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CURSO
FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS DEPURADORAS DE AGUAS
RESIDUALES
Autor:
Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, Ph...
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CONTENIDO
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO......................................18
INTRODUCCIÓN GENERA...
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CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES
REGENERADAS..................................................
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  1. 1. 1 CURSO FUNDAMENTOS DE DISEÑO DE PLANTAS DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES Autor: Ing. WILLIAM ANTONIO LOZANO-RIVAS, MSc, PhD BOGOTÁ D.C., COLOMBIA Octubre de 2012
  2. 2. 2 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 .....................38 Lección 5. Cálculos hidráulicos................................................................................42 CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO....................................................................................45 Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada ...........................................46 Lección 7. Pozo de muy gruesos .............................................................................51 Lección 8. Desbaste ..................................................................................................53 Lección 9. Desarenador............................................................................................59 Lección 10. Desarenador-Desengrasador .............................................................62 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 ..................................84 CAPÍTULO 4. FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO.................................84 Lección 16. Teoría de la aireación..........................................................................85 Lección 17. Equipos aireadores...............................................................................88 Lección 18. Teoría de la depuración biológica ....................................................92 Lección 19. Control del proceso biológico............................................................96 Lección 20. Modelos de reactores y características............................................99 CAPÍTULO 5. TRATAMIENTO SECUNDARIO O BIOLÓGICO .....................................103 Lección 21. Lodos activados..................................................................................104
  3. 3. 3 CAPÍTULO 6. TRATAMIENTO TERCIARIO Y REUSO DE AGUAS RESIDUALES REGENERADAS..............................................................................................................132 Lección 26. Justificación del tratamiento terciario o avanzado......................132 Lección 27. Desinfección........................................................................................135 Lección 28. Nitrificación y desnitrificación...........................................................137 Lección 29. Eliminación de fósforo........................................................................140 Lección 30. Reuso de aguas residuales regeneradas........................................142 UNIDAD 3. VERTIDOS INDUSTRIALES Y TRATAMIENTOS ALTERNATIVOS.......................147 CAPÍTULO 7. DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES........................147 Lección 31. Tratamientos mínimos requeridos para los vertidos industriales...147 Lección 32. Tanque de igualación........................................................................149 Lección 33. Neutralización .....................................................................................152 Lección 34. Flotación por aire disuelto.................................................................155 Lección 35. Eliminación de contaminantes inorgánicos ...................................158 CAPÍTULO 8. TRATAMIENTO EN EL SITIO DE ORIGEN................................................160 Lección 36. Principios de la geodepuración.......................................................162 Lección 37. Trampa de grasas...............................................................................164 Lección 38. Tanques de decantación-digestión ................................................168 Lección 39. Filtro anaerobio...................................................................................172 Lección 40. Campo de infiltración........................................................................174 CAPÍTULO 9. TECNOLOGÍAS BLANDAS .....................................................................177 Lección 41. Sistemas de Lagunaje (Parte I) .........................................................178 Lección 42. Sistemas de Lagunaje (Parte II) ........................................................181 Lección 43. Humedales artificiales ........................................................................184 Lección 44. Filtros verdes.........................................................................................188 Lección 45. Filtros intermitentes..............................................................................191 Trabajos citados ...............................................................................................................194
  4. 4. 4 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).................40 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. ...........47 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)......................................................................................49 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)......................................................................................58 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. 5. 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). ..................................86 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).................97 Tabla 28.Métodos de operación de los reactores de lodos activados (Lozano-Rivas, Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales, 2012) ..................................................................................................................107 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)...........................................114 Tabla 30. Rendimientos promedio de los procesos anaerobios (Malina & Pohland, 1992). ......................................................................................117 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).....................................118 Tabla 32. Criterios de diseño de los UASB (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). ..................................................................................................................120
