Fundamentos para el Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales
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CURSO FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES Autor: Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, PhD BOGOTÁ D.C., COLOMBIA Octubre de 2012 1 Contenido ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO.......................... 18 INTRODUCCIÓN GENERAL ..................................................................................... 19 UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS .................................................................................................................. 25 CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA ...................................................................... 25 Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales ................. 25 Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes ................... 31 Lección 3. Esquema de depuración............................................................ 34 Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección .......... 39 Lección 5. Cálculos hidráulicos ..................................................................... 42 CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO......................................................................... 46 Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada ................................ 46 Lección 7. Pozo de muy gruesos .................................................................. 51 Lección 8. Desbaste ........................................................................................ 54 Lección 9. Desarenador ................................................................................. 59 Lección 10. Desarenador-Desengrasador .................................................. 62 CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO ............................................................ 68 Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria ........................... 68 Lección 12. Tamices ........................................................................................ 71 Lección 13. Decantador primario ................................................................ 75 Lección 14. Decantación asistida químicamente ..................................... 79 Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios ............................................................................................................................ 82 UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS ...................... 85 CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ..................... 85 Lección 16. Teoría de la aireación ............................................................... 85 Lección 17. Equipos aireadores .................................................................... 89 Lección 18. Teoría de la depuración biológica ......................................... 92 Lección 19. Control del proceso biológico ................................................. 96 Lección 20. Modelos de reactores y características................................. 99 CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO.......................... 103 Lección 21. Lodos activados ....................................................................... 104 Lección 22. Filtro percolador ....................................................................... 110 2 Lección 23. Sistemas anaerobios ................................................................ 117 Lección 24. Decantador secundario ......................................................... 122 Lección 25. Manejo de lodos secundarios ............................................... 126 CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS ................................................................................................... 132 Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado ........... 132 Lección 27. Desinfección ............................................................................. 135 Lección 28. Nitrificación y desnitrificación ................................................ 137 Lección 29. Eliminación de fósforo ............................................................. 140 Lección 30. Reúso de aguas residuales regeneradas ............................ 142 UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS ........... 147 CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ............ 147 Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales ...................................................................................................... 147 Lección 32. Tanque de igualación ............................................................. 149 Lección 33. Neutralización ........................................................................... 152 Lección 34. Flotación por aire disuelto ...................................................... 155 Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos ........................ 158 CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN .................................... 161 Lección 36. Principios de la geodepuración ............................................ 162 Lección 37. Trampa de grasas .................................................................... 165 Lección 38. Tanques de decantación-digestión ..................................... 169 Lección 39. Filtro anaerobio ........................................................................ 173 Lección 40. Campo de infiltración ............................................................. 175 CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS .......................................................... 178 Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) .............................................. 179 Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) ............................................. 182 Lección 43. Humedales artificiales ............................................................. 185 Lección 44. Filtros verdes .............................................................................. 189 Lección 45. Filtros intermitentes ................................................................... 192 Trabajos citados .................................................................................................... 195 3 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo.......................... 22 Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica ................................................................................................... 27 Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). ..... 33 Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría ..................................... 33 Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales .................................................................................................. 36 Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). ...................................... 40 Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 41 Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales ................................................. 44 Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades. .................................................................................................................... 45 Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. ........... 48 Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 49 Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 50 Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 52 Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 57 Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 58 Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010) ............................................................ 60 Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ......................................................................................................... 61 4 Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)............................................. 65 Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). ............................................................. 68 Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 74 Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...................................................................................... 74 Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)............................................. 77 Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ........................................................................ 81 Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). 82 Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)............................................. 84 Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). .................................. 87 Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos de oxidación biológica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................ 97 Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados (Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012) .................................................................................................................. 107 Tabla 29. Criterios de diseño según tipo de operación y medio de contacto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)........................................... 114 Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina & Pohland, 1992). ...................................................................................... 117 Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores anaerobios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)..................................... 118 Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .................................................................................................................. 120 5 Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ...................................................................... 123 Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)........................................... 125 Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de igualación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)........................................... 151 Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).................................................................................... 158 Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor. ........ 165 Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de trampas de grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 166 Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).................................................................................... 166 Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el caudal de diseño (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). .............. 167 Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012).................................................................................... 175 6 ÍNDICE DE FOTOS Foto 1. Biofltro. Fuente: http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patprocont/BiofiltroBoletin.jpg ................... 37 Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001. ............................................................................................................. 38 Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. . 50 Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obr allegada/17.jpg ......................................................................................... 52 Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. ...................................... 55 Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9 e770a877a3fbf5149553f1525633a7d ...................................................... 55 Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/ProductoReja-de-desbaste-37170.html .................................................................. 56 Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada de: http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/ ...................................................................................................................... 60 Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradoras-generan-679toneladas-de-fangos/ ............................................................................... 63 Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo). En la izqueira está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg ................. 65 Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).j pg ................................................................................................................. 73 Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20fu ncionando.jpg ........................................................................................... 73 7 Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/5.jpg.................................................................................................... 76 Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/10.jpg.................................................................................................. 76 Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600 /DSC_0173.JPG ........................................................................................... 78 Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://ptecdaf.com/images/flocculator.png ...................................... 80 Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelnivalgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg ...................... 81 Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de: http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/planta-de-lavadode-arenas-539813.jpg ............................................................................... 83 Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de: http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png ...................................................................................................................... 84 Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration001.jpg ......................................................................................................... 89 Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de: http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f523673 3e0b.jpg ...................................................................................................... 90 Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aeratorfor-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-inchina.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-SystemWastewater-Aerator-LY-1-.jpg ................................................................. 90 Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada de: http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_Brush Aerators.jpg ................................................................................................ 92 8 Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de: http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg ............. 101 Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg..................... 101 Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 103 Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.mixing.com/site/images/019.jpg ..................................... 106 Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg ....................................... 113 Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R. , 2001). ...................................................................................... 113 Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador1.jpg_729600497.jpg ........ 114 Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen tomada de: http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG .............. 123 Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de: http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg 128 Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación de fangos digeridos. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg ............... 129 Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de quemado. Image tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg ............... 129 Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de: http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20R un%20Per%C3%BA32.JPG ....................................................................... 130 Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t% 25C3%25ADtulo.png ............................................................................... 131 Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes tratados de las depuradoras agua residual, pero que no reciben tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes 9 específicos. Imagen tomada de: http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4 d_52.jpg ..................................................................................................... 133 Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización (exceso de nutrientes como nitrógeno y fósforo) que causa el crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de: http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg .... 134 Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas tratadas de la depuradora. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/4.jpg .............................................................................. 135 Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales tratadas. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/2.jpg .............................................................................. 136 Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg ............... 139 Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en Yanacocha, Perú. Imagen tomada de: http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg .................................................................................................................... 144 Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de: http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg ......... 144 Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg .................... 145 Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de: http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG .. 146 Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para retención de sólidos. Imagen tomada de: http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampade-grasas1.jpg.......................................................................................... 148 Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante. Imagen tomada de: http://www.greenarrowenvironmental.com/wpcontent/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg ......................................... 149 Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de: http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG ........... 150 Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de: http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg ..................... 157 10 Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales, en el sitio de origen. Imagen tomada de: http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecu tados/C1L2%202009/Agua%20y%20Saneamiento/031%20Laramate/L aramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg .............................. 161 Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como un gran filtro bioquímico. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/_d9ZUVwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+deg radado.jpg ................................................................................................ 163 Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil__BagleyStabilizationPonds.jpg ............................................................... 182 Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://corporativoambitec.com/wpcontent/uploads/2012/03/laguna.gif .................................................. 183 Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de: http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842 _orig.jpg ..................................................................................................... 188 Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales. Imagen tomada de: http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG188 Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Vic tor_IMDEA.jpg ........................................................................................... 189 Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/5.jpg ...................................................................................... 191 Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/3.jpg ...................................................................................... 194 11 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996). ..................... 28 Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008). ...... 29 Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A. ................................... 36 Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). .......................................................................... 38 Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobaincanalizacao.com.br....................................................................... 42 Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de: http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_resi duales/Pretratamiento ................................................................... 46 Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/1.entrada.gif ........................................................................... 51 Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esque ma_muygruesos.png ...................................................................... 53 Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/2.desbaste.gif ......................................................................... 54 Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSE SSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 ............................ 56 Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999) ......................................... 57 Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Gr ift-chamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor. . 64 Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda Valencia, 2000). .............................................................................. 70 Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapt ure1.jpg............................................................................................. 72 Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shop s/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94C/9B1E/6626/tami z-rotativo-esquema.jpg.................................................................. 74 12 Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam1/decantacion.htm ....................................................... 75 Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ......................................................... 85 Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido. . 86 Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de: http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg ......................... 91 Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de: http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg ...... 91 Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ............................................................... 94 Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). .............................................. 95 Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ................................. 102 Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen tomada de http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ....................................................... 104 Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ....................................................... 105 Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ....................................................... 105 Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de flujo a pistón (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 106 Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamient os/blandos/diseno6.gif ................................................................ 111 Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador (Romero Rojas, 1999). ................................................................... 112 Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen tomada de: http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_ 07_IMG/7020601i.gif ...................................................................... 112 13 Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación. Imagen tomada de: http://www.uasb.org/discover/uasb-scheme.gif modificada por el autor. ................................................................................... 118 Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación (Romero Rojas, 1999). ....................................... 119 Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ... 121 Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de: http://www.pollutionsolutionsonline.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/ 800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg ............................. 122 Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada de: http://www.foro3d.com/attachments/117991d12585356563ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantador-secundario-02.jpg ......................................................................................................... 126 Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla). ............................................................................................ 127 Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas residuales. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam3/imagenes/1.jpg ........................................................ 138 Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de cuatro reactores (dos anóxicos y dos aerobios) con recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media de 5 veces el caudal tratado. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 141 Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que se añade un reactor anaerobio (ausente de oxígeno y nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de nitrógeno y DBO también. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ....... 141 Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%2020 06%20grease%20trap.png y modificada por el autor. ........... 148 Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.). .................................................... 153 14 Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH con ácido o agente alcalinizante. Imagen tomada de: http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jp g ....................................................................................................... 154 Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho, 1996)................................................................................................ 155 Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ........................................................................ 156 Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por aire disuelto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..... 157 Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-domiciliario-diagrama.jpg ............................................ 162 Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf ............. 165 Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ..... 168 Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de escurrimiento de la grasa extraída (a la derecha). Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ............ 168 Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999). .......... 170 Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistemaseptico-integrado-Diagrama.jpg ............................................... 172 Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo ascendente. Imagen tomada de: http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnol ogias/tec_s/tec_s11.jpg ............................................................... 173 Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado. Imagen tomada de: http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes /digestor.jpg .................................................................................. 174 15 Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascedente, independiente. Imagen tomada de: http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg ......... 174 Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de infiltración. Imagen tomada de: http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif ....................... 176 Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo de infiltración ................................................................................. 177 Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ........................................................................ 179 Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s 1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG ............................ 179 Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). ......................................................................................... 180 Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). ......................................................................................... 181 Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y nutrientes, en una laguna facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). ................................................. 181 Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s16 00/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiacial+Vertical+%25 28HAFSV%2529.JPG ...................................................................... 186 Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales. Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus, Dinamarca). .................................................................................. 187 Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/16 AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1 600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG .............................................. 190 Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s160 0/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG ...................................... 192 Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s16 00/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro+de+turba.JPG 193 17 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido de esta obra que recopila no sólo la experiencia del autor sino gran parte del material empleado durante muchos años de docencia, ha sido elaborado por WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, quien es Ingeniero Ambiental y Sanitario, PhD en Biotecnología Avanzada, MSc en Ingeniería del Agua, Experto en Tecnología del Agua, con Especialización en Creación de Modelos Ecológicos y estudios en Ciencias Hidrológicas. Fue ganador del “Development Co-operation Prize”, otorgado por el Ministerio de Desarrollo Europeo, por su trabajo investigativo e innovación tecnológica en tratamiento de aguas. Ha trabajado en diversos proyectos hídricos y de saneamiento ambiental para la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, la Secretaría Distrital de Ambiente, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación -ICONTEC- y la Pontificia Universidad Javeriana, entre otros. En el año 2011 fue el coordinador del primer proyecto en Colombia para la evaluación de alternativas para la recuperación de ríos urbanos. Como consultor independiente, cuenta con una importante experiencia en el diseño, control y tratamiento de aguas residuales industriales y de agua potable. Tiene una notable trayectoria como docente de pregrado y postgrado de diversas universidades públicas y privadas en Colombia y como profesor visitante de postgrado en la Escuela Universitaria Politécnica de la Universidad de Sevilla, España. Es autor de varios libros y artículos científicos en prestigiosas revistas nacionales e internacionales y autor y coautor de múltiples capítulos de libro en temas de gestión urbana, tecnología ambiental, tratamiento de agua y manejo de recursos naturales. 