Apuntes Unidad 3 Tratamiento Biológico a Aguas Residuales

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA LAGUNA
DEPARTAMENTO DE QUIMICA BIOQUIMICA
ESPECIALIDAD INGENIERIA AMBIENTAL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
APUNTES UNIDAD No. 3
TRATAMIENTOS BIOLOGICOS
PROFESORA: Dra. MARÍA CRISTINA GARCÍA CARRILLO
ALUMNO
NOMBRE: _____________________________________________
No. Control: ____________________ Período: Septiembre 2020 – Enero 2021
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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
UNIDAD III
TRATAMIENTO BIOLÓGICO
El tratamiento biológico de aguas, es similar al proceso de depuración natural, con la
variante de que en éste, es acelerado por la acción de elevadas concentraciones de
poblaciones bacterianas para un tipo de proceso específico.
El objetivo de este tratamiento es la coagulación y eliminación de sólidos coloidales no
sedimentables y la reducción y estabilización de la materia orgánica presente en el agua
residual.
3.1 Procesos biológicos:
Los microorganismos son los responsables de llevar a cabo un proceso biológico, sus
características metabólicas determinan el tipo de proceso.
La energía contenida en la materia orgánica contaminante utilizada por los
microorganismos (medida como DQO o DBO) es transformada en diferentes productos
dependiendo del metabolismo de la célula.
Los objetivos del proceso biológico en los diferentes tipos de agua residual son:
 En agua residual doméstica, reducir el contenido orgánico.
 En agua para riego agrícola, eliminar los nutrientes como N y P, que son capaces
de estimular el crecimiento de plantas acuáticas.
 En aguas residuales industriales, reducir la concentración de los compuestos
orgánicos e inorgánicos.
Los mecanismos de remoción de materia orgánica en estos procesos se
realizan a través de los siguientes tipos:
1. Sorción en la superficie de los flóculos biológicos de sólidos suspendidos,
metales pesados y materia orgánica no biodegradable.
2. Arrastre con aire de compuestos orgánicos volátiles (VOC’s).
3. Oxidación por los microorganismos, síntesis de nuevas células y consumo de
oxígeno para la generación de energía (biodegradación).
2
Se clasifican en dos grupos:

De acuerdo al tipo de metabolismo de los microorganismos, como se muestra
en el diagrama 3.1, son:
- procesos aerobios
- procesos anaerobios
Diagrama 3.1 Clasificación de los procesos biológicos.

De acuerdo a la forma en la cual se encuentran los microorganismos:
- Procesos de medio suspendido
- Procesos de medio fijo.
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3.1.1 Proceso biológico aerobio.
En estos tipos de tratamiento se emplean cultivos biológicos para llevar a cabo una
descomposición aerobia u oxidación del material orgánico, transformándolos en
compuestos estables, con lo cual se logra un mayor grado de tratamiento que el
obtenido por medio de una sedimentación primaria.
Desde el punto de vista biológico; las bacterias pueden considerarse como diminutos
reactores químicos automáticos, son ajustables, más baratos de operar y se “dan” auto
mantenimiento
La oxidación biológica es la conversión bacteriana de elementos de sus formas
orgánicas a sus formas inorgánicas más oxidadas; proceso conocido como
mineralización.
C-orgánico
H-orgánico
N-orgánico
S-orgánico
P-orgánico
bacterias
bacterias
bacterias
bacterias
bacterias
CO2
H2O
NO3SO4-2
PO4-3
Las bacterias oxidan los contaminantes orgánicos disueltos en las aguas residuales
para suministrarse suficiente energía que les permita sintetizar moléculas complejas
como las proteínas y polisacáridos (carbohidratos) necesarios para construir nuevas
células.
Una bacteria aerobia emplea un 60 al 65% de la energía del sustrato en la síntesis de
nuevas células, el resto en otras funciones metabólicas.
La producción de lodos es alta (5 veces más que el anaeróbico), requiere de suministro
de oxígeno generando un costo energético, además los lodos de purga son digeridos
aeróbicamente, incrementando el costo.
El metabolismo bacteriano tiene dos mecanismos;
Catabolismo, que significa ruptura, para obtener energía y el
Anabolismo, significa construcción para síntesis.
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Oxidación aerobia; oxidación de desechos que utiliza oxígeno molecular como agente
oxidante.
Catabolismo;
CxHyOzN + O2
bacterias
Anabolismo;
CxHyOzN + energía
CO2 + H2O + NH3 + energía
bacterias
C5H7NO2
Auólisis; (forma de catabolismo)
bacterias
C5H7NO2 + 5 O2
5 CO2 + NH3 + 2 H2O + energía
Nitrificación:
Es la oxidación biológica del amoniaco a nitratos, el proceso se lleva a cabo en dos
etapas, acompañadas por dos grupos de bacterias.
.
Nitrosomas: oxidan el nitrógeno del amoniaco a nitrito:
bacterias
55NH4+ + 76O2 + 5CO2
C5H7NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109H+
Y las Nitrobacter de nitrito a nitrato:
bacterias
400NO2- + 195O2 + 5CO2 + NH3 + 2H2O
C5H7NO2 + 400NO3-
La nitrificación es un proceso deseable cuando las aguas tratadas serán usadas por
irrigación ya que los nitratos sirven de abono o cuando se arrojan a cuerpos de agua
donde el amoniaco puede resultar tóxico para la fauna acuática.
En estanques de estabilización, los nitratos actúan como nutrimentos de las poblaciones
de algas reforzando la simbiosis entre algas y bacterias que es la base de la remoción
de la DBO en esos estanques
Estos procesos son afectados por los siguientes factores:








Cambio en la calidad del agua
Requerimientos de oxígeno
Tiempo de retención celular
pH
Temperatura
Mezclado
Efectos hidráulicos
Toxicidad
5
 Calidad en el agua residual.
Los cambios en las características del agua residual afectan el crecimiento de los
microorganismos. El incremento de la DBO produce que haya más alimento para los
microorganismos, esto incrementa la reproducción, modifica el crecimiento de la
población y aumenta el consumo de oxígeno.
Los nutrientes son sustancias necesarias para la subsistencia de microorganismos. Las
necesidades de nitrógeno (N) y fósforo (P) se cubren adicionando sales de amonio y
ácido fosfórico o fosfatos.
La relación de DBO: N: P deberá ser igual a 100:5:1.
 Requerimientos de oxígeno.
Debe mantenerse una concentración mayor a 2 mg/l (ppm), la inyección de oxígeno
promueve la suficiente agitación.
 Tiempo de retención celular.
Es el tiempo en que las bacterias tienen contacto con el agua residual y asimilan la
materia orgánica y la concentración de la DBO en el efluente puede ser aún elevada.
En la sedimentación el tiempo de retención se ve afectado por:




La capacidad de aireación
Respuesta a variaciones estacionales
Respuesta a cambios de carga
pH, entre 6.5 y 8.5; abajo de 6.5 predomina el crecimiento de hongos resultando
en una pobre remoción de DBO y escasa sedimentación. Valores mayores a 9, el
fósforo empieza a precipitar y valores extremos, pueden provocar la muerte de la
población bacteriana.
