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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
358039 – DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Autor:
Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, PhD
BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
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CONTENIDO
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO ... 18
INTRODUCCIÓN GENERAL ... 19
UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS ... 25
CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA ... 25
Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales ... 25
Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes ... 31
Lección 3. Esquema de depuración ... 34
Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección ... 39
Lección 5. Cálculos hidráulicos ... 42
CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO ... 46
Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada ... 46
Lección 7. Pozo de muy gruesos ... 51
Lección 8. Desbaste... 54
Lección 9. Desarenador ... 60
Lección 10. Desarenador-Desengrasador ... 63
CAPÍTULO 3. TRATAMIENTO PRIMARIO ... 68
Lección 11. Fundamentos de la decantación primaria ... 68
Lección 12. Tamices ... 71
Lección 13. Decantador primario ... 75
Lección 14. Decantación asistida químicamente ... 79
Lección 15. Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios ... 82
UNIDAD 2. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS ... 85
CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO ... 85
Lección 16. Teoría de la aireación ... 85
Lección 17. Equipos aireadores ... 89
Lección 18. Teoría de la depuración biológica ... 92
Lección 19. Control del proceso biológico ... 95
Lección 20. Modelos de reactores y características ... 99
CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO ... 102
3 CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES
REGENERADAS ... 131
Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado ... 131
Lección 27. Desinfección ... 134
Lección 28. Nitrificación y desnitrificación ... 136
Lección 29. Eliminación de fósforo ... 139
Lección 30. Reuso de aguas residuales regeneradas... 141
UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS ... 146
CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ... 146
Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales.. 146
Lección 32. Tanque de igualación ... 148
Lección 33. Neutralización ... 151
Lección 34. Flotación por aire disuelto ... 154
Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos ... 157
CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN ... 159
Lección 36. Principios de la geodepuración ... 161
Lección 37. Trampa de grasas ... 163
Lección 38. Tanques de decantación-digestión ... 167
Lección 39. Filtro anaerobio ... 171
Lección 40. Campo de infiltración ... 173
CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS ... 176
Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) ... 177
Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) ... 180
Lección 43. Humedales artificiales ... 183
Lección 44. Filtros verdes ... 187
Lección 45. Filtros intermitentes ... 190
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo. ... 22 Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia
orgánica ... 27 Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio). ... 33 Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría ... 33 Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas
residuales ... 36 Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de
entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). ... 40 Tabla 7. Información adicional a la caracterización de las aguas que debe
ser evaluada antes del diseño de un sistema de depuración de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 41 Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales ... 44 Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades.
... 45 Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. ... 48 Tabla 11. Fórmulas empíricas para el cálculo de los caudales mínimo y
punta para diferentes tamaños de población (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) ... 49 Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 50 Tabla 13. Criterios de diseño para el pozo de muy gruesos (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 52 Tabla 14. Criterios de diseño de las rejillas de desbaste (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 57 Tabla 15. Cantidad de sólidos retenidos por las rejillas (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012) ... 59 Tabla 16. Velocidades de sedimentación para diferentes tamaños de
arenas a una temperatura de 16 °C y una eliminación cercana al 90% (Moreno López, 2009-2010) ... 60 Tabla 17. Criterios de diseño de los desarenadores (Lozano-Rivas, Material
de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 61
5 Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 65 Tabla 19. Tipos de sedimentación (Lozano-Rivas, Diseño de Plantas de
Potabilización de Agua, 2012). ... 68 Tabla 20. Capacidad de trabajo de los tamices estáticos (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 74 Tabla 21. Capacidad de trabajo de los tamices rotatorios (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 74 Tabla 22. Criterios de diseño para decantadores primarios circulares
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 77 Tabla 23. Rangos óptimos de pH para aplicación de coagulantes
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 81 Tabla 24. Usos y dosis recomendadas para coagulantes y coadyuvantes en
tratamiento de aguas residuales (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). . 82 Tabla 25. Características típicas de los lodos de decantación primaria
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 84 Tabla 26. Valores de concentración de saturación de oxígeno en agua
limpia a 1 atmósfera de presión (760 mm Hg). ... 87 Tabla 27. Concentraciones inhibitorias de algunos compuestos en procesos
de oxidación biológica (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 96 Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados
(Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012) ... 106 Tabla 29. Criterios de diseño según tipo de operación y medio de contacto
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 113 Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina &
Pohland, 1992)... 116 Tabla 31. Tiempos de retención celular (TRC) para diseño de los reactores
anaerobios (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 117 Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase
para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 119
6 Tabla 33. Definición de la sedimentabilidad del lodo según su IVL
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 122 Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 124 Tabla 35. Parámetros recomendados para el diseño de tanques de
igualación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 150 Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 157 Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA.
Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor. ... 163 Tabla 38. Unidades de gasto por artefacto sanitario para el diseño de
trampas de grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 164 Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 164 Tabla 40. Dimensiones recomendadas para las trampa grasa, según el
caudal de diseño (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 165 Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 173
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ÍNDICE DE FOTOS
Foto 1. Biofltro. Fuente:
http://www.uca-it.es/gestion/contenidos/patprocont/BiofiltroBoletin.jpg ... 37 Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas,
2001. ... 38 Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. . 50 Foto 4. Contenedor para el depósito del material extraído del pozo de muy
gruesos. Al fondo, cuchara bivalva. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/obr allegada/17.jpg ... 52 Foto 5. Rejilla media con lámina perforada para escurrimiento del material
extraído. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. ... 55 Foto 6. Operario retirando manualmente los sólidos retenidos en la rejilla. No
