Texto completo

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(2)

"DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES PARA EL INGENIO MONTEREY"

JUAN CARLOS PEÑARRETA MUÑOZ

Tesis de Grado previa a la obtención del título de Ingeniero Civil

INGENIERÍA CIVIL

Loja - Ecuador 25 de abril de 2007

Ing. Mireya Lapo VOCAL

(3)

J'.

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

ECULA D INGENIERtA CIVU

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DE TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

'DISEÑO DE UNA PlANTA DE 7 R TAMIENTO DEAGUAS

RESIDUALES7

INDUSTRIALES PARA EL

INGENIO

MONTERREY »

DIRECTORA:

3n. Sonia

Çowzaqa

AUTOR.

ivan €a't€o

íPeñcmeta

jItuñoz

(4)

CESIÓN DE DERECHOS

Yo, Juan Carlos Peñarreta Muñoz, declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente dice: "Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional operativo de la Universidad

[1

(5)

CERTIFICACIÓN

1 ng.

Sonia Gonzaga.

CATEDRÁTICA DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DE I

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA.

CERTIFICA:

La presente tesis previa a la obtención de título de Ingeniero Civil, titulada

DISEÑO DE UNA PLANTA DE

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

INDUSTRIALES PARA EL INGENIO MONTERREY",

realizada por el egresado Juan Carlos Peñarreta Muñoz, ha sido elaborada bajo mi dirección y minuciosamente supervisada y revisada, por lo que autorizo su presentación y sustentación.

Es todo cuanto puedo certificar en honor a la verdad.

(6)

AUTORÍA

ff

Las ideas, diseños, cálculos, resultados, conclusiones, tratamiento formal y científico de la metodología de la investigación contemplada en la tesis sobre

"DISEÑO DE

UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES INDUSTRIALES PARA EL INGENIO

MONTERREY",

previo a la obtención del grado de

Ingeniero Civil de la Universidad Técnica Particular de Loja, son de exclusiva responsabilidad del autor.

(7)

AGRADECIMIENTO

Quiero dejar constancia de mi sincero agradecimiento a todas las personas que conforman la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Técnica Particular de Loja en las personas de los directivos y profesores, quienes sin ningún

egoísmo

supieron impartir sus conocimientos y experiencias con auténtica mística de educadores, de manera especial a la Ingeniera Sonia Gonzaga, quien en calidad de Directora de Tesis, con su experiencia y capacidad profesional me supo orientar a lo largo del presente trabajo.

Hago también extensivo mi agradecimiento a los directivos de "Monterrey Azucarera Lojana C.A.", quienes me abrieron las puertas de su empresa y me dieron todas las facilidades para desarrollar este proyecto.

Además quiero agradecer a profesionales, amigos y demás personas que de una u otra manera colaboraron en el desarrollo de la presente Tesis.

(8)

DEDICATORIA

Dedico el presente trabajo a:

A Dios, por estar conmigo en todo momento y por guiar cada uno de mis pasos.

A mis queridos padres Milton y Rosa María, por todo su apoyo y sus enseñanzas que a lo largo de mi vida me

han servido para culminar esta carrera universitaria.

A mi esposa Glenda y mi hija Rafaela por llenar mi vida de felicidad.

A mi abuelita Albita y mis queridos hermanos Fabricio, Alex y Estefanía, a mis sobrinos Marcos y Mateo, a toda

mi familia en general y demás amigos que supieron darme su confianza y apoyo para no desmayar en el camino y alcanzar esta meta.

y

(9)

ESQUEMA DE CONTENIDOS.

1. INFORMACIÓN PRELIMINAR.

1.1. Introducción.

1.2. Localización geográfica y vías de acceso 1.3. Aspecto climatológico

1.4. Topografía de la zona

1.5. Aspectos sanitarios 1.6. Información adicional 1.7. Metodología a seguir

2. TRABAJO DE CAMPO

2.1. Reconocimiento general del terreno. 2.2. Estudios topográficos

2.3. Identificación de puntos de aforo y toma de muestras. 2.3.1. Meza de lavado de caña

2.3.2. Cenicero 2.3.3. Elaboración 2.3.4. Canal total 2.3.5. Planta de alcohol 2.3.6. Caldero

2.4. Métodos de aforo y resultados

2.5. Toma de muestras de agua, transporte y resultados 2.6. Análisis de las aguas residuales

2.6.1. Análisis físico -químico

2.6.1.1. Temperatura

2.6.1.2. Color

2.6.1.3. Olor 2.6.1.4. Sólidos

2.6.1.5. Oxígeno disuelto

(10)

VII

2.6.1.6. Demanda bioquímica de oxígeno

2.6.1.7. pH

2.6.2. Análisis bacteriológicos

2.7. Análisis de los resultados de las muestras.

3. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

3.1. Generalidades.

3.2. Pretratamiento

3.2.1. Cajón de llegada.

3.2.2. Aliviadero de excesos

3.2.3. Canal de entrada al cribado

3.2.4. Cribado

3.2.5. Desarenador

3.3. Tratamiento primario 3.3.1 Decantador.

3.4. Lagunas de estabilización.

3.4.1. Clasificación de las lagunas y nomenclatura 3.4.1.1. Lagunas aeróbicas.

3.4.1.2. Lagunas anaeróbicas 3.4.1.3. Lagunas facultativas 3.5. Humedales.

3.5.1. Humedales de flujo subsuperficial.

3.5.1.1. Componentes del humedal 3.5.1.2. El agua

3.5.1.3. Substratos, sedimentos y restos de

vegetación 3.5.1.4. Vegetación.

3.5.1.5. Microorganismos.

(11)

viii

3.5.1.6.1. Remoción de DBO

3.5.1.6.2. Remoción de sólidos suspendidos 3.5.1.6.3. Remoción de nitrógeno.

3.5.1.6.4. Remoción de fósforo. 3.5.1.6.5. Remoción de metales 3.5.1.4. Remoción de coliformes fecales.

3. DIMENSIONAMIENTO DE ALTERNATIVAS Y DISEÑO DEFINITIVO.

4.1. Introducción. 4.2. Bases de diseño

4.2.1. Caudal de diseño. 4.2.1. 1. Cálculo del caudal

4.2.2. Determinación de DB05 de diseño

4.2.3. Determinación de sólidos en suspención de diseño

4.3. Diseño de pretratamiento 4.3.1. Cajón de llegada

4.3.2. Longitud de transición al canal de entrada 4.3.3. Canal de entrada

4.3.4. Longitud de transición al canal de cribado 4.3.5. Longitud de transición a! desarenador 4.3.6. Desarenador

4.4. Tratamiento primario. 4.4.1. Decantador. 4.5. Tratamiento secundario.

4.5.1. Primera alternativa, lagunas de estabilización. 4.5.1.1. Dimensionamiento de lagunas

anaeróbicas

(12)

ix

4.5.2. Segunda alternativa. Humedales de flujo subsuperficial

4.5.3. Tercera alternativa. Sistema combinado lagunas anaeróbicas - humedales de flujo subsuperflcial

5. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS.

