TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDULES
Curso de Saneamieinto Ambiental Universidad Nacional de Colombia
Objetivo
Transformar las características iniciales
del agua residual a niveles aceptables
para cumplir con las normas de
vertimiento y reutilización de agua
Niveles de tratamiento del agua residual
Nivel de
tratamiento Descripción
Preliminar Remoción de constituyentes del agua residual que puedan causar problemas operacionales o de mantenimiento.
Primario Remoción de parte de los sólidos y materia orgánica presentes en el agua residual
Primario avanzado Remoción intensiva de sólidos suspendidos y materia orgánica presente en el agua residual, generalmente llevada a cabo mediante la adición de insumos químicos o filtración
Secundario Remoción de compuestos orgánicos biodegradables y sólidos suspendidos. Puede incluir desinfección.
Secundario con remoción
Remoción de compuestos orgánicos biodegradables, sólidos suspendidos y nutrientes (nitrógeno o fósforo por separado o en conjunto)
Terciario Remoción de sólidos suspendidos residuales, en general por filtración en medio granular.
La desinfección hace siempre parte del tratamiento terciario.
Avanzado Remoción de materiales disueltos o en suspensión que permanecen después del tratamiento biológico convencional. Se utiliza cuando se requiere reutilizar el agua tratada o para control de eutroficación.
Clasificación de los métodos de
tratamiento
Procesos Físicos Procesos Químicos Procesos Biológicos
En general, los procesos de tratamiento se clasifican en:
Operaciones físicas unitarias
Predomina la aplicación de fuerzas físicas Floculación Sedimentación Flotación Filtración Tamizado Mezcla Transferencia de gases
Operaciones químicos unitarios
La remoción o transformación de contaminantes se produce por adición de insumos químicos o por
reacciones químicas Precipitación
Adsorción Desinfección
Operaciones biológicos unitarios
La remoción de contaminantes se lleva a cabo gracias a la activación biológica
Se utilizan principalmente en la remoción de constituyentes orgánicos biodegradables.
Estas sustancias se transforman en gases que se escapan de la atmósfera, y en el tejido celular
biológico que puede ser removido por sedimentación.
También se emplean para remover nutrientes (nitrógeno y fosforo).
Operaciones y procesos unitarios utilizados
en pequeños sistemas de tratamiento
Remoción de sólidos suspendidos
Sedimentación/Flotación, cámara de filtración
Procesos naturales (humedales artificiales y tratamiento en el suelo)
Compuestos orgánicos biodegradables
Proceso de lodo activado con aireación
Filtros de lecho empacado intermitentes y con recirculación
Procesos en lagunas de estabilización
Compuestos orgánicos volátiles
Procesos naturalesPatógenos
Cloración Hipocloración Radiación UV Procesos naturalesNitrógeno
Nitrificación (reactor de lecho empacado)
Fósforo
Remoción biológica de fósforo
Procesos naturales
Materia orgánica refractaria
Procesos naturales
Métales pesados
Precipitación química
Procesos naturales
Sólidos disueltos
Métodos de tratamiento y disposición de
lodos en pequeños sistemas de tratamiento
Lodos provenientes de tanques sépticos y
lodos biológicos en general
Operaciones preliminares
Espesamiento
Estabilización
Desinfección
Deshidratación
Compostaje
Disposición final
Operaciones preliminares
Bombeo de lodos
Trituración de lodos
Espesamiento
Espesamiento por gravedad
Espesamiento con filtro de banda
Lagunas Estabilización Digestión aerobia Almacenamiento en tanques Compostaje Desinfección Compostaje
Estabilización con cal
Desinfección
Almacenamiento por tiempo
prolongado
Deshidratación
Filtro de banda
Lechos de secado de lodos
Lagunas
Lechos de cañas
Compostaje
Pila estática aireada
Pilas volteadas
Disposición final
Aplicación en el suelo
Definición y Concepto
Los humedales son extensiones de marismas, pantanos y turberas o superficies cubiertas de agua, sean estas de régimen natural o artificial, permanentes o temporales, estancadas o corrientes, dulces, salobres o saladas, incluidas las extensiones de agua marina cuya profundidad en marea baja no exceda de 6 metros (Ramsar Convention, 1971)
Humedal natural
Los humedales naturales son medios semiterrestres con un elevado grado de humedad y una profusa vegetación, que reúnen ciertas características biológicas, físicas y químicas, que les confieren un elevado potencial autodepurador.
Las profundidades típicas de estas extensiones de tierras son menores a 0,60 m donde crecen plantas emergentes como juncos, typha (totora), duck weed (lenteja de agua) que contribuye a la reducción de contaminantes a través de procesos aerobios de degradación.
