
4,52
4,52
4,52
4,52
4,52
N° sedimentadores
1
1
1
2
1
1
2
2
2
OR diseño (m3/m2.d)
10,68 16,03 21,37 21,37 16,59 22,12 16,59 22,12 27,65
SLR (Kg/m2.h)
1,67
2,50
3,33
3,14
2,44
3,25
2,44
3,25
4,06
Para casi todos los casos, la carga superficial de sólidos se encuentra por debajo del rango
establecido. Cuando esto sucede, implica una menor acumulación de lodos por metro cuadrado de
superficie, sin embargo, la forma cónica del tanque permitirá alcanzar la concentración necesaria
de SSLM ya sea para el retorno o para la purga de lodos.
4.1.6. Sistema Dual
Se evaluó el sistema dual de Filtro Biológico/Tanque de Aeración para poblaciones en las que
se tuvo que diseñar un filtro de doble etapa. Por esta razón se optó por evaluar el Sistema Dual
para poblaciones de 200 – 1000 habitantes.
Se especificó el filtro biológico con medio filtrante empacado de 3,6 m de altura, con las
mismas especificaciones de los accesorios de la sección 4.1.4. Para este sistema dual se calculó
la carga orgánica del filtro:
72
Tabla 4.6. Carga Orgánica Volumétrica en función de la población de diseño.
Habitantes
Carga Orgánica
(kgDBO/m3.d)
50
75
100
200
300
400
500
600
800
1000
0,99
1,40
1,77
3,02
4,03
4,91
5,70
6,43
7,73
8,88
En la Tabla 2.17 se establece un límite superior de 4,8 kg/m3.d para la carga orgánica
volumétrica como parámetro de diseño en sistemas duales, lo cual se supera para la última
columna, correspondiente a una población de 1000 habitantes. Sin embargo, en la Tabla 2.9 se
muestra que los filtros rugosos son capaces de soportar valores hasta de 8,0 kg/m3.d. Otros
autores como Metcalf no establecen límite superior, sino que señalan un valor mínimo de 1,6
Kg/m3 (ver Apéndice B). Por esta razón, se decidió continuar con su utilización. Además, autores
como Lee [10] y Metcalf [3] resaltan la utilización de los filtros rugosos como etapa previa a
otros sistemas de tratamientos biológicos para contribuir con la remoción de DBO.
Tal como se procedió en el estudio del SRT para lodos activados de tipo convencional, se
evaluó el comportamiento de la Relación F/M en función del SRT, proyectado para el rango de
población especificado.
0,45
0,40
Relación F/M
kgDBO/kgSSVLM.d
0,35
0,30
SRT 2
0,25
SRT 3
0,20
SRT 4
0,15
SRT 5
0,10
SRT 7
0,05
0,00
0
200
400
600
800
1000
1200
Habitantes
Figura 4.5 Relación F/M para valores de SRT típicos del sistema dual
73
En la Figura 4.5. se observa que para un SRT de 3 días, se mantienen el rango típico
establecido en la Tabla 2.13 (0,2 – 0,4 kgDBO/kgSSVLM.d). El resto de los SRT cumplen
parcialmente o no cumplen con el rango.
1,20
Carga Orgánica Volumétrica
kg DBO/ m3 . d
1,00
0,80
SRT 2
0,60
SRT 3
SRT 4
SRT 5
0,40
SRT 7
0,20
0,00
0
200
400
600
800
1000
1200
Habitantes
Figura 4.6 Carga orgánica volumétrica para valores de SRT típicos del sistema dual.
En cuanto a la carga orgánica volumétrica, el rango de 0,3 - 0,7 kg DBO/ m3.d se cumple para
valores de 3 - 5 días. El resto cumple parcialmente o no cumple el rango establecido.
Por lo observado en los parámetros anteriores, se estableció el SRT de diseño en 3 días. Con
esta información se graficó el volumen del tanque de aeración en función de la población, tal
como se observa en la Fig. 4.7
Para todos los casos, el volumen del tanque de aeración del sistema dual es menor, debido a
que parte de la DBO ha sido removida por el filtro.
Las correlaciones lineales presentadas en la Figura 4.7 permiten calcular fácilmente el
volumen del reactor para aeración convencional para ambos sistemas.
74
110
100
90
V (A. Convencional) = 0,102 Hab
80
Reactor Aeración
Convencional
Volumen, m3
70
60
50
Reactor Sistema
Dual
40
30
20
V (S. Dual) = 0,044 Hab
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Habitantes
Figura 4.7 Comparación del volumen del tanque de aeración entre el sistema convencional
y el sistema dual.
En cuanto al requerimiento de oxígeno del sistema se presentan los siguientes resultados:
Tabla 4.7. Oxígeno requerido por el proceso de lodos activados
300
2,69
Habitantes
400
600
4,10
7,18
Requerimiento de
oxígeno
kg/d
200
1,44
kg/h
0,06
0,11
0,17
0,30
0,44
0,58
Aire Teórico
kg/h
0,29
0,53
0,81
1,42
2,08
2,77
Eficiencia de
Transferencia de
Oxígeno
adim
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
0,06
kg/h
4,75
8,91
13,54
23,73
34,69
46,18
m3/h
3,71
6,96
10,58
18,54
27,10
36,07
Aire Real
800
10,49
1000
13,96
75
4.1.7. Diseño del Sedimentador
Se separó el diseño del sedimentador según cada una de las configuraciones. Para la
configuración de 50 – 100 habitantes se tomó la velocidad de Daigger en base a un IVL de 300,
considerado como lodo de baja calidad [4a] y la concentración de 117 mg/L de SSLM obtenida
de la mezcla del afluente con la recirculación del filtro biológico. En cuanto a la categoría de
200 – 1000 habitantes, se realizó el procedimiento descrito anteriormente para el diseño de
sedimentadores luego del proceso de lodos convencionales.