18 INTRODUCCIÓN GENERAL En la actualidad, más de 2600 millones de personas no tienen acceso a saneamiento básico en el mundo y 1200 millones carecen de abastecimiento de agua potable (Madrazgo, 2009). La carencia de una formación académica en las universidades de Latinoamérica que enfatice en la enseñanza de soluciones económicas, efectivas y con posibilidad de autoconstrucción, se constituye en un obstáculo para remediar estas graves deficiencias; las tecnologías convencionales enseñadas por los docentes resultan, en más de la mitad de los casos, inapropiadas y, además, inalcanzables, dadas las limitaciones financieras, técnicas y administrativas de los países pobres donde el déficit de estos servicios básicos es crítico y las necesidades en saneamiento crecen a un ritmo mucho mayor que sus recursos económicos (Lozano-Rivas, Gutiérrez de Piñeres, Hernández, Romero, & Sánchez, 2009). Lo anterior es, sin duda, una de las razones que impide avances visibles en materia de cobertura de servicios de agua y saneamiento, porque es de todos conocido que la mayor parte de estas carencias se concentran, especialmente, en comunidades con un bajo nivel de ingreso, las cuales son también las que muestran un crecimiento poblacional más elevado. Es sabido además que las mayores inversiones se realizan en las grandes ciudades, lo que deja a la deriva los pequeños conglomerados y las zonas rurales, incentivando la migración hacia los núcleos urbanos en busca de una mejor calidad de vida. El acelerado crecimiento de estas urbes, aunado a la llegada permanente de familias campesinas y de bajos recursos (muchas de ellas padeciendo el desplazamiento forzado) que intentan ubicarse en los barrios marginales y suburbanos, dificulta también una gestión efectiva en materia de saneamiento (Lozano-Rivas, 2009). Los fenómenos de conurbación, aunados al crecimiento de la industria, así como al advenimiento de nuevas tecnologías, sustancias químicas y productos, han incrementado ostensiblemente el aporte y el nivel contaminante de los vertidos líquidos, la mayoría sin ningún tipo de tratamiento, a los ecosistemas acuáticos. Esta realidad se recrudece al conocer que las cifras del que fuera, hace casi un lustro, Viceministro de Agua y Saneamiento Básico, señalaban que únicamente el 9% de las aguas residuales que se generan en el país, son tratadas y que, adicionalmente, se tiene un déficit de cerca de 900 depuradoras según Jairo Romero Rojas, profesor de la Escuela Colombiana de Ingenieros (Diario El Espectador, 2008). Así, el país necesita de profesionales que tengan los conocimientos básicos y los criterios esenciales, no sólo para seleccionar y diseñar las mejores opciones de tratamiento para aquellas industrias y poblaciones que todavía lanzan sus desechos líquidos a los cauces naturales que, casi siempre, son utilizados aguas abajo, como fuente de abastecimiento, con grave amenaza para la salud pública, sino también para optimizar y garantizar una adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lozano-Rivas, 2012). 19 Por esta razón, este curso tiene como objetivo principal, darte a conocer de forma sucinta, práctica y didáctica, los criterios fundamentales que te permitan el dimensionamiento de las unidades más frecuentemente usadas para la depuración de las aguas residuales en el ámbito urbano, rural e industrial. Es preciso reconocer que la ciencia de la depuración de las aguas servidas es un tema de mucha profundidad que abarca extensos conceptos de bioquímica, microbiología, cinética, matemática e hidráulica, además de los aspectos ambientales y sociales, por lo que de ninguna manera es posible abarcarla en un curso universitario. De la misma manera, como lo repetiré en varios ocasiones durante las lecciones, dimensionar tanques no presenta mayor dificultad pero, seleccionar los criterios de diseño y las alternativas para cada uno de los procesos y operaciones unitarias involucradas en el tratamiento del agua residual, sólo debe hacerse fundamentado en repetidos análisis y ensayos de laboratorio que permiten dilucidar la dinámica de las reacciones bioquímicas y fenómenos físicos y mecánicos que aseguran las eficiencias requeridas en cada caso y para cada tipo de agua en particular. El presente módulo se estructura en 3 unidades, 9 capítulos y 45 lecciones que pretenden brindar las herramientas que permitan afianzar conceptos formadores de criterio en la identificación de las necesidades de tratamiento, la selección de las mejores unidades, la propuesta de soluciones individuales y el diseño de la unidades involucradas en cada etapa de tratamiento para cada tipo de agua, así como para la optimización de sistemas de depuración existentes. En la Unidad 1 “Fundamentos y diseño de pretratamientos y tratamientos gruesos”, se encuentran temas relacionados con el origen y características de las aguas residuales, las consideraciones preliminares y los datos de partida necesarios para el diseño de depuradoras, con un repaso de los cálculos hidráulicos requeridos. De igual forma, se expone el diseño y funcionamiento de las unidades de pretratamiento y tratamiento primario en los esquemas convencionales de depuración. La Unidad 2 “Fundamentos y diseño de tratamientos finos”, hace énfasis en los conceptos esenciales del tratamiento biológico de las aguas residuales y en el diseño de las unidades de tratamiento secundario y terciario. De manera breve se tocarán temas de reúso de los efluentes de las depuradoras, llamados aguas residuales regeneradas. Por último, la Unidad 3 “Vertidos industriales y tratamientos alternativos” está dedicada a exponer el funcionamiento y los criterios para el diseño de unidades de depuración de residuos industriales líquidos, tratamientos en el sitio de origen, fundamentados en la geodepuración (muy empleada en las zonas rurales y pequeños conglomerados), así como también para las tecnologías blandas (o naturales), las cuales son usadas en casi el 50% de los sistemas de tratamiento de aguas residuales de Latinoamérica por su bajo costo y escasas demandas en operación y mantenimiento. Debe tenerse en cuenta que las fórmulas y coeficientes recomendados por un libro técnico o incluidos en las Normas o Reglamentos de diseño, no eximen al proyectista de aplicar su 20 propio criterio si está debidamente sustentado en sus investigaciones, en su propia experiencia o en nuevos avances científicos. ¡Éxitos! El Autor. 21 Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo. UNIDAD 1 Nombre de la Unidad CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS DATOS DE PARTIDA Lección 1 Origen y características de las aguas residuales Lección 2 Carga contaminante y habitantes equivalentes Lección 3 Esquema de depuración Lección 4 Consideraciones preliminares y criterios de selección Lección 5 Cálculos hidráulicos CAPÍTULO 2 PRETRATAMIENTO Lección 6 Caudales de diseño y canal de entrada Lección 7 Pozo de muy gruesos Lección 8 Desbaste Lección 9 Desarenador Lección 10 Desarenador-Desengrasador CAPÍTULO 3 TRATAMIENTO PRIMARIO Lección 11 Fundamentos de la decantación primaria Lección 12 Tamices Lección 13 Decantador primario Lección 14 Decantación asistida químicamente Lección 15 Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios UNIDAD 2 Nombre de la Unidad CAPÍTULO 4 FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO 22 Lección 16 Teoría de la aireación Lección 17 Equipos aireadores Lección 18 Teoría de la depuración biológica Lección 19 Control del proceso biológico Lección 20 Modelos de reactores y características CAPÍTULO 5 TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO Lección 21 Lodos activados Lección 22 Filtro percolador Lección 23 Sistemas anaerobios Lección 24 Decantador secundario Lección 25 Manejo de lodos secundarios CAPÍTULO 6 TRATAMIENTO REGENERADAS Lección 26 Justificación del tratamiento terciario Lección 27 Desinfección Lección 28 Nitrificación y desnitrificación Lección 29 Eliminación de fósforo Lección 30 Reúso de aguas residuales regeneradas TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES UNIDAD 3 Nombre de la Unidad VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS CAPÍTULO 7 DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Lección 31 Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales Lección 32 Tanque de igualación Lección 33 Neutralización Lección 34 Flotación por aire disuelto 23 Lección 35 Eliminación de contaminantes inorgánicos CAPÍTULO 8 TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN Lección 36 Principios de la geodepuración Lección 37 Trampa de grasas Lección 38 Tanques de decantación-digestión Lección 39 Filtro anaerobio Lección 40 Campo de infiltración CAPÍTULO 9 TECNOLOGÍAS BLANDAS Lección 41 Sistemas de Lagunaje (parte I) Lección 42 Sistemas de Lagunaje (parte II) Lección 43 Humedales artificiales Lección 44 Filtros verdes Lección 45 Filtros intermitentes 24 UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA La formulación de un “Plan de Depuración”, podría resumirse en los siguientes puntos: 1. Caracterización Origen y naturaleza de las aguas residuales Estado de las redes de alcantarillado Localización y características de los puntos de vertido Dinámica de contaminación de los cauces fluviales receptores de los vertidos 2. Diagnóstico ambiental Evaluación de Impacto Ambiental 3. Establecimiento de objetivos de calidad Planteamiento de metas alcanzables y necesarias 4. Propuesta y estudio de las soluciones técnicas Comparación técnica y económica (incluye planes de financiación y costos de mantenimiento y operación) 5. Selección de la mejor combinación de procesos y conveniencia tecnológica 6. Aspectos institucionales y operativos (sostenibilidad técnica y financiera) En este esquema básico de trabajo, se hace necesario conocer con certeza el agua residual que será depurada, la concentración de la materia orgánica que debe ser eliminada, su caudal, su carga contaminante y su equivalencia en el número de habitantes, entre otros. Estos datos de partida permiten efectuar una selección acertada de las unidades y de los criterios de diseño que deben emplearse para alcanzar las eficiencias requeridas por la normativa vigente. En este capítulo se presentarán los datos de partida más relevantes para establecer, estructurar, definir y trazar el planteamiento del “Plan de Depuración”, que son aplicables a las descargas líquidas de poblaciones, urbes e industrias. Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales Actualmente, la humanidad -en todos los niveles- viene mostrando creciente preocupación por la conservación del entorno. Algunos mercados europeos han bloqueado su dinámica transaccional a muchas industrias contaminadoras, obligándolas a adoptar estrategias o políticas de producción más limpia (PML), buenas prácticas de manufactura (BPM) y mejores tecnologías disponibles (BTA, por sus siglas en inglés), entre otras medidas 25 enmarcadas en Planes de Mejoramiento Continuo y de Responsabilidad Socioambiental Empresarial. 1.1. Contaminación hídrica Desafortunadamente, las aguas residuales (al igual que los residuos sólidos) son un producto inevitable de la actividad humana. En la antigüedad, diferentes civilizaciones (desarrolladas por obvias razones en las riberas de ríos y lagos) hicieron uso de la capacidad de asimilación o autodepuración del agua, pero con descargas tan pequeñas que sus vertidos no presentaban mayor problema. No obstante, la densificación actual de las ciudades y el crecimiento poblacional e industrial, entre otros aspectos, ha ocasionado que esta capacidad limitada de autopurificación de los cuerpos hídricos haya sido excedida. Por esta razón, se hace necesario “asistir” a la naturaleza mediante la instalación de depuradoras y unidades de tratamiento de las aguas servidas. Todos los cuerpos de agua poseen una capacidad natural y LIMITADA de dilución y “autopurificación” de los elementos que incorpora, conocida como Capacidad de Asimilación o Capacidad de Carga (Lozano-Rivas, 2012). Se considera como contaminación hídrica, la presencia de formas de energía, elementos, compuestos (orgánicos o inorgánicos) que disueltos, dispersos o suspendidos alcanzan una concentración tal, que limita cualquiera de los otros usos del agua (consumo humano, uso agrícola, pecuario, industrial, recreativo, estético, conservación de flora y fauna, etc.). Esta definición deja en evidencia que el uso del agua depende, de manera ineludible, a sus características físicas, químicas, microbiológicas y organolépticas que definen su calidad en función del uso establecido por una normativa. Las aguas residuales son aquellas aguas de desecho que contienen una gran cantidad de sustancias contaminantes y que han sido empleadas en alguna actividad humana sea doméstica, industrial, pecuaria, agrícola o recreativa. 1.2. Origen de las aguas residuales Las aguas residuales, entonces, tienen diversos orígenes (e.g. doméstico, industrial, pecuario, agrícola, recreativo) que determinan sus disímiles características. Las aguas residuales pueden clasificarse de la siguiente manera: Agua Residual Doméstica (ARD): residuos líquidos de viviendas, zonas residenciales, establecimientos comerciales o institucionales. Estas, además, se pueden subdividir en: 26 o Aguas Negras: aguas que transportan heces y orina, provenientes del inodoro. o Aguas Grises: aguas jabonosas que pueden contener grasas también, provenientes de la ducha, tina, lavamanos, lavaplatos, lavadero y lavadora. Agua Residual Municipal o Urbana (ARU): residuos líquidos de un conglomerado urbano; incluye actividades domésticas e industriales y son transportadas por una red de alcantarillado. Agua Residual Industrial (ARI): residuos líquidos provenientes de procesos productivos industriales, que incluso pueden tener origen agrícola o pecuario. 1.3. Características fisicoquímicas de las aguas residuales Una cuidadosa y completa caracterización de las aguas residuales que pretenden ser tratadas, es fundamental para asegurar el éxito de la depuradora. El fracaso de la mayor parte de las depuradoras (al menos las conocidas por este autor) incluyendo la PTAR de una de las ciudades más importantes del país, obedece a una mala caracterización de las aguas, ya que impide seleccionar correctamente los tratamientos y aplicar criterios adecuados para el diseño. Materia orgánica: es la fracción más relevante de los elementos contaminantes en las aguas residuales domésticas y municipales debido a que es la causante del agotamiento de oxígeno de los cuerpos de agua. Está formada principalmente por CHONS (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre) constituyendo las proteínas (restos de origen animal y vegetal), los carbohidratos (restos de origen vegetal), los aceites y grasas (residuos de cocina e industria) y los surfactantes (detergentes). Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica Tipo de descomposición Tipo de materia orgánica Aeróbica Anaeróbica Nitratos (NO3=), anhídrido Mercaptanos, indoles, escatol, Nitrogenada carbónico (CO2), agua (H2O), ácido sulfhídrico (H2S), = sulfatos (SO4 ) cadaverina y putrescina. Anhídrido carbónico (CO2), gas Anhídrido carbónico (CO2), Carbonácea metano (CH4), gas hidrógeno agua (H2O) (H2), ácidos, alcoholes y otros. Oxígeno disuelto: Es un parámetro fundamental en los ecosistemas acuáticos y su valor debería estar por encima de los 4 mg/L para asegurar la sobrevivencia de la mayor parte de los organismos superiores. Se usa como indicador de la contaminación o, por decirlo así, de la salud de los cuerpos hídricos. Para el correcto funcionamiento de los tratamientos aerobios de las aguas residuales, es necesario asegurar una concentración mínima de 1 mg/L. 27 Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que hacen los microorganismos para degradar los compuestos biodegradables. Se evalúa analíticamente incubando una muestra con microorganismos por 5 días a 20 °C, tiempo después del cual se lee la concentración final de oxígeno y se compara con la inicial; esta prueba es conocida como DBO5 o DBO estándar1. También se hacen, eventualmente, pruebas a 7 días (DBO7) y a 20 días (DBO última - DBOu o total – DBOt). Para las aguas residuales domésticas, se estima que: DBO5 0,75 DBOu Una curva característica de la DBO evidencia que a los 5 días se ha degradado cerca del 70% de la materia orgánica y que a partir del día 10 ésta curva se hace asintótica, como se muestra en la Ilustración 1. Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996). Demanda Química de Oxígeno (DQO): es también una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica contenida en una muestra. A diferencia de la DBO, esta prueba emplea un oxidante fuerte (dicromato de potasio – K2Cr2O7) en un medio ácido (ácido sulfúrico – H2SO4) en vez de microorganismos. Para el control de una depuradora, este método se prefiere sobre el de la DBO, debido a que el resultado de la DQO se obtiene en unas 3 horas y con un error mucho menor que la DBO obtenida a los 5 días. Un error aceptable en la prueba de la DBO se estima que puede oscilar cerca de un 25% y podría alcanzar hasta un 35%. Esta considerable discrepancia pone en tela de juicio la conveniencia de su uso en el control de vertimientos y su empleo como argumento para ejecutar procesos sancionatorios. 1 28 La relación entre la DQO y la DBO es usada para estimar la biodegradabilidad de un vertido así: DQO/DBO ≥ 5 (No biodegradable) DQO/DBO ≤ 1,7 (Muy biodegradable) Para un ARD, esta relación oscila entre 2,0 y 2,5. Tanto la DQO como la DBO se emplean para determinar la calidad del agua o la carga contaminante de un vertido, para diseñar las unidades de tratamiento biológico y para evaluar y/o controlar la eficiencia de los tratamientos. Para mayor claridad en los conceptos de DBO y DQO, se recomienda consultar el documento “Medida de la Contaminación Orgánica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento Sólidos: La materia orgánica se presenta, a menudo, en forma de sólidos. Estos sólidos pueden ser suspendidos (SS), disueltos (SD), los que también pueden ser volátiles (SV), los cuales se presumen orgánicos, o fijos (SF) que suelen ser inorgánicos. Parte de los sólidos suspendidos pueden ser también sedimentables (SSed). Esta clasificación se muestra en la Ilustración 2. Todos ellos se determinan gravimétricamente (por peso). Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008). Potencial de hidrógeno (pH): tiene importancia en el control de los procesos biológicos del tratamiento de las aguas residuales (TAR). La mayoría de los microorganismos responsables 29 de la depuración de las aguas residuales se desarrollan en un rango de pH óptimo entre 6,5 y 8,5 unidades. Nitrógeno: es el componente principal de las proteínas y es un nutriente esencial para las algas y bacterias que intervienen en la depuración del agua residual. Puede presentarse en forma de nitrógeno orgánico (presente en las proteínas), nitrógeno amoniacal 2 (producto de la descomposición del nitrógeno orgánico)3 y formas oxidadas como nitritos y nitratos. Valores excesivamente altos de nitrógeno amoniacal (>1500 mg/L) se consideran inhibitorios para los microorganismos responsables del TAR. Fósforo: es, junto con el nitrógeno, un nutriente esencial para el crecimiento de los microorganismos. No obstante, valores elevados pueden causar problemas de hipereutrofización en los cuerpos de agua lóticos (e.g. lagos, embalses, lagunas). Las características típicas de las aguas residuales urbanas y otras industriales, pueden ser consultadas en este documento: Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura 1.4. Características microbiológicas de las aguas residuales Un vertido de aguas residuales aporta una gran cantidad de materia orgánica que sirve de alimento para hongos y bacterias encargados de la mayor parte de su descomposición. Finalmente, los protozoos ciliados se alimentan de las bacterias, puliendo u optimizando el tratamiento del agua. Bacterias: son los principales responsables de la degradación y estabilización de la materia orgánica contenida en las aguas residuales. Su crecimiento óptimo ocurre a pH entre 6,5, y 7,5. Algunas de las bacterias son patógenas, como la Escherichia coli, indicador de contaminación de origen fecal. Hongos: predominan en las aguas residuales de tipo industrial debido que resisten muy bien valores de pH bajos y la escasez de nutrientes. Protozoos: en especial los ciliados, se alimentan de bacterias y materia orgánica, mejorando la calidad microbiológica de los efluentes de las PTAR. Actinomicetos: son bacterias filamentosas conocidas por causar problemas en reactores de lodos activados, generando la aparición de espumas (foaming) y pérdida de sedimentabilidad del lodo, hinchamiento o bulking filamentoso, incrementando los sólidos Amoniaco (NH3) y amonio (NH4+). La suma del nitrógeno orgánico y el amoniacal es conocido como Nitrógeno Total Kjeldahl, por la prueba analítica con la que se determinan estas formas. 2 3 30 del efluente y la disminución de la eficiencia del TAR. Uno de los actinomicetos más recurrente en los reactores es la Nocardia. Una revisión más profunda de la microbiología de las aguas residuales, puede ser consultada en el documento “Revisión mínima de la microbiología fundamental de las aguas residuales” de Lozano-Rivas (2012): Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes No es posible establecer con precisión unos valores “estándar” para las aguas residuales independientemente de su origen, sea doméstico, urbano o industrial. Los hábitos alimenticios, la calidad de vida o la pobreza, hacen variar las características fisicoquímicas y microbiológicas de los efluentes domésticos. En las ciudades, los vertidos de las actividades económicas e industriales hacen variar los parámetros; incluso, dos industrias de igual naturaleza que manejen un proceso productivo similar, pueden generar aguas servidas de características disímiles. 2.1. Carga contaminante Aunque la concentración de un parámetro específico nos dice mucho de las características contaminantes de un vertido, en el diseño de las unidades de tratamiento de las aguas residuales y aún en los procesos de control de la contaminación hídrica (aunque todavía no se use como criterio sancionatorio) es mucho más significativo el concepto de CARGA CONTAMINANTE, la cual involucra también la valoración del caudal vertido. Por ejemplo, la empresa “Anita” puede tener un vertido con una concentración de DQO aparentemente baja (e.g. 20 mg/L) pero descarga un caudal excesivamente alto (e.g. 400 L/s) en el río. De otro lado, la industria “Berta” puede descargar un caudal muy pequeño (e.g. 0,1 L/s) pero con unos niveles de concentración de DQO, significativamente altos (e.g. 80000 mg/L) al río. ¿Cuál empresa sería la más contaminante? Si juzgamos estos vertidos según la concentración de DQO, podríamos sostener que la empresa “Berta”, con 80000 mg/L de DQO es mucho más contaminante que “Anita” que vierte sólo 20 mg/L. Nada más falso. La contaminación de un vertido o la cantidad de materia orgánica aportada por un vertido, no sólo es función de su concentración medida en DQO (u otro parámetro análogo) sino también de su caudal, debido a que la inclusión de esta última variable, permite valorar dicho aporte en el tiempo. La CARGA CONTAMINANTE, entonces, es la concentración (del parámetro medido en la descarga) por el caudal vertido. Se expresa frecuentemente en kg/d y debe entenderse como una masa de contaminantes aportada en una unidad de tiempo. 31 Carga Contaminante = Concentración * Caudal * 0,0864 Donde, Carga contaminante (en kg/d) Concentración (en mg/L) Caudal (en L/s) El valor 0,0864 es un factor de conversión para pasar de mg/s a kg/d, que se explica a continuación: 1 𝑚𝑔 86400 𝑠 1 𝑘𝑔 86400 𝑘𝑔 ∙ ∙ = = 0,0864 𝑠 1𝑑 1000000 𝑚𝑔 1000000 𝑑 Si retomamos el ejemplo de las industrias “Anita” y “Berta”, tenemos que: Nombre de la industria Anita Berta Concentración de DQO (mg/L) 20 80000 Caudal vertido (L/s) 400 0,1 Carga contaminante (kg/d) 20*400*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO) 80000*0,1*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO) Como se puede apreciar, ambas industrias están aportando la misma cantidad de contaminación al río. Los parámetros más usados para estimar la carga contaminante a nivel mundial son: DBO 5, DQO, SST (Sólidos Suspendidos Totales), N (Nitrógeno) y P (Fósforo). No obstante, de ser conveniente para un estudio específico, pueden emplearse otros parámetros distintos. En Colombia, los parámetros más usados son DBO5 y SST. 2.2. Habitantes equivalentes De la misma forma, considerando que no existen dos industrias iguales y con el fin de ponderar la carga contaminante de un vertido industrial tomando como referente del aporte del mismo contaminante a nivel doméstico, se ha adoptado el concepto de HABITANTES-EQUIVALENTES4 (h-eq). Una vez se tenga estimada la carga contaminante del vertido industrial, el número de habitantes equivalentes se determina dividiendo la carga, por el aporte que hace un habitante, es decir, una persona, por día, para el mismo parámetro. 4 Conocido también como población equivalente (pob-eq). 32 Habitantes equivalentes (h-eq) = Carga contaminante/Carga por persona Aunque en Colombia no se tiene oficializada una cifra del aporte diario de una persona para ninguno de los parámetros, algunos de estos valores, fundamentados en la normativa europea, se exponen en la Tabla 3. Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). Parámetro Aporte de 1 habitante equivalente (h-eq) DBO5 60 g/d DQO 135 g/d SST 90 g/d N 10 g/d P 4 g/d Valores fundamentados en la Directiva 91/271/CEE (21 de mayo de 1991) de la Comunidad Europea y ajustados por el autor con base en estimaciones propias para Colombia y España. Por ejemplo, la industria “Berta” (ver numeral 2.1.) que aporta una carga contaminante de 691,2 kg/d de DQO, tiene un número de habitantes equivalentes, considerando un aporte por habitante de 0,135 kg/d (135 g/d), de: 𝑘𝑔 𝐷𝑄𝑂 𝑑 ℎ − 𝑒𝑞 = = 5118,5 ≈ 5119 ℎ − 𝑒𝑞 𝑘𝑔 0,135 𝐷𝑄𝑂 𝑑 691 También suele emplearse algunas equivalencias con los desechos líquidos generados de la cría de algunos animales de granja y de lugares o edificaciones que prestan servicios especiales, tal como se muestra en las Tablas 4 y 5. Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría Animal Habitantes equivalentes (h-eq) 4 h-eq 3 h-eq 3 h-eq 33 2,5 h-eq Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com Lugar Habitantes equivalentes (h-eq) 1 paciente de hospital = 4 h-eq 1 huésped de hotel = 2 h-eq 1 niño de guardería = 0,5 h-eq 1 campista = 0,7 h-eq Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com Pregunta de análisis: ¿por qué la gallina siendo un animal tan pequeño tiene una carga contaminante equivalente a la generada por 2,5 personas? Lección 3. Esquema de depuración La depuración de las aguas residuales, a cualquier escala, tiene como objetivos principales la protección de la salud pública y la conservación de la calidad hidrobiológica de los ecosistemas acuáticos. El diseño de una depuradora dependerá, inicialmente, del origen (tipo) de agua a tratar, de las características fisicoquímicas del efluente y del cumplimiento de la legislación vigente. 34 3.1. ¿Qué es una depuradora? Una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) o Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), es el conjunto de procesos y operaciones unitarias encaminadas a la depuración de las aguas residuales antes de su vertido al cuerpo receptor, mitigando el daño al medio acuático (Lozano-Rivas, Antecedentes y Definiciones Básicas - Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en PDF), 2012). De esta manera, la depuración de las aguas residuales busca eliminar o disminuir la concentración de sustancias o elementos contaminantes que afectan la calidad del agua o fuente receptora para un uso específico. 3.2. Operaciones y procesos unitarios de una depuradora Debemos recordar que la diferencia entre operaciones unitarias y procesos unitarios radica en que las primeras (operaciones unitarias) hacen referencia a unidades y procedimientos en donde prevalecen mecanismos de tipo físico en las que no se presentan cambios a nivel químico (e.g. una rejilla de retención de sólidos, un desarenador) mientras que los procesos unitarios involucran reacciones químicas o bioquímicas y cambios a nivel molecular (e.g. una unidad de coagulación y floculación, un reactor biológico, una torre de adsorción, una cámara de desinfección). De esta manera, los contaminantes de las aguas residuales pueden ser eliminados o reducidos mediante la aplicación de uno o más fenómenos de tipo: Físico (operaciones unitarias de separación física) Químico (procesos unitarios de transformación química) Biológico (procesos unitarios de transformación bioquímica) En los procesos unitarios de transformación bioquímica o reactores biológicos, la degradación, reducción o eliminación de contaminantes se consigue por la intervención de microorganismos que aprovechan la materia orgánica soluble e insoluble para alimentarse, generar nuevos compuestos, gases y energía, así como también para multiplicarse, generando nuevas células (síntesis celular). Estos procesos biológicos pueden dividirse en dos grandes grupos: Procesos Aerobios o En presencia del oxígeno libre generado por algas o alimentado por dispositivos mecánicos. Procesos Anaerobios o en ausencia de oxígeno libre 35 Estos procesos y operaciones unitarias intervienen en diferentes etapas de la depuración de las aguas residuales. El esquema de depuración se representa en la Ilustración 3: Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A. Esta clasificación, mundialmente aceptada, corresponde al grado de depuración obtenida, como se muestra en la Tabla 5. Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales Etapa Unidades más representativas Objetivo Pretratamiento Remover sólidos gruesos para evitar atascos, abrasión y daños a tuberías, bombas, equipos y a otros elementos de la depuradora. Tratamiento Primario Remover la mayor parte de la materia orgánica suspendida decantable. Tipo de fenómenos principales involucrados Niveles de eficiencia Pozo de gruesos Rejillas Desarenador Desengrasador Tanque de Igualación u homogenización (efluentes industriales, especialmente) Tanque de neutralización (efluentes industriales, especialmente) Decantadores primarios (por gravedad o asistidos químicamente) DAF (unidades de flotación por aire Físicos. Químicos (neutralización). Físicos. Químicos (decantación asistida). No se considera que se logren remociones significativas en DBO y SST. DBO: hasta 50% (hasta 80% con decantación asistida) 36 Tratamiento Secundario Remover materia orgánica soluble y suspendida. Eliminar patógenos y otros elementos contaminantes. disuelto. Usadas para efluentes industriales, especialmente) Tamices (efluentes industriales, especialmente) Reactores biológicos aerobios (e.g. lodos activados, filtros percoladores, biodiscos, humedales, lagunas) Reactores biológicos anaerobios (e.g. UASB, RAP, EGSB) SST: hasta 70% (hasta 85% con decantación asistida) Biológicos. DBO: hasta un 92% SST: hasta un 90 % Pulimento en la reducción de la Coagulaciónmateria orgánica. floculación Eficiencias variables Eliminación de Adsorción Químicos. de remoción, contaminantes Tratamiento Terciario Intercambio iónico dependiendo del específicos (e.g. Biológicos. tipo de Filtración nitratos, patógenos, contaminante Lagunas metales, pesticidas, Desinfección disruptores endocrinos). (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) Adicional a la línea de aguas, en donde se emplean estas etapas para depurar los efluentes, se tienen la línea de manejo de gases y la de manejo de lodos. 3.3. Manejo de gases Foto 1. Biofiltro. Fuente: http://www.ucait.es/gestion/contenidos/patp rocont/BiofiltroBoletin.jpg Algunas unidades de tratamiento pueden liberar olores molestos (especialmente las anaerobias), los cuales pueden ser tratados en biofiltros. Estas unidades constan de un lecho de soporte (compuesto frecuentemente de compost maduro o turba) sobre el cual se adhieren microorganismos que, mediante procesos oxidativos, degradan las sustancias que producen los malos olores. La aspersión permanente de agua sobre el lecho, facilita la fijación y degradación de los compuestos oloroso; las unidades que usan este sistema de aspersión, se conocen como biolavadores (biotrickling). Buena parte del éxito del proceso depende del mantener unos niveles de humedad aceptables en el medio de soporte (50 a 60%). Los gases (biogás) producto de la descomposición anaerobia de los lodos o de la materia orgánica en reactores biológicos, pueden ser empleados como 37 combustible para la generación de energía y para elevar las temperaturas de los digestores de lodos, con lo que se acelera el proceso de estabilización de los biosólidos. No obstante, en la mayoría de las depuradoras colombianas, este gas no se aprovecha y es quemado en unas estructuras diseñadas para este propósito, llamadas “quemadores”. Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001. 3.4. Manejo de lodos La línea de lodos tiene como objetivo, tratar los subproductos sólidos (fangos) originados en la línea de agua de la depuradora. Estos lodos (llamados también biosólidos) deben ser reducidos en volumen para facilitar su manejo (Espesamiento), ser estabilizados para evitar fermentaciones y crecimiento de organismos patógenos (Digestión) y deshidratarse para conseguir una buena textura que facilite su manejo y transporte hacia su uso o disposición final (Deshidratación). Los biosólidos de una depuradora pueden usarse, siempre y cuando estén libres de patógenos, metales y otros elementos tóxicos y peligrosos, como acondicionadores de suelo en campañas de reforestación o recuperación de áreas degradadas. Por la experiencia del autor, esta condición sólo se da en lodos de depuradoras que manejen casi de forma exclusiva, aguas residuales domésticas. Cuando se mezclan efluentes de tipo industrial, como ocurre en la mayoría de depuradoras de aguas residuales municipales, esta condición rara vez se puede asegurar, razón por la cual son dispuestos en un relleno sanitario. Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). 38 Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección 4.1. ¿Por qué tratar las aguas residuales? Las razones que justifican el tratamiento del agua residual son distintas para cada sector de la sociedad, a saber (Balda R. , 2002): Razones para la industria: Recuperar productos. Mostrar una imagen amigable con el ambiente. Cumplimiento de estándares internacionales que garantizan participación en mercados. Razones estatales: Protección de los recursos naturales. Protección de las redes de alcantarillado y del correcto funcionamiento de la PTAR municipal. Razones sociales: Protección de la salud pública. Entre los principales impactos negativos de las aguas servidas, se encuentran (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): a) b) c) d) e) f) g) h) i) Restricciones de los usos múltiples del agua. Abatimiento del oxígeno disuelto en el agua. Muerte de peces. Olores ofensivos. Desequilibrios en la cadena trófica. Disminución de los procesos fotosintéticos. Aporte de organismos patógenos. Afectación de la calidad visible del agua y el paisaje. Hipereutrofización 4.2. Sustancias inhibidoras Antes del tratamiento secundario (biológico) es necesario verificar y controlar los niveles de algunas sustancias que interfieren con la actividad biológica en estos reactores y que, 39 consecuentemente, afectarán las eficiencias de estas unidades. Los niveles máximos recomendados se exponen en la Tabla 6. Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). Compuesto Nivel máximo recomendado Productos alcalinizantes 10 ppm Productos ácidos 10 ppm Ácido nítrico 50 ppm Cloro libre 10 ppm Formaldehído 7 ppm Fosfatos 100 ppm Peróxido de hidrógeno 10 ppm Nitrógeno amoniacal 250 ppm 4.3. Caracterización mínima de las aguas residuales Una caracterización de aguas residuales, sean domésticas, urbanas o industriales, deben incluir la estimación de los siguientes parámetros, como mínimo: Caudal (incluyendo los caudales punta y mínimos). Temperatura pH Sólidos sedimentables DBO5 total y disuelta DQO total y disuelta Sólidos Totales (suspendidos y disueltos) Nitrógeno Total Kjeldahl – NTK Fosfatos Grasas y Aceites Sulfatos Presencia de agentes de limpieza (tipo, volumen empleado, frecuencia de uso) 4.4. Datos adicionales Adicional a una buena caracterización deben evaluarse también los siguientes aspectos que se exponen en la Tabla 7. 40 Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Ciudades y Pueblos Industrias Proyección de la población Procesos industriales involucrados Actividades económicas principales, cuyos Materias primas o productos tóxicos que puedan efluentes puedan influir en las características del presentarse en el efluente agua residual Indicadores de producción (productos generados por la industria) Diagramas de flujo de proceso Eficiencias requeridas para los parámetros exigidos por la autoridad ambiental Caudales punta y su composición Área disponible para el sistema de tratamiento Dinero disponible para invertir en la depuradora 4.5. Otros criterios de selección La selección de las unidades a emplear en la depuradora, además de los aspectos mencionados anteriormente, dependerá también de: Ubicación Costos de inversión y operación Necesidad de personal (Cualificado y No Cualificado) comparado con la disponibilidad local. Otras consideraciones particulares, como: o Clima o Tamaño de la población servida o número de habitantes equivalentes o Nivel socioeconómico de los usuarios (sostenibilidad financiera) o Estabilidad geológica (sismología) o Dirección de los vientos o Consideraciones ambientales o Facilidades (y costos) para la disposición de subproductos o … 4.3. Cálculo de la población La estimación de la población futura es un parámetro fundamental para asegurar el correcto funcionamiento de una depuradora de aguas residuales domésticas o urbanas, hasta el final de su periodo de diseño. El periodo de diseño es el tiempo de vida útil de las estructuras, equipos e instalaciones de la depuradora en los que se cumple un punto de equilibrio entre la inversión inicial y el lucro efectivo (no cesante) de la misma. Como estos tiempos suelen ser distintos para cada elemento de la planta de tratamiento, se toma un periodo único de diseño entre 25 y 30 años, como base para el cálculo de la población futura. 41 La estimación del comportamiento demográfico de una población es un aspecto complejo debido a que depende de factores fluctuantes como: economía, dinámicas sociales, desarrollo industrial, políticas públicas, turismo, etc. En poblaciones turísticas, además de la población fija, debe considerarse la población flotante (turistas que visitan el lugar en la temporada vacacional). Los métodos más usados para el cálculo de la población futura, son: Comparación gráfica de las poblaciones Método aritmético o lineal Método geométrico o exponencial Método logarítmico Método Pearl o curva logística Para periodos de diseño de hasta 25 años, puede aplicarse el método más expedito sin incurrir en un error considerable. Una revisión más profunda de los métodos de cálculo de crecimiento poblacional, puede ser consultada en el documento “Tasas de Crecimiento Poblacional” de Torres-Degró (2012): Ir al documento Lección 5. Cálculos hidráulicos 5.1. Línea piezométrica Aunque en algunos textos especializados se define a la línea piezométrica como la línea imaginaria que une los puntos hasta donde podría ascender el agua si se insertaran pequeños tubos verticales (piezómetros) en distintos puntos de una tubería o canal abierto, existe una leve imprecisión al asegurar que esta línea es imaginaria debido a que es perfectamente observable en un laboratorio. Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobain-canalizacao.com.br 42 En la Ilustración 5, la línea piezométrica (1) muestra la presión hidrostática disponible en cada punto de la tubería tendida entre el tanque elevado (punto A) y las viviendas ubicadas en la falda de la montaña mientras el agua se encuentra en movimiento (Línea Dinámica). La diferencia “H” entre la línea de presión dinámica para un caudal determinado y la línea de presión estática (la horizontal proyectada desde el nivel de agua del tanque elevado (punto A), se conoce como pérdida de carga o pérdida de presión para ese caudal. Esta gráfica sugiera que en la vivienda cuenta con un dispositivo de control (e.g. una válvula) a la salida. De lo contrario, el sistema consume toda la altura. Esta pérdida de carga o de presión, se produce por accidentes (singularidades) en la línea de conducción (e.g. cambios de dirección, estrechamientos, válvulas, orificios, accesorios) y por la fricción del fluido con las paredes de la tubería o del canal. En una depuradora, debe evitarse el uso excesivo de energía eléctrica y de los dispositivos que la emplean (e.g. bombas, aireadores mecánicos, sopladores), de manera que se privilegie el flujo del agua por gravedad. Para asegurar un transporte fluido y por gravedad de estas aguas, entre las unidades de tratamiento, deben estimarse las pérdidas de carga que se presentan en cada una de las interconexiones, verificando que las descargas se mantengan por debajo de la línea piezométrica para cada punto. Las cotas de línea piezométrica y de los niveles de agua en la depuradora, se expresan en metros sobre el nivel de mar (m.s.n.m.) y las pérdidas en metros columna de agua (m.c.a.). 5.2. Pérdida de carga en tuberías La expresión de Darcy-Weisbach para el cálculo de pérdidas, expresada en función de caudal: ℎ𝑓 = 0,0826 ∙ 𝑓 ∙ Donde, hf f L D Q 𝐿 ∙ 𝑄2 𝐷5 pérdida de carga (m.c.a./m) coeficiente de fricción (adimensional) longitud de la tubería diámetro de la tubería (m) caudal (m3/s) El coeficiente de fricción puede calcularse así: 𝑓= 0,25 𝐾 5,74 2 [log (3,7 ∙ 𝐷 + 0,9 )] 𝑅𝑒 43 Donde, K Re rugosidad absoluta número de Reynolds El número de Reynolds se calcula así: 𝑅𝑒 = V 𝑉∙𝐷 𝜐 velocidad del fluido viscosidad cinemática (m2/s) La rugosidad absoluta se puede obtener de la Tabla 8. Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales Rugosidad absoluta Polietileno 0,002 PVC 0,02 Aluminio 0,015 – 0,06 Acero galvanizado 0,07 – 0,15 Hormigón liso 0,3 – 0,8 Hormigón rugoso 3–9 Hormigón armado 2,5 Fibrocemento nuevo 0,05 – 0,10 Fibrocemento con años de servicio 0,60 Material Pueden emplearse otras expresiones como la fórmula de Hazen-Williams. 5.3. Pérdida de carga en canales Para la pérdida de carga en canales, se usa la expresión de Manning. 2 Donde, V Rh n S (𝑅ℎ )3 0,5 𝑉= ∙𝑆 𝑛 velocidad del fluido (m/s) radio hidráulico (m) número de rugosidad de Manning pendiente o pérdida de carga (m/m) 44 El radio hidráulico es el cociente entre el área de la sección y su perímetro mojado (A/P), el cual depende de la forma del canal. 5.4. Pérdida de carga en orificios Un orificio es una abertura sumergida en la pared de un tanque, depósito o estructuras similares. La pérdida en esta singularidad puede calcularse así: 𝑄 = 𝐾 ∙ 𝐴 ∙ √2 ∙ 𝑔 ∙ ℎ Donde, caudal que pasa por el orificio (m3/s) constante (toma un valor medio de 0,62) área del orificio (m2) aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) pérdida de carga en el orificio (m.c.a.) Q K A g h 5.5. Pérdida de carga en accidentes o singularidades La pérdida de carga de una singularidad (e.g. accesorio, dispositivo de control) puede calcularse con la siguiente expresión: ℎ=𝐾∙ 𝑉2 2∙𝑔 Donde, h K V g pérdida de carga en la singularidad (m.c.a.) constante que depende de la singularidad velocidad del fluido (m/s) aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades. Singularidad K Contracción brusca 0,5 – 1,5 Expansión brusca 0,5 – 1,1 Codo 45° 0,15 – 0,19 Codo 90° 0,26 – 0,33 Válvula de compuerta 0,15 – 0,30 Válvula de retención 1,5 – 2,9 Compuerta de un canal abierto 0,2 – 0,3 Mayor información de los conceptos básicos de hidráulica pueden ser consultados en el siguiente documento: Ir al documento 45 CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO Como se expuso anteriormente, el pretratamiento, aunque no se considera un tratamiento con el que se logre reducir la carga contaminante de los vertidos, si desempeña un papel fundamental en la medida en que elimina elementos que pueden causar descensos en la eficiencia del tratamiento y, quizá lo más importante, protege los equipos, partes y unidades de la depuradora de daños que pueden resultar funestos para el funcionamiento de la planta y del sistema de evacuación y transporte de aguas residuales, en general. Los objetivos principales de la etapa del pretratamiento, son: a) Eliminar material grueso. b) Eliminar arenas. La selección del tipo de dispositivos para la etapa de pretratamiento, dependerá de: a) Tipo de aguas residuales. b) Características del agua residual. c) Tipos de unidades que serán empleadas posteriormente. d) Nivel de operación de la depuradora. Este capítulo resume el cálculo de los caudales de diseño, el caudal de entrada y de los principales dispositivos empleados en el pretratamiento, como son: pozo de muy gruesos, rejillas (o desbaste), desarenador y desarenador aireado, conocido también como desarenador-desengrasador. Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de: http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Pretratamiento Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada El flujo de aguas residuales domésticas y urbanas, dependerá especialmente de: Número de habitantes Consumo de agua potable (dotación) Coeficiente de retorno (usualmente entre 0,70 y 0,85). 46 Caudales de infiltración Conexiones erradas Aportes institucionales, comerciales e industriales El caudal medio diario (L/s) aportado a un sistema de tratamiento será: 𝑄𝑚𝑑 = 𝑄𝑑𝑜𝑚 + 𝑄𝑖𝑛𝑑 + 𝑄𝑐𝑜𝑚 + 𝑄𝑖𝑛𝑠 Donde, Qmd caudal medio diario de aguas residuales (L/s) Qdom aporte de aguas residuales de origen doméstico (L/s) Qind aporte de aguas residuales de origen industrial (L/s) Qcom aporte de aguas residuales de origen comercial (L/s) Qins aporte de aguas residuales de origen institucional (L/s) 6.1. Aporte doméstico El caudal doméstico corresponde únicamente al aporte de aguas residuales derivado de las actividades humanas (vida hogareña) en las zonas residenciales. Se calcula a partir del consumo de agua potable por persona (dotación)5, considerando que ésta -en su mayor porcentaje- es retornada al alcantarillado (entre un 70 y 85%, que corresponde al coeficiente de retorno sanitario) y el número de habitantes. El coeficiente de retorno es la fracción porcentual del consumo total de agua potable que es usada en el hogar (e.g. descarga de sanitarios, ducha, lavado de manos) y que se transforma en agua residual. Este valor se estima entre el 70 y el 85%, con lo cual, los coeficientes de retorno sanitario se encuentran entre 0,70 y 0,85. El caudal doméstico se puede calcular así: 𝑄𝑑𝑜𝑚 = 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ∙ 𝑃 ∙ 𝐶𝑅 86400 Donde, Qdom d P CR 5 corresponde al aporte de aguas residuales de las actividades domésticas (L/s). dotación o cantidad de agua potable consumida por habitante y por día (L/hab*d). número de habitantes proyectado para el periodo de diseño asignado. coeficiente de retorno sanitario (entre 0,70 y 0,85, pero usualmente corresponde se utiliza 0,80). La dotación en Colombia se estima que oscila entre 90 a 130 L/hab*d. 47 Dotación Doméstica (L/hab*d) Industrial (m3/mes) Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. Bogotá D.C. Medellín Manizales Pereira 126 150 124 160 587 203 319 279 Valores de la Contraloría General de la República, 2000. Tomados de: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion4/capitulo05/04_0 5_01.htm 6.2. Aporte industrial Pueden estimarse unos valores de aporte de aguas residuales industriales de entre 0,4 a 1,5 L/s por hectárea de suelo de uso industrial, dependiendo del nivel de industrialización de la población (mayores valores para ciudades con mayores industrias). 6.3. Aporte comercial e institucional Puede adoptarse un valor de 0,5 L/s por hectárea de suelos de uso comercial e institucional. 6.4. Aportes adicionales Las conexiones erradas (drenajes de aguas lluvias conectados a la red sanitaria en zonas donde hay alcantarillado separado), pueden sumar al flujo de aguas residuales, unos 0,2 L/s*ha. De igual manera, en época de invierno, si se tiene una red de alcantarillado unitario (llamado también “combinado”), el aporte de aguas lluvias puede estimarse en unos 2 L/s*ha. 6.5. Caudales de diseño Una vez se haya estimado el caudal medio diario “Qmd” con la suma de los aportes de aguas a la red de alcantarillado, deben estimarse el caudal mínimo y el caudal punta que puede llegar, en un momento determinado, al sistema de depuración. Las oscilaciones abruptas de caudal pueden causar disminución en la eficiencia del tratamiento y fallas a nivel hidráulico en las unidades. Por esta razón, debe preverse y evaluarse el funcionamiento de cada unidad y componente de la depuradora con cada uno de estos caudales (mínimo, medio y punta). 48 La estimación de los caudales mínimo, medio y punta, de aguas residuales, deberá estar apoyada únicamente en mediciones in situ. Jamás deberán tomarse supuestos, expresiones empíricas y otras formulaciones matemáticas como valores de diseño. Algunas expresiones para la estimación de los caudales de diseño se presentan en la Tabla 11. Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) Tamaño de la población Caudal mínimo “Qmin” Caudal punta “Qp” 0,30 ∙ 𝑄𝑚𝑑 5 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Pequeña (<20.000 h-eq) 0,45 ∙ 𝑄𝑚𝑑 3 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Mediana (20.000 a 60.000 h-eq) 0,60 ∙ 𝑄𝑚𝑑 2 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Grande (>60.000 h-eq) Cualquier tamaño de población Pregunta de análisis: ¿por qué el caudal punta de una población pequeña puede ser hasta cinco veces el valor del caudal medio diario y para una población mucho más grande es sólo del doble de su valor? En algunas ocasiones, suele hablarse también del caudal máximo horario “QMH”. No obstante, este concepto es equivalente al del caudal punta para el caso de los sistemas de depuración de aguas residuales, ya que como lo demostró Lozano-Rivas (2007), los hidrogramas de las aguas residuales al interior de las redes de alcantarillado, sufren una atenuación de su caudal punta, descrito por los modelos que rigen el comportamiento del tránsito de dicho hidrograma (Lozano-Rivas, Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado, 2007). 6.6. Canal de entrada a la depuradora La entrada de aguas residuales a la depuradora, generalmente se hace mediante un canal de sección rectangular. Dependiendo de las condiciones topográficas, este canal se proyectará antes del pozo de muy gruesos o después de este, siempre anterior a la unidad de desbaste. Este canal que se diseña con la fórmula de Manning, deberá tener un ancho y profundidad mínimo, con un área vertical útil, mayor o igual a las dimensiones del colector de aguas residuales que conduce el caudal a la depuradora. Los criterios básicos de diseño se exponen en la Tabla 12. 49 Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Altura mínima de lámina de agua 0,3 m (a caudal medio) Velocidad de flujo en el canal 0,6 a 1,0 m/s (a caudal medio) Borde libre (por encima del caudal punta al final del 0,3 a 0,4 m periodo de diseño) Coeficiente de rugosidad de Manning 0,014 (independientemente del material de construcción) Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. Ejemplo 6.1. Dimensionar un canal de entrada a una depuradora con un caudal medio diario de 69 L/s y una velocidad de flujo de 0,6 m/s. El colector de alcantarillado es de 12 pulgadas, con una pendiente del 1,5%. Solución: Siendo el colector de alcantarillado de 12 pulgadas y un área transversal de 0,073 m2, el canal deberá proyectarse con un área útil igual o mayor que esta. El área mojada del canal está dada por su ancho y dos veces su altura. Asumiendo un canal de sección cuadrada: 𝑚3 𝑄 0,069 𝑠 2 𝑄 =𝐴∙𝑉 ∴𝐴= = 𝑚 = 0,115 𝑚 𝑉 0,60 𝑠 Esta área mojada es mayor a la del colector de alcantarillado. Asumiendo una sección cuadrada, el canal tendrá unas dimensiones de 0,34 m de ancho y 0,34 m de altura útil (lámina de agua). 50 La pendiente requerida para el canal, en estas condiciones, se determina con la fórmula de Manning: 2 (𝑅ℎ )3 0,5 𝑉= ∙𝑆 𝑛 2 3 0,115 𝑚2 ( ) 𝑚 0,34𝑚 + 0,34𝑚 + 0,34𝑚 0,60 = ∙ 𝑆 0,5 𝑠 0,014 Despejando la pendiente “S”: 2 𝑆= 𝑚 0,60 𝑠 ∙ 0,014 2 = 0,0013 3 0,115 𝑚2 ( ) [ 0,34𝑚 + 0,34𝑚 + 0,34𝑚 ] 𝑚 = 0,13% 𝑚 Lección 7. Pozo de muy gruesos Se diseña especialmente para aguas residuales urbanas en donde se espera el arrastre de una gran cantidad de arenas y sólidos de gran tamaño que viajan por el alcantarillado (e.g. juguetes, pedazos de madera, trapos, muebles). Su fondo suele ser troncopiramidal invertido (en forma de tolva) para evitar la acumulación de sólidos en las paredes laterales y facilitar la extracción del material retenido, mediante el accionar de una cuchara bivalva anfibia, operada por un motor electrohidráulico. Los sólidos se extraen periódicamente, se dejan escurrir y se depositan en contenedores. Este material es incinerado o dispuesto, posteriormente, en un relleno sanitario. Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/1.entrada.gif 51 Los criterios de diseño para el pozo de muy gruesos, se exponen en la Tabla 13. Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o Rango Carga superficial (m3/m2*h) <300 (a caudal punta) Tiempo de Retención Hidráulica (s) 30 a 60 (a caudal punta) Profundidad del Pozo (m) >2 Velocidad de paso (m/s) 0,50 a 0,65 (a caudal punta) Inclinación de las paredes >70° Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obrallegada/17.jpg La carga superficial puede ser entendida como la cantidad de caudal (m3/h) de aguas residuales que es tratada por cada unidad de superficie (m2) del tanque o reactor. Sus unidades son “m3/m2*h”, lo que es igual a “m/h” y por ello se comporta de manera análoga a una velocidad de tratamiento. Ejemplo 7.1. Dimensionar un pozo de muy gruesos para un caudal punta de aguas residuales de 690 L/s, una carga superficial de 270 m/h, un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 60 s y una velocidad de paso de 0,50 m/s. 52 Aclaración: Para todos las fórmulas y ecuaciones contenidas en este módulo, con el fin de evitar confusiones en la manera de expresar matemáticamente los conceptos de “Volumen” y “Velocidad”, se emplearán las letras “∀” para volumen y “V” para velocidad. Solución: Con el tiempo de retención hidráulico, se estima el volumen del pozo: 𝑄= ∀ ∴ ∀= 𝑄 ∙ 𝑇𝑅𝐻 𝑇𝑅𝐻 ∀= 0,69 𝑚3 ∙ 60𝑠 = 41,4 𝑚3 𝑠 El área superficial del pozo se determina con la carga superficial (270 m/h): 𝑚3 3600 𝑠 𝑄 0,69 𝑠 ∙ 1 ℎ 𝐴𝑠 = = = 9,2 𝑚2 𝑚 𝑉 270 ℎ Se verifica que el calado (profundidad) del pozo esté acorde con el mínimo establecido: ℎ= ∀ 41,4 𝑚2 = = 4,5 𝑚 𝐴𝑠 9,2 𝑚2 Esta profundidad es mayor a la recomendada (>2 m), por lo tanto se acepta. Se proyectarán las paredes con una inclinación superior a los 70° respecto de la horizontal. Un video de una prueba de una cuchara bivalva anfibia de un pozo de gruesos, se puede apreciar abriendo este hipervínculo. Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esquema_muygruesos.png 53 Lección 8. Desbaste Los elementos flotantes como plásticos, trozos de madera y ramas, entre otros, deben ser retirados en el desbaste. Esta unidad no es prescindible en ninguna depuradora y es independiente de la existencia o no, del pozo de muy gruesos. El desbaste se conoce también como cribado y se hace, de manera frecuente, mediante la instalación de rejillas metálicas de diferentes características de diseño y operación, dependiendo del tipo de agua a tratar. Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/2.desbaste.gif 8.1. Clasificación de las rejillas de desbaste Las rejas pueden clasificarse según: Su limpieza o Manual o Mecánica Su separación entre barrotes o Fina: entre 0,5 y 1,5 cm de separación o Media: entre 1,5 y 5,0 cm de separación o Gruesa: mayor a 5,0 cm de separación Su inclinación o Verticales: a 90° respecto de la horizontal o Inclinadas: entre 60 y 80° respecto de la horizontal El tamaño de los barrotes usados en las rejillas, dependerá del tamaño de los materiales que se pretende retener, con el fin de que sean lo suficientemente fuertes para que no se 54 deformen. Para rejillas gruesas se usan barrotes de entre ½ y 1 pulgada (1,3 a 2,5 cm) de diámetro (o de ancho) y para las finas, de entre ¼ y ½ pulgada (0,6 a 1,3 cm). 8.2. Rejillas de limpieza manual Se instalan en depuradoras pequeñas y son inclinadas (usualmente a 60° respecto de la horizontal) para facilitar las labores de limpieza del operario, quien retira los sólidos retenidos en la rejilla con ayuda de un rastrillo u otra herramienta similar dentada y los dispone temporalmente en una lámina perforada o canastilla, conocida como depósito escurridor, para eliminar el agua. Posteriormente, estos desechos se llevan a incineración o a un relleno sanitario. Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9e770a877a3fbf5149553f1525633a7d 55 8.3. Rejillas de limpieza mecánica Llamadas también rejillas de limpieza automática; éstas suelen instalarse en depuradoras grandes cuyos grandes caudales arrastran ingentes cantidades de materiales gruesos de forma permanente, que no podrían ser evacuados manualmente. Estas rejillas suelen ser verticales, con inclinaciones que varían entre los 80 y 90° respecto de la horizontal. Los mecanismos de limpieza son variables dependiendo del fabricante; los más usuales son los de barras dentadas o los de peines giratorios. Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/Producto-Reja-de-desbaste-37170.html Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de: http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSESSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 Un video de cribas mecánicas, puede apreciarse abriendo este hipervínculo. 56 8.4. Diseño del desbaste Los criterios de diseño de las rejillas se fundamentan en las velocidades de paso del flujo de aguas residuales, a través de ellas. Esta velocidad no debe ser tan baja que promueva la sedimentación de sólidos en el canal ni tan alta que genere arrastre de sólidos ya retenidos por los barrotes de la reja. Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Velocidad mínima de paso 0,6 m/s (a caudal medio) Velocidad máxima de paso 1,4 m/s (a caudal punta) Grado de colmatación estimado entre intervalos de 30% limpieza Pérdida de carga máxima admisible 15 cm (a caudal medio) Una vez se tengan definidas las dimensiones del canal de desbaste, el área del canal en la zona de la rejilla se puede calcular con la siguiente expresión: 𝐴𝑅 = 𝐵𝑐 ∙ 𝐿 𝐺 ∙ (1 − ) 𝐿+𝑏 100 Donde, AR Bc L b G área útil del canal en la zona de la rejilla (m2) ancho del canal (m) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m) grado de colmatación (usualmente se adopta un valor de 30%) Debido a que los barrotes restan área útil del canal, incrementando la velocidad del flujo entre la rejilla, se hace necesario, en ocasiones, incrementar el ancho del canal en la zona donde está ubicada la criba o aumentar la profundidad (Ilustración 11). Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999) 57 Para estimar el ancho o la profundidad en la zona de la rejilla, se puede emplear la siguiente expresión: 𝑃=𝑄∙ 𝑏+𝐿 𝐺 (1 − 100) ∙ 𝑉𝑝 ∙ 𝐿 ∙ 𝐵𝑐 Donde, P Q Vp profundidad en la zona de rejillas (m) caudal de aguas residuales (m3/s) velocidad de paso entre la rejilla (m/s) La pérdida de carga generada por la rejilla (diferencia de altura de la lámina de agua antes y después del paso por la rejilla se puede calcular con esta expresión propuesta por LozanoRivas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): 𝑉𝑝 2 ∆𝐻 = 9,1 Donde, H Vp pérdida de carga generada por la rejilla (m) velocidad de paso del agua a través de la rejilla (m/s) El número de barrotes se puede calcular con la siguiente expresión: 𝑁= 𝐵𝑅 − 𝐿 𝑏+𝐿 Donde, N BR L b número de barrotes ancho del canal en la zona de rejilla (m) luz o espacio entre barrotes (m) ancho de los barrotes (m) Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) Tipo de rejilla Cantidad de sólidos retenidos Fina 5 a 12 mL/d*hab Gruesa 12 a 25 mL/d*hab 58 Ejemplo 8.1. Calcular el tamaño de una rejilla fina, de limpieza manual, para el canal de entrada y el caudal del ejemplo 6.1. (Qmd = 69 L/s. Vcanal = 0,6 m/s. Dimensiones del canal: 0,34 x 0,34 m y un borde libre de 0,35 m). La criba tendrá barrotes de 0,6 cm de ancho y 1,2 cm de separación; con una velocidad de paso en la rejilla de 0,8 m/s. Solución: Se calcula la sección o área útil del canal en la zona de la rejilla, así: 𝐴𝑅 = 𝐵𝑐 ∙ 𝐿 𝐺 0,012 𝑚 30 ∙ (1 − ) = 0,34 𝑚 ∙ ∙ (1 − ) = 0,159 𝑚2 𝐿+𝑏 100 0,012 𝑚 + 0,006 𝑚 100 La profundidad en la zona de rejilla, manteniendo el mismo ancho del canal en la zona de rejilla, será: 𝑃=𝑄∙ = 0,069 𝑏+𝐿 𝐺 (1 − 100) ∙ 𝑉𝑝 ∙ 𝐿 ∙ 𝐵𝑐 𝑚3 0,006 𝑚 + 0,012 𝑚 ∙ = 0,54 𝑚 𝑠 (1 − 30 ) ∙ 0,8 𝑚 ∙ 0,012𝑚 ∙ 0,34 𝑚 100 𝑠 La pérdida de carga generada por la rejilla, empleando la expresión de Lozano-Rivas, será: 𝑚 2 𝑉𝑝 2 (0,8 𝑠 ) ∆𝐻 = = = 0,07 𝑚 = 7,0 𝑐𝑚 9,1 9,1 Esta es una pérdida de carga aceptable. El número de barrotes será: 𝑁= 𝐵𝑅 − 𝐿 0,34 𝑚 − 0,012 𝑚 = = 18,2 ≅ 18 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑜𝑡𝑒𝑠 𝑏+𝐿 0,006 𝑚 + 0,012 𝑚 Lección 9. Desarenador En el desarenador, como lo indica su nombre, se remueven las partículas de arena y similares, que tienen un peso específico de cercano a 2,65 g/cm3 y tamaños superiores a los 0,15 mm de diámetro (e.g. cáscaras, semillas). Este tipo de partículas presentes, 59 especialmente, en las aguas residuales urbanas y muy rara vez en las de tipo industrial, causan abrasión y daños en las tuberías y en otros equipos de la depuradora. Los desarenadores consisten, simplemente, en un ensanchamiento del canal de pretratamiento, en donde la velocidad del agua disminuye lo necesario para permitir la sedimentación de las partículas discretas, pero no lo suficiente para que se presente asentamiento de la materia orgánica. Su diseño está soportado, entonces, en las velocidades de sedimentación de las partículas que quieren removerse, las cuales son explicadas mediante las fórmulas de Stokes (flujo laminar), Newton (flujo turbulento) y Allen (régimen transitorio). Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010) Diámetro de partícula Velocidad de sedimentación 0,15 mm 40 a 50 m/h 0,20 mm 65 a 75 m/h 0,25 mm 85 a 95 m/h 0,30 mm 105 a 120 m/h El contenido de materia orgánica en las arenas extraídas está, usualmente, entre el 3 y el 5%. Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada de: http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/ Los valores expuestos como criterios de diseño son valores guía que nunca se podrán constituir en “camisa de fuerza” para llevar a cabo los cálculos de las unidades. 60 Los desarenadores se diseñan con el caudal punta; los criterios para su cálculo se presentan en la Tabla 17. Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Carga superficial 40 a 70 m3/m2*h (a caudal punta) Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 100 a 300 s (a caudal punta) Más frecuentemente = 180 s Velocidad horizontal 0,20 a 0,40 m/s (a caudal punta) Longitud 10 a 30 veces la altura de la lámina de agua Altura mínima de la unidad 1,0 m Altura máxima de la unidad 2,5 m La cantidad de arena removida por estas unidades oscila entre 5 y 40 mL por m 3 de agua residual tratada para alcantarillados sanitarios, con valores típicos cercanos a los 20 mL/m3. Si la red es combinada, estos valores podrían ascender en épocas de invierno, a 200 mL/m3. Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura sin el debido sustento. Para el caso del diseño de un desarenador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad en una columna de sedimentación. Ejemplo 9.1. Determinar las características de una unidad compuesta por dos canales desarenadores que tratan un caudal punta de aguas residuales de 690 L/s. Se asume una carga superficial de 40 m/h. Solución: Al ser dos canales de desarenado, cada uno tratará la mitad del caudal que ingresa a la depuradora (345 L/s). Operando la carga superficial como una velocidad, el área de cada canal es: 𝑚3 3600 𝑠 0,345 𝑄 𝑠 ∙ 1 ℎ = 31,05 𝑚2 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑉 ∴ 𝐴𝑠 = = 𝑚 𝐶𝑠 40 ℎ Considerando que se trata un caudal mediano, la altura o profundidad efectiva “P” de la unidad se establecerá en 1,2 m. 61 El volumen efectivo de cada canal de desarenado es: ∀= 𝐴𝑠 ∙ 𝑃 = 31,05 𝑚2 ∙ 1,2 𝑚 = 37,26 𝑚3 Para este volumen, se verifica el tiempo de retención hidráulica “TRH”: 𝑄= ∀ ∀ 37,26 𝑚3 ∴ 𝑇𝑅𝐻 = = = 108 𝑠 𝑚3 𝑇𝑅𝐻 𝑄 0,345 𝑠 Para una velocidad horizontal “VH” de 0,30 m/s, se calcula, también, el área transversal “AT” de cada desarenador, así: 𝑚3 0,345 𝑠 𝑄 2 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑉 ∴ 𝐴𝑇 = = 𝑚 = 1,15 𝑚 𝑉𝐻 0,30 𝑠 Para una altura o profundidad efectiva “P” de 1,2 m, el ancho de cada canal será: 𝐵= 𝐴𝑇 1,15 𝑚2 = = 0,96 𝑚 𝑃 1,0 De manera que el largo “L” del canal será: 𝐴𝑠 31,05 𝑚2 𝐿= = = 32,4 𝑚 𝐵 0,96 Esta longitud equivale a 27 veces la profundidad efectiva del desarenador o de la altura de la lámina de agua. Este valor se encuentra entre el rango recomendado (10 a 30). Lección 10. Desarenador-Desengrasador El desarenador-desengrasador es una variante del desarenador convencional, empleado en grandes instalaciones depuradoras. En este tipo de canales aireados además de remover las arenas y otras partículas de peso específico similar, se retirarán también grasas, aceites, espumas y otro material flotante que pueden causar interferencia en los tratamientos posteriores y que, incluso, (como en el caso de las grasas) podrían promover la aparición organismos filamentosos causantes del bulking en los reactores biológicos. 62 Este tipo de unidades tienen básicamente tres zonas diferenciadas, además de las de entrada y salida: Zona de desengrasado Zona de desarenado Zona de extracción de arenas En la zona de desengrasado, un bafle disipa la energía generada por los difusores aireadores, permitiendo el ascenso, sin turbulencias, de grasas desemulsionadas, aceites y otros flotantes adheridos a las microburbujas de aire producidas por los difusores. Un dispositivo desnatador, montado sobre un puente grúa, se desplaza permanentemente por esta zona retirando los flotantes que se van acumulando. El fondo inclinado de esta zona (45° de pendiente) permite también que las arenas afectadas por la turbulencia de la aireación, rueden libres hasta el fondo de la unidad en donde se encuentra la zona de extracción de arenas. Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradorasgeneran-679-toneladas-de-fangos/ 63 Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Griftchamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Grift-chamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor. En la zona de desarenado, se ubica también el suministro de aire a través de unos difusores de poro fino, los cuales se ubican a profundidad, en la pared opuesta a la zona de desengrasado. Estos difusores provocan un movimiento de tipo helicoidal al interior de la unidad y el aire insuflado reduce los olores y ayuda en la limpieza de las arenas extraídas. Así mismo, en el fondo de esta zona, se encuentra el tubo extractor de arenas, el cual está montado sobre un puente grúa que se desplaza lentamente por toda la longitud del canal, succionando el material decantado. Los materiales extraídos, tanto flotantes como arenas, son llevados temporalmente a un contenedor para ser luego incinerados o dispuestos en un relleno sanitario. Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño de cualquier unidad, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse, a la ligera, valores de rangos dados por una normativa o por la literatura. Para el caso del diseño de un desarenadordesengrasador, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad y de flotación inducida en columnas diseñadas para este fin. 64 Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo). En la izquierda está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg Los criterios de diseño del desarenador-desengrasador se aprecian en la Tabla 18. Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Carga superficial < 40 m3/m2*h (a caudal punta) Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 12 a 16 min (a caudal medio) Caudal tratado por unidad 0,2 a 0,4 m3/s (a caudal medio) Velocidad horizontal 0,02 a 0,07 m/s (a caudal punta) Relación Longitud/Ancho 3/1 a 10/1 Profundidad 2a5m Relación Profundidad/Ancho 1/1 a 3/1 Longitud 7,5 a 25 m Ancho 3a8m Suministro de aire 0,5 a 2,0 m3/h*m3 de tanque Profundidad de los difusores 0,5 a 0,9 m respecto del fondo del tanque Ejemplo 10.1. Diseñar unos canales desarenadores-desengrasadores para un caudal medio de 1,0 m3/s y un caudal punta de 2,2 m3/s. Solución: 65 Para este caudal, se proyectarán 4 canales de desarenado-desengrasado. Cada uno tratará 0,25 m3/s de agua residual, a caudal medio. Aclaración: Para este tipo de unidades, se calculan las dimensiones del canal de desarenado. La zona de desengrasado se adiciona considerando un ancho igual a 1/3 del ancho de la zona de desarenado y una profundidad, antes del inicio de la inclinación a 45°, de 1/3 de la altura de la zona de desarenado (Lozano-Rivas, 2012). Se calcula el volumen requerido por cada unidad, tomando un tiempo de retención de 15 minutos. ∀= 𝑄 ∙ 𝑇𝑅𝐻 = 0,25 𝑚3 60 𝑠 ∙ 15 𝑚𝑖𝑛 ∙ = 225 𝑚3 𝑠 1 𝑚𝑖𝑛 Se tomará como valor de carga superficial, 35 m/h para el caudal punta. Con este valor, se estima el área superficial: 𝑚3 3600 𝑠 0,55 𝑄𝑝 𝑠 ∙ 1 ℎ = 56,57 𝑚2 𝐴𝑠 = = 𝐶𝑠 35 𝑚/ℎ El área transversal de la unidad se calcula estimando una velocidad horizontal de flujo de 0,05 m/s trabajando con el caudal punta. 