Guia para el manejo, tratamiento y disposición de lodos residuales en plantas

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Comisión Nacional del Agua

MANUAL DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO

GUÍA PARA EL MANEJO, TRATAMIENTO Y DISPOSICION DE
LODOS RESIDUALES DE PLANTAS DE TRATAMIENTO
MUNICIPALES

Diciembre de 2007

www.cna.gob.mx

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ADVERTENCIA

Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la
fuente.
Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y
Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión
Nacional del Agua.

Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.
Edición 2007
ISBN: 978-968-817-880-5
Autor: Comisión Nacional del Agua
Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo
C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F.
Tel. (55) 5174-4000
www.cna.gob.mx
Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales
Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña,
C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.

Impreso en México
Distribución gratuita. Prohibida su venta.


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Comisión Nacional del Agua
Ing. José Luis Luege Tamargo
Director General
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Coordinador de Asesores de la Dirección General
Ing. Raúl Alberto Navarro Garza
Subdirector General de Administración
Lic. Roberto Anaya Moreno
Subdirector General de Administración del Agua
Ing. José Ramón Ardavín Ituarte
Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento
Ing. Sergio Soto Priante
Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola
Lic. Jesús Becerra Pedrote
Subdirector General Jurídico
Ing. José Antonio Rodríguez Tirado
Subdirector General de Programación
Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés
Subdirector General Técnico
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Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca
M.C.C. Heidi Storsberg Montes
Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua
Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez
Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal
Dr. Michel Rosengaus Moshinsky
Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional
C. Rafael Reyes Guerra
Titular del Órgano Interno de Control
Responsable de la publicación:
Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento
Coordinador a cargo del proyecto:
Ing. Eduardo Martínez Oliver
Subgerente de Normalización
La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el
INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio
CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007
Participaron:
Dr. Velitchko G. Tzatchkov
M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez


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CONTENIDO
Página
1.1. GENERALIDADES ...........................................................................................1
1.2. DEFINICIÓN DE LODO ....................................................................................1
1.3. PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO ..............................................................1
2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................31
2.2. CUANTIFICACIÓN DEL LODO ......................................................................54
2.3. LEGISLACIÓN MEXICANA RELATIVA A LA DISPOSICIÓN DE LOS LODOS
DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES .............................57
2.4. COSTOS DE LOS SISTEMAS DE MANEJO DE LODOS ..............................66
2.5. FACTORES DE CONVERSION MAS USUALES ...........................................72
3.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................75
3.2. ESPESAMIENTO EN CLARIFICADORES PRIMARIOS Y SECUNDARIOS..75
3.3. ESPESAMIENTO POR GRAVEDAD..............................................................76
3.4. ESPESAMIENTO MECÁNICO POR GRAVEDAD..........................................88
3.5. ESPESADOR POR FLOTACIÓN ...................................................................90
4.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................95
4.2. FILTROS PRENSA DE BANDAS ...................................................................95
4.3. CENTRIFUGAS ............................................................................................100
4.4. LECHOS DE SECADO .................................................................................106
5.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................108
5.2. ACONDICIONAMIENTO CON SAL METÁLICA ........................................... 108
5.3. ACONDICIONAMIENTO CON POLÍMEROS ...............................................114
5.4. OPTIMIZACIÓN DE DOSIS..........................................................................119
5.5. CURVAS DE COSTOS.................................................................................121
6.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................131
6.2. DIGESTIÓN ANAEROBIA ............................................................................131
6.3. DIGESTIÓN AEROBIA .................................................................................168
6.4. ESTABILIZACIÓN CON CAL........................................................................187
6.5. COMPOSTEO ..............................................................................................197
6.6. TANQUES IMHOFF......................................................................................229
7.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................232
7.2. LECHOS DE SECADO DE ARENA..............................................................233
7.3. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA...................................... 236
7.4. OTROS TIPOS DE LECHOS DE SECADO..................................................245
7.5. CURVAS DE COSTOS.................................................................................250
8.1. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LODO............... 252
8.2. DISCUSIÓN GENERAL SOBRE ALMACENAMIENTO DE LA TORTA DE
LODO ..................................................................................................................253
9.1. INTRODUCCIÓN ..........................................................................................254
9.2. SISTEMAS DE BOMBEO .............................................................................254
9.3. TRANSPORTE EN CAMIONES ...................................................................269
10.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................272
10.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS LODOS QUE AFECTAN LA APLICACIÓN A
TERRENOS.........................................................................................................272
10.3. DISPOSICIÓN EN RELLENOS SANITARIOS............................................284
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11.1. ESPESAMIENTO CON CENTRIFUGA ......................................................287
11.2. FILTROS PRENSA DE PLACAS Y MARCOS ............................................ 288
11.3. REDUCCIÓN TERMICA .............................................................................291
12.1. PLANTA DE LODOS ACTIVADOS CONVENCIONAL ............................... 296
12.5. PLANTA DE FILTROS ROCIADORES.......................................................320
12.6. PLANTA DE FILTROS ROCIADORES.......................................................326