5.1 Normas

5.2 Hormigón armado 5.2.1 Agregado fino 5.2.2 Agregado grueso 5.2.3 Agua

5.2.4 Aditivos

5.2.5 Acero de refuerzo 5.3 Encofrados

5.4 Colocación del acero de refuerzo

5.5 Anclajes y acoples 5.6 Pruebas e inspección 5.7 Ensayo de consistencia

5.8 Ensayos de resistencia a la compresión 5.9 Excavación y relleno

5.9.1 Generalidades

5.9.2 Excavación sin clasificación y excavación en suelo.

5.9.3 Colocación

5.10 Desmantelamiento y recuperación ambiental. 5.11 Material granular para humedales

6. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

(13)

x

6.2. Seguridad 6.3. Personal

6.4. Actividades generales de inspección y mantenimiento 6.5. Operación y mantenimiento

6.5.1. Inicio de operación

6.5.2. Cuidado de la obra civil

6.5.2.1. Tratamiento preliminar

6.5.2.2. Limpieza de los medidores de caudales

6.5.2.3. Limpieza de las tuberías, de las cajas de paso y de distribución de flujo

6.5.2.4. Descarga de lodos en lechos de secado. 6.5.2.5. Mantenimiento de taludes

6.5.2.6. Mantenimiento de caminos, cercas y otros elementos de la planta de

tratamiento

6.5.3. Retiro del lodo de las lagunas anaerobias

6.5.4. Problemas de funcionamiento de las lagunas anaeróbicas

6.5.5. Control analítico, muestreo y determinaciones 6.5.6. Control en humedales

7. IMPACTO AMBIENTAL

7.1. Plan de mitigación de los impactos ambientales 7.1.1. Plan de mitigación

7.1.2. Prevención y control de la contaminación del suelo

7.1.3. Procedimiento de trabajo

7.1.4. Disposición de materiales removidos

(14)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

"DISEÑO DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES PARA EL INGENIO MONTERREY"

Autor: Juan Carlos Peñarreta Muñoz

RESÚMEN

La empresa MALCA realiza la elaboración de azúcar a partir de la de caña y su comercialización, adicionalmente procesa parte de los residuos en otros procesos para obtener alcohol industrial, estas actividades generan contaminación, especialmente en el agua que es utilizada para este propósito, motivo por el cual se firmó un convenio entre la UTPL y MALCA para realizar una investigación y determinar el diseño más conveniente para tratar estas aguas residuales industriales.

El principal criterio de diseño fue identificar las actividades que generan contaminación, por lo que se procedió a realizar el aforo y toma de muestras de aguas residuales en los puntos de interés para su posterior análisis.

Una vez con datos de topografía, clima, disponibilidad de terreno, cantidad y calidad de aguas residuales, se escogió tres alternativas de diseño para tratar el agua, estas son:

• Lagunas de estabilización • Humedales

• Lagunas anaeróbicas - humedales de flujo sub-superficial.

Posteriormente se realizó un prediseño de cada una de las alternativas propuestas, siendo la tercera la más económica y funcional para las condiciones de la empresa.

Descripción y esquema general de la

alternativa propuesta

El sistema entra a funcionar desde el pozo repartidor, en donde se dividen los caudales en dos partes iguales para formar un sistema en paralelo.

(15)

Llegando al canal desarenador existe un vertedero de cresta ancha, que también nos sirve como medidor de caudal, aquí se retienen las partículas más pesadas como arena o gravas que puedan estar circulando, esta unidad posee un canal de lavado que servirá para evacuar todo ese material, el mismo que será conducido hasta el lecho de secado de Iodos.

Pasando el vertedero del desarenador llegamos hasta el decantador, en donde el agua residual se reparte a lo ancho de éste por medio de un vertedero para evitar turbulencias y se pueda producir la sedimentación, en esta unidad se produce un período de retención de 1 hora, la solera del decantador tiene una pendiente contraria al flujo del agua de 3.6 % para que los Iodos salgan por medio de una tubería que va hacia el lecho de secado de lodos, esta tubería tiene una cota de salida menor a la cota del espejo de agua del decantador, lo que nos permite una evacuación de los lodos por medio de carga hidráulica.

La estructura de salida de agua del decantador consiste en un vertedero que va a lo ancho del decantador hacia un canal en el cual se recogen las aguas y van hacia una tubería de 200 mm ubicada a un extremo del canal por donde se conducen las aguas hasta una caja de revisión desde donde se las lleva hasta las lagunas anaeróbicas por medio de una tubería de 200 mm.

contrario no se producirá la depuración del agua residual en estas unidades.

Luego de pasar el agua por las lagunas anaeróbicas, se dirige hacia la siguiente unidad por medio de una estructura controladora de nivel que consiste en un pozo con aberturas interiores que permiten el paso del agua hacia este y en su interior una tubería de 200 mm; colocada con la boca hacia arriba con acoples desmontables de 20 cm que nos permiten controlar el nivel de agua en la laguna de una manera adecuada.

Una vez que el agua sale de la laguna anaeróbica, llega al humedal por medio de una tubería de 200 mm y una pendiente de 1.5%, en la superficie del humedal se une con otra tubería que reparte el agua por medio de

orificios de 10 mm hechos en la tubería a cada

20 cm. El agua se infiltra en el medio poroso del humedal que está compuesto de una capa

inferior de 0,40 m de piedra (d = 0,10 —0,15 m),

una capa intermedia de grava ( d=1" ) y una capa superior de 20 cm de arena gruesa.

El agua residual circula por este medio filtrante y se puede subir o bajar su nivel por medio de una caja controladora en la que mediante acoples de tubería se decide a que altura se desea que esté el agua en el interior del humedal. Se recomienda la siembra de plantas nativas del sector como es el carrizo que crece en las cercanías y que ya se lo ha utilizado en otros humedales con muy buenos resultados.

En las lagunas, el agua residual tiene un período de retención de 3 días, se tendrá que sembrar sepas de bacterias anaeróbicas para que se produzca la digestión de los lodos, caso

(16)

UNI\ rS1DAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Católica de Loja

Capítulo 1

1. INFORMACIÓN PRELIMINAR 1.1. Introducción

MALCA es una Sociedad Anónima de Derecho Privada. Su objeto social principal es la elaboración de azúcar a partir de la de caña y su comercialización. Esta empresa realiza todo el proceso desde la siembra, cultivo, cosecha e industrialización de la caña de azúcar; adicionalmente la empresa procesa la melaza que es un residuo de la elaboración de azúcar para obtener alcohol industrial.

La empresa MALCA dentro de su Plan de Gestión Ambiental y, en cumplimiento de disposiciones de la Ley de Gestión Ambiental, presentó al H. Consejo Provincial de Loja su estudio de impacto y manejo ambiental.

Un componente del plan de manejo ambiental y como una de las medidas de mitigación a los impactos ambientales, la empresa MALCA presentó la alternativa de la construcción de piscinas de sedimentación y oxigenación para la recolección de sedimentos, motivo por el cual se firmó un convenio entre la UTPL y MALCA para realizar una investigación y determinar el diseño más conveniente para tratar estas aguas residuales industriales.

1.2. Localización geográfica y vías de acceso

El Ingenio Monterrey geográficamente está localizado a 03 11 59' 34" de latitud Sur y a 791 22' 15"de longitud oeste a una distancia de 5 Km de la cabecera cantonal y 37 Km de la cabecera provincial Loja.

En el aspecto vial, esta empresa se encuentra enlazada a la vía panamericana que conduce a la costa, su ingreso se lo realiza por vía asfaltada en el Km 3 desde la ciudad de Catamayo. Al interior de sus instalaciones todas las calles son asfaltadas y debido a su directa conexión con la vía panamericana le dan una ubicación estratégica para su actividad comercial diaria.

(17)

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DF; LOJ.\ 2

La Universidad Católica de Loja

capítulo 1

13. Aspecto climatológico

Catamayo está situado a 1230 m.s.n.m., goza de un clima tropical cálido seco muy agradable con una temperatura promedio anual de 21 grados centígrados, con una pluviosidad promedio anual de 30.18 mm, con precipitaciones correspondientes al régimen del Pacífico. El mes con mayor promedio de precipitaciones según el INHAMI es el mes de marzo con 78.59 mm y el mes más seco es el mes de julio con un promedio de 2.43 mm.

1.4. Topografía de la zona

La zona de proyecto presenta una topografía relativamente plana con una pendiente apropiada para la evacuación de aguas lluvias, sin elevaciones cercanas que pongan en peligro de deslaves al proyecto.

1.5. Aspectos sanitarios

Las instalaciones del Ingenio disponen de un sistema de agua potable que ha sido construido por los propietarios de la empresa y está ubicado en La Hacienda Monterrey, no posee redes de alcantarillado sanitario ni pluvial, por lo que las aguas residuales producidas por las actividades diarias del personal que labora en este empresa son dispuestas en diferentes fosas sépticas.

En el área industrial, las aguas que resultan del proceso de elaboración de azúcar están siendo vertidas directamente al cauce del río Guayabal.

1.6. Información adicional

Se destaca lo siguiente:

• Se generan aguas residuales industriales con un caudal medio calculado de 138.35 Llseg. (según aforos)

(18)

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA 3

* La Universidad Católica de Loja

Capitulo 1

• El Ingenio posee una pequeña planta potabilizadora de agua con lo que se abastece a la fábrica de alcohol y otros; el resto de procesos que no necesitan de agua potable se abastecen con agua de un canal de riego existente.

