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ANTEPROYECTO:
DISEÑO DE ESTACION DEPURADORA DE AGUAS RESIDUALES
IMPLEMENTACION DE LA TECNOLOGIA SBR
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE
CARTAGENA
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
de Caminos, Canales y Puertos
TRABAJO FIN DE MASTER
Autora: Marveline Montero Vicioso
Tutor: Juan Tomas García Bermejo
31 de Mayo 2017
Agradecimientos 2
Primero quiero agradecer a Dios, por permitirme esta oportunidad en mi vida de poder disfrutar de esta experiencia, en un país diferente, con gente diferente y sobre todo a tener una visión diferente de las cosas.
Agradecer a mi profesor y guía Juan García, por confiar en mí y por estar presente en mi formación y en el desarrollo de este proyecto.
A mi familia por su apoyo desde mi país y por sus atenciones y preocupaciones constantes, así como el sacrificio emocional y económico que significó mi traslado a un país diferente.
A mi novio Francisco José Hernández y su familia por estar siempre a mi lado, dando fuerzas y alentándome en los momentos que más lo necesite. Por ser una familia para mí en una tierra extranjera.
A Pamela y a Sarah por ser como hermanas que Dios me regalo para vivir esta experiencia. Me hacían sentir un poco de nuestra tierra cuando estábamos juntas y recordar lo cálido de nuestra gente.
3 Resumen
Este proyecto se centra en un sistema específico que implementa una tecnología SBR (ing. Sequencing Batch Reactor) para tratar la variabilidad que sufren los flujos de aguas residuales al llegar a una planta de tratamiento, permitiendo una flexibilidad que no puede ser proporcionada por otros sistemas. Además de que ocupan espacios más pequeños y son potencialmente menos costosos en cuanto a construcción y operación. La depuradora propuesta pretende mejorar la salud colectiva evitando enfermedades, y ayudar a contribuir a la conservación del medio ambiente al mejorar las condiciones del cauce receptor y ahorrar un bien escaso con la reutilización.
Las aguas residuales se someten a un tratamiento que comprende una serie de procesos físicos, químicos y biológicos para eliminar todos los contaminantes que perjudican a los seres vivos, dependientes del medio receptor y el medio ambiente donde son vertidos los efluentes. Se desglosa una base teórica amplia que sirve de asiento para todos los procesos seguidos en el trabajo y que justifican los resultados.
La estación Depuradora de Aguas Residuales (E.D.A.R.) presentada en este anteproyecto está compuesta por tres fases con las que se asegura que los 1800 m3 de aguas residuales que se reciben en cabecera de planta al día serán aptos para una posterior reutilización. El pretratamiento, el tratamiento biológico singular y un sofisticado tratamiento terciario permitirán lograr un rendimiento de aproximadamente un 90% de eliminación de DBO en el agua tratada.
El (SBR) se caracteriza por ser un sistema que opera en una secuencia de llenado y vaciado, dependiendo de un ciclo establecido. Suelen incluir procesos de remoción biológica de nutrientes y materia orgánica, al igual que los demás procesos de fangos activados convencionales. La diferencia fundamental entre esta modalidad y las demás, es que los procesos de aireación, sedimentación y clarificación son llevados a cabo en el mismo tanque, no siendo así en un sistema convencional donde, normalmente se requieren dos tanques separados para la realización de estos procesos. El sentido fundamental del funcionamiento de una planta de este tipo es que, al realizar todas las operaciones en un único tanque o reactor, haciendo en algunos casos de tanque de clarificación primaria, trabaja en función del tiempo usando secuencias temporales y no del espacio.
Los reactores discontinuos tienen en común 4 partes o etapas: etapa de llenado, etapa de reacción, etapa de sedimentación y por último la etapa de vaciado. Pero también se pueden incluir algunas etapas intermedias.
El agua clarificada procedente del tratamiento secundario entra en la fase final del proceso. Fase compuesta por las instalaciones encargadas de acondicionar el agua para su posterior reutilización y vertido. Estas fases conllevaran la decantación lamelar, filtros de arena, desinfección por coloración y luz UV.
4
Diseño de Estación Depuradora de Aguas Residuales
Anteproyecto
Índice
1. Introducción ... 19
2. Objetivos Generales ... 22
3. Base Teórica ... 23
3.1. Aguas Residuales ... 23
Clasificación de las Aguas Residuales ... 23
3.1.1 Características y Composición de las Aguas Residuales ... 24
3.1.2 3.1.2.1 Caudal ... 27
3.1.2.2 Características Físicas ... 32
3.1.2.2.1 Temperatura ... 32
3.1.2.2.2 Color ... 32
3.1.2.2.3 Olor ... 32
3.1.2.2.4 Conductividad ... 32
3.1.2.2.5 Turbidez ... 33
3.1.2.2.6 Contenido en Sólidos ... 33
3.1.2.3 Características Químicas ... 34
3.1.2.3.1 Compuestos Orgánicos Biodegradables del Agua Residual ... 34
3.1.2.3.1.1 Parámetros para medir el contenido de materia orgánica ... 35
DBO5: Demanda bioquímica de oxigeno ... 35
3.1.2.3.1.1.1 DQO: Demanda química de oxigeno ... 37
3.1.2.3.1.1.2 DOT: Demanda total de oxigeno ... 37
3.1.2.3.1.1.3 COT: Carbono orgánico total ... 37
3.1.2.3.1.1.4 Gases importantes para la EDAR ... 38
3.1.2.3.1.1.5 3.1.2.3.2 Compuestos Inorgánicos del Agua Residual... 39
3.1.2.3.3 Compuestos Microbiológicos del Agua Residual ... 40
Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales... 44
3.1.3 3.1.3.1 Línea de Agua ... 45
3.1.3.1.1 Pretratamiento ... 47
5
3.1.3.1.1.1 Obra de llegada ... 48
3.1.3.1.1.2 Separación de grandes sólidos: Pozo de gruesos ... 48
Parámetros de diseño del pozo de gruesos ... 50
3.1.3.1.1.2.1 3.1.3.1.1.3 Desbaste ... 52
Parámetros de diseño para el desbaste ... 55
3.1.3.1.1.3.1 3.1.3.1.1.4 Tamizado ... 60
Parámetros de diseño para el tamizado ... 62
3.1.3.1.1.4.1 3.1.3.1.1.5 Desarenado-desengrasado ... 63
Parámetros de diseño para el desarenado-desengrasado ... 68
3.1.3.1.1.5.1 3.1.3.1.2 Tratamiento Primario ... 79
3.1.3.1.2.1 Coagulación - floculación ... 79
3.1.3.1.2.2 Decantación primaria ... 81
Tipos de decantadores ... 84
3.1.3.1.2.2.1 3.1.3.1.2.2.1.1 Parámetros de diseño del decantador lamelar ... 90
3.1.3.1.2.2.1.2 Parámetros de diseño del tratamiento primario ... 92
3.1.3.1.2.2.1.2.1 Fundamentos del proceso de decantación ... 92
3.1.3.1.2.2.1.2.2 Definición y diseño del decantador primario ... 93
3.1.3.1.3 Tratamiento Secundario ... 95