 Toxicidad
Se refiere a altas concentraciones de metales pesados (cromo, plomo, cobre, zinc, etc.)
y a algunos compuestos orgánicos como el amoniaco. Existen dos grados:
Agua: Produce la destrucción o muerte rápida de la población biológica.
Crónica: Genera destrucción o muerte lenta de los microorganismos, este tipo es difícil
de detectar.
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 Temperatura
El rango óptimo para el crecimiento y desempeño bacteriano se da entre 27 y 32°C. En
el invierno el agua se torna más densa y afecta la velocidad de sedimentación por lo que
se recomienda incrementar los SSV y disminuirlos en el verano.
 Mezclado
Distribuye la concentración de oxígeno uniformemente así como la concentración de
sólidos suspendidos. Debe mantenerse en los niveles deseados para que las bacterias
no sedimenten y se mantengan en contacto con la materia orgánica.
 Hidráulica
La velocidad de flujo está directamente relacionada con un factor de operación. El
incremento de flujo produce un decremento en el tiempo de retención reduciendo la
eficiencia del sistema.
3.1.2 Proceso biológico anaerobio
No se tiene oxígeno molecular para realizar reacciones de mineralización, la materia
orgánica es degradada en dos etapas por dos grupos de bacterias anaerobias;


Las que convierten la materia orgánica a ácidos grasos (ácido acético) y
Las que convierten estos ácidos en metano.
bacterias
4CH3COOH + 4CO2 + 4NH3 + 4H2S + 8H+
4C3H7O2NS + 8H2O
cisteína
ácido acético
bacterias
4 CH3COOH + 8
H+
ácido acético
5 CH4 + 3 CO2 + 2 H2O
metano
o se puede decir que el proceso se desarrolla en tres etapas:
1ª Etapa: Hidrólisis y fermentación:
Bacterias formadoras de ácidos + MO
alcohol
+ CO2
2ª Etapa: Homoacetogénesis:
Bacterias acetogénicas + alcohol + CO2
Acetato + Hidrógeno
3ª Etapa: Metanogénesis.
Bacterias metanogénicas + Acetato
Metano + CO2 + otros gases.
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La bacteria anaerobia utiliza el 10% de la energía contenida en su alimento o sustrato
en funciones de reproducción y el 90% en la producción de metano y CO 2.
La producción de lodos es baja, la energía contenida en el metano puede ser utilizada
como energía calorífica o transformada a mecánica o eléctrica según las necesidades.
Desnitrificación anóxica o anaerobia; es el proceso de tratamiento biológico por el
cual el nitrógeno de los nitratos, se transforma en nitrógeno gas en ausencia de
oxígeno.
NO3-
N2
De acuerdo a la forma en la cual se encuentran los microorganismos o biomasa los
procesos se clasifican en tres tipos de reactores:
 De lecho suspendido: Procesos en donde la biomasa se encuentra en
suspensión (fosa séptica, tanque Imhoff, lagunas anaerobias, digestor anaerobio
convencional, digestor anaerobio completamente mezclado y reactor de contacto
anaerobio).
 De medio fijo o biopelícula: Los microorganismos son retenidos en el reactor,
ya sea suministrándoles un soporte para que se adhieran en forma de biopelícula
o por sedimentación (filtro anaerobio, reactor tubular de película fija, reactor
tubular de lecho de lodos (UASB)).
De lecho fluidificado o de lecho expandido: Los microorganismos en
biopelícula, pero el soporte se expande o se fluidifica con altas velocidades de
flujo. Las cargas aplicadas pueden sobrepasar los 40 kgDQO/m 3/día.
3.1.3 Proceso biológico en medio o lecho suspendido:
Lagunas o tanques de estabilización
Son empleadas normalmente para remover materia orgánica en forma de depuración o
estabilización natural, DBO, coliformes fecales, sólidos totales sedimentables, en
suspensión y disueltos son parámetros utilizados para el diseño de estas lagunas,
presentan las siguientes características:
 Alternativa de bajo costo,
 Requiere de grandes dimensiones de terreno,
 Tanques poco profundos (1.5 a 5.0 m),
 Tiempos de retención relativamente grandes (días).
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Se clasifican en:
De acuerdo al contenido de oxígeno:
a) Aerobias, profundidad de 1 a 1.5 metros
b) Anaerobias, profundidad de 2 a 5 metros
c) Facultativas, profundidad de 1.5 a 2 metros.
En función del lugar que ocupan con respecto a otros procesos:
Primarias, reciben aguas residuales crudas; anaerobias o facultativas.
Secundarias, Reciben aguas de otros procesos, facultativas.
Maduración, Para remover microorganismos patógenos, aerobias.
a) Lagunas aerobias.
En estos tipos de tratamiento se emplean cultivos biológicos para llevar a cabo una
descomposición aerobia u oxidación del material orgánico, transformándolos en
compuestos estables, con lo cual se logra un mayor grado de tratamiento que el
obtenido por medio de una sedimentación primaria.
El oxígeno disuelto para el metabolismo bacteriológico aerobio es suministrado por:
 La transferencia de oxígeno entre el aire y la superficie del agua y
 Por las algas fotosintéticas, siendo un factor limitante en el diseño.
El proceso de descomposición de la materia orgánica se lleva en dos etapas, como
se observa en la figura 3.1
1. La materia carbonosa de las aguas es desintegrada por lo organismos aerobios
formando CO2, utilizado por las algas para la fotosíntesis, el oxígeno del CO2 es
liberado y se disuelve en el líquido en el que crecen las algas.
2. La materia orgánica de las aguas negras es convertida en algas y las aguas reciben
oxígeno para mantener la descomposición aerobia.
Los sólidos de las aguas negras entran al estanque en un estado altamente putrescible
y salen en forma de células de algas muy estables.
Características:
Profundidad:
60 a 120 cm
Cargas:
470 kg DBO/Ha. Día y 1 Ha/1000 habitantes.
Período de retención:
más de 30 días
El suelo natural en que se realicen debe ser prácticamente impermeable.
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Figura 3.1 Operación de una laguna aerobia.
b) Lagunas aereadas
En vez del oxígeno de las algas o de su incorporación natural de la atmósfera, se
introduce aire en la laguna por medios mecánicos. El suministro continuo de aire permite
que estas lagunas tengan un área superficial más pequeña y sean más profundas que
un estanque de oxidación, se muestran varios tipos en la figura 3.2.
Pueden ser aerobia-aereada o facultativa-aereada. No dependen de las algas y de la luz
del sol para suministrar el oxígeno disuelto para la respiración bacteriana, son usados
difusores u otros instrumentos de aireación mecánica para proporcionar la mayor
transferencia de oxígeno y crear cierto grado de mezclado.
c) Laguna anaerobia.
Las condiciones de operación de este tipo de lagunas se especifican en el diagrama 3.2.
d) Estanques facultativos
La degradación microbiológica de los contaminantes se alcanza con una combinación
de microorganismos aerobios y anaerobios y una preponderancia de microorganismos
facultativos que prosperan bajo condiciones tanto aerobias como anaerobias, figuras 3.3
y 3.4.