  6. 6. 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). ......................................................................123 Tabla 34. Criterios de diseño para decantadores secundarios circulares (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)...........................................125 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)...........................................151 Tabla 36. Contaminantes inorgánicos y su eliminación (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)....................................................................................158 Tabla 37. Tipo de suelo según la tasa de infiltración estimada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005), modificada por el autor.........164 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)...............165 Tabla 39. Criterios de diseño de una Trampa de Grasa (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)....................................................................................165 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)...............166 Tabla 41. Valores de carga hidráulica y absorción efectiva (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012)....................................................................................174
  7. 7. 7 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/ ......................................................................................................................60 Foto 9. Desarenador-desengrasador. Imagen tomada de: http://www.vlcciudad.com/las-depuradoras-generan-679- toneladas-de-fangos/...............................................................................63 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. 8. 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. 9. 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 .............101 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....................103 Foto 27. Reactor de lodos activados. Imagen tomada de: http://www.mixing.com/site/images/019.jpg.....................................106 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 .......................................113 Foto 29. Aberturas de ventilación en la base de los filtros percoladores (Balda R. , 2001). ......................................................................................113 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 ........114 Foto 31. Decantador secundario de una industria de textiles. Imagen tomada de: http://www.texma.com.sv/images/service/P6130014.JPG..............123 Foto 32. Espesador de lodos. Imagen tomada de: http://cadcamcae.files.wordpress.com/2008/05/espesador-1.jpg128 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 ...............129 Foto 34. Depósito de acumulación del biogás (gasómetro) y antorcha de quemado. Image tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1250.jpg ...............129 Foto 35. Filtro prensa. Imagen tomada de: http://www.gruptefsa.com/Racer/sp/Planta%20aguas%20Doe%20R un%20Per%C3%BA32.JPG.......................................................................130 Foto 36. Filtro banda. Imagen tomada de: http://1.bp.blogspot.com/- adKAtLWzKsU/T_Ilx6pe25I/AAAAAAAAAPE/3l06iJrWgy0/s1600/Sin+t% 25C3%25ADtulo.png ...............................................................................131 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. 10. 10 específicos. Imagen tomada de: http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/uploads/pics/200909_4 d_52.jpg.....................................................................................................133 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 ....134 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 ..............................................................................135 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 ..............................................................................136 Foto 41. Zona anóxica para desnitrificación. Imagen tomada de: http://usuarios.arsystel.com/raulh/edar_pinedo/1207.jpg ...............139 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 ....................................................................................................................144 Foto 43. Sistema de filtros de anillas. Imagen tomada de: http://www.hideco.es/images/equipos/MARCILLA11111.jpg.........144 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 ....................145 Foto 45. Cámara de desinfección ultravioleta. Imagen tomada de: http://i01.i.aliimg.com/img/pb/268/365/410/410365268_486.JPG ..146 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..........................................................................................148 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 .........................................149 Foto 48. Tanque de igualación. Imagen tomada de: http://www.pantareiwater.com/wrt/image/DSC00570.JPG ...........150 Foto 49. Unidad de flotación por aire disuelto. Imagen tomada de: http://www.depuracionesvela.com/uploads/daf.jpg .....................157
  11. 11. 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..............................160 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................................................................................................162 Foto 52. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://www.widsethsmithnolting.com/files/4513/3613/9717/Civil_- _BagleyStabilizationPonds.jpg ...............................................................181 Foto 53. Sistema de Lagunaje. Imagen tomada de: http://corporativoambitec.com/wp- content/uploads/2012/03/laguna.gif ..................................................182 Foto 54. Humedal artificial. Imagen tomada de: http://www.biocharireland.com/uploads/1/1/1/9/11196594/6629842 _orig.jpg.....................................................................................................187 Foto 55. Pequeñas “parcelas” de investigación de humedales artificiales. Imagen tomada de: http://gemma.upc.edu/images/galeries/NEWWET/IMG_0642.JPG187 Foto 56. Filtro Verde. Imagen tomada de: http://www.madrimasd.org/blogs/remtavares/files/2011/10/Fig1_Vic tor_IMDEA.jpg...........................................................................................188 Foto 57. Filtro verde. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/5.jpg ......................................................................................190 Foto 58. Lecho de turba. Imagen tomada de: http://prueba2.aguapedia.org/master/formacion/edar/temario/tnc /imagenes/3.jpg ......................................................................................193
  12. 12. 12 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) .........................................57 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. 13. 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). ...............................................................94 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)..................................102 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.......................................................104 Ilustración 25. Reactor de mezcla completa. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8.......................................................105 Ilustración 26. Reactor de flujo a pistón. Imagen tomada de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/5909/08Mj km08de18.pdf?sequence=8.......................................................105 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). .....106 Ilustración 28. Partes de un filtro percolador. Imagen tomada de: http://www.miliarium.com/Proyectos/depuradoras/tratamient os/blandos/diseno6.gif ................................................................111 Ilustración 29. Distribución y actividad de la biomasa en un filtro percolador (Romero Rojas, 1999)....................................................................112 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......................................................................112