Esquema de humedal natural
Humedal Artificial
Un humedal artificial es un sistema de tratamiento de aguas residuales (estanque o cauce) poco profundo, construido por el hombre, en el que se siembran plantas acuáticas para que realicen la depuración con procesos naturales.
Los humedales artificiales (wetlands) proporcionan el hábitat para la vida silvestre, y son, estéticamente, agradables a la vista. Por esa razón, se les conoce también como jardines acuáticos.
Esquema de humedal artificial
Ventajas
•
El sistema puede tener la apariencia de un área recreativa con plantas ornamentales brindando un aspecto decorativo•
Se pueden construir para flujos muy pequeños inclusive•
Son de bajo costo y no requieren personal altamente calificado para su operación y mantenimientoDesventajas
•
Requieren de grandes áreas de terreno para su construcción. Sin embargo, se pueden ocupar como áreas verdes (1200 m2 /l/s, sólo remoción de DBO).•
Requiere pretratamiento (sedimentación)•
El manejo y disposición de las plantas acuáticas puede ser complicado•
La posible obstrucción ó colmatación del material de soporteFunción de las plantas en el sistema
Raíces y/o tallos en la columna de agua
1. Superficies sobre las cuales crecen las bacterias
2. Medio de filtración y adsorción de sólidos
Tallos y/o hojas sobre la superficie del agua
1. Atenúan la luz del sol y así previenen el crecimiento de algas
2. Reducen los efectos del viento en el agua
3. Importante en la transferencia de gases para y desde las partes sumergidas de la planta
Tipos de humedales
Estos sistemas consisten básicamente en estanques o canales, con impermeabilización en el fondo para prevenir la filtración + suelo u otro medio conveniente como material de soporte para la vegetación emergente, y una lámina de agua relativamente baja, entre 0,1 y 0,6 m.
Estos sistemas son similares a los filtros horizontales por goteo en las plantas de tratamiento convencionales.
Se caracterizan por el crecimiento de plantas emergentes usando el suelo, grava o piedras como sustrato de crecimiento en el lecho del canal.
Pueden garantizar un tratamiento hasta nivel secundario. Por eso también suelen emplearse en combinación con lagunas de estabilización.
Sistema subsuperficial
Esquema típico de un sistema de humedal
Costos y requerimientos de área
Restricciones para reúso del agua
LAGUNAS DE
Definición
Son estanques con profundidades hasta de 5 m, generalmente construidos en tierra mediante la modalidad corte-terraplén.
Son comúnmente utilizadas para el tratamiento de las aguas residuales domésticas o industriales mediante procesos naturales.
Las lagunas de estabilización se pueden clasificar de diferentes maneras. Por ejemplo:
•
Según el contenido de oxígeno•
Según la secuencia o ubicación en el sistema•
Según la función que cumple (propósito)•
Según el tipo de flujo y/o el régimen de descargaClasificación según el contenido de oxigeno
•
Anaerobias: sin oxígeno disuelto•
Aerobias: con oxígeno disuelto, de aireación natural•
Facultativas: presentan una zona aerobia variableSegún la ubicación del sistema
•
Primarias: reciben efluentes crudos•
Secundarias: reciben efluentes de otros procesos (generalmente de primarias)•
Terciarias: reciben de lagunas secundarias o de procesos equivalentes•
Las lagunas, además, pueden estar distribuidas tanto en serie como en paraleloSegún la función que cumplen
•
Para remoción de carga orgánica: anaerobias y facultativas•
Para reducción de coliformes: Lagunas de maduración•
Para propósitos múltiples: piscicultura, almacenamiento de lodos, producción de algas ...Según el régimen de alimentación
• Flujo intermitente
• Flujo continuo
• Adicionalmente, en teoría, pueden ser de flujo en pistón o de mezcla completa.
Características
Deben ubicarse aguas debajo de la
cuenca hidrográfica
Distaincia de la población;
1000 m mínimo para lagunas anaerobias
500 m para lagunas facultativas
Características
• Son estanques profundos (2 – 5 m) y elevadas cargas orgánicas (> 100g DBO/m3.d) que garantizan condiciones anaerobias permanentes.
• Se emplean para el tratamiento de aguas residuales con una alta concentración de materia orgánica (industriales) o como lagunas primarias en el tratamiento de aguas residuales municipales.
• Un adecuado diseño puede garantizar eficiencias hasta del 70% en remoción de DBO5 (25°C).
• Los tiempos de retención son cortos y generalmente varían entre 1 y 5 días, dependiendo de la concentración del desecho y de la temperatura del lugar. Para aguas residuales domésticas, por lo general, 1 día resulta suficiente a temperatura > 20°C.
Ventajas
La principal ventaja de las lagunas anaerobias consiste en su gran capacidad de asimilación de carga, mayores profundidades y por tanto menor área en comparación con otros tipos de lagunas. Esto, por supuesto, se traduce en una disminución de los costos asociados a la compra de terrenos.