cuenta con una canastilla o lámina de escurrimiento. Imagen tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/84ea1074e6.jpg?PHPSESSID=9 e770a877a3fbf5149553f1525633a7d ... 55 Foto 7. Rejilla de limpieza mecánica con peine giratorio. Imagen tomada
de: http://www.interempresas.net/Quimica/FeriaVirtual/Producto-Reja-de-desbaste-37170.html ... 56 Foto 8. Canales desarenadores. Foto: Enrique Padilla Díaz. Imagen tomada
de:
http://www.flickr.com/photos/gepadi/2109061728/in/photostream/ ... 61 Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de:
http://www.vlcciudad.com/las-depuradoras-generan-679-toneladas-de-fangos/ ... 64 Foto 10. Desarenador-desengrasador vacío. A la derecha se aprecia la
zona de desarenado y de extracción de arenas. También el tubo de alimentación de aire anclado al muro (arriba) y los difusores de aire (abajo). En la izqueira está la zona de desnatado. Al fondo de la fotografía, en azul, el puente grúa al que se ancla el desnatador y el tubo de succión de arenas. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1124.jpg ... 65 Foto 11. Tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.plantasdetratamiento.com.mx/userfiles/image/pre4(1).j pg ... 73 Foto 12. Tamiz rotatorio. Imagen tomada de:
http://www.aguamarket.com/sql/productos/fotos/TR%206100%20fu ncionando.jpg ... 73
8 Foto 13. Decantador vacío. Se aprecia la campana deflectora, la poceta
de fangos, el puente móvil con las rasquetas (barredor de fangos) y el desnatador (barredor de grasa). Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/5.jpg ... 76 Foto 14. Motor encargado de desplazar el puente del decantador. Se
aprecia el vertedero dentado para la salida del agua clarificada. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am1/10.jpg ... 76 Foto 15. Decantadores primarios de una depuradora en España. Imagen
tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/-anQFBdV23mY/TabFuQImiWI/AAAAAAAAAA4/Nc82nRHWWYk/s1600 /DSC_0173.JPG ... 78 Foto 16. Serpentín de mezcla. Imagen tomada de:
http://ptecdaf.com/images/flocculator.png ... 80 Foto 17. Tratamiento primario químicamente asistido. En primer plano, el
serpentín de mezcla. Imagen tomada de: http://prechistvatelni-valgeo.com/wp-content/uploads/2011/02/DAF12.jpg ... 81 Foto 18. Lavador de arenas tipo Geiger. Imagen tomada de:
http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/planta-de-lavado-de-arenas-539813.jpg ... 83 Foto 19. Tratamiento de lodos de una depuradora. Imagen tomada de:
http://www.hawaiireporter.com/wp-content/uploads/2011/08/Screen-shot-2011-08-02-at-7.36.03-AM.png ... 84 Foto 20. Difusores de un reactor biológico de lodos activados. Imagen
tomada de:
http://www.brightwaterfli.com/files/20050331052309_Aeration-001.jpg... 89 Foto 21. Detalle de un disco difusor. Imagen tomada de:
http://pic.pimg.tw/twtechtextil2011/985f54070544389b30601f523673 3e0b.jpg ... 90 Foto 22. Aireador superficial de flujo radial. Imágenes tomadas de:
http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/surface-aerator-for-wastewater-treatment-560483.jpg y de http://image.made-in- china.com/2f0j00lBsakbVKnMgp/Wastewater-Treatment-System-Wastewater-Aerator-LY-1-.jpg ... 90 Foto 23. Cepillo de aireación en un zanjón de oxidación. Imagen tomada
de:
http://www.cstwastewater.com/upload/images/CoolahShire_Brush Aerators.jpg ... 92
9 Foto 24. Filtro percolador. Ejemplo de un reactor aerobio de biomasa
adherida (cultivo fijo). Imagen tomada de:
http://www.napier.govt.nz/photos/wastewater_test_1.jpg ... 100 Foto 25. Reactor aerobio de lodos activos de mezcla completa. Imagen
tomada de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/www.water-technology.net_projects_chicago_chicago1.html.jpg ... 101 Foto 26. Biodiscos. Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg ... 102 Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de:
http://www.mixing.com/site/images/019.jpg ... 105 Foto 28. Piezas plásticas usadas como medio de soporte de la biomasa en
el filtro percolador. Imagen tomada de:
http://www.icceltda.com/IMAGENES/x.jpg ... 112 Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores
(Balda R. , 2001). ... 112 Foto 30. Base de un filtro percolador con aberturas de ventilación. En la
parte superior se aprecia el falso fondo como sistema de drenaje. Imagen tomada de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/FiltroPercolador1.jpg_729600497.jpg ... 113 Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen
tomada de:
http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG ... 122 Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de:
http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg 127 Foto 33. Digestor Anaerobio con conducciones de biogás y recirculación
de fangos digeridos. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1246.jpg ... 128 Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de
quemado. Image tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg ... 128 Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de:
http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20R un%20Per%C3%BA32.JPG ... 129 Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de:
http://1.bp.blogspot.com/-adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t% 25C3%25ADtulo.png ... 130 Foto 37. Muchas hortalizas son regadas con ríos que reciben efluentes
tratados de las depuradoras agua residual, pero que no reciben tratamiento para eliminar patógenos y otros contaminantes
10 específicos. Imagen tomada de:
http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4 d_52.jpg ... 132 Foto 38. Lago Atitlán en Guatemala, afectado por la hipereutrofización
(exceso de nutrientes como nitrógeno y fósforo) que causa el crecimiento excesivo de algas y macrófitas. Imagen tomada de: http://www.nsf.gov/news/mmg/media/images/nitrogen_h.jpg .... 133 Foto 39. Cámara de contacto de cloro, antes de la descarga de aguas
tratadas de la depuradora. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/4.jpg ... 134 Foto 40. Canal de contacto para desinfección de aguas residuales
tratadas. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/trat am3/imagenes/2.jpg ... 135 Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de:
http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg ... 138 Foto 42. Sistema de ósmosis inversa para aguas de exceso de minería en
Yanacocha, Perú. Imagen tomada de:
http://www.esacademic.com/pictures/eswiki/79/OsmosisInversa.jpg ... 143 Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de:
http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg ... 143 Foto 44. Biodiscos o contactores biológicos rotativos (CBR). Imagen tomada
de:
http://www.egevasa.es/portal/export/sites/default/Tecnologia/Ima genesTecnicasEgevasa/Biodiscos1.jpg_729600497.jpg ... 144 Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de:
http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG .. 145 Foto 46. Trampa de grasa con lámina perforada a manera de criba para
retención de sólidos. Imagen tomada de:
http://www.pallomaro.com/wp-content/uploads/2009/01/trampa-de-grasas1.jpg ... 147 Foto 47. Trampa de grasas ubicada bajo los lavaplatos de un restaurante.
Imagen tomada de:
http://www.greenarrowenvironmental.com/wp-content/uploads/2011/12/Small-Trap1.jpg ... 148 Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de:
http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG ... 149 Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de:
11 Foto 50. Adecuación de terrenos para la instalación de un sistema
individual de tratamiento de aguas residuales, en el sitio de origen. Imagen tomada de:
http://www.fcpa.org.pe/archivos/file/Proyectos/Proyectos%20ejecu tados/C1L2%202009/Agua%20y%20Saneamiento/031%20Laramate/L aramate%20-%20zanjas%20de%20infiltracion.jpg ... 159 Foto 51. El suelo puede ser considerado, con algunas restricciones, como
un gran filtro bioquímico. Imagen tomada de:
http://3.bp.blogspot.com/_d9ZU-VwlMlA/TKPCfeKUfzI/AAAAAAAAABs/rSccyzocw78/s1600/suelo+deg radado.jpg ... 161 Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de:
http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil_-_BagleyStabilizationPonds.jpg ... 180 Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de:
http://corporativoambitec.com/wp-content/uploads/2012/03/laguna.gif ... 181 Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de:
http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842 _orig.jpg ... 186 Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales.