3.1.3.1.3.1 Procesos biológicos para la depuración de aguas residuales ... 96
Proceso de fangos activados ... 98
3.1.3.1.3.1.1 Eliminación biológica de la materia orgánica ... 101
3.1.3.1.3.1.2 3.1.3.1.3.1.2.1 Cinética de los procesos biológicos ... 104
Eliminación biológica del nitrógeno ... 113
3.1.3.1.3.1.3 3.1.3.1.3.1.3.1 Cinética del proceso de nitrificación ... 117
3.1.3.1.3.1.3.2 Cinética del proceso de desnitrificación ... 123
Eliminación biológica del fósforo ... 124
3.1.3.1.3.1.4 3.1.3.1.3.1.4.1 Cinética del proceso de eliminación de fósforo ... 127
3.1.3.1.3.1.4.2 Dimensionamiento de la zona anaerobia del reactor biológico ... 128
Eliminación simultánea de nutrientes ... 130
3.1.3.1.3.1.5 Parámetros de diseño para el tratamiento biológico ... 132
3.1.3.1.3.1.6 3.1.3.1.3.1.6.1 Cantidad de fangos en exceso ... 135
3.1.3.1.3.1.6.2 Necesidades de oxígeno en el reactor biológico ... 137
3.1.3.1.3.2 Decantación secundaria o clarificación ... 143
6
Parámetros de diseño del decantador secundario o clarificador ... 145
3.1.3.1.3.2.1 3.1.3.1.3.2.1.1 Carga superficial y carga de sólidos... 146
3.1.3.1.3.2.1.2 Profundidad de agua de un decantador secundario ... 146
3.1.3.1.3.2.1.3 Producción de fangos en los decantadores secundarios ... 147
3.1.3.1.4 Tratamiento Terciario ... 149
3.1.3.1.4.1 Tratamiento terciario para la eliminación de sólidos en suspensión ... 149
Tratamiento terciario: filtros de arena ... 150
3.1.3.1.4.1.1 3.1.3.1.4.1.1.1 Criterios de diseño de los filtros de arena ... 155
3.1.3.1.4.2 Tratamiento terciario: desinfección de efluentes depurados ... 160
Cloración ... 160
3.1.3.1.4.2.1 3.1.3.1.4.2.1.1 Química de la cloración ... 161
3.1.3.1.4.2.1.2 Reacciones y acción del cloro en el agua ... 163
3.1.3.1.4.2.1.3 Empleo de la cloración ... 164
3.1.3.1.4.2.1.4 Factores que influyen en la cloración... 166
3.1.3.1.4.2.1.5 Determinación y suministro de la dosis de cloro ... 167
3.1.3.1.4.2.1.5.1 Determinación de la dosis de cloro ... 167
3.1.3.1.4.2.1.5.2 Suministro de cloro ... 169
Ozonización de las aguas ... 172
3.1.3.1.4.2.2 3.1.3.1.4.2.2.1 El ozono y la desinfección de las aguas residuales depuradas ... 173
3.1.3.1.4.2.2.2 Aplicación y dosificación del ozono ... 175
3.1.3.1.4.2.2.2.1 Dosis de ozono ... 176
3.1.3.1.4.2.2.2.2 Sistemas de aplicación de ozono ... 176
Desinfección con rayos ultravioleta ... 180
3.1.3.1.4.2.3 3.1.3.1.4.2.3.1 Propiedades de la radiación ultravioleta ... 182
3.1.3.1.4.2.3.2 Mecanismo y generación de la radiación ultravioleta ... 182
3.1.3.1.4.2.3.2.1 Inactivación microbiana ... 184
3.1.3.1.4.2.3.2.2 Dosis requerida ... 185
3.1.3.1.4.2.3.2.3 Funcionamiento de las instalaciones de la radiación UV ... 188
3.1.3.1.4.2.3.3 Ventajas y desventajas de la desinfección por radiación UV ... 191
3.1.3.2 Línea de fangos ... 192
3.1.3.2.1 Introducción línea de fangos ... 192
3.1.3.2.2 Composición característica de los fangos ... 193
3.1.3.2.3 Manejo de fangos ... 195
7
3.1.3.2.3.1 Producción de lodos ... 196
3.1.3.2.3.2 Descripción de la línea de fango ... 198
Bombeo de fangos ... 198
3.1.3.2.3.2.1 Espesamiento ... 199
3.1.3.2.3.2.2 3.1.3.2.3.2.2.1 Dimensionamiento y factores determinantes del espesamiento ... 200
Estabilización ... 202
3.1.3.2.3.2.3 3.1.3.2.3.2.3.1 Metodología de estabilización ... 202
4.1.1.1.1.1 Deshidratación ... 206
4.1.1.1.2 Destino de los fangos ... 206
4.1.1.2 Reutilización de aguas residuales ... 207
4. SBR: Revisión bibliográfica y Estado del Arte ... 209
4.1. Introducción: SBR ... 209
4.2. SBR: Fases, eliminación de nutrientes y M.O. ... 211
4.3. Componentes y configuración del sistema SBR ... 217
4.4. Ventajas y desventajas del sistema SBR ... 218
4.5. Experiencias con el sistema SBR ... 219
4.6. Criterios de diseño ... 235
4.7. Diseño de un reactor secuencial por tanda ... 238
4.8. Descripción de tanques y equipos ... 240
5. Diseño de la estación depuradora de aguas residuales: SBR + Tratamiento terciario ... 243
5.1. Características Generales ... 243
5.2. Datos básicos. ... 245
5.2.1 Caudales de Diseño ... 245
5.2.2 Características de Agua Bruta ... 245
5.2.3 Características de Agua Tratada ... 245
5.3. Configuración Global de la Planta ... 246
6. Bibliografía ... 261
7. Anejo 1: Cálculos justificativos ... 266
7.1. Caracterización de la EDAR ... 266
7.2. Pretratamiento ... 267
8
7.3. Tratamiento Secundario ... 273
7.4. Tratamiento Terciario ... 277
7.5. Línea de fangos ... 285
8. Anejo 2: Cálculos hidráulicos ... 289
8.1. Datos de partida ... 289
8.2. Calculo de pérdidas por instalación ... 290
8.3. Calculo de pérdidas por conducción ... 292
8.4. Calculo de pérdidas en compuerta ... 293
8.5. Calculo de los diferentes bombeos de la EDAR ... 294
8.6. Línea piezométrica ... 301
9. Planos ... 303
9 Índice de Figuras
Figura 1. Composición de las Aguas Residuales. Fuente: Adaptado (Monograficos Agua en
Centroamerica, 2008) ... 24 Figura 2. Evolución diaria de los caudales de aguas residuales urbanas. Fuente: (Monograficos Agua en
Centroamerica, 2008) ... 28 Figura 3. Clasificación de los diferentes tipos de materia en un agua residual. Fuente: (Elaboración
Propia, adaptado) ... 34 Figura 4. Oxidación y Síntesis en el Crecimiento Biológico. Fuente: (Cubillos) ... 36 Figura 5. Tratamiento de regeneración de aguas. Fuente: (R.D. 1620/2007 :Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, 2010) ... 43 Figura 6. Bypass general en obra de llegada. Fuente: (Fuentes Santos) ... 45 Figura 7. Etapas de la línea de agua, ordenadas secuencialmente, en el tratamiento de aguas residuales.
Fuente: (Elaboración propia adaptado Manual de Depuración) ... 46 Figura 8. Esquema del pretratamiento. Fuente: (http://aulavirtual.usal.es/) ... 47 Figura 9. a) canal abierto en obra de llegada. b) vista de aliviadero lateral y zona bypass entrada. Fuente:
(Fuentes Santos) ... 48 Figura 10. a) Cuchara bivalva cerrada. b) contenedor. c) pozo de gruesos junto a la reja de muy gruesos.
Fuente: (Elaboración propia) ... 49 Figura 11. Pozo de gruesos con canal de bypass de la zona de desbaste. Fuente: (Fuentes Santos) ... 49 Figura 12. Tornillo de Arquímedes. Fuente: (UPCT, 2015) ... 50 Figura 13. Reja de limpieza manual. Fuente:
http://aulacidta1.usal.es/EDAR/modulos/Edar05/unidades/CURSO/UNI_03/u3c2s2.htm ... 53 Figura 14. a) Reja de funcionamiento mediante cadenas b) Reja de movimientos oscilatorios. Fuente:
(Lozano Rivas W. A., 2012) ... 54 Figura 15. a) Desbaste de grueso seguido de desbaste de fino, empleando rejas rectas de limpieza manual.