El oxígeno requerido para mantener condiciones aerobias en las capas superficiales
viene de la re-areación a través de la difusión del oxígeno del aire y de las algas que
proliferan en estos estanques. En el fondo se establece una capa de lodo que mantiene
condiciones anaerobias.
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Las lagunas facultativas operan con carga orgánica baja, permitiendo a las algas
desarrollarse en las capas superficiales de modo de obtener un estrato oxigenado, bajo
éste, en el fondo de la laguna, la digestión anaerobia ocurre.
En el estrato oxigenado, la oxidación bacteriana se produce en simbiosis con la
fotosíntesis algal, la cual proporciona el oxígeno a la masa de agua, figura 3.3.
Bacterias + materia orgánica + O2
nuevas células bacterianas + H2O + PO4
+ NH3 + otros
O2 algal + CO2 + H2O
nuevas células + H2O + O2
Las algas no-móviles, las cuales son las oxigenadoras más eficientes dependen del
grado de la mezcla en la laguna para alcanzar los estratos superficiales donde la
intensidad de la luz es mayor. La mezcla además, ayuda a destruir la estratificación
termal.
Las bacterias fecales y patógenas son removidas en este proceso debido al efecto de
un ambiente hostil. De esta forma, el tiempo de retención es el factor clave, aun cuando
otros factores tales como la temperatura, radiación ultravioleta y la concentración algal,
también afectan la remoción.
Factores de remoción:
Abastecimiento de oxígeno y mezclado
Carga orgánica
Tiempo de retención
Temperatura
Concentración algal
La laguna facultativa es diseñada para permitir la acumulación de sólidos sedimentables
en el fondo del tanque donde los sólidos son descompuestos anaeróbicamente. Los
productos intermedios líquidos y gaseosos de los sólidos acumulados, juntos con los
sólidos disueltos del agua residual entrante, proporcionan el alimento para las bacterias
aerobias y facultativas en la superficie del líquido de la laguna.
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Figura 3.2 Diversos diagramas de lagunas aereadas.
12
.
Diagrama 3.2 Variables en condiciones anaerobias.
Figura 3.3 Zonas que conforman una laguna facultativa
13
Figura 3.4 Proceso simbiótico en una laguna facultativa
El diagrama 3.3 muestra un esquema funcional de una planta de tratamiento
convencional de aguas residuales, numerando diferentes operaciones o dispositivos
principales; el uso de una sola laguna de estabilización sustituye los dispositivos 3, 5, 7,
9 y 10.
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Diagrama 3.3 Esquema convencional de una planta de tratamiento de aguas
residuales.
3.1.4 Procesos biológicos en medios fijos:
3.1.4.1. Sistemas de biopelícula.
Estos sistemas se basan en la remoción de contaminantes de las aguas residuales;
poniéndose en contacto con microorganismos adheridos a un medio sólido que sirve de
soporte, como roca, plástico y arena (figura 3.5).
El soporte inerte o lecho se encuentra estático y las sustancias orgánicas coloidales y
solubles de las aguas residuales al pasar a través del lecho, son adsorbidas por una
capa de lama microbiana que se encuentra en la superficie del medio.
Los materiales portadores disponen de superficies muy específicas (aprox. 200 m²/m³).
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Figura No. 3.5 tipos de empaques para filtros (sintéticos y naturales).
Materiales portadores por biopelículas:
1 material portador artificial (material de plástico),
2 material portador natural (p. ej. roca volcánica).
a) Filtros goteadores o percoladores o rociadores (Biofiltros)
Estos equipos no filtran, sino que actúan como lechos de contacto, el soporte inerte se
encuentra estático, funcionan como columnas empacadas en las que fluyen a
contracorriente, el agua a tratar y el aire que provee el oxígeno. En la figuras 3.6 Y 3.7
se observan diferentes diseños de un filtro goteador respectivamente.
Después de un corto período de operación se desarrolla un crecimiento biológico en el
medio. Los microorganismos ahí fijados remueven la materia orgánica suspendida y
disuelta del agua residual que fluye a través de la superficie.
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Figura 3.6 Corte de un filtro percolador.
Los filtros consisten de tres partes:
Lecho o medio filtrante; entre 1.5 y 2.1 mm de espesor, rectangular o circular;
Tiene dos funciones:
* proporcionar una gran superficie sobre la cual puedan formarse los lodos y películas
gelatinosas que producen las bacterias, y
* que queden suficientes huecos que permitan que el aire circule libremente por todo el
filtro.
Sistema recolector; cumple con el propósito de retirar las aguas negras que han pasado
a través del filtro para aplicarles el tratamiento siguiente y se disponga de ellas.
Distribuidores; las aguas negras se distribuyen en la superficie del lecho mediante
aspersores fijos y distribuidores giratorios. Los aspersores se fijan en tubos que
descansan sobre el medio filtrante y son alimentados mediante un tanque dosificador.
Los distribuidores giratorios llevan a cabo una dosificación más uniforme sobre la
superficie del lecho; las aguas negras se alimentan por medio de una columna central,
hueca a la que están conectados dos o más ramales, cada ramal con conexiones para
aspersores.
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Fig. 3.7 Partes que conforman un filtro percolador
Se manejan las siguientes variables:
Carga de filtro; se expresa en función de la carga hidráulica y de la carga orgánica
Carga hidráulica = Volumen de aguas negras/Área-espesor y Día
La carga orgánica = Kg DBO/Volumen de medio filtrante, también; kg/Ha-m.
De acuerdo a las cargas, los filtros se clasifican (tabla 3.1), de gasto normal y de gran
gasto. La tabla 3.1 muestra la clasificación de los filtros de acuerdo a las cargas; de
gasto normal y de gran gasto.
La película de microorganismos obtenida presenta dos regiones tal como se puede
observar en la figura 3.8.
 Película efectiva, es la que se encuentra en contacto con el agua residual, el
oxígeno disuelto y la materia orgánica se encuentran disponibles para el
microorganismo para el mezclado y difusión del agua (capa aerobia).
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 La película de microorganismo que se encuentra entre el medio y la capa de
organismos (efectiva), consiste en microorganismos anaerobios ya que el
oxígeno ha sido consumido por la capa aerobia.
El espesor de la capa aerobia = f(flujo de agua residual, DBO)
Tabla 3.1 Clasificación de filtros de acuerdo a su flujo o gasto.
Gasto normal
Gran gasto
Carga hidráulica
M3/Ha día
10000 a 40000
Carga orgánica
kg/m3 día.
0.08 a 0.40
0.40 a 0.80
80 a 85
65 a 80
%DBO eliminada
incluyendo sedimentación
primaria y secundaria.
80000 a 400000
OBSERVACIÓN:
En el filtro de gran gasto se logra el mayor gasto hidráulico o flujo volumétrico,
mezclando el efluente del filtro con el gasto normal de aguas negras; disminuyendo la
concentración de la DBO que se aplica al filtro, dando como resultado una mayor carga
de DBO al día.