𝑚3 0,55 𝑄𝑝 𝑠 = 11 𝑚2 𝐴𝑇 = = 𝑉ℎ 0,05 𝑚/𝑠 La longitud del canal, será: ∀ 225 𝑚3 𝐿= = = 20,45 𝑚 𝐴𝑇 11 𝑚2 La profundidad útil del canal, será: ∀ 225 𝑚3 𝑃= = = 3,98 𝑚 𝐴𝑠 56,57 𝑚2 El ancho de la unidad de desarenado, será: 𝐵= ∀ 225 𝑚3 = = 2,77 𝑚 𝑃 ∙ 𝐿 3,98 𝑚 ∙ 20,45 𝑚 66 Así, la relación Longitud/Ancho es de 7,4/1 y la relación Profundidad/Ancho es 1,44, que está dentro de los límites recomendados. Adicionando un tercio más del ancho de la zona de desarenado para proyectar la zona de desengrasado, la cual estará separada por una pantalla, el ancho total de la unidad será: 𝐵 2,77 𝑚 𝐵𝑇 = 𝐵 + ( ) = 2,77 𝑚 + ( ) = 3,69 𝑚 3 3 El suministro de aire, asumiendo un valor de 1 m3/h*m3 de tanque, será de: 𝐴𝑖𝑟𝑒 = 𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜 ∙ ∀= 1 𝑚3 𝑎𝑖𝑟 𝑚3 3 ∙ 225 𝑚 = 225 ℎ ∙ 𝑚3 ℎ Mayor información sobre el pretratamiento y sobre medidores de caudal, puede ser consultada en el documento del Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo de España: Ir al documento También en la documentación de Dègremont: Ir al documento 67 CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO Esta etapa tiene como objetivo eliminar, por efecto de la gravedad, los sólidos suspendidos de las aguas residuales; se logra bien sea de manera libre, o asistida con químicos que aglomeran las partículas (floculantes) para que ganen peso y decanten con mayor velocidad. Estos sólidos suspendidos eliminados son, en su mayoría, materia orgánica, por lo cual se presenta una reducción importante en la concentración de DBO del efluente. Las operaciones unitarias más frecuentemente empleadas para el tratamiento primario de las aguas residuales urbanas, son: Decantadores. Tamices (usados, generalmente, para aguas residuales industriales). Unidades de decantación asistida químicamente. Paras las aguas residuales industriales, suelen emplearse también unidades de flotación, que se tratarán en detalle en la Lección 34. Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria Algunas partículas presentes en las aguas residuales, por su baja densidad y poco tamaño, no alcanzan a ser removidas en el tratamiento primario. La mayor parte de estas partículas (50 a 70%) corresponden a materia orgánica en suspensión, que debe ser eliminada en tanques con velocidades muy bajas, tiempos largos de retención y flujos laminares que permitan la decantación de estas partículas por efecto de la gravedad. 11.1. Tipos de sedimentación La sedimentación se presenta de diferentes maneras dependiendo de la temperatura, del tipo de partículas presentes, de su concentración en el agua, del tipo de sedimentador y de la zona de la unidad en donde ocurre ese fenómeno (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Estos tipos de sedimentación pueden apreciarse en la Tabla 19. Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Tipo de Sedimentación Características de los Características de la Tipos de unidades de sólidos sedimentación tratamiento I Partículas discretas y Cada partícula Desarenadores, dársenas De partículas discretas aisladas en soluciones sedimenta de forma de sedimentación o diluidas independiente sin presedimentadores interacción entre ellas 68 II De partículas floculentas Partículas (coloides) floculentas o aglomerables III Zonal o interferida Suspensiones de sólidos aglomerables de concentración intermedia IV Por compresión Suspensiones de alta concentración ni con el fluido que las contiene Las partículas se van aglomerando formando coágulos o flóculos de mayor tamaño y peso La sedimentación es interferida dada la cercanía entre partículas y se comportan como un bloque Las partículas están en contacto íntimo entre ellas y su peso forma una masa compactada en el fondo de las unidades Sedimentadores de agua potable (con coagulación-floculación previas) y decantadores de aguas residuales Sedimentadores y decantadores de flujo ascendente y de manto de lodos Compactación de lodos en sedimentadores y en unidades de espesamiento de aguas residuales En la Ilustración 13 se muestran diferentes tipos de unidades que en su orden (de arriba hacia abajo) corresponden a: un desarenador, un sedimentador de placas inclinadas, un decantador de aguas residuales. Puede evidenciarse que, en la práctica, en una unidad de tratamiento se presentan, de manera simultánea, dos o más tipos de sedimentación (llamada también clarificación) (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de Potabilización de Agua, 2012). Los decantadores son unidades de gran tamaño, debido a los altos tiempos de retención hidráulica que emplean. Luego del proceso de decantación, queda como producto agua residual clarificada y un lodo o fango primario. En casos excepcionales, la decantación primaria es el único proceso de depuración que se le realiza al agua, siempre y cuando la legislación lo permita y el efluente cumpla con los niveles de remoción establecidos. No obstante, la práctica muestra que aunque un tratamiento primario logre cumplir con la normativa ambiental, la calidad del efluente podrá causar impactos considerables a los ecosistemas hídricos. Por esta razón, el tratamiento primario suele ser parte de un proceso más largo, acompañado, al menos, de tratamientos biológicos que reduzcan los niveles de carga contaminante. Los decantadores que se usan en el tratamiento de las aguas residuales pueden clasificarse en: Circulares: el agua ingresa ascendiendo por el centro y es recogida en un canal perimetral. Rectangulares: el agua ingresa por un extremo y es extraída por el opuesto. 69 Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda Valencia, 2000). 11.2. Decantadores circulares Los decantadores circulares son de mayor uso, debido a que facilitan las labores de mantenimiento y purga de fangos. Tienen un diámetro que oscila entre los 10 y los 60 m. El ingreso del agua se hace mediante una campana deflectora ubicada en el centro de la unidad que obliga a que el agua ingrese por la parte baja y, además, funciona como atenuadora de la energía de flujo, eliminando turbulencias que pueden afectar la decantación de las partículas. El agua es recogida por un canal perimetral dentado, para asegurar una salida homogénea del efluente clarificado en cada metro lineal de la periferia del tanque. Adicionalmente, se proyecta, también, antes de la salida del agua, una lámina o pared deflectora que evita que salga la porción más superficial del agua, la cual lleva consigo sólidos, espumas y otros objetos flotantes. El sistema de barrido de fangos se realiza a través de un puente móvil que se desplaza lentamente por todo el decantador y que posee en su fondo unas rasquetas que empujan los lodos hacia la poceta de fangos, la cual se encuentra ubicada en el centro del tanque 70 circular. Adicionalmente, este mismo puente tiene en su superficie una lámina, conocida como desnatador, que arrastra el material flotante hasta la tolva de grasas o colector de espumas. 11.3. Decantadores rectangulares Son mucho menos usados que los circulares. El ingreso del agua residual se hace a través de un vertedero con un deflector frontal que permite el ingreso por la parte baja de la unidad y disminuye la energía del flujo. Para la salida del efluente, en el extremo opuesto, se emplea un vertedero dentado. Los lodos y las natas son empujados por unas rasquetas adosadas a un puente móvil que se desplaza a lo largo de la unidad. Otra opción es el uso de rasquetas movidas por una cadena sinfín. Un video sobre tecnologías en decantación de aguas residuales puede apreciarse abriendo este hipervínculo y configurando su visualización a pantalla completa. Lección 12. Tamices Por el tamaño de las aberturas que manejan este tipo de unidades, no es recomendable su uso con aguas residuales brutas que traen consigo gran cantidad de elementos gruesos y/o arenas. Aunque varios autores clasifican los tamices como unidades de pretratamiento, los pequeños tamaños de poro que manejan estas unidades permiten la eliminación de una parte considerable de materia orgánica suspendida; por esta razón, el autor considera que los tamices pueden ser clasificados, también, como una unidad de tratamiento primario, útil en la depuración de aguas residuales de tipo industrial. Muy pocas industrias tienen la disponibilidad de terreno para construir grandes decantadores primarios, en consecuencia, los tamices y las unidades de flotación forzada que ocupan mucho menos espacio, se constituyen en las unidades de tratamiento primario más empleadas en estos casos. No obstante, aunque el uso de tamices es muy escaso en depuradoras urbanas por su escasa capacidad para manejar grandes caudales, en algunos países latinoamericanos, como México, se usan de manera regular para este tipo de efluentes. Los tamices manejan tamaños de abertura entre 0,2 y 3 mm. Están hechos de un tejido de hilos de acero inoxidable, cuya disposición garantiza una superficie que prácticamente no se obstruye y que tiene un alto poder de filtrabilidad. Los tamices pueden clasificarse en: Estáticos Giratorios 71 Los tamices pueden sustituir los decantadores primarios en aguas residuales industriales de procesos como: Industria de alimentos en general. Industrias de lácteos. Ingenios azucareros. Cervecerías. Destilerías. Industrias de bebidas no alcohólicas. Frigoríficos. Industria de papel. … 12.1. Tamiz estático Los más empleados son los curvos. Suelen tener una inclinación de unos 25° respecto de la vertical. El agua ingresa por la parte superior y, mientras los sólidos quedan retenidos en la superficie, el agua se cuela atravesando el tamiz, para ser recogida por la parte baja. El material detenido se va deslizando, por la acción del agua y del nuevo material retenido, hacia el extremo inferior, en donde cae a una tolva. Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapture1.jpg 72 Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de: http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).jpg 12.2. Tamiz rotatorio Este tipo de tamices cuenta con un tambor filtrante y un cuerpo de filtro, en acero inoxidable, sobre el cual se monta el tambor. Dispone de una rasqueta que elimina los sólidos retenidos en la superficie el tambor. Los tamices rotatorios tienen una mayor capacidad de tratamiento por metro lineal, que los tamices estáticos (cerca de unas 2,5 veces más), pero tienen la desventaja de causar un mayor gasto energético y más desgaste de las piezas. Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20funcionando.jpg 73 Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shops/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94 C/9B1E/6626/tamiz-rotativo-esquema.jpg 12.3. Selección del tamiz La selección de este tipo de unidades se hace a partir de las diferentes alternativas que ofrecen los fabricantes y de las características propias del diseño del tamiz. Sin embargo, para tener un referente, Lozano-Rivas plantea unos valores indicativos de la capacidad de tamizado de estas unidades, en las Tablas 20 y 21. Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Abertura del tamiz (mm) Caudal tratado por metro lineal (m3/h) 0,15 15 0,25 20 0,50 40 0,75 50 1,00 60 1,50 75 2,00 90 2,50 100 3,00 110 Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Abertura del tamiz (mm) Caudal tratado por metro lineal (m3/h) 0,15 30 0,25 50 0,50 90 0,75 120 74 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 145 180 210 240 260 Un video sobre tamices puede apreciarse abriendo este hipervínculo. Lección 13. Decantador primario Estas unidades pueden alcanzar niveles de remoción de entre 25 y 40% para DBO y entre 50 y 70% para SST. Los decantadores primarios se componen de: Tanque decantador. Estructuras de entrada y salida del agua. Puente (móvil) del decantador. Dispositivos de eliminación y extracción de flotantes. Dispositivos de extracción de fangos. Estas partes pueden apreciarse en la Ilustración 16. Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/decantacion.htm 75 Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/5.jpg Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam1/10.jpg Los criterios de diseño del decantador primario se exponen en la Tabla 22: 76 Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Tiempo de retención hidráulico (TRH) 2 a 3 horas (sin tratamiento secundario posterior y a caudal punta) 1 a 2 horas (con tratamiento biológico posterior y a caudal punta) Carga superficial Capacidad de tratamiento de cada unidad Carga sobre el vertedero Profundidad del decantador (en la vertical del vertedero de salida) Pendiente de fondo hacia la poceta de fangos Relación diámetro/altura Diámetro de la campana deflectora Altura de la campana deflectora Velocidad máxima perimetral del puente del decantador Características de la poceta de fangos 2 a 3 m3/m2*h (a caudal punta) < 0,25 m3/s (a caudal medio) < 40 m3/h*m lineal del vertedero perimetral (a caudal punta) 2,5 a 4,0 m 2a8% 5 a 16 15 a 20% del diámetro del decantador 33 a 20% de la profundidad del decantador < 120 m/h Tronco-cono invertido con una pendiente aprox. de 1:12 Capacidad de almacenamiento de lodos generados: entre 1 y 5 horas Se estima una producción de natas y flotantes de 5 mg/m3 de agua tratada, con una concentración de 6 g/L. La producción de fangos para decantadores, se calcula de la siguiente manera: ∀𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 = 𝐶𝑆𝑆𝑇 ∙ 𝐸 𝐶𝑓 Donde, lodos CSST E Cf volumen de lodos (L/d considerando una densidad de 1 kg/L) carga de sólidos suspendidos totales (kg/d) coeficiente de reducción de sólidos en el decantador coeficiente de concentración de lodos en el decantador (3 a 7% para sólidos almacenados en pocetas y 1 a 2% cuando se hace extracción por succión). 77 Es importante recordar que los valores que se toman para el diseño, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura técnica, sin el debido sustento. Para el caso del diseño de los decantadores, deben efectuarse ensayos de sedimentabilidad en columnas diseñadas para este fin. Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600/DSC_0173.JPG Ejemplo 13.1. Dimensionar las características básicas de un decantador primario para un caudal medio de 690 L/s y caudal punta de 2000 m3/s. Se proyecta tratamiento biológico posterior. Solución: Se proyectarán 8 unidades decantadoras: cada una tratará un caudal medio de 86,25 L/s y un caudal punta de 250 L/s. El volumen de cada decantador, considerando un tiempo de retención de 2 horas a caudal punta, es: 𝑚3 3600 𝑠 ∀ = 𝑄𝑝 ∙ 𝑇𝑅𝐻 = 0,25 ∙2ℎ∙ = 1800 𝑚3 𝑠 1ℎ El área superficial de cada decantador, considerado una carga de 2 m/h, es: 78 𝑚3 3600 𝑠 0,25 𝑄𝑝 𝑠 ∙ 1 ℎ = 450 𝑚2 𝐴𝑠 = = 𝐶𝑠 2 𝑚/ℎ Se calcula y verifica la altura de la unidad: 𝑃= ∀ 1800 𝑚3 = = 4𝑚 𝐴𝑠 450 𝑚2 Esta altura se encuentra dentro del límite recomendado (2,5 a 4,0 m), por lo cual se acepta. El diámetro del tanque será: 𝐴= 𝜋 ∙ 𝐷2 4∙𝐴 4 ∙ 450 𝑚2 ∴𝐷=√ =√ = 23,94 𝑚 4 𝜋 𝜋 Con este diámetro, la relación diámetro/altura es aproximadamente igual a 6, que se encuentra dentro de los valores recomendados. Se verifica la carga del vertedero, calculando la longitud del perímetro del tanque: 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 𝜋 ∙ 𝐷 = 𝜋 ∙ 23,94 𝑚 = 75,2 𝑚 𝑚3 3600 𝑠 3 0,25 𝑠 ∙ 𝑄𝑝 1 ℎ = 11,97 𝑚 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 = = 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 75,2 𝑚 ℎ∙𝑚 Este valor está por debajo del máximo permitido y esto evitará un efecto de succión sobre los fangos decantados en la unidad. Lección 14. Decantación asistida químicamente Los decantadores empleados para el Tratamiento Primario Químicamente Asistido (TPQA) tienen idéntica configuración y funcionamiento que los decantadores convencionales, sin embargo, con la ayuda de sales coagulantes, las cuales promueven o facilitan la aglomeración de flóculos o coágulos de mayor tamaño y peso, se pueden alcanzar niveles de remoción de entre 60 y 80% para DBO y entre 65 y 85% para SST. Aunque su uso no es muy común en las depuradoras municipales, se suele emplear en instalaciones que sólo cuentan con tratamiento primario, con el fin de alcanzar los niveles 79 de remoción exigidos por la autoridad ambiental. De igual manera, algunos vertidos industriales que tienen altas cargas de coloides y otras sustancias de difícil remoción por gravedad, deben ser tratados con asistencia química. Es importante recordar que los coloides son partículas de escaso tamaño, con unas características eléctricas de superficie cuya carga negativa hace que se repelan incesantemente unas a otras, en un fenómeno conocido como “movimiento browniano”. Los coagulantes o aglomerantes, atrás mencionados, son sustancias químicas, conocidas bajo el genérico de “sales metálicas coagulantes”, que desestabilizan las partículas coloidales neutralizando su carga negativa de superficie; de esta manera, tales partículas que antes se repelían, pueden ahora agruparse, constituyendo flóculos de tamaño y peso suficientes para ser afectados por la gravedad. No obstante, las partículas desestabilizadas no logran “per sé”, agruparse. Es necesario proporcionarles una agitación suave que les permita incrementar su oportunidad de contacto, es decir, encontrarse unas con otras para formar así los flóculos. En resumen, es fundamental hacer una correcta aplicación de la solución de coagulante, de manera que se mezcle rápidamente y de manera homogénea con la masa de agua (esto se denomina “coagulación”) y, posteriormente, proveer una agitación suave que incremente la oportunidad de contacto entre los coloides desestabilizados (lo que se denomina “floculación”), antes de pasar el agua al decantador. En algunas depuradoras se acondiciona una estructura al interior del mismo decantador para realizar la coagulación-floculación. Sin embargo, lo más común es emplear el llamado “serpentín de mezcla”. Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://ptecdaf.com/images/flocculator.png 80 Para el correcto funcionamiento de la sal coagulante, es necesario controlar el pH. En la Tabla 23, se exponen los rangos óptimos de pH para la actuación eficiente de los coagulantes más comunes. Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Sal coagulante pH óptimo Cloruro férrico (FeCl3) 4,0 a 11,0 unidades Sulfato férrico 3,5 a 11,0 unidades Policloruro de aluminio (PAC) 5,5 a 9,0 unidades Como ayudas adicionales al proceso, pueden usarse también otras sustancias de refuerzo o ayuda, llamadas coadyuvantes de floculación. Estos coadyuvantes son polímeros (macromoléculas) de cadenas largas y alto peso molecular, obtenidos a partir de extractos de algas, almidones o derivados de la celulosa. Su estructura permite “atrapar” flóculos preformados, haciéndolos mucho más resistentes, grandes y pesados, incrementando así la eficiencia del proceso. Su principal desventaja es su alto costo (no sólo de adquisición, sino de manejo dentro del proceso). Recientemente, se ha encontrado que algunos monómeros de estas cadenas poliméricas son tóxicos e incluso, cancerígenos. Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelni-valgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg La asistencia con químicos puede ser muy costosa en una depuradora de aguas residuales. El autor conoce ce casos en Colombia en los que el gasto en químicos representa cerca del 70% del costo de operación de una planta de tratamiento de aguas residuales. 81 Tanto los coagulantes como los coadyuvantes se aplican en solución. Las recomendaciones de dosificación para estas sustancias químicas y su aplicación, se exponen en la Tabla 24. Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Coagulante Dosis (ppm) Aplicación Floculante Dosis (Polímero) (ppm) Cloruro Férrico (FeCl3) Sulfato Férrico (Fe2(SO4)3) 100-150 Eliminación de la materia orgánica 50-100 Eliminación de fósforo en tratamiento biológico 100-200 Eliminación de fósforo en tratamiento fisicoquímico Eliminación de fósforo en tratamiento terciario 50-100 Policloruro de Aluminio (PAC) al 18% Sal Mixta de Fe y Al 75-100 Eliminación de materia orgánica y fósforo 25-50 Eliminación de materia orgánica y fósforo en tratamiento primario Eliminación de fósforo en tratamiento fisicoquímico 150-250 Aniónico 0,5-1,0 Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios 15.1. Residuos de pretratamiento Para facilitar su transporte, los residuos retirados del pozo de muy gruesos y del cribado, deben escurrirse y compactarse mediante el uso de prensas hidráulicas o mecánicas. La arena extraída en forma manual de los canales de desarenado, no es reutilizable; por esta razón, debe ser enviada a un relleno sanitario junto con los residuos deshidratados del pozo de muy gruesos y del cribado. Para el caso de desarenadores aireados y desarenadores-desengrasadores, cuya extracción de arenas se realiza por bombeo continuo, el extraído debe llevarse a depósitos de poca profundidad en donde la arena se deposita en el fondo y el agua se extrae por rebose y es regresada a la entrada del desarenador nuevamente. Otra opción es el retiro mediante un tornillo de Arquímedes, el cual permite la extracción de la arena en seco o, también, a través de un hidrociclón equipado de un tornillo sinfín. 82 La arena se lleva a unos contenedores para su posterior disposición. En algunas instalaciones lavan las arenas antes de su almacenamiento temporal en unos lavadores tipo Geiger. Esto evita la aparición de malos olores. Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de: http://img.directindustry.es/images_di/photog/planta-de-lavado-de-arenas-539813.jpg Las grasas removidas se conducen a un depósito donde el reposo permite concentrar las grasas en la superficie y evacuar el agua por el fondo, retornándola nuevamente a la entrada el desarenador-desengrasador. En algunas instalaciones combinan el material sólido con las grasas y se llevan conjuntamente al relleno sanitario. Otra opción es incinerar estas grasas. Un video sobre estos equipos de separación y clasificación de los residuos extraídos del pretratamiento, puede ser visto abriendo este hipervínculo. Algunos de estos equipos separadores y clasificadores de los residuos extraídos del pretratamiento, pueden también hacer la compactación de los mismos. Un video sobre los equipos que también incorporan compactación de los residuos extraídos del pretratamiento, puede ser visto abriendo este hipervínculo. 15.2. Lodos del tratamiento primario Estos lodos tienen una consistencia limosa y una coloración entre marrón y grisácea. Por su alto contenido de materia orgánica se descomponen con facilidad, causando malos olores. Cuando se hace tratamiento primario químicamente asistido (TPQA), se obtienen lodos de color negro con menos susceptibilidad a la putrefacción y, por ende, con menos olor que los del tratamiento convencional. 83 Estos lodos se deben tratar de manera conjunta con los lodos resultantes de los tratamientos secundarios, cuyos detalles se exponen en la Lección 25. Las características generales de los lodos primarios se exponen en la Tabla 29. Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valores típicos SST (g/hab*d) 30 a 38 Contenido de agua (%) 92 a 96 Fracción orgánica (medida como % de sólidos 70 a 80 suspendidos volátiles – SSV en base seca) Grasas (% base seca) 12 a 15 Proteínas (% base seca) 4 a 15 Carbohidratos (% base seca) 8 a 12 pH 5,0 a 7,0 Fósforo (% base seca) 0,5 a 1,5 Nitrógeno (% base seca) 2,5 a 5,0 Patógenos (NMP/100 mL) 1000 a 1.000.000 Parásitos (NMP/100 mL) 8 a 15 Metales pesados (% base seca de Zn, Pb y Cu) 0,5 a 3 Poder calorífico (kcal/kg) 4000 a 5000 Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de: http://www.hawaiireporter.com/wpcontent/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png 84 UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO El tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es entendido como la eliminación de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores. De esta manera se removerán sustancias orgánicas biodegradables, partículas coloidales y contaminantes disueltos, entre otros, convirtiéndolos en gases y en biomasa (nuevas células), separable por sedimentación. Este esquema se aprecia en la Ilustración 17. Gases Materia orgánica Hongos, bacterias y protozoos Floc biológico como sustrato (alimento) Biomasa en suspensión + compuestos oxidados Nuevos microorganismos Floc biológico (biomasa extraíble por sedimantación Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). En este capítulo se presentarán los fundamentos de la aireación, los equipos aireadores más usados en la depuración biológica del agua, los principios que rigen la depuración biológica, las herramientas de control de dichos principios y los modelos de reactores existentes en el esquema de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR). Lección 16. Teoría de la aireación El proceso de aireación consiste en poner el agua en contacto íntimo con el aire. Para los procesos de tratamiento de aguas residuales, el objetivo principal de la aireación es el de proporcionarle a los microorganismos el oxígeno necesario para que realicen sus procesos de transformación y degradación de la materia orgánica contaminante. De igual manera, la aireación permite: 85 Transferir oxígeno disuelto. Remover sustancias volátiles. Eliminar anhídrido carbónico (CO2). Remover ácido sulfhídrico (H2S). Remover hierro (Fe) y Manganeso (Mn). Eliminar gas metano (CH4), gas cloro (Cl2) y amonio (NH4). Los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales requieren concentraciones de oxígeno entre 0,2 y 2,0 mg/L. Los requerimientos de la mezcla son los que determinarán la potencia necesaria de los equipos de aireación empleados. 16.1. Teoría de la doble capa En la interfase entre el líquido (agua residual) y el gas (aire u oxígeno) se forma una película a través de la cual se transfiere el gas hacia el líquido por difusión molecular6. La cantidad de gas transferido por unidad de tiempo (coeficiente de transferencia) es un valor constante a través de cada película y es dependiente del tipo de aireador y de la geometría del tanque de aireación. Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido. El coeficiente de transferencia de oxígeno depende del valor de saturación de oxígeno en el agua residual, el cual corresponde al valor de saturación de oxígeno en el agua limpia, afectado por un factor de corrección “β”. Los valores de saturación de oxígeno “Cs” en el agua limpia a diferentes temperaturas se muestran en la Tabla 26. 6 Es un movimiento aleatorio de las moléculas, similar al movimiento browniano. 86 Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). Temperatura (°C) “Cs” Oxígeno Disuelto Temperatura (°C) “Cs” Oxígeno Disuelto (mg/L) (mg/L) 0 14,62 18 9,54 5 12,80 19 9,35 7 12,17 20 9,17 8 11,87 21 8,99 9 11,59 22 8,83 10 11,33 23 8,68 11 11,08 24 8,53 12 10,83 25 8,38 13 10,60 26 8,22 14 10,37 27 8,07 15 10,15 28 7,92 16 9,95 29 7,77 17 9,74 30 7,63 Para determinar el valor de concentración de saturación para un agua residual “Csw”, debe tomarse el valor de concentración de saturación del agua limpia “Cs” y afectarse por el factor de corrección “β”, el cual oscila entre 0,92 y 0,98, de manera que: 𝐶𝑠𝑤 = 𝛽 ∙ 𝐶𝑠 Para presiones distintas a 1 atmósfera (760 mm Hg): 𝐶𝑠𝑤(𝑃𝐿) = 𝛽 ∙ 9,2 ∙ (𝑃𝐿 − 𝑃𝑉 ) 760 − 𝑃𝑉 Donde, β PL Pv factor de corrección para aguas residuales, entre 0,92 a 0,98 presión Local Atmosférica o Barométrica (mm Hg) presión de Vapor de Agua (mm Hg, en tablas) El coeficiente de transferencia de oxígeno puede ser medido en pruebas de laboratorio, así: Tomar entre 2 y 200 L de agua potable, se lee su OD y se desoxigena con Sulfito de Sodio (12 mg/L por mg/L de OD) y 0,04 mg/L de Cloruro de Cobalto (catalizador). También se logra burbujeando gas nitrógeno. Con el oxígeno disuelto en cero, encender los agitadores o burbujeadores (de velocidad o volumen constante) y registrar los incrementos de oxígeno en función del tiempo de aireación, hasta que el oxígeno disuelto se estabilice (este corresponderá al valor de saturación). 87 Graficar el Logaritmo de la concentración de saturación de oxígeno “Log Cs”, dividido por la concentración de saturación de oxígeno menos el valor de oxígeno disuelto a diferentes intervalos de tiempo “Cs-C”, contra el tiempo: log 𝐶𝑠 𝑣𝑠 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝐶𝑠 − 𝐶 Calcular el valor de la pendiente de la recta obtenida y estimar el coeficiente de transferencia “KLa” considerando que: 𝐾𝐿𝑎 = 𝑃𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 ∙ 2,3 Hasta aquí, sólo se ha calculado el Coeficiente de Transferencia del equipo aireador, cuyo fabricante, de hecho, lo pone en las especificaciones del equipo. No obstante, este coeficiente dado por el fabricante corresponde a un ensayo de laboratorio con agua potable, a 20 °C y 1 atmósfera de presión, por lo tanto, el valor de KLa debe corregirse para las condiciones de operación con aguas residuales. El fabricante también proporcionará el valor de “N”, el cual corresponde a la capacidad nominal (en condiciones estándar) de oxigenación del equipo, cuyas unidades son kilogramos de oxígeno por hora (kg O2/h). Este valor permite estimar la cantidad de aire suministrada “R” por el equipo aireador, así: 𝑅= 𝑁 𝑛′ ∙ ℎ𝑑 ∙ 𝐶𝐴 Donde, R N n’ hd CA cantidad de aire suministrada (m3/h) capacidad nominal de oxigenación del equipo (kg O2/h) tasa de absorción específica (es igual a 0,044, quiere decir que sólo un 4,4% del aire se disuelve, el resto escapa hacia la atmósfera) sumergencia o profundidad a la que se instalan los difusores (m) concentración de O2 en el aire (es igual a 0,28 kg/m3 para condiciones estándar) Para estimar una potencia teórica debe considerarse entre 1 y 2 kilogramos de oxígeno por horse-power (potencia7) y por hora: 1 a 2 kg de O2/hp*h. 7 1 hp = 0,746 kW = 746 J/s 88 Lección 17. Equipos aireadores Los tipos de equipos de aireación más empleados en el tratamiento de aguas residuales, son: Sistemas de Aireación Difusa o Aire Comprimido. o Equipos difusores Sistemas de Aireación Superficial o Equipos de flujo Radial o Equipos de flujo Axial o Equipos aspirantes o Rotores horizontales o cepillos Sistemas de Turbina o Equipos de turbina sumergida 17.1. Sistemas de aireación difusa o por aire comprimido La aireación difusa es la inyección de gas, aire u oxígeno, bajo presión, por la parte inferior de la superficie libre del fluido. Esta aplicación se realiza a través de medios porosos conocidos como difusores, que producen burbujas de diámetros muy pequeños. Los preferidos son los de poro fino (2 a 5 mm), seguidos por los de poro semifino (6 a 10 mm) y los de burbuja gruesa (>10 mm). Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration-001.jpg Pueden transferir de 0,3 kg O2/kW*h a 1,2 kg O2/kW*h, siendo usados, especialmente en depuradoras pequeñas con tanques que tienen profundidades entre 2,5 y 5,0 m, con anchos 89 entre 3 a 9 metros. La relación ideal ancho/profundidad de estos tanques debe ser menor a 2, con el fin de asegurar una aireación efectiva y una mezcla apropiada. Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de: http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f5236733e0b.jpg 17.2. Sistemas de aireación superficial Estos pueden ser de flujo radial (baja velocidad), axial (alta velocidad), equipos aspirantes o cepillos (rotores horizontales). Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de: http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aerator-for-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-in-china.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-System-WastewaterAerator-LY-1-.jpg 90 Los equipos de flujo radial usan velocidades de operación entre 20 a 100 rpm (revoluciones por minuto), con potencias hasta de 150 kW. Pueden ser fijos o flotantes. La capacidad de transferencia oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h. Los equipos de flujo axial se usan mucho en lagunas aireadas, las cuales tienen bajas profundidades. Estos equipos consumen menos energía que los radiales. Se encuentran con potencias hasta de 93 kW y tienen capacidades de transferencia entre 0,7 y 1,4 kg O2/kW*h. Generan una mejor mezcla en los tanques de aireación. Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de: http://www.thewatertreatments.com/wpcontent/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg Los equipos aspirantes poseen un eje hueco con un motor en un extremo y una hélice en el otro. El aire se aspira desde la atmósfera y se inyecta al agua. Tienen inclinación variable y suelen instalarse sobre soportes flotantes. Su capacidad de transferencia va de 0,5 a 0,8 kg O2/kW*h. Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de: http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg 91 Los cepillos de aireación se emplean en zanjones de oxidación. La tasa de oxigenación oscila entre 1,5 y 2,0 kg O2/kW*h. Para asegurar una buena mezcla el volumen del zanjón debe ser inferior a 200 m3/m de rotor. Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada de: http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_BrushAerators.jpg 17.3. Sistemas de turbina sumergida Aunque tienen un volumen o área de influencia menor que los aireadores superficiales, tienen altas capacidades de transferencia de oxígeno que oscilan entre 1,0 y 2,0 kg O2/kW*h. Los diámetros de turbina suelen ser entre 0,1 y 0,2 veces el ancho del tanque para depósitos con alturas entre 5 y 6 metros. Mira los siguientes videos de equipos de aireación y trata de identificar de qué tipo son, aireador 1, aireador 2, aireador 3, aireador 4.8 Lección 18. Teoría de la depuración biológica El principio del tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR) es análogo al de la autopurificación de las aguas. En las depuradoras, estos fenómenos se dan en reactores que mantienen los microorganismos bajo condiciones controladas, acelerando así el proceso de descomposición y la neutralización de la materia orgánica. En su orden, los videos corresponden a: aireador superficial; difusores; cepillos de aireación y, el último, corresponde a una muestra de varios equipos, empezando por los aspiradores. 8 92 En la depuración biológica se presentan múltiples reacciones de tipo bioquímico que transforman la materia orgánica, los nutrientes y otros compuestos (e.g. sulfuros, metales) en elementos más simples y de mayor estabilidad; este proceso se conoce como oxidación biológica y en él, se realiza una conversión de los elementos orgánicos a formas inorgánicas altamente oxidadas (mineralización). Estas reacciones pueden efectuarse mediante un proceso: Aerobio: en presencia de oxígeno disuelto. Anaerobio: en ausencia de oxígeno disuelto y de nitratos Igualmente, cada uno de estos procesos puede llevarse a cabo con la biomasa (microorganismos): Adherida En suspensión En el TBAR, los microorganismos (biomasa) emplean las sustancias suspendidas o disueltas, presentes en las aguas residuales, para incorporarlas a su metabolismo en los procesos de obtención de energía y síntesis celular (generación de nuevas células). Toda oxidación, incluyendo la mineralización u oxidación biológica, implica una transferencia de electrones entre un donador (sustancia reductora) y un aceptor de electrones (sustancia oxidante). En el TBAR, la materia orgánica es la donante de electrones para los organismos vivos; no obstante, elementos inorgánicos reducidos como amoniaco, sulfuros, hierro ferroso e hidrógeno molecular se comportan, para las bacterias, como donantes de electrones, alimento o fuente de energía (Romero Rojas, 1999). 