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INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Curvas de crecimiento neto..................................................................... 14
Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo. .......................................... 16
Figura 1.3. Metodos de purgado de lodos. ................................................................ 22
Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios ...................... 26
Figura 3.1. Perfil de concentracion tipico para lodo de origen municipal en un
espesador por gravedad operado continuamente ..................................................... 78
Figura 3.2. Instalacion tipica de espesador por gravedad ......................................... 78
Figura 3.3. Vista transversal de un espesador por gravedad circular tipico .............. 79
Figura 3.4. Unidad tipica de espesamiento por flotacion con aire disuelto para lodos
activados residuales .................................................................................................. 91
Figura 4.1. Esquema de dos configuraciones de centrifugas de tazon solidos: (a)
contracorriente (b) corriente. ................................................................................... 101
Figura 5.1. Sistema tipico de alimentacion de solucion. .......................................... 111
Figura 5.2. Sistema tipico de alimentacion de cal, no se muestra el removedor de
vapor ....................................................................................................................... 113
Figura 5.3. Sistema automatico de alimentacion de polimeros tipico. ..................... 117
Figura 5.4. Sistema compacto de mezclado para polimeros liquidos...................... 118
Figura 6.1. Sistema de digestion anaerobia de baja tasa........................................ 134
Figura 6.2. Sistema de digestiona anerobia de alta tasa, una etapa....................... 135
Figura 6.3. Proceso de digestion anaerobia de dos etapas..................................... 137
Figura 6.4. Efecto del trs sobre la descomposicion de compuestos de desechos
degradables y produccion de metano ..................................................................... 139
Figura 6.5. Efecto de la temperatura sobre la produccion de gas ........................... 144
Figura 6.6. Relacion entre el ph y concentracion de bicarbonato cerca de 35 grados c
................................................................................................................................ 144
Figura 6.7. Tanques cilindricos para digestion anaerobia ....................................... 147
Figura 6.8. Tanque rectangular paa digestion anaerobia ........................................ 147
Figura 6.9. Tanque en forma de huevo para digestion anaerobia en la planta de
tratamiento de terminal island, los angeles ............................................................. 148
Figura 6.10. Diagrama del sistema de calentamiento de un intercambiador de calor
de tuberia enchaquetada o en espiral. .................................................................... 150
Figura 6.11. Efecto de la concentraciond e solidos sobre el requerimiento de
calentamiento del lodo crudo................................................................................... 151
Figura 6.12. Patrones de circulacion producidos por mezcladores de tubo y
levantamiento libre de gas....................................................................................... 155
Figura 6.13. Tasa de bombeo de tubo de succion y levantamiento libre de gas ..... 156
Figura 6.14. Comparacion entre mezclado con lanza y tubo de succion en agua
limpia. ...................................................................................................................... 156
Figura 6.15. Tipos de cubiertas para digestores ..................................................... 160
Figura 6.16. Flujo de energia a traves de un sistema de digestion anaerobia de lodos.
................................................................................................................................ 163
Figura 6.17. Diseño conceptual de un sistema de digestion anaerobia de lodos. ... 165
Figura 6.18. Diagrama de flujo para el proceso de digestor aerobio convencional de
operación continua .................................................................................................. 171