Imagen tomada de:
http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG186 Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de:
http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Vic tor_IMDEA.jpg ... 187 Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/5.jpg ... 189 Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/3.jpg ... 192
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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996). ... 28 Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008). ... 29 Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del
material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A. ... 36 Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ... 38 Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de:
http://saint-gobain-canalizacao.com.br ... 42 Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de:
http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_resi duales/Pretratamiento ... 46 Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de:
http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/1.entrada.gif ... 51 Ilustración 8. Corte del pozo de muy gruesos. Imagen tomada de:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a5/Esque ma_muygruesos.png ... 53 Ilustración 9. Corte de un sistema de desbaste usando rejillas (una gruesa y
otra fina) de limpieza mecánica. Imagen tomada de:
http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/i mgs/2.desbaste.gif ... 54 Ilustración 10. Rejilla de limpieza mecánica. Imagen tomada de:
http://www.huber.de/typo3temp/pics/3f0746d8ed.jpg?PHPSE SSID=0221c611312d1533052042da3ab52ed4 ... 56 Ilustración 11. Zona de rejillas (Romero Rojas, 1999) ... 58 Ilustración 12. Corte de un desarenador-desengrasador. Imagen tomada
de:
http://wastewatertreatmentplant.wikispaces.com/file/view/Gr
ift-chamber_clip_image002_0000.jpg/105369573/Grift-chamber_clip_image002_0000.jpg modificada por el autor. . 64 Ilustración 13. Tipos de sedimentación para diferentes unidades (Arboleda
Valencia, 2000). ... 70 Ilustración 14. Corte de un tamiz estático. Imagen tomada de:
http://www.vismec.co.th/images/sub_1224054424/STATICcapt ure1.jpg ... 72 Ilustración 15. Esquema del corte de un tamiz rotatorio. Imagen tomada de: http://www.depuradorasdeaguas.es/WebRoot/StoreES2/Shop s/eb1450/4CAB/10F2/CA72/A18A/F3CF/D94C/9B1E/6626/tami z-rotativo-esquema.jpg ... 74
13 Ilustración 16. Corte de un decantador primario. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam1/decantacion.htm ... 75 Ilustración 17. Descomposición biológica de la materia orgánica
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 85 Ilustración 18. Teoría de la doble capa de difusión molecular gas-líquido. . 86 Ilustración 19. Aireador de flujo axial. Imagen tomada de:
http://www.thewatertreatments.com/wp-content/uploads/2009/10/surface-aerator.jpg ... 91 Ilustración 20. Equipo aspirante. Imagen tomada de:
http://www.isma.fr/images/aerateur/photo1_anglais.jpg ... 91 Ilustración 21. Metabolismo aeróbico de la materia orgánica (Lozano-Rivas,
Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 93 Ilustración 22. Metabolismo anaerobio de la materia orgánica (CIDTA.
Universidad de Salamanca, 2005)... 95 Ilustración 23. Tipos de reactores para el tratamiento de aguas residuales
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de
Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 101 Ilustración 24. Esquema básico de un proceso de lodos activados. Imagen
tomada de
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ... 103 Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ... 104 Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de:
http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8 ... 104 Ilustración 27. Métodos de aireación para reactores de lodos activados de
flujo a pistón (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 105 Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de:
http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamient os/blandos/diseno6.gif ... 110 Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador
(Romero Rojas, 1999). ... 111 Ilustración 30. Esquema de un filtro percolador con recirculación. Imagen
tomada de:
http://webcd.usal.es/web/EDAR/Unidades/CURSO/UNI_07/U_ 07_IMG/7020601i.gif ... 111
14 Ilustración 31. Esquema de un UASB. En la parte baja se encuentra la zona
de digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación. Imagen tomada de:
http://www.uasb.org/discover/uasb-scheme.gif modificada por el autor. ... 117 Ilustración 32. Reactor UASB. En la parte baja se encuentra la zona de
digestión y en la zona superior se aprecia la estructura de sedimentación (Romero Rojas, 1999). ... 118 Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). ... 120 Ilustración 34. Reactor EGSB. Imagen tomada de:
http://www.pollutionsolutions-online.com/assets/file_store/pr_files/12891/images/thumbnails/ 800w-1_biobed_egsb_reactor_figure_1.jpg ... 121 Ilustración 35. Modelo 3D de un decantador secundario. Imagen tomada
de:
http://www.foro3d.com/attachments/117991d1258535656-3ds-max-e-d-a-r-primera-fase-decantador-secundario-02.jpg ... 125 Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa
de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de
Sevilla). ... 126 Ilustración 37. Proceso de nitrificación-desnitrificación de las aguas
residuales. Imagen tomada de:
http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temar io/tratam3/imagenes/1.jpg ... 137 Ilustración 38. Esquema de un proceso Bardenpho® con una secuencia de
cuatro reactores (dos anóxicos y dos aerobios) con
recirculación del segundo al primer reactor a una tasa media de 5 veces el caudal tratado. Imagen tomada de:
http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ... 140 Ilustración 39. Esquema de un proceso Bardenpho® modificado, en la que
se añade un reactor anaerobio (ausente de oxígeno y nitratos) en la cabecera que permite la eliminación de nitrógeno y DBO también. Imagen tomada de:
http://gabinetejmg.es/art_tec/Tec_elimi_nutrientes.pdf ... 140 Ilustración 40. Corte longitudinal de una trampa de grasas. Imagen tomada
de:
http://www.sswm.info/sites/default/files/toolbox/MOREL%2020 06%20grease%20trap.png y modificada por el autor. ... 147 Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.). ... 152
15 Ilustración 42. Esquema de un tanque de neutralización para ajuste de pH
con ácido o agente alcalinizante. Imagen tomada de:
http://www.phadjustment.com/Images/jpg/CBatch_Simple.jp g ... 153 Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho,
1996). ... 154 Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ... 155 Ilustración 45. Esquema de funcionamiento de una unidad de flotación por
aire disuelto (Lozano-Rivas, Material de clase para las
asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ... 156 Ilustración 46. Esquema de un sistema individual de tratamiento de aguas
residuales con 4 opciones de disposición de las aguas
residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de: http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septico-domiciliario-diagrama.jpg ... 160 Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada
de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf ... 163 Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada
de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ... 166 Ilustración 49. Corte transversal de una trampa de grasa, con cámara de
escurrimiento de la grasa extraída (a la derecha). Imagen tomada de:
http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf ... 166 Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio
de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999). ... 168 Ilustración 51. Sistema Individual para un conjunto de viviendas con 4
opciones de disposición de las aguas residuales tratadas: 1) Riego; 2) Campo de Infiltración; 3) Pozo de Absorción; y 4) Corriente Hídrica. Imagen tomada de:
http://www.rotoplast.com.co/wp-content/uploads/Sistema-septico-integrado-Diagrama.jpg ... 170 Ilustración 52. Conjunto de tanque séptico con filtro anaerobio de flujo
ascendente. Imagen tomada de:
http://www.alianzaporelagua.org/Compendio/images/tecnol ogias/tec_s/tec_s11.jpg ... 171 Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado.
Imagen tomada de:
http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes /digestor.jpg ... 172
16 Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascedente, independiente. Imagen
tomada de:
http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg... 172 Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de
infiltración. Imagen tomada de:
http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif ... 174 Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo
de infiltración ... 175 Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales
según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de
Salamanca, 2005). ... 177 Ilustración 58. Sistema simplificado de lagunaje. Autor: ITC, Instituto
Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/-8KKT2OkXvUI/TcKHOOpOc_I/AAAAAAAAAIc/raWEbLhDWHg/s 1600/Esquema+proceso+de+lagunaje.JPG... 177 Ilustración 59. Laguna Anaerobia. Imagen tomada de la presentación
“Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua
(CENTA). ... 178 Ilustración 60. Laguna Facultativa. Imagen tomada de: la presentación
“Tecnologías No Convencionales para la Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas Tecnologías del Agua
(CENTA). ... 179 Ilustración 61. Dinámicas de transformación de energía, materia orgánica y nutrientes, en una laguna facultativa. Imagen tomada de: la presentación “Tecnologías No Convencionales para la
Depuración de las A.R.U.” del Centro de las Nuevas
Tecnologías del Agua (CENTA). ... 179 Ilustración 62. Humedal artificial de flujo subsuperficial vertical. Autor:
Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/-wfxgzlUordY/Tb6n8YtkBeI/AAAAAAAAAIU/CwQv0GSh6Q4/s16 00/Humedal+Artificial+de+Flujo+Subsuperfiacial+Vertical+%25 28HAFSV%2529.JPG ... 184 Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales.
Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus,
Dinamarca). ... 185 Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto
Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/-17 AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1 600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG ... 188 Ilustración 65. Filtro intermitente de arena. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen
tomada de:
http://2.bp.blogspot.com/--CeMlavzyFQ/TcO0szXNB3I/AAAAAAAAAJI/1WctzuTA23M/s160 0/Filtros+intermitentes+de+arena.JPG ... 190 Ilustración 66. Lechos de turba. Autor: CEDEX-CENTA. Imagen tomada de:
http://3.bp.blogspot.com/-skfeEU6F4QY/T2xsXQWD7NI/AAAAAAAAAFA/ww5SJrzwT2k/s16 00/Secci%C3%B3n+transversal+de+un+filtro+de+turba.JPG 191
18
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El contenido didáctico del curso académico DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES, el cual recopila no sólo la experiencia del autor sino gran parte del material empleado durante muchos años de docencia, ha sido elaborado por WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, quien es Ingeniero Ambiental y Sanitario, PhD en Biotecnología, MSc en Ingeniería del Agua, Experto en Tecnología del Agua, con Especialización en Creación de Modelos Ecológicos y estudios en Ciencias Hidrológicas. Fue ganador del “Development Co-operation Prize”, otorgado por el Ministerio de Desarrollo Europeo, por su trabajo investigativo e innovación tecnológica en tratamiento de aguas. Ha trabajado en diversos proyectos hídricos y de saneamiento ambiental para la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá, la Secretaría Distrital de Ambiente, el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación -ICONTEC- y la Pontificia Universidad Javeriana, entre otros. En el año 2011 fue el coordinador del primer proyecto en Colombia para la evaluación de alternativas para la recuperación de ríos urbanos. Como consultor independiente, cuenta con una importante experiencia en el diseño, control y tratamiento de aguas residuales industriales y de agua potable. Tiene una notable trayectoria como docente de pregrado y postgrado de diversas universidades públicas y privadas en Colombia y como profesor visitante de postgrado en la Escuela Universitaria Politécnica de la Universidad de Sevilla, España. Es autor de varios libros y artículos científicos en prestigiosas revistas nacionales e internacionales y autor y coautor de múltiples capítulos de libro en temas de gestión urbana, tecnología ambiental, tratamiento de agua y manejo de recursos naturales.
Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera:
Lozano-Rivas, W.A. (2012). Diseño de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
19
INTRODUCCIÓN GENERAL
En la actualidad, más de 2600 millones de personas no tienen acceso a saneamiento básico en el mundo y 1200 millones carecen de abastecimiento de agua potable (Madrazgo, 2009). La carencia de una formación académica en las universidades de Latinoamérica que enfatice en la enseñanza de soluciones económicas, efectivas y con posibilidad de autoconstrucción, se constituye en un obstáculo para remediar estas graves deficiencias; las tecnologías convencionales enseñadas por los docentes resultan, en más de la mitad de los casos, inapropiadas y, además, inalcanzables, dadas las limitaciones financieras, técnicas y administrativas de los países pobres donde el déficit de estos servicios básicos es crítico y las necesidades en saneamiento crecen a un ritmo mucho mayor que sus recursos económicos (Lozano-Rivas, Gutiérrez de Piñeres, Hernández, Romero, & Sánchez, 2009).
Lo anterior es, sin duda, una de las razones que impide avances visibles en materia de cobertura de servicios de agua y saneamiento, porque es de todos conocido que la mayor parte de estas carencias se concentran, especialmente, en comunidades con un bajo nivel de ingreso, las cuales son también las que muestran un crecimiento poblacional más elevado. Es sabido además que las mayores inversiones se realizan en las grandes ciudades, lo que deja a la deriva los pequeños conglomerados y las zonas rurales, incentivando la migración hacia los núcleos urbanos en busca de una mejor calidad de vida. El acelerado crecimiento de estas urbes, aunado a la llegada permanente de familias campesinas y de bajos recursos (muchas de ellas padeciendo el desplazamiento forzado) que intentan ubicarse en los barrios marginales y suburbanos, dificulta también una gestión efectiva en materia de saneamiento (Lozano-Rivas, 2009).
Los fenómenos de conurbación, aunados al crecimiento de la industria, así como al advenimiento de nuevas tecnologías, sustancias químicas y productos, han incrementado ostensiblemente el aporte y el nivel contaminante de los vertidos líquidos, la mayoría sin ningún tipo de tratamiento, a los ecosistemas acuáticos. Esta realidad se recrudece al conocer que las cifras del que fuera, hace casi un lustro, Viceministro de Agua y Saneamiento Básico, señalaban que únicamente el 9% de las aguas residuales que se generan en el país, son tratadas y que, adicionalmente, se tiene un déficit de cerca de 900 depuradoras según Jairo Romero Rojas, profesor de la Escuela Colombiana de Ingenieros (Diario El Espectador, 2008).
Así, el país necesita de profesionales que tengan los conocimientos básicos y los criterios esenciales, no sólo para seleccionar y diseñar las mejores opciones de tratamiento para aquellas industrias y poblaciones que todavía lanzan sus desechos líquidos a los cauces naturales que, casi siempre, son utilizados aguas abajo, como fuente de abastecimiento, con grave amenaza para la salud pública, sino también para optimizar y garantizar una
20 adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lozano-Rivas, 2012).
Por esta razón, este curso académico que estás iniciando ahora, tiene como objetivo principal, darte a conocer de forma sucinta, práctica y didáctica, los criterios fundamentales que te permitan el dimensionamiento de las unidades más frecuentemente usadas para la depuración de las aguas residuales en el ámbito urbano, rural e industrial. Es preciso reconocer que la ciencia de la depuración de las aguas servidas es un tema de mucha profundidad que abarca extensos conceptos de bioquímica, microbiología, cinética, matemática e hidráulica, además de los aspectos ambientales y sociales, por lo que de ninguna manera es posible abarcarla en un curso universitario. De la misma manera, como lo repetiré en varios ocasiones durante las lecciones, dimensionar tanques no presenta mayor dificultad pero, seleccionar los criterios de diseño y las alternativas para cada uno de los procesos y operaciones unitarias involucradas en el tratamiento del agua residual, sólo debe hacerse fundamentado en repetidos análisis y ensayos de laboratorio que permiten dilucidar la dinámica de las reacciones bioquímicas y fenómenos físicos y mecánicos que aseguran las eficiencias requeridas en cada caso y para cada tipo de agua en particular.