• Tanto la planta de alcohol como la planta azucarera vierten sus aguas residuales en un mismo canal recolector y éste a su vez en el río Guayaba¡. • El residuo de la planta de alcohol (Vinasa) es depositado en varios tanques para

su posterior uso como fertilizante de suelo.

1.7. Metodología a seguir

Para la ejecución del diseño de la P.T.A.R.I, seguiremos la siguiente metodología:

• Inspección técnica

• Recopilación de información de todos los procesos de elaboración de azúcar y de alcohol.

o Levantamiento topográfico de la zona en donde se va a implantar el sistema de

tratamiento

• Aforos correspondientes en los puntos de interés. • Toma de muestras de agua.

• Análisis de laboratorio de las muestras de agua. • Procesamiento de la información.

• Cálculo y diseño de alternativas. • Selección de alternativa.

• Presupuesto y planos. • Informe final.

(19)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA 4

La Universidad Católica de Loja

Capitulo 2

2. TRABAJO DE CAMPO

2.1. Reconocimiento general del terreno

Para tener una idea clara de las necesidades de depuración de las aguas residuales industriales del Ingenio Monterrey y de los procesos que generan estas aguas, se realizó varias visitas a las instalaciones del Ingenio conjuntamente con técnicos de la UTPL y de MALCA, lo que nos permitió conocer un criterio real del problema de contaminación generado por esta industria.

2.2. Estudios topográficos

Uno de los parámetros fundamentales para una buena elección de un sistema de tratamiento de aguas residuales, es la disponibilidad de terreno y su topografía.

Las condiciones topográficas de la zona donde se debe implantar la P.T.A.R. son favorables, ya que se dispone de un terreno de área suficiente para instalar la mencionada planta, de acuerdo a los requerimientos del diseño.

El levantamiento topográfico se lo realizó con una estación total geo-referenciado con datum WGS-84.

2.3. Identificación de puntos de aforo y toma de muestras

Luego de los recorridos por las instalaciones del Ingenio y de la recolección de información, se determinaron seis puntos de aforo, denominamos de la siguiente manera:

2.3.1. Meza de lavado de caña

(20)

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I\\'ESiDAi) TECNICA PARTICULAR Dl. LOi.\

La Universidad Católica de Lo]

--Cap flulo 2

Vilcabamba. El proceso de cosecha de la caña se lo realiza de forma manual y en algunas ocasiones se quema la planta para luego cortarla, lo que produce que la caña sude azúcar, por lo que al lavarla, el agua residual de este proceso contiene concentraciones de sacarosa, ceniza y tierra que luego son transportadas por medio de un canal de hormigón hasta mezclarse con las aguas del canal principal que son vertidas directamente al río Guayabal.

Mi: Meza de lavado de caña

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2.3.2.

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Cenicero

(21)

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LO.J;\

La Universidad Católica de LoJa

Capítulo 2

M2: Cenicero

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2.3.3. Elaboración

En el proceso de elaboración de azúcar, se utiliza agua para el enfriamiento de los centrifugadores y varios tanques.

M3: Elaboración

(22)

UNIVERSIDAD TECN!CA PARTICULAR DE Ix)J 7 La Universidad Católica de Loja

Capítulo 2

2.3.4. Canal total

En este canal se unen todas las aguas residuales industriales generadas por el Ingenio.

M4: Canal total.

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-2.3.5. Planta de alcohol

(23)

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La Universidad Católica de Loa

Capítulo 2

M5: Canal planta de alcohol.

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2.3.6. Caldero

Esta unidad de fabricación brasilera es nueva, proporciona una importante ayuda al no contaminar el aire producto de la quema del vagazo, ya que en su filtro de agua queda atrapada la ceniza que luego es transportada por medio de una tubería hasta un canal de hormigón en donde se mezcla con el resto del agua residual.

M6: Caldero.

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.

(24)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

9

-

-

La Universidad Católica de Loja

Capítulo 2

2.4. Métodos de aforo y resultados

Los aforos de los diferentes canales que aportan con sus caudales a la descarga de aguas residuales se efectuaron de acuerdo a las condiciones físicas de dichos canales, por lo que se consideraron tres métodos de aforo:

. Método de flotador (Ver tabla

#1)

.

Método sección - pendiente (Ver tabla #1)

. Método (volumétrico) balde - cronómetro (Ver tabla

#1)

Se realizaron de 6 a 7 experiencias por cada punto de aforo y por cada método en dos fechas diferentes, resultando los siguientes valores promedio de caudal en Lis.

Ejemplo:

Para la meza de lavado de caña, primero se determinó el lugar más apropiado para realizar el aforo, luego se midió la mayor distancia del tramo del canal que en este caso es de 5 m, como el canal es de hormigón tiene una sección constante por lo que se midió el ancho (0.5 m) y el calado (0.05 m), luego con un flotador de espuma fiex se tomó el tiempo que toma en pasar por este tramo.

Utilizando la ecuación:

V= (y*Q7

(01)

Donde,

V velocidad en m /5

X espacio en m

0.7 factor de velocidad media

Se multiplica la velocidad por el factor 0.7 para obtener la velocidad media en el canal. Obtenemos el caudal: Q=V*A en m3/s y en Lis

(25)

Cenicero No 1 2 3 4 5 6 7

Distancia Tiempo Base

(m) (s) (m)

2 2,27 0,4

2 1,96 0,4

2 1,97 0,4

2 2,05 0,4

2 2,18 0,4

2 1,77 0,4

2 1.92 0.4

0,1 0,04 0,1 0,04 0,1 0,04 0,1 0,04 0,1 0,04 0,1 0,04 0.1 0,04

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA lo

La Universidad Católica de Loja

Capítulo 2

Tabla

# 1

(Aforos)

Aforos aguas residuales del Ingenio Monterrey método flotador

Fecha: 14/0212006

Vel. Q Q

(mis) (m3ls) (Lis)

0,8046 0,0201 20,1149

0,8974 0,0224 22,4359 0,9115 0,0228 22,7865 0,7901 0,0198 19,7517 0,8997 0,0225 22,4936 0,8274 0,0207 20,6856

Q

Prom. 21,3780

Vel. Q Q

(m/s) (m3is) (Us)

0,6167 0,0247 24,6696

0,7143 0,0286 28,5714 0,7107 0,0284 28,4264 0,6829 0,0273 27,3171 0,6422 0,0257 25,6881 0,7910 0,0316 31,6384 0,7292 0,0292 29,1667

Q

Prom. 27.9254 Meza de lavado de caña

Distancia Tiempo Base Y

No (m) (s) (m) (m)

1 5 4,35 0,5 0,05 0,025

2 5 3,9 0,5 0,05 0,025

3 5 3,84 0,5 0,05 0,025

4 5 4,43 0,5 0,05 0,025

5 5 3,89 0,5 0,05 0,025

6 5 4,23 0,5 0,05 0.025

Elaboración

Distancia Tiempo Base Y Área

No (m) (s) (m) (m) (m2)

1 4 1,96 0,38 0,09 0,0342

2 4 2,11 0,38 0,09 0,0342

3 4 2,01 0,38 0,09 0,0342

4 4 2,03 0,38 0,09 0,0342

5 4 2,06 0,38 0,09 0,0342

6 4 2,14 0,38 0,09 0,0342

7 4 1,96 0,38 0,09 0,0342

Vel. Q Q

(mis) (m3/s) (Us)

1,4286 0,0489 48,8571

1,3270 0,0454 45,3839 1,3930 0,0476 47,6418 1,3793 0,0472 47,1724 1,3592 0,0465 46,4854 1,3084 0,0447 44,7477 1,4286 0,0489 48,8571

Q

(26)

UNIVERSIDAD TECNICA I'ARTICULAR DE LOJA 11

La Universidad Católica de Loja

-

Capítulo 2

Canal total

Distancia Tiempo Área Ve!. Q Q No (m) (s) (m2) (mis) (m3is) (Lis)