b) Reja curva de accionamiento automático. Fuente: (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008) ... 55 Figura 16. Zona de rejillas. Fuente: (Lozano Rivas W. A., 2012) ... 60 Figura 17. Tamiz estático auto limpiante. Fuente: (Nostrum, 2016) ... 61 Figura 18. a) Tamiz estático auto limpiantes. b) Tamiz rotativo. Fuente: (Monograficos Agua en
Centroamerica, 2008) ... 61 Figura 19. Desarenado-desengrasado aireado y detalle interno. Fuente: (Monograficos Agua en
Centroamerica, 2008) ... 63
10
Figura 20. Esquema de una desarenador de flujo horizontal. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 64
Figura 21. Trayectoria del agua en un desarenador aireado. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 65
Figura 22. Esquema desarenador-desengrasador, Lavador de arenas. Fuente: (Lozano Rivas W. A., 2012) ... 66
Figura 23. Separador tipo API. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 67
Figura 24. Sección transversal de un desarenador aireado. Fuente: (UPCT, 2015) ... 71
Figura 25. Parámetros de diseño para desarenador aireado con solo separación de arenas. Fuente: (Elaboración propia) ... 71
Figura 26. Parámetros de diseño desarenador conjunto desengrasado. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 71
Figura 27. Factor global de diseño F en función de la relación V/v. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 75
Figura 28. Sección desarenador-desengrasador. Fuente: (UPCT, 2015) ... 76
Figura 29. Secuencia de procesos del desarenado-desengrasado. Fuente: (Fuentes Santos) ... 76
Figura 30. Decantador rectangular. Fuente: (UPCT, 2015) ... 84
Figura 31. Vista lateral decantador rectangular. Fuente: (Miliarium Aureum, 2004)... 85
Figura 32. Decantador circular. Fuente: (Miliarium Aureum, 2004) ... 85
Figura 33. Decantador circular de succión. Fuente: (Miliarium Aureum, 2004) ... 86
Figura 34. Esquema decantador lamelar. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 87
Figura 35. Sistemas de lamelas. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 89
Figura 36. Fundamento de los procesos biológicos. Fuente: (Suarez & Jacome, 2010) ... 96
Figura 37. Esquematización básica de un proceso de fangos activados. Fuente: (Elaboración propia) ... 99
Figura 38. Esquema de diferentes procesos de fangos activados. Fuente: (Depuracion Biologica de las Aguas Residuales Urbanas) ... 100
Figura 39. Anabolismo + catabolismo. De izq. a der. microorganismos absorben MO y se hacen más grandes, cuando no hay MO los microorg. se oxidan y se consumen liberando nutrientes, agua y energía. Fuente: (Elaboración propia) ... 101
Figura 40. Evolución temporal de la población microbiana. Fuente: (Jimenez, 2012) ... 104
Figura 41. Simbología proceso convencional de lodos activados. Fuente: (Jimenez Beltran, De Lora, & Sette Ramalho, 1996) ... 105
Figura 42. Efectos de un nutriente limitante sobre la velocidad especifica de crecimiento. Fuente: (Suarez & Jacome, 2010) ... 107
Figura 43. Balance de materia en un digestor aerobio. Fuente: (elaboración propia) ... 109
Figura 44. Relación de la carga másica y el índice de Mohlmann. Fuente: (Hernandez Muñoz, 2001) ... 113
11 Figura 45. Esquema del proceso de nitrificación-desnitrificación, proceso Ludzack-Ettinger modificado.
Fuente: (Elaboración propia) ... 117
Figura 46. Concentración de DQO y P durante el proceso de eliminación biológica. Fuente: (Suarez & Jacome, Eliminacion de Fosforo en los Procesos de Depuracion de Aguas Residuales, 2007) ... 125
Figura 47. Esquema básico para la eliminación conjunta de materia orgánica y fosforo por vía biológica. Fuente: (Elaboración propia). ... 126
Figura 48. Diferentes tipos de reactores anaerobios. Fuente: (Diaz Baez, 1987) ... 130
Figura 49. Sistema de flujo empleado para la eliminación simultanea de nutrientes. Fuente: (Elaboración propia) ... 131
Figura 50. Esquema UCT de eliminación conjunta de nutrientes. Fuente: Elaboración propia (modificado) ... 131
Figura 51. Difusor de burbuja fina para plantas depuradoras. Fuente: (Barmatec) ... 139
Figura 52. Curva típica de difusores tipo cerámico, de la variación del rendimiento frente a la profundidad de la balsa. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 140
Figura 53. Esquema de disposición de los difusores. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 141
Figura 54. Curva de rendimiento de un difusor de burbuja fina de cerámica sanitaire. Fuente: (xylem) . 141 Figura 55. Dispositivo para evitar el escape de solidos flotantes mediante tubos con perforaciones sumergidas. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 145
Figura 56. Producción de fangos en función de la carga másica. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) 147 Figura 57. Modelos de velocidad de filtración típicos durante el ciclo de filtro. Fuente: (Walter J. Weber, 2003) ... 151
Figura 58. Componentes básicos de un filtro lento con control de entrada. Fuente: (Salud, 2005) ... 152
Figura 59. Construcción y corte transversal de un lecho de filtro de arena rápido. Fuente: (Glynn Henry & W. Heinke, 1996) ... 153
Figura 60. Filtro de arena. Fuente: (Hidrometalica, 2016) ... 154
Figura 61. Esquema del filtro rápido de tasa declinante autolavante. Fuente: (UNAD) ... 158
Figura 62. Especiación del cloro en función del pH y la temperatura. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 162
Figura 63. Curva de demanda de cloro. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 167
Figura 64. Tanques de cloración. Fuente: (INDUPAKSA) ... 170
Figura 65. Laberinto de cloración. Fuente: (UPCT, 2015) ... 171
Figura 66. Esquema general de un sistema generador de ozono acoplado a una torre de refrigeración. Fuente: (Manual de Aplicación de Ozono para Legionella, 2007). ... 178
12 Figura 67. Circulación de agua y ozono. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 179 Figura 68. Espectro germicida de la radiación UV. Fuente: http://ingenierosg19.blogspot.com.es/ ... 181 Figura 69. Construcción de una lámpara de arco de mercurio y diseño del balasto. Fuente: (Wright &
Cairns, 2004) ... 183 Figura 70. Espectro de rendimiento de lámparas de arco de mercurio de baja y mediana presión. Fuente:
(Wright & Cairns, 2004) ... 184 Figura 71. Esquema de un elemento de radiación UV. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 188 Figura 72. a) instalación típica de un equipo de radiación UV con lámpara sumergida. b) instalación típica
de un equipo de radiación UV con lámpara fuera del agua. Fuente:
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/vazquez_d_z/capitulo2.pdf ... 188 Figura 73. a) Sistema de lámparas horizontal, paralelo al flujo, b) Sistema de lámpara vertical,
perpendicular al flujo. Fuente: (USEPA, 1999) ... 189 Figura 74. a) Vista isométrica del reactor con lámparas perpendiculares, b) Vista isométrica del reactor
con la lámpara en paralelo. Fuente: (Metcalf & Eddy. 2004) ... 190 Figura 75. Tratamientos en la línea de fangos. Fuente: (Elaboración propia adaptado manual de
depuración) ... 193 Figura 76. Posible clasificación de los lodos de una EDAR atendiendo a dos características
fundamentales. Fuente: elaboración propia (adaptado Carrasco and Méndez Díaz). ... 193 Figura 77. Sistemas de Espesamiento de los fangos. Fuente: (elaboración propia) ... 199 Figura 78. Espesador por gravedad y espesador por flotación. Fuente: (elaboración propia) ... 199 Figura 79. Espesador tipo DORR-OLIVER. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=0UmbGLLgzJA
... 201 Figura 80. Esquemas de digestores anaerobios de fangos. Fuente: (Ferrer Polo & Seco Torrecillas, 2007)
... 205 Figura 81. Reutilización de aguas depuradas. Fuente: (Elaboración propia) ... 208 Figura 82. Ciclo completo de un sistema SBR. Fuente: (Elaboración propia adaptado Vigneswaran,
Sundaravadivel, & Chaudhary) ... 212 Figura 83. Configuración del SBR para el sistema experimental de Irvine y Alleman. Fuente: (Alleman &
Irvine, 1980) ... 215 Figura 84. Componentes de un sistema de tratamiento SBR. Fuente: (Carrasquero Ferrer, Pire Sierra,
Rincon Lizardo, & Diaz Montiel, 2014) ... 217 Figura 85. Esquema del diseño experimental de Torres Lozada y Foresti. Fuente: (Foresti & Torres
Lozada, 2001) ... 221
13 Figura 86. Esquema de operaciones de reactores cargados Secuencialmente. Fuente:
(http://www.t-and-d-italy.com/es/products/wastewater/sbr-plants/) ... 243 Figura 87. Procesos que atravesara el agua a depurar. Fuente: (Elaboración propia) ... 244 Figura 88. Vista en planta de Estación Depuradora de Aguas Residuales. Fuente: (elaboración
propia) ... 246 Figura 89. Esquema de recorrido de agua en la primera fase de las instalaciones de la EDAR.