  14. 14. 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. ...................................................................................118 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)........................................119 Ilustración 33. Reactor UASB (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005)....121 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 .............................122 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 .........................................................................................................126 Ilustración 36. Línea de fango (en amarillo) de una depuradora (Programa de Master en Ingeniería del Agua de la Universidad de Sevilla).............................................................................................127 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 ........................................................138 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.......141 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.......141 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............148 Ilustración 41. Solubilidad de hidróxidos metálicos a diferentes valores de pH (Hoffland Environmental Inc.).....................................................153
  15. 15. 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.......................................................................................................154 Ilustración 43. Corte de una instalación típica de lecho de caliza (Ramalho, 1996)................................................................................................155 Ilustración 44. Flotación provocada o acelerada (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).........................................................................156 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). .....157 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 ............................................161 Ilustración 47. Prueba de infiltración. Inicio de la prueba. Imagen tomada de: http://www.cfia.or.cr/descargas/inflitracion.pdf.............164 Ilustración 48. Corte longitudinal de una trampa de grasa. Imagen tomada de: http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cosude/xv.pdf.....167 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............167 Ilustración 50. Corte longitudinal de un tanque séptico con filtro anaerobio de gravas en la última cámara (Romero Rojas, 1999)...........169 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...............................................171 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...............................................................172 Ilustración 53. Sistema de tanque séptico y filtro anaerobio prefabricado. Imagen tomada de: http://www.depuradoras.eu/depuradoras/imagenes/grandes /digestor.jpg ..................................................................................173
  16. 16. 16 Ilustración 54. Filtro anaerobio de flujo ascedente, independiente. Imagen tomada de: http://www.tecnifossas.com.br/filtro_anaerobio_2.jpg .........173 Ilustración 55. Configuración de un sistema individual con campo de infiltración. Imagen tomada de: http://www.fosasydepuradoras.es/image3.gif .......................175 Ilustración 56. Corte transversal y longitudinal de una zanja de un campo de infiltración.................................................................................176 Ilustración 57. Costos asociados a una depuradora de aguas residuales según el número de habitantes (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005).........................................................................178 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 ............................178 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). .........................................................................................179 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). .........................................................................................180 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). .................................................180 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 ......................................................................185 Ilustración 63. Esquemas de funcionamiento de los humedales artificiales. Imagen tomada de: Hans Brix (Universidad de Aarhus, Dinamarca). ..................................................................................186 Ilustración 64. Funcionamiento de un filtro verde. Autor: Instituto Tecnológico de Canarias. Imagen tomada de: http://2.bp.blogspot.com/-
  17. 17. 17 AG8EHzDz7po/TckUPexZN6I/AAAAAAAAAJs/Qd5QnXj43RM/s1 600/Esquema+Filtros+Verdes.JPG ..............................................189 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 ......................................191 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 192
  18. 18. 18 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El contenido de esta obra que 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.
  19. 19. 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. 20. 20 adecuada operación de la infraestructura existente en las depuradoras (Lozano-Rivas, 2012). Por esta razón, este curso 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 de aguas residuales de Latinoamérica por su bajo costo y escasas demandas en operación y mantenimiento.
  21. 21. 21 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. 22. 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 CAPÍTULO 4 FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO
  23. 23. 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 Lección 34 Flotación por aire disuelto
  24. 24. 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 Lección 45 Filtros intermitentes
  25. 25. 25 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 manufactura (BPM) y
  26. 26. 26 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: Todos los cuerpos de agua poseen una capacidad natural y LIMITADA de dilución y “autopurificación” de los elementos que incorpora, conocida como Capacidad de Asimilación o Capacidad de Carga (Lozano-Rivas, 2012). 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.
  27. 27. 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. 28. 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. 29. 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 del tratamiento de las aguas residuales (TAR). La mayoría de los microorganismos responsables
  30. 30. 30 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 Kjeldahl, por la prueba analítica con la que se determinan estas formas.
  31. 31. 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. 32. 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: 1 𝑚𝑔 𝑠 ∙ 86400 𝑠 1 𝑑 ∙ 1 𝑘𝑔 1000000 𝑚𝑔 = 86400 1000000 = 0,0864 𝑘𝑔 𝑑 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. 4 Conocido también como población equivalente (pob-eq).