Fig. 3.8 Metabolización de materia orgánica disuelta
DBO en una biopelícula
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En la capa anaerobia, la degradación tiene lugar con la formación de ácidos orgánicos,
metano y ácido sulfhídrico.
El espesor total de la capa de microorganismos no debe ser mayor a 2.0 mm (1.0 a 2.0),
puede ocasionar obstrucción del relleno, perjudicando el flujo del agua residual y la
transferencia de oxígeno a los microorganismos.
Los filtros rociadores son empleados por su simplicidad y sus bajos costos de operación.
Sin embargo, su eficiencia disminuye en invierno por la posible formación de hielo en la
superficie del medio, además tiene limitado grado de degradación por el corto tiempo de
retención del agua residual.
Diseño de equipos:
Existen dos tipos:
 Modelo de la carga orgánica.
Predice la eficiencia de remoción de la DBO mediante la aplicación de una carga
orgánica (kg de DBO/m3), es decir, cantidad de masa de materia orgánica por unidad de
volumen del medio.
 Remoción de DBO.
Expresa la eficiencia de remoción de la DBO como una función del tiempo de retención
del agua residual, es decir, mediante la aplicación de una carga hidráulica (m3/s. m2). El
diagrama 3.3 muestra algunas configuraciones de filtros percoladores.
Diagrama 3.3 Configuraciones de filtros percolador
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b) Reactores empacados
Reactores de discos rotatorios; sobre la superficie de los discos se desarrolla la
biopelícula que lleva a cabo la bio-oxidación de la materia orgánica usando el oxígeno
del aire que rodea a los discos durante la mitad del tiempo que pasan en este medio. La
biosorción y bio-oxidación que ocurre es similar a la del reactor empacado sin
recirculación.
c) Biodiscos
Contactores biológicos rotatorios (CBR) consisten de un cilindro de gran diámetro (3 a
4 m), compuesto de un medio de plástico, que es montado sobre un eje (7.5 m
aproximadamente) que se coloca en un tanque de concreto. (Ver figura 3.9)
Operación:
El eje gira lentamente (1 a 2 rpm) y el 40% de su área superficial sumergida en el agua
residual.
Durante la rotación el contactor carga una película de agua hacia el exterior y absorbe
oxígeno del aire, y los microorganismos adheridos remueven el oxígeno y la materia
orgánica de la película. El espesor de la capa de microorganismos anda entre 1 y 3
mm.
La figura 3.10 muestra diferentes arreglos de CBR.
Fig. 3.9 Partes que componen un contactor biológico rotatorio
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Fig. 3.10 Diversos tipos de contactores biológicos rotatorios
3.1.5 Sistemas de Crecimiento en Suspensión
3.1.5.1. Lodos activados
Proceso biológico de contacto en el que los organismos vivos aerobios y los sólidos
orgánicos de las aguas negras se mezclan en un medio ambiente favorable para la
descomposición aeróbica de los sólidos.
El proceso se define como: la producción de una masa de microorganismos, capaces de
estabilizar un residuo por vía aeróbica. (Fig. 3.11)
Los lodos activados, están formados por flóculos parduscos que consisten en materia
orgánica procedente de las aguas negras, tienen la propiedad de absorber o de
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adsorber la materia orgánica coloidal y disuelta, incluyendo el amoniaco de las aguas
negras.
Los organismos biológicos utilizan como alimento el material absorbido convirtiéndolo en
sólidos insolubles no putrescibles.
Fig. 3.11 Principio básico de lodos activados
Los parámetros que se miden en el proceso son:
Índice volumétrico de los lodos; representa el volumen en ml que representa un
gramo de lodos activados en el licor mezclado, una vez que se ha dejado sedimentar
durante 30 minutos.
Sí el Índice va aumentando indica, una reducción en la densidad y una tendencia al
“abultamiento”; crece el volumen que ocupa un gramo de lodos.
Edad de los lodos; Es el tiempo medio, en días, que permanece sujeta a la aeración
una partícula de sólidos suspendidos en el proceso de tratamiento de aguas negras con
lodos activados.
𝐸𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑙𝑜𝑑𝑜𝑠 =
𝑉𝐴
𝑄𝐶
(3.1)
V = volumen del tanque de aeración (m3)
A = concentración de los sólidos suspendidos en el tanque de aeración en ppm.
Q = gasto de aguas negras en m3 /día.
C = concentración de sólidos suspendidos en las aguas negras que entran al tanque de
aeración, en ppm (excluyendo los lodos recirculados).
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Ventajas del proceso:
No utiliza grandes dimensiones de terreno.
No generan malos olores. Se debe a que toda la descomposición de la materia orgánica
se realiza a través de oxígeno.
Plantas totalmente cerradas, que son más estéticas y eficientes.
La cantidad de aire requerida depende de los siguientes factores:
a) La carga de DBO
b) La calidad de los lodos activados
c) La concentración de los sólidos
d) La eficiencia que se desee en el abatimiento de la DBO
Se requiere mantener las aguas negras con un mínimo de 2 ppm de OD.
Proceso de lodos activados:
El mezclado de los lodos activados con las aguas negras en tratamiento se lleva a cabo
agregando los lodos recirculados a las aguas negras sedimentadas en el extremo de la
alimentación del tanque de aeración, donde el mezclado es rápido y satisfactorio, como
se muestra en el diagrama 3.4. y la aeración y agitación de este licor mezclado deberá
llevarse a cabo el tiempo que sea necesario.
Diagrama 3.4 Proceso convencional de lodos activados
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Con la aeración se logra tres objetivos;
* el mezclado de los lodos recirculados con las aguas negras
* el mantener los lodos en suspensión por la agitación de la mezcla
* el suministro de oxígeno que se requiere para la oxidación biológica.
3.1.5.2 Variantes del proceso de lodos activados
a) Convencional
La aplicación de uso más extendido del crecimiento en suspensión, es el
proceso de lodos activados convencionales. Los microorganismos se
mantienen en suspensión durante 4 u 8 horas en un tanque de aireación, por
medio de mezcladores mecánicos o aire difuso, y su concentración en el
tanque se mantiene por el retorno continuo de los flóculos biológicos
sedimentados de un tanque de sedimentación secundaria al tanque de
aireación. Arden Llocket, en 1914, dieron a la suspensión floculenta que se
sedimenta y se devuelve para “resembrar” el tanque de aireación el nombre
de lodos activados, supuestamente porque encontraron que, al devolver estos
sólidos, la oxidación del sustrato se aceleraba o activaba (Arden Locket,
1914). El contenido del tanque de aireación se describe como el licor mixto, y
los sólidos se designan como sólidos en suspensión en licor mixto (SSLM).
Estos últimos incluyen material inerte además de células microbianas vivas y
muertas. No es fácil determinar la proporción viva o activa, y por lo común se
supone que la porción volátil de los sólidos (SVSLM), que constituye el 80%
de los SSLM, representa la masa activa.
Al igual que los tanques primarios, los tanques finales pueden ser
rectangulares o circulares y en ocasiones cuadrados, pero proporcionan
tiempos de retención más largos (2 h) y regímenes de derrame más bajos (de
30 a 50 m3/m2 *día) en condiciones de gasto máximo.