1 4 4,79 0,21 0,5846 0,1228 122,7557

2 4 3,93 0,21 0,7125 0,1496 149,6183

3 4 3,9 0,21 0,7179 0,1508 150,7692

4 4 3,9 0,21 0,7179 0,1508 150,7692

5 4 4,01 0,21 0,6983 0,1466 146,6334

6 4 4,05 0,21 0,6914 0,1452 145,1852

Q

Prom. 144,2885

Aforos aguas residuales del Ingenio Monterrey Método flotador Fecha: 21102/2006

Meza de lavado de caña

Dist. Tiempo Base Y Área Vel. Q Q

No - (m) (s) (m) (m) (m2) (mis) (mis) (Lis)

1 5 3,87 0,5 0,05 0,025 1,2920 0,0323 32,2997

2 5 3,97 0,5 0,05 0,025 1,2594 0,0315 31,4861

3 5 4,18 0,5 0,05 0,025 1,1962 0,0299 29,9043

4 5 4,3 0,5 0,05 0,025 1,1628 0,0291 29,0698

5 5 3,94 0,5 0,05 0,025 1,2690 0,0317 31,7259

6 1 5 4,04 0,5 0,05 0,025 1,2376 0,0309 30,9406

Q Prom. 21.6331 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Dist. Tiempo Base Y

(m) (s) (m) (m

1,7 1,73 0,4 0,1

1,7 1,82 0,4 0,1

1,7 1,76 0,4 0,1

1,7 1,96 0,4 0,1

1,7 1,87 0,4 0,1

1,7 1,5 0,4 0,1

1,7 1,77 0,4 0,1

Vel. Q Q

(mis) (m3is) (Lis)

0,9827 0,0393 39,3064 0,9341 0,0374 37,3626 0,9659 0,0386 38,6364 0,8673 0,0347 34,6939 0,9091 0,0364 36,3636 1,1333 0,0453 45,3333 0,9605 0,0384 38,4181

Q

Prom. 1 27,0114

Cenicero No 2 3 4 5 6 7

Tiempo Base Y Area Vel. Q Q

(s) (m) (m) (m2) (mis) (m3is) (Lis)

2,14 0,38 0,09 0,0342 1,8692 0,0639 63,9252

1,84 0,38 0,09 0,0342 2,1739 0,0743 74,3478

1,85 0,38 0,09 0,0342 2,1622 0,0739 73,9459

1,96 0,38 0,09 0,0342 2,0408 0,0698 69,7959

2,14 0,38 0,09 0,0342 1,8692 0,0639 63,9252

1,86 0,38 0,09 0,0342 2,1505 0,0735 73,5484

1,87 0,38 0,09 0,0342 2,1390 0,0732 73,1551

(27)

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Capítulo 2

Base _y_ Área Vel. m/s (Q)m3Is (Q)L/s

0,1655 1,1842 0,1960 195,9868

0,1655 1,1250 0,1862 186,1875 0,1655 1,1364 0,1881 188,0682 0,1655 1,1450 0,1895 189,5038 0,1655 1,1658 0,1929 192,9404 0,1655 1,1480 0,1900 189,9872

Q

Prom. 133,3120 Canal total

No Tiempo

1 4,5 3,8

2 4,5 4

3 4,5 3,96

4 4,5 3,93

5 4,5 3,86

6 4.5 3,92

Base y_1 Área Vel. m/s (Q)m3Is (Q)Us

0,092 0,4386 0,0404 40,3509

0,092 0,4274 0,0393 39,3162

0,092 0,4167 0,0383 38,3333

0,092 0,4323 0,0398 39,7695

0,092 0,4335 0,0399 39,8844

0,092 0,4286 0,0394 39,4286

Q Prom. 27,6597 Planta de alcohol No Tiempo 3 6,84

2 3 7,02

3 3 7,2

4 3 6,94

5 3 6,92

6 3 7

Método volumétrico

Diámetro(m) 0,26

Caldero

Altura Tiempo

No H (s)

1 0,08 1,22

2 0,084 1,35

3 0,088 1,35

4 0,105 1,7

Área Vol. (Q)Us

0,0531 0,0042 3,4815 0,0531 0,0045 3,3036 0,0531 0,0047 3,4609 0,0531 0,0056 13,2793

QProm. 13.3813 Fuente: El autor.

Para el método volumétrico contamos con un recipiente cilíndrico de diámetro 26 cm. en el cual tomamos una muestra y medimos el tiempo de llenado, luego medimos la altura que ocupa el líquido en el recipiente y calculamos su volumen con la fórmula:

V=A*H (02)

(28)

-UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA

*

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Capítulo 2

13

Donde,

V Volumen A Área H Altura

ATr*r2 Luego,

Q=VIt.

(3)

(4)

El método de la sección - pendiente se lo calculó en el programa Hcanales, el mismo que utiliza la fórmula de Manning, para calcular el caudal mediante este método se midió la pendiente en el tramo en el que se aforó.

Cuadro # 1 (Resumen de aforos)

Caudales en lis

sección

balde-Fecha Punto Descripción flotador pendiente cronom promedio

14/0212006 1 Meza de lavado 21.38 19 20.19

14/0212006 2 Cenicero 27.93 29.4 28.665

14102/2006 3 Elaboración 47.02 50 48.51

14/0212006 4 Canal total 144.29 138.5 141.395

14102/2006 5 Canal planta de alcohol

14/02/2006 6 Caldero

2110212006 1 Meza de lavado 21.63 19 20.315

21/02/2006 2 Cenicero 27.01 29.4 28.205

21/0212006 3 Elaboración 49.26 50 49.63

21/02/2006 4 Canal total 133.31 138.5 135.905

21/0212006 5 Canal planta de alcohol 6.01 6.01

21102/2006 6 Caldero 3.38 3.38

i-uente: ii autor.

Cuadro # 2 (promedio de las dos fechas.)

Caudal

Punto No. (L/s)

1 Meza de lavado 20.25

2 Cenicero 28.43

3 Elaboración 49.07

4 Canal total 138.65

5 Canal planta de alcohol 6.01

6 Caldero 3.38

(29)

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Capítulo 2

2.5. Toma de muestras de agua, transporte y resultados

Los puntos donde se tomaron las muestras de agua son los siguientes: • Mi: Meza de lavado de caña

• M2: Cenicero. • M3: Elaboración. • M4: Canal total.

• M5: Canal planta de alcohol. • M6: Caldero.

• M7: Río Guayaba¡ aguas arriba de la descarga. • M8: Río Guayaba¡ aguas abajo de la descarga.

Para el transporte de las mismas se siguió el procedimiento recomendado por las normas SSA, es decir estas fueron embasadas, etiquetadas y refrigeradas en envases estériles de acuerdo al siguiente detalle

• 3000 ml para análisis de DB0 5 y DQO • 3000 ml para análisis físico-químicos • 110 ml para análisis bacteriológicos.

(30)

UN IV LRSI I),\ F) TECNICA i'.\ RTiCi DL LOJ. 15

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Capitulo 2

Toma de muestras de agua, embasado, refrigerado y transporte.

a

Toma de temperatura de muestra

2.6. Análisis de las aguas residuales

Los resultados de los análisis no serán válidos si la toma no tiene un carácter representativo y homogéneo, en nuestro caso, debido a que los procesos de elaboración de azúcar son de carácter mecánico todo el tiempo, las muestras de

(31)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA 16

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1

Capítulo 2

agua no van a tener variaciones considerables de sus características físico-químicas, razón por la cual se decidió tomar muestras en un momento de plena producción para su posterior análisis.

2.6.1. Análisis físico - químico

El conocimiento de la naturaleza del agua residual, es necesario para determinar su manejo, tratamiento y disposición final. Las propiedades físicas y los componentes químicos básicos de las aguas residuales se resumen a continuación:

2.6.1.1. Temperatura

la temperatura de las aguas residuales, son mayores que las aguas no contaminadas, debido a la energía liberada en las reacciones bioquímicas que se presentan en la degradación de la materia orgánica; las descargas calientes son otra causa de este aumento de temperatura.

2.6.1.2. Color

El color es un indicativo de la edad de las aguas residuales, cuando éstas son frescas el color es grisáceo, pero a medida que avanza la descomposición de la materia orgánica y las condiciones se tornan anaerobias el color de las aguas cambia a negro. Se utiliza el método calorimétrico utilizando soluciones estándar, elaboradas a partir de cloroplatinato de potasio. Se considera que una unidad de color (uc) es igual al color producido por 1 mg/L de platino.