  33. 33. 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: ℎ − 𝑒𝑞 = 691 𝑘𝑔 𝑑 𝐷𝑄𝑂 0,135 𝑘𝑔 𝑑 𝐷𝑄𝑂 = 5118,5 ≈ 5119 ℎ − 𝑒𝑞 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 3 h-eq
  34. 34. 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. 3.1. ¿Qué es una depuradora? 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. 35. 35 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.  Procesos Anaerobios o en ausencia de oxígeno libre
  36. 36. 36 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 químicamente)  DAF (unidades de flotación por aire Físicos. Químicos (decantación asistida). DBO: hasta 50% (hasta 80% con decantación asistida)
  37. 37. 37 disuelto. Usadas para efluentes industriales, especialmente)  Tamices (efluentes industriales, especialmente) 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%). Los gases (biogás) producto de la descomposición anaerobia de los lodos o de la materia orgánica en reactores biológicos, pueden ser empleados como combustible para la generación de energía y para elevar las temperaturas de los digestores Foto 1. Biofiltro. Fuente: http://www.uca- it.es/gestion/contenidos/patp rocont/BiofiltroBoletin.jpg
  38. 38. 38 de lodos, con lo que se acelera el proceso de estabilización de los biosólidos. No obstante, en la mayoría de las depuradoras colombianas, este gas no se aprovecha y es quemado en unas estructuras diseñadas para este propósito, llamadas “quemadores”. Foto 2. Quema de biogás. PTAR Salitre, Bogotá D.C. Fuente: Lozano-Rivas, 2001. 3.4. Manejo de lodos La línea de lodos tiene como objetivo, tratar los subproductos sólidos (fangos) originados en la línea de agua de la depuradora. Estos lodos (llamados también biosólidos) deben ser reducidos en volumen para facilitar su manejo (Espesamiento), ser estabilizados para evitar fermentaciones y crecimiento de organismos patógenos (Digestión) y deshidratarse para conseguir una buena textura que facilite su manejo y transporte hacia su uso o disposición final (Deshidratación). Los biosólidos de una depuradora pueden usarse, siempre y cuando estén libres de patógenos, metales y otros elementos tóxicos y peligrosos, como acondicionadores de suelo en campañas de reforestación o recuperación de áreas degradadas. Por la experiencia del autor, esta condición sólo se da en lodos de depuradoras que manejen casi de forma exclusiva, aguas residuales domésticas. Cuando se mezclan efluentes de tipo industrial, como ocurre en la mayoría de depuradoras de aguas residuales municipales, esta condición rara vez se puede asegurar, razón por la cual son dispuestos en un relleno sanitario. Ilustración 4. Etapas del tratamiento de lodos (CIDTA. Universidad de Salamanca, 2005). Lección 4. Consideraciones preliminares y criterios de selección
  39. 39. 39 4.1. ¿Por qué tratar las aguas residuales? Las razones que justifican el tratamiento del agua residual son distintas para cada sector de la sociedad, a saber (Balda R. , 2002): Razones para la industria:  Recuperar productos.  Mostrar una imagen amigable con el ambiente.  Cumplimiento de estándares internacionales que garantizan participación en mercados. Razones estatales:  Protección de los recursos naturales.  Protección de las redes de alcantarillado y del correcto funcionamiento de la PTAR municipal. Razones sociales:  Protección de la salud pública. Entre los principales impactos negativos de las aguas servidas, se encuentran (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012): a) Restricciones de los usos múltiples del agua. b) Abatimiento del oxígeno disuelto en el agua. c) Muerte de peces. d) Olores ofensivos. e) Desequilibrios en la cadena trófica. f) Disminución de los procesos fotosintéticos. g) Aporte de organismos patógenos. h) Afectación de la calidad visible del agua y el paisaje. i) Hipereutrofización 4.2. Sustancias inhibidoras Antes del tratamiento secundario (biológico) es necesario verificar y controlar los niveles de algunas sustancias que interfieren con la actividad biológica en estos reactores y que, consecuentemente, afectarán las eficiencias de estas unidades. Los niveles máximos recomendados se exponen en la Tabla 6.