La carga de solidos (SSLM) que llega del tanque de aireación es una
consideración de diseño adicional, y son comunes los valores de 6 a 9 kg de
SSLM por m2 de área de superficie del tanque de sedimentación por hora
(1.25 a 1.875 lb/ft2 * h) al régimen de derrame máximo del tanque (Metcalf y
Eddy, 1991).
De los flóculos biológicos que se sedimentan en los tanques finales (también
llamados clarificadores secundarios), entre el 25 y el 40% se devuelven al
tanque de aireación. El resto llamado lodos activados por residuos, debe
recibir un tratamiento adicional.
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Las diferencias de tiempo de aireación, concentración de SSLM, tiempo de
retención de sólidos y carga son algunas de las características distintivas de
los procesos que los hacen más idóneos para una aplicación que para otra.
La aireación puede lograrse utilizando equipos de flujo pistón y completamente
mezclado.
 Flujo pistón; Canales en el tanque de aereación, es posible disminuir el oxígeno
suministrado, conforme avanza el agua por el tanque.
 Completamente mezclado; Mantiene una concentración homogénea de oxígeno
y de SSV en el tanque. La alimentación fresca y el lodo se combinan y se
introducen en diversos puntos del tanque de aireación desde un canal central. El
efluente abandona el reactor a ambos lados del tanque.
b) Aereación extendida o prolongada. El diagrama de flujo del proceso de
aireación prolongada es similar al correspondiente a los lodos activados
convencionales (LAC), aunque sin tanques primarios. La aereación prolongada es
de 24 horas (contra 6 horas para LAC), la cual confiere estabilidad al proceso
pero aumenta el costo de operación. El tiempo de retención en los tanques finales
se de alrededor de dos veces el de una planta convencional. El foso de oxidación
es una variante del proceso de aereación prolongada en el cual dicha aereación y
la sedimentación se combinan en un canal poco profundo (de 1 metro de
profundidad) por el cual se hacen circular los residuos por medio de paletas o
escobillas giratorias. (Fig. 3.11). La sencillez de operación ha motivado un uso
amplio del proceso de aereación prolongada en instalaciones pequeñas y plantas
en paquete.
c) Estabilización por contacto (ACC). En el proceso de estabilización por contacto
también llamado biosorción, los lodos biológicos, no el licor mixto, sufren una
aereación prolongada. El proceso es idóneo para residuos con una alta
proporción de contaminantes orgánicos en forma de particulados, puesto que
depende de la adsorción de éstos por parte de los lodos estabilizados durante un
período de contacto breve (20 a 40 min). La asimilación de las sustancias
orgánicas adsorbidas se verifica en el tanque de estabilización (reaereación de
lodos) a lo largo de un período de 4 horas. Puesto que no hay tanques primarios,
no se producen lodos primarios, y la estabilización de los lodos residuales
aerobios se ha llevado a cabo en general por digestión aerobia. Los altos costos
energéticos de la aereación limitan este enfoque a las plantas más pequeñas (de
menos de 4,000 m3/día).
26
Fig. 3.11 proceso de lodos activados por zanja de oxidación
d) Lodos activados con oxígeno. El proceso de lodos activados con oxígeno, en
el cual se utiliza oxígeno puro en vez de aire en tanques cubiertos. Este proceso
tiene ciertas ventajas en relación con los lodos activados con aire: puede operar
con cargas más grandes, con lo cual se reduce el tamaño de los tanques de
aereación, y es capaz de aceptar fluctuaciones más amplias en cuanto a carga y
residuos más concentrados que los lodos activados con aire. El control del
proceso de las necesidades de oxígeno por medio de sensores de presión es
sencillo y confiable. Cuando es necesario un régimen elevado de transferencia
de oxígeno, como ocurre con los residuos muy concentrados, el sistema aventaja
a los lodos activados con aire, cuya capacidad de transferencia es limitada. Otra
situación de ventaja económica se presenta cuando el control de olores es
27
importante y se tiene intención de cubrir los tanques de aereación. Además el
control de olores es bastante sencillo porque el volumen de gas que se debe
desahogar es solo alrededor de 1%, del correspondiente a lodos activados con
aire. No obstante, el alto costo del suministro de oxígeno y las habilidades
necesarias para aplicar el proceso impiden que éste sea competitivo con LAC,
excepto en plantas grandes.
Las tablas 3.2 y 3.3 muestran los rangos de operación en el proceso de lodos activados
convencionales y de diversos tipos de arreglos respectivamente.
Tabla 3.2 Rangos de operación típicos en el proceso de lodos activados
convencional
28
Tabla 3.3 Rangos típicos del proceso de lodos activados
En la aeración se utiliza el sistema de aire difundido, todas las aguas negras
sedimentadas se mezclan con los lodos activados recirculados a la entrada del
tanque de aeración. Los lodos activados se recirculan en una proporción que
mantenga un contenido de sólidos de 1000 a 2500 ppm en el licor mezclado; el
índice de lodos de 100 a 200 y la edad de 3 a 4 días; la eficiencia global de la
planta de 80 a 95 % medida por el abatimiento de la DBO y de sólidos
suspendidos.
Recomendaciones:
 El exceso de lodos debe de eliminarse antes de que pierda su actividad por la
muerte de los organismos aerobios debido a la falta de oxígeno en el fondo del
tanque.
29
 La cantidad de los lodos recirculados puede variar desde 10 hasta 50% del
volumen de las aguas negras en tratamiento.
 En una planta convencional del 10-20%; depende de la concentración de sólidos
en el licor mezclado, del suministro de aire y por la carga de las aguas negras.
3.1.6. Reactores Secuenciales Discontinuos (RSD): el ciclo de operación de un
RSD incluye 5 etapas: llenado, reacción (con mezcla y aireación), sedimentación,
decantación e inactividad. Reciben influente de manera alternada y pueden
proporcionar así un tratamiento continuo. Los lodos se sacan del reactor durante las
fases de decantación o inactividad, cuando el volumen de los lodos sedimentados
alanza cierto nivel. Los costos de construcción y operación de los RSD son
aproximadamente 20% menores que los de las plantas de lodos activados
convencionales, no se requiere sedimentación secundaria ni bombeo para devolver
los lodos activados, tampoco se requiere tratamiento primario en la mayoría de los
casos. Se han observado tasas más altas de crecimiento microbiano, y por tanto
una oxidación más rápida de la materia orgánica en los RSD.
3.2 Tratamiento y disposición de los lodos
3.2.1 Tratamiento de lodos
Los lodos de las aguas negras se tratan para facilitar su disposición; por su origen se
clasifican en:
 Primarios,
 Secundarios,
 Activados o químicos.
Por su estado o tratamiento en:
 Crudos,
 Frescos,
 Digeridos,
 Elutriados,
 Húmedos,
 Secos,
 De tanque de Imhoff
 Tanque séptico.
Los procesos de tratamiento de lodos tienen dos objetivos:
1) Disminuir el volumen del material que va a ser manejado, por la eliminación de
parte o de toda la porción líquida.