Tabla 4.8. Parámetros de diseño del sedimentador secundario para ambas configuraciones
Filtro Biológico
Lodos Activados/Filtro Biológico
con Sedimentador
con Sedimentador
50
75
100
200
300
400
600
800
1000
Q (m3)
12,5
18,75
25
50
75
100
150
200
250
Vi Daigger (m/h)
6,5
6,5
6,5
2,54
2,54
2,54
2,54
2,54
2,54
Vi Daigger (mm/s)
1,8
1,8
1,8
0,72
0,72
0,72
0,72
0,72
0,72
Habitantes
OR (m3/m2.d)
A requerida (m2)
62,35 62,35 62,35
0,20
0,30
0,40
24,95 24,38 24,38 24,38 24,38 24,38
2,05
3,08
4,10
6,15
8,20
10,25
A disponible (m2)
1,17
1,17
1,17
1,17
4,52
4,52
4,52
4,52
4,52
N° sedimentadores
1
1
1
2
1
1
2
2
2
OR diseño
(m3/m2.d)
SLR (Kg/m2.h)
10,68 16,03 21,37
n/a
n/a
n/a
20,33 16,59 22,12 16,59 22,12 27,65
3,14
2,44
3,25
2,44
3,25
4,06
En cuanto a la velocidad de interface, se observa que para el filtro biológico (con 117 mg/L de
SSLM) la Vi es mayor que en el caso del sistema dual (con 2350 mg/L de SSLM). Esto coincide
con Wilson [3], quien afirma que para una mayor concentración las partículas tardan más en
sedimentar. Esto tiene congruencia con lo explicado por Pérez [14], el cual expone que cuando
existe una baja concentración de partículas en el agua éstas se depositan sin interferir, a lo cual se
le denomina “caída libre”; en cambio para una alta concentración las partículas colisionan entre sí
causando que se queden en una posición fija, ocurriendo su depósito masivo en vez de ser
individual, a éste se le denomina “sedimentación interferida o sedimentación zonal”.
76
Por último determinó el volumen del tanque de sedimentación para cada caso, según las
especificaciones de los moldes de los tanques. El volumen total del tanque está dado por la suma
del volumen de cono (con 45° de inclinación) y el volumen del cilindro anexo en la parte
superior. Se estableció el valor de 2,2h como tiempo de retención. En el Apéndice D se anexó un
plano de este sedimentador.
Tabla. 4.9. Dimensiones del Sedimentador
Habitantes
50
75
100
200
300
400
600
800
1000
12,5
18,75
25
50
75
100
150
200
250
0,52
0,78
1,04
2,08
3,13
4,17
6,25
8,33
10,42
1,15
1,72
2,29
4,58
6,88
9,17
13,75
18,33
22,92
N° Sedimentadores
1
1
1
2
1
1
2
2
2
Volumen Individual
Requerido (m3)
Cono (m3)
1,15
1,72
2,29
2,29
6,88
9,17
6,88
9,17
11,46
0,27
0,27
0,27
0,27
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
Cilindro (m3)
0,88
1,45
2,02
4,31
4,88
7,17
9,75
14,33
18,92
Área (m )
1,17
1,17
1,17
1,17
4,52
4,52
4,52
4,52
4,52
Altura cilindro (m)
1,20
1,60
2,10
1,96
1,52
2,03
1,52
2,03
2,54
Altura cilindro +
cono (m)
X + accesorios (m)
1,80
2,20
2,70
3,16
2,72
3,23
2,72
3,23
3,74
2,05
2,45
2,95
2,21
1,87
2,38
1,87
2,38
2,89
Caudal (m3/d)
3
Caudal (m /h)
3
V Requerido (m )
2
En cuanto al control del sistema en función del IVL, se elaboró una tabla de la misma forma
que para lodos activados convencionales. Debido a que no se conocen correlaciones directas
entre recirculación y el IVL para filtros biológicos, el control de éstas se realizara mediante
pruebas en el campo. Sin embargo, el diseño se respaldó al utilizar el IVL de 300.
Cabe destacar que la concentración de SSLM en el filtro biológico es mucho menor, calculada
en 117mg/L. Esto, junto con la alta recirculación (100%) es lo que permite al filtro biológico
soportar las cargas shock. A continuación se muestran los parámetros finales del sedimentador en
ambas configuraciones:
77
Tabla 4.10. Parámetros de diseño del sedimentador secundario para ambas configuraciones
Q
(m3)
SSLM
(mg/L)
r
(Qr/Q)
50
12,5
117
1
n/a
7300
0,2
n/a
n/a
n/a
75
18,75
117
1
n/a
7300
0,2
n/a
n/a
n/a
100
25
117
1
n/a
7300
0,2
n/a
n/a
n/a
200
50
2500
0,5
133
7378
2,45
172
5721
1,92
300
75
2500
0,5
133
7366
2,50
172
5713
2,08
400
100
2500
0,5
133
7358
2,56
172
5708
2,19
600
150
2500
0,5
133
7347
2,74
172
5700
2,34
800
200
2500
0,5
133
7339
2,85
172
5695
2,44
1000
250
2500
0,5
133
7334
2,95
172
5962
2,52
Habitantes
IVL
Xw
τ (h)
IVL máx.
r = 0,75
@
Xw
@
τ (h)
r = 0,75
Sin embargo, las dimensiones del sedimentador están adaptadas a las sugerencias de la WEF
[3]. Se calculó gráficamente la profundidad de la pared del sedimentador para cada número de
habitantes mediante la Fig. 4.8. Para el sistema dual (categoría 200 – 1000 habitantes) se observó
que el τ excede el valor típico de 60 minutos. Se llevó el SSLM a 4000 mg
mg/L
/L con lo que logra un
τ similar a 60 minutos, con lo que se obtienen lodos de 80 – 100 de IVL, considerados como excelentes
[4a]. Sin embargo se decidió considerar el riesgo de una “mala” sedimentación, con lodos de IVL de 300,
por lo que se continúa con el diseño planteado anteriormente.
50 hab
75 hab
100 hab
Fig. 4.8. Determinación de la profundidad del sedimentador en función del caudal
78
Cada intersección representa la profundidad para el caudal promedio y el caudal máximo. A
continuación se presenta un cuadro comparativo entre la altura de diseño y la altura teórica:
Tabla 4.11. Comparación entre la profundidad de diseño y la teórica
Habitantes
50
75
100
OR (m3/m2.d)
0,45
0,67
0,89
Altura de diseño (m)
1,8
2,2
2,7
Altura Caudal Promedio (m)
2
2,5
3
Altura Caudal Máximo (m)
1,5
1,8
2,1
Se observa que la altura utilizada para cada carga hidráulica se encuentra comprendida entre los
límites del caudal promedio y máximo presentados por la WEF. Sin embargo, se considera válido
ya que cumple con el tiempo de residencia recomendado para sedimentadores secundarios.
Además, está respaldado por el hecho de no superar la velocidad de resuspensión.
Tabla 4.12. Parámetros velocidad de resuspensión para distintas partículas
Partícula
Gravedad
Específica (adim)
2,65
1,30
Diámetro (mm)
Velocidad de resuspensión, mm/s
0,5
369
1
509
0,5
153
1
217
Comparando los valores de estas partículas con la velocidad de interface, se tiene la seguridad
de que el caudal de diseño no provocará la resuspensión de partículas.