El presente módulo se estructura en 3 unidades, 9 capítulos y 45 lecciones que pretenden brindar las herramientas que permitan afianzar conceptos formadores de criterio en la identificación de las necesidades de tratamiento, la selección de las mejores unidades, la propuesta de soluciones individuales y el diseño de la unidades involucradas en cada etapa de tratamiento para cada tipo de agua, así como para la optimización de sistemas de depuración existentes.
En la Unidad 1 “Fundamentos y diseño de pretratamientos y tratamientos gruesos”, se encuentran temas relacionados con el origen y características de las aguas residuales, las consideraciones preliminares y los datos de partida necesarios para el diseño de depuradoras, con un repaso de los cálculos hidráulicos requeridos. De igual forma, se expone el diseño y funcionamiento de las unidades de pretratamiento y tratamiento primario en los esquemas convencionales de depuración. La Unidad 2 “Fundamentos y diseño de tratamientos finos”, hace énfasis en los conceptos esenciales del tratamiento biológico de las aguas residuales y en el diseño de las unidades de tratamiento secundario y terciario. De manera breve se tocarán temas de reúso de los efluentes de las depuradoras, llamados aguas residuales regeneradas. Por último, la Unidad 3 “Vertidos industriales y tratamientos alternativos” está dedicada a exponer el funcionamiento y los criterios para el diseño de unidades de depuración de residuos industriales líquidos, tratamientos en el sitio de origen, fundamentados en la geodepuración (muy empleada en las zonas rurales y pequeños conglomerados), así como también para las tecnologías blandas (o naturales), las cuales son usadas en casi el 50% de los sistemas de tratamiento
21 de aguas residuales de Latinoamérica por su bajo costo y escasas demandas en operación y mantenimiento.
Debe tenerse en cuenta que las fórmulas y coeficientes recomendados por un libro técnico o incluidos en las Normas o Reglamentos de diseño, no eximen al proyectista de aplicar su propio criterio si está debidamente sustentado en sus investigaciones, en su propia experiencia o en nuevos avances científicos.
¡Éxitos! El Autor.
22
Tabla 1. Contenido de las unidades y capítulos del módulo. UNIDAD 1
Nombre de la Unidad
FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS
CAPÍTULO 1 DATOS DE PARTIDA
Lección 1 Origen y características de las aguas residuales Lección 2 Carga contaminante y habitantes equivalentes Lección 3 Esquema de depuración
Lección 4 Consideraciones preliminares y criterios de selección Lección 5 Cálculos hidráulicos
CAPÍTULO 2 PRETRATAMIENTO
Lección 6 Caudales de diseño y canal de entrada Lección 7 Pozo de muy gruesos
Lección 8 Desbaste Lección 9 Desarenador
Lección 10 Desarenador-Desengrasador CAPÍTULO 3 TRATAMIENTO PRIMARIO
Lección 11 Fundamentos de la decantación primaria Lección 12 Tamices
Lección 13 Decantador primario
Lección 14 Decantación asistida químicamente
Lección 15 Manejo de residuos de pretratamiento y de lodos primarios
UNIDAD 2 Nombre de la
Unidad FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE TRATAMIENTOS FINOS
23 Lección 16 Teoría de la aireación
Lección 17 Equipos aireadores
Lección 18 Teoría de la depuración biológica Lección 19 Control del proceso biológico
Lección 20 Modelos de reactores y características CAPÍTULO 5 TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO
Lección 21 Lodos activados Lección 22 Filtro percolador Lección 23 Sistemas anaerobios Lección 24 Decantador secundario Lección 25 Manejo de lodos secundarios
CAPÍTULO 6 TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS
Lección 26 Justificación del tratamiento terciario Lección 27 Desinfección
Lección 28 Nitrificación y desnitrificación Lección 29 Eliminación de fósforo
Lección 30 Reúso de aguas residuales regeneradas
UNIDAD 3 Nombre de la
Unidad VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS
CAPÍTULO 7 DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES
Lección 31 Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales Lección 32 Tanque de igualación
Lección 33 Neutralización
24 Lección 35 Eliminación de contaminantes inorgánicos
CAPÍTULO 8 TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN Lección 36 Principios de la geodepuración
Lección 37 Trampa de grasas
Lección 38 Tanques de decantación-digestión Lección 39 Filtro anaerobio
Lección 40 Campo de infiltración CAPÍTULO 9 TECNOLOGÍAS BLANDAS
Lección 41 Sistemas de Lagunaje (parte I) Lección 42 Sistemas de Lagunaje (parte II) Lección 43 Humedales artificiales
Lección 44 Filtros verdes
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UNIDAD 1. FUNDAMENTOS Y DISEÑO DE PRETRATAMIENTOS Y TRATAMIENTOS GRUESOS
CAPÍTULO 1. DATOS DE PARTIDA
La formulación de un “Plan de Depuración”, podría resumirse en los siguientes puntos: 1. Caracterización
Origen y naturaleza de las aguas residuales
Estado de las redes de alcantarillado
Localización y características de los puntos de vertido
Dinámica de contaminación de los cauces fluviales receptores de los vertidos
2. Diagnóstico ambiental
Evaluación de Impacto Ambiental 3. Establecimiento de objetivos de calidad
Planteamiento de metas alcanzables y necesarias 4. Propuesta y estudio de las soluciones técnicas
Comparación técnica y económica (incluye planes de financiación y costos de mantenimiento y operación)
5. Selección de la mejor combinación de procesos y conveniencia tecnológica 6. Aspectos institucionales y operativos (sostenibilidad técnica y financiera)
En este esquema básico de trabajo, se hace necesario conocer con certeza el agua residual que será depurada, la concentración de la materia orgánica que debe ser eliminada, su caudal, su carga contaminante y su equivalencia en el número de habitantes, entre otros. Estos datos de partida permiten efectuar una selección acertada de las unidades y de los criterios de diseño que deben emplearse para alcanzar las eficiencias requeridas por la normativa vigente.
En este capítulo se presentarán los datos de partida más relevantes para establecer, estructurar, definir y trazar el planteamiento del “Plan de Depuración”, que son aplicables a las descargas líquidas de poblaciones, urbes e industrias.
Lección 1. Origen y Características de las Aguas Residuales
Actualmente, la humanidad -en todos los niveles- viene mostrando creciente preocupación por la conservación del entorno. Algunos mercados europeos han bloqueado su dinámica transaccional a muchas industrias contaminadoras, obligándolas a adoptar estrategias o políticas de producción más limpia (PML), buenas prácticas de
26 manufactura (BPM) y mejores tecnologías disponibles (BTA, por sus siglas en inglés), entre otras medidas enmarcadas en Planes de Mejoramiento Continuo y de Responsabilidad Socioambiental Empresarial.