Desventajas
El mayor inconveniente que se presenta con este tipo de lagunas es la emisión de olores desagradables. Por esa razón su ubicación debe ser cuidadosamente estudiada para garantizar un adecuado aislamiento de los sectores urbanos.
De todas maneras, se considera que cierta concentración de sulfatos en el agua puede ser benéfica para el proceso. Un pH cercano a 7.5 garantiza una mínima emisión de olor.
Diseño de Lagunas Anaerobias
Criterios
Las lagunas anaerobias se pueden diseñar con base en tres criterios:
•
La carga orgánica•
El tiempo de retenciónDiseño por el método de carga
Se basa en aplicar una carga orgánica volumétrica (λ) entre 100 y 350 g DBO/m3.d, dependiendo de las condiciones de temperatura.
La ecuación general de diseño es (Mara): λ= SQ/V
Donde:
λ = carga orgánica volumétrica, en g DBO/m3.d
S = DBO afluente, en mg/L o g/m3 Q = caudal, en m3/d
Diseño de lagunas anaerobias por el método de carga Temperatura (°C) Carga orgánica volumétrica (g/m3.d) Remoción de DBO5 (%) < 10 100 40 10 – 20 20T – 100 2T + 20 20 – 25 10T + 100 2T + 20 > 25 350 70
T = temperatura (°C) Fuente: Mara et al, 1997
Diseño por tiempo de retención
• El tiempo de retención es función de las características del residuo y de la temperatura.
• Tiempo de retención hidráulico mínimo para una laguna anaerobia: 1 día.
• En la planta piloto La Rosita en Bucaramanga, a 24°C, en lagunas anaerobias, con TRH de 0.9 d y cargas volumétricas de 230 g DBO/m3.d se obtuvo una eficiencia del 67% en remoción de DBO
Acumulación de lodo
• La tasa de acumulación de lodos en lagunas anaerobias varía entre 0.04 y 0.08 m3/hab.año.
• El número de años de operación entre dos limpiezas consecutivas se puede estimar mediante la siguiente expresión (Romero):
Donde:
N = número de años entre dos limpiezas consecutivas V = volumen de la laguna, m3
a = tasa de acumulación de lodos, m3/hab.año
P = población equivalente servida, habitantes
aP V N 0.5
• Son estanques de profundidad media (1 – 2 m)
• El contenido de oxígeno disuelto varía con la profundidad y con la hora del día
• El fondo de la laguna constituye un ambiente anaerobio donde se estabilizan los lodos y sedimentos depositados
• En el estrato superior de la laguna se presenta un fenómeno de simbiosis entre algas y bacterias. El oxígeno requerido para la biodegradación es suministrado por la fotosíntesis: las bacterias heterotróficas
descomponen la materia orgánica produciendo compuestos inorgánicos solubles y CO2; las algas sintetizan el CO2 y otros nutrientes y con ayuda de la luz solar producen material celular y el O2 requerido por las
bacterias.
• El tiempo de retención mínimo recomendado para lagunas facultativas es de 3 días para temperatura > 20°C (4 ó 5 días para temperatura <20°C)
Lagunas facultativas
Lagunas facultativas
Aplicaciones
•
Como único tratamiento•
Como tratamiento primario•
Como tratamiento secundario•
Como pos-tratamiento de otros procesos biológicos convencionalesCriterios de diseño
Las lagunas facultativas se pueden diseñar con base en diferentes criterios:
• Carga Superficial Aplicada
• Correlación de cargas
• Equilibrio continuo y mezcla completa
Modelo de Mara
y Donde:
λ = carga superficial admisible, kg/Ha.d (máxima) S = DBO del afluente, mg/L o g/m3
Q = caudal a tratar, m3/d A = área de la laguna, en m2 10 = factor de conversión T = temperatura, ºC
25 002 . 0 107 . 1 350 T T SQ A 10McGarry & Pescod
Ecuaciones obtenidas con datos de lagunas facultativas primarias operando en 143 condiciones diferentes, con remociones de DBO entre 70 y 90% (para climas tropicales):
CSr = 10,35 + 0,725CSa
CSm = 60,29 (1.0993)T = 400,6 (1.099)T-20
Donde:
CSa = carga superficial aplicada, kg DBO/Ha.d CSr = carga superficial removida, kg DBO/Ha.d
CSm = carga superficial máxima aplicable, kg DBO/Ha.d T = temperatura ambiente, °C
Diseño de lagunas facultativas por el método de correlación de cargas
Fuente:
Características
• Son estanques de poca profundidad (1 – 1.5 m)
• Por la baja carga aplicada son predominantemente aerobias
• Se utilizan para la remoción de coliformes y organismos patógenos (bacterias, huevos de helmintos, etc.)