Fuente: Estación Depuradora de Aguas Residuales de Frierres, Consorcio de Aguas. ... 248 Figura 90. Esquema de recorrido de agua en canal de desbasta. Fuente: Estación Depuradora
de Aguas Residuales de Frierres, Consorcio de Aguas. ... 250 Figura 91. Esquema de recorrido de agua en desengrasado-desarenado. Fuente: (Estación
Depuradora de Aguas Residuales de Frierres, Consorcio de Aguas). ... 251 Figura 92. Fases reactor SBR de llenado intermitente tipo ICEAS. Fuente: (Nuevo, 2015) ... 253 Figura 93. Esquema del ciclo operativo del sistema SBR. Fuente: Estación Depuradora de Aguas
Residuales de Frierres, Consorcio de Aguas. ... 254 Figura 94. Decantador lamelar de P.P. Fuente: (Ultrapure, 2017) ... 255 Figura 95. Decantador Lamelar construido en metal con flujo contracorriente. Fuente: (Lopez, Burgos, &
Rodriguez, DECANTACION LAMELAR (FT-PRIM-004), 2015) ... 255 Figura 96. Esquema de recorrido de agua por el filtro de arena. Fuente: (UPCT, 2015)... 256 Figura 97. Esquema de recorrido de agua por canales de radiación UV, marca WEDECO. Fuente:
Impeller, revista online de xylem ... 257 Figura 98. Esquema de recorrido de agua por Laberinto de Cloración. Fuente: (UPCT, 2015) . 258 Figura 100. Ilustración del proceso de centrifugación. Fuente: (Seco, 2011) ... 259
14 Índice de tablas
Tabla 1. Concentración de contaminantes en el agua residual urbana. Fuente: (UPCT, 2015) ... 25
Tabla 2. Contaminantes presentes en un agua residual y sus posibles efectos sobre las aguas receptoras. Fuente: (Depuracion Biologica de las Aguas Residuales Urbanas) ... 26
Tabla 3. Parámetros empleados para la caracterización de un ARU. Fuente: (Directiva 91/271; Escaler, 1997) ... 27
Tabla 4. Consumos por establecimiento. Fuente: (Fuentes Santos) ... 30
Tabla 5. Dotación de abastecimiento. Fuente: (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008) ... 31
Tabla 6. Datos estimados de la población en h-e. Fuente: (CEDEX, 2004) ... 31
Tabla 7. Reacciones bioquímicas en la prueba de la DBO. Fuente: (Elaboración propia adaptado CUBILLOS) ... 36
Tabla 8: Valores de la DBO. Fuente: (Pedreño Almagro, 2014) ... 37
Tabla 9. Relación DBO5/DQO índice de biodegradabilidad del Agua Residual. Fuente: (Elaboración propia) ... 37
Tabla 10: Gases en aguas residuales. Fuente: (Cubillos) ... 38
Tabla 11: Compuestos Inorgánicos en Aguas Residuales. Fuente: (Elaboración propia)... 40
Tabla 12: Muestra de agentes infecciosos presentes en aguas residuales no tratadas. Fuente: (Perez Parra) ... 40
Tabla 13. Tipos de patógenos de naturaleza acuosa y uso de indicadores. Fuente: (Osorio Robles, Torres, & Sanchez Bas, 2010) ... 42
Tabla 14. Organismos normalmente determinados para aguas residuales tratadas y para reutilización. Fuente: (Osorio Robles, Torres, & Sanchez Bas, 2010) ... 44
Tabla 15. Clasificación de los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Fuente: (Elaboración propia adaptado Pérez- Parra, J.) ... 46
Tabla 16. Parámetros habituales para el diseño del pozo de gruesos. Fuente: (Elaboración propia, adaptado) ... 50
Tabla 17. Parámetros rejas de limpieza manual y de limpieza mecánica. Fuente: (Torres Cisneros, 2010) ... 53
Tabla 18. Parámetros de diseño para el desbaste. Fuente: (Elaboración propia) ... 56
Tabla 19. Valores para calcular la constante K3. Fuente: (Gutierrez L. , 2007) ... 59
Tabla 20. Clasificación de los tamices. Fuente: (Elaboración propia) ... 62
15 Tabla 21. Comprobaciones desarenado-desengrasado conjunto, Fuente: (Gonzalez Gonzalez, Estudio y
Diseño de una Planta de Depuracion de Aguas Residuales, 2012) ... 68
Tabla 22. Datos de partículas de arena de densidad 2.65, T=15.5 ◦C, eliminación del 90%. Fuente: (Elaboración propia adaptada) ... 69
Tabla 23. Parámetros de diseño desarenador de flujo horizontal. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 70
Tabla 24. Parámetros de diseño desarenado-desengrasado. Fuente: (Elaboración propia adaptado) ... 75
Tabla 25. Resumen parámetros habituales para desarenador-desengrasador. Fuente: (Elaboración propia adaptado) ... 78
Tabla 26. Coagulantes y sus características. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 80
Tabla 27. Tipos de sedimentación. Fuente: (Lozano Rivas W. A., 2012) ... 82
Tabla 28. Tipos de decantadores. Fuente: (UPCT, 2015) ... 83
Tabla 29. Velocidad ascensional. Fuente: (elaboración propia adaptado) ... 93
Tabla 30. Parámetros de diseño del decantador secundario. Fuente: (Elaboración propia) ... 94
Tabla 31. Principales procesos biológicos empleados en la depuración del agua residual. Fuente: (Metcalf & Eddy, 1995) ... 98
Tabla 32. Metabolismo aerobio. Fuente: (Elaboración propia adaptado Prof. Dr. D. A. Aznar Jiménez, 2012) ... 103
Tabla 33. Proceso de fangos activados en función de la carga másica para ARU. Fuente: (Ferrer Polo & Seco Torrecillas, 2007) ... 112
Tabla 34. Valores de CM en función del rendimiento del proceso. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) ... 112
Tabla 35. Formas del nitrógeno según su estado de oxidación. Fuente: (EPA, 1993) ... 114
Tabla 36. Relación entre la fracción de organismos nitrificantes y la relación DBO5/NKT. Fuente: (Elaboración propia, adaptado). ... 115
Tabla 37. Valores típicos de los coeficientes cinéticos para el proceso de desnitrificación en cultivos suspendidos. Fuente: (METCALF & EDDY, 1998) ... 119
Tabla 38. Expresiones cinéticas para el cálculo del proceso de nitrificación en cultivos en suspensión. Fuente: (METCALF & EDDY, 1998) ... 122
Tabla 39. Coeficientes cinéticos típicos para el proceso de desnitrificación. Fuente: (METCALF & EDDY, 1998) ... 124
Tabla 40. Parámetros de diseño para procesos convencionales de eliminación biológica de fosforo y nitrógeno. Fuente: (Suarez & Jacome, Eliminacion de Fosforo en los Procesos de Depuracion de Aguas Residuales, 2007) ... 129
Tabla 41. Parámetros del proceso de fangos activados. Fuente: (UPCT, 2015) ... 133
16 Tabla 42. Valores en el procedimiento de diseño del proceso de fangos activados. Fuente: (Elaboración
propia) ... 133
Tabla 43. Parámetros habituales de cálculo de procesos de lodos activados. Fuente: (Sainz Sastre, 2005). ... 134
Tabla 44. Valores de los coeficientes cinéticos para aguas residuales municipales. Fuente: (Elaboración propia adaptado). ... 134
Tabla 45. Valores de los coeficientes de síntesis y respiración endógena. Fuente: (Sainz Sastre, 2005) . 137 Tabla 46. Valores de la concentración de saturación dependiendo de la temperatura. Fuente: (UPCT, 2015) ... 140
Tabla 47. Velocidades ascensionales reales a caudal punta. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 146
Tabla 48. Parámetros de diseño del decantador secundario. Fuente: (UPCT, 2015) ... 147
Tabla 49. Descripción de la profundidad de un decantador secundario. Fuente: (Elaboración propia) ... 148
Tabla 50. Características de los filtros de arena. Fuente: (UPCT, 2015) ... 154
Tabla 51. Reducción de parámetros contaminantes con la filtración en arena. Fuente: (Elaboración propia) ... 155
Tabla 52. Relación del diámetro del medio filtrante con el caudal. Fuente: (Elaboración propia) ... 155
Tabla 53. Carga orgánica de los filtros de arena. Fuente: (Elaboración propia) ... 157
Tabla 54. Criterios generales de diseño de filtros. Fuente: (UNAD) ... 159
Tabla 55. Rendimientos medios de depuración en función del tipo de tratamiento. Fuente: (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008) ... 160
Tabla 56. Características físicas del cloro. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 161
Tabla 57. Valores de la constante de ionización. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 163
Tabla 58. Acción del cloro sobre los diferentes microorganismos. Fuente: (Elaboración propia). ... 164
Tabla 59. Valores del coeficiente de letalidad calculados para C=5 mg/l. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 163
Tabla 60. Métodos utilizados para la dosificación del cloro. Fuente: (Elaboración propia) ... 167
Tabla 61. Concentraciones mínimas recomendadas de cloro residual libre en comparación con las de cloro residual combinado para asegurar una desinfección efectiva. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 168