1.1. Contaminación hídrica
Desafortunadamente, las aguas residuales (al igual que los residuos sólidos) son un producto inevitable de la actividad humana. En la antigüedad, diferentes civilizaciones (desarrolladas por obvias razones en las riberas de ríos y lagos) hicieron uso de la capacidad de asimilación o autodepuración del agua, pero con descargas tan pequeñas que sus vertidos no presentaban mayor problema. No obstante, la densificación actual de las ciudades y el crecimiento poblacional e industrial, entre otros aspectos, ha ocasionado que esta capacidad limitada de autopurificación de los cuerpos hídricos haya sido excedida. Por esta razón, se hace necesario “asistir” a la naturaleza mediante la instalación de depuradoras y unidades de tratamiento de las aguas servidas.
Se considera como contaminación hídrica, la presencia de formas de energía, elementos, compuestos (orgánicos o inorgánicos) que disueltos, dispersos o suspendidos alcanzan una concentración tal, que limita cualquiera de los otros usos del agua (consumo humano, uso agrícola, pecuario, industrial, recreativo, estético, conservación de flora y fauna, etc.). Esta definición deja en evidencia que el uso del agua depende, de manera ineludible, a sus características físicas, químicas, microbiológicas y organolépticas que definen su calidad en función del uso establecido por una normativa.
1.2. Origen de las aguas residuales
Las aguas residuales, entonces, tienen diversos orígenes (e.g. doméstico, industrial, pecuario, agrícola, recreativo) que determinan sus disímiles características. Las aguas residuales pueden clasificarse de la siguiente manera:
Agua Residual Doméstica (ARD): residuos líquidos de viviendas, zonas residenciales, establecimientos comerciales o institucionales. Estas, además, se pueden subdividir en:
Las aguas residuales son aquellas aguas de desecho que contienen una gran cantidad de sustancias contaminantes y que han sido empleadas en alguna actividad humana
sea doméstica, industrial, pecuaria, agrícola o recreativa.
Todos los cuerpos de agua poseen una capacidad natural y LIMITADA de dilución y “autopurificación” de los elementos que incorpora, conocida como Capacidad de
27 o Aguas Negras: aguas que transportan heces y orina, provenientes del
inodoro.
o Aguas Grises: aguas jabonosas que pueden contener grasas también, provenientes de la ducha, tina, lavamanos, lavaplatos, lavadero y lavadora.
Agua Residual Municipal o Urbana (ARU): residuos líquidos de un conglomerado urbano; incluye actividades domésticas e industriales y son transportadas por una red de alcantarillado.
Agua Residual Industrial (ARI): residuos líquidos provenientes de procesos productivos industriales, que incluso pueden tener origen agrícola o pecuario. 1.3. Características fisicoquímicas de las aguas residuales
Una cuidadosa y completa caracterización de las aguas residuales que pretenden ser tratadas, es fundamental para asegurar el éxito de la depuradora. El fracaso de la mayor parte de las depuradoras (al menos las conocidas por este autor) incluyendo la PTAR de una de las ciudades más importantes del país, obedece a una mala caracterización de las aguas, ya que impide seleccionar correctamente los tratamientos y aplicar criterios adecuados para el diseño.
Materia orgánica: es la fracción más relevante de los elementos contaminantes en las
aguas residuales domésticas y municipales debido a que es la causante del agotamiento de oxígeno de los cuerpos de agua. Está formada principalmente por CHONS (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre) constituyendo las proteínas (restos de origen animal y vegetal), los carbohidratos (restos de origen vegetal), los aceites y grasas (residuos de cocina e industria) y los surfactantes (detergentes).
Tabla 2. Principales productos de la descomposición de la materia orgánica
Tipo de materia orgánica Tipo de descomposición
Aeróbica Anaeróbica
Nitrogenada
Nitratos (NO3=), anhídrido
carbónico (CO2), agua (H2O),
sulfatos (SO4=)
Mercaptanos, indoles, escatol, ácido sulfhídrico (H2S),
cadaverina y putrescina. Carbonácea Anhídrido carbónico (CO2), agua
(H2O)
Anhídrido carbónico (CO2), gas
metano (CH4), gas hidrógeno
(H2), ácidos, alcoholes y otros.
Oxígeno disuelto: Es un parámetro fundamental en los ecosistemas acuáticos y su valor
debería estar por encima de los 4 mg/L para asegurar la sobrevivencia de la mayor parte de los organismos superiores. Se usa como indicador de la contaminación o, por decirlo así, de la salud de los cuerpos hídricos. Para el correcto funcionamiento de los tratamientos aerobios de las aguas residuales, es necesario asegurar una concentración mínima de 1 mg/L.
28
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): es una medida indirecta de la cantidad de
materia orgánica contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que hacen los microorganismos para degradar los compuestos biodegradables. Se evalúa analíticamente incubando una muestra con microorganismos por 5 días a 20 °C, tiempo después del cual se lee la concentración final de oxígeno y se compara con la inicial; esta prueba es conocida como DBO5 o DBO estándar1. También se hacen,
eventualmente, pruebas a 7 días (DBO7) y a 20 días (DBO última - DBOu o total – DBOt).
Para las aguas residuales domésticas, se estima que: DBO5 0,75 DBOu
Una curva característica de la DBO evidencia que a los 5 días se ha degradado cerca del 70% de la materia orgánica y que a partir del día 10 ésta curva se hace asintótica, como se muestra en la Ilustración 1.
Ilustración 1. Curva característica de la DBO (Ramalho, 1996).
Demanda Química de Oxígeno (DQO): es también una medida indirecta de la cantidad de
materia orgánica contenida en una muestra. A diferencia de la DBO, esta prueba emplea un oxidante fuerte (dicromato de potasio – K2Cr2O7) en un medio ácido (ácido sulfúrico –
H2SO4) en vez de microorganismos. Para el control de una depuradora, este método se
prefiere sobre el de la DBO, debido a que el resultado de la DQO se obtiene en unas 3 horas y con un error mucho menor que la DBO obtenida a los 5 días.
1 Un error aceptable en la prueba de la DBO se estima que puede oscilar cerca de un 25%
y podría alcanzar hasta un 35%. Esta considerable discrepancia pone en tela de juicio la conveniencia de su uso en el control de vertimientos y su empleo como argumento para ejecutar procesos sancionatorios.
29 La relación entre la DQO y la DBO es usada para estimar la biodegradabilidad de un vertido así:
DQO/DBO ≥ 5 (No biodegradable) DQO/DBO ≤ 1,7 (Muy biodegradable) Para un ARD, esta relación oscila entre 2,0 y 2,5.
Tanto la DQO como la DBO se emplean para determinar la calidad del agua o la carga contaminante de un vertido, para diseñar las unidades de tratamiento biológico y para evaluar y/o controlar la eficiencia de los tratamientos.
Para mayor claridad en los conceptos de DBO y DQO, se recomienda consultar el documento “Medida de la Contaminación Orgánica” de Ronzano y Dapena: Ir al documento
Sólidos: La materia orgánica se presenta, a menudo, en forma de sólidos. Estos sólidos
pueden ser suspendidos (SS), disueltos (SD), los que también pueden ser volátiles (SV), los cuales se presumen orgánicos, o fijos (SF) que suelen ser inorgánicos. Parte de los sólidos suspendidos pueden ser también sedimentables (SSed). Esta clasificación se muestra en la Ilustración 2. Todos ellos se determinan gravimétricamente (por peso).