2.6.1.3. Olor

El olor es muy característico y ligeramente desagradable cuando están frescas, a medida que la descomposición avanza los sulfatos se reducen a sulfuros y se desprenden olores muy desagradables.

(32)

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4

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Capítulo 2

2.6.1.4. Sólidos

Se considera materia sólida toda aquella diferente al agua, los métodos existentes para la determinación de sólidos son empíricos, fáciles de determinar y están diseñados para obtener información sobre los diferentes sólidos presentes.

2.6.1.5. Oxígeno disuelto

Determina si la descomposición de la materia orgánica se realiza por organismos aeróbicos o anaeróbicos. Los organismos aeróbicos usan oxígeno para la descomposición de la materia orgánica e inorgánica, los organismos anaeróbicos realizan su oxidación a través de la reducción de ciertas sales inorgánicas, como sulfatos, siendo los productos finales de carácter ofensivo. Tanto los organismos aeróbicos como los anaeróbicos se encuentran en la naturaleza.

2.6.1.6. Demanda bioquímica de oxígeno

Mide la cantidad de oxígeno necesario para estabilizar la materia orgánica bajo condiciones aerobias. El ensayo de DBO es ampliamente utilizado para medir el grado de contaminación del agua residual, así como para determinar la cantidad de oxígeno requerida para oxidar y estabilizar las aguas residuales por medio de tratamiento biológico.

2.6.1.7.

p

(33)

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Capítulo 2

2.6.2. Análisis bacteriológicos

Los contaminantes biológicos son los responsables de las transmisiones de las enfermedades como el cólera y la tifoidea. Los contaminantes de las aguas residuales son normalmente una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos. Normalmente no es ni práctico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría de las aguas servidas.

Tabla # 2 (Resumen de análisis de las muestras de laboratorio)

DB05 DQO ST SS Cond.EIec. CoI.fec. MUESTRA (mg/L) (mg/L 1 (mg/L) 1 (mg/L) 1 (uslcm) (UFC/IOOMI) 1 11300 13593 1 1728 1276 1 382 <1*19E1

2 134 196 1322 121 1309 <1*19E1

3 169 196 1288 128 1259 11600

4 1190 1466 1670 161 1432 1 <1*19E1

5 1150 1208 1304 128 1321 130000

6 1 10 1695 11374 1114 1635 <1*19E1

7 10,5 12 1236 12 1287 1400

8 148 124 1326 11 1371 l<1*19E1

Norma 1100 1250 11600 1100 1

[

-Fuente: Análisis de laboratorio (anexo #1).

2.7. Análisis de los resultados de las muestras.

Los caudales que se producen en la mayoría de procesos de elaboración de azúcar provienen de procesos mecánicos (bombeo) por lo que no existen variaciones considerables de caudal de los afluentes de la descarga. Estos procesos mecánicos son intermitentes por lo que los aforos se realizaron cuando había generación de aguas residuales.

(34)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA 19

4

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Capítulo 2

que están vigentes en nuestro país, por consiguiente son las que se deben incluir en el tratamiento.

La muestra 4 se compone de la mezcla de todos los caudales que produce la fábrica y que son evacuados mediante el canal que desemboca en el río Guayaba¡, por lo tanto, esta muestra sólo nos proporciona el grado de contaminación de todas las aguas residuales que son descargadas en este río, en consecuencia, no se incluye en el tratamiento.

Según los resultados de los análisis de las muestras de agua residual, (Ver anexo 1) el indicador de la DB05 es la que está fuera de los límites máximos permisibles con mayor diferencia, por lo que la tomaremos como principal parámetro de diseño. Según el investigador Mara, 1 las aguas residuales son biodegradables si se cumple la siguiente relación:

Cuadro # 3.

D1305/1)Q0 Biodeg rada bilidad del agua residual

<0.20 Poco biodegradable 0.20 - 0.40 Biodegradable

>0.40 Muy biodegradable

i-uenre: ipuntes ae zsanitana 2UU4. U. ¡ .l-'.L., Ingenleria Civil. Loja.

Las aguas residuales a tratar presentan una relación DB051DQO mayor a 0.3, por lo que podemos decir que son aguas biodegradables.

Cuadro # 4.

MUESTRA DBO5IDQO

Ml 0.36

M5 0.72

M6 0.015

l-uente: ¡rl autor.

Tratamiento de aguas residuales. Ing. Agustín Rengel, Pág. 161

(35)

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA 20

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Capítulo 2

(36)

UNIVLRSII)AD TECNICA PARTICULAR I)L LOi 21

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Capítulo 3

3.

SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE

AGUAS

RESIDUALES

INDUSTRIALES

3.1.

Generalidades

A las aguas residuales industriales se les puede aplicar diferentes fases de tratamiento entre las cuales tenemos: el pretratamiento, que consiste en la utilización de rejillas (cribado) para la eliminación de sólidos gruesos, que en este caso los elementos que predominan son las hojarascas de caña; el desengrasador para la eliminación de aceites y/o grasas pero que en las condiciones actuales no se necesita por la no presencia de estos residuos en las aguas a tratar, y por último el desarenador para la eliminación de materias en suspensión gruesa que puede causar problemas en el mantenimiento de la planta de tratamiento. En el tratamiento primario se elimina los sólidos en suspensión utilizando un decantador o tamizado ya que no es posible retener el 100% de las partículas en suspensión de las aguas residuales en el proceso de pretratamiento. El tratamiento secundario consiste en la eliminación de los sólidos en suspensión y de los compuestos orgánicos biodegradables, mediante el uso de sistemas de lagunaje, humedales, fangos activados, reactores de lecho fijo, etc.

3.2. Pretratamiento

Para el Ingenio Monterrey se ha diseñado las unidades de pretratamiento de acuerdo a la normativa y las investigaciones que existen sobre la depuración de aguas residuales, el objetivo es eliminar los materiales gruesos y sólidos sedimentables que ocasionan daños a la infraestructura que sirve como tratamiento final.

Para esto se ha diseñado las siguientes unidades:

• Cajón de llegada • Aliviadero de entrada

(37)

UNIVEHSIDD TECNICA PARTICULAR 1)11 IX),J\ 22

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Capítulo 3

. Canal de entrada al cribado. • Cribado.

• Desarenador (rectangular).

3.2.1. Cajón de llegada

El cajón de entrada es una estructura que permite disipar la energía que tiene el agua que llega desde el emisario, este elemento es indispensable ya que nos permite controlar el agua que llega desde el emisario rompiendo su velocidad. Por la importancia que tiene se debe dar mantenimiento periódicamente a fin de que trabaje cumpliendo su función.

3.2.2. Aliviadero de excesos

El aliviadero de excesos es una estructura que nos permite regular el caudal que va a ingresar al tratamiento por medio de un canal que está situado en el cajón de llegada, ya que el diseño de la planta está calculado para un caudal determinado.

3.2.3. Canal de entrada al cribado

Esta unidad nos permite obtener una velocidad adecuada para la retención de sólidos en el cribado.

3.2.4. Cribado

Esta unidad es fundamental para este tratamiento, ya que las características de las aguas residuales del Ingenio contienen muchos sólidos, especialmente hojas de caña que provienen de la mesa de lavado, en este caso se diseñó una rejilla en la cual se retendrán estos sólidos.

(38)

UNIVERSID\I) TECNICA ¡'ARTICULAR DI LOJ.\ 23

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Capítulo 3

3.2.5. Desarenador

Esta estructura nos permite eliminar materiales sólidos especialmente las arenas y limos que llegan en las aguas residuales para que en las unidades siguientes puedan trabajar a su máxima capacidad con que fue diseñada. El objetivo es que en esta unidad se logre sedimentar materiales sólidos como es la arena y limos que llegan en el agua residual.

3.3. Tratamiento primario

3.3.1. Decantador

La principal función de la decantación primaria es la eliminación de los sólidos sedimentables, es decir aquellos sólidos que por su finura o densidad no fueron retenidos en las diferentes unidades de pretratamiento. El rendimiento de un decantador primario es del 40% a 50% de la carga orgánica y de un 50% a 60 % de la materia en suspensión del afluente.