4.1.8. Tanque de Cloración
Se consideró el tiempo de retención de 1h para el volumen total del tanque, debido a
consideraciones en caso de contingencia, donde se tenga que realizar el bypass desde el tanque de
nivelación hacia el tanque de cloración directamente.
79
Para el área se estableció la proporción Largo: Ancho en 3:1 para la incorporación de dos bafles
que promueven la agitación del agente desinfectante. Por comportarse como un reactor flujopistón la profundidad del no es relevante, por lo que se estableció en 0,7 m. De ese modo se
establece el diseño final del tanque de cloración, el cual se encuentra ilustrado en el apéndice I.
Tabla 4.13. Dimensiones del tanque de cloración en función de la población
Habitantes
Caudal
Volumen
Área
Ancho (m)
Largo (m)
0,74
0,50
1,49
0,78
1,12
0,61
1,83
2,08
1,04
1,49
0,70
2,11
200
4,17
2,08
2,98
1,00
2,99
300
6,25
3,13
4,46
1,22
3,66
400
8,33
4,17
5,95
1,41
4,23
600
12,50
6,25
8,93
1,73
5,18
800
16,67
8,33
11,90
1,99
5,98
1000
20,83
10,42
14,88
2,23
6,68
3
3
(m /h)
(m )
(m2)
50
1,04
0,52
75
1,56
100
4.1.9. Disposición de Lodos
Para el caudal de purga diario de cada diseño, se plantea el dimensionamiento de la obra civil
correspondiente.
Se debe resaltar que esta corriente tiene un pH más elevado (pH~12) debido a la incorporación
del dosificador de cal para prevenir problemas de septicidad en el lodo. Esto debe ser considerado
para la selección del material de las tuberías y accesorios.
80
Tabla 4.14. Dimensiones de lecho de secado en función de la población
Habitantes
Producción de Lodos
(PX,TSS/)
SLR del lecho
(kg Sólidos/ m2. año)
50
75
100
200
300
400
600
800
1000
1,91
3,72
4,96
5,84
9,48
13,32
21,37
29,73
38,31
100
100
100
70
70
70
70
70
70
Área (m2)
6,97
13,58 18,10
30,45
49,44
81,03 111,42 155,05 199,76
Lado (m)
2,64
3,68
4,25
5,52
7,03
9,00
10,56
12,45
14,13
Área/habitante
0,14
0,18
0,18
0,15
0,16
0,20
0,19
0,19
0,20
Cal (kg/d)
0,57
1,12
1,49
1,75
2,84
4,00
6,41
8,92
11,49
En la Tabla 4.14 se observa que los índices de SLR del lecho y la tasa Área/habitante se
encuentran dentro del rango indicado en la Tabla 2.26. Se puede encontrar el plano de este equipo
en el apéndice H.
4.2. Control del Proceso
Para el control del proceso se estableció el uso de varios medidores y controladores. La bomba
de la estación de bombeo se encuentra conectada con un medidor de nivel, procurando que no
haya rebose del agua contenida. En algún momento de contingencia, el agua será enviada por un
bypass al tanque de cloración. Esto sólo es permitido para casos de emergencia.
La recirculación de los filtros se estableció en el valor de 100%, de modo que el filtro no se
seque, ya que necesitaría un tiempo de 3 – 12 semanas para la recuperación y estabilidad de la
nueva capa biológica. De todas formas esto no causa mayor problema, ya que mientras el filtro
vuelve a su punto estable de operación se puede regular el tanque de lodos activados para que
compense la carga orgánica tratada.
Para el tratamiento con lodos activados es necesario hacer la observación de que el
dimensionamiento con tanques Fibratank establece un comportamiento de operatividad del
reactor entre flujo-pistón y mezcla completa, ya que la proporción de Largo: Ancho no sobre pasa
7:1, cuando el flujo pistón en algunos casos, se considera en márgenes de 20:1 [6]. Tampoco se
puede considerar mezcla completa debido a que la concentración de SSLM en el reactor no es
uniforme en todos los puntos. Es decir, según la Tabla 2.13, se pueden encontrar algunos
81
problemas de insuficiencia de oxígeno disuelto y lodos de baja calidad, sin embargo, ambos
problemas se ven aminorados por el comportamiento intermedio de este equipo.
En los casos donde la carga orgánica es elevada (>4,8 kg DBO/ m3.d) se debe tener en cuenta
que el sistema es propenso al desarrollo de filamentosas en el tanque de aeración. Se debe
recordar que el exceso o deficiencia de nutrientes favorece las condiciones de desarrollo de
filamentosas que atribuyen malas propiedades de sedimentación al lodo del clarificador. Una
solución temporal, comúnmente utilizada para el control de estos microorganismos es la adición
de desinfectante de cloro en la línea de retorno. En otros casos, se recomienda el uso de
floculantes que mejoren la calidad del lodo.
Otra medida para evitar el desarrollo de filamentosas y obtener buena calidad de lodo consiste
en mantener una adecuada cantidad de oxígeno disuelto, esto se realiza promoviendo buenas
proporciones de aire en el reactor, multiplicando el requerimiento de oxígeno por un factor de 1,5
para tomar en cuenta el aire requerido para la agitación. La insuficiencia de oxígeno puede
establecer condiciones para el desarrollo de bacterias filamentosas, tal como se observa en la
Fig. 2.10. Sin embargo, un exceso de aeración puede crear una atmósfera oxidante que elimine
las bacterias y afecte la digestión de la materia orgánica.
De igual manera, tal como se señaló anteriormente, el sistema generara lodos con IVL de 133,
y es capaz de operar con normalidad hasta un valor de IVL de 172; para valores de IVL por
encima de éste, se necesitará la adición de floculantes en el tanque de sedimentación. Otra
solución para mejorar la calidad del lodo consiste en agregar un agente selector, como por
ejemplo el cloro, que permite eliminar las bacterias filamentosas mientras deja vivas las bacterias
que se encargan del proceso de digestión de materia orgánica que además son las que encargan de
formar los flóculos que favorecen la sedimentación, tal como señala Biesinger [15].
4.3. Balance de Masa General
A continuación se presentan los esquemas y balances de masa de las plantas de tratamiento
correspondientes para pequeñas poblaciones:
4.3.1. Poblaciones de 50 – 100 habitantes.
En el siguiente esquema se plantea la utilización del filtro biológico como tratamiento
secundario, la recirculación de agua se realiza desde la salida del filtro y el sedimentador
secundario se encarga de eliminar los sólidos en suspensión tanto no biodegradables como los
biodegradables que restan del proceso.