Ilustración 2. Clasificación de los sólidos en las aguas (Collazos, 2008).
Potencial de hidrógeno (pH): tiene importancia en el control de los procesos biológicos
30 responsables de la depuración de las aguas residuales se desarrollan en un rango de pH óptimo entre 6,5 y 8,5 unidades.
Nitrógeno: es el componente principal de las proteínas y es un nutriente esencial para las
algas y bacterias que intervienen en la depuración del agua residual. Puede presentarse en forma de nitrógeno orgánico (presente en las proteínas), nitrógeno amoniacal2 (producto de la descomposición del nitrógeno orgánico)3 y formas oxidadas como nitritos y nitratos. Valores excesivamente altos de nitrógeno amoniacal (>1500 mg/L) se consideran inhibitorios para los microorganismos responsables del TAR.
Fósforo: es, junto con el nitrógeno, un nutriente esencial para el crecimiento de los
microorganismos. No obstante, valores elevados pueden causar problemas de hipereutrofización en los cuerpos de agua lóticos (e.g. lagos, embalses, lagunas).
Las características típicas de las aguas residuales urbanas y otras industriales, pueden ser consultadas en este documento: Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura
1.4. Características microbiológicas de las aguas residuales
Un vertido de aguas residuales aporta una gran cantidad de materia orgánica que sirve de alimento para hongos y bacterias encargados de la mayor parte de su descomposición. Finalmente, los protozoos ciliados se alimentan de las bacterias, puliendo u optimizando el tratamiento del agua.
Bacterias: son los principales responsables de la degradación y estabilización de la materia
orgánica contenida en las aguas residuales. Su crecimiento óptimo ocurre a pH entre 6,5, y 7,5. Algunas de las bacterias son patógenas, como la Escherichia coli, indicador de contaminación de origen fecal.
Hongos: predominan en las aguas residuales de tipo industrial debido que resisten muy
bien valores de pH bajos y la escasez de nutrientes.
Protozoos: en especial los ciliados, se alimentan de bacterias y materia orgánica,
mejorando la calidad microbiológica de los efluentes de las PTAR.
Actinomicetos: son bacterias filamentosas conocidas por causar problemas en reactores
de lodos activados, generando la aparición de espumas (foaming) y pérdida de sedimentabilidad del lodo, hinchamiento o bulking filamentoso, incrementando los sólidos
2 Amoniaco (NH3) y amonio (NH4+).
3 La suma del nitrógeno orgánico y el amoniacal es conocido como Nitrógeno Total
31 del efluente y la disminución de la eficiencia del TAR. Uno de los actinomicetos más recurrente en los reactores es la Nocardia.
Una revisión más profunda de la microbiología de las aguas residuales, puede ser consultada en el documento “Revisión mínima de la microbiología fundamental de las aguas residuales” de Lozano-Rivas
(2012):Ir al archivo y hacer clic en descargar, para una mejor lectura
Lección 2. Carga contaminante y habitantes equivalentes
No es posible establecer con precisión unos valores “estándar” para las aguas residuales independientemente de su origen, sea doméstico, urbano o industrial. Los hábitos alimenticios, la calidad de vida o la pobreza, hacen variar las características fisicoquímicas y microbiológicas de los efluentes domésticos. En las ciudades, los vertidos de las actividades económicas e industriales hacen variar los parámetros; incluso, dos industrias de igual naturaleza que manejen un proceso productivo similar, pueden generar aguas servidas de características disímiles.
2.1. Carga contaminante
Aunque la concentración de un parámetro específico nos dice mucho de las características contaminantes de un vertido, en el diseño de las unidades de tratamiento de las aguas residuales y aún en los procesos de control de la contaminación hídrica (aunque todavía no se use como criterio sancionatorio) es mucho más significativo el concepto de CARGA CONTAMINANTE, la cual involucra también la valoración del caudal vertido.
Por ejemplo, la empresa “Anita” puede tener un vertido con una concentración de DQO aparentemente baja (e.g. 20 mg/L) pero descarga un caudal excesivamente alto (e.g. 400 L/s) en el río. De otro lado, la industria “Berta” puede descargar un caudal muy pequeño (e.g. 0,1 L/s) pero con unos niveles de concentración de DQO, significativamente altos (e.g. 80000 mg/L) al río. ¿Cuál empresa sería la más contaminante?
Si juzgamos estos vertidos según la concentración de DQO, podríamos sostener que la empresa “Berta”, con 80000 mg/L de DQO es mucho más contaminante que “Anita” que vierte sólo 20 mg/L. Nada más falso. La contaminación de un vertido o la cantidad de materia orgánica aportada por un vertido, no sólo es función de su concentración medida en DQO (u otro parámetro análogo) sino también de su caudal, debido a que la inclusión de esta última variable, permite valorar dicho aporte en el tiempo.
La CARGA CONTAMINANTE, entonces, es la concentración (del parámetro medido en la descarga) por el caudal vertido. Se expresa frecuentemente en kg/d y debe entenderse como una masa de contaminantes aportada en una unidad de tiempo.
32 Carga Contaminante = Concentración * Caudal * 0,0864
Donde,
Carga contaminante (en kg/d) Concentración (en mg/L) Caudal (en L/s)
El valor 0,0864 es un factor de conversión para pasar de mg/s a kg/d, que se explica a continuación:
Si retomamos el ejemplo de las industrias “Anita” y “Berta”, tenemos que:
Nombre de la industria
Concentración de DQO (mg/L)
Caudal
vertido (L/s) Carga contaminante (kg/d)
Anita 20 400 20*400*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO)
Berta 80000 0,1 80000*0,1*0,0864 = 691,2 kg/d (DQO)
Como se puede apreciar, ambas industrias están aportando la misma cantidad de contaminación al río.
Los parámetros más usados para estimar la carga contaminante a nivel mundial son: DBO5, DQO, SST (Sólidos Suspendidos Totales), N (Nitrógeno) y P (Fósforo). No obstante,
de ser conveniente para un estudio específico, pueden emplearse otros parámetros distintos. En Colombia, los parámetros más usados son DBO5 y SST.
2.2. Habitantes equivalentes
De la misma forma, considerando que no existen dos industrias iguales y con el fin de ponderar la carga contaminante de un vertido industrial tomando como referente del aporte del mismo contaminante a nivel doméstico, se ha adoptado el concepto de HABITANTES-EQUIVALENTES4 (h-eq).
Una vez se tenga estimada la carga contaminante del vertido industrial, el número de habitantes equivalentes se determina dividiendo la carga, por el aporte que hace un habitante, es decir, una persona, por día, para el mismo parámetro.
33 Habitantes equivalentes (h-eq) = Carga contaminante/Carga por persona
Aunque en Colombia no se tiene oficializada una cifra del aporte diario de una persona para ninguno de los parámetros, algunos de estos valores, fundamentados en la normativa europea, se exponen en la Tabla 3.
Tabla 3. Aportes de carga por habitante y por día (valores promedio).