Los elementos fundamentales de todo decantador son:

y' Entrada del afluente: ésta se debe proyectar de tal manera que el flujo de alimentación se difunda homogéneamente por todo el tanque.

y' Deflectores: éstos se los coloca normalmente en la entrada y salida del decantador, el primero nos sirve para conseguir una buena distribución del caudal afluente, y el segundo para retención de las sustancias flotantes, grasas y espumas.

V Vertedero de salida: éste debe estar nivelado. Por otro lado, para no provocar levantamiento de los fangos sedimentados, la relación del caudal afluente a la longitud total de vertido debe ser menor de 10 -12 m3(h.m).

(39)

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Capítulo 3

Y/

Características geométricas: las relaciones entre ellas deben ser las adecuadas para la sedimentación de los tipos de partículas previstas. La forma puede ser rectangular, cuadrada o circular.

3.4. Lagunas de estabilización

3.4.1. Clasificación de las lagunas y nomenclatura

Entre los términos lagunas de estabilización y lagunas de oxidación, el primero es usado preferentemente puesto que describe la función real del proceso y al mismo tiempo incluye tanto lagunas aeróbicas como anaeróbicas. El término lagunas de oxidación fue empleado en el pasado para implicar la oxidación de la materia orgánica con el oxígeno producido por las algas a través de la fotosíntesis. Este aspecto es muy importante pero existen otros procesos que intervienen en la degradación de la materia orgánica como, la estabilización por digestión, que es importante en las lagunas facultativas y predominantes en las lagunas anaeróbicas.

El término lagunas de estabilización, describe a estanques construidos de tierra, de profundidad reducida (<5m) diseñados para el tratamiento de aguas residuales, por medio de la interacción de la biomasa (algas, bacterias, protozoarios, etc.), la materia orgánica de desecho y otros procesos naturales (submodelos hidráulicos y factores físicos, químicos y metereológicos). La finalidad de este proceso es entregar un efluente de características múltiples establecidas (DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parásitos, enterobacterias, coliformes, etc).

Existen varias formas de clasificar lagunas: de acuerdo con el contenido de oxígeno pueden ser: anaeróbicas, aeróbicas y facultativas. Si el oxígeno es suministrado artificialmente con aeración mecánica o con aire comprimido se denominan lagunas aireadas.

De acuerdo con el lugar que ocupan, con relación a otros procesos, las lagunas pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales crudas, secundarias si

(40)

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR 1)1: LOJ,\ 25

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Capítulo 3

reciben efluentes de otros procesos de tratamiento y, de maduración si su propósito fundamental es de reducir el número de microorganismos indicadores.

3.4.1.1. Lagunas aeróbicas

En este tipo de lagunas existe una alta producción de biomasa, han sido referidas también como fotosintéticas, son estanques de profundidad reducida (0.3 - 0.45 m) lo cual permite la penetración de la luz hasta el fondo y diseñadas para una máxima producción de algas con cortos períodos de retención. En estas lagunas se mantienen condiciones aeróbicas a todo nivel y la reducción de materia orgánica es efectuada por acción de organismos aeróbicos. La mezcla mecánica es muy común en este tipo de lagunas y se utiliza para impedir la formación de depósitos anaeróbicos y mantener un buen contacto entre biomasa y algas. Estas unidades han sido usadas perfectamente en climas calientes y con buena radiación solar, con propósitos de producción y cosecha de algas y su uso en tratamiento de aguas residuales no es generalizado, empleándose en muchos casos para la producción de algas a partir de desechos agropecuarios y excretas.

3.4.1.2. Lagunas anaeróbicas

Son estanques de mayor profundidad (2.5 - 5 m) y reciben cargas orgánicas más elevadas de modo que la actividad fotosintética de las algas es suprimida, encontrándose ausencia de oxigeno en todos sus niveles. En estas condiciones las lagunas actuarán como un digestor anaeróbico abierto sin mezcla y debido a las altas cargas orgánicas que soportan, el efluente contiene un alto porcentaje de materia orgánica y requiere de otro proceso complementario de tratamiento.

Las lagunas anaeróbicas son utilizadas preferentemente para el tratamiento de desechos industriales o desechos domésticos con un elevado aporte industrial. En este sentido, una de las grandes ventajas de las lagunas anaeróbicas es reducir las concentraciones de compuestos tóxicos presentes.

(41)

UNIVERSIDAD TECNICA PARTICULAR DE LOJA 26

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Capítulo 3

Para las lagunas anaeróbicas el mecanismo de degradación tiene dos fases bien diferenciadas que dependen del desarrollo de dos grupos de bacterias, si bien ambas están sucediéndose simultáneamente, la primera etapa de fermentación ácida es llevada a cabo por organismos formadores de ácidos que atacan las substancias orgánicas y las transforman en compuestos y ácidos orgánicos más simples. La segunda etapa es llevada a cabo por un grupo de organismos estrictamente anaeróbicos que utilizan los productos intermedios de la etapa anterior para producir gases como el metano (CH 4) y bióxido de carbono (CO2) y

otros productos de degradación.

3.41.3. Lagunas facultativas

Las características principales de las lagunas facultativas son el comensalismo entre algas y bacterias en el estrato superior y la descomposición anaeróbica de los sólidos sedimentados en el fondo. Por consiguiente, su ubicación como unidad de tratamiento en un sistema de lagunas puede ser: como laguna primaria única o como una unidad secundaria después de lagunas anaeróbicas o aireadas.

De acuerdo con la secuencia de las unidades, pueden clasificarse en lagunas en serie o en paralelo, pudiendo encontrarse combinaciones de varios tipos.

El número de unidades en serie tiene relación primordial con la topografía del terreno y en menor grado con el nivel de calidad requerido en el efluente del sistema. En cambio, el número de lagunas en paralelo tiene relación con otros factores como las etapas de implementación de las unidades, la topografía del terreno y las condiciones de operación y mantenimiento de la instalación.

3.5. Humedales

Los humedales son áreas que se encuentran saturadas por aguas superficiales o subterráneas con una frecuencia y duración tales, que sean suficientes para mantener condiciones saturadas. Suelen tener aguas con profundidades inferiores a

(42)

Jacintos de

agua Plantas Lentejas

sumergidas de a'jua Superficiedel agua

r^i.strato Orgánico

) , 1' \

í-f

Terreno

';iijjjjj•

UNIVERSIDAD TÉCNICA ¡'ARTICULAR DE LOJA 27

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Capítulo 3

60 cm con plantas emergentes como espadañas, carrizos y juncos (véase Figura

1).

La vegetación proporciona superficies para la formación de películas bacterianas, facilita la filtración y la adsorción de los constituyentes del agua residual, permite la transferencia de oxígeno a la columna de agua y controla el crecimiento de algas al limitar la penetración de luz solar.

Juncos Espadañas

Figura 1 - Plantas acuáticas comunes

Los humedales tienen tres funciones básicas que los hacen tener un atractivo potencial para el tratamiento de aguas residuales, son estas:

Fijar físicamente los contaminantes en la superficie del suelo y la materia orgánica.

Utilizar y transformar los elementos por intermedio de los microorganismos.

Lograr niveles de tratamiento consistentes con un bajo consumo de energía y bajo mantenimiento.

Existen dos tipos de sistemas de humedales artificiales desarrollados para el tratamiento de agua residual: Sistemas a Flujo Libre (FWS) y Sistemas de Flujo Subsuperficial (SFS). En los casos en que se emplean para proporcionar tratamiento secundario o avanzado, los sistemas FWS suelen consistir en balsas o canales paralelos con la superficie del agua expuesta a la atmósfera y el fondo constituido por suelo relativamente impermeable o con una barrera subsuperficial, vegetación emergente, y niveles de agua poco profundos (0.1 a 0.6 m).

(43)

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Capítulo 3

A tos sistemas FWS normalmente se les aplica agua residual pretratada en forma continua y el tratamiento se produce durante la circulación del agua a través de los tallos y raíces de la vegetación emergente. Los sistemas de flujo libre también se pueden diseñar con el objetivo de crear nuevos hábitats para la fauna y flora o para mejorar las condiciones de humedales naturales próximos. Esta clase de sistemas suele incluir combinaciones de espacios abiertos y zonas vegetadas e islotes con la vegetación adecuada para proporcionar hábitats de cría para aves acuáticas.