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Figura 6.19. Tasa de reaccion kd contra temperatura del liquido en digestor aerobio
................................................................................................................................ 174
Figura 6.20. Efecto de la concentracion de solidos sobre la tasa de reaccion kd ... 174
Figura 6.21. Influencia de la edad del lodo y temperatura del liquido sobre la tasa de
utilizacion de oxigeno en digestores aerobios ......................................................... 175
Figura 6.22. Carta de diseño para aeradores de baja velocidad en tanques nocirculares para calcular los requerimientos de energia para proporcionar el oxigeno
necesario................................................................................................................. 176
Figura 6.23. Efecto de la edad de lodo sobre el ph durante la digestion aerobia .... 177
Figura 6.24. Reduccion de solidos volatiles en funcion de la temperatura del liquido y
edad del lodo del digestor ....................................................................................... 178
Figura 6.25. Efecto del reciclado del sobrenadante del digestor sobre el flujo de
solidos suspendidos a traves de una planta de lodos activados (55)...................... 184
Figura 6.26. Resumen de resultados del ejemplo de diseño de digestion aerobia.. 184
Figura 6.27. Dosis de cal requerida para el ph de una mezcla de lodo primario y
humus de filtro percolador para diferentes concentraciones de solidos. ................. 191
Figura 6.28. Efecto del ph sobre el equilibrio acido sulfhidrico-sulfuro.................... 193
Figura 6.29. Efecto del contenido de solidos sobre la relacion de trozos de madera a
lodo por volumen..................................................................................................... 200
Figura 6.30. Sitios para monitoreo de temperatura y oxigeno en un extremo de
camellon o pila individual aerada. ........................................................................... 203
Figura 6.31. Diagrama de balance de masa para composteo de lodos .................. 204
Figura 6.32. Perfil de temperatura de un camellon tipico de composteo................. 209
Figura 6.33. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y
temperatura durante el composteo de lodo digerido mediante el metodo de
camellones. ............................................................................................................. 211
Figura 6.34. Diagrama de flujo de proceso – composteo de lodo en camellones planta
de lodos activados de 440 lps. ................................................................................ 215
Figura 6.35. Configuracion para pilas aeradas individuales. ................................... 218
Figura 6.36. Configuracion de tuberia de aeracion para pila aerada individual. ...... 218
Figura 6.37. Configuracion de una pila aereada extendida ..................................... 220
Figura 6.38. Destruccion de organismos patogenos en funcion de tiempo y
temperatura durante el composteo de lodo sin digerir por el metodo de pilas aeradas
................................................................................................................................ 223
Figura 6.39. Diagrama de flujo de proceso para instalacion de pilas extendidas para
composteo de lodo – planta de lodos activados de 440 lps. ................................... 225
Figura 6.40. Ejemplo de diseño de construccion de pila de aeracion extendida ..... 226
Figura 6.41. Tanques imhoff tipicos con detalles de diseño: (a) plano y (b) seccion.
................................................................................................................................ 230
Figura 7.1. Lecho de secado de arena tipico........................................................... 234
Figura 7.2. Tipica tuberia de decantacion: (a) planta y (b) elevación ...................... 235
Figura 7.3. Lecho de secado con pistas y rampa .................................................... 236
Figura 7.4. Lecho de secado cubierto con estructura de fibra de vidrio: ................. 237
Figura 7.5. Efectos de la tasa de evaporacion en la carga de los lechos................ 240
Figura 7.6. Profundidad requerida para obtener la carga optima de lodo a diferentes
concentraciones ( ft x 0.3084 = m; lb/ft2 x 4.883 = kg/m2). ...................................... 242
Figura 7.7. Sistema de remocion al vacio montado sobre camion .......................... 244
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Figura 7.8. Lechos de secado al vacio y sus componentes .................................... 247
Figura 7.9. Eficiencia tipica de los lechos de secado al vacio ................................. 249
Figura 9.1. Perdida de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a
presion de lodo de 6 pulg. (15 cm) .......................................................................... 256
Figura 9.2. Perdidas de carga por friccion para operación rutinaria de un colector a
presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)...................... 256
Figura 9.3. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector
a presion de 6 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)................... 257
Figura 9.4. Perdidas de carga por friccion para el diseño del peor caso de un colector
a presion de 8 pulg. de diametro (pulg. X 25.4 = mm; ft x 0.3048 = m)................... 257
Figura 9.5. Curvas para el calculo de perdida de carga .......................................... 259
Figura 9.6. Bomba cortadora y moledora. ............................................................... 261
Figura 9.7. Detalles de bomba de embolo............................................................... 262
Figura 9.8. Bomba de cavidad progresiva. .............................................................. 264
Figura 9.9. Bomba de diafragma operada con aire. ................................................ 265
Figura 9.10. Bomba de lobulo giratorio. .................................................................. 267
Figura 9.11. Bomba de manguera peristaltica......................................................... 267
Figura 9.12. Bomba de aire con anillo aspersor festoneado y alimentado
externamente. ......................................................................................................... 268
Figura 9.13. Bomba de tornillo de arquimides ......................................................... 269
Figura 11.1. Centrifugas utilizadas para el espesamiento de lodo. ......................... 287
Figura 11.2. Vista lateral de un filtro prensa de marcos y placas. ........................... 289
Figura 11.3. Corte de un filtro prensa de placas y marcos. ..................................... 289
Figura 11.4. Incinerador de lecho fluidizado............................................................ 291
Figura 11.5. Incinerador tipico de hogar multiple..................................................... 294
Figura 12.1. Diagrama de flujo, ´Planta de lodos activados convencional. ............. 302
Figura 12.2. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional. ................ 307
Figura 12.3. Diagrama de flujo planta de lodos activados convencional ................. 313
Figura 12.4. Diagrama de flujo de planta de lodos activados convencional ............ 319
Figura 12.5. Diagrama de flujo planta de filtros rociadores. .................................... 325
Figura 12.6. Diagrama de flujo planta de filtros rociadores. .................................... 331