2) Descomponer la materia orgánica muy putrescible a compuestos orgánicos e
30
Inorgánicos, relativamente estables o inertes; a esto se le llama digestión,
disminuye el total de sólidos y también se separa el agua con facilidad.
Métodos de tratamiento de los lodos.
1) Espesamiento: Consiste en concentrar los lodos diluidos para hacerlos más
densos en tanques especiales diseñados para este propósito.
2) Digestión: El propósito de la digestión es lograr los dos objetivos del tratamiento
de los lodos. Es una descomposición anaerobia y se lleva a cabo en tres etapas:
a) Etapa de fermentación; los microorganismos (bacterias y otras formas) atacan
a los sólidos solubles o disueltos (azúcares) formando ácidos orgánicos, gases
como CO2 y H2S; el pH disminuye de 6.8 a 5.1.
b) Digestión ácida; la llevan a cabo organismos a los que favorece el medio
ácido. Los ácidos orgánicos y los compuestos nitrogenados son atacados y
licuados con menor rapidez, el pH aumenta desde 5.1 hasta 6.8.
c) Período de digestión intensa, estabilización y gasificación; los materiales
nitrogenados (proteínas, aminoácidos) son atacados, el pH aumenta desde 6.8
hasta 7.4; se producen grandes volúmenes de gases con un 65% de metano. Los
sólidos restantes son estables o lentamente putrescibles.
El proceso de digestión se puede medir por:
La destrucción de la materia orgánica (sólidos volátiles) o por el volumen o
composición de los gases que se producen.
Los lodos crudos contienen entre 60 y 70% de sólidos volátiles; los digeridos solo
un 20%.
Efecto de la temperatura
El tiempo que se tarda en llevar la digestión varía con la temperatura.
De 12-13°C, se logra el 90% de la digestión en 55 días; a 24°C, el tiempo se
reduce a 35 días y a 35°C a 24 días.
3) Secado sobre lecho de arena: consisten de una capa de grava de tamaño
regular (30 cm), bajo una capa de arena limpia (20 cm); bajo la capa de grava
debe haber colectores y sobre el lecho placas distribuidoras. Los lechos pueden
ser cubiertos o descubiertos y el secado de los lodos depende de dos factores, el
drenaje y la evaporación. El licor escurre o drena hacia abajo a través de la
31
arena, el escurrimiento más importante ocurre durante las primeras 12 a 18
horas, después el secado se debe a la evaporación del agua.
4) Acondicionamiento químico: El acondicionamiento de los lodos por este
método, los prepara para un mejor y más económico tratamiento posterior con
filtros al vacío o centrífugas. La adición del producto químico baja el valor de su
pH hasta un punto en el que las partículas más chicas se coagulan formando
otras más grandes y el agua contenida en los sólidos de los lodos se separa más
fácilmente.
5) Elutriación: La palabra “elutriación” significa purificar por lavado. En el
tratamiento de lodos significa extraer de los lodos, por medio de agua y efluentes
de plantas de tratamiento los compuestos amínicos o amoniacales que se
encuentran en cantidades excesivas para disminuir la demanda del coagulante.
Es un pretratamiento antes de la coagulación, se mezclan los lodos con agua o
con efluente de la planta, se agita en forma mecánica o con aire difundido, se
deja sedimentar y el sobrenadante se regresa al proceso.
6) Filtración al vacío: Consta de un tambor sobre el cual descansa el medio
filtrante (tela de algodón, nylon, lana, malla de acero inoxidable); el tambor va
montando en un tanque sobre su eje horizontal y sumergido una cuarta parte en
el lodo acondicionado. El tambor gira lentamente aplicando el vacío en el interior
del medio filtrante va extrayendo el agua de los lodos y mantiene el lodo adherido
a él. La torta es raspada, soplada o levantada del tambor, justo antes de que
vuelva a entrar en el tanque de lodo.
7) Secado por calentamiento: Se utiliza cuando los lodos van a servir para la
fabricación de fertilizantes o cuando van a ser incinerados deben secarse hasta el
punto en que puedan encenderse o quemarse.
Se utilizan los siguientes equipos;
1) Horno secador rotatorio
2) Secador instantáneo
3) Secador de pulverizadores
4) Horno de hogar múltiple.
8) Incineración: El producto final del proceso consiste en cenizas que hay que
eliminar, los gases de combustión deben de mantenerse de 675 a 760°C para
evitar malos olores en la descarga de las chimeneas. La eliminación eficaz de
32
polvo, cenizas y hollín de la descarga del tiro se consigue mediante y una cámara
de asentamiento, con un separador centrífugo o con un precipitador
electrostático. Tiene ventajas de economía, reducción de olor, disminución de
volumen Y peso del producto final aparte que es independiente del clima.
9) Oxidación húmeda (Proceso Zimmermann): Los lodos desmenuzados (6.3
mm) se precalientan en un tanque mezclador hasta unos 82°C, se descargan a
una tubería en donde se introduce aire a presión. La mezcla caliente se pasa por
intercambiadores de calor hasta elevar la temperatura a 204°C antes de que la
mezcla entre a un reactor vertical. Dentro del reactor se oxida la materia orgánica
hasta cenizas liberando calor; la temperatura se eleva hasta 260°C. el efluente
del reactor pasa por los cambiadores de calor cediendo la mayor parte de calor a
los lodos de alimentación. La porción líquida lleva las cenizas que son eliminadas
por sedimentación. Otros productos de la eliminación húmeda son; amoniaco,
ácidos volátiles y alguna DBO residual.
3.2.2 Disposición de los lodos
 Disposición en agua:
depende de la disponibilidad de masas de agua
adecuadas y es un método económico.
 Disposición en tierra: consiste en enterrar los lodos y se utiliza en lodos crudos
que se cubren con tierra para que no originen molestias por el olor utilizando
zanjas de 60 cm las cuales deben de ser cubiertas con al menos 30 cm de tierra.
 Material de Relleno: se limita a los lodos digeridos, quedando a la intemperie sin
producir molestias por el olor.
 Como fertilizante o acondicionador de suelos: el lodo de aguas negras
contiene elementos esenciales para la vida vegetal; como N, P, K y trazas de
elementos menores (B, Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, S, Zn); algunos se pueden encontrar
en cantidades que pueden ser perjudiciales. (desechos industriales). El humus
del lodo beneficia al suelo aumentando su capacidad de retención de agua,
mejorando así su calidad para el cultivo. Se afirma que los lodos digeridos son
comparables con los abonos de granjas como lo muestra la tabla 3.4
33
Tabla 3.4 Ingredientes fertilizantes en los lodos y en diversos abonos.
_________________________________________________________________
Porcentaje en base seca
Nitrógeno
Ácido
Potasa
(como N)
fosfórico
Lodos sedimentados diferidos. . .
0.8-3.5
1.6
Lodos activados digeridos. . . . . . . 2.0-4.8
1.6
Lodos activados secados por calor 4.0-7.0
1.7-2.5
0.13
Comerciales pulverizados:
Abono de ovejas. . . . . . . . . . . . . . .