82
El lodo acumulado será purgado hacia el lecho de secado colocando un dosificador de cal en
línea; mientras que el agua clarificada pasa por un dosificador de hipoclorito de sodio en línea,
que será mezclado lo largo del tanque de cloración para la desinfección del agua, eliminando así
bacterias como Coliformes, E. Coli, Pseudomonas, Salmonella, y virus perjudiciales para la
salud.
L
Figura 4.9. Esquema de tratamiento de plantas para poblaciones de 50 – 100 habitantes.
Los resultados de los caudales y sólidos más relevantes del proceso se encuentran reflejados en
la siguiente tabla:
Tabla 4.15. Balance de masa de plantas de tratamiento para 50 – 100 habitantes.
Habitantes
Parámetro
Unidades
50
75
100
Afluente (A)
m3/d
12,500
18,750
25,000
Desbaste (D)
L/d
0,1875
0,28125
0,375
Sólidos del Desbaste (D)
kg/d
0,15
0,225
0,3
Caudal de retorno Filtro
Biológico (QFB)
m3/d
12,500
18,750
25,000
m3/d
0,26
0,5
0,67
Sólidos Secos de la Purga (P)
kg/d
1,91
3,72
4,96
Ca(OH)2 (C)
kg/d
0,57
1,12
1,49
Efluente (E)
3
m /d
12,435
18,672
24,908
Hipoclorito de Calcio (H)
kg/d
0,34
0,51
0,68
% Recuperación del Agua
%
99,45
99,45
99,45
Purga de Lodos (P)
83
4.3.2. Poblaciones de 200 – 1000 habitantes.
La Fig. 4.10 plantea un esquema de tratamiento similar al anterior, excepto por dos escenarios:
el tratamiento secundario está compuesto por un sistema dual; y los lodos acumulados en el
sedimentador secundario son retornados hacia el tanque de aeraci
aeración
ón mientras que el lodo en
exceso es purgado hacia un lecho de secado.
L
Figura 4.10. Esquema de tratamiento de plantas para poblaciones de 200 – 1000 habitantes
En la Tabla 4.16 se presentan los resultados del balance de masa general para las poblaciones
estudiadas.
Tabla 4.16. Balance de masa de plantas de tratamiento para 200 – 1000 habitantes.
Habitantes/Parámetro
Afluente (A)
Unidades
m3/d
200
50
300
75
400
100
600
150
800
200
1000
250
Desbaste (D)
L/d
0,75
1,13
1,5
2,25
3
3,75
Sólidos del Desbaste (D)
kg/d
0,6
0,9
1,2
1,8
2,4
3
Caudal de retorno al Filtro
Biológico (QFB)
m3/d
50
75
100
150
200
250
Caudal de retorno al Tanque
de Aeración (QTA)
m3/d
74,72
99,63
124,53
Purga de Lodos (P)
m3/d
0,79
1,29
1,81
2,91
4,05
5,22
Sólidos Secos de la Purga
kg/d
5,84
9,48 13,32
21,37
29,73
38,31
Ca(OH)2 (C)
kg/d
0,85
1,46
3,54
5,03
6,58
Efluente (E)
m3/d
Hipoclorito de Calcio (H)
kg/d
% Recuperación del Agua
%
24,91 37,36 49,81
2,12
49,23 73,75 98,25 147,21 196,12 245,00
1,23
1,84
2,45
3,68
4,91
6,13
98,46 98,34 98,25
98,14
98,06
98,00
CAPÍTULO 5
COCLUSIOES Y RECOMEDACIOES
COCLUSIOES
Se obtuvo el diseño de plantas compactas para aguas residuales domésticas para el rango de
50 – 1000 habitantes.
El escalamiento se dividió en dos categorías: 50 – 100 habitantes y 200 – 1000 habitantes.
Para cualquiera de las categorías las obras civiles necesarias son: reja de desbaste, tanque de
nivelación, tanque de cloración y lecho de secado.
Al comparar teóricamente el desempeño de los filtros biológicos de doble etapa, tanque de
aeración convencional y el sistema dual, y se obtuvo que el sistema dual ofrece un sistema más
compacto y con mejor calidad de lodo.
Para el filtro biológico percolador se plantea la utilización de un tanque vertical fondo plano sin
tope, con un medio plástico en su interior.
Para el tanque de aeración se especifica un tanque horizontal con tubos difusores en el fondo
del tanque conectados a un soplador de aire.
Para el sedimentador secundario se propone un tanque vertical con un cono truncado en la parte
inferior, estando éste protegido por una extensión del cilindro del mismo material.
Se obtuvo que la relación volumen/habitante para lodos activados en cualquiera de los casos
(simple o dual) es lineal.
Al evaluar la factibilidad de los distintos tratamientos secundarios, se obtuvo que para
poblaciones de 50 – 100 habitantes resulta más conveniente utilizar un filtro biológico; mientras
que para 200 – 1000 habitantes conviene utilizar el sistema dual. Esto se debe a que el volumen
del sistema dual se reduce significativamente respecto al sistema convencional en ese rango.
Se decidió permitir cargas orgánicas mayores a las típicas en el filtro biológico para sistemas
duales, dado que se ha utilizado en el diseño el medio plástico para filtros rugosos.
85
Para el sistema convencional el SRT óptimo de los lodos activados es de 5 días, mientras que
para
el
sistema
dual
es
de
3
días.
Sin
embargo,
el
filtro
biológico
del
sistema dual logra aportar entre 2 y 2,6 días de SRT adicionales. Los valores de relación F/M
para el sistema convencional y dual son 0,22 y el rango de 0,20 – 0,28, respectivamente. De igual
manera, la carga orgánica volumétrica es 0,52 y el rango 0,43 – 0,68, respectivamente. Todos los
rangos se encuentras dentro de lo establecido para el tratamiento de lodos activados.
La correlación del volumen del reactor biológico para lodos convencionales en función al
número de habitantes corresponde a V = 0,102hab, mientras que para el mismo reactor en el
sistema dual resultar ser V=0,044hab. Es decir, el volumen se reduce cerca de un 48% entre el
sistema convencional y el dual.
Entre los problemas operacionales de la planta, el más destacado se relaciona a la calidad de
lodos, que pudieran atribuirse a insuficiencia/exceso de oxígeno, nutrientes o agitación en el
reactor; esto se puede solventar ajustando la recirculación y el caudal de aire. Otro problema se
refiere a una sedimentación deficiente que no logre alcanzar la concentración necesaria, para ello
será necesario agregar un agente floculante al sedimentador o un agente selector como el cloro.
Para la disposición de lodos decidió estabilizar con cal apagada y deshidratar en un lecho de
secado. Aprovechando que se trata de pequeñas poblaciones, para lo cual resulta ser compacto y
bastante simple.