• Se ubican, por lo regular, al final de la serie de un conjunto de lagunas
• En general no se diseñan para remover carga orgánica pero es posible obtener con ellas una remoción adicional de DBO (pulimiento)
Diseño de Lagunas de Maduración
Modelo de mezcla completa: Marais
• El método de Marais (1974) es el más utilizado para el diseño de lagunas de maduración
• Este método asume que la remoción de coliformes fecales puede ser modelada con cinética de primer orden en un reactor completamente mezclado (Mara)
• A pesar de los reparos y observaciones formulados por diferentes investigadores (Yáñez) este modelo es el más utilizado para el diseño de las lagunas de maduración
La ecuación aplicable para una sola laguna es:
Donde:
No = número de CF/100 ml en el afluente
Ne = número de CF/100 ml en el efluente
θ = tiempo de retención hidráulico, d
Kt = constante de remoción de coliformes, d-1
1
t o e k N NLa ecuación aplicable para varias lagunas, idénticas, en serie es la siguiente:
Donde:
No = número de CF/100 ml en el afluente a la primera laguna de la serie
Nn = número de CF/100 ml en el efluente de la enésima laguna de la serie
θ = tiempo de retención hidráulico, d Kt = constante de remoción de CF, d-1
n = número de lagunas idénticas en serie
n t o n
k
N
N
)
1
(
La ecuación aplicable para un conjunto de lagunas anaerobia, facultativa y de maduración, en serie, es:
Donde:
No = número de CF/100 ml en el afluente a la primera laguna de la serie
Ne = número de CF/100 ml en el efluente final
θa, θf, θm = tiempo de retención hidráulico para laguna anaerobia, facultativa y de maduración, d
Kt = constante de remoción de CF, d-1
n = número de lagunas de maduración en serie
n m t f t a t o e k k k N N ) 1 )( 1 )( 1 (
La constante de remoción, de primer orden, cambia con la temperatura y por esa razón debe ser ajustada a valores diferentes a 20°C mediante la siguiente ecuación:
Donde:
Kt = constante de remoción de CF a temperatura t, d-1
K20 = constante de remoción de CF a 20°C , d-1 20 20 20
(
1
.
19
)
2
.
6
(
1
.
19
)
t t tk
k
En cuanto a remoción de huevos de helmintos, estudios realizados en Brasil, India y Kenia han permitido establecer la siguiente ecuación que es válida para todo tipo de lagunas (Mara): Donde: R = % de remoción θ = tiempo de retención, d
0.38
14 . 0 1 100 e RConsideraciones Generales
• Pretratamiento: el cribado y el desarenador son indispensables en toda planta, independientemente de la tecnología que se utilice
• Dispositivos de repartición: indispensables para la distribución del flujo a varias unidades. Se emplean cajas y vertederos
• Dispositivos de aforo: a la entrada y salida de las unidades para efectos de monitoreo. Pueden ser canaletas parshall o vertederos
• Movimiento de tierras: importante la consideración de un balance entre corte y relleno para optimización de costos y materiales
Donde:
LT: Longitud superficial o tope LC: Longitud a nivel del terreno LF: Longitud en el Fondo
WT: Ancho Superficial
WC: Ancho a nivel del terreno WF Ancho en el Fondo
A: Ancho superior del dique HP: Profundidad
HC: Altura de excavación HCT: Altura de excavación total
HI: Altura de la capa de impermeabilización compactada
Balance entre corte y relleno
Detalles
Pre-tratamiento
Excavación y Dimensiones
Dispositivo de entrada
Impermeabilización
Dispositivo de interconexión
Detalle de dispositivo típico de entrada a laguna secundaria o de maduración
Dispositivo de salida
Lagunas Facultativas: Utilizan bacterias que sobreviven y se desarrollan en presencia o
ausencia de oxígeno. Son estanques de profundidades moderadas. En ellas se encuentran dos zonas, una aeróbica cercana a la superficie y una anaeróbica en el fondo. Su efluente se
caracteriza por ser de alta calidad.
Lagunas de Maduración: Comúnmente son conocidas con el nombre de lagunas de oxidación.
Son de muy poca profundidad, con el objetivo de que se mantenga en ellas un ambiente
aerobio. Con el empleo de este tipo de lagunas se busca obtener un efluente libre de bacterias patógenas. Son diseñadas para eliminar el 99.99% de los organismos coliformes totales y fecales que traen consigo las aguas residuales domésticas.
Operaciones y procesos unitarios PTAR "Río Frío" (Fase 1)
Tratamiento Estructura
Tratamiento preliminar Cribado y desarenación
Tratamiento primario Reactores UASB (2 unidades)
Postratamiento Lagunas facultativas (1 en operación) Tratamiento de lodos Lechos de secado Disposición de Biogás Quemador