3.5.1. Humedales de flujo subsuperficial

Los sistemas de flujo subsuperficial se diseñan con el objeto de proporcionar tratamiento secundario o avanzado y consisten en canales o zanjas excavados y rellenos de material granular, generalmente grava en donde el nivel de agua se mantiene por debajo de la superficie de grava (véase Figura 2 ). Las mismas especies vegetales se usan en los dos tipos de humedales artificiales. 2

T ubet ía anur ada

para la distribución Juncos del agua residual

Sistema de distribución

(Piedras)

1

fJ,11 .

•!ida del

altura variable

Pendiente, 1 Y. Suelo o grava

?t

Estructura de rizomas Membrana impermeable

Figura 2 - Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial

El concepto de SFS tiene varías ventajas. Existe la creencia de que las reacciones biológicas en ambos tipos de humedales se deben al crecimiento de organismos. El lecho de grava tendrá mayores tasas de reacción y por lo tanto puede tener un área menor. Como el nivel del agua está por debajo de la superficie del medio granular no está expuesto, con lo que se evitan posibles problemas de mosquitos que pueden

(44)

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Capítulo 3

llegar a presentarse en sistemas de flujo libre en algunos lugares. Tampoco se presentan inconvenientes con el acceso de público, así como se evitan problemas en climas fríos, ya que esta capa presta una mayor protección térmica.

Aunque el área requerida sea menor que la de un sistema FWS, la viabilidad económica del sistema dependerá del coste de conseguir y poner el material granular en el lecho.

Adicionalmente de las aguas residuales municipales, los humedales construidos han sido usados para una variedad de industrias, escorrentía de aguas agrícolas y de lluvias, lixiviados de vertederos, rebose de alcantarillados combinados, drenaje de minas y aguas residuales domésticas en pequeños humedales tras tanques sépticos convencionales.

En cuanto al rendimiento de los humedales, se puede decir que pueden tratar con eficiencia niveles altos de DBO, SS y nitrógeno (rendimientos superiores al 80%), así como niveles significativos de metales, trazas orgánicas y patógenos. No ocurre lo mismo con la eliminación de fósforo que es mínima en estos sistemas.

3.5.11. Componentes del humedal

Los humedales construidos consisten en el diseño correcto de una cubeta que contiene agua, substrato, y la mayoría normalmente, plantas emergentes. Estos componentes pueden manipularse construyendo un humedal. Otros componentes importantes de los humedales, como las comunidades de microbios y los invertebrados acuáticos, se desarrollan naturalmente3.

3.5.1.2. El agua

Es probable que se formen humedales en donde se acumule una pequeña capa de agua sobre la superficie del terreno y donde exista una capa del subsuelo

2 http://www.geocities.com/jaIarab

(45)

-UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA 30

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Capítulo 3

relativamente impermeable que prevenga la filtración del agua en el subsuelo. Estas condiciones pueden crearse para construir un humedal en cualquier parte modificando la superficie del terreno para que pueda recolectar agua y sellando la cubeta para retener el agua.

351.3. Substratos, sedimentos y restos de vegetación

Los substratos en los humedales construidos incluyen suelo, arena, grava, roca, y materiales orgánicos como el compost. Sedimentos y restos de vegetación se acumulan en el humedal debido a la baja velocidad del agua y a la alta productividad típica de estos sistemas. El substrato, sedimentos, y los restos de vegetación son importantes por varías razones:

• Soportan a muchos de los organismos vivientes en el humedal.

• La permeabilidad del substrato afecta el movimiento del agua a través del humedal.

Muchas transformaciones químicas y biológicas (sobre todo microbianas) tienen lugar dentro del substrato.

El substrato proporciona almacenamiento para muchos contaminantes.

La acumulación de restos de vegetación aumenta la cantidad de materia orgánica en el humedal. La materia orgánica da lugar al intercambio de materia, fijación de microorganismos, y es una fuente de carbono, que es la fuente de energía para algunas de las más importantes reacciones biológicas en el humedal.

Las características físicas y químicas del suelo y otros substratos se alteran cuando se inundan. En un substrato saturado, el agua reemplaza los gases atmosféricos en los poros y el metabolismo microbiano consume el oxígeno disponible y aunque se presenta dilución de oxígeno de la atmósfera, puede darse lugar a la formación de un substrato anóxico, lo cual será importante para la remoción de contaminantes como el nitrógeno y metales.

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Capítulo 3

3.5.1.4. Vegetación

El mayor beneficio de las plantas es la transferencia de oxígeno a la zona de la raíz. Su presencia física en el sistema (los tallos, raíces, y rizomas) permite la penetración a la tierra o medio de apoyo y transporta el oxígeno de manera más profunda, de lo que llegaría naturalmente a través de la sola difusión. Las plantas emergentes contribuyen al tratamiento del agua residual y escorrentía de varías maneras:

• Estabilizan el substrato y limitan la canalización del flujo.

• Dan lugar a velocidades de agua bajas y permiten que los materiales suspendidos se depositen.

Toman el carbono, nutrientes, y elementos de traza y los incorporan a los tejidos de la planta.

• Transfieren gases entre la atmósfera y los sedimentos.

• El escape de oxígeno desde las estructuras subsuperficiales de las plantas, oxigena otros espacios dentro del substrato.

Los sistemas de la raíz dan lugar a sitios para la fijación de microorganismos.

3.5.1.5. Microorganismos

Una característica fundamental de los humedales es que sus funciones son principalmente reguladas por los microorganismos y su metabolismo. Los microorganismos incluyen bacterias, levaduras, hongos, y protozoarios. La biomasa microbiana consume gran parte del carbono orgánico y muchos nutrientes.

La actividad microbiana:

• Transforma un gran número de sustancias orgánicas e inorgánicas en sustancias inocuas o insolubles.

• Altera las condiciones de potencial redox del substrato y así afecta la capacidad de proceso del humedal.

• Está involucrada en el reciclaje de nutrientes.

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-Capítulo 3

Algunas transformaciones microbianas son aeróbicas (es decir, requieren oxígeno libre) mientras otras son anaeróbicas (tienen lugar en ausencia de oxígeno libre). Muchas especies bacterianas son facultativas, es decir, son capaces de funcionar bajo condiciones aeróbicas y anaeróbicas en respuesta a los cambios en las condiciones medioambientales.

Las poblaciones microbianas se ajustan a los cambios en el agua que les llega y se pueden extender rápidamente cuando se tiene la suficiente energía. Cuando las condiciones medioambientales no son convenientes, muchos microorganismos se inactivan y pueden permanecer inactivos durante años.

La comunidad microbiana de un humedal construido puede ser afectada por sustancias tóxicas, como pesticidas y metales pesados, y debe tenerse cuidado para prevenir que tales sustancias se introduzcan en las cadenas tróficas en concentraciones perjudiciales.

35.1.6. Rendimientos

Los humedales pueden tratar con efectividad altos niveles de demanda bioquímica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos (SS) y nitrógeno, así como niveles significativos de metales, trazas orgánicas y patógenos. La remoción de fósforo es mínima debido a las limitadas oportunidades de contacto del agua residual con el suelo. Los mecanismos básicos de tratamiento son los antes citados, e incluyen sedimentación, precipitación química, absorción, e interacción biológica son la DBO y el nitrógeno, así como la captación por parte de la vegetación. Si no se practica la poda, se encuentra una fracción de la vegetación que se descompone y que permanece como materia orgánica refractaria, que termina formando turba en el humedal. Los nutrientes y otras sustancias asociadas a esta fracción refractaria se considera que son eliminados permanentemente del sistema.

En Figura #3 se pueden ver los principales procesos que se llevan a cabo en un humedal y que permiten la depuración del agua residual.

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Capítulo 3

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Figura 3 - Procesos de depuración de los humedales artificiales.

En el gráfico # 1 se pueden ver los valores típicos de concentraciones de entrada y salida de un sistema de humedales artificiales (experiencia a escala piloto con un sistema tipo SFS, cerca de Sidney, Australia). El análisis de la figura revela que los sistemas de plantas emergentes sembradas sobre arena gruesa pudieron reducir de forma significativa los SS, la D1305, y el nitrógeno.