En relación a la desinfección se escogió hipoclorito de calcio por poder manejarse como
sólido, además de su alta concentración de cloro.
RECOMEDACIOES
Se recomienda hacer estudios posteriores del IVL en la salida de filtros y de lodos activados en
función de la recirculación. De este modo se puede ajustar el tamaño del tanque en diseños
futuros.
Es necesario tomar en cuenta las condiciones climáticas para el ajuste de los equipos del
tratamiento secundario, por la variabilidad de la cinética de reacción en función de la temperatura
ambiente.
Se propone además realizar un estudio económico del sistema, incorporando presupuestos de
sopladores, bombas y accesorios, de manera que se pueda tener una idea del consumo de energía.
86
Así mismo, se plantea hacer un estudio para la colocación de tanques y otros equipos enterrados
de manera que se puedan aprovechar desniveles de terreno y ahorrar en el número de bombas.
Es posible la reutilización de los lodos para fines agrícolas, por lo que es recomendable realizar
análisis de composición en el lodo para conocer sus propiedades.
Dada la versatilidad de los equipos, se puede explorar futuros diseños con medio plástico
incorporados dentro de los tanques de lodos activados, que funciona igualmente como un sistema
combinado.
En este mismo sentido, se puede pensar en la adaptación de este sistema para industrias de
alimentos, textiles, autolavados, entre otras, para darle un mayor campo a la utilización de los
tanques Fibratank. Dependiendo de los agentes contaminantes contenidos, es posible cambiar el
tipo de resina para que no sufran ningún tipo de corrosión o infiltración.
87
REFERECIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Organización Mundial de la Salud. 2006. Guidelines for the safe use of wastewater, excreta
and Greywater.
[2] CUBBEDU, C. 1999. Memoria Descriptiva separador aceite – agua Industrias Fibratank UST
C.A. Venezuela.
[3] METCALF et al, 2004. Wastewater Engineering Treatment and Reuse. 4ta. Edición. Editorial
Mc Graw Hill. Estados Unidos.
[4a] RIVAS, G. 1967. Tratamientos del agua residual. Biblioteca de la Academia de Ciencias
Físicas, Matemáticas y Naturales. Venezuela.
[4b] RIVAS, G. 1978. Tratamiento de aguas residuales. 2da Edición. Ediciones Vega. Venezuela.
[5] Gaceta Oficial 5.021. Decreto N° 883. Normas para
[6] Reglamento Técnico del Sector RAS – 2000. 2000. Colombia.
[7] Gaceta Oficial 4.103. Normas sanitarias para instalaciones sanitarias de desarrollo de
urbanismos. 1989. Venezuela
[8] Lothar, H. 1981. Tratamientos Preliminares. Centro de Estudios Panamericanos de Ingeniería
Sanitaria. Perú.
[9] Callaoapaza, G. Filtros Percoladores. Universidad Privada del Norte.
[10] Lee, C. 2007. Handbook of Environmental Engineering Calculations. 2da Edición. Editorial
Mc Graw Hill. Estados Unidos.
[11] Valencia, G. 1976. Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales para Países en
Desarrollo. Centro de Estudios Panamericanos de Ingeniería Sanitaria. Perú.
[12] Water Pollution Control Feferation. 1959. Sewage Treatment Plant Design Manual of
Practice N°8. Estados Unidos.
[13] Institute of Water Pollution Control. 1973. Manuals o Practice in Water Pollution Control.
Inglaterra.
[14] Pérez, J. 1984. Evaluación de plantas de tratamiento de agua. Centro de Estudios
Panamericanos de Ingeniería Sanitaria. Perú.
[15] Biesinger, M. 1987. Brewery Wastewater Treatment without Activated Sludge Bulking
Problems. Estados Unidos.
88
APÉDICES
APÉDICE A. Ejemplos de cálculo del sistema de tratamiento de aguas residuales.
A.1) EJEMPLO DE CÁLCULO DEL DESBASTE
Para 300 habitantes 75m3.
- REJILLA
v 0,6 m/s
Distancia entre barras (Db) = 2,5 cm (distancia mínima especificada en Gaceta Oficial 4.103)
Espesor de la barra (W) = 6 mm.
Según la Ec. 2.1 el área libre está dada por el caudal dividido entre la velocidad del fluido,
multiplicando por un factor de seguridad de 2,5 se obtuvo:
L 1 m
Q 2,5 . 0,85 s . 1000L
= 0,0036 m
AŸ = =
m
v
0,6 s
Se calcula la eficiencia con el denominador de la Ec. 2.2 siguiendo las especificaciones de las
barras.
E (%' = §
Db
0,006
«=
. 100 = 80,46 %
Db + W
0,025 + 0,006
Se divide el área libre entre la eficiencia para calcular el área total necesaria:
A¬ =
AŸ
= 0,0045 m
E
Se calcula una proporción Largo: Ancho de 2:1.
Ancho = +
K
A¬
= 0,047m = 4,7 cm
2
Largo = 2 . Ancho = 9,2 cm
89
- PÉRDIDA DE CARGA
La pérdida de carga se calculó con la Ec. 2. 3 y 2.4:
µ 0,6 . =
=
µ = 0,0183 µ
2
2 . 9,8 .
Para barras de sección rectangular, el factor β correspondiente es 2,42. Para una pendiente de 30°:
= β . A,AA—i
. . θ = β . A,AXi
. 0,0183 µ . (30°' = 0,00033 µ = 0,33 ¶µ
- SÓLIDOS RECOLECTADOS EN EL DESBASTE
V
¸ó¹º»¼¸
½¾¿¾Àº»¼¸
= 0,015
L
m ÁÂÃÁ
. 75
m
L
= 1,13
d
d
Como la densidad oscila entre 0,7 – 1 Kg/L, se escogió 0,8 kg/L:
m
¸ó¹º»¼¸
½¾¿¾Àº»¼¸
= 1,13
L
kg
kg
. 0,8
= 0,9
d
L
d
A.2) TANQUE DE NIVELACIÓN
Se considera el ejemplo para 300 habitantes. Para determinar el volumen, se multiplica el
caudal de entrada por un factor de seguridad de 2, luego se fijó un tiempo de retención de 18
minutos en el tanque, suficientes para el funcionamiento de una estación de bombeo.
= 2 . . Æ = 2 . 3,13
µ
. 0,3 = 1,88 µ
Se tomó una profundidad de 1,9 m según las especificaciones del Capítulo 3. Luego el área está
dada por:
90
=
1,88 µ
=
= 0,99 µ
1,9 µ
Se toma la proporción largo: ancho de 1:1, por lo que:
utP Ç = ¶Ç = √ = 60,99 µ = 0,99 µ
A.3) EJEMPLO DE CÁLCULO PARA EL REACTOR DE LODOS ACTIVADOS.