  40. 40. 40 Tabla 6. Niveles máximos recomendados de algunos compuestos antes de entrar al reactor biológico (Balda R. , 2002). Compuesto Nivel máximo recomendado Productos alcalinizantes 10 ppm Productos ácidos 10 ppm Ácido nítrico 50 ppm Cloro libre 10 ppm Formaldehído 7 ppm Fosfatos 100 ppm Peróxido de hidrógeno 10 ppm Nitrógeno amoniacal 250 ppm 4.3. Caracterización mínima de las aguas residuales Una caracterización de aguas residuales, sean domésticas, urbanas o industriales, deben incluir la estimación de los siguientes parámetros, como mínimo:  Caudal (incluyendo los caudales punta y mínimos).  Temperatura  pH  Sólidos sedimentables  DBO5 total y disuelta  DQO total y disuelta  Sólidos Totales (suspendidos y disueltos)  Nitrógeno Total Kjeldahl – NTK  Fosfatos  Grasas y Aceites  Sulfatos  Presencia de agentes de limpieza (tipo, volumen empleado, frecuencia de uso) 4.4. Datos adicionales Adicional a una buena caracterización deben evaluarse también los siguientes aspectos que se exponen en la Tabla 7. 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). Ciudades y Pueblos Industrias Proyección de la población Procesos industriales involucrados
  41. 41. 41 Actividades económicas principales, cuyos efluentes puedan influir en las características del agua residual Materias primas o productos tóxicos que puedan presentarse en el efluente Indicadores de producción (productos generados por la industria) Diagramas de flujo de proceso Eficiencias requeridas para los parámetros exigidos por la autoridad ambiental Caudales punta y su composición Área disponible para el sistema de tratamiento Dinero disponible para invertir en la depuradora 4.5. Otros criterios de selección La selección de las unidades a emplear en la depuradora, además de los aspectos mencionados anteriormente, dependerá también de:  Ubicación  Costos de inversión y operación  Necesidad de personal (Cualificado y No Cualificado) comparado con la disponibilidad local.  Otras consideraciones particulares, como: o Clima o Tamaño de la población servida o número de habitantes equivalentes o Nivel socioeconómico de los usuarios (sostenibilidad financiera) o Estabilidad geológica (sismología) o Dirección de los vientos o Consideraciones ambientales o Facilidades (y costos) para la disposición de subproductos o … 4.3. Cálculo de la población La estimación de la población futura es un parámetro fundamental para asegurar el correcto funcionamiento de una depuradora de aguas residuales domésticas o urbanas, hasta el final de su periodo de diseño. El periodo de diseño es el tiempo de vida útil de las estructuras, equipos e instalaciones de la depuradora en los que se cumple un punto de equilibrio entre la inversión inicial y el lucro efectivo (no cesante) de la misma. Como estos tiempos suelen ser distintos para cada elemento de la planta de tratamiento, se toma un periodo único de diseño entre 25 y 30 años, como base para el cálculo de la población futura. La estimación del comportamiento demográfico de una población es un aspecto complejo debido a que depende de factores fluctuantes como: economía, dinámicas sociales, desarrollo industrial, políticas públicas, turismo, etc. En poblaciones turísticas, además de
  42. 42. 42 la población fija, debe considerarse la población flotante (turistas que visitan el lugar en la temporada vacacional). Los métodos más usados para el cálculo de la población futura, son:  Comparación gráfica de las poblaciones  Método aritmético o lineal  Método geométrico o exponencial  Método logarítmico  Método Pearl o curva logística Para periodos de diseño de hasta 25 años, puede aplicarse el método más expedito sin incurrir en un error considerable. Una revisión más profunda de los métodos de cálculo de crecimiento poblacional, puede ser consultada en el documento “Tasas de Crecimiento Poblacional” de Torres-Degró (2012): Ir al documento Lección 5. Cálculos hidráulicos 5.1. Línea piezométrica Aunque en algunos textos especializados se define a la línea piezométrica como la línea imaginaria que une los puntos hasta donde podría ascender el agua si se insertaran pequeños tubos verticales (piezómetros) en distintos puntos de una tubería o canal abierto, existe una leve imprecisión al asegurar que esta línea es imaginaria debido a que es perfectamente observable en un laboratorio. Ilustración 5. Línea piezométrica. Tomada de: http://saint-gobain-canalizacao.com.br En la Ilustración 5, la línea piezométrica (1) muestra la presión hidrostática disponible en cada punto de la tubería tendida entre el tanque elevado (punto A) y las viviendas ubicadas en la falda de la montaña mientras el agua se encuentra en movimiento (Línea Dinámica). La diferencia “H” entre la línea de presión dinámica para un caudal determinado y la línea