Abono de vacas . . . . . . . . . . . . . . .
Abono de aves . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2-2.5
1.6-2.1
1.9-4.0
1.0-2.0
1.0
2.5-3.7
2.0-4.0
1.0-2.2
0.8-1.3
_________________________________________________
3.3 Sistemas avanzados de eliminación de nutrientes en aguas
residuales
Se manejan varias estrategias de remoción de nutrientes del agua, tales como:
Eliminación de nitrógeno sin eliminar el fósforo.
Eliminación conjunta de nitrógeno y fósforo.
Eliminación de fósforo con o sin eliminación de nitrógeno.
Eliminación de fósforo todo el año con eliminación estacional de nitrógeno.
3.3.1 Eliminación de nitrógeno
Las formas de nitrógeno (N) en agua residual cruda son como Nitrógeno amoniacal,
(N-NH3), en forma soluble y como N-orgánico, soluble en forma de urea y de
aminoácido, también presenta bajas o nulas concentraciones de N-nitrito y de N-Nitrato.
Nitrificación biológica: es la oxidación del amoniaco a nitratos, el proceso se lleva a
cabo en dos etapas, acompañadas por dos grupos de bacterias, las nitrosomas que
oxidan el nitrógeno del amoniaco a nitrito y las nitrobacter de nitrito a nitrato.
Nitrosomas:
55NH4+ + 76O2 + 5CO2
bacterias
Nitrobacter:
400NO2-+195O2 + 5CO2 + NH3 + 2H2O
NO2 + 54NO2- + 52H2O + 109H+
bacterias
C5H7NO2 + 400NO334
La energía producida es utilizada para el crecimiento y mantenimiento celular.
C5H7NO2, se emplea para representar las células bacterianas sintetizadas. En presencia
de materia orgánica y N-amoniacal los microorganismos encargados de la nitrificación
solo pueden realizar su función si el oxígeno disponible es mayor al necesario para la
degradación de la materia orgánica.
La nitrificación es un proceso deseable cuando las aguas tratadas serán usadas por
irrigación ya que los nitratos sirven de abono o cuando se arrojan a cuerpos de agua
donde el amoniaco puede resultar tóxico para la fauna acuática. En estanques de
estabilización, los nitratos actúan como nutrimentos de las poblaciones de algas
reforzando la simbiosis entre algas y bacterias que es la base de la remoción de la DBO
en esos estanques.
Desnitrificación anóxica o anaerobia: es el proceso de tratamiento biológico por el
cual el nitrógeno de los nitratos, se transforma en nitrógeno gas en ausencia de
oxígeno.
3.3.2 Eliminación de fósforo (P)
El fósforo está presente en forma de ortofosfato (PO4-3), polifosfato (P2O7) y formas
orgánicas de P, su eliminación se puede llevar a cabo mediante los procesos:
Químicos: El P orgánico y el polifosfato (70% del P total) se transforman en
ortofosfatos; éstos se remueven por precipitación química usando sales de Ca, Fe o Al.
Físicos: En la decantación primaria se elimina 10% P de la fracción insoluble y otros
procesos como ultrafiltración y osmosis inversa.
Biológicos: Por lodos activados el fósforo es removido por dos mecanismos:
1° Incorporación vía fisiológica para cubrir las necesidades metabólicas de los
microorganismos: ácidos nucléicos, fosfolípidos y nucleótidos.
2° Fijación físico-química de P por precipitación y adsorción. Los microorganismos
utilizan el P para mantenimiento y síntesis celular, transporte y almacenamiento de
energía para su uso posterior. En condiciones aerobias los microorganismos consumen
más P del necesario.
En condiciones anóxicas pueden liberar el P almacenado como respuesta a la
presencia en el agua residual de ácidos grasos volátiles.
Durante el tratamiento secundario se elimina entre el 10 y 30% del P presente en el
agua residual.
35
3.4 Desinfección.
Para asegurar que el agua está libre de bacterias perjudiciales es necesario
desinfectarla. La cloración es el método más común para desinfectar el abasto público
de agua. Se agregan cantidades suficientes de cloro gaseoso o hipocloritos al agua
tratada para matar las bacterias patógenas, es un método confiable, relativamente
económico y fácil d aplicar. Otros desinfectantes incluyen cloraminas, dióxido de cloro,
otros halógenos, ozono, luz ultravioleta y alta temperatura. La ozonización,
extensamente utilizada en Francia, está ganando aceptación en Estados Unidos y
Canadá, en especial como alternativa de la precloración cuando están presentes
sustancias orgánicas naturales. Aunque es eficaz, el ozono no deja un residuo duradero
que permita una desinfección a largo plazo.
Factores para la selección de un desinfectante:
 Deben destruir a las clases y número de microorganismos patógenos contenidos
en el agua, en un tiempo razonable y actuar en una gama de temperaturas.
 Las concentraciones requeridas no deben ser tóxicas al hombre ni a los animales
domésticos, ni sabor desagradable.
 Costo razonable, seguros y fáciles de almacenar, transportar y aplicar.
 Persistir en el agua desinfectada con la concentración suficiente para
proporcionar una protección residual.
3.4.1 Cloración de aguas negras.
Cloración, consiste en la aplicación de cloro para lograr un propósito determinado.
El cloro puede introducirse en forma de gas, en solución acuosa o en la forma de
hipoclorito (Na, Ca), que al disolverse en el agua desprenden cloro.
La aplicación a las aguas negras se controla por medio de dispositivos especiales
conocidos como, cloradores y clorinizadores.
Reacciones del cloro en las aguas negras.
El cloro es una sustancia muy activa que reacciona con muchos compuestos,
obteniéndose una variedad de productos, su adición en aguas negras se comporta de la
siguiente manera:
Mecanismos;
El cloro gaseoso se hidroliza en agua en forma casi completa para formar ácido
hipocloroso:
Cl2 + H2O
HClO
+ H+ + Cl-
agente activo
36
El ácido hipocloroso, HClO, se disocia en iones hidrógeno (H+) e iones hipoclorito (OCl-)
en la reacción reversible siguiente:
+
HClO
ClO +
H
El cloro reduce el pH del agua a causa de los iones hidrógeno que se producen en las
reacciones anteriores. El pH del agua es muy importante para determinar el grado en el
que el ácido hipocloroso se disocia para producir iones hipoclorito. El ácido hipocloroso,
que es el agente desinfectante primario, predomina a un pH menor de 7.5 y es alrededor
de 80 veces más eficaz que el ión hipoclorito que predomina con un pH mayor a 7.5. El
HClO y el ClO- se describen como el cloro libre disponible, en el sentido utilizable para la
desinfección. Las cualidades desinfectantes del ácido hipocloroso aumentan en grado
considerable a niveles de pH bajos en virtud de la mayor proporción de HClO presente.
El cloro ejerce una acción directa contra la célula bacteriana destruyéndola, debido a su
carácter tóxico, inactiva a las enzimas de las cuales dependen los microorganismos para
la utilización de sus alimentos, lo cual da como resultados que los organismos mueran
por inanición. El cloro que consumen las sustancias reductoras orgánicas e inorgánicas,
se define como demanda de cloro.