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INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque
hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324)......................................................... 3
Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario ................................................................ 5
Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un tanque
hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285)......................................................... 8
Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos. ....................... 16
Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados...................................................... 23
Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores .......................................... 24
Tabla 1.7. Variacion diaria del efluente de filtros percoladores stockton. California
(342).......................................................................................................................... 27
Tabla 1.8. Descripcion de los eventos de desprendimiento de solidos en filtros
percoladores (342) .................................................................................................... 27
Tabla 1.9. Concentracion del lodo de filtros percoladores extraido de los clarificadores
finales. ....................................................................................................................... 28
Tabla 1.10. Composicion del lodo de filtros percoladores ......................................... 29
Tabla 1.11. lodo procedente de procesos de crecimiento combinado fijo-suspendido.
.................................................................................................................................. 30
Tabla 2.1. Metales en soluciones de cloruro ferrico (374) ......................................... 33
Tabla 2.2. Cadmio en el lodo..................................................................................... 35
Tabla 2.3. Incremento de concentraciones de metales durante el tratamiento. ........ 37
Tabla 2.4. Mediciones de aroclor (pcb ) 1254 en lodo............................................... 38
Tabla 2.5. Plaguicidas de hidrocarburos clorados en lodos (374, 383). .................... 39
Tabla 2.6. Experiencia en cribado (386, 387)............................................................ 40
Tabla 2.7. Experiencia en cribado (386, 387). (continuación) ................................... 41
Tabla 2.8. Analisis del material cribado ..................................................................... 42
Tabla 2.9. Metodos de manejo del material cribado.................................................. 43
Tabla 2.10. Metodos de manejo del material cribado (continuación) ........................ 44
Tabla 2.11. Cantidades de arena .............................................................................. 45
Tabla 2.12. Analisis de tamizado de la arena............................................................ 46
Tabla 2.13. Produccion de natas y sus propiedades................................................. 48
Tabla 2.14. Metodos para el manejo de natas .......................................................... 51
Tabla 2.15. Caracteristicas de los lodos de tanques septicos (417).......................... 53
Tabla 2.16. Informacion acerca de las caracteristicas y cantidades tipicas de lodos
producidos por varios procesos y operaciones de tratamiento de aguas residuales. 55
Tabla 2.17. Concentracion esperada de los lodos producidos por varios procesos y
operaciones de tratamiento de aguas residuales ...................................................... 55
Tabla 3.1. Ventajas y desventajas de los espesadores por gravedad....................... 76
Tabla 3.2. Criterios de diseño para area superficial de espesadores por gravedad
tipicos a ...................................................................................................................... 80
Tabla 3.3. Resultados de operación reportados para varias tasas de desbordamiento
en espesadores por gravedad (20, 21)a .................................................................... 81
Tabla 3.4. Valores tipicos de carga uniforme (w) ...................................................... 82
Tabla 3.5. Definicion de los torques aplicables a espesadores por gravedad tipo
circular (22) ............................................................................................................... 82

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Tabla 3.6. Rangos tipicos de carga hidraulica para espesadores mecanicos por
gravedad ................................................................................................................... 89
Tabla 3.7. Resultados de operación de espesadores por flotacion ........................... 92
Tabla 3.8. Tasas de carga de solidos por area de superficie. ................................... 92
Tabla 4.1. Tasa de carga de lodos secos por metro de ancho de banda.................. 96
Tabla 4.2. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos..................... 107
Tabla 5.1. Dosis tipicas de cloruro ferrico y cal para el desaguado de lodos de aguas
residuales municipales ............................................................................................ 109
Tabla 5.2. Dosis de polimero................................................................................... 114
Tabla 6.1. Tipo y referencia de estudios a escala real sobre digestion anaerobia de
alta tasa de lodos municipales (52, 53, 54, 55 –73) ................................................ 132
Tabla 6.2. Criterios de diseño tipicos para dimensionamiento de digestores de lodo
anaerobios mesofilicos (104, 105)........................................................................... 138
Tabla 6.3. Criterios de diseño para dimensionamiento de digestores de alta tasa en
base a tiempo de retencion de solidos (110)........................................................... 140
Tabla 6.4. Caracteristicas fisicas y quimicas promedio de lodos de un sistema de
digestion de dos etapas (62) ................................................................................... 141
Tabla 6.5. Entrada y salida de materiales a un sistema de digestion de dos etapasa
(62).......................................................................................................................... 141
Tabla 6.6. Produccion de gas para diferentes compuestos en los lodos de las aguas
residuales (125)....................................................................................................... 142
Tabla 6.7. Caracteristicas del biogasa (124)............................................................ 143
Tabla 6.8. Efecto del nitrogeno sobre la digestion anaerobia (152,153) ................. 146
Tabla 6.9. Coeficientes de transferencia de calor para serpentines de auga caliente
en digestores anaerobios (123)............................................................................... 150
Tabla 6.10. Coeficientes de transferencia de calor para varios materiales de tanques
de digestion anaerobia (186)................................................................................... 152
Tabla 6.11. Relacion entre la gradiente de velocidad y el gasto unitario de gas. .... 159
Tabla 6.12. Suposiciones de carga de diseño......................................................... 163
Tabla 6.13. Diversos estudios de digestion aerobia de lodos municipales.............. 169
Tabla 6.14. Caracteristicas del sobrenadante de digestor aerobio mesofilico......... 178
Tabla 6.15. Resumen de criterios actuales para diseño de digestores aerobios..... 179
Tabla 6.16. Requerimientos de cal para lograr ph de 12 durante 30 minutos en
lebanon, ohio (267). ................................................................................................ 189
Tabla 6.17. Dosis de cal requerida para mantener el ph arriba de 11.0 por lo menos
durante 14 dias (265). ............................................................................................. 190
Tabla 6.18. Densidad de bacterias en lodos crudos, digeridos anaerobios, y
estabilizados con cal en lebanon, ohio (267)........................................................... 193
Tabla 6.19. Composicion quimica del lodo y sobrenadante antes y despues de
estabilizacion con cala (266).................................................................................... 195
Tabla 6.20. Programa de monitoreo para una instalacion de composteo de lodos
procedentes de aguas residuales municipales (436) .............................................. 202
Tabla 6.21. Densidades de varios agentes de abultamiento para composta (432). 207
Tabla 6.22. Criterios de diseño tipicos para tanques imhoff sin calentamiento ....... 231
Tabla 7.1. Ventajas y desventajas de los lechos de secado de lodos..................... 232
Tabla 7.2. Resumen de criterios de diseño para lechos de arena para secado lodo
digerido anaerobiamente sin acondicionamiento quimico ....................................... 238
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Tabla 7.3. Agua total drenada de lodo digerido aerobiamente aplicado a lechos de
arena para secado .................................................................................................. 241
Tabla 7.4. Efecto de la digestion sobre la eficiencia de lechos de secado .............. 241
Tabla 7.5. Concentracion de lodo producido en lechos con vacio........................... 248
Tabla 9.1. Aplicaciones de bombas de lodos por principio...................................... 254
Tabla 10.1. Limitaciones tipicas del suelo para la aplicacion de lodo a terrenos
agricolas a tasas de aplicación de fertilizantes de nitrogeno................................... 273
Tabla 10.2. Limitantes tipicas de pendiente para aplicación de lodos a terrenos.... 274
Tabla 10.3. Profundidades minimas tipicas para aplicación de lodo a terrenos. ..... 275
Tabla 10.4. Tasas de mineralizacion de nitrogeno organico en lodos de aguas
residuales ................................................................................................................ 276
Tabla 10.5. Tasas de asimilacion de nutrientes para cultivos selectos ................... 278
Tabla 11.1. ventajas y desventajas de la utilizacion de filtros prensa de placas y
marcos .................................................................................................................... 290
Tabla 11.2. Informacion de productividad tipica para filtros prensa de placas y marcos
................................................................................................................................ 290