Para lodos activados convencionales para un SRT de 5 días y una población de 200 habitantes:
Datos:
Q @ 300 habitantes = 75 m3/d
DBO = 214 mg/L Tabla 2.2
bsDQO ≈ 1,6 DBO ≈ 342,4 mg/L
nbSSV = 25 mg/L valor aproximado según Metcalf [3].
SST = 300 mg/L Tabla 2.2
SSV = 250 mg/L Tabla 2.2
Ks: 40 mg bsDQO/L Tabla 2.11
Kd : 0,1 gVSS/gVSS Tabla 2.11
Y: 0,4 mg VSS/mg bsDQO Tabla 2.11
k: 5 mg bsDQO/mg VSS.d Tabla 2.11
SRT: 5 d Tabla 2.11
f: 0,15 Tabla 2.11
1) Se determina la concentración de sustrato en el efluente:
S=
K Ë g1 + (K » 'SRTh
SRT (μÎ − K » ' − 1
Se conoce que μÎ = Yk. Sustituyendo los valores:
gVSS
mg bsDQO
Ñ1 + §0,1 gVSS« 5 dÒ
mg bsDQO
L
= 6,32
S=
mg VSS
mg bsDQO
gVSS
L
5 d §0,4
.5
− 0,1
«− 1
mg bsDQO
mg VSS. d
gVSS. d
40
91
2) Se determina la masa de materia orgánica no soluble diaria cargada a la planta,
multiplicado la concentración de nbVSS por el caudal:
kg nbSSV
mg
Kg
L
m
kg nbSSV
>—
= 25
. 10
. 1000 . 75
= 1,88
d
L
mg
m
d
d
3) Se calcula la producción de biomasa dentro del reactor con la Ec. 2.21:
Sustituyendo los datos:
PÔ,Õº¼ =
PÔ,Õº¼ =
…+
0,15
75
(`» '(K » 'YQ(S¼ − S'SRT
QY(S¼ − S'
+
1 + (K » 'SRT
1 + (K » 'SRT
m
mg VSS
mg
mg
. 0,4
342,4
− 6,32
d
mg bsDQO
L
L
+ …
gVSS
1 + 0,1
. 5d
gVSS. d
gVSS
mg VSS
m
mg
mg
g
. 0,1
0,4
. 75
. (342,4
− 6,32
'. 5 d
kg
g
gVSS. d
mg bsDQO
d
L
L
= 7,23
gVSS
d
. 5d
1 + 0,1
gVSS. d
4) Se calcula la producción total de biomasa con la Ec. 2.22:
PÔ,×ËË = PÔ,Õº¼ + Q(nbVSS'
PÔ,×ËË = 7,23
kg
d
+ 1,88
kg
d
= 9,10
kg
d
5) Se determina la producción de sólidos totales mediante la Ec. 2.23:
PÔ,¬ËË =
PÔ,Õº¼
+ Q(nbVSS' + Q(SST¼ − SSV¼ '
fË
Con fs = 0,85 gVSS/biomasa total, valor típico según Metcalf.
PÔ,¬ËË
kg
8,72 d
kg
m3
kg L
mg
mg
kg
=
+ 1,88 + Ù 75
. 10>
. 300
− 250 Ú = 14,46
0,85
d
d
mg m
L
L
d
92
Para calcular el volumen del reactor, se utiliza la Ec. 2.24, se fija el valor de X ¬ËË en 2350 mg/L
como valor intermedio del rango típico entre 1000 – 3000 mg/L.
kg
§14,35
. 5 d«
PÔ,¬ËË . SRT
d
V=
=
= 30,76 m
kg
X ¬ËË
2350 . 10> m
6) Se procede a calcular la fracción de sólidos volátiles:
` =
PÔ,×ËË
= 0,63
PÔ,¬ËË
7) La concentración de sólidos volátiles en el reactor (SSVLM), estará dada por:
SSVLM = fÝ . X ¬ËË = 0,63 . 2350
mg
mg
= 1479
L
L
8) Se calcula la relación F/M con la Ec. 2.26:
mg
75 m . 214 L
F
Q . S¼
=
=
= 0,22
mg
X .V
M
2350 L . 30,52 m
9) Se procede a calcular si la carga orgánica se encuentra dentro de los valores típicos de
diseño con la Ec.2.27:
L¼½Â
mg
75 m . 214 L
Q . S¼
mg
=
=
= 0,52
L
V
L
30,52 m . 1000 m
10) Para una tasa de retorno del 50% (r = 0,5), se estima el IVL de acuerdo a la concentración
de X ¬ËË expresada en porcentaje sobre 10.000 mg/L con la Ec. 2.32.
r(%' =
Despejando IVL, y P = 0,235 se obtiene:
100
100
− 1
IVL. P
93
100
100
=
= 142
100
100
\ r + 1_ . P
\
+ 1_ . 0,235
0,5
IVL =
11) La concentración de retorno se calcula a través de la Ec. 2.29, despejando XR:
Ôá>
Xà =
âã
äåæ
áå
éê
éJ
LIïð
çè ë . çX ì – î
+ X=
A,X .