Demanda de cloro = (Dosificación-Cloro residual) ppm
La cantidad que queda después de satisfacer la demanda de cloro es la que lleva a
cabo la desinfección; el cloro en exceso se define como cloro residual.
El cloro residual se divide en:
Libre; como ácido hipocloroso y ión hipoclorito, Combinado; se asocia al NH3 y otros
componentes nitrogenados como el amoniaco (NH3) que es de especial interés porque
produce cloraminas, las cuales son eficaces como desinfectantes pero en menor grado
que el cloro libre disponible; sin embargo persisten durante más tiempo en el agua
tratada que el cloro libre disponible y sirven como protección contra una posible
contaminación en el sistema de distribución.
HClO + NH3
NH2-Cl + H2O
La adición de amoniaco al agua clorada para producir cloraminas se llama
cloraminación.
El cloro combinado disponible es el
residual que existe en
combinación química con amoniaco (cloraminas) o compuestos orgánicos nitrogenados.
En ciertos casos es necesario utilizar cloro para eliminar sabores y olores del agua. Esto
37
requiere la adición de cantidades mayores de cloro en un proceso que se denomina
supercloración. Para eliminar el exceso de cloro es necesario desclorar con dióxido de
azufre, sulfito o meta bisulfito de sodio. El mecanismo exacto de ataque de cloro a los
microorganismos en el agua se desconoce, pero lo que sí se sabe es que el agua debe
estar relativamente libre de materia orgánica para que la desinfección sea completa.
Los dos parámetros fundamentales para una cloración eficaz son la dosificación y el
tiempo de contacto. La velocidad de muerte bacteriana para una dosificación específica
no sigue una cinética de reacción de primer orden, por lo que se emplean ecuaciones
empíricas para correlacionar la dosificación y el tiempo de contacto para la destrucción
porcentual deseada. Se debe agregar al agua cloro suficiente para satisfacer la
demanda de cloro y para producir una concentración de cloro libre de 0.2 mg/l después
de 10 minutos de contacto y con un pH de 7. El equivalente mínimo combinado de cloro
residual disponible de 1.5 mg/l después de 60 min de contacto y con un pH de 7.
Uno de los problemas que presenta el cloro es que se combina con las sustancias
orgánicas naturales que pueden estar presentes en el agua (de la vegetación en
descomposición) para formar trihalometanos (THM), entre ellos el cloroformo que es un
carcinógeno. Puesto que los THM no se eliminan por los métodos de tratamiento
convencionales, el agua que se va a clorar debe estar libre de sustancias orgánicas
naturales; en caso contrario, se debe utilizar otro desinfectante.
Del diagrama 3.5 se tiene:
I.
Demanda rápida por iones reductores:
Fe+2 a
II.
III.
IV.
Fe+3
Mn+2
a
Mn+3
Aparece residual combinado.
Demanda de reacción lenta (materia orgánica y además se descompone el
residual combinado).
Todo el Cl2 que se agregue después del “Punto de quiebre” aparecerá como
residual.
38
Diagrama 3.5 Comportamiento del cloro residual vs dosificación
de cloro libre
Otros propósitos de la cloración son:
 Prevención de la descomposición de las aguas negras:
a) Control de olores
b) Protección de las estructuras
c) Espesamiento de los lodos.
 Mejoras en la operación de la planta
a) Sedimentación
b) Filtros goteadores
c) Abultamiento de los lodos activados
d) Espumamiento en tanque Imhoff
 Disminución o demora de la DBO.
Ejemplo:
Un clorador se ajusta para alimentar 25 kg de cloro en 24 horas; el gasto de aguas
negras es de 3 400 m3 y el cloro medido mediante la prueba de la OT (Ortotolidina)
después de 15 minutos de contacto es de 0.5 ppm.
Cloro dosificado = (25 kg/3400 m3)1000 = 7.3 gr/m3, o sea 7.3 ppm
Dosificación de cloro en ppm
7.30
Cloro residual en ppm
- 0.50
Demanda de cloro:
= 6.80 ppm
39
Dosificaciones de cloro suficiente para producir un cloro residual adecuado para la
desinfección de aguas negras domésticas de composición media serían las siguientes:
Tipo de tratamiento
Efluente de tratamiento primario
Efluente de filtros goteadores
Efluente de planta de lodos activados
Efluente de filtros de arena
Dosificación
20-25 ppm (mg/l)
15 ppm
8 ppm
6 ppm
TAREA: Consultar otros desinfectantes CON SUS MECANISMOS DE REACCION
3.5 Biodigestores
Un biodigestor es un sistema sencillo de conseguir solventar la problemática energéticaambiental, así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como
animales. En su forma simple es un contenedor (llamado reactor) el cual está
herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico como
excremento y desechos vegetales (exceptuando los cítricos ya que éstos acidifican). Los
materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo
gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno tal como lo
muestra la figura 3.12. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y
nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el
biogás y cámaras de hidropresión y pos tratamiento (filtro y piedras, de algas, secado,
entre otros) a la salida del reactor.
El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos
bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico
produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás.
El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos
residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado
como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los
malos olores son eliminados.
Una de las características más importantes de la biodigestión es que disminuye el
potencial contaminante de los excrementos de origen animal y humano, disminuyendo la
Demanda Química de Oxigeno DQO y la Demanda Biológica de Oxígeno DBO hasta en
un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y operación). Se deben controlar
ciertas condiciones, como son: el pH, la presión y temperatura a fin de que se pueda
obtener un óptimo rendimiento.
40
Fig. 3.12 Insumos generadores de biomasa
El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos
bacterianos anaeróbicos en los excrementos que al actuar en el material orgánico
produce una mezcla de gases (con alto contenido de metano) al cuál se le llama biogás.
El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos
residuos con un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado
como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los
malos olores son eliminados.
Una de las características más importantes de la biodigestión es que disminuye el
potencial contaminante de los excrementos de origen animal y humano, disminuyendo la
Demanda Química de Oxigeno DQO y la Demanda Biológica de Oxígeno DBO hasta en
un 90% (dependiendo de las condiciones de diseño y operación). Se deben controlar
ciertas condiciones, como son: el pH, la presión y temperatura a fin de que se pueda
obtener un óptimo rendimiento.
41
El biodigestor es un sistema sencillo de implementar con materiales económicos y se
está introduciendo en comunidades rurales aisladas y de países subdesarrollados para
obtener el doble beneficio de conseguir solventar la problemática energética-ambiental,
así como realizar un adecuado manejo de los residuos tanto humanos como animales .
3.5.1. Clases de Biodigestores
• Biodigestores de flujo discontinuo
• Biodigestores de flujo semicontinuo
• Biodigestores de flujo continuo
• Biodigestores de salchicha, Taiwan, CIPAV o biodigestores familiares de bajo
costo
Las figuras 3.13(a), (b) y (c) muestran algunos tipos de Biodigestores.
(a)
(b)
(c)
Fig. 3.11 Construcción de diversos tipos de biodigestores
42