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1.ASPECTOS GENERALES
1.1.GENERALIDADES
En esta guía se describen las características, métodos de transporte,
acondicionamiento químico para la remoción del agua, técnicas de espesamiento,
desaguado y secado, así como estabilización y disposición final de los lodos de las
plantas de tratamiento de aguas residuales, incluyendo teoría, consideraciones para
el diseño y costos.
El ingeniero deberá conocer las fuentes, características y cantidad de lodo, que se
tendrá que manejar cuando esté diseñando los dispositivos para el transporte,
acondicionamiento y espesamiento o desaguado de lodos.
El responsable del diseño deberá tomar en cuenta el lapso de tiempo que transcurre
entre la toma de decisiones hasta la construcción, para favorecer aquellos procesos
y equipo que sean suficientemente flexibles para permanecer útiles a pesar de
posibles cambios tecnológicos, reglamentarios, económicos y/o en las características
del lodo. Cuando sea posible, el ingeniero deberá investigar sistemas a escala
normal que estén funcionando, para determinar condiciones reales de operación y
costos, y luego introducir un factor de seguridad por imprevistos.
1.2.DEFINICIÓN DE LODO
Los materiales sólidos y semisólidos removidos del agua residual en plantas de
tratamiento son considerados como lodos. Los residuales orgánicos del tratamiento
primario y secundario constituyen la mayoría de los lodos, pero también incluyen
arena, natas y sólidos del cribado.
La producción de lodos en los procesos unitarios típicos dependerá del porcentaje de
aportación industrial, basura molida, el uso de químicos, control del proceso, cargas
pico y condiciones climatológicas (1). Los tipos de lodos incluyen:
• Lodo Primario
• Lodo Biológico
• Lodos Químicos
1.3.PROPIEDADES FÍSICAS DEL LODO
1.3.1.Lodos Primarios
La mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan sedimentación
primaria para remover los sólidos fácilmente sedimentables del agua cruda. En una
planta típica con sedimentación primaria y un proceso convencional de lodos
activados para el tratamiento secundario, el peso seco de los sólidos primarios es del
orden del 50% del total de los sólidos generados.

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El lodo primario normalmente es más fácil de espesar por gravedad, ya sea con
tanque de sedimentación primaria o dentro de un espesador por gravedad
independiente. En comparación con lodos biológicos y muchos químicos, el lodo
primario puede ser desaguado rápidamente mecánicamente con pocos
requerimientos de acondicionamiento.
1.3.1.1.Producción de Lodos Primarios
La producción de lodo primario está generalmente dentro del ámbito de 100 a 300
mg/l. Para estimar la producción de lodo primario para determinada planta se
requiere calcular la cantidad de sólidos suspendidos totales (SST) que entran al
tanque de sedimentación primaria y suponer una eficiencia de remoción. Cuando no
hay disponibles datos específicos del sitio para los SST influentes, frecuentemente
se utilizan valores de 0.07 a 0.11 kg/cápita/d (278). La eficiencia de remoción de
SST en el tanque de sedimentación primaria normalmente es del orden de un 50% a
65% (279). La eficiencia de remoción de sólidos suspendidos en la sedimentación
primaria depende, en gran parte, de la naturaleza de los sólidos. Se utiliza
frecuentemente una eficiencia del 60%, sujeta a las siguientes condiciones:
• Que el lodo es producido en el tratamiento de aguas residuales de origen
doméstico, sin mayor aportación de carga industrial.
• Que el lodo no contiene coagulantes químicos ni floculantes.
• Que ningún otro lodo - por ejemplo, lodo de filtros percoladores - ha sido
agregado al influente de la planta.
• Que el lodo no contiene mayores corrientes colaterales del procesado del
lodo.
Ejemplo:

SST

=

0.09 kg/cápita/día

Eficiencia

=

60%

Lodo Primario

=

0.054 kg/cápita/día

Si existen datos disponibles sobre la concentración de sólidos suspendidos en el
influente, dichos datos deben ser utilizados para el diseño. El uso de los registros de
operación de tanques en servicio o pruebas de laboratorio pueden refinar los datos
de eficiencia.
El "Método Estándar" de la prueba de peso seco para materia sedimentable bajo
condiciones ideales estima la cantidad de lodo producido en un tanque de
sedimentación ideal (280). La producción de lodo será ligeramente menor en un
tanque verdadero de sedimentación.

2


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La cantidad de lodo extraído del tanque de sedimentación primaria se incrementa
substancialmente cuando las corrientes colaterales del proceso de tratamiento de
lodos son reciclados al tanque de sedimentación primaria. La cuantificación de los
sólidos que entran y salen del clarificador primario por medio de todas las corrientes
es una herramienta importante para estimar la producción de lodo primario, cuando
los lodos reciclados y las corrientes colaterales contribuyen grandes cantidades de
sólidos.
La cantidad de sólidos suspendidos y sólidos químicos removidos en un tanque de
sedimentación primaria hipotético, que procesa agua residual la cual ha sido tratada
mediante la adición de cal, sulfato de aluminio o cloruro férrico son estimados en la
tabla 1.1.
Tabla 1.1. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un
tanque hipotetico de sedimentacion primaria (323, 324).
Sin
Adición de Químicosa
Tipo de Lodo
Adición
Químicosb Calc
Alumbred Hierroe
Sólidos Susp., kg/m³
0.125
0.187
0.187
0.187
Sólidos Químicos, kg/m³
0.25
0.043
0.055
Producción Total de Lodo, 0.125
0.437
0.23
0.242
kg/m³
a - supone una concentración de 10 mg/l de fósforo influente como P, con el 80% removido mediante
precipitación química.
b - supone una remoción del 50% de 250 mg/l de SST influente, en la sedimentación primaria.
c - 125 mg/l de Ca(OH)2 adicionado para elevar el pH a 9.5.
d - 154 mg/l de Al2(SO4)3•14H2O adicionado.
e - 84 mg/l de FeCl3 adicionado.
Nota: No supone la recirculación de corrientes colaterales (por ejemplo, de lodo activado purgado a la
sedimentación pri maria, sobrenadante de digestor, etc.). La producción de sólidos secunadarios sería
reducida de 0.10 kg/m³ sin la adición de químicos a 0.04 kg/m³ con la adición de químicos en esta
planta hipotética.

1.3.1.2.Propiedades de Concentración
La mayoría de los lodos primarios pueden ser concentrados fácilmente dentro de los
tanques de sedimentación. Se puede obtener una concentración de sólidos entre el
cinco y seis por ciento, cuando el lodo es bombeado de tanques de sedimentación
primaria bien diseñados (279, 287, 290, 291). Sin embargo, valores tanto mayores
como inferiores son comunes. Las condiciones que influyen sobre la concentración
del lodo primario son:
• Si el agua residual no es desarenada antes de que entre a los tanques de
sedimentación.

3


Regresar

•
•

Si el lodo contiene grandes cantidades de sólidos finos no volátiles, como limo,
del influente pluvial, se puede lograr una concentración arriba del seis por
ciento (288, 293).
Las cargas industriales pueden afectar fuertemente la concentración de lodo
primario.

•

El lodo primario puede flotar cuando se le adhieren burbujas de gas generado
bajo condiciones anaerobias. Las condiciones que favorecen la formación de
gas incluyen: temperaturas calientes, depósitos de sólidos en los colectores,
desechos sépticos fuertes, tiempos de retención de sólidos en los tanques de
sedimentación prolongados, falta de precloración adecuada y recirculación de
los licores del lodo (295). Esto se puede evitar mediante el incremento de la
frecuencia y tasa del bombeo del lodo primario (296).

•

Si se mezclan los lodos biológicos con el agua residual, generalmente
resultará una concentración menor de lodo primario.

1.3.1.3.Composición y Características
La tabla 1.2 muestra varias de las características de los lodos primarios. En muchos
casos, se dan los ámbitos y/o valores "típicos".
En la ausencia de recirculación de corrientes colaterales de los procesos de lodos, el
porcentaje de sólidos volátiles en el lodo primario debe aproximarse al porcentaje de
sólidos suspendidos volátiles en el agua residual influente.
Un contenido de sólidos volátiles inferior al 70% normalmente indica la presencia de
aportación de agua pluvial, corrientes colaterales del procesado de lodos, una gran
cantidad de arena, lodo de una planta de filtración que fue descargado al drenaje
sanitario, desechos industriales con bajo contenido de sólidos volátiles, o sólidos de
aguas residuales que han tenido un largo tiempo de retención en el alcantarillado.