  43. 43. 43 de presión estática (la horizontal proyectada desde el nivel de agua del tanque elevado (punto A), se conoce como pérdida de carga o pérdida de presión para ese caudal. Esta gráfica sugiera que en la vivienda cuenta con un dispositivo de control (e.g. una válvula) a la salida. De lo contrario, el sistema consume toda la altura. Esta pérdida de carga o de presión, se produce por accidentes (singularidades) en la línea de conducción (e.g. cambios de dirección, estrechamientos, válvulas, orificios, accesorios) y por la fricción del fluido con las paredes de la tubería o del canal. En una depuradora, debe evitarse el uso excesivo de energía eléctrica y de los dispositivos que la emplean (e.g. bombas, aireadores mecánicos, sopladores), de manera que se privilegie el flujo del agua por gravedad. Para asegurar un transporte fluido y por gravedad de estas aguas, entre las unidades de tratamiento, deben estimarse las pérdidas de carga que se presentan en cada una de las interconexiones, verificando que las descargas se mantengan por debajo de la línea piezométrica para cada punto. Las cotas de línea piezométrica y de los niveles de agua en la depuradora, se expresan en metros sobre el nivel de mar (m.s.n.m.) y las pérdidas en metros columna de agua (m.c.a.). 5.2. Pérdida de carga en tuberías La expresión de Darcy-Weisbach para el cálculo de pérdidas, expresada en función de caudal: ℎ𝑓 = 0,0826 ∙ 𝑓 ∙ 𝐿 𝐷5 ∙ 𝑄2 Donde, hf pérdida de carga (m.c.a./m) f coeficiente de fricción (adimensional) L longitud de la tubería D diámetro de la tubería (m) Q caudal (m3/s) El coeficiente de fricción puede calcularse así: 𝑓 = 0,25 [log ( 𝐾 3,7 ∙ 𝐷 + 5,74 𝑅𝑒0,9)] 2 Donde, K rugosidad absoluta
  44. 44. 44 Re número de Reynolds El número de Reynolds se calcula así: 𝑅𝑒 = 𝑉 ∙ 𝐷 𝜐 V velocidad del fluido  viscosidad cinemática (m2/s) La rugosidad absoluta se puede obtener de la Tabla 8. Tabla 8. Rugosidad absoluta de los materiales Material Rugosidad absoluta Polietileno 0,002 PVC 0,02 Aluminio 0,015 – 0,06 Acero galvanizado 0,07 – 0,15 Hormigón liso 0,3 – 0,8 Hormigón rugoso 3 – 9 Hormigón armado 2,5 Fibrocemento nuevo 0,05 – 0,10 Fibrocemento con años de servicio 0,60 Pueden emplearse otras expresiones como la fórmula de Hazen-Williams. 5.3. Pérdida de carga en canales Para la pérdida de carga en canales, se usa la expresión de Manning. 𝑉 = (𝑅ℎ) 2 3 𝑛 ∙ 𝑆0,5 Donde, V velocidad del fluido (m/s) Rh radio hidráulico (m) n número de rugosidad de Manning S pendiente o pérdida de carga (m/m) El radio hidráulico es el cociente entre el área de la sección y su perímetro mojado (A/P), el cual depende de la forma del canal. 5.4. Pérdida de carga en orificios
  45. 45. 45 Un orificio es una abertura sumergida en la pared de un tanque, depósito o estructuras similares. La pérdida en esta singularidad puede calcularse así: 𝑄 = 𝐾 ∙ 𝐴 ∙ √2 ∙ 𝑔 ∙ ℎ Donde, Q caudal que pasa por el orificio (m3/s) K constante (toma un valor medio de 0,62) A área del orificio (m2) g aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) h pérdida de carga en el orificio (m.c.a.) 5.5. Pérdida de carga en accidentes o singularidades La pérdida de carga de una singularidad (e.g. accesorio, dispositivo de control) puede calcularse con la siguiente expresión: ℎ = 𝐾 ∙ 𝑉2 2 ∙ 𝑔 Donde, h pérdida de carga en la singularidad (m.c.a.) K constante que depende de la singularidad V velocidad del fluido (m/s) g aceleración de la gravedad (9,81 m/s2) Tabla 9. Valores de la constante K para diferentes tipos de singularidades. Singularidad K Contracción brusca 0,5 – 1,5 Expansión brusca 0,5 – 1,1 Codo 45° 0,15 – 0,19 Codo 90° 0,26 – 0,33 Válvula de compuerta 0,15 – 0,30 Válvula de retención 1,5 – 2,9 Compuerta de un canal abierto 0,2 – 0,3 Mayor información de los conceptos básicos de hidráulica pueden ser consultados en el siguiente documento: Ir al documento CAPÍTULO 2. PRETRATAMIENTO
  46. 46. 46 Como se expuso anteriormente, el pretratamiento, aunque no se considera un tratamiento con el que se logre reducir la carga contaminante de los vertidos, si desempeña un papel fundamental en la medida en que elimina elementos que pueden causar descensos en la eficiencia del tratamiento y, quizá lo más importante, protege los equipos, partes y unidades de la depuradora de daños que pueden resultar funestos para el funcionamiento de la planta y del sistema de evacuación y transporte de aguas residuales, en general. Los objetivos principales de la etapa del pretratamiento, son: a) Eliminar material grueso. b) Eliminar arenas. La selección del tipo de dispositivos para la etapa de pretratamiento, dependerá de: a) Tipo de aguas residuales. b) Características del agua residual. c) Tipos de unidades que serán empleadas posteriormente. d) Nivel de operación de la depuradora. Este capítulo resume el cálculo de los caudales de diseño, el caudal de entrada y de los principales dispositivos empleados en el pretratamiento, como son: pozo de muy gruesos, rejillas (o desbaste), desarenador y desarenador aireado, conocido también como desarenador-desengrasador. Ilustración 6. Esquema del pretratamiento. Imagen tomada de: http://es.wikibooks.