éê
. JH,ïñ éJ
ë
òì
éJ
çX ì
ó
= 4190,9
ÎÂ
Ÿ
12) Por último, se verifica el tiempo de residencia hidráulico, considerando el caudal de
retorno:
m
m
Q + Qà 75 d + 32,5 d
=
= 0,27d = 6,5h
τ=
V
30,76 m
13) Para hallar el valor de IVL máximo se fija r = 0,75:
IVL =
100
100
\ r + 1_ . P
=
100
\
+ 1_ . 0,235
0,75
A.4) EJEMPLO DE CÁLCULO DEL SISTEMA DUAL
-
FILTRO BIOLÓGICO DE MEDIO PLÁSTICO
Datos:
Población = 300 habitantes
Q = 0,87L/s
So = 214 mgDBO/L
K20 = 0,21
D = 3,6
A = 2,7 m2
n = 0,5
100
= 172
94
1) Con la Ec. 2.16, Ecuación de Germain se procede a calcular la concentración del efluente:
S ¾ = Sº . e
>öKH°÷ ∗ù
úû
El valor de la carga hidráulica, se calcula tomando en cuenta la recirculación del 100%, típica
para filtros de medio plástico:
L
L
Q 0,87 s . 2
=
1,07
q= =
2,7 m
m . s
A
Para calcular la constante de tratabilidad a una nueva profundidad de medio plástico se utiliza
la Ec. 2.17:
K = K . §
D A,X S A,X
« § «
D
S
La cual tiene como referencia los parámetros
K1= 0,21
D1 = 6,1m
S1 = 150 mgDBO/L
Sustituyendo los parámetros anteriores:
L A,X
6,1 m A,X 150 mg/L A,X
L A,X
K = 0,21 § « /m . §
« .§
« = 0,22 § « /m
s
3,6 m
214 mg/L
s
Ÿ A,X
Con K2 = 0,22 ¸ (Se):
/m y q = 1,07
ˆ .iK
este valor, se obtiene la concentración del efluente
A,X
−0,22 L /m ∗ 3,6m
s
mg
mg
. exp = 83
S¾ = 214
A,X
L
L
L
0,87
s .m
95
2) Dado que se trata del mismo caudal de agua tratada la eficiencia viene dada por:
mg
mg
214 L − 83 L
S¼ − S¾
. 100 =
. 100 = 61 %
E(%' =
mg
S¼
214 L
-
LODOS ACTIVADOS:
Se procede al cálculo referido anteriormente para lodos activados, tomando como parámetros
de entrada el efluente del filtro biológico. Para este ejemplo, se tomó la salida del filtro biológico
de 300 habitantes mostrado anteriormente.
DBO filtro = 83 mg/L .
Suponiendo que los sólidos en suspensión no sufren ninguna transformación, se procede a
calcular el tanque de lodos activados que complementa el proceso:
Datos:
Q @ 300 habitantes = 75 m3/d
DBO = 83 mg/L Tabla 2.2
bsDQO ≈ 1,6 DBO ≈ 132,8 mg/L
nbSSV = 25 mg/L valor aproximado para Metcalf.
SST = 300 mg/L Tabla 2.2
SSV = 250 mg/L Tabla 2.2
Ks: 40 mg bsDQO/L Tabla 2.11
Kd : 0,1 gVSS/gVSS Tabla 2.11
Y: 0,4 mg VSS/mg bsDQO Tabla 2.11
k: 5 mg bsDQO/mg VSS.d Tabla 2.11
SRT: 3 d Análisis Sección 4.1.6.
f: 0,15 Tabla 2.11
1) Se determina la concentración de sustrato en el efluente:
S=
K Ë g1 + (K » 'SRTh
SRT (μÎ − K » ' − 1
96
Se conoce que μÎ = Yk.
Sustituyendo los valores:
gVSS
mg bsDQO
Ñ1
+
§0,1
mg bsDQO
L
gVSS« 5 dÒ
= 9,12
S=
mg bsDQO
gVSS
mg VSS
L
.5
− 0,1
«− 1
3 d §0,4
mg VSS. d
gVSS. d
mg bsDQO
40
2) Se determina la masa de materia orgánica no soluble diaria cargada a la planta,
multiplicado la concentración de nbVSS por el caudal:
kg nbSSV
mg
Kg
L
m
kg nbSSV
= 25
. 10>—
. 1000 . 75
= 1,88
d
L
mg
m
d
d
3) Se calcula la producción de biomasa dentro del reactor con la Ec. 2.21:
Sustituyendo los datos:
PÔ,Õº¼ =
PÔ,Õº¼ =
…+
0,15
75
(`» '(K » 'YQ(S¼ − S'SRT
QY(S¼ − S'
+
1 + (K » 'SRT
1 + (K » 'SRT
mg VSS
mg
mg
m
. 0,4
132,8 L − 9,12 L d
mg bsDQO
+ …
gVSS
1 + 0,1
. 5d
gVSS. d
g
gVSS
mg VSS
m
mg
mg
. 0,1
0,4
. 75
. (132,8
− 9,12
'. 5 d
kg
g
gVSS. d
mg bsDQO
d
L
L
= 3,00
gVSS
d
1 + 0,1
. 5d
gVSS. d
4) Se calcula la producción total de biomasa con la Ec. 2.22:
PÔ,×ËË = PÔ,Õº¼ + Q(nbVSS'
PÔ,×ËË = 3
kg
kg
kg
+ 1,88
= 4,88
d
d
d
97
5) Se determina la producción de sólidos totales mediante la Ec. 2.23:
PÔ,¬ËË =
PÔ,Õº¼
+ Q(nbVSS' + Q(SST¼ − SSV¼ '
fË
Con fs = 0,85 gVSS/biomasa total, valor típico según Metcalf.
PÔ,¬ËË =
3
kg
d
0,85
+ 1,88
kg
d
+ Ù 75
m3
d
. 10>
kg L
kg
mg
mg
. 300
− 250
Ú = 9,48
mg m
d
L
L
Para calcular el volumen del reactor, se utiliza la Ec. 2.24, se fija el valor de X ¬ËË en 2500 mg/L
como valor intermedio del rango típico entre 2500 - 4000 mg/L según la Tabla 2.17.
kg
§9,48
. 3 d«
PÔ,¬ËË . SRT
d
V=
=
= 11,38 m
kg
X ¬ËË
>
2500 . 10
m
6) Se procede a calcular la fracción de sólidos volátiles:
` =
PÔ,×ËË
= 0,63
PÔ,¬ËË
7) La concentración de sólidos volátiles en el reactor (SSVLM), estará dada por:
SSVLM = fÝ . X ¬ËË = 0,51 . 2500
mg
mg
= 1285
L
L
8) Se calcula la relación F/M con la Ec. 2.26:
mg
75 m . 83 L
F
Q . S¼
=
=
= 0,22
mg
M
X .V
2500 L . 11,38m
9) Se procede a calcular si la carga orgánica se encuentra dentro de los valores típicos de
diseño con la Ec.2.27:
L¼½Â
mg
75 m . 83 L
Q . S¼
mg
=
=
= 0,52
L
V
L
11,38 m . 1000 m
98
10) Para una tasa de retorno del 50% (r = 0,5), se estima el IVL de acuerdo a la concentración
de X ¬ËË expresada en porcentaje sobre 10.000 mg/L con la Ec. 2.32.
r(%' =
100
100
IVL. P − 1
Despejando IVL, y P = 0,250 se obtiene:
IVL =
100
100
\ r + 1_ . P
=
100
= 133
100
+ 1_ . 0,250
\
0,5
11) La concentración de retorno se calcula a través de la Ec. 2.29, despejando XR:
Xà =
Ôá>
âã
äåæ
áå
+ X=
éê
…X ë .
éJ
çX ì
LKò
–î
A,X .