La remoción de fósforo es baja, lo cual es consistente con las experiencias de otros investigadores con sistemas basados en piedra y arena.

Gráfico # 1

DBLI 5 NTK NH 3 PT LOT Fuente: http://www.geocities.com/jalarab

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Capítulo 3

3.5.1.6.1. Remoción de DBO

En los sistemas de humedales la remoción de materia orgánica sedimentable es muy rápida, debido a la quietud en los sistemas tipo FWS y a la deposición y filtración en los SFS, donde cerca del 50% de la DBO aplicada es removida en los primeros metros del humedal. Esta materia orgánica sedimentable es descompuesta aeróbica o an aeróbica mente, dependiendo del oxígeno disponible. El resto de la DBO se encuentra en estado disuelto o en forma coloidal y continúa siendo removida del agua residual al entrar en contacto con los microorganismos que crecen en el sistema. Esta actividad biológica puede ser aeróbica cerca de la superficie del agua en los FWS y cerca de las raíces y rizomas en los SFS, pero la descomposición anaerobia prevalece en el resto del sistema.

En climas relativamente cálidos, la remoción de DBO observada durante los primeros días es muy rápida y puede ser razonablemente aproximada a una relación de flujo a pistón de primer orden. La remoción subsiguiente está más limitada y se cree que esta influida por la producción de DBO residual debida a la descomposición de los residuos de las plantas y otra materia orgánica natural presente en el humedal. Esto hace a estos sistemas únicos, ya que se produce DBO dentro del sistema y a partir de fuentes naturales, por tanto, no es posible diseñar un sistema para una salida de cero DBO, independientemente del tiempo de retención hidráulica. En términos generales la DBO del efluente puede estar entre (2 y 7) mg/L.

3.5.1.6.2. Remoción de sólidos suspendidos

La remoción de sólidos suspendidos es muy efectiva en los dos tipos de humedales artificiales, produciendo efluentes con concentraciones inferiores a 20 mg/1- que es el valor de referencia.

La remoción de sólidos en humedales es más o menos rápida, y se estima que ocurre en gran parte entre el

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al 20) % inicial del área4.

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Capítulo 3

En el diseño de humedales del tipo SFS, es importante tener en cuenta las posibles obstrucciones parciales del substrato. Esto ocasionaría una reducción de la conductividad hidráulica del medio, que resultaría en un flujo superficial que como es lógico no es acorde con las condiciones de diseño y el adecuado funcionamiento del sistema. Estas obstrucciones se presentan principalmente en instalaciones que tienen la entrada del agua sumergida, por lo que es recomendable que siempre se coloque sobre la superficie del medio.

No se cuenta con un modelo cinético de remoción de sólidos suspendidos, pero las investigaciones indican que sigue el mismo patrón que la DBO. De forma que cuando se diseña un sistema para la remoción de una concentración particular de DBO, se puede esperar una remoción de sólidos suspendidos comparable, siempre y cuando se mantengan las condiciones de flujo de diseño.

3.5.1.6.3. Remoción de nitrógeno

La remoción de nitrógeno puede ser muy efectiva en ambos tipos de sistemas de humedales artificiales y los principales mecanismos de eliminación son similares para los dos casos. Aunque ocurre la asimilación de nitrógeno por parte de las plantas, solo una pequeña fracción del nitrógeno total puede ser eliminada por esta vía. Experiencias en Norteamérica demuestran que solamente entre el (10 y el 15)% del nitrógeno eliminado se retira del sistema usando la poda de las plantas. La remoción de nitrógeno en humedales puede alcanzar valores por encima del 80%.

Puede medirse el nitrógeno que entra en sistemas de humedales como nitrógeno orgánico y amoniacal [la combinación de éstas dos se representa como Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK)], nitrito y nitrato.

En los sistemas de humedales, el potencial de remoción del nitrógeno puede tomar varios años en desarrollarse, por lo menos se requieren dos o tres etapas del crecimiento de las plantas, sistemas de raíces, capa de residuos, y materiales del bentos, para alcanzar el equilibrio.

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Capítulo 3

Los tanques sépticos, sistemas del tratamiento primarios, y efluentes de lagunas facultativas normalmente no contienen nitratos, pero pueden tener niveles significantes de N orgánico y amoniacal. Durante los meses de verano calurosos, las lagunas facultativas pueden tener niveles bajos de N amoniacal en el efluente, pero a menudo contienen altas concentraciones de N orgánico asociadas con las algas que salen con el efluente. Los efluentes de sistema de tratamiento secundarios aireados tienen niveles bajos de N orgánico típicamente pero contienen concentraciones significativas de N amoniacal y nitratos. Los sistemas con intensidad alta o aireación prolongada pueden tener la mayoría del nitrógeno en forma de nitrato.

El N orgánico que entra en un humedal esta típicamente asociado con materia como sólidos orgánicos del agua residual y/o algas. La remoción inicial de estos materiales como sólidos suspendidos es más o menos rápida. Mucho de este N orgánico sufre descomposición o mineralización y descarga entonces nitrógeno en forma amoniacal al agua. También pueden ser una fuente de N, los detritos de las plantas y otros materiales orgánicos producidos naturalmente en el humedal, produciendo una descarga estacional de amoníaco. Una aproximación conservadora al diseño, sería asumir que la mayor parte de NTK que entra al sistema, está en forma de nitrógeno amoniacal5.

Se cree que la mejor forma para remover el amoniaco en ambos tipos de humedales artificiales es la nitrificación biológica seguida por desnitrificación. La oportunidad de nitrificar existe cuando se tienen condiciones aeróbicas, se tiene la suficiente alcalinidad y la temperatura adecuada, y después de que la mayoría de la DBO ha sido removida, para que los organismos nitrificantes puedan competir con los organismos heterótrofos por el oxígeno disponible.

La experiencia ha demostrado que la condición limitante para la nitrificación en los humedales es la disponibilidad de oxígeno. La relación teórica indica que son necesarios 4,6 g de oxígeno para oxidar 1 g de nitrógeno amoniacal.

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Tabla # 1 (Aforos)

Tabla 1.

Aforos . View in document p.25
Cuadro # 1 (Resumen de aforos)

Cuadro 1.

Resumen de aforos . View in document p.28
Cuadro # 2 (promedio de las dos fechas.)
Cuadro 2 promedio de las dos fechas . View in document p.28
Tabla # 2 (Resumen de análisis de las muestras de laboratorio)

Tabla 2.

Resumen de an lisis de las muestras de laboratorio . View in document p.33
Cuadro # 3.
Cuadro 3 . View in document p.34
Cuadro # MUESTRA4.�DBO5IDQO

Cuadro MUESTR.

A4 DBO5IDQO. View in document p.34
Figura 1 - Plantas acuáticas comunes

Figura 1.

Plantas acu ticas comunes. View in document p.42
Figura 2 - Sección transversal de un sistema de flujo subsuperficial

Figura 2.

Secci n transversal de un sistema de flujo subsuperficial. View in document p.43
Figura 3 - Procesos de depuración de los humedales artificiales.

Figura 3.

Procesos de depuraci n de los humedales artificiales . View in document p.48
Cuadro # CÁLCULO S.DE LA DBO5 DE LAS TRES MUESTRAS

Cuadro C.

LCULO S DE LA DBO5 DE LAS TRES MUESTRAS. View in document p.58
Cuadro #6.CÁLCULO DE SS

Cuadro 6.

C LCULO DE SS. View in document p.59
Cuadro # 7 retención según Uralita
Cuadro 7 retenci n seg n Uralita. View in document p.67
Cuadro # 8.REDUCCION�DE DB05 (%)� 40%

Cuadro 8.

REDUCCION DE DB05 40 . View in document p.70
Tabla # 3Periodo de retenc. días�Reducción. DBO (%)

Tabla 3.

Periodo de retenc d as Reducci n DBO . View in document p.71
Cuadro # 9.Dimensiones calculadas Laguna Anaerobia

Cuadro 9.

Dimensiones calculadas Laguna Anaerobia. View in document p.73
Cuadro # 10.
Cuadro 10 . View in document p.78
Tabla #4D� 0.172�0.252�0.343�0.485�0.648

Tabla 4.

D 0 172 0 252 0 343 0 485 0 648. View in document p.82

Referencias

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