4


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Tabla 1.2. Caracteristicas del lodo primario
Característica

Acidos volátiles, mg/l 200 - 2,000
como ácido acético

Valor calorífico, Btu/lb,
(kJ/kg)

Gravedad específica
de partículas
individuales de sólidos

Gravedad específica
bruta (húmeda)

6,800 10,000

--

--

Valor
Típico
6

Comentarios

Referencia

--

278

500

--

278

-10,285
7,600

Depende del
contenido de volátiles
y composición del
lodo, valores
reportados están en
base peso seco.
Lodo con 74% volátil
Lodo con 65% volátil

278
278
297

1.4

Aumenta con mayor
contenido de arena,
limo, etc.

278

1.02

Aumenta con espesor
del lodo y gr. esp. de
los sólidos.

278

1.07

pH

Ambito de
Valores
5-8

Agua residual fuerte
de un sistema
combinado.

298

Relación DBO5/SSV

0.5 - 1.1

--

--

299

Relación DQO/SSV

1.2 - 1.6

--

--

299

Relación N-org/SSV

0.05 - 0.06

--

--

299

64 - 93

77

Valor obtenido sin
recirculación de lodos,
buen desarenado; 42
muestras, desviación
estándar de 5.

299

60 - 80

65

40

Valor bajo provocado
por influente alto de
tormenta

288

--

40

Valor bajo provocado
por desecho
industrial.

294

8 - 15
--

10
3.8

---

278
300

Contenido volátil, % por
peso sólidos secos

--

Celulosa, % por peso
de sólidos secos

5


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Característica

Ambito de
Valores

Valor
Típico

Comentarios

Referencia

Hemicelulosa, % por
peso de sólidos secos

--

3.2

--

300

Lignina, % por peso de
sólidos secos

--

5.8

--

300

6 - 30
7 - 35

---

Soluble en éter
Extractable en éter

278
300

20 - 30
22 - 28

25
--

--

278
300

1.5 - 4

2.5

Expresado como N

278

1.6

Expresado como
P2O5. Se dividen los
valores de P2O5 entre
2.29 para obtener
valores de P.

278

0.4

Expresado como
K2O. Se dividen los
valores de K2O entre
1.20 para obtener
valores de K.

278

Grasas y aceites, %
por peso de sólidos
secos

Proteína, % por peso
de sólidos secos

Nitrógeno, % por peso
de sólidos secos

Fósforo, % por peso de
sólidos secos

Potasa, % por peso de
sólidos secos

0.8 - 2.8

0-1

El lodo primario típicamente contiene más de 100 diferentes especies de bacterias
anaerobias y facultativas (301). Bacterias reductoras y oxidantes del sulfato, huevos
de gusanos y moscas, y microorganismos patógenos típicamente están presentes.
1.3.2.Lodos Biológicos
1.3.2.1.Características Generales
Los lodos biológicos son producidos por procesos de tratamiento tales como lodos
activados, filtros percoladores y biodiscos. Las cantidades y características de los
lodos biológicos varían con las tasas metabólicas y de crecimiento de los diferentes
microorganismos presentes en el lodo.
Las plantas con sedimentación primaria normalmente producen un lodo biológico
bastante puro. La concentración y, por tanto, el volumen del lodo biológico purgado
son afectados grandemente por el método de operación de los clarificadores. Los

6


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lodos biológicos generalmente son más difíciles de espesar y desaguar, que el lodo
primario y la mayoría de los lodos químicos.
1.3.2.2.Lodo Activado
El lodo activado tiene muchas variantes: aeración extendida, zanja de oxidación,
oxígeno puro, aeración mecánica, aeración por difusión, flujo en pistón, estabilización
por contacto, mezcla completa, alimentación por etapas, lodo activado nitrificante,
etc. (279).
La cantidad de lodo activado purgado (LAP) es afectada por dos parámetros: el peso
seco y la concentración del lodo.
a) Ecuaciones Básicas de Predicción
Las variables más importantes para predecir la producción de lodo activado purgado
son la cantidad de orgánicos removidos en el proceso, la masa de microorganismos
en el sistema, los sólidos suspendidos inertes en el influente al proceso biológico y la
pérdida de sólidos suspendidos en el efluente.
Estas variables se pueden juntar en dos sencillas y útiles ecuaciones:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M)
LAPt = Px + Inv - Et

(1-1)
(1-2)

donde:
Px
= crecimiento neto de sólidos biológicos (expresado como sólidos
suspendidos volátiles [SSV]), kg/día;
Y
= coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg;
= substrato removido (por ejemplo, DBO5), kg/día;
Sr
kd
= coeficiente de decaimiento, día-1;
M
= inventario en el sistema de sólidos microbianos (SSV), kg;
LAPt = producción de lodo activado purgado, kg/día;
= sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso kg/día; y
Inv
Et
= sólidos suspendidos efluentes, kg/día.
Para usar la ecuación 1-1, es necesario obtener valores de Y y kd. Mientras que la
tabla 1.3 resume varios valores reportados de estos parámetros, es mejor determinar
Y y kd para la corriente residual cuando sea posible.
Para usar la ecuación 1-2, es necesario estimar Inv, sólidos no volátiles influentes, y
Et, sólidos suspendidos efluentes. Los siguientes normalmente se incluyen en el
término Inv:
•

Sólidos no volátiles en el influente, incluyendo licores de recirculación.
7


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•

Precipitados químicos - por ejemplo, fosfatos de aluminio - cuando se agrega
alumbre al proceso de lodos activados.