Parámetro Aporte de 1 habitante equivalente (h-eq)
DBO5 60 g/d
DQO 135 g/d
SST 90 g/d
N 10 g/d
P 4 g/d
Valores fundamentados en la Directiva 91/271/CEE (21 de mayo de 1991) de la Comunidad Europea y ajustados por el autor con base en estimaciones propias para Colombia y España.
Por ejemplo, la industria “Berta” (ver numeral 2.1.) que aporta una carga contaminante de 691,2 kg/d de DQO, tiene un número de habitantes equivalentes, considerando un aporte por habitante de 0,135 kg/d (135 g/d), de:
También suele emplearse algunas equivalencias con los desechos líquidos generados de la cría de algunos animales de granja y de lugares o edificaciones que prestan servicios especiales, tal como se muestra en las Tablas 4 y 5.
Tabla 4. Equivalencias con algunos animales de cría
Animal Habitantes equivalentes (h-eq)
4 h-eq
3 h-eq
34
2,5 h-eq
Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com
Lugar Habitantes equivalentes (h-eq)
1 paciente de hospital = 4 h-eq
1 huésped de hotel = 2 h-eq
1 niño de guardería = 0,5 h-eq
1 campista = 0,7 h-eq
Datos tomados del CIDTA de la U. de Salamanca, España. Imágenes tomadas de Office.com
Lección 3. Esquema de depuración
La depuración de las aguas residuales, a cualquier escala, tiene como objetivos principales la protección de la salud pública y la conservación de la calidad hidrobiológica de los ecosistemas acuáticos.
El diseño de una depuradora dependerá, inicialmente, del origen (tipo) de agua a tratar, de las características fisicoquímicas del efluente y del cumplimiento de la legislación vigente.
Pregunta de análisis: ¿por qué la gallina siendo un animal tan pequeño tiene una carga contaminante equivalente a la generada por 2,5 personas?
35 3.1. ¿Qué es una depuradora?
Una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) o Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR), es el conjunto de procesos y operaciones unitarias encaminadas a la depuración de las aguas residuales antes de su vertido al cuerpo receptor, mitigando el daño al medio acuático (Lozano-Rivas, Antecedentes y Definiciones Básicas - Presentaciones del curso "Diseño de Depuradoras de Aguas Residuales". (Documento en PDF), 2012).
De esta manera, la depuración de las aguas residuales busca eliminar o disminuir la concentración de sustancias o elementos contaminantes que afectan la calidad del agua o fuente receptora para un uso específico.
3.2. Operaciones y procesos unitarios de una depuradora
Debemos recordar que la diferencia entre operaciones unitarias y procesos unitarios radica en que las primeras (operaciones unitarias) hacen referencia a unidades y procedimientos en donde prevalecen mecanismos de tipo físico en las que no se presentan cambios a nivel químico (e.g. una rejilla de retención de sólidos, un desarenador) mientras que los procesos unitarios involucran reacciones químicas o bioquímicas y cambios a nivel molecular (e.g. una unidad de coagulación y floculación, un reactor biológico, una torre de adsorción, una cámara de desinfección).
De esta manera, los contaminantes de las aguas residuales pueden ser eliminados o reducidos mediante la aplicación de uno o más fenómenos de tipo:
Físico (operaciones unitarias de separación física)
Químico (procesos unitarios de transformación química)
Biológico (procesos unitarios de transformación bioquímica)
En los procesos unitarios de transformación bioquímica o reactores biológicos, la degradación, reducción o eliminación de contaminantes se consigue por la intervención de microorganismos que aprovechan la materia orgánica soluble e insoluble para alimentarse, generar nuevos compuestos, gases y energía, así como también para multiplicarse, generando nuevas células (síntesis celular). Estos procesos biológicos pueden dividirse en dos grandes grupos:
Procesos Aerobios
o En presencia del oxígeno libre generado por algas o alimentado por dispositivos mecánicos.
36 o en ausencia de oxígeno libre
Estos procesos y operaciones unitarias intervienen en diferentes etapas de la depuración de las aguas residuales. El esquema de depuración se representa en la Ilustración 3:
Ilustración 3. Esquema del tratamiento de las aguas residuales. Tomado del material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales de Lozano-Rivas, W.A.
Esta clasificación, mundialmente aceptada, corresponde al grado de depuración obtenida, como se muestra en la Tabla 5.
Tabla 5. Características de las etapas de la depuración de aguas residuales
Etapa Objetivo Unidades más representativas Tipo de fenómenos principales involucrados Niveles de eficiencia Pretratamiento Remover sólidos gruesos para evitar atascos, abrasión y daños a tuberías, bombas, equipos y a otros elementos de la depuradora. Pozo de gruesos Rejillas Desarenador Desengrasador Tanque de Igualación u homogenización (efluentes industriales, especialmente) Tanque de neutralización (efluentes industriales, especialmente) Físicos. Químicos (neutralización). No se considera que se logren remociones significativas en DBO y SST. Tratamiento Primario Remover la mayor parte de la materia orgánica suspendida decantable. Decantadores primarios (por gravedad o asistidos Físicos. Químicos (decantación DBO: hasta 50% (hasta 80% con decantación asistida)
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químicamente)
DAF (unidades de flotación por aire disuelto. Usadas para efluentes industriales, especialmente) Tamices (efluentes industriales, especialmente)
asistida). SST: hasta 70% (hasta 85% con decantación asistida) Tratamiento Secundario Remover materia orgánica soluble y suspendida. Eliminar patógenos y otros elementos contaminantes. Reactores biológicos aerobios (e.g. lodos activados, filtros percoladores, biodiscos, humedales, lagunas) Reactores biológicos anaerobios (e.g. UASB, RAP, EGSB)
Biológicos. DBO: hasta un 92% SST: hasta un 90 % Tratamiento Terciario Pulimento en la reducción de la materia orgánica. Eliminación de contaminantes específicos (e.g. nitratos, patógenos, metales, pesticidas, disruptores endocrinos). Coagulación-floculación Adsorción Intercambio iónico Filtración Lagunas Desinfección Químicos. Biológicos. Eficiencias variables de remoción, dependiendo del tipo de contaminante
(Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)
Adicional a la línea de aguas, en donde se emplean estas etapas para depurar los efluentes, se tienen la línea de manejo de gases y la de manejo de lodos.
3.3. Manejo de gases
Algunas unidades de tratamiento pueden liberar olores molestos (especialmente las anaerobias), los cuales pueden ser tratados en biofiltros. Estas unidades constan de un lecho de soporte (compuesto frecuentemente de compost maduro o turba) sobre el cual se adhieren microorganismos que, mediante procesos oxidativos, degradan las sustancias que producen los malos olores. La aspersión permanente de agua sobre el lecho, facilita la fijación y degradación de los compuestos oloroso; las unidades que usan este sistema de aspersión, se conocen como biolavadores (biotrickling). Buena parte del éxito del proceso depende del mantener unos niveles de humedad aceptables en el medio de soporte (50 a 60%).
Foto 1. Biofiltro. Fuente:
http://www.uca-it.es/gestion/contenidos/patp rocont/BiofiltroBoletin.jpg