Tabla 62. Dosis en tratamientos por cloración. Fuente: (Hernandez Muñoz A. , 2001) ... 169
Tabla 63. Dosis típica de cloro en desinfección. Fuente: (Ramalho, 2003) ... 169
Tabla 64. Valores de concentración por tiempo para una desactivación del 99% de los microorganismos a 5ºC. Fuente: (Osorio Robles, Torres, & Sanchez Bas, 2010) ... 173
17
Tabla 65. Acción del ozono en los microorganismos del agua depurada. Fuente: (elaboración propia) .. 174
Tabla 66. Uso del ozono en actividades industriales. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 175
Tabla 67. Características técnicas de la ozonización. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 180
Tabla 68. Dosis UV en mWs/cm2 necesaria para inactivar una población microbiana. Fuente: (Wright & Cairns, 2004) ... 186
Tabla 69. Características de las lámparas tubulares. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 190
Tabla 70. Decantabilidad de un fango activado de acuerdo con su IVF. Fuente: (Wanner, 1997) ... 192
Tabla 71. Tipos de lodos. Fuente: elaboración propia (adaptado Carrasco and Méndez Díaz). ... 194
Tabla 72. Características de los lodos urbanos. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 194
Tabla 73. Composición física y química del lodo. Fuente: (Metcalf and Eddy, 2003). ... 195
Tabla 74. Características y cantidad de lodos. Fuente: (Metcalf and Eddy, 2003). ... 197
Tabla 75. Producción de lodos. Fuente: (Hernandez Muñoz D. , 2001) ... 198
Tabla 76. Métodos de estabilización. Fuente: (Elaboración propia) ... 203
Tabla 77. Valores típicos de diseños para digestores aerobios. Fuente: (Ferrer Polo & Seco Torrecillas, 2007) ... 204
Tabla 78. Razones prácticas para el uso de una configuración SBR. Fuente: (Elaboración propia: adaptado (F. Poltak, 2005)) ... 211
Tabla 79. Condiciones operacionales del banco de SBR a escala para la oxidación del carbono orgánico y la nitrificación. Fuente: (Elaboración propia adaptado Irvine y Alleman) ... 214
Tabla 80. Característica de los ciclos de evaluación del reactor SBR. Fuente: (Foresti & Torres Lozada, 2001) ... 222
Tabla 81. Comportamiento del reactor UASB. Fuente: (Foresti & Torres Lozada, 2001) ... 223
Tabla 82. Comportamiento del sistema conjunto (UASB y SBR), Torres y Ferreti. Fuente: (Foresti & Torres Lozada, 2001) ... 223
Tabla 83. Características y porcentaje de remoción de algunas plantas de tratamiento de aguas municipales con reactores SBR. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 224
Tabla 84. Estudios relevantes de reactores SBR usados para el tratamiento de aguas rechazadas. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 225
Tabla 85. Ejemplos significantes del uso de la tecnología SBR aplicada a aguas residuales procedentes de viñedos y cervecerías. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 226
Tabla 86. Ejemplos significativos de la aplicación de la tecnología SBR al tratamiento de lixiviados de vertederos. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 227
18 Tabla 87. Ejemplos significantes de la tecnología SBR aplicada a la industria del papel. Fuente: (Mance &
Mata-Alvarez, 2002) ... 228 Tabla 88. Ejemplos significantes de la tecnología SBR aplicada a la industria de la comida y la industria
lechera. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 229 Tabla 89. Ejemplos significantes de la tecnología SBR aplicada a aguas residuales procedentes de
mataderos. Fuente: (Mance & Mata-Alvarez, 2002) ... 230 Tabla 90. Ejemplos significantes de la tecnología SBR aplicada a la industria del cerdo. Fuente: (Mance
& Mata-Alvarez, 2002) ... 230 Tabla 91. Otro tipo de aguas residuales que pueden ser tratadas con la tecnología SBR. Fuente: (Mance &
Mata-Alvarez, 2002) ... 231 Tabla 92. Resumen de estudios realizados con SBR (eficiencia de la remoción). Fuente: (Mahvi, 2008)
... 232 Tabla 93. Limite en la salida del efluente para la modalidad SBR existente en la ciudad de Tahlequah.
Fuente: (Velmurugan, 2008) ... 234 Tabla 94. Parámetros clave de diseño para tasas de carga convencionales. Fuente: (USEPA, 1999) ... 237 Tabla 95. Ejemplos ilustrativos para varias instalaciones de SBR. Fuente: (USEPA, 1999) ... 238 Tabla 96. Valores de diseño para el reactor de fangos activos con sistemas SBR. Fuente: (Lopez, Burgos,
& Rodriguez, 2015) ... 240 Tabla 97. Parámetros clave de diseño para tasas de carga convencionales. Fuente: (AquaSBR Design
Manual, 1995. EPA) ... 240
19 1. Introducción
El agua limpia es un nutriente esencial para los seres vivos. Al ser un recurso limitado, debe ser usado cuidadosamente en especial en países con bajas precipitaciones, pocas masas de aguas superficiales, aguas subterráneas muy profundas y temperaturas relativamente altas. Con una evidente escasez de recursos hídricos es necesario considerar todas las opciones disponibles para la captación y reutilización del agua, especialmente para satisfacer demandas tales como, abastecimiento, regadío, usos industriales y cualquier requerimiento medioambiental. El procesamiento y la reutilización de aguas residuales urbanas e industriales es una opción que ha tomado fuerza e importancia en la actualidad, por tanto, es necesario mejorar las tecnologías aplicadas a estos tratamientos. La depuración de aguas residuales contempla los diferentes procesos empleados para la captación, conducción y purificación de los desechos procedentes de viviendas e industrias de un conglomerado poblacional para los cuales se utiliza el agua como factor de arrastre y, gracias a estos procesos mejorar la calidad del efluente.
Esta práctica, a pesar de estar muy modernizada en nuestros tiempos, se remonta a la antigüedad. En un principio la Antigua Grecia, en el 300 a.c., drenaba en diferentes alcantarillas las aguas residuales procedentes de las letrinas públicas y el agua de tormentas hasta un colector común, que luego conducían a un pequeño embalse en las afueras de la ciudad, estas aguas eran luego reutilizadas en los campos de agricultura. Otra gran práctica exitosa fue el gran colector construido por los romanos, la Cloaca Máxima que data del 800 a.c., cuyo fin principal fue el de drenar el pantano sobre el cual fue construida Roma posteriormente. El constante aumento del flujo de desechos creó la necesidad de ir modificando la red de distribución y conectándola a distintas casas, dirigiendo los desechos desde los baños públicos y letrinas hacia las diferentes alcantarillas localizadas en toda la ciudad y finalmente a un punto específico para almacenamiento o reutilización. Ya en la era medieval, Europa tomó la delantera en estos procesos de tratamiento de aguas, al igual que en la antigüedad, una vez que estas poblaciones crecían era necesario solucionar los problemas de conducción y almacenamiento. Una clara aplicación de los conocimientos de entonces en cuanto al manejo de aguas y protección ambiental fue la construcción de un largo canal a lo largo del río Themes, este canal recibía el flujo de agua residual arrastrado desde las viviendas y las industrias, flujos que anteriormente eran vertidos directamente al río.
Ciertamente hasta entonces las aguas recolectadas no se sometían a ningún tipo de tratamiento, eran vertidas sobre la tierra como fertilizantes. Con el tiempo, la recolección y vertido de aguas residuales se convirtió en un problema ya que, no todas las tierras eran hábiles para ser fertilizadas, gran parte de los terrenos estaban siendo habitados debido al crecimiento poblacional y a esto se le sumaba la gran contaminación que provocaba el almacenamiento de los desechos. En medio de estas circunstancias y como solución al problema surgen nuevos planteamientos de cómo utilizar microorganismos para la depuración de aguas residuales (Amy, Brdjanovic, Comeali, & Mahmoud, 2008).
Entre los años 1895 y 1920 fueron instalados una gran cantidad de filtros biológicos para el tratamiento de aguas residuales en ciudades de Estados Unidos y Reino Unido. Luego, y muy en paralelo con el auge de los filtros biológicos, surgen en Reino Unido los modelos de fangos activados (Ardem and Lockett, 1914), en los cuales el tratamiento de aguas residuales dentro de unos reactores con procesos de llenado- drenaje proporcionaba un efluente con alta calidad para poder ser reutilizado.