éê
. LL,J éJ
ë
Jì
éJ
çX ì
ó
= 7.358
ÎÂ
Ÿ
12) Por último, se verifica el tiempo de residencia hidráulico, considerando el caudal de
retorno:
τ=
Q + Qà
=
V
11,38 m
= 0,106 d = 2,54 h
m
m
75
+ 32,4
d
d
13) Para hallar el valor de IVL máximo se fija r = 0,75:
IVL =
100
100
\ r + 1_ . P
=
\
100
100
+ 1_ . 0,250
0,75
= 172
A.5) EJEMPLO DE CÁLCULO DEL SEDIMENTADOR SECUNDARIO
- SISTEMA DUAL
Del cálculo de la concentración de sólidos totales y las propiedades del IVL del lodo, es posible
determinar la velocidad de interface de los lodos, y posteriormente el área del sedimentador.
99
De la Ec. 2.37 para hallar la velocidad de Daigger (Vi):
˜(k ' = 1,871 − (0,1646 + 0,001586 . ‰u' . Z
Sustituyendo,
˜(k ' = 1,871 − (0,1646 + 0,001586 . 133' .2500
Despejando Vi:
Vº = exp(0,93' = 2,54
Se determina la velocidad de resuspensión:
µ
= 0,93
u
m
= 0,72 mm/s
h
En el caso de una partícula de gravedad especifica de 2,65 y diámetro 100 µm:
8 . |x . (. − 1'.
„ = `
.0
8 .0,05 . (2,65 − 1'. 9,81µ/. . 100 x 10>— µ
„ = 0,04
= 0,00508
m
= 508mm/s
s
Como Vi < vH se comprueba que no habrá resuspensión de partículas por causas hidráulicas.
Luego la tasa de desbordamiento superficial:
’a =
Escogiendo un factor de seguridad de 2,5:
’a =
k . 24
!
µ
. 24
µ
= 24,4 2,5
µ .0
2,54
El área requerida está dada por:
=
=
’a
75 µ
= 3,07 µ
µ
24,4 µ .0
El área de diseño está dada por los moldes de los tanques, para este caso se seleccionó el molde
de 1,22 m de diámetro, de 1,17 m2 de área.
100
Se compara la OR de diseño con la OR requerida:
µ
0 = 16,59 µ
’a = =
2,54 µ
µ . 0
75
Para el cálculo de SLR se utiliza la Ec. 2.38, de modo que se obtiene:
ua =
.
( + 2 ' . Z
=
. 1
µ
m
µ
m
+ 32,4
« . 1 • 10— W . 10> u 10
d
d
.
= 2,44 kg/ m . h
µ
24
4,52
. 1 .0RµÆt0ÇP
.0RµÆt0ÇP
§75
A.6) EJEMPLO DE CÁLCULO DEL TANQUE DE CLORACIÓN
Para 300 habitantes 75 m3
- DISEÑO
Se calcula para el doble del caudal promedio, para considerar los casos de by-pass que se
pudieran recibir en los casos de emergencia. Con esta especificación se calcula el volumen del
tanque para un tiempo de residencia de 30 minutos:
m 1 d
.
. 0,5 h = 3,13 m
V = Q . t = 2 . 75
d 24 h
Se fijó la altura del tanque en 0,7 m ya que no necesita mucha profundidad. De esa manera se
ha calculado el área del tanque. Ésta se ha dividido en tres secciones para colocar bafles que
prolonguen el tiempo de contacto, de esa manera se estipuló una proporción largo: ancho de 3:1.
A=
3,13 m
= 4,47 m
0,7 m
¶Ç = t = + = 1,22µ
3
Largo = 3 . a = 3,66 m.
101
- HIPOCLORITO DE CALCIO
Se suman la cantidad necesaria para cubrir la demanda según el proceso previo a la
desinfección, tal como se establece en la Tabla 2.21, y para cubrir la demanda de cloro residual a
los 30 minutos para la reducción de NMP.
Según la Tabla 2.21, el NMP para aguas domésticas después de recibir tratamientos de lodos
activados o de filtros biológicos, oscila alrededor de 106; por lo que se tomó este valor como
inicial. El decreto N° 883 exige un NMP/100ml menor a 1000, por lo que se toma 800, De esta
forma se procede a calcular el valor de cloro utilizado para la desinfección.
Se despeja el valor de cloro residual luego de 30 minutos de la Ec.
−1
1 2,8
800 ,…
§ « . 2,8
— . 2,8
µ
1Ç
= 10
= 1,19
)2 =
30 µR
Æ
u
>
Posteriormente se añade la dosis de cloro estimada en la Tabla 2.21. Para cada uno de los casos:
Efluente de filtro biológico: 1,19 mg/L + 10 mg/L = 11, 19 mg/L ~12 mg/L
Efluente de lodos activados: 1,19 mg/L + 8 mg/L = 9,19 mg/L ~ 10 mg/L
Para 75 m3:
9,19 mg/L . 75.000L/d = 0,689 Kg/d
A.7) EJEMPLO DE CÁLCULO DEL LECHO DE SECADO
Para calcular el área del lecho de secado, se determina la producción anual de lodos del sistema
y luego se divide entre la carga superficial de sólidos (SLR). En este caso se refiere a una SLR
específica para lechos de secado, la cual depende del proceso del cual provenga el lodo. En el
102
caso de lodos provenientes de procesos de lodos activados, la Tabla 2.26 señala un rango típico
de 60 – 100 Kg sólidos secos/m2. año.
Retomando el valor de la producción de sólidos totales:
PX,TSS = 9,48 kg/d
Producción anual = 9,48 kg/d . 365 d = 3460,2 kg/año.
Escogiendo un SLR para el lecho de 70 kg sólidos secos/m2. año:
Área =
%o,rr
Y2
=
—A, ñ
çA
ñ .éK
= 49,43µ
Corroborando la relación área/habitante:
49 µ
µ
ÁPt
=
= 0,16
t
RÆtÆ 300 t
RÆtÆ.
t
Este número concuerda con el rango 0,16 – 0,23 m2/hab establecido para lodos activados en la
Tabla 2.26.
103
APÉDICE B. Uso de medio plástico para tratamiento de agua residual
104
APÉDICE B. Uso de medio plástico para tratamiento de agua residual. (Cont.)
105
APÉDICE C. Parámteros diseño para distintos tipos de Filtro Biológico.
106
APÉDICE D. Plano del Filtro Biológico
107
APÉDICE E. Plano Tanque para Lodos Activados
108
APÉDICE F. Plano del Sedimentador
109
APÉDICE G. Tanque de ivelación
110
APÉDICE H. Plano Lecho de Secado
111
APÉDICE I. Plano Tanque de Cloración