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_aguas_residuales/Pretratamiento Lección 6. Caudales de diseño y canal de entrada El flujo de aguas residuales domésticas y urbanas, dependerá especialmente de:  Número de habitantes  Consumo de agua potable (dotación)  Coeficiente de retorno (usualmente entre 0,70 y 0,85).  Caudales de infiltración  Conexiones erradas
  47. 47. 47  Aportes institucionales, comerciales e industriales El caudal medio diario (L/s) aportado a un sistema de tratamiento será: 𝑄𝑚𝑑 = 𝑄𝑑𝑜𝑚 + 𝑄𝑖𝑛𝑑 + 𝑄𝑐𝑜𝑚 + 𝑄𝑖𝑛𝑠 Donde, Qmd caudal medio diario de aguas residuales (L/s) Qdom aporte de aguas residuales de origen doméstico (L/s) Qind aporte de aguas residuales de origen industrial (L/s) Qcom aporte de aguas residuales de origen comercial (L/s) Qins aporte de aguas residuales de origen institucional (L/s) 6.1. Aporte doméstico El caudal doméstico corresponde únicamente al aporte de aguas residuales derivado de las actividades humanas (vida hogareña) en las zonas residenciales. Se calcula a partir del consumo de agua potable por persona (dotación)5, considerando que ésta -en su mayor porcentaje- es retornada al alcantarillado (entre un 70 y 85%, que corresponde al coeficiente de retorno sanitario) y el número de habitantes. El caudal doméstico se puede calcular así: 𝑄𝑑𝑜𝑚 = 𝐷𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 ∙ 𝑃 ∙ 𝐶𝑅 86400 Donde, Qdom corresponde al aporte de aguas residuales de las actividades domésticas (L/s). d dotación o cantidad de agua potable consumida por habitante y por día (L/hab*d). P número de habitantes proyectado para el periodo de diseño asignado. CR coeficiente de retorno sanitario (entre 0,70 y 0,85, pero usualmente corresponde se utiliza 0,80). Tabla 10. Valores de consumo doméstico e industrial por ciudades. Dotación Bogotá D.C. Medellín Manizales Pereira 5 La dotación en Colombia se estima que oscila entre 90 a 130 L/hab*d. El coeficiente de retorno es la fracción porcentual del consumo total de agua potable que es usada en el hogar (e.g. descarga de sanitarios, ducha, lavado de manos) y que se transforma en agua residual. Este valor se estima entre el 70 y el 85%, con lo cual, los coeficientes de retorno sanitario se encuentran entre 0,70 y 0,85.
  48. 48. 48 Doméstica (L/hab*d) 126 150 124 160 Industrial (m3 /mes) 587 203 319 279 Valores de la Contraloría General de la República, 2000. Tomados de: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2000088/lecciones/seccion4/capitulo05/04_0 5_01.htm 6.2. Aporte industrial Pueden estimarse unos valores de aporte de aguas residuales industriales de entre 0,4 a 1,5 L/s por hectárea de suelo de uso industrial, dependiendo del nivel de industrialización de la población (mayores valores para ciudades con mayores industrias). 6.3. Aporte comercial e institucional Puede adoptarse un valor de 0,5 L/s por hectárea de suelos de uso comercial e institucional. 6.4. Aportes adicionales Las conexiones erradas (drenajes de aguas lluvias conectados a la red sanitaria en zonas donde hay alcantarillado separado), pueden sumar al flujo de aguas residuales, unos 0,2 L/s*ha. De igual manera, en época de invierno, si se tiene una red de alcantarillado unitario (llamado también “combinado”), el aporte de aguas lluvias puede estimarse en unos 2 L/s*ha. 6.5. Caudales de diseño Una vez se haya estimado el caudal medio diario “Qmd” con la suma de los aportes de aguas a la red de alcantarillado, deben estimarse el caudal mínimo y el caudal punta que puede llegar, en un momento determinado, al sistema de depuración. Las oscilaciones abruptas de caudal pueden causar disminución en la eficiencia del tratamiento y fallas a nivel hidráulico en las unidades. Por esta razón, debe preverse y evaluarse el funcionamiento de cada unidad y componente de la depuradora con cada uno de estos caudales (mínimo, medio y punta). La estimación de los caudales mínimo, medio y punta, de aguas residuales, deberá estar apoyada únicamente en mediciones in situ. Jamás deberán tomarse supuestos, expresiones empíricas y otras formulaciones matemáticas como valores de diseño.