20 A lo largo del siglo XX los procesos de depuración fueron evolucionando debido a los problemas ecológicos ocasionados por los vertidos en los ríos, los cuales eran considerados como parte integral del proceso de tratamiento. El nivel de contaminación de los vertidos era tan elevado que la capacidad de autodepuración de los cauces se vio sobrepasada, provocando que las exigencias para la calidad del efluente fueran cambiando y fueran cada vez más estrictas. Como se agotaba el oxígeno disuelto en los ríos debido a la gran cantidad de cargas orgánicas derivadas del crecimiento poblacional, se introducen los requerimientos de nitrificación (oxidación del ion amonio a nitratos y nitritos) para reducir la demanda de oxígeno en el rio y eliminar los efectos negativos que tenía el amoniaco en las especies acuáticas. Pero como los métodos usados no eran capaces de afrontar la industrialización y el aumento poblacional, rápidamente se reconoce un nuevo problema: la eutrofización, pues el fosforo y el nitrógeno que se vertían en los ríos favorecían el crecimiento de las plantas acuáticas de forma excesiva y con esto provocaban la contaminación del lecho acuático.
Basados en los estudios bioenergéticos de McCarty (1964) se concluyó que el nitrato producido en el proceso de nitrificación podía ser usado por organismos heterótrofos en ausencia de oxígeno y dar lugar a nitrógeno gas, el cual podía evaporarse para de esta forma ser eliminado, lo que dio origen al sistema de nitrificación-desnitrificación de fangos activados, que con una u otra variante es el sistema más utilizado en la mayoría de los países para la depuración biológica de sus aguas. Los procesos físicos son de igual importancia que los procesos biológicos para la obtención de un efluente reutilizable, son la base del tratamiento terciario, principal ruta de la desinfección y paso clave para la reutilización.
No todas las E.D.A.R. son iguales, ni cumplen las mismas especificaciones, el grado de tratamiento requerido para un agua residual depende fundamentalmente de los límites de vertido establecidos para el efluente. Habitualmente las autoridades medioambientales competentes definen los usos que va a tener un cauce, y de esta manera se establecen las necesidades y requisitos de los vertidos. Estas especificaciones sumadas a las concentraciones de contaminantes y características presentes en el agua residual a depurar, más la definición de un volumen diario de agua a tratar, definen las particularidades de la estación depuradora.
Este proyecto se centra en un sistema específico que implementa una tecnología SBR (ing. Sequencing Batch Reactor). Este sistema se ha convertido en una opción muy popular en los últimos tiempos debido a su habilidad para tratar la variabilidad que sufren los flujos de aguas al llegar a la planta, permitiendo una flexibilidad que no puede ser proporcionada por otros sistemas. Además de que ocupan espacios más pequeños y son potencialmente menos costosos en cuanto a construcción y operación.
En esta memoria informativa utilizando unos parámetros establecidos, se proporcionará una propuesta que conlleva el diseño y dimensionamiento de una planta de tratamiento que recibe 1.800m3 de aguas residuales diario. A través del informe se exhiben las características principales de la infraestructura, los parámetros que marcan el proceso de depuración, y el recorrido de las aguas residuales y sus subproductos por las instalaciones propuestas.
21 Esquematizando el movimiento del agua por la E.D.A.R. y su respectiva línea de fangos, se presentan los anejos que sustentan y justifican el diseño tecnológico proyectado. Los cálculos justificativos e hidráulicos, el listado de equipos y los planos, proporcionan al lector una idea acabada del diseño que queremos implementar.
22 2. Objetivos Generales
El presente TFM plantea detalladamente el cálculo, dimensionamiento y disposición de las instalaciones de una E.D.A.R. con un caudal de aportación y unas cargas contaminantes establecidas para condicionar el diseño mismo. El anteproyecto se presenta desde un punto de vista teórico y se propone como respuesta a problemas actuales que enfrentan las autoridades sanitarias en lo concerniente al saneamiento y la protección ambiental.
La E.D.A.R. parte de la llegada del agua residual a la planta una vez ha pasado por la red de alcantarillado la cual, recoge, transporta y evacua estas aguas procedentes de la actividad humana. Actualmente la escasez de agua obliga a los ingenieros a plantearse el uso del agua depurada para diferentes aspectos del consumo humano, por tanto, es necesario destacar la objetividad de utilizar un sistema SBR en el anteproyecto, con el fin de reducir decisivamente la existencia de sustancias prioritarias en el efluente para obtener un subproducto en óptimas condiciones para ser reutilizado.
La depuradora objeto de este trabajo, al igual que la mayoría de los proyectos de esta índole, tienen objetivos claros y específicos al momento de plantearse su ejecución. Principalmente se pretende mejorar la salud colectiva evitando enfermedades, contribuir a la conservación del medio ambiente al mejorar las condiciones del cauce receptor y ahorrar un bien escaso con la reutilización.
Los objetivos que justifican claramente la viabilidad económica y operacional de la E.D.A.R.1 se basan en: cumplir con los requisitos legales establecidos para la materia vertida, reducción potencial en los costos de construcción y operación, reducción en los espacios ocupados por las instalaciones y por último la ejecución de un sistema sencillo y automatizado.
Por último, obtener un efluente apto para poder ser reutilizado gracias a un reforzamiento de su calidad al atravesar un tratamiento terciario formado por dos filtros de arena rápido de gravedad con depósito de lavado y arqueta de agua filtrada donde se ubicará el laberinto de cloración como tratamiento de desinfección y desde donde se enviará el agua al medio o lugar de empleo. Contando también con dos líneas de decantación lamelar precediendo a los filtros de arena, acabando con un sistema de desinfección complementario con filtros ultravioleta.
El proyecto está encaminado a proporcionar una base teórica extensa y explicativa necesaria para comprender la formulación y definición de parámetros. Estos supuestos justifican cada proceso seleccionado y son el asiento para la obtención de los volúmenes y definición de cada una de las partes o procesos unitarios.
1Estación Depuradora de Aguas Residuales
23 3. Base Teórica
3.1. Aguas Residuales
“Las aguas residuales resultan de la combinación de líquidos y residuos sólidos transportados por el agua que proviene de residencias, oficinas, edificios comerciales e instituciones, junto con los residuos de las industrias y de actividades agrícolas, así como las aguas subterráneas, superficiales o de precipitación que también pueden agregarse eventualmente” (Mendonca, 1987).
Cuando el agua lleva elementos extraños, bien por causas naturales o, como sucede la mayoría de veces, provocada por la actividad humana de forma directa o indirecta, se altera su composición natural y deja de ser un recurso aprovechable para los seres vivos debido a que supone una amenaza concreta para su salud.
Es necesario conocer la composición del agua para conocer los elementos biológicos y químicos presentes y determinar un tratamiento adecuado con el objetivo de lograr que el agua retorne al medio ambiente libre de contaminación, minimizando los riesgos para el medio y para las poblaciones.
Las aguas residuales se someten a un tratamiento que comprende una serie de procesos físicos, químicos y biológicos para eliminar todos los agentes patógenos presentes en las excretas con el propósito de cortar el ciclo epidemiológico de transmisión, así como también eliminar otros contaminantes que perjudican a los seres vivos dependientes del medio receptor y el medio ambiente.
Clasificación de las Aguas Residuales 3.1.1
Según su origen las aguas residuales pueden ser clasificadas en:
Urbanas: Según el Real Decreto-Ley 11/95 de 28 de diciembre, relativo al tratamiento de las ARU2, son las aguas residuales domésticas, o la mezcla de estas con aguas residuales industriales o con aguas de escorrentía pluvial.
Domesticas: Son aquellas utilizadas con fines higiénicos (baños, cocinas, lavanderías).
Consisten básicamente en residuos humanos que llegan a las redes de alcantarillado por medio de descargas de instalaciones hidráulicas de la edificación, también en residuos originados en establecimientos comerciales, públicos y similares (Diaz M., Medina C., & Rosillo, 2012).
Industriales: Todas las aguas residuales vertidas por locales que realicen cualquier actividad comercial o industrial. Su composición es variadísima pudiendo contener de todo: -productos químicos, residuos biológicos, metales, areniscas, ácidos, grasas, tóxicos.
Agrícolas: Provienen de explotaciones agrícolas o ganaderas, también de la escorrentía producida en los terrenos. Contienen: grandes cantidades de abono y fertilizantes, excremento del ganado y productos químicos presentes en los terrenos.
Infiltración y caudales adicionales: Son aguas de infiltración que penetran en el sistema de alcantarillado. Comprende también las aguas de origen descontrolado como son vertidos ilegales.
2Aguas Residuales Urbanas
24
Pluviales: Son aguas de lluvias que descargan cantidades de agua sobre el suelo. Parte se drena y otra se escurre por la superficie.