18.1. Proceso aerobio Se considera un proceso de respiración de oxígeno en el que el oxígeno libre es el único aceptor final de electrones. El carbono se oxida y el oxígeno se reduce. A pesar de la complejidad de este metabolismo microbial, su representación puede simplificarse de la siguiente manera (Ilustración 21). 93 Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Como puede deducirse de la ilustración 21, la molécula C5H7CO2 representa las bacterias o la biomasa formada; de igual manera, la degradación biológica aerobia de la materia orgánica, implica la aparición de nitrógeno amoniacal, incrementándolo en el afluente. Las bacterias emplearán el oxígeno disuelto para oxidar la materia orgánica a en anhídrido carbónico y generar energía. En ambas vías del metabolismo aeróbico de la materia orgánica, se genera nitrógeno amoniacal y se consume el oxígeno disponible en el agua. Estequiométricamente, se estima que para oxidar 1 g de biomasa, se consumen 1,42 g de oxígeno. 18.2. Proceso anaerobio Se conoce también como digestión o fermentación anaerobia. En el proceso anaerobio, la mayor parte de la energía liberada permanece en los productos finales orgánicos reducidos como el metano; razón por la cual, se genera una menor cantidad de biomasa (y de menos lodos) que en el proceso aerobio. El uso de sulfatos y CO2 como aceptores de electrones obliga a tener condiciones anaerobias estrictas (ausencia de oxígeno y nitratos), de lo contrario, la formación de metano (CH 4) se verá afectada. El proceso anaerobio se puede reducir en tres etapas, de las cuales, las dos últimas ocurren de manera simultánea: Fase hidrolítica 94 Fermentación ácida Fermentación metanogénica En la primera etapa, las bacterias hidrolíticas transforman enzimáticamente los compuestos complejos (e.g. proteínas, carbohidratos y grasas) en otros de baja masa molecular (e.g. azúcares, aminoácidos, ácidos grasos, glicerol) que son fuentes aptas de energía y carbón celular. Estas moléculas simples serán transformadas, en la etapa acetogénica (fermentación ácida) en ácidos de cadena corta (e.g. ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico), así como hidrógeno y CO2. En la fase metanogénica, las bacterias anaerobias estrictas convertirán los productos de la fermentación ácida en CO2 y CH4, principalmente. Estas etapas se pueden ver ilustradas en la siguiente figura (Ilustración 22): Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Mayor información sobre la oxidación biológica, puede ser consultada en el documento “Principios básicos de la oxidación biológica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento 95 Lección 19. Control del proceso biológico Tanto para los procesos aerobios como los anaerobios, los microorganismos encargados de la mineralización de la materia orgánica se desarrollarán y actuarán de manera óptima siempre y cuando se mantenga, de forma general: Nutrientes en cantidad y proporciones apropiadas. Inexistencia de compuestos tóxicos o inhibitorios. Condiciones ambientales apropiadas (e.g. pH, temperatura). Los microorganismos requieren carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), como nutrientes principales; en menor proporción también demandarán fósforo, azufre, potasio, calcio, hierro, magnesio, zinc y molibdeno. Todos estos nutrientes se encuentran comúnmente en las aguas residuales domésticas y en las municipales o urbanas; no obstante, los efluentes industriales suelen presentar deficiencias en varios de estos elementos. Una de las relaciones de rendimiento óptimo más empleadas para evaluar la disponibilidad de nutrientes en las aguas residuales, es: DBO/N/P = 100/5/1 Otro aspecto a considerar y que dependerá del tipo de reactor y de su modo de operación, es la relación alimento/microorganismo, notada frecuentemente como F/M (del inglés Food/Microorganisms), aunque también se cita en algunos textos como relación A/M. Este valor da cuenta de la fracción en masa de materia orgánica disponible por microorganismo. Algunos compuestos presentes en las aguas residuales son de difícil descomposición por vías microbianas y deben usarse tratamientos fisicoquímicos para su eliminación. La lignina y la celulosa son compuestos extremadamente estables y sólo pueden ser descompuestos por bacterias especializadas. Algunos compuestos tóxicos, como los metales pesados, pueden ser inhibitorios para el crecimiento de los organismos; no obstante, este efecto es muy variable dependiendo de las características de la biomasa, el tipo de proceso y la aclimatación, entre otros factores. Las concentraciones inhibitorias en aguas residuales para algunos compuestos presentes, se exponen en la Tabla 27. 96 Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos de oxidación biológica (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Concentración inhibitoria (mg/L) Aerobia Aluminio Amoniaco Arsénico Cadmio Calcio Cianuros Cloruros Cobre Cromo hexavalente Cromo trivalente Fenoles Hidrocarburos Hierro Magnesio Mercurio Níquel Nitritos Plata Plomo Potasio Sodio Sólidos disueltos Sulfatos Sulfuros Vanadio Zinc Anaerobia 25 580 1500 0,1 100 0,02 2500 5 1 15000 1 2 2 10 50 500 180 50 20 50 0,005 1 5 1000 1 2 35 1a2 0,1 2500 3500 15000 500 100 10 5 20 Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos aerobios son: Nutrientes suficientes. pH entre 6,5 y 8,5. Temperatura inferior a 38 °C. Presencia de oxígeno. Ausencia de sustancias tóxicas. Las condiciones óptimas para el trabajo bacteriano en los procesos anaerobios son: Nutrientes suficientes. pH entre 6,5 y 7,6. Temperatura entre 30 y 38 °C para organismos mesófilos o entre 50 a 60 °C para organismos termófilos. Ausencia de oxígeno. 97 Potencial de óxido-reducción (POR) inferior a -350 mV y, preferiblemente, entre 470 a -550 mV. Ausencia de sustancias tóxicas. La producción de biomasa anaerobia es casi 20 veces menor que la que se presenta en los procesos aerobios. 19.1. Definiciones fundamentales para el control y diseño de los procesos biológicos En cualquiera de los procesos de tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR), existen conceptos fundamentales que permiten, no sólo verificar el control de la depuración en los reactores, sino también, diseñar o modificar el diseño del reactor. a. Carga Hidráulica “CH”: corresponde al caudal de aguas residuales tratado (/t) por unidad de área horizontal del reactor “S”. Puede ser también entendida como una velocidad de tratamiento. b. Carga Másica o Carga Orgánica “CM”: conocida también como Carga Contaminante, es el producto de la concentración de un contaminante “C” y el caudal de aguas residuales vertidas “Q”. Es entendida como el aporte en masa de contaminantes de un vertido. c. Carga Volumétrica “CV”: es el cociente entre la carga másica (carga contaminante) “CM” por volumen de la unidad de tratamiento (reactor) “”. d. Carga Superficial “Cs”: corresponde al cociente entre la carga másica (carga contaminante) “CM” por unidad de área superficial del reactor “S”. 98 e. Tiempo de Retención Hidráulico (TRH): es el cociente entre el volumen del reactor o unidad de tratamiento “” por el caudal tratado de aguas residuales “Q”. f. Tiempo de Retención Celular o Edad de Lodo (TRC): es la relación en masa de la cantidad de biomasa existente (microorganismos) en el reactor “Mexis”, por la biomasa eliminada “Melim” y por día. Lección 20. Modelos de reactores y características El tratamiento de las aguas residuales puede efectuarse en unidades que se clasifican según su forma de alimentación, en: Flujo intermitente: conocidos también como de llenado y vaciado, o reactores por cochada, son unidades que se llenan con un volumen de agua residual (etapa de llenado), se tratan estas aguas (etapa de tratamiento) y se vacía (etapa de vaciado) para dar lugar a una nueva carga con otro volumen de aguas residuales. Se usa frecuentemente en aguas residuales industriales, en donde la descarga de efluentes líquidos no se realiza de manera continua, sino en periodos o lapsos del día. Aunque este fue el modelo de reactor que empezó a usarse en los inicios del tratamiento de aguas residuales municipales, el rápido crecimiento de las ciudades obligó a cambiar estos reactores por otros de funcionamiento continuo. También se usa mucho en investigaciones y experimentos de laboratorio debido a la comodidad que supone el no trabajar con flujos constantes de agua. Flujo continuo: estos reactores presentan una entrada y salida permanente de caudal y, de manera simultánea, se efectúa el tratamiento de las aguas residuales. Adicionalmente, se tienen reactores que según su hidráulica de flujo se clasifican en: 99 De mezcla completa: podemos imaginar que en estos reactores se tiene una turbina que recorre totalmente el área del tanque, combinando casi instantáneamente las aguas que se encuentran dentro del reactor, con las que están ingresando como afluente. De manera coloquial, es como estar batiendo constantemente el contenido de una olla, balde o vaso, que tiene una entrada y salida constantes de líquido. De flujo a pistón: en este reactor, el agua que ingresa como afluente recorre longitudinalmente el tanque, como si se tratase de una pared que se desplaza a una misma velocidad sin mezclarse con el resto del líquido, hasta su salida. Las características geométricas y el equipo empleado en el reactor, determinarán el tipo de hidráulica predominante en el tanque de reacción. Es fácil imaginar que un tanque de sección circular con una turbina, trabajará como reactor a mezcla completa, mientras que un tanque rectangular, muy alargado, tendrá una hidráulica cercana al flujo a pistón. Estas combinaciones darán lugar a las siguientes tres (3) tipologías básicas de reactores: a. Reactor intermitente (a mezcla completa). b. Reactor de flujo continuo y mezcla completa. c. Reactor de flujo continuo a pistón. 20.1. Reactor intermitente (a mezcla completa). Es un sistema cerrado muy empleado para investigaciones y ensayos a nivel de laboratorio. La composición del agua residual cambia en el tiempo, pero se mantiene homogénea en todo el reactor. 20.2. Reactor de flujo continuo y mezcla completa. En este reactor el afluente se mezcla de forma casi instantánea y completa con el contenido del reactor, de manera que la dispersión de los materiales es infinita. En estas condiciones, la concentración de materia orgánica del efluente es exactamente igual a la concentración del licor mezclado del reactor. 20.3. Reactor de flujo continuo a pistón. Cada partícula viajará por este reactor sin mezclarse, de forma que se descargará en la misma secuencia y orden en las que entran al reactor: visto de manera coloquial, es semejante a una fila de un banco que es atendida por un solo cajero. En este modelo, el tiempo de retención hidráulica real para cada molécula de agua es idéntico al tiempo teórico. Este reactor es teóricamente (y también en la práctica) más eficiente que los de mezcla completa y ocupará, consecuentemente, menos espacio. Los microorganismos en los reactores, independientemente de si son aerobios o anaerobios, pueden encontrarse de dos formas: Biomasa Suspendida (cultivo en suspensión). 100 Biomasa Adherida (cultivo fijo). Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de: http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg La biomasa se encontrará suspendida (llamada también cultivo en suspensión), cuando los microorganismos no cuentan con ningún medio de soporte sobre el cual adherirse. De manera simple, estos reactores son similares a una piscina en la que los microorganismos “nadan” libremente en todas las direcciones posibles. Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.watertechnology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg La biomasa adherida (llamada también cultivo fijo), se presenta cuando los microorganismos se fijan sobre un medio de soporte (e.g. piedras, piezas plásticas, materiales inertes) formando una zooglea o biopelícula (biofilm). La clasificación de los sistemas más usados para el tratamiento de las aguas residuales, se expone en la Ilustración 101 Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). 102 CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO El tratamiento secundario, conocido también como depuración o tratamiento biológico de las aguas residuales (TBAR), es entendido como la eliminación de contaminantes mediante la actividad biológica de los microorganismos presentes en los reactores. La materia orgánica en suspensión y disuelta es convertida, mediante procesos de oxidación química, en biomasa y sólidos inorgánicos sedimentables. Como ya se ha visto en los capítulos anteriores, mientras que en el tratamiento primario se remueven sólidos en suspensión y, por ende, buena parte de la DBO suspendida, el tratamiento secundario o biológico busca remover, especialmente, la DBO soluble y los remanentes de materia en suspensión que escaparon del tratamiento primario. Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_7 29600497.jpg Aunque el tratamiento secundario es capaz de remover DBO y SST en valores cercanos al 85%, no eliminará significativamente nutrientes (N y P), ni metales pesados, ni patógenos, los cuales deben ser removidos posteriormente. Las unidades convencionales de tratamiento biológico más empleadas en nuestro medio, son los lodos activados y los filtros percoladores, los cuales se tratarán en este capítulo; como tecnologías no convencionales, en Colombia y en Latinoamérica, se usan de manera extensiva las lagunas aireadas y de estabilización, las cuales serán expuestas en el Capítulo 9 (Tecnologías Blandas). En menor proporción se utilizan también los biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). 103 Lección 21. Lodos activados Un reactor de lodos activados mantiene en suspensión a un cultivo microbiano en condiciones aerobias. El proceso hace uso de un sistema de aireación o agitación, el cual suministrará el oxígeno que demandan las bacterias, evitará que haya asentamiento de la biomasa en el reactor y, además, mantendrá homogeneidad del licor mezclado en el tanque. Una vez que la materia orgánica ha sido oxidada, el efluente se envía a un sedimentador o decantador secundario en donde se separará el fango (biomasa) del agua. Parte de esta biomasa decantada es recirculada al reactor con el fin de mantener en él una buena concentración de microorganismos y otra parte se desecha (purga), llevándola a tratamiento de lodos, evitando así acumulaciones excesivas de microorganismos en el sistema que pueden alterar los tiempos de retención celular. Una de las preguntas recurrentes de los estudiantes es ¿a qué se le llama exactamente “lodo activo”? una respuesta corta y sencilla es que el lodo activo es la suma de la biomasa formada en el reactor y los sólidos suspendidos (materia inerte y compuestos inorgánicos) aportados por el agua residual. Esta mezcla de microorganismos y materia inerte tiene una alta capacidad de absorción de la materia orgánica y por ello se le llama “activo” o “activado”. Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen tomada de http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8 21.1 Lodos activados en reactores de mezcla completa Estas unidades se suelen emplear para caudales pequeños (<400 m3/d) y con cargas bajas, razón por la cual se usan en depuradoras prefabricadas con aireación superficial o con turbina. Estos sistemas soportan bien los flujos y cargas transientes (variaciones repentinas de caudal o carga contaminante). 104 Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8 21.2. Lodos activados en reactores de flujo a pistón Suelen emplearse para el tratamiento de grandes caudales, con funcionamiento de carga media o alta y aireación convencional, escalonada o gradual, empleando difusores (especialmente). Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mjkm08de18.pdf?sequence=8 21.3. Métodos de aireación para reactores de flujo a pistón Considerando que la demanda de oxígeno (DBO) o la cantidad de materia orgánica oxidable, disminuye con el tiempo de tratamiento y en la medida en que avanza por el reactor, la aireación puede efectuarse de tres formas: Aireación convencional: consiste en abastecer exactamente la misma cantidad de oxígeno a lo largo de todo el reactor. Se emplea en operaciones con carga media y alta. Adición por pasos o escalonada: en este caso, aunque se mantiene la misma alimentación de oxígeno a lo largo del reactor, el afluente de aguas residuales se ingresa al tanque en diferentes puntos a lo largo de su recorrido. Se usa en operaciones de carga media o alta. Aireación gradual: se prefiere en caudales mayores a los 2000 m3/d para aguas residuales municipales y mayores a 400 m3/d para depuración de aguas residuales 105 industriales. El suministro de aire desciende de manera gradual y proporcional a la disminución de la DBO a lo largo del reactor. Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de flujo a pistón (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.mixing.com/site/images/019.jpg 21.4. Métodos de operación de los lodos activados Como se ha venido sugiriendo en esta lección, existen tres modos de operación de los lodos activados: a) alta carga; b) carga media o convencional; y c) carga baja o aireación extendida o prolongada. Las características de cada operación, se exponen en la Tabla 28. 106 Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados (Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012) PARÁMETRO ALTA CARGA CONVENCIONAL AIREACIÓN (CARGA MEDIA) EXTENDIDA O PROLONGADA (CARGA BAJA) Color de Fango Gris marrón Marrón Chocolate Carga másica (Cm) (kg DBO5/kg SSLM*d) 0,4 – 1,5 0,1 – 1,0 0,03 – 0,12 3 Carga volumétrica (Cv) (kg DBO5/m *d) 1,6 - 16 0,3 – 3,0 0,16 – 0,4 Tiempo de Retención Celular (TRC) (días) TRH (horas) SSLM (ppm) Tasa de Recirculación (%) Relación F/M Exceso de Lodos (kg SSLM/kg DBO5*d) 5 - 10 0,5 - 4 1000 - 2000 100 - 500 0,4 – 1,5 1,2 5,0 – 15 4,0 – 10 2000 - 3000 25 - 50 0,2 – 0,4 0,9 - 1 20 – 30 18 – 36 3000 – 6000 75 – 150 0,05 – 0,15 < 0,6 Respiración Endógena (mg O2/g*h) 10 3 - 10 <3 IVL (mL/g) N Total en Lodo (mg/g) Consumo de Oxígeno (mg O2/L*h) 120 - 250 80 <100 90 - 160 70 30 50 – 100 50 <10 Equipos de aireación (m3 aire / kg DBO) Eficiencia media (%) 25 – 95 80 >95 90 >125 90 El modo de operación de alta carga permite reducir costos de construcción (bajo TRH), pero los decantadores secundarios son más grandes. La aireación extendida o prolongada es la que más se usa en unidades compactas (prefabricadas) y caudales pequeños (<400 m 3/d), dado que los altos tiempos de retención permiten la digestión completa del lodo (autodigestión y lisis en la fase endógena). Cuando hay déficit de nitrógeno en el reactor, se agregará amoniaco deshidratado (NH3); en los casos en que el fósforo es el elemento que escasea en el tanque de aireación, se agregará ácido fosfórico (H3PO4) hasta obtener el nivel deseado. Un video de una depuradora completa que emplea un reactor de lodos activos como tratamiento secundario puede ser visto abriendo este hipervínculo. El volumen del tanque de aireación de lodos activados, se calcula con la siguiente expresión: ∀= 𝑇𝑅𝐶 ∙ 𝑌 ∙ 𝑄 ∙ (𝑆𝑜 − 𝑆) 𝑋 ∙ [1 + (𝐾𝑑 ∙ 𝑇𝑅𝐶)] Donde, 107 TRC Y Q So S X Kd volumen del reactor (m3) tiempo de retención celular (d) coeficiente de crecimiento bacteriano (oscila entre 0,4 y 0,8) caudal de aguas residuales (m3/d) DQO inicial en el afluente (kg/m3) DQO final en el efluente (kg/m3) SSLM -sólidos suspendidos del licor mezclado- en el tanque (kg/m3) coeficiente de eliminación de bacterias (oscila entre 0,040 – 0,075) La carga másica se calcula de la siguiente manera: 𝐶𝑚 = Donde, Cm 𝑆𝑜 ∙ 𝑄 ∀∙𝑋 carga másica (kg DQO/kg SSLM*d) El tiempo de retención celular (en días), se estimará así: 𝑇𝑅𝐶 = ∀∙𝑋 𝑄𝑝 ∙ 𝑋𝑟 Donde, Qp Xr caudal de purga (m3/d) SSLM -sólidos suspendidos del licor mezclado- en el lodo (kg/m3) El caudal de recirculación (en m3/d) se estimará así: 𝑄𝑟 = (𝑄 ∙ 𝑋) − (𝑄𝑝 ∙ 𝑋𝑟 ) 𝑋𝑟 − 𝑋 La relación F/M (alimento/microorganismos) podrá calcularse, así: 𝐹 𝑄 ∙ 𝑆𝑜 = 𝑀 ∀∙𝑋 Los valores de diseño, deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse valores de rangos dados por una normativa o por la literatura técnica, sin el debido sustento. 108 Ejemplo 21.1. Dimensionar un tanque de lodos activados de operación convencional, para un caudal de aguas residuales (Q) de 7000 m3/d, una DQO de entrada de 500 mg/L (So) y una DQO de salida (S), de 35 mg/L. Los SSLM en el tanque (X) son 3,5 kg/m3 (3500 mg/L) y en los lodos (Xr) de 15 kg/m3 (15000 mg/L). El reactor se proyectará con un tiempo de retención celular de 10 días (TRC), con un coeficiente de crecimiento bacteriano (Y) de 0,5 y un coeficiente de eliminación de bacterias (Kd) de 0,05 d-1. Solución: Se calcula el volumen, así: ∀= 𝑇𝑅𝐶 ∙ 𝑌 ∙ 𝑄 ∙ (𝑆𝑜 − 𝑆) = 𝑋 ∙ [1 + (𝐾𝑑 ∙ 𝑇𝑅𝐶)] 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑚3 ∙ (0,500 3 − 0,035 3 ) 𝑑 𝑚 𝑚 = 3100 𝑚3 𝑘𝑔 0,05 3,5 3 ∙ [1 + ( ∙ 10 𝑑)] 𝑑 𝑚 10 𝑑 ∙ 0,5 ∙ 7000 El tiempo de retención hidráulica será: 𝑇𝑅𝐻 = ∀ 3100 𝑚3 = = 0,443 𝑑 = 10,63 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑚3 𝑄 7000 𝑑 Este tiempo está muy cerca del rango recomendado para la operación de reactores de carga convencional: 4 a 10 horas y, por tanto, se acepta. Se determina la carga másica: 𝑘𝑔 𝑚3 ∙ 7000 𝑆𝑜 ∙ 𝑄 𝑘𝑔 𝐷𝑄𝑂 𝑑 𝑚3 𝐶𝑚 = = = 0,322 𝑘𝑔 ∀∙𝑋 𝑘𝑔 𝑆𝑆𝐿𝑀 ∙ 𝑑 3100 𝑚3 ∙ 3,5 3 𝑚 0,500 Este valor se encuentra dentro del rango recomendado para los reactores operados de forma convencional: 0,1 a 1,0 kg DBO5/kg SSLM*d y, por tanto, se acepta. El caudal de purga, despejando “Qp” de la fórmula para el cálculo del tiempo de retención celular, es: 𝑘𝑔 3 3100 𝑚3 ∙ 3,5 3 ∀∙𝑋 𝑚 = 72,33 𝑚 𝑄𝑝 = = 𝑘𝑔 𝑇𝑅𝐶 ∙ 𝑋𝑟 𝑑 10 𝑑 ∙ 15 3 𝑚 109 Este caudal de purga corresponde al volumen que se extrae del decantador secundario y que se llevará a tratamiento de lodos. La otra fracción debe ser retornada al reactor como caudal de recirculación, este volumen o caudal de recirculación “Qr” se calcula así: 𝑄𝑟 = (𝑄 ∙ 𝑋) − (𝑄𝑝 ∙ 𝑋𝑟 ) = 𝑋𝑟 − 𝑋 (7000 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑚3 𝑚3 ∙ 3,5 3 ) − (72,33 ∙ 15 3 ) 𝑚3 𝑑 𝑑 𝑚 𝑚 = 2036,1 𝑘𝑔 𝑘𝑔 𝑑 15 3 − 3,5 3 𝑚 𝑚 Por lo tanto, la tasa de recirculación será: 𝑚3 𝑄𝑟 𝑑 = 0,291 = 29,1% 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = = 𝑚3 𝑄 7000 𝑑 2036,1 Este valor se encuentra dentro del rango recomendado para los reactores operados de forma convencional: 25 a 50% y, por tanto, se acepta. Para finalizar, se verifica la relación alimento/microorganismos (F/M) que para la operación convencional deberá oscilar entre 0,2 y 0,4: 𝑘𝑔 𝑚3 ∙ 0,500 3 𝐹 𝑄 ∙ 𝑆𝑜 𝑑 𝑚 = = = 0,322 𝑘𝑔 𝑀 ∀∙𝑋 3 3100 𝑚 ∙ 3,5 3 𝑚 7000 Mayor información sobre los lodos activados, puede ser consultada en el documento de Ronzano y Dapena “Fundamentos de los Fangos Activos”: Ir al documento También pueden consultarse los problemas de operación: Ir al documento Lección 22. Filtro percolador También llamados biofiltros, es quizá el tipo de reactor más usado en nuestro medio. A pesar de su nombre (filtro percolador) esta unidad no realiza un proceso de filtración propiamente dicho, sino que se trata de una torre de contacto en la que el agua residual escurre, desde arriba, por un lecho fijo en el que la biomasa se encuentra adherida. Este lecho fijo se compone de piedras o, más recientemente, de piezas plásticas u otro material, sobre las cuales se realiza una aspersión de las aguas residuales, mediante un brazo rotatorio con orificios o boquillas, el cual es movido por un motor o por la misma 110 acción dinámica del agua al golpear con la superficie del lecho. Con el tiempo, se forma una biopelícula (biofilm), llamada también zooglea, sobre este material de soporte; esta biopelícula o lama biológica de microorganismos se encargará de tomar como alimento (adherir y descomponer), la materia orgánica biodegradable presente en las aguas del afluente. Esta biomasa adherida se encuentra formada, principalmente, por protistas: bacterias (aerobias y facultativas, principalmente), hongos (que predominarán si se trabaja con pH bajos) y protozoos. También se presentan larvas de insectos y caracoles. En la superficie del filtro, por efecto de la luz solar, suelen crecer comunidades de algas que podrían llegar a obstruir parcialmente el filtro. Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamientos/blandos/diseno6.gif En la medida en que avanza la operación del filtro, la biopelícula aumenta gradualmente su espesor sobre la superficie de las rocas o piezas plásticas. Esto causa que la materia orgánica que se absorbe, sea empleada por los microorganismos de la parte más superficial “capa externa”, dejando a los de la parte interna con menos alimento y oxígeno. En consecuencia, esta “capa interna” entra en fase de crecimiento endógeno provocando pérdida de 111 adherencia al medio de soporte, hasta que termina por desprenderse. Todo lo anterior provoca un ciclo de autolimpieza en el filtro percolador que evitará su colmatación por engrosamiento de la biomasa adherida. Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador (Romero Rojas, 1999). Los filtros percoladores pueden clasificarse según su carga hidráulica y orgánica en: Baja tasa Alta tasa Aunque el filtro percolador suele operarse con recirculación del efluente clarificado proveniente del decantador secundario, no es requisito indispensable; no obstante, ayuda a recomponer rápidamente la biomasa que se desprende del lecho fijo, mejorando la eficiencia del proceso de depuración. Siempre que se hable de un filtro percolador de alta tasa, se estará afirmando que tiene recirculación. Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen tomada de: http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_07_IMG/7020601i.gif Por ejemplo, si se dice que la relación de recirculación es de 0,5, significará que la mitad del efluente clarificado del decantador secundario, se hará pasar nuevamente por el filtro 112 percolador. Así mismo, si la relación de recirculación es de 2, indicará que se hará pasar todo el efluente del decantador secundario, dos veces más por el filtro percolador. Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en el filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg Este video, realizado por estudiantes, ofrece algunos detalles de los filtros percoladores; abre este hipervínculo. Es importante asegurar la ventilación de la torre del filtro percolador, con el fin de mantener unas condiciones aerobias. Para ello, se suelen disponer aberturas (ventanas) en la base del biofiltro, las cuales deben sumar un área de entre 10 y 25% de su área superficial. Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R. , 2001). 113 Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador 1.jpg_729600497.jpg Los criterios de diseño según el tipo de operación y medio de contacto de los filtros percoladores, se expone en la Tabla 30. Tabla 29. Criterios de diseño para filtros percoladores, según tipo de operación y medio de contacto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ELEMENTO CARGA BAJA CARGA ALTA CARGA ALTA Medio filtrante Tamaño (cm) Superficie específica (m2 / m3) Constante “n” del material Constante de tratabilidad “K” Espacio vacío (%) Peso específico (kg/m3) Carga hidráulica (m3/m2*h) Carga orgánica (kg DBO5/m3*d) Carga orgánica para nitrificación (kg DBO5/m3*d) Profundidad (m) Relación de recirculación Arrastre de sólidos Eficiencia de remoción de DBO5 (%) Moscas en el filtro Piedra 2,5 a 13 60 a 70 Piedra 2,5 a 13 60 a 70 Plástico Varía 80 a 200 1,5 a 3,5 1,5 a 3,5 0,1 a 0,4 0,5 a 0,6 0,3 a 1,8 0,1 a 0,16 0,1 a 0,25 0,16 – 0,4 2,0 a 2,5 0 Intermitente 80 a 85 2,0 a 2,5 0,5 a 2,0 Continuo 50 a 70 3 a 10 0,5 a 4,0 Continuo 50 a 85 Muchas Pocas Muy pocas 0,4 a 0,6 (según fabricante) Agua residual doméstica sedimentada = 2,21 (m*d)-0,5 Agua residual industrial = 0,25 a 2,51 (m*d)-0,5 40 a 60 40 a 60 94 a 97 800 a 1450 800 a 1450 30 a 100 0,05 a 0,15 0,4 a 1,6 0,4 a 3,0 114 Mayor información sobre los filtros percoladores, puede ser consultada en el documento de Ramalho: Ir al documento Para explicar el proceso de dimensionamiento, a continuación se elaborará un ejemplo de diseño. Es importante recordar que los valores de diseño deben estar avalados por determinaciones en plantas piloto o en pruebas de laboratorio. Nunca deben asumirse, sin sustento, valores dados por una normativa o por la literatura técnica. Ejemplo 22.1. Dimensionar un filtro percolador de tasa alta, con medio plástico (n = 0,5) para un caudal de aguas residuales domésticas sedimentadas (Q) de 700 m3/d, una DBO de entrada de 0,3 kg/m3 (So) equivalente a 300 mg/L de DBO5. La carga orgánica de trabajo se ha estimado en 1,2 kg DBO5/m3*d. La profundidad del tanque es de 4 m y se opera con una relación de recirculación de 0,5. Solución: Se calcula la carga contaminante en términos de DBO, multiplicando la concentración por el caudal, así: 𝐶𝑚 = 0,3 𝑘𝑔 𝐷𝐵𝑂5 𝑚3 𝑘𝑔 𝐷𝐵𝑂5 ∙ 700 = 210 3 𝑚 𝑑 𝑑 El volumen requerido por el medio de soporte, a partir de la carga orgánica de trabajo, la cual se ha estimado en 1,2 kg DBO5/m3*d, se determina así: ∀𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝐶𝑚 𝐶𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑘𝑔 𝐷𝐵𝑂5 𝑑 = = 175 𝑚3 𝑘𝑔 𝐷𝐵𝑂5 1,2 𝑚3 ∙ 𝑑 210 Con este volumen y la altura o profundidad del filtro percolador “h”, se calcula su área superficial: 𝐴𝑠𝑢𝑝 = ∀𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒 175 𝑚3 = = 43,75 𝑚2 ℎ 4𝑚 Se verifica la carga hidráulica “q”, la cual deberá estar entre 0,4 y 3,0 m/h. 115 𝑞= 𝑄 = 𝐴𝑠𝑢𝑝 𝑚3 1 𝑑 ∙ 𝑑 24 ℎ = 0,667 𝑚 = 16 𝑚 43,75 𝑚2 ℎ 𝑑 700 La DBO5 del efluente se establece, con el siguiente modelo, sin contemplar la recirculación: 𝑆 = 𝑆𝑜 ∙ 𝑒 −𝐾∙ℎ⁄ 𝑞𝑛 Donde, S DBO del efluente (salida) (mg/L) So DBO del afluente (entrada) (mg/L) K constante de tratabilidad ((m*d)-0,5) h profundidad o altura del filtro percolador (m) q carga hidráulica sin incluir recirculación (m/d) n constante del material 𝑆 = 𝑆𝑜 ∙ 𝑒 −𝐾∙ℎ⁄ 𝑞𝑛 = 300 𝑚𝑔 −2,21∙4⁄ 0,5 𝑚𝑔 16 ∙𝑒 = 32,91 𝐷𝐵𝑂 𝐿 𝐿 La DBO del afluente incluyendo la recirculación “Sa” puede ser estimada así: 𝑆𝑎 = 𝑆𝑜 + (𝑅 ∙ 𝑆) 1+𝑅 Considerando ahora, la relación de recirculación “R” de 0,5, la concentración de DBO del efluente considerando recirculación “Sr”, será: 𝑆𝑟 = 𝑆𝑎 ∙ 𝑒 −𝐾∙ℎ⁄ 𝑞𝑛 Reemplazando: 𝑆𝑟 = 𝑆𝑜 + (𝑅 ∙ 𝑆) −𝐾∙ℎ⁄𝑞𝑛 ∙𝑒 1+𝑅 Calculando para este ejemplo: 𝑚𝑔 𝑚𝑔 300 𝐿 + (0,5 ∙ 32,91 𝐿 ) −2,21∙4⁄ 𝑚𝑔 16 0,5 = 210,97 ∙ 0,1097 = 23,14 𝑆𝑟 = ∙𝑒 𝐷𝐵𝑂 1 + 0,5 𝐿 Con este valor, podemos estimar la eficiencia del sistema, así: 116 𝐸 = (1 − 𝑆𝑟 23,14 ) ∙ 100 = (1 − ) ∙ 100 = 92,3% 𝑆𝑜 300 Lección 23. Sistemas anaerobios Los procesos anaerobios se prefieren sobre los aerobios, en tratamiento de aguas residuales con altas cargas de contaminación orgánica (e.g. procesadoras de productos cárnicos, mataderos, industria agrícola, industria de alimentos). En este tipo de aguas, cuya DBO supera los 1000 mg/L, los compuestos orgánicos y el anhídrido carbónico (CO2) son aceptores finales de electrones de las bacterias, para la producción de metano. Este gas tiene un poder calorífico aproximado de 36500 kJ/m3. Como se dijo en las Lecciones 18 y 19, la temperatura óptima de los procesos anaerobios es elevada (cerca de los 35 °C). No obstante, se usan reactores de este tipo a temperaturas por encima de los 10 °C y, preferentemente, por encima de los 20 °C. Debe tenerse en cuenta que por cada descenso de 10 °C en la temperatura de trabajo, se recomienda incrementar al doble, el tiempo de retención hidráulica del reactor. Un reactor anaerobio que opere a 35 °C, puede generar entre 0,7 y 0,9 m3 de gas metano por cada m3 de reactor y por día (Lozano-Rivas, 2012). Los rendimientos típicos de los reactores anaerobios se muestran en la Tabla 30. Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina & Pohland, 1992). Parámetro Rango o valor Remoción de DBO (%) 80 a 90 Remoción de DQO (mg/L) 1,5 x DBO removida Producción de biogás 0,5 m3/kg de DQO removida Producción de metano 0,35 m3/kg de DQO removida Producción de lodo 0,05 a 0,10 kg SSV/kg de DQO removida Se ha comprobado que los reactores anaerobios de biomasa fija o adherida, son más eficientes para aguas con altos contenidos de DBO soluble; mientras que los de biomasa suspendida, presentan rendimientos más altos con aguas que presenten grandes concentraciones de DBO insoluble (materia orgánica particulada). El tiempo de retención celular, llamado también edad de lodo, tiene una gran influencia en la eficiencia de los procesos anaerobios y deben proyectarse en función a la temperatura de operación, así (Tabla 31): 117 Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores anaerobios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). T° de operación (°C) Mínima (d) Diseño (d) 20 10 27 25 8 20 30 6 14 35 4 10 40 4 10 23.1. Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente a través de un Manto de Lodos (UASB) Conocido también como UASB (por sus siglas en inglés: Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket) y, en español como RAFA (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente), es un tanque cerrado que tiene dos zonas características: la de digestión (en la parte baja) y la de sedimentación (en la parte superior). En la zona de digestión, el afluente ingresa por la parte baja y fluye de forma ascensional por el reactor a través de un manto de lodos (biomasa), el cual se mantiene en suspensión por la fuerza hidrodinámica del flujo. En la medida en que el caudal de aguas residuales fluye a través del manto de lodos, la materia orgánica se pone en contacto con la biomasa suspendida que la adhiere y la digiere en ausencia de oxígeno, dando lugar a la formación de biogás (CH4 y CO2). Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación. Imagen tomada de: http://www.uasb.org/discover/uasbscheme.gif modificada por el autor. 118 El agua residual tratada, libre de la mayor parte de la materia orgánica granulada que fue retenida en el manto de lodos, abandona la zona de digestión e ingresa a la zona de sedimentación ubicada en la parte superior del tanque; allí unas tolvas o campanas deflectoras (llamadas también separadores GLS o separadores de 3 fases: gas, líquido y sólido), permiten separar el líquido de los sólidos (algunos) que tienden a escaparse del manto de lodos y salir juntamente con el efluente; también se recolecta el biogás generado, el cual es llevado a un sistema de aprovechamiento (como combustible para generar calor o energía) o para ser quemado. Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación (Romero Rojas, 1999). Como se dijo anteriormente, estos reactores de biomasa suspendida, trabajarán bien con aguas de alto contenido de DBO no soluble y concentraciones de SST menores a 2000 mg/L. De las experiencias colombianas en el diseño y operación de este tipo de reactores, las 119 cuales tuvieron asistencia técnica holandesa, se pueden destacar los siguientes puntos (Kooijmans, Lettinga, & Rodríguez, 1995): El reactor no requiere siembra para su arranque. Se presentaron eficiencias muy aceptables con tiempos de retención hidráulica tan bajos como entre 4 y 6 horas (con temperaturas entre 25 y 30 °C). Se debe proyectar, por lo menos, una entrada de flujo por cada 4 m 2 de superficie de tanque. La remoción de patógenos es de un 50%. Algunas de las ventajas del UASB, son: Construcción sencilla. Poca ocupación de área. Operación simple. No necesidad de uso de energía eléctrica. Baja producción de lodos. Estos reactores son muy usados en aguas residuales de industrias de almidón, azúcar, papa, papel y cerveza. Los criterios de diseño recomendados para los UASB, se resumen en la Tabla 32. Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango DQO de entrada (mg/L) 1000 a 20000 SST de entrada (mg/L) <2000 Preferentemente, <1000 Relación SS/DQO de entrada <0,5 Relación DBO/N/P de entrada <350/5/1 Temperatura del afluente (°C) >15 Tiempo de retención hidráulica (h) 4 a 12 <24 Carga orgánica (kg DQO/m3*d) 10 a 20 En casos extremos, >0,5 y <40 Profundidad del reactor (zona de digestión + zona <6 de sedimentación) (m) Profundidad de la zona de digestión (m) <4,5 Profundidad de la zona de sedimentación (m) <1,5 Carga superficial del sedimentador (m/d) <36 Inclinación de las paredes del sedimentador 45° Volumen del reactor (m3) <1500 Velocidad ascensional de flujo (m/h) 0,6 a 0,9 En casos extremos, <2 120 Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Un video del funcionamiento de un reactor UASB puede ser visto abriendo este hipervínculo. El diseño del separador de 3 fases o separador GLS, mencionado con anterioridad, debe considerar, además de las inclinaciones de 45° tanto de las paredes de la tolva del sedimentador como de los obstáculos (gorros en forma de V invertida) que lo complementan, velocidades de entrada o de paso de 5 m/h y traslapos de al menos 0,20 m entre los extremos de la tolva del sedimentador y del obstáculo. 23.2. Reactor Anaerobio de lecho expandido y biomasa en suspensión (EGSB). Una variación más reciente y mucho más eficiente, muy extendida por el mundo, es conocida como reactor EGSB, por sus siglas en inglés Expanded Granular Sludge Bed. Esta unidad se vale del mismo manto de lodos (biomasa suspendida) que el UASB, pero emplea velocidades mayores que permiten mantener un lecho parcialmente expandido o fluidizado. Esto mejora el contacto de la materia orgánica con la biomasa suspendida y la segregación de las partículas inactivas. Esta mayor velocidad también da como resultado, unidades más esbeltas que facilitan la recirculación de las aguas tratadas. Esta variación se recomienda en aguas que contienen partículas suspendidas inertes o poco biodegradables, las cuales no deben acumularse en el manto de lodos. Se diseña con los mismos criterios del UASB, exceptuando por la velocidad de ascenso que oscila entre 3 y 10 m/h. Mayor información sobre los reactores UASB y EGSB, puede ser consultada en el documento titulado “UASB/EGSB Applications for Industrial Wastewater Treatment” de Saleh y Mahmood: Ir al documento También, una aplicación concreta de los reactores EGSB en la industria cervecera, se encuentra disponible en la siguiente lectura: Ir al documento 121 Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de: http://www.pollutionsolutionsonline.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg Lección 24. Decantador secundario A diferencia de los decantadores primarios, estas unidades que acompañan casi la totalidad de los reactores biológicos, no se diseñan para remover carga contaminante presente en las aguas residuales, sino para separar el agua tratada, de la biomasa que escapa juntamente con ella. Estas unidades son más grandes que los decantadores primarios y no deben tener un tiempo de retención excesivo debido a que podrían presentarse condiciones anaerobias, pero sí el suficiente para lograr una separación efectiva de la biomasa. Si este lodo sale juntamente con el efluente de las aguas tratadas, se presentarán altos niveles de DBO y SST que echarán a perder todo el proceso de depuración y que causarán incumplimiento de los parámetros y normativas de vertido. 122 Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen tomada de: http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG El tiempo de retención estimado para el diseño de estas unidades, dependerá de la sedimentabilidad del lodo, la cual se determina mediante el Índice de Mohlman o Índice Volumétrico de Lodos (IVL). El IVL corresponde al volumen en mL ocupado por un gramo de sólidos del licor mezclado (biomasa), tras una sedimentación de 30 min en una probeta de 1000 mL. 𝐼𝑉𝐿 = 1000 ∙ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 (𝑚𝐿) 𝑆𝑆𝐿𝑀 Donde, IVL índice Volumétrico de Lodos (mL/g) SSLM sólidos suspendidos del licor mezclado (mg/L) La sedimentabilidad del lodo se define de la siguiente manera: Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). IVL Valor Muy buena sedimentabilidad <40 mL/g Sedimentabilidad aceptable 40 a 140 mL/g Pobre sedimentabilidad >140 mL/g Tendencia al hinchamiento de lodos (bulking) >200 mL/g 123 Para un proceso de depuración eficiente de las aguas residuales, es imprescindible tener una biomasa de buena sedimentabilidad, que decante con facilidad por gravedad y que produzca un efluente claro. Sin embargo, en algunas depuradoras se presenta un floc biológico de gran volumen y poco peso que presenta dificultades de asentamiento. A este fenómeno se le conoce como esponjamiento o hinchamiento de los lodos, y también como bulking filamentoso. El bulking filamentoso, es causado por una proliferación excesiva de los microorganismos filamentosos llamados actinomycetes y es quizá el mayor problema de los reactores aerobios de las estaciones depuradoras de aguas. Este tipo de lodo esponjado no decanta y escapa juntamente con el efluente del decantador, eliminando la posibilidad de retornar esta biomasa activa al reactor aerobio, reduciendo el sustrato necesario para mantener el crecimiento de los microorganismos y obligando a la biomasa restante a funcionar con régimen de respiración endógena, mientras que el efluente tratado, presentará elevados niveles de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). Los factores que influyen en la formación de un flóculo de biomasa no decantable y con deficiencias en la compactación, que impiden una separación eficiente de los lodos del reactor aerobio dependen, en alguna proporción, de la edad de los lodos, la toxicidad (presencia de metales pesados y compuestos orgánicos), actividad abundante de protozoos ciliados, altos niveles de tensoactivos. Relaciones bajas de F/M hacen que el lodo tenga características muy pobres de sedimentación (flóculos dispersos), pero también relaciones elevadas (entre 0,6 y 1,0 kg DBO/kg SSVLM) provocan la aparición de filamentosos que hinchan el lodo e impiden su decantación (Ramalho, 1996). De otro lado, el crecimiento de estas bacterias filamentosas depende en gran medida, de las condiciones operativas de la planta (Jenkins, Richard, & Daigger, 1993), especialmente lo que concierne a: Bajas concentraciones de Oxígeno Disuelto Altas o bajas relaciones F/M Deficiencias de nutrientes (fósforo y nitrógeno) Bajo pH Temperaturas inapropiadas Baja carga orgánica Altas concentraciones de grasas y aceites Altos tiempos de retención celular Richard (2003), reporta que son seis las causas principales de crecimiento de microorganismos filamentosos en los reactores de lodos activados que son: a) Baja concentración de OD; b) Baja relación F/M; c) Septicidad; d) Presencia de Grasas y Aceites; e) Deficiencia de Nutrientes; y f) Bajo pH. El autor afirma también que en las aguas 124 residuales industriales, las causas podrían reducirse a dos variables: los bajos niveles de nutrientes y al pH, mientras que en aguas residuales municipales, dependerá de la interacción de estos seis parámetros, desconociéndose la interacción real de estas variables, lo que dificulta el diagnóstico de la causa o causas principales en este tipo de aguas servidas (Richard, 2003). Aunque varios autores han reportado herramientas y metodologías de control del bulking, todas ellas se encuentran dirigidas a la aplicación -remediadora o preventiva- de sustancias químicas inhibitorias de tipo oxidativo, bactericida o bacteriostático, junto con coagulantes y aglomerantes, como el policloruro de alumino junto con polielectrolito catiónico (Entidad Regional de Saneamiento y depuración de Aguas Residuales de Murcia - ESAMUR, 2006) (Richard, 2003), el Ozono que puede favorecer la aparición de bromuros (Leeuwen & Pretorius, 2007), el Peróxido de Hidrógeno y el Cloro, que elevan los costos de tratamiento y, eventualmente, el volumen de lodos que debe ser posteriormente tratado y dispuesto; adicional a esto, el cloro, de no ser aplicado en las dosis correctas, conlleva a un incremento en la turbiedad del efluente y de los sólidos suspendidos totales (SST), aniquilamiento de biomasa activa beneficiosa y detrimento en la remoción de DBO. Aunque se menciona la probabilidad de presencia de subproductos cancerígenos de la cloración, se afirma que no es probable, dadas las dosis bajas que se manejan y el tiempo corto de vida del cloro en reactores de fangos activos; no obstante, algunos autores aún difieren (Richard, 2003). Una de las actividades preventivas más usadas para disminuir los efectos adversos que causan los organismos filamentosos, es la llamado "Sludge Juggling" que consiste en variar la tasa de recirculación de los fangos activos y los niveles de aireación a lo largo del reactor (Richard, 2003). Los decantadores secundarios son prácticamente idénticos en su configuración a los decantadores primarios y los criterios de diseño se exponen en la Tabla 34: Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Tiempo de retención hidráulico (TRH) 3 a 5 horas Carga superficial Carga sobre el vertedero Profundidad del decantador (en la vertical del vertedero de salida) Pendiente de fondo hacia la poceta de fangos <0,8 m3/m2*h (a caudal medio) <1,5 m3/m2*h (a caudal punta) 3 < 2,5 m /h*m lineal del vertedero perimetral (a caudal medio) < 4,5 m3/h*m lineal del vertedero perimetral (a caudal punta) 3a6m 8% 125 Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada de: http://www.foro3d.com/attachments/117991d1258535656-3ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantadorsecundario-02.jpg Lección 25. Manejo de lodos secundarios Los lodos secundarios o lodos biológicos son conocidos también como lodos en exceso ya que como se vio en las lecciones anteriores, este lodo constituido principalmente por biomasa activa, se retorna a los reactores para mantener unas condiciones de operación óptima y unas edades de lodo (tiempos de retención celular) adecuadas. Estos lodos frescos, tienen una coloración marrón oscura y olor a tierra húmeda que no es desagradable hasta que empiezan a ser digeridos anaeróbicamente. Su contenido inicial de humedad varía entre el 98 y el 99,5%, siendo muy difícil su concentración (espesamiento). El autor conoce algunas depuradoras en donde estos lodos secundarios son enviados al decantador primario, en donde se mezclan con los lodos primarios y dan lugar a lodos mixtos. Los lodos secundarios están compuestos, principalmente de (Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla): Agua: su contenido variará entre el 50 y el 99% según su estado de tratamiento. Materia orgánica: en el caso de los lodos frescos, su contenido varía entre el 60 y el 75%, una vez digerido, esta cantidad disminuye entre 54 y 60%. Nutrientes: son importantes en lodos empleados con fines agrícolas. Hacen referencia, principalmente a: nitrógeno total, fósforo (P2O5) y potasio (K2O). Contaminantes orgánicos: los lodos pueden presentar trazas detergentes y antibióticos, así como otros de productos químicos de uso común. De otro lado, 126 podrían presentar niveles peligrosos de virus, oocitos, quistes y huevos de helminto así como de algunos parásitos, que limitan el uso de los lodos para el sector agrícola. Contaminantes minerales: las aguas residuales de grandes ciudades con una importante actividad industrial, presentan comúnmente niveles apreciables de metales pesados como Zn, Pb, Cu, Cd, Hg y Fe, entre otros. En el tratamiento de lodos secundarios se deben llevar a cabo 3 fases principales: Espesado: para reducir los volúmenes iniciales de lodo y facilitar su manejo en el tratamiento. Digestión: para estabilizar anaerobiamente la materia orgánica presente y evitar su fermentación y putrefacción. Deshidratación o secado: para eliminar el exceso de agua y conseguir una textura apropiada que facilite su manejo y transporte. Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla). 25.1. Espesado Con el fin de reducir los costos de tratamiento, los lodos frescos provenientes de los reactores biológicos, los cuales tienen más de un 95% de agua, deben ser reducidos en volumen. Esta concentración de lodos se realiza en unidades llamadas espesadores. Estos tanques, de manera similar a un decantador, tienen un brazo rotatorio móvil, anclado a un armazón barrelodos, el cual tiene la función de eliminar los espacios ocupados por el agua y agrupar los sólidos. Su rendimiento puede ser mejorado usando sales coagulantes 127 (frecuentemente, cloruro férrico - FeCl3 a dosis entre 1 y 6 mg/L). Estas unidades manejan una carga de rebose de 2 a 8 m/d y tiempos de retención entre 1 a 2 días. El diámetro de estas unidades, generalmente, no excede los 12 m (aunque se proyectan hasta los 30 m) y tienen profundidades entre 2 y 5 m. La velocidad periférica del barrelodos es aproximadamente unos 0,10 m/s. Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de: http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg 25.2. Digestión En la digestión, los lodos concentrados son estabilizados bioquímicamente con el fin de que no continúen su proceso de descomposición o se presente crecimiento de microorganismos, en su reutilización o en su disposición final. Adicionalmente, esta digestión completa, permite la eliminación de los organismos patógenos presentes y la reducción de olores desagradables. Esta digestión se realiza a través de un proceso anaerobio, en tanques cerrados, y se obtendrá como producto normal de la fermentación anaerobia, biogás (CH4 y CO2) y nuevas células, que serán eliminadas una vez que se haya digerido toda la materia orgánica y entren a la fase de crecimiento endógeno. Es importante controlar, especialmente, la temperatura (entre 30 y 35 °C), el pH (entre 6,8 y 7,4) y alcalinidades entre 1500 y 2000 mg/L. Los parámetros usados para determinar la estabilidad del lodo, son el contenido de sólidos volátiles y el número de patógenos. Estos digestores suelen cargarse de forma continua o intermitente (al menos 1 vez al día), aunque esta última suele presentar eficiencias menores por la producción súbita de hidrógeno y ácidos, propiciada por una mayor heterogeneidad de los productos transformados. 128 Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación de fangos digeridos. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de quemado. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg Existen dos maneras de operar estos digestores: 129 Tasa baja: llamados también de proceso convencional o de tasa estándar, se alimentan de manera intermitente, sin mezcla y sin calentamiento adicional de los lodos. La carga de sólidos oscila entre 0,5 y 1,5 kg SV/m3*d. El tiempo de retención oscila entre 30 y 60 días y, en algunos casos, hasta 90 días. Tasa alta: tienen alimentación continua, con mezcla y calentamiento del lodo, para lo cual se emplea la temperatura derivada de la quema del mismo biogás generado en la digestión. La carga de sólidos oscila entre 1,6 y 4,0 kg SV/m3*d. El tiempo de retención oscila entre 10 y 20 días. 25.3. Deshidratación o secado Para reducir su volumen al máximo y darle a los lodos una textura que facilite su manejo, se emplean diferentes alternativas de deshidratación. Aunque pueden emplearse lechos de secado (áreas con superficies drenantes sobre las que se extienden los lodos para ser secados por efecto del aire y la radiación solar), se emplean de manera más frecuente equipos mecánicos como los filtros prensa y los filtros banda, los cuales presionan los lodos digeridos a través de telas porosas que permiten la salida del agua, dando lugar a unas “tortas” de lodos deshidratados. Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de: http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20Run%20Per%C3%BA32.JPG El líquido extraído de este proceso, es llevado nuevamente a cabeza de proceso, en el tanque espesador. 130 Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t%25C3%25ADtulo.png 25.4. Destino final de los lodos Considerando el alto contenido de nutrientes, pero dependiendo de las características de toxicidad a causa de la presencia de contaminantes orgánicos o minerales y de la patogenicidad de los lodos, estos pueden emplearse (con las debidas precauciones) en: Compostaje, con fines agrícolas. Acondicionamiento de suelos para agricultura, reforestación, recuperación de áreas degradadas, incluyendo las de actividades extractivas. No obstante, especialmente en depuradoras municipales, la presencia de procesos industriales con vertidos tóxicos, entre otras actividades, impide el aprovechamiento seguro de estos lodos, de manera que deberán tratarse y disponerse. Para ello, se deberán disponer en un relleno sanitario, en el que puede existir previamente un proceso de incineración. Mayor información sobre el tratamiento de lodos secundarios de una depuradora, puede ser consultada en este documento titulado “Tratamiento de Lodos”: Ir al documento 131 CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS El tratamiento terciario de las aguas residuales puede ser entendido como cualquier práctica adicional a los procesos biológicos secundarios (que remueven materia orgánica biodegradable e inorgánica oxidable), cuyo objetivo es el de eliminar contaminantes orgánicos no biodegradables, organismos patógenos y nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. En países como los latinoamericanos, predominantemente agrícolas, se hace casi imprescindible desinfectar las aguas residuales tratadas, con el propósito de no restringir su uso en el sector agropecuario. Así mismo, especialmente en cuerpos de agua lénticos (con velocidades de flujo muy bajas) como lagos y estuarios, las descargas de aguas residuales tratadas pueden llegar a ocasionar problemas de hipereutrofización, por los altos niveles de nitrógeno y fósforo que se encuentran en éstas. Por esta razón, deben ser removidos en el tratamiento terciario. En este capítulo se incluyen, también, algunos conceptos acerca de la reutilización de las aguas residuales tratadas, llamadas también aguas residuales regeneradas. Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado El tratamiento terciario, avanzado o específico (en cuento tiene, por lo general, un objetivo particular), surgió como una alternativa de tratamiento que aseguraba el reúso posterior del agua residual tratada. No obstante, en la actualidad, los tratamientos específicos o terciarios desempeñan un papel fundamental en el cumplimiento de las cada vez más exigentes normativas de vertimientos de los países, en los que los tratamientos primario y secundario, no sólo no son suficientes para hacer que un vertido cumpla con las disposiciones normativas de las autoridades ambientales competentes, sino que en varios casos, puede incrementar las concentraciones de algunos compuestos que hoy son vigilados por su incidencia en las restricciones de uso agrícola, como el caso de los patógenos, y por los efectos nocivos sobre el funcionamiento de los ecosistemas hídricos, como es el caso del nitrógeno y el fósforo. Desafortunadamente, como se presentó en los capítulos 4 y 5, los procesos biológicos aerobios, los cuales son los de uso más extendido en el mundo, tienen la particularidad de multiplicar por millones, los microorganismos del licor mezclado presentes como biomasa activa en los reactores. Esta síntesis celular en la que se usan los productos de conversión de la materia orgánica como materia prima, causa también un notable crecimiento del número de organismos patógenos que, eventualmente, pueden escapar con el efluente del decantador secundario, llegando a los cuerpos hídricos receptores de los residuos o líquidos tratados. 132 Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes tratados de las depuradoras agua residual, pero que no reciben tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes específicos. Imagen tomada de: http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4d_52.jpg Evidentemente, esta situación en el escenario de los países agrícolas como el nuestro, provoca serias dificultades en el uso para riego, de aguas superficiales que reciben vertidos de plantas depuradoras. Adicionalmente, la biomasa activa de los reactores biológicos aerobios no usa todo el fósforo disponible en las aguas residuales que se tratan y, como resultado de las actividades de degradación de la materia orgánica biodegradable, se forma nitrógeno amoniacal que en presencia del oxígeno, se transformará en nitritos y, finalmente, en nitratos. La aparición de nitrógeno amoniacal puede ser explicada por las siguientes ecuaciones de síntesis y de transformación en energía, respectivamente. El nitrato, aunado al fósforo no utilizado, constituyen sustancias que pueden llegar a causar problemas de hipereutrofización en los cuerpos de agua lénticos y en algunos ríos de 133 velocidades bajas. Por esta razón, deben ser eliminados hasta alcanzar los niveles aceptables establecidos para los vertidos, en las normativas ambientales. Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización (exceso de nutrientes como nitrógeno y fósforo) que causa el crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de: http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg Además de la desinfección y la eliminación de nitratos por procesos de nitrificacióndesnitrificación, existen otros tratamientos terciarios o avanzados como son: Adsorción (con carbón activo). Intercambio Iónico. Procesos con membranas. Procesos de oxidación avanzada. Estos procesos permiten remover, también, contaminantes específicos como metales pesados, agroquímicos, pesticidas y detergentes, entre otros. Mayor información sobre los tratamientos terciarios, puede ser consultada en el documento “Tratamiento Terciario de Aguas Residuales por Filtración e Intercambio Iónico”: Ir al documento También en el documento “Tratamiento terciario en la EDAR de Benidorm”: Ir al documento 134 Lección 27. Desinfección La desinfección es un tratamiento terciario que busca la destrucción de los microorganismos patógenos presentes en los efluentes de las depuradoras de aguas residuales, antes de su vertido a los cuerpos hídricos receptores. Debe recordarse que los tres grandes grupos de patógenos de origen entérico que causan la mayor parte de los problemas de salud pública relacionada con enfermedades gastrointestinales son: Bacterias Virus Protozoos Entre estos protozoos, los más reconocidos son los quistes de ameba. Otro organismo patógeno que debe controlarse permanentemente en las aguas y en los lodos tratados de las depuradoras, son los huevos de helminto. Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas tratadas de la depuradora. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/4.jpg Para la desinfección de las aguas residuales tratadas en la depuradora, pueden emplearse los siguientes oxidantes: Cloro gaseoso Hipoclorito de sodio Hipoclorito de calcio 135 Dióxido de cloro Cloruro de bromo Ozono Radiación UV (disminuye su eficiencia con la presencia de sólidos en suspensión) Estas sustancias son altamente tóxicas para los microorganismos, destruyen su pared celular, causando su muerte, y/o inhiben su actividad enzimática, inactivándolos. Cualquier desinfectante que se use debe considerar la inactivación o destrucción de los patógenos en el menor tiempo posible, empleando dosis bajas y sin que promueva la aparición de subproductos que puedan ser dañinos para los ecosistemas hídricos receptores. Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales tratadas. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/2.jpg El oxidante más empleado en el mundo, por su bajo costo, su facilidad de manejo, su estabilidad y su solubilidad, entre otras, es el cloro en todas sus formas, seguido por la radiación ultravioleta (UV), muy practicada en Europa. No obstante, la desinfección con rayos UV puede llegar a ser ineficiente, en aguas efluentes que contengan sólidos suspendidos, debido a que los patógenos se resguardan bajo estas partículas, del efecto desinfectante de la radiación. Para desinfección de aguas residuales, la forma de cloro más empleada es el hipoclorito de sodio (líquido). Éste se aplica al efluente de la depuradora en una cámara de mezcla, en la 136 que se aprovecha la turbulencia que causa la caída del agua tratada para dispersar el oxidante de manera homogénea en toda la masa del vertido que será desinfectado. Posteriormente, el agua residual que recibió la dosis de cloro, pasará a un tanque de contacto que tiene unas pantallas o tabiques que mejoran la reacción del desinfectante con la masa de agua e incrementan los tiempos de contacto, mejorando la eficiencia del proceso. Se recomienda el empleo del hipoclorito en concentraciones entre el 10 y el 20% de cloro libre disponible en solución. Las dosis aplicadas de hipoclorito de sodio son usualmente inferiores a 10 mg/L, con tiempos de contacto nunca inferiores a 30 min y, preferiblemente, de 60 minutos. El canal de contacto, resultante de la ubicación de los tabiques en el tanque (Foto 39 y 40), debe mantener unas velocidades de flujo de 5 cm/s. Mayor información sobre la desinfección del agua residual, puede ser consultada en el documento “Desinfección con Cloro” de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos): Ir al documento También en el documento “Desinfección con luz ultravioleta” de la EPA: Ir al documento Lección 28. Nitrificación y desnitrificación Como se mencionó anteriormente, el vertido de aguas residuales puede ocasionar problemas de hipereutrofización en lagos y embalses, a causa de la presencia de concentraciones significativas de nutrientes. Adicionalmente, altos niveles de nitrógeno en las aguas pueden causar la reducción del oxígeno disuelto en los ecosistemas hídricos receptores y, para muchas especies, puede llegar a constituirse en un tóxico. 28.1. Eliminación de nitrógeno En las aguas residuales, la mayor parte del nitrógeno se encuentra en forma de nitrógeno orgánico (e.g. aminoácidos, proteínas, carbohidratos) y amoniaco (e.g. urea de la orina). Se estima que los sistemas convencionales de depuración de aguas residuales, logran eliminar sólo el 30% del nitrógeno inicial. Para eliminar este nitrógeno remanente, se usa el proceso de nitrificación-desnitrificación, cuyas etapas pueden resumirse de la siguiente manera: Nitrificación: es un proceso biológico aireado en donde se agota la demanda de oxígeno del amoniaco, oxidándolo hasta su conversión a nitrato. Desnitrificación: en ausencia de oxígeno, el nitrato se transforma en nitrógeno gaseoso que se incorpora a la atmósfera. 137 Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas residuales. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tratam3/imagenes/1.jpg En la nitrificación, es fundamental la presencia de las bacterias Nitrosomona y Nitrobacter. Las primeras, transforman oxidativamente las formas amoniacales de nitrógeno en nitritos, mientras que las segundas, continúan oxidando los nitritos hasta la formación de nitratos. Las reacciones son las siguientes; para Nitrosomonas: Para Nitrobacter: En la nitrificación, aunque aún no se logra la eliminación de nitrógeno, sí se anula su consumo de oxígeno. Para que se presente la nitrificación, debe mantenerse la concentración de oxígeno disuelto, por encima de 1 mg/L. Esta nitrificación puede tener lugar en el mismo reactor aerobio empleado en el tratamiento biológico o secundario, tanto en procesos de biomasa fija, como suspendida. También es muy usual, emplear tanques independientes, los cuales reciben el efluente del decantador secundario. Con un reactor independiente para la nitrificación, se obtiene mayor fiabilidad y flexibilidad en el proceso. La desnitrificación es la etapa siguiente a la nitrificación y que permite la transformación del nitrato en nitrógeno gaseoso que se escapa a la atmósfera. Esta etapa se desarrolla en un medio anóxico (sin oxígeno). En esta etapa, son fundamentales bacterias como: Achromobacter, Aerobacter, Alcalibacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, 138 Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas y Spirillum, para convertir las formas oxidadas de nitrógeno a otras fácilmente eliminables. El proceso de desnitrificación se puede representar con las siguientes reacciones: Los últimos tres compuestos son gaseosos y se pierden hacia la atmósfera. Para el correcto funcionamiento de esta etapa de desnitrificación, se hace necesaria la ausencia de oxígeno que, de estar presente, inhibe por completo la actividad enzimática de los microorganismos encargados de la transformación de los nitratos. Así mismo, se debe mantener un pH entre 7 y 8. Esta desnitrificación puede llevarse a cabo en reactores de biomasa suspendida o de biomasa fija y puede requerirse una fuente adicional de carbono como el metanol (en algunas depuradoras, mezclan los efluentes del tratamiento secundario con aguas residuales brutas que contienen una importante cantidad de carbono como materia orgánica). Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg Con este sistema se elimina cerca del 90% del nitrógeno total presente en el afluente. Recientemente, se ha demostrado que no es necesario realizar la nitrificación (en un reactor independiente) como proceso previo a la desnitrificación. La ventaja de hacer la desnitrificación sin nitrificación adicional previa (excepto la que se presenta en el reactor aerobio secundario), radica en que el agua residual aún tiene cantidades importantes de materia orgánica como fuente de carbono. 139 Uno de los problemas que aún no se ha logrado solventar del todo, es la necesidad de mantener una agitación mecánica en el tanque de desnitrificación (reacción anóxica) para liberar con facilidad los gases de nitrógeno que se van produciendo y para mantener unas condiciones homogéneas y sin sedimentaciones en el reactor; esto deriva en la inevitable incorporación de oxígeno nocivo para el proceso. Así mismo, la necesidad de alimentación externa de carbono, se constituye también en una de las dificultades que abre excelentes oportunidades para la investigación. Lección 29. Eliminación de fósforo El fósforo puede ser eliminado por vías químicas, biológicas o físicas. Si se requieren niveles de fósforo inferiores a 1 mg/L, se suele realizar filtración combinada con procesos químicos o biológicos. Para la eliminación química, suele emplearse coagulación con aluminato sódico o cloruro férrico e, incluso, cal con adición de polímeros. No obstante, esta práctica viene siendo desestimada por el incremento sustancial de los lodos generados por la depuradora. La eliminación física se hace mediante procesos de ósmosis inversa o ultrafiltración. Sin embargo, estos métodos son costosos por el elevado consumo de energía, así como el precio de las membranas y su corta vida útil. 29.1. Vía biológica de eliminación del fósforo La bacteria Acinetobacter es una de las principales responsables de la eliminación de fósforo en reactores destinados a este propósito. No obstante, se han encontrado otras bacterias que compiten muy bien con este género de microorganismos, como son: Pseudomonas vesicularis y Klebsiella pneumoniae. El éxito de la eliminación biológica de fósforo consiste en alternar, para estas bacterias, un ciclo anóxico seguido de otro aerobio, el cual puede repetirse dependiendo de las necesidades de eficiencia en la eliminación de este nutriente. Durante el ciclo anóxico (ausente de oxígeno) las bacterias responsables de la eliminación del fósforo, emplean sus reservas celulares de polifosfatos como fuente principal de energía y toman como alimento los ácidos grasos volátiles (AGV) que son productos normales de la fermentación anaerobia; de esta manera, emplean casi la totalidad del fósforo acumulado intracelularmente. Posteriormente, en el ciclo aerobio, estos microorganismos emplean las reservas de carbono como fuente energética y, como si estuvieran “temerosos” de no tener suficientes reservas energéticas para enfrentar otra fase anaerobia, almacenan grandes cantidades de fósforo, las cuales exceden sus necesidades estequiométricas. Así, una vez finalizado este proceso, la biomasa rica en fósforo debe ser eliminada. 140 Esta eliminación de biomasa enriquecida con fósforo, puede hacerse mediante dos procedimientos: Purga de fango o Bardenpho. Tratamiento en línea auxiliar o PhoStrip. El proceso Bardenpho® consiste en realizar la secuencia de ciclos anóxico y aerobio para después efectuar una purga de fango que es conducida al tratamiento específico de estos lodos. Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de cuatro reactores (dos anóxicos y dos aerobios) con recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media de 5 veces el caudal tratado. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que se añade un reactor anaerobio (ausente de oxígeno y nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de nitrógeno y DBO también. Imagen tomada de: http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf Mayor información sobre los procesos Bardenpho® para la eliminación de fósforo, puede ser consultada en el folleto (en Inglés) “Bardenpho® Process – Biological Nutrient Removal System” de la compañía EIMCO: Ir al folleto 141 De otro lado, el PhoStrip, concentra la biomasa enriquecida a una línea auxiliar en donde se emplea tratamiento químico, el cual consiste (la mayoría de las veces) en una adición de cal para precipitar el fósforo. Más recientemente se ha formulado una línea de investigación en eliminación biológica de fósforo utilizando procesos de biopelícula. Mayor información sobre los procesos de biopelícula para la eliminación de fósforo, puede ser consultada en el documento “Consideraciones de diseño para la eliminación biológica de fósforo empleando procesos de biopelícula” de Castillo de Castro & Tejero Monzón: Ir al documento Más información sobre los procesos de eliminación de nitrógeno y de fósforo, puede ser consultada en el documento “Tecnologías de Eliminación de Nutrientes” de Gálvez Borrero: Ir al documento Lección 30. Reúso de aguas residuales regeneradas Con mucha más frecuencia, en las últimas décadas se viene hablando del reúso de las aguas residuales tratadas, llamadas en Europa, “aguas residuales regeneradas”. La demanda creciente de agua para satisfacer las necesidades domésticas, agrícolas e industriales, se incrementa en la medida en que la población crece y el modelo económico impone una tendencia cada vez más consumista. Entre las alternativas no convencionales para aprovechamiento de agua, pueden citarse las siguientes (CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua): Escorrentía Agua residual regenerada Agua de mar desalinizada Agua salobre desalinizada El CYTED destaca que de estas alternativas, la más importante en volumen y disponibilidad, es la de agua residual regenerada. Estas aguas tienen la ventaja adicional, de ser, en teoría, una fuente de caudal continuo; por esta razón, desde hace muchas décadas, se han venido empleando de manera directa o indirecta, especialmente, para riego de cultivos. No obstante, estas prácticas son consideradas en la actualidad, de gran riesgo para la salud pública por los patógenos asociados a este tipo de aguas. Algunos de los usos que podrían darse a las aguas residuales regeneradas son (Fundamentado en el Real decreto 1620/2007 de España): 142 a) Usos domésticos y urbanos: a. Riego de jardines privados, parques y campos deportivos. b. Descarga de artefactos sanitarios c. Limpieza de calles d. Sistemas contraincendios b) Usos agrícolas: a. Riego de cultivos. b. Riego de pastos para alimentación de ganado c. Acuicultura d. Cultivos de flores ornamentales c) Usos industriales: a. Aguas de proceso b. Torres de refrigeración d) Usos recreativos: a. Riego de campos de golf. b. Lagos y fuentes ornamentales sin acceso público al agua. e) Usos Ambientales: a. Recarga de acuíferos. b. Riego de bosques y zonas verdes sin acceso público c. Silvicultura d. Mantenimiento de humedales 30.1. Tecnologías de tratamiento para la regeneración de aguas residuales Los tratamientos avanzados destinados a la regeneración de las aguas residuales son múltiples. No obstante, suelen preferirse aquellos que implican un gasto energético muy bajo, justificado en el hecho de que, en la mayoría de las ocasiones, se empleará para usos relativamente poco “nobles” (CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua). Tecnologías de Membrana Son tecnologías costosas y sólo se justifica su utilización en los que el uso del agua regenerada justifica el precio final (e.g. ósmosis inversa para agua de bebida en campos de refugiados, naves espaciales, abastecimientos de emergencia o recarga de acuíferos). Entre estas tecnologías se cuentan: microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa, electrodiálisis reversible y electrodesionización. 143 Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en Yanacocha, Perú. Imagen tomada de: http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg Filtración Avanzada En este caso, se usan anillas planas plásticas con ranuras. Estas anillas se comprimen unas sobre otras formando así el cuerpo del filtro. Dependiendo del nivel de compresión y el tamaño de ranuras empleadas, habrá mayor o menor filtrabilidad. Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de: http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg Tecnologías intensivas de regeneración 144 Entre estas alternativas se pueden mencionar, los SBR (sequencing batch reactors: reactores secuenciales discontinuos) y los biodiscos. Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada de: http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/ImagenesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_7 29600497.jpg Los SBR funcionan de manera análoga a los lodos activados, en los cuales los procesos de aireación y sedimentación se llevan a cabo en el mismo reactor. No demandan grandes áreas de terreno y sus costos son competitivos, generando un efluente fácilmente tratable para regeneración. Los biodiscos son reactores de biomasa fija con discos que giran sobre un eje. La biomasa tiene dos etapas continuas de contacto: con el agua y con el aire (alimentación y respiración). Es un proceso económico, muy empleado en pequeñas instalaciones y, con una desinfección posterior del efluente generado, suele bastar para la reutilización de las aguas. Tecnologías extensivas de regeneración Entre las alternativas se encuentran: los filtros intermitentes de arena, los sistemas de lagunaje y los humedales artificiales. En los filtros de arena, se emplea material granular entre 0,1 y 2 mm de diámetro y debe asegurarse que el lecho no se sature para mantener unas condiciones de trabajo aerobio. Los sistemas de lagunaje ocupan mucho espacio y su funcionamiento se basa en la potenciación del fenómeno de eutrofización. Es el método que puede lograr los más altos valores de abatimiento de organismos patógenos. 145 Los humedales artificiales son lagunas construidas en las que se tiene un lecho de grava sembrado con macrófitas y plantas acuáticas como la espadaña o el junco. Los más empleados son los de flujo subsuperficial y los de flujo vertical. Tecnologías de desinfección para regeneración La desinfección con ozono u ozonización tiene efectos sobre virus y bacterias, principalmente. Como ventajas se cuentan que no produce olores y no es afectado por el pH del agua. En aguas con altos contenidos de materia en suspensión, se requerirá altas dosis de ozono para asegurar su efectividad. El dióxido de cloro también se emplea de forma extensiva en la desinfección de las aguas residuales. Entre sus inconvenientes está la alta inestabilidad y su poder biocida que puede afectar algas y otros microorganismos base de la cadena trófica, de no aplicarse en las dosis adecuadas. Más frecuentemente, en Europa, se viene empleando la desinfección con radiación ultravioleta, la cual destruye los ácidos nucleicos y las proteínas de los organismos patógenos. Se emplean radiaciones de 253,7 nm, que son las más eficientes. Para que sea efectivo este proceso, se deben tener aguas con bajos contenidos de materia en suspensión. Un inconveniente frecuente, es el la necesidad de limpieza permanente de las lámparas. Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de: http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG 146 UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES En este capítulo se hará un recuento de las unidades de tratamiento mínimas que deben tener las instalaciones industriales para la depuración de sus vertidos antes de ser descargados a los sistemas de alcantarillado. También se expondrá el funcionamiento, la necesidad y el dimensionamiento de las unidades de tratamiento y procesos más usados en la industria, diferentes a los tratamientos convencionales, como son: tanques de igualación, procesos de neutralización, unidades de flotación de aire disuelto (DAF) y tratamientos fisicoquímicos para la eliminación de contaminantes inorgánicos. Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales Con el fin de proteger de daños, obstrucción, corrosión y generación de gases explosivos en las redes de alcantarillado sanitario de los municipios, toda industria, por pequeña que sea (e.g. lavaderos de autos, restaurantes) deberá contar con, al menos, los siguientes tratamientos: Desbaste para remoción de sólidos gruesos. Eliminación de grasas y aceites. Desarenador o sedimentador para eliminación de barro, arenas y otros sólidos decantables. Un sistema de rejillas de desbaste, es fundamental en cualquier tipo de aguas residuales industriales. Generalmente se usan rejillas medias y finas de limpieza manual. Los residuos retirados deben ser secados y dispuestos como residuos sólidos. En los lavaplatos de los restaurantes y locales de ventas de comidas, deberá exigirse el uso de rejillas finas que se encuentren fijas (no removibles) en el sifón de los lavaplatos y de las pocetas del área de preparación de alimentos y de lavado. Industrias de alimentos, procesadoras de carnes, restaurantes, asaderos de pollo, instalaciones de comidas rápidas y cocinas de uso comercial e industrial, en general, causan serios problemas de obstrucción en el alcantarillado sanitario, por acumulación de grasas. Las grasas, aceites y otros materiales flotantes pueden ser retirados mediante el uso de cajas simples provistas de pantallas y/o con entrada y salida de tuberías acodadas en las que se aprovecha la diferencia de densidad de estas sustancias que tienen flotabilidad 147 natural y que pueden ser separadas y acumuladas en forma de nata, sobre la superficie del agua al interior de la trampa. Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada de: http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%202006%20grease%20trap.png y modificada por el autor. Estas trampas de grasa deben tener un mantenimiento periódico (cada dos días o cada una o dos semanas, dependiendo de las características del afluente) ya que de acumularse grasas en exceso, éstas empezarán a saponificarse (descomponerse) y a generar malos olores y descensos en el pH. Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para retención de sólidos. Imagen tomada de: http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampa-de-grasas1.jpg Estas trampas de grasa deberán ubicarse lo más cerca posible de la fuente generadora. Generalmente se usan trampas de grasa prefabricadas en plástico, fibra de vidrio o acero 148 inoxidable, que se instalan en superficie y que son fácilmente desmontables. No obstante, también pueden estar enterradas. Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante. Imagen tomada de: http://www.greenarrowenvironmental.com/wp-content/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg Los desarenadores o sedimentadores, son tanques, generalmente, de sección rectangular en donde se tienen bajas velocidades de flujo y tiempos de retención hidráulica de varios minutos u horas (dependiendo de las velocidades de sedimentación de las partículas presentes en el afluente). Aunque se le da poca importancia a esta unidad, gran parte de las sanciones que reciben las industrias a causa de vertimientos a la red de alcantarillado por encima de los límites de la norma, obedecen a sólidos sedimentables. Lección 32. Tanque de igualación Los procesos industriales, por su naturaleza misma, usualmente generan flujos de aguas residuales de características disímiles y de caudales notoriamente variables en el tiempo. Esto es nocivo para los sistemas de depuración (tanto biológicos como fisicoquímicos) debido a que no logran adaptarse bien a las oscilaciones permanentes de carga contaminante y de caudal. En estos casos, y a menos que se empleen reactores de flujo secuencial (SBR), se debe asegurar una regulación de caudales y de características fisicoquímicas en el tiempo, antes del vertido a la red de alcantarillado o previo a la entrada del sistema de depuración. Este tanque recibe los afluentes variables de aguas residuales de proceso, los homogeniza mediante el empleo de una turbina o mezclador (que además mantiene condiciones 149 aerobias en el tanque) y los va descargando a la depuradora o a la red, mediante un sistema de bombeo, a un caudal constante. Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de: http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG Generalmente, se ha asociado el término “igualación” a una función de estabilización de caudales, mientras que se emplea el término “homogenización” al de una normalización de las características fisicoquímicas del agua (e.g. pH, temperatura, DQO, DBO, nitrógeno, fósforo). No obstante, un tanque de igualación de caudales, generalmente, cumple también la función de regular los picos de las características del agua vertida. En términos generales, las funciones que desempeña un tanque de igualación son: Minimizar y controlar las fluctuaciones de caudal y características variables de las aguas residuales. Amortiguar flujos transientes (flujos pico de caudal o de características fisicoquímicas específicas). Estabilizar los valores de pH. Brindar un flujo continuo a los sistemas de tratamiento. Los parámetros generales de diseño de este tipo de unidades, se resumen en la Tabla 35. 150 Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de igualación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). PARÁMETRO Tiempo de retención hidráulica (TRH) Potencial de óxido-reducción (POR) Profundidad máxima del tanque Borde libre recomendado VALOR O RANGO 12 a 24 horas > -100 mV 4,6 m 1m Para calcular el volumen del tanque de igualación, es necesario realizar un muestreo con medida de caudales de descarga, al menos, cada hora. En el ejemplo 32.1, se explicará el método de cálculo. Ejemplo 32.1. Dimensionar un tanque de igualación para una empresa que vierte sus aguas residuales las 24 horas del día, con un valor promedio de sólidos suspendidos totales (SST) de 450 mg/L. Para este cálculo, se realizó un aforo medio de caudales cada hora, el cual arrojó los siguientes resultados promedio, en una semana de monitoreo: (1) Hora (2) Flujo (m3/h) 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 06.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 1,5 3,1 1,5 2,2 4,8 2,3 1,9 3,8 3,7 1,3 0,5 4,8 0,2 0,4 2,5 5,0 2,5 0,6 1,2 1,2 0,2 0,2 Caudal medio de descarga: 1,89 m3/h (3) Volumen vertido en el intervalo de tiempo determinado (m3) 1,5 3,1 1,5 2,2 4,8 2,3 1,9 3,8 3,7 1,3 0,5 4,8 0,2 0,4 2,5 5,0 2,5 0,6 1,2 1,2 0,2 0,2 Volumen vertido acumulado (sumatoria): 45,4 m3 151 Solución: En la tabla del monitoreo la columna 3 es idéntica a la número 2, debido a que el caudal fue registrado en m3/h (columna 2) y el caudal vertido en el intervalo de 1 hora (columna 3), corresponde consecuentemente al mismo valor. Para seleccionar la bomba que llevará, a caudal constante, el afluente regulado desde el tanque de igualación hacia la depuradora, se asumirá con un valor de bombeo ligeramente por debajo al caudal promedio de descarga estimado (1,89 m3/h). Para este caso, se tomará un valor de bombeo de 1,7 m3/h. El volumen del tanque de igualación se puede calcular de la siguiente manera: ∀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (0,20 ∙ 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜) ∙ 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 En este caso en que el volumen vertido acumulado es de 45,4 m3 y las horas de flujo y de bombeo son de 24 horas, será: ∀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 𝑖𝑔𝑢𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (0,20 ∙ 45,4 𝑚3 ) ∙ 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 9,08 𝑚3 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 La potencia del mezclador se calcula considerando que: Para aguas con SST>200 mg/L debe ser de 15 a 30 W/m3 de tanque Para aguas con SST<200 mg/L debe ser de 4 a 8 W/m3 de tanque En este caso en que las aguas tienen un valor medio de SST de 450 mg/L, y un tanque de 9,08 m3, asumiendo una potencia de 20 W/ m3 de tanque, el mezclador deberá tener una potencia de: 20 𝑊 ∙ 9,08 𝑚3 = 181,6 𝑊 𝑚3 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 Se buscará la potencia comercial de valor inmediatamente superior a este calculado; el equipo seleccionado deberá también asegurar una alimentación de entre 9 y 15 litros de aire por minuto por cada m3 de tanque, con el fin de evitar que se presenten condiciones anaerobias. Lección 33. Neutralización La neutralización es un procedimiento de adición de un ácido o un agente alcalinizante al agua residual, con el propósito de: 152 Ajustar el pH del efluente último de la depuradora, antes de su descarga al medio receptor (en la mayoría de las normativas, estos valores oscilan entre 5 y 9 unidades). Para ajustar el pH a un rango óptimo para la eficiente actividad biológica (6,5 – 8,5 unidades). Se hará antes del ingreso al reactor secundario. Para la precipitación de metales pesados (depende del pH de precipitación de cada metal, pero los valores más usuales oscilan entre 6 y 11 unidades. Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.). Para conseguir una buena neutralización es necesario: Mantener unas características estables de caudal y pH en el afluente de la depuradora. La profundidad del tanque de neutralización no debe ser mayor de 3 m. El tanque de neutralización debe ser (preferentemente) de sección circular y con un diámetro igual a su profundidad. Los tiempos de retención en los tanques de neutralización deben oscilar entre 5 y 30 min (se recomienda de 30 minutos para la neutralización con cal). 153 Si la mezcla en el tanque de neutralización se realiza de manera aireada, debe adquirirse un equipo que permita inyectar entre 0,3 y 1,0 m3 de aire por minuto y por m2 de tanque. Si la mezcla en el tanque de neutralización se realiza de manera mecánica, debe adquirirse un equipo que desarrolle una potencia entre 40 y 80 W por m3 de tanque. Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH con ácido o agente alcalinizante. Imagen tomada de: http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jpg 33.1. Agentes alcalinizantes Hidróxido de calcio [Ca(OH)2]: es el más usado por su bajo costo. No obstante, tiene el inconveniente de que genera grandes cantidades de lodo y de que toma largos tiempos en reaccionar. Soda cáustica o hidróxido de sodio [NaOH]: es costosa pero genera muy poco lodo y reacciona rápidamente. 33.2. Ácidos Ácido Sulfúrico [H2SO4]: es el más usado por su bajo precio pero presenta dificultades y peligros en su manipulación. Dióxido de carbono [CO2]: es inerte, incoloro, inodoro y no tóxico. Se considera un excelente sustituto del ácido sulfúrico, porque: o Es un ácido débil y no genera sobreacidificación (generalmente no alcanza valores de pH inferiores a las 6 unidades), por lo que proporciona un mejor control de pH. o No genera corrosión en tuberías. o No es tóxico, no es inflamable, no quema la piel. 154 o Se puede manipular y almacenar sin mayor peligro. o El precio es sólo ligeramente superior al ácido sulfúrico. o Genera mayores economías en la instalación y operación de los equipos dosificadores. En depuradoras pequeñas e instalaciones antiguas, esta neutralización se hace aún en lechos de caliza. Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho, 1996). Para el diseño de estas unidades, en instalaciones con tanques de igualación, deben considerarse los siguientes criterios: Profundidad del lecho de caliza: 1,5 a 2,5 m Carga hidráulica superficial: 120 a 170 m3/m2*d. En caso de faltar el tanque de igualación previo, deberán reducirse a la mitad los valores de la carga hidráulica. Lección 34. Flotación por aire disuelto La flotación consiste en la remoción de partículas más ligeras que el agua, que son arrastradas hacia la superficie. En otras palabras, es un sistema de separación sólido-líquido o líquido-líquido, basado en la diferencia de densidades. Las grasas presentes en las aguas residuales pueden estar emulsionadas o no emulsionadas. Las grasas emulsionadas tiene la particularidad de presentarse en forma de micelas de poco tamaño y de flotabilidad media, lo que deriva en una dificultad de ascenso a la superficie, 155 de manera natural. Las no emulsionadas tienen una alta flotabilidad y pueden ser separadas fácilmente empleando deflectores que las acumulen en la superficie de trampas de grasa (se detallan en la Lección 37) o dispositivos similares. De esta manera, se tienen dos tipos de flotación: Flotación natural (usada para grasas no emulsionadas) Flotación provocada o acelerada (usada, generalmente, para grasas emulsionadas) La flotación provocada o acelerada se utiliza para separar las emulsiones y las partículas sólidas presentes en una fase líquida, mediante la inyección de aire a presión, en forma de diminutas burbujas. Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Las unidades de flotación provocada o acelerada son conocidas como FAD (Flotación por Aire Disuelto) o DAF (por sus siglas en inglés: Dissolved Air Flotation). En estas unidades, una mezcla de aire y agua (libre de sólidos y grasas), es sometida a una elevada presión en un tanque independiente de presurización y es inyectada al tanque de aireación (cuerpo principal del DAF) en la entrada de agua residual a tratar. Cuando esta mezcla de aire comprimido y agua (del presurizador) pasa a condiciones de presión atmosférica en el tanque de aireación del DAF, se produce la formación de miles de burbujas finas que se adhieren a las partículas sólidas y grasas de las aguas residuales a tratar, formando conjuntos (aglomeraciones) burbuja-gas, de menor densidad que el agua, las cuales ascenderán rápidamente a la superficie. Una vez en superficie, estos sólidos y grasas son eliminados en una tolva de natas, a donde son arrastrados por la acción de una rasqueta o desnatador. Este residuo es deshidratado y dispuesto como un residuo sólido. 156 En la mayoría de las depuradoras, este proceso de flotación acelerada es mejorado mediante una aplicación previa de sales coagulantes y/o polímeros. Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por aire disuelto (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). El criterio fundamental para el diseño de las unidades DAF, es la relación aire/sólidos (A/S). Esta relación debe mantenerse entre 0,02 y 0,05 kg/d de aire suministrado por kg/d de sólidos en el afluente de aguas residuales. Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de: http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg 157 Un video demostrativo de un sistema de tecnología DAF, puede ser visto abriendo este hipervínculo. La mayor parte de estas unidades son de fabricación modular (sistemas prefabricados) y algunos cuentan con patente. Son muy usadas en aguas residuales industriales, especialmente, en industria de cárnicos, alimentos y similares. Más información sobre los procesos de flotación y decantación, puede ser consultada en el documento “Decantación-Flotación” de la compañía Dègremont: Ir al documento Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos Algunas aguas residuales industriales contienen importantes cantidades de metales pesados y otras sustancias tóxicas inorgánicas que inhiben la actividad microbiana en los sistemas de depuración biológica y causan problemas de aprovechamiento de los lodos de las depuradoras. Algunos de estos contaminantes y los métodos de remoción, se muestran en la Tabla 36. Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Contaminante Arsénico Bario Cadmio Cianuro Método más empleado Oxidación con cloro para transformar arsenito en arsenato y luego precipitación con cal hasta pH>12. Desventaja: grandes cantidades de lodo generado. Coagulación-floculación y posterior precipitación con sales de hierro. Desventaja: reacción lenta. Precipitación con cal (pH entre 9 y 12) y posterior filtración. Cloración alcalina: una etapa de contacto con cloro y mezcla permanente durante dos horas, a pH>10; y una segunda etapa a pH entre 8,0 y 8,5, durante 1 hora en contacto con cloro. Métodos alternativos Oxidación de arsenito a arsenato y coagulación-floculaciónprecipitación con hidróxido de aluminio o hidróxido de hierro. Desventaja: grandes cantidades de lodo generado. - Precipitación con soda cáustica (pH entre 9 y 12) y posterior filtración. Desventaja: menos efectiva que la cal. - 158 Cobre Cromo Fluoruros Hierro Manganeso Mercurio Níquel Precipitación con cal a un pH Precipitación con soda cáustica a cercano a 9,5 unidades. un pH cercano a 9,5 unidades y Desventaja: la formación de posterior filtración. Desventaja: sulfato de calcio que impide el mayores tiempos de secado de filtrado posterior (cementa el lodos. filtro, endureciéndolo y obstruyéndolo). Reducción de cromo Para la precipitación, luego de la hexavalente a trivalente usando reducción completa del cromo, se ácido sulfúrico a un pH entre 2 puede emplear soda caustica. y 3 unidades y posterior Desventajas: es menos efectiva aplicación de dióxido de azufre, que la cal y se requiere de bisulfito de sodio o sulfato filtración posterior para igualar ferroso para su conversión las eficiencias. completa. La precipitación del cromo se realiza con cal a un Empleo de resinas de intercambio pH cercano a 8 unidades. iónico a un pH controlado entre 4 Desventaja: grandes cantidades y 6 unidades. de lodo generado. Precipitación con cal a un Coagulación con alumbre a pH pH>12 entre 6 y 7 y dosis superiores a 200 mg por cada mg de fluoruro. Desventaja: grandes cantidades de lodo generado. Se emplea cal para ajustar el pH a 7,0 unidades y se oxida el hierro (ferroso a férrico) con un sistema de aireación. Coagulación química a un pH Oxidación con dióxido de cloro o mayor de 9,4 unidades y permanganato de potasio, posterior sedimentación. seguido de coagulación química y posterior precipitación. Adición de cloro o hipoclorito Coagulación química con sales de como oxidante y paso por hierro o aluminio y posterior resinas de intercambio iónico. filtración. Desventaja: grandes Posteriormente, el efluente cantidades de lodo generado y debe hacerse pasar por una altamente contaminado. resina de intercambio aniónico. Adsorción con carbón activado. Desventaja: poca eficiencia. Precipitación a un pH>9,5 Ósmosis Inversa. unidades, usando cal, y 159 Plomo Selenio Zinc posterior sedimentación prolongada y filtración. Oxidación con cloro y posterior precipitación a un pH entre 9 y 10 unidades, empleando cal. Precipitación a pH de 6,6 unidades. Precipitación con cal o soda cáustica a pH entre 9,0 a 9,5 ó >11 unidades; debe estar seguida de un proceso de filtración. Oxidación con cloro y posterior precipitación a un pH entre 9 y 10 unidades, empleando soda cáustica. Desventaja: es menos efectiva que la cal y requiere de filtración posterior para igualar las eficiencias obtenidas con cal. - 160 CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN Los tratamientos en el sitio de origen, llamados también, “sistemas individuales”, son la primera línea de acción en las soluciones para pequeñas poblaciones. Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales, en el sitio de origen. Imagen tomada de: http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecutados/C1L2%202009/Agua%20y%20San eamiento/031%20Laramate/Laramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg Los sistemas individuales se fundamentan en el tratamiento y disposición “in situ” de las aguas residuales generadas por viviendas aisladas o pequeñas urbanizaciones e instalaciones, en general, en donde no es posible el vertido de las aguas servidas a una red de alcantarillado (bien sea por inexistencia o por distancia). Debido a que estas aguas no deben ser vertidas sin tratamiento, se han planteado desde hace varias décadas, sistemas pequeños que permiten el tratamiento y la disposición de estos efluentes sobre el suelo, con el mínimo impacto sobre los ecosistemas o sobre los componentes ambientales (aire, agua, suelo, población, etc.). 161 Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas residuales con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septicodomiciliario-diagrama.jpg Estos sistemas de tratamiento en el sitio de origen, al igual que las tecnologías blandas o naturales, deben asegurar unos costos financieros bajos, demandan una baja cualificación del personal que las construye, opera y mantiene, y no requieren de excesivo mantenimiento y control, aunque deben operarse con la misma atención que cualquier otro sistema de depuración. Lección 36. Principios de la geodepuración El suelo es una matriz conformada por materiales complejos, micro y macro-organismos, así como constituyentes minerales y orgánicos de naturaleza, tamaño, distribución y composición muy disímiles. Las características estructurales del suelo permiten la existencia de espacios vacíos (poros) que facilitan la transmisión y retención del agua y del aire. Por estas razones, el suelo tiene una capacidad (aunque limitada) de tratar materia orgánica e inorgánica, al actuar como un gran filtro bioquímico, en donde se presentan retenciones de 162 sólidos, degradación biológica, intercambio iónico y adsorción, entre muchos otros fenómenos. Las partículas presentes en los suelos, frecuentemente, están cargadas negativamente; por esta razón, tienen la habilidad de atraer y retener sustancias y compuestos catiónicos presentes en las aguas residuales. Es por esta razón, que suele asociarse la capacidad de intercambio catiónico del suelo, con la aptitud de tratamiento de las aguas residuales. Nutrientes como el amonio, el nitrógeno y el fósforo, así como virus y bacterias, pueden ser retenidos por el suelo. Las arcillas tienen afinidad por el amonio, el cual quedará retenido en condiciones anaerobias; en presencia de oxígeno, el amonio se transformará en nitritos y nitratos (proceso de nitrificación) que podrían alcanzar las capas freáticas y los acuíferos subterráneos. Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como un gran filtro bioquímico. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/_d9ZUVwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+degradado.jpg Por su parte, el fósforo es absorbido por los minerales del suelo y forma precipitados con hierro, aluminio o calcio allí presente, lo que determina su tránsito lento por los estratos geológicos. Se ha comprobado que una capa de suelo no saturado entre 0,6 y 1,2 m de espesor, es capaz de remover de manera eficiente, virus y bacterias y casi la totalidad del fósforo. Este requisito de espesor, para lograr remociones considerables, es función de la permeabilidad del suelo. Un suelo permeable no se saturará con la aplicación de aguas residuales, pero 163 provocará eficiencias menores en una misma profundidad, que un suelo poco permeable, el cual tendrá mayor eficiencia pero que se saturará con rapidez. Por esta razón, es fundamental realizar las pruebas de infiltración, las cuales permiten medir la permeabilidad o conductividad hidráulica del suelo. 36.1. Pruebas de Infiltración Las pruebas de infiltración permiten definir la permeabilidad del suelo, a través de la estimación de la tasa de infiltración o velocidad de percolación del agua que es vertida al suelo. Para la instalación de sistemas individuales, deben hacerse como mínimo, cuatro (4) pruebas de infiltración, uniformemente repartidas en el área destinada para la instalación del sistema individual. Para esta prueba, debe excavarse un cuadrante de 1 m de lado y de entre 0,30 y 0,60 m de profundidad, llamada “gaveta”, la cual permite el trabajo cómodo del encargado de ejecutar la prueba de infiltración. Dentro de esta “gaveta” (en un extremo, no en su centro) se excavará un hoyo de entre 0,1 y 0,3 m de diámetro y una profundidad mínima de 0,30 m, de manera que la profundidad del hoyo, coincida con la profundidad del sistema de disposición “in situ” de las aguas tratadas (entre 0,6 y 1,1 m). A este hoyo se le limpian muy bien las paredes y el fondo, con la ayuda de un filo de cuchillo o similar. Se agregan 5 cm de arena gruesa o gravilla para evitar que la caída del agua socave el fondo del orificio. Durante 24 horas, este agujero debe llenarse constantemente de agua con el fin de saturar y expandir el suelo, simulando su funcionamiento del terreno en época invernal. Completadas las 24 horas de saturación, se vierte una altura mínima de 15 cm de agua (sobre la capa de arena o grava) y se mide el tiempo que tarda ésta en descender 2,5 cm respecto de su nivel original. Otra forma de hacerlo es, tomar la lectura del descenso de agua en un intervalo definido de 10, 20 o 30 min. De cualquier manera, este procedimiento permitirá estimar la tasa de infiltración en minutos por centímetro (min/cm). 164 Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf Según la tasa de infiltración, puede clasificarse el tipo de suelo, de la siguiente manera (Tabla 37). Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor. Lección 37. Trampa de grasas Las trampas de grasa son pequeños tanques de flotación natural, en donde los aceites y las grasas, con una densidad inferior a la del agua, se mantienen en la superficie del tanque para ser fácilmente retenidos y retirados. Estas unidades se diseñan en función de la velocidad de flujo o el tiempo de retención hidráulica (TRH), ya que todo dispositivo que ofrezca una superficie tranquila, con entradas y salidas sumergidas (a media altura), actúa como separador de grasas y aceites. 165 Las trampas de grasa deben ubicarse lo más cerca posible de la fuente de generación de estas sustancias (generalmente, corresponde al lavaplatos o similar) y antes del tanque séptico o sedimentador primario. Esta ubicación evitará obstrucciones en las tuberías de drenaje y generación de malos olores por adherencias en los tubos o accesorios de la red. Nunca deben conectarse aguas sanitarias a las trampas de grasas. Para estimar el caudal de diseño de la trampa de grasa, deben tenerse en cuenta las unidades de gasto de cada artefacto sanitario que se conectará a la unidad. Estas unidades se indican en la Tabla 38. Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de trampas de grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Artefacto Sanitario Unidades de Gasto Lavaplatos de uso doméstico 2 Lavaplatos de uso industrial 4 Lavadero (Lavadora) de uso doméstico 3 Lavadero (Lavadora) de uso industrial 5 Otros artefactos de uso doméstico 1 Otros artefactos de uso industrial 2 Deben asumirse las unidades de gasto, por cada grifo de cada artefacto sanitario. Una vez se tenga la contabilidad, se aplicará la siguiente expresión: 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 0,3 ∙ √𝑈 Donde, Qdiseño caudal de diseño de la trampa de grasa (L/s). U total de grifos de los artefactos sanitarios conectados a la trampa de grasa. Nunca debe diseñarse una trampa de grasa de un volumen inferior de 120 L. Otros criterios de diseño, se exponen en la Tabla 39. Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Característica Valor o rango Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) 24 minutos Relación Largo:Ancho Entre 2:1 y 3:2 Profundidad útil: Mínima: 0,8 m Máxima: 2,0 m Dispositivos de ingreso y salida Tee de 90° y mínimo de 3 pulgadas de diámetro Sumergencia del codo de entrada Mínimo 0,15 m respecto del nivel de salida Borde libre 0,30 m (mínimo) 166 Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el caudal de diseño (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Rango de Caudales Volumen trampa de Dimensiones estimadas (metros) (Litros/seg) grasa (m3) Profundidad (H) Ancho (A) Largo (L) <1 1,80 1,5 1,00 1,20 1,0 1,00 1,80 1a2 3,60 1,5 1,10 2,20 2a3 5,40 2,0 1,13 2,40 3a4 7,20 2,0 1,45 2,50 4a5 8,10 2,0 1,50 2,70 5 9,12 2,0 1,60 2,85 Ejemplo 37.1. Calcule el volumen de una trampa de grasas para un restaurante que tiene los siguientes artefactos sanitarios: 3 lavaplatos (con 2 grifos cada uno) 2 pocetas para lavado de traperos y otros elementos de aseo (con 1 sólo grifo). Solución: Para estimar el caudal de diseño, se realiza la contabilidad de las unidades de gasto, así: Artefacto [1] Cantidad [2] Grifos [3] Unidades de gasto Lavaplatos de uso industrial Pocetas (uso industrial) 3 2 4 [4] Total = [1]*[2]*[3] 24 2 1 2 4 UNIDADES TOTALES DE GASTO 28 El caudal de diseño será: 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 0,3 ∙ √𝑈 = 0,3 ∙ √28 = 1,59 𝐿/𝑠 Considerando un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 24 minutos, el volumen de la trampa de grasas será: 𝐿 60 𝑠 ∀ = 𝑄 ∙ 𝑇𝑅𝐻 = 1,59 ∙ ∙ 24 𝑚𝑖𝑛 = 2286 𝐿 ≅ 2,3 𝑚3 𝑠 1 𝑚𝑖𝑛 La trampa de grasas trabajará con un caudal punta, aproximado, de 1,59 L/s y tendrá un volumen de 2,3 m3. 167 Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de escurrimiento de la grasa extraída (a la derecha). Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf 168 Lección 38. Tanques de decantación-digestión Los tanques de decantación-digestión, son reactores anaerobios simples en donde las bajas velocidades y los altos tiempos de detención hidráulica, permiten la sedimentación de la materia orgánica de las aguas residuales y la salida de un efluente clarificado. Estos sólidos retenidos, sufren un proceso de digestión anaerobia que acaba mineralizando este residuo, el cual se extrae al cabo de varios meses e, incluso, años. El dispositivo de decantación-digestión más usado en el mundo es el tanque séptico. En este reactor, la decantación y la digestión de la materia orgánica ocurre en el mismo recipiente, siendo este el método más común de depuración de las aguas residuales para los sistemas individuales, el cual permite su disposición posterior sobre el suelo. El sólo tanque puede lograr remociones de DBO que oscilan entre un 20 y 40%, respecto del agua residual bruta. El diseño del tanque séptico dependerá del tipo de instalaciones o edificaciones a servir, de la carga contaminante, del origen y las características de las aguas residuales a tratar, de la carga hidráulica, de los aspectos geológicos y topográficos del área en que se implantará (e.g. tipo de suelo, nivel freático). Algunas consideraciones para la instalación de estos tanques son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): El sistema deberá garantizar el cumplimiento de las normas exigidas por las autoridades ambientales. Debe asegurar un funcionamiento bajo las condiciones higiénicas y sanitarias apropiadas. No debe causar conflictos estéticos con la zona. Debe ubicarse en terrenos no inundables. Deben instalarse a no menos de 15 metros de las fuentes hídricas, a 3 metros o más de árboles y redes de servicios públicos y a más de 2 metros de las edificaciones. Debe garantizar la no contaminación de los acuíferos y de las aguas sub-superficiales (aguas freáticas). El sistema debe ser aceptado por la comunidad. Debe estar ubicado en un sitio de fácil acceso para las labores de operación, control y mantenimiento. Debe ser la alternativa más económica. Deben ser depósitos estancos (sin fugas ni filtraciones). Su diseño debe evitar la formación de zonas muertas y de cortocircuitos hidráulicos. Debe preverse la extracción y disposición de lodos. Para el diseño, suele estimarse una tasa de acumulación de lodo de 0,04 m 3/persona*año y deben dejarse salidas para los gases liberados en la fermentación anaerobia (chimeneas 169 de 3 pulgadas de diámetro y de altura igual a las edificaciones cercanas). Los tanques sépticos pueden proyectarse sin compartimientos, pero se ha demostrado que son mucho más eficientes los que se encuentran compartimentados (2 o 3 cámaras). Éstos suelen incorporar en la última cámara, un filtro anaerobio del cual se hablará en la Lección 39. Los pasos de un compartimiento a otro debe hacerse mediante orificios ubicados a media altura (entre 30 y 40% de la profundidad efectiva, medida desde la superficie) para evitar el paso de lodos y flotantes entre cámaras. Deberán también dejarse manholes (entradas o registros) de acceso e inspección en cada compartimiento. Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999). Algunas consideraciones que evitan deficiencias de funcionamiento y bajo rendimiento de remoción de materia orgánica, en los tanques sépticos u otro tanque de decantacióndigestión como los Tanques Imhoff son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): El vertido no debe sobrepasar los 200 mg/L de nitrógeno amoniacal. Debe instalarse una trampa de grasas antes para evitar la llegada de estas sustancias que pueden ocasionar graves inconvenientes de olores. Debe evitarse el uso excesivo de detergentes, lejías y desinfectantes, ya que pueden causar la destrucción de los microorganismos anaerobios responsables de la digestión de la materia orgánica, afectando su eficiencia. No es recomendable el uso de trituradores de basura en los sifones de los lavaplatos (o dispositivos similares). Su uso implicará un incremento del 50% del volumen inicialmente calculado para el tanque séptico. 170 No es recomendable el uso de estos sistemas para poblaciones que superen los 200 habitantes equivalentes (h-eq) o que generen caudales de aguas residuales superiores a los 40 m3/d. No obstante, y a pesar de su extendido uso en el mundo, los criterios de diseño son muy dispares entre países. Algunas consideraciones de diseño son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): El caudal de diseño corresponde al caudal medio diario. El Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) varía entre 1 y 3 días, siendo el más frecuente entre 24 y 48 horas y nunca menor a las 12 horas. Tiempos menores a 12 horas, promueven la aparición de malos olores, además de presentarse baja eficiencia. En el diseño, debe preverse que cerca del 30% del volumen calculado se pierde por acumulación de lodos y natas en el tanque. La relación ancho:largo:altura debe ser aproximadamente de 2:5:1. La altura mínima debe ser de 1,2 m. La altura máxima debe ser de 1,7 m. Borde libre de entre 0,25 y 0,30 m. Las divisiones de los compartimientos: o Con dos cámaras, la división se construye al 66% de la longitud del tanque. o Con tres cámaras, la primera división se construye al 50% de la longitud del tanque y la segunda al 75%. Para su diseño pueden emplearse algunas de las siguientes expresiones (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): ∀ = 1,3 ∙ 𝑄 ∙ 𝑇𝑅𝐻 En zonas de alto consumo de agua se puede emplear estas expresiones: ∀ = 2000 + (180 ∗ 𝑃 ∗ 𝑇𝑅𝐻) También: ∀ = 250 ∗ 𝑃 ∗ 𝑇𝑅𝐻 Donde, Q TRH P Volumen del tanque séptico (L) caudal medio de aguas residuales (L/d) tiempo de retención hidráulica (d) habitantes-equivalentes (h-eq) 171 Aunque pueden construirse en mampostería o en concreto, en la actualidad muchos de estos tanques se venden prefabricados en el comercio, y suelen ser más económicos que los construidos. Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4 opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septico-integrado-Diagrama.jpg Ejemplo 38.1. Calcule el volumen de un tanque séptico para un grupo de viviendas que albergan una media de 50 personas. El aporte de aguas residuales por persona se ha estimado en 120 L/día. Solución: El caudal medio diario para el diseño de esta unidad, es: 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ∙ 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑎𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑄𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 50 ∙ 120 𝐿 = 6000 𝐿/𝑑 𝑑 El volumen de la unidad, considerando un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 48 horas (2 días), es: 172 ∀ = 1,3 ∙ 𝑄 ∙ 𝑇𝑅𝐻 ∀ = 1,3 ∙ 6000 𝐿 ∙ 2 𝑑 = 15600 𝐿 = 15,6 𝑚3 𝑑 Lección 39. Filtro anaerobio Es un sistema complementario al tanque de decantación-digestión, altamente eficiente. Puede lograr reducciones de entre un 50 a 70% de DBO, sobre la remoción lograda previamente en el tanque séptico. Consiste en un tanque o cámara cerrada, compuesta por un lecho de grava y gravilla en donde el afluente proveniente del tanque séptico pasa de manera ascendente, a través de los intersticios y la película biológica que se forma sobre la superficie de este material granular, realiza un trabajo de digestión y reducción anaerobia. Estas unidades pueden estar unidas a manera de última cámara de un tanque séptico (lo que disminuye costos de construcción) o pueden ser unidades independientes (lo que facilita las labores de limpieza y mantenimiento). Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo ascendente. Imagen tomada de: http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnologias/tec_s/tec_s11.jpg Los lechos de contacto anaerobio deben cumplir con las siguientes especificaciones (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Volumen: 0,02 a 0,04 m3 por cada 0,1 m3/d de aguas residuales a tratar. 173 Como falso fondo, puede proyectarse una placa perforada con orificios de entre 2,4 y 3,6 cm. También puede emplearse, como falso fondo, una cama de grava de 0,20 m de espesor, con grava de entre 2,5 y 3,5 cm de diámetro. El lecho filtrante suele tener un espesor no menor a los 0,5 m y está compuesto, de manera ascendente, de la siguiente manera: o Una primera capa de grava de 0,45 a 0,55 m de espesor y tamaños entre 1,2, y 1,8 cm de diámetro o Seguida por otra capa de 0,25 a 0,30 cm de espesor y tamaños entre 0,6 y 0,9 cm de diámetro. Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado. Imagen tomada de: http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes/digestor.jpg Esta grava puede ser reemplazada por piezas plásticas como las usadas en lo filtros percoladores. Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascendente, independiente. Imagen tomada de: http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg 174 Lección 40. Campo de infiltración Luego de haber separado las grasas en una trampa y de haber hecho pasar las aguas sanitarias por un tanque séptico y un filtro anaerobio, este efluente parcialmente tratado puede ser llevado a un campo de infiltración. Lo primero que debe realizarse para el emplazamiento de un sistema individual que contemple como disposición final un campo de infiltración, es evaluar si el suelo es apto para funcionar como sistema de depuración, para que posteriormente se proceda a calcular el área necesaria, a partir de la tasa de infiltración determinada por la prueba de infiltración. Una vez que se haya determinado la tasa de infiltración (min/cm) con la prueba en campo, este valor se relacionará con los valores de carga hidráulica y absorción efectiva de la siguiente tabla (Tabla 41). Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Tasa de Carga Ancho de Profundidad Absorción Separación de Infiltración hidráulica zanja (m) de zanja (m) efectiva zanjas (m) (min/cm) (m3/m2*d) ó (m2/m) (m/d) <0,4 No es recomendable su uso 0,4 – 0,8 0,058 0,45 0,5 a 1,0 1,5 1,9 0,8 – 1,2 0,047 0,60 0,5 a 1,0 1,8 1,9 1,2 – 2 0,038 0,60 0,5 a 1,0 2,0 1,9 2–4 0,030 1,00 0,50 a 1,25 2,4 2,3 4 – 12 0,016 1,25 0,50 a 1,25 3,0 2,8 12 – 24 0,008 1,25 0,50 a 1,25 4,0 2,8 >24 No es recomendable su uso El campo de infiltración consiste en una serie de zanjas, con tuberías enterradas que tienen perforaciones en la parte inferior y que reparten en el suelo, de forma homogénea el agua residual parcialmente tratada y clarificada, para permitir su tratamiento y disposición en el terreno, empleando los principios de la geodepuración. Con los valores de tasa de infiltración, carga hidráulica y absorción efectiva, se procede a calcular la superficie útil del campo de infiltración, empleando la siguiente expresión: 𝐴= 𝑄𝑚𝑑 𝐶ℎ ∙ 𝐴𝑒 Donde, A superficie útil del campo de infiltración (m2) 175 Qmd caudal medio diario de aguas residuales (m3/d) Ch carga hidráulica (m/d) Ae absorción efectiva (m2/m) El número de zanjas y tuberías perforadas se calcula así: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎𝑠 = 𝐴 𝑏∙𝑙 Donde, superficie útil del campo de infiltración (m2) ancho de zanja (m) longitud de zanja (m) A b l La máxima longitud de zanja permitida es de 25 m. Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de infiltración. Imagen tomada de: http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif Otras consideraciones para la construcción de un campo de infiltración son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Para el tendido de la tubería perforada, debe establecerse una cama de grava de 0,30 cm de espesor y entre 1,2 y 6,0 cm de diámetro. El recubrimiento se hará con 5 cm de grava, de igual diámetro, por encima de la cota clave de la tubería perforada. Esta grava se cubre con una membrana (geotextil) y se completa la zanja con material grueso (hasta el nivel de terreno) y se remata con un empradizado. 176 El fondo de las zanjas del campo de infiltración deben estar entre 0,60 y 1,0 metros por encima del nivel freático (aunque hay normas que establecen distancias mayores). Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo de infiltración Ejemplo 40.1. Calcule el área útil de un campo de infiltración y el número de zanjas, para un caudal de aguas residuales de 3 m3/d. Las pruebas de infiltración dieron como resultado una taza de infiltración de 1,5 min/cm, que corresponde a una carga hidráulica de 0,038 m/d y una absorción efectiva de 2 m 2/m (Tabla 41). Solución: La superficie útil del campo de infiltración será: 𝐴= 𝑄𝑚𝑑 = 𝐶ℎ ∙ 𝐴𝑒 3 𝑚3 𝑑 𝑚2 0,038 𝑚/𝑑 ∙ 2 𝑚 = 39,47 𝑚2 Considerando una disponibilidad de terreno para una longitud de zanja de 11 m y tomando un ancho de zanja de 0,60 m (Tabla 41), el número de zanjas será: 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎𝑠 = 𝐴 39,47 𝑚2 = = 5,98 ≅ 6 𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎𝑠 𝑏 ∙ 𝑙 0,60 𝑚 ∙ 11 𝑚 177 CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS En Colombia y en el mundo, la mayoría de poblaciones tienen menos de 20.000 habitantes (h-eq) y se encuentran separadas por distancias considerables unas de otras, lo que imposibilita la construcción de depuradoras multi-población. Surge, entonces, la idea de las “pequeñas plantas depuradoras”. Generalmente, se entiende por pequeñas depuradoras, a las instalaciones destinadas al tratamiento de las aguas residuales de comunidades inferiores a los 20.000 h-eq. Los problemas de depuración de estas pequeñas poblaciones son muy distintos a los de las grandes depuradoras. Entre esos problemas pueden destacarse (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005): Falta de legislación específica para pequeños sistemas. Poca planificación. Deficiencias en construcción. Altos costos económicos. Poca disponibilidad de medios técnicos y de personal calificado para la operación. Entre los inconvenientes que se derivan de una mala planificación y que conllevan también a diseños deficientes, se pueden contar: No se simulan los procesos de depuración en laboratorio. Uso de legislación no adaptada para estos pequeños sistemas. Empleo incorrecto de parámetros de diseño. Otro aspecto fundamental que debe considerarse para la elección de los sistemas de depuración de las pequeñas poblaciones es que las fluctuaciones de carga y caudal, son mucho más pronunciadas cuanto más reducida sea la población. Adicionalmente, deben evaluarse en cada caso específico, los aspectos culturales, las costumbres y las actividades industriales, entre otros. Estas particularidades se suman a los altos costos de las depuradoras que, en el caso de las pequeñas poblaciones, van en contravía de las dinámicas de economía de escala. Por estas y otras razones, deben escogerse sistemas que funcionen por gravedad, que demanden un bajo consumo energético, que no requieran de personal de construcción ni de operación altamente calificado y que, en lo posible, se integre con el entorno. Surgen entonces las llamadas “tecnologías blandas”, conocidas también como “tecnologías naturales” o “soluciones de bajo costo”, las cuales se fundamentan en los principios de depuración que emplea la naturaleza y cuyo aspecto, armoniza con el paisaje del lugar en el que se implemente. Entre las tecnologías más usadas en Colombia se encuentran las de 178 los Sistemas de Lagunaje (conocidos como lagunas de estabilización) y los humedales artificiales. También se han usado con algo de éxito en otros continentes, tecnologías de filtros verdes y los llamados filtros intermitentes. Estas tecnologías se expondrán brevemente en este Capítulo 9. Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) Los sistemas de lagunaje emulan los procesos de autodepuración que se presentan de manera natural, en ríos y, especialmente, en lagos. Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG 179 La depuración del agua residual se logra básicamente por sedimentación de la materia orgánica en suspensión y por la labor de oxidación bioquímica de los microorganismos, tanto en los lodos retenidos como en la materia orgánica que se encuentra en disolución. Las lagunas que hacen parte del sistema de lagunaje, pueden clasificarse de la siguiente manera: Lagunas Anaerobias: tienen entre 3 a 5 m de profundidad. Generalmente, es el primer reactor del sistema de lagunaje y recibe el agua residual bruta, después de haber pasado por el pretratamiento. Allí se presenta la mayor parte de la sedimentación de la materia orgánica, por lo que se presenta una alta demanda de oxígeno disuelto que sumada a la poca superficie de intercambio y gran profundidad, condiciona el predominio de los fenómenos de tipo anaerobio. Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). Lagunas Facultativas: suelen ir precedidas de una laguna anaerobia. Tienen entre 1,5 y 2,0 metros de profundidad. Allí se presenta la sedimentación de los sólidos en suspensión que no fueron retenidos en el reactor previo (laguna anaerobia). Son llamadas así porque se presentan fenómenos aerobios en la superficie (debidos al intercambio de gases y los procesos fotosintéticos), anaerobios en el fondo y facultativos en el centro (con microorganismos que se adaptan fácilmente a ambas condiciones aerobia o anaerobia). 180 Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y nutrientes, en una laguna facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua (CENTA). Lagunas aerobias o de maduración: son lagunas de muy poca profundidad (entre 0,7 y 1,1 m), en las que se presenta muy poca demanda de oxígeno y una tasa alta de actividad fotosintética; por esta razón, predominan los fenómenos de foto181 oxidación y asimilación celular de nutrientes. Suelen ser lagunas de pulimento en la eliminación de la carga orgánica contaminante y para la eliminación de patógenos y nutrientes (fósforo y nitrógeno) que pueden causar inconvenientes de hipereutrofización en cuerpos hídricos de baja velocidad. Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil_-_BagleyStabilizationPonds.jpg Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) Los sistemas de lagunaje demandan para su implementación, un área de terreno de entre 7 y 10 m2 por habitante equivalente. Los rendimientos medios de remoción alcanzados por estos sistemas son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Laguna Anaerobia: Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 60% DBO estándar: 40 al 50% DQO: 40 al 50% Nitrógeno: 0 al 15% Fósforo: 0 al 5% 182 Laguna Facultativa: Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 70% DBO estándar: 60 al 80% DQO: 50 al 70% Nitrógeno: 30 al 60% Fósforo: 0 al 30% Laguna de Maduración: Sólidos Suspendidos Totales: 40 al 80% DBO estándar: 70 al 80% DQO: 70 al 80% Nitrógeno: 30 al 80% Fósforo: 10 al 60% Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://corporativoambitec.com/wpcontent/uploads/2012/03/laguna.gif Entre las ventajas de los sistemas de lagunaje se cuentan: 183 Su operación es sencilla, al igual que su construcción. Baja demanda de energía eléctrica. Poca producción de lodos debido a la alta mineralización de los sedimentos como consecuencia de los altos tiempos de retención. Los lodos son evacuados cada 3 a 6 años. Integración armónica con el medio natural. El efluente suele ser apto para riego con algunas restricciones. Se adapta bien a las variaciones de caudal y carga contaminante (flujos transientes). Genera el más alto abatimiento (reducción) de microorganismos patógenos entre las tecnologías no convencionales. Entre las desventajas puede mencionarse que: Demanda una gran superficie de terreno para su implementación, aunque inferior a la del filtro verde. Es muy dependiente de las condiciones climáticas. Por esta razón, no es aconsejable en zonas muy frías o con baja insolación (horas efectivas de sol). Las lagunas anaerobias, por su naturaleza, suelen presentar problemas de olores molestos. Esta situación limita las alternativas de ubicación, las cuales deben estar siempre alejadas de las zonas pobladas. Dificultad para hacer modificaciones que varíen sus condiciones operativas. Alto contenido de algas en el efluente. 42.1. Aspectos a considerar en el diseño y operación de los sistemas de lagunaje. Lagunas Anaerobias: La laguna anaerobia, por su naturaleza, operará de manera más eficiente a temperaturas cercanas a los 30 °C. El color grisáceo del agua, la presencia de burbujas que emergen a la superficie y de una nata de aspecto grasoso sobre la laguna, son indicadores de una correcta operación y/o de un buen funcionamiento. El potencial del oxido-reducción (POR) en estas lagunas, debe oscilar entre -0,42 a +0,82 voltios, para asegurar un funcionamiento anaeróbico óptimo. Los tiempos de retención suelen ser de entre 2 y 5 días, manteniendo un pH no inferior a 7,0 unidades. Más información sobre las Lagunas Anaerobias, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento Lagunas Facultativas: 184 En las lagunas facultativas, un indicador de buen funcionamiento es la coloración verde brillante característica de la actividad fotosintética de las algas. La temperatura óptima de trabajo se encuentra alrededor de los 28 °C y entre 7,5 y 8,5 unidades de pH. Más información sobre las Lagunas Facultativas, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento Lagunas aerobias: Las lagunas aerobias o de maduración, no sólo son usadas como etapa final en los sistemas de lagunaje sino que pueden servir de pulimento de la depuración y remoción de patógenos y nutrientes, en sistemas convencionales de depuración, antes de su vertido al cuerpo hídrico receptor. Más información sobre las Lagunas de Maduración, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento Para su diseño, existe una gran cantidad de modelos que han sido adaptados a regiones o climas específicos. En cualquier caso, deben evaluarse muy bien las condiciones de precipitación, temperatura, velocidad del viento, insolación y evaporación, entre otros factores climáticos, para cada zona en particular; de esta manera, no debe tomarse ningún modelo a la ligera. Más información sobre los modelos de diseño de los sistemas de lagunaje, puede ser consultada en el siguiente texto: Ir al documento Lección 43. Humedales artificiales Los humedales artificiales son reactores análogos a los sistemas de lagunaje, pero con la diferencia de enfocar su principio de depuración, en el uso de plantas acuáticas o semiacuáticas, emergentes. Las especies más usadas son los carrizos, juncos, eneas, entre otras, las cuales presentan una elevada productividad (entre 50 a 70 toneladas de materia seca por hectárea y por año) y son muy resistentes a las condiciones de carencia de oxígeno que se presentan en suelos pantanosos y encharcados. Los mecanismos de depuración se fundamentan en la eliminación de sólidos en suspensión mediante fenómenos de sedimentación y filtración, que se facilitan por el paso del agua a través del conjunto formado por el soporte de gravas, los tallos y raíces de las plantas acuáticas. 185 Una vez que esta materia orgánica ha sido retenida, la acción de microorganismos (bacterias, principalmente) transforma estos compuestos en otros más simples, los cuales son fácilmente asimilables por el ecosistema artificial recreado en el humedal. El oxígeno requerido por los microorganismos es proveído no sólo por los procesos fotosintéticos que pueden darse en superficie, sino principalmente por las raíces de las plantas. No obstante, en algunas zonas del humedal (las que se encuentran a mayor profundidad) pueden darse también procesos de degradación anaerobia. Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s1600/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiac ial+Vertical+%2528HAFSV%2529.JPG En estos sistemas se presenta también la eliminación de nutrientes como nitrógeno y fósforo, por el aprovechamiento directo que realizan las plantas para su crecimiento. La remoción de nitrógeno es favorecida también por los procesos de nitrificacióndesnitrificación que se desarrollan por la existencia de zonas aerobias y anaerobias. La eliminación de patógenos se presenta por la acción depredadora de bacteriófagos y protozoos, así como también por la secreción de sustancias biocidas de las mismas plantas acuáticas. Los humedales, pueden clasificarse considerando si la circulación de agua en ellos se da de forma superficial o subsuperficial, de la siguiente manera: Flujo superficial Flujo subsuperficial horizontal Flujo subsuperficial vertical 186 Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales. Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus, Dinamarca). Entre muchas de las ventajas de estos sistemas se cuentan: Fácil de construir y operar. No requiere de mano de obra calificada. Las labores de mantenimiento pueden limitarse al retiro de los sólidos retenidos en las unidades de pretratamiento y a la poda de la vegetación seca. Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos. No demanda consumo de energía eléctrica. Se integra de forma armónica al ambiente natural. 187 Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de: http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842_orig.jpg Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales. Imagen tomada de: http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG Algunas de las desventajas son: 188 Demanda de una gran superficie de terreno para su implementación (entre 4 y 7 m2 por habitante equivalente). Exige el uso de un sedimentador primario previo; o, en sistemas más pequeños, de un tanque de decantación-digestión como los sépticos o los Imhoff. Los rendimientos medios de remoción alcanzados por estos sistemas son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Sólidos Suspendidos Totales: 60 al 70% DBO estándar: 60 al 80% DQO: 50 al 70% Nitrógeno: 20 al 40% Fósforo: 20 al 30% Lección 44. Filtros verdes Los filtros verdes se fundamentan en el la geodepuración de las aguas residuales vertidas sobre un terreno con vegetación. En estas áreas no sólo se consigue el tratamiento del vertido de aguas servidas sino también el crecimiento de la vegetación existente. Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Victor_IMDEA.jpg 189 Los filtros verdes no hacen posible la utilización posterior del agua, debido a que casi la totalidad de ella, es consumida por la vegetación y retornada en forma de vapor a la atmósfera (transpiración). La que no es aprovechada por la biomasa forestal, se evapora o se percola horizontal y verticalmente en el suelo. Por esta razón, de contar con un suelo muy permeable, podría provocarse la contaminación de las aguas subterráneas. Visto de forma simplificada, un filtro verde es un campo de infiltración, en donde se tienen especies vegetales de alto consumo hídrico, que evitan la saturación del suelo y disminuyen el peligro de contaminación de los acuíferos. En su operación, deben alimentarse las parcelas de manera intermitente (cada 4 a 10 días), dependiendo de la cantidad de lluvias en cada época del año. El caudal de alimentación oscila entre 20 y 60 m3 de aguas residuales por hectárea y por día (m3/ha*d). Aunque se puede aplicar el agua bruta directamente sobre las parcelas de filtro verdes, dependiendo de las características del suelo (especialmente con aguas con alto contenido de grasas y aceites), deberá proveerse un pretratamiento y un sistema de sedimentación previo. Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG La selección de la especie vegetal a implantar en el filtro verde, deberá tener las siguientes características: Alto consumo de agua que retorne por transpiración. Una alta asimilación de nutrientes. Rápido crecimiento. 190 Gran tolerancia a los suelos húmedos. Mínima exigencia de cuidados y mantenimiento. Las ventajas de este sistema son, entre otras: Fácil construcción y operación. El mantenimiento puede restringirse a la limpieza de las unidades de pretratamiento y sedimentación, la rotación periódica de la parcela y al retiro de la costra que puede formarse sobre el terreno, con el fin de airearlo y retornar su permeabilidad (esto se hace cada 3 meses, aproximadamente). Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos. No demanda consumo de energía eléctrica. Se integra de forma armónica al ambiente natural. Posibilidad de compensar algunos costos operativos con la venta de madera. No se producen lodos. Altos rendimientos de depuración. Puede asimilar bien caudales pico e incrementos de carga contaminante (flujos transientes). Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc/imagenes/5.jpg Algunas desventajas que podrían asociarse a los filtros verdes son: 191 Limitación de su aplicación en zonas de alta pluviosidad. La exigencia de grandes áreas de terreno para su implementación (40 a 60 m 2 por habitante equivalente). No es aplicable en todos los suelos (depende de su capacidad de infiltración y de la profundidad del nivel freático, entre otras características). Los rendimientos medios de remoción alcanzados por estos sistemas son (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Sólidos Suspendidos Totales: 90 al 95% DBO estándar: 90 al 95% DQO: 80 al 90% Nitrógeno: 80 al 90% Fósforo: 80 al 90% Lección 45. Filtros intermitentes Estos sistemas se fundamentan en la filtración biológica del agua residual, a través de mantos filtrantes que emplean turba o arena, como medio. La turba, es una tierra enriquecida (a manera de humus) que se forma en zonas pantanosas, de alta saturación, que mantiene condiciones anaerobias. Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s1600/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG En estos filtros se presentan varias acciones de remoción de los contaminantes presentes en las aguas residuales, a saber: 192 Acciones físicas: el lecho actúa como criba, dependiendo de su granulometría y porosidad. Acciones biológicas: se forma una biomasa bacteriana a manera de película (biofilm) sobre la superficie del lecho, que permite la degradación biológica de la materia orgánica. Acciones químicas: en el caso de la turba, se presenta una elevada capacidad de intercambio iónico. Adicionalmente, la alternancia o intermitencia de las fases de saturación-aireación del lecho, promueve la aparición de reacciones de oxidoreducción. Entre las ventajas de los filtros intermitentes se tienen: Fácil construcción y operación. El mantenimiento puede restringirse a la regeneración de los lechos agotados (cada 10 o 15 días) que se consigue rastrillando la superficie seca de los lechos filtrantes para eliminar la costra superficial. Posteriormente se cava el filtro, removiendo el lecho y aireándolo; finalmente se alisa la superficie y queda listo para un nuevo ciclo de llenado (saturación). Inexistencia de averías por la carencia de equipos mecánicos. No demanda consumo de energía eléctrica. Se integra de forma armónica al ambiente natural. Posibilidad de compensar algunos costos operativos con la venta de madera. No se producen lodos, sino una costra de manejo sencillo. La baja demanda de superficie para su implementación, comparada con otras tecnologías naturales (0,6 a 1,2 m2 por habitante equivalente). Puede asimilar bien caudales pico e incrementos de carga contaminante (flujos transientes). Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de: http://3.bp.blogspot.com/skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s1600/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro +de+turba.JPG 193 Algunas de sus desventajas son: Limitación para su uso en zonas de alta pluviosidad. Mayor necesidad de mano de obra que otras tecnologías blandas. La turba debe cambiarse cada 8 o 10 años de uso. Las condiciones del afluente o la selección granulométrica inadecuada del lecho (o ambas) pueden inducir el taponamiento u obstrucción. Los rendimientos medios de remoción alcanzados por los lechos intermitentes son (LozanoRivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): Sólidos Suspendidos Totales: 80 al 90% DBO estándar: 75 al 85% DQO: 70 al 80% Nitrógeno: 30 al 40% Fósforo: 10 al 20% Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc/imagenes/3.jpg 194 Trabajos citados Arboleda Valencia, J. (2000). Teoría y práctica de la purificación del agua. Bogotá D.C.: McGraw Hill. Balda, R. (2001). Filtro Percolador. Bogotá D.C., Colombia: Presentación en PPT. Material de Clase. Universidad de la Salle. Balda, R. (2002). ¿Why to treat wastewater? Presentación en PPT. Bogotá D.C., Colombia: Universidad de la Salle. CIDTA. Universidad de Salamanca. (2005). Módulo en Modelización y Simulación de Plantas Depuradoras de Agua. En CD. Salamanca, España. Collazos, C. (2008). Tratamiento de Aguas Residuales - Generalidades. Recuperado el 1 de Julio de 2012, de Universidad Nacional de Colombia: http://www.ing.unal.edu.co/catedra/drs_diaz_collazos/GENERALIDA DES.pdf CYTED. Red Iberoamericana de Potabilización y Depuración del Agua. (s.f.). La Reutilización de Aguas Residuales. En Agua potable para comunidades rurales, reuso y tratamientos avanzados de aguas residuales domésticas. Madrid. Diario El Espectador. (25 de Septiembre de 2008). Colombia sólo trata 9% de sus aguas residuales. El Espectador. 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