  49. 49. 49 Algunas expresiones para la estimación de los caudales de diseño se presentan en la Tabla 11. 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) Tamaño de la población Caudal mínimo “Qmin” Caudal punta “Qp” Pequeña (<20.000 h-eq) 0,30 ∙ 𝑄𝑚𝑑 5 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Mediana (20.000 a 60.000 h-eq) 0,45 ∙ 𝑄𝑚𝑑 3 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Grande (>60.000 h-eq) 0,60 ∙ 𝑄𝑚𝑑 2 ∙ 𝑄𝑚𝑑 Cualquier tamaño de población En algunas ocasiones, suele hablarse también del caudal máximo horario “QMH”. No obstante, este concepto es equivalente al del caudal punta para el caso de los sistemas de depuración de aguas residuales, ya que como lo demostró Lozano-Rivas (2007), los hidrogramas de las aguas residuales al interior de las redes de alcantarillado, sufren una atenuación de su caudal punta, descrito por los modelos que rigen el comportamiento del tránsito de dicho hidrograma (Lozano-Rivas, Modelación Hidrológica de Caudales de Aguas Residuales en Sistemas de Alcantarillado de Flujo Decantado, 2007). 6.6. Canal de entrada a la depuradora La entrada de aguas residuales a la depuradora, generalmente se hace mediante un canal de sección rectangular. Dependiendo de las condiciones topográficas, este canal se proyectará antes del pozo de muy gruesos o después de este, siempre anterior a la unidad de desbaste. Este canal que se diseña con la fórmula de Manning, deberá tener un ancho y profundidad mínimo, con un área vertical útil, mayor o igual a las dimensiones del colector de aguas residuales que conduce el caudal a la depuradora. Los criterios básicos de diseño se exponen en la Tabla 12. Tabla 12. Criterios de diseño para el canal de entrada (Lozano-Rivas, Material de clase para las asignaturas de Tratamiento de Aguas Residuales, 2012). Parámetro Valor o rango Altura mínima de lámina de agua 0,3 m (a caudal medio) Pregunta de análisis: ¿por qué el caudal punta de una población pequeña puede ser hasta cinco veces el valor del caudal medio diario y para una población mucho más grande es sólo del doble de su valor?
  50. 50. 50 Velocidad de flujo en el canal 0,6 a 1,0 m/s (a caudal medio) Borde libre (por encima del caudal punta al final del periodo de diseño) 0,3 a 0,4 m Coeficiente de rugosidad de Manning 0,014 (independientemente del material de construcción) Foto 3. Canal de ingreso a una PTAR. Foto: William Antonio Lozano-Rivas. Ejemplo 6.1. Dimensionar un canal de entrada a una depuradora con un caudal medio diario de 69 L/s y una velocidad de flujo de 0,6 m/s. El colector de alcantarillado es de 12 pulgadas, con una pendiente del 1,5%. Solución: Siendo el colector de alcantarillado de 12 pulgadas y un área transversal de 0,073 m2, el canal deberá proyectarse con un área útil igual o mayor que esta. El área mojada del canal está dada por su ancho y dos veces su altura. Asumiendo un canal de sección cuadrada: 𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑉 ∴ 𝐴 = 𝑄 𝑉 = 0,069 𝑚3 𝑠 0,60 𝑚 𝑠 = 0,115 𝑚2 Esta área mojada es mayor a la del colector de alcantarillado. Asumiendo una sección cuadrada, el canal tendrá unas dimensiones de 0,34 m de ancho y 0,34 m de altura útil (lámina de agua). La pendiente requerida para el canal, en estas condiciones, se determina con la fórmula de Manning:
  51. 51. 51 𝑉 = (𝑅ℎ) 2 3 𝑛 ∙ 𝑆0,5 0,60 𝑚 𝑠 = ( 0,115 𝑚2 0,34𝑚 + 0,34𝑚 + 0,34𝑚 ) 2 3 0,014 ∙ 𝑆0,5 Despejando la pendiente “S”: 𝑆 = [ 0,60 𝑚 𝑠 ∙ 0,014 ( 0,115 𝑚2 0,34𝑚 + 0,34𝑚 + 0,34𝑚 ) 2 3 ] 2 = 0,0013 𝑚 𝑚 = 0,13% Lección 7. Pozo de muy gruesos Se diseña especialmente para aguas residuales urbanas en donde se espera el arrastre de una gran cantidad de arenas y sólidos de gran tamaño que viajan por el alcantarillado (e.g. juguetes, pedazos de madera, trapos, muebles). Su fondo suele ser troncopiramidal invertido (en forma de tolva) para evitar la acumulación de sólidos en las paredes laterales y facilitar la extracción del material retenido, mediante el accionar de una cuchara bivalva anfibia, operada por un motor electrohidráulico. Los sólidos se extraen periódicamente, se dejan escurrir y se depositan en contenedores. Este material es incinerado o dispuesto, posteriormente, en un relleno sanitario. Ilustración 7. Pozo de muy gruesos. Tomada de: http://www.consorcioaa.com/cmscaa/export/sites/default/imgs/1.entrada.gif Los criterios de diseño para el pozo de muy gruesos, se exponen en la Tabla 13.

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