Figura 1. Composición de las Aguas Residuales. Fuente: Adaptado (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008)
Características y Composición de las Aguas Residuales 3.1.2
Las aguas residuales tienen una composición muy variada debido a la diversidad de factores que la afectan y a la naturaleza de la población a la que sirve (Mujeriego, 1990). También depende del sistema de alcantarillado que se emplea, si es un sistema de red unitaria o separativa, del grado de industrialización de la urbe y de la incidencia de la pluviometría.
En general, sus componentes son los sólidos, microorganismo, compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos. Contiene un 99.9% de agua, la materia solida está constituida en un 70% por sustancias orgánicas como proteínas, grasas y carbohidratos; mientras el 30% restante es material insoluble como la arena, la arcilla y las gravas.
Las aguas residuales se califican atendiendo a su composición física, química y biológica. Para asegurarnos que la E.D.A.R. diseñada es capaz de tratar el agua que le llega desde la población, es necesario tener conocimiento de las concentraciones habituales de los contaminantes que arrastra el agua servida. En la tabla No.1 podemos apreciar cuales son estas concentraciones dependiendo del contaminante y el grado de contaminación.
25 Concentración
Contaminantes Unidades Débil Media Fuerte
Solidos Totales (ST) mg/l 350 720 1200
Disueltos, totales (SDT) mg/l 250 500 850
Fijos mg/l 145 300 525
Volátiles mg/l 105 200 325
Sólidos en Suspensión (SS) mg/l 100 220 350
Fijos mg/l 20 55 75
Volátiles mg/l 80 165 275
Solidos Sedimentables mg/l 5 10 20
(DBO5, 20◦C) mg/l 110 220 400
Carbono Orgánico Total (COT) mg/l 80 160 290
Demanda química de oxigeno
(DQO) mg/l 250 500 1000
Nitrógeno (total en forma N) mg/l 20 40 85
Orgánico mg/l 8 15 35
Amoniaco libre mg/l 12 25 50
Nitritos mg/l 0 0 0
Nitratos mg/l 0 0 0
Fosforo (total en la forma P) mg/l 4 8 15
Orgánico mg/l 1 3 5
Inorgánico mg/l 3 5 10
Cloruros mg/l 30 50 100
Sulfato mg/l 20 30 50
Alcalinidad (como CaCO3) mg/l 50 100 200
Grasas mg/l 50 100 150
Coliformes totales no/100 ml 106-107 107-108 107-109
Compuestos orgánicos volátiles
(COVS) μg/l ‹100 100-400 ›400
Tabla 1. Concentración de contaminantes en el agua residual urbana. Fuente: (UPCT, 2015)
El objetivo principal de una E.D.A.R. es cumplir con las tasas de eliminación de materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos reguladas por las normas, las cuales incluyen también el control en la eliminación de nutrientes y contaminantes prioritarios. En el caso de este anteproyecto se pretende conseguir un efluente apto para su reutilización, por tanto, es necesario eliminar la mayor cantidad de solidos inorgánicos disueltos posibles.
En la tabla No. 2 se describen los efectos que causan cada uno de los contaminantes que se encuentran presentes las aguas residuales y su impacto, razón por la cual es necesario un proceso de tratamiento exhaustivo para eliminarlos.
26
Contaminantes del agua Impactos más significativos
Materia en Suspensión Aumento de la turbidez del agua (alteración de la fotosíntesis y reducción de la producción de oxigeno).
Compuestos inorgánicos
Ecotoxicidad de algunos compuestos, como las sales de metales pesados. Reacciones con sustancias disueltas en el agua pasando a
formar compuestos peligrosos.
Conductividad Concentraciones elevadas de sales impiden la supervivencia de diversas especies vegetales y animales.
Nutrientes Crecimiento anormal de algas y bacterias (aumento de la turbidez del agua). Eutrofización del agua.
Materia orgánica
Su descomposición puede provocar la disminución de la concentración del oxígeno disuelto en el agua hasta alcanzar condiciones sépticas. Eutrofización del agua. Emisión de metano en
caso de aparición de procesos anaerobios.
Compuestos orgánicos tóxicos
Toxicidad para la vida acuática. Disminución de la concentración de oxigeno debido a los procesos de biodegradación. Producción, en el caso de líquidos no miscibles, de una película superficial que impide
la aireación del agua.
Organismos patógenos (bacteria, virus y parásitos)
Inutilización del agua para uso humano. Contaminación de los organismos acuáticos que pueden llegar al hombre con la cadena
alimenticia. Enfermedades de transmisión hídrica asociadas a la contaminación microbiológica del agua.
Contaminación térmica por descarga de aguas de
refrigeración
Modificación de la solubilidad del oxígeno en el agua. Aceleración del metabolismo de la flora y la fauna acuática. Alteración de los
ecosistemas acuáticos.
Tabla 2. Contaminantes presentes en un agua residual y sus posibles efectos sobre las aguas receptoras. Fuente: (Depuracion Biologica de las Aguas Residuales Urbanas)
A continuación, se describen cada uno de los parámetros utilizados para la caracterización del agua residual, así como para medir la contaminación presente en la misma. Es necesario saber estos parámetros para definir las estrategias y tratamientos de aplicación de tecnologías necesarias adecuadas y en conformidad con la normativa de vertidos a cauces receptores. En la tabla No. 3 se muestran los parámetros que se emplean para la caracterización de las ARU, los cuales van a ser definidos más adelante de forma más detallada.
27
Físicos Químicos Biológicos
Sólidos totales (ST), mg/l Materia orgánica, mg O2/l Organismos patógenos
*Suspendidos *DBO5 *Coliformes
*Volátiles *DQO *Virus
Temperatura, °C *pH
Turbiedad, NTU Alcalinidad, mg CaCO3/I Nitrógeno, mg N/I
*Orgánico
*Amoniacal
*Nitritos(NO2-N)
*Nitratos (NO3-N) Fósforo, mg P/I
*Orgánico
*Reactivo soluble (PO4-3
-P)
Tabla 3. Parámetros empleados para la caracterización de un ARU. Fuente: (Directiva 91/271; Escaler, 1997)
3.1.2.1 Caudal
El caudal es un parámetro elemental tanto para el diseño de la red de alcantarillado o sistema de recogidas, como para el diseño de la E.D.A.R., además de ser fundamental para calcular la contaminación potencial aportada al proceso de depuración. Deben tenerse en cuenta las posibles variaciones que experimenta el caudal y con él, la variación de la carga contaminante.
La irregularidad temporal del caudal se mide en dos espacios de tiempo como consecuencia de las características y variaciones en las descargas de las aguas negras a la red de saneamiento, uno a lo largo del día y otro a lo largo del año. El espacio temporal referido a lo largo del día se relaciona con el pico de consumo máximo que corresponde a las horas de uso del agua más frecuente por parte de la población, normalmente suele haber una punta a media mañana y otra a últimas horas de la tarde como se muestra en la figura No. 2, durante la noche y las primeras horas de la mañana, los consumos son mínimos. En cuanto el caudal a lo largo del año comprende el cambio sustancial al comparar el consumo de agua en épocas de estiaje y épocas de vacaciones. En España, en las ciudades el caudal disminuye en verano, pues la mayoría de la población se desplaza a las zonas costeras donde el caudal de aguas residuales aumenta significativamente.
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Figura 2. Evolución diaria de los caudales de aguas residuales urbanas. Fuente: (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008)
Es habitual que el comportamiento de la curva de la figura No. 2 sea similar al comportamiento de la curva de consumo de agua de abastecimiento, pero reflejándose un cierto retraso debido a las pérdidas que se producen en el arrastre del agua a través de la red de saneamiento. Este retraso dependerá de la distancia a la cual se encuentre la de E.D.A.R. de la población a la que da servicio.
La cantidad de agua residual que se genera es proporcional al consumo de agua potable en una población, está entre el 60 y el 85% del agua consumida. Es también derivado del grado de desarrollo económico y social de la población servida. Entre los factores que influyen para la producción de caudal de agua residual en un conglomerado urbano destacan: el consumo de agua de abastecimiento, la pluviometría (en el caso de redes de saneamiento unitarias), las perdidas por evaporación o perdidas en las conducciones, que se refiere al agua consumida que no llega a la red de alcantarillado, y las ganancias, que son los vertidos a la red de alcantarillado.
Las necesidades medias de aporte de agua a una población se pueden estimar a partir de las poblaciones fijas y flotantes, así también se deben tomar en cuenta las dotaciones que se vayan a construir (hoteles, teatros, hospitales, escuelas, etc.) (ver tabla 4). El consumo de cada habitante es la suma debida a cada una de las unidades descritas, multiplicadas por el número de esas unidades que se prevé que haya. El caudal se presenta en 3 posibilidades; alto, medio y bajo. Las unidades del caudal están en L/día/unidad.
La carga contaminante, transportada por el caudal de aguas residuales, es la medida para determinar el grado de contaminación presente en el agua y se representa con la ecuación 3.1.
(3.1) Dónde:
Carga contaminante en
Cc= concentración del contaminante ( f= factor de conversión (0.001
)
29 Para poder dimensionar la E.D.A.R. se utiliza una unidad especial habitante-equivalente. La cual, según el Real Decreto-ley 11/1995 de 28 de diciembre por el que se establecen las normas aplicables al tratamiento de las aguas residuales urbanas, es una unidad de medición que representa la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno de cinco días (DBO5), de 60 gramos de oxígeno por día.
(
)
⁄ (3.2)
Se usa esta unidad especial de habitantes equivalentes porque cualquier actividad humana puede ser traducida a esta unidad de contaminación. Además, permite determinar la carga contaminante contenida en un caudal de aportación independientemente del uso del agua, generando una contaminación igual a la cantidad de habitantes reales más su activad industrial y ganadera, reflejando la diversidad que tiene una población con un agua residual normalmente compuestas por desechos de distintas procedencias.
La dotación de agua de abastecimiento es en función de los habitantes y por consiguiente de los habitantes equivalentes. Se han establecido dotaciones para distintos rangos poblacionales como se muestra en la tabla 5.
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Tabla 4. Consumos por establecimiento. Fuente: (Fuentes Santos)
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Tabla 5. Dotación de abastecimiento. Fuente: (Monograficos Agua en Centroamerica, 2008)
Tabla 6. Datos estimados de la población en h-e. Fuente: (CEDEX, 2004)
El caudal de diseño es el caudal medio diario y se determina a partir de la población estimada en habitantes equivalentes según la tabla 6. y la dotación adoptada, tomando en cuenta los vertidos industriales (ver ecuación 3.3). La variación de los caudales afecta al diseño hidráulico de las instalaciones de tratamiento. El caudal medio diario es el parámetro de caudal en función del cual se diseña la capacidad de estación depuradora.
( 3.3)
Cuando se quiere diseñar tomando en cuenta los volúmenes servidos, ya que parte del caudal vertido no llega a las plantas de tratamiento debido a las perdidas, se toman en cuenta entre un 15 y 25% en función de la antigüedad y la distancia a la planta de tratamiento de la red de alcantarillado. Este porcentaje se representa en un coeficiente (k) que suele ser 0.8. La ecuación anterior nos queda:
(3.4)
Para las unidades de proceso que se dimensionan según los tiempos de retención (relación volumen/caudal) o cargas superficiales (caudal por unidad de superficie), hay que tener en cuenta los caudales máximos y mínimo para el buen funcionamiento. Para aglomeraciones grandes y medianas el caudal mínimo se puede estimar como el 50% del caudal medio diario y el caudal máximo se estima mayorando el caudal medio diario entre un 50 y un 150%. El caudal punta es el caudal máximo hidráulico que puede admitir la planta, y se emplea para el cálculo del pretratamiento, conducciones, bombeos, tanques de sedimentación, cloración y sistemas de medidas. Al igual que el caudal máximo diario se mayora el caudal medio diario con un coeficiente punta.
32 3.1.2.2 Características Físicas
3.1.2.2.1 Temperatura
La temperatura del agua residual es ligeramente mayor que la del agua suministrada para el consumo, debido principalmente al agua caliente procedente de las viviendas y a los vertidos industriales derivados de actividades que requieran temperaturas altas3. Esta varía dependiendo del lugar y de la hora del día.
Cuando estas aguas tienen altas temperaturas pueden contribuir al crecimiento de microorganismos indeseables para el proceso. El aumento de temperatura acelera la descomposición de la materia orgánica, aumenta el consumo de oxígeno para la oxidación y disminuye la solubilidad del oxígeno y otros gases (Cubillos).
También pueden ocasionar problemas si al llegar a la E.D.A.R. tienen temperaturas que pueden ser perjudiciales para las instalaciones y fastidiar el funcionamiento de la planta. Algunas de las propiedades del agua como son la densidad, la viscosidad y tensión superficial, varían con los cambios de temperatura modificando la velocidad de sedimentación de las partículas y la transferencia de oxígeno en los procesos biológicos.
3.1.2.2.2 Color
El color es la capacidad que tiene el agua para absorber radiaciones del espectro visible, puede ser de origen natural o debido a la contaminación que sustenta. La presencia de sólidos en suspensión coloreados da lugar al color aparente. El color real se obtiene sobre una muestra filtrada consecuencia de los sólidos sueltos.
El color afecta principalmente la apariencia estética del agua, es resultado de la degradación natural de la materia orgánica. En condiciones normales es de color gris, pero en ausencia de oxigeno entorna coloraciones negruzcas. Cuando el agua tiene una procedencia industrial puede ser de cualquier color ya que es resultado de procesos donde interfieren diferentes elementos como el uso de pulpa y papel, la industria textil, productos químicos y farmacéuticos y limpieza de metales, entre otros.
3.1.2.2.3 Olor
El principal problema con el olor es que es desagradable ya que es agua residual en descomposición, pero en cierto grado soportable. En ausencia de oxigeno será fétido (se producen sulfuros).
3.1.2.2.4 Conductividad
La conductividad evalúa la capacidad del agua para conducir la corriente eléctrica. Cuando se encuentra fuera de rango puede indicar que el agua no es adecuada para la vida de ciertas especies acuáticas y peces.
3Aunque influyen en la temperatura del agua, la ley establece que las industrias deben enfriar la temperatura de las aguas antes de ser vertidas a la red de saneamiento.
33 Es una medida de la calidad del agua, cuando es conocido el rango habitual de una masa de agua y éste en un momento dado cambia, se interpreta como un indicador de un evento puntual de contaminación. Este parámetro suele ser superior en las aguas de suministro. En aguas potables es alrededor de 600 S/cm, y en aguas residuales entre 1000 y 2000 S/cm.
3.1.2.2.5 Turbidez
La turbidez es debida a la materia en suspensión, esta es la característica física más importante del agua residual. Estos solidos se oxidan consumiendo el oxígeno disuelto en el agua, sedimentan al fondo de los cuerpos receptores donde modifican el hábitat natural.
3.1.2.2.6 Contenido en Sólidos
La materia sólida permite valorar la concentración y el estado físico de los componentes del AR4. Es importante conocer estos sólidos porque su concentración permite determinar el mayor o menor grado de depuración que será requerido por el AR, atendiendo a las distintas etapas del tratamiento.
La materia en suspensión puede ser separada por tratamientos fisicoquímicos, tales como la sedimentación y la filtración. Cuando la materia en suspensión es sólida se trata de separar por medio de la decantación (gravedad), también se usan medios filtrantes o de centrifugación y, en caso de grasas habitualmente se eliminan por medio de flotación. La parte de la materia en suspensión que no puede separarse por tratamientos fisicoquímicos y pasan a través del filtro (0,45 μm) se denomina materia disuelta. La materia disuelta puede ser orgánica y se usa la insolubilización, puede ser también inorgánica, en este caso se deben emplear tratamientos caros como es la osmosis inversa.
La incineración a 550°C permite diferenciar la materia orgánica de la inorgánica. La pérdida de materia por incineración representa el contenido orgánico que suele ser el 50-80% de los sólidos totales (ST), compuestos por proteínas, glúcidos y grasas, mientras que las cenizas residuales representan el contenido inorgánico o mineral, que son el 20-50% de los ST, como son grasas, arcillas, metales. La materia soluble de un agua residual está compuesta mayoritariamente por materia inorgánica, mientras que la materia en suspensión es predominantemente de naturaleza orgánica (Horan, 1990).
Los sólidos según su sedimentabilidad se dividen en: los sólidos en suspensión (SS), estos son los sólidos retenidos por el filtro, visibles a simple vista o a microscopio, aproximadamente son 1/3 de los ST; son sedimentables y se eliminan en el desarenado, la parte coloidal de los SS se elimina en el tratamiento primario. También están los sólidos disueltos (SD), que son alrededor de 2/3 de los ST; estos son muy difíciles de eliminar y requieren tratamientos muy específicos. Según su volatilidad los sólidos pueden ser fijos, los cuales permanecen tras una hora a 550°C y los volátiles que se evaporizan.
4Agua Residual