•

Sólidos de escurrimientos pluviales que no son removidos en los procesos
anteriores (313).

•

Contenido normal no volátil del lodo activado. En la ausencia de licores del
lodo, precipitados químicos, y drenaje pluvial, el lodo activado tendrá un 80%
de volátiles (menos en aeración extendida) en la mayoría de las plantas
municipales.

Tabla 1.3. Cantidad de solidos suspendidos y quimicos removidos en un
tanque hipotetico de sedimentacion primaria (284, 285)
Referenc Coeficient Coeficiente Tipo de Agua Escala Aeraci Temperatu Edad Cálculo
ia
e de
de
Residual
de
ón
ra (°C)
de Remoción
Rendimie Decaimient
Planta
Lodos de DBO5
nto Brutoa
ob
(días)
2.8 25
0.5
0.055
Efl. Primario Lab.
Aire
19 - 22
22
Influente
Infl.
Oxígen
menos
26
0.7
0.04
Efl. Primario Piloto
o
no esp.
1 - 4 efluente
Infl.
menos
26, 27
0.67
0.06
Efl. Primario Real
Aire
18 - 27 1.2 - 8 efluente
Infl.
menos
28, 29
0.73
0.075
Efl. Primario Piloto Aire
10 - 16
1 - 12 efluente
Efl. Prim.
(agua
residual
Infl.
incluye
menos
licores del
efluente
30
0.94
0.14
desaguado Piloto Aire
15 - 20 0.5 - 8 soluble
Infl.
Oxígen
2.5 menos
31
0.73
0.06
Efl. Primario Piloto
o
18 - 22
17
efluente
no calc.
(despreciabl Efl. Primario
Grand
32
0.5
e)
(base militar) Piloto Aire
0-7
ed
Influente
Infl.
Efl. Primario
menos
(mucha
Oxígen
efluente
12
0.74
0.04
industria) Piloto
o
17 - 25 2.1 - 5 soluble
Crudo
desarenado
Infl.
incluyendo
menos
licores
efluente
30
1.57
0.07
desaguado Piloto Aire
15 - 20 0.6 - 3 soluble
Infl. sol.
Crudo
menos efl.
33
1.825
0.20
desarenado Lab.
Aire
4 - 20
1-3
soluble

8


Regresar

Referenc Coeficient Coeficiente Tipo de Agua Escala Aeraci Temperatu Edad Cálculo
ia
e de
de
Residual
de
ón
ra (°C)
de Remoción
Rendimie Decaimient
Planta
Lodos de DBO5
nto Brutoa
ob
(días)
Infl.
Crudo
11 y
menos
34
0.65
0.043
desarenado Lab.
Aire
20 - 21
másd efluente
Infl.
Crudo
Grand menos
34
0.70
0.048
desarenado Lab.
Aire
20 - 21
ed
efluente
Infl.
Crudo
Grand menos
34
0.54
0.014
desarenado Real
Aire
No esp.
ed
efluente
Infl.
35
1.1 menos
1.1
0.09
Crudo
Real
Aire
No esp.
2.4
efluente
a - Coeficiente de rendimiento bruto Y, kg SSV/kg DBO5.
b - Coeficiente de decaimiento kd, días-1.
c - Tiempo medio de residencia celular o edad del lodo θm, medido como masa de SSV del licor
mezclado dividido entre la producción de sólidos biológicos Px. Note que los coeficientes pueden ser
un tanto diferentes si el inventario total de SSV del sistema (SSV del licor mezclado más SSV del
clarificador) es utilizado en lugar del valor de los SSV del licor mezclado exclusivamente.
d - aeración extendida.
Nota: Todos los valores en este cuadro son para una ecuación del tipo Px = Ysr - kdM (Ec. 1-1).
Para calcular Et, se deberá utilizar un valor pequeño como 10 mg/l de SST.

a1) Efecto de la Edad del Lodo y Relación de F/M
La ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la edad del lodo
(θm).
Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)]

(1-3)

donde θm = M/Px = edad del lodo, días.
Similarmente, la ecuación 1-1 se puede reacomodar para mostrar el efecto de la
relación de F/M:
Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)]

(1-4)

donde:
=
coeficiente para igualar unidades de Sr y "F" en F/M; si Sr es la DBO5
C2
removida (influente menos efluente), entonces C2 es la eficiencia de remoción de
DBO5, cerca de 0.9;
F/M

=

relación de alimento a microorganismos;
=
DBO5 aplicada diariamente/SSV (masa) en el sistema.

9


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A medida que la θm aumenta y F/M disminuye, la producción de sólidos biológicos Pr
disminuye. El manejo de lodos es costoso, y los costos se pueden reducir utilizando
altos valores de θm o bajos valores de F/M. Sin embargo, existen factores de costos
que se compensan, tales como incrementos en el volumen equerido de tanque de
aeración, requerimientos de oxígeno para el sistema biológico aerobio, etc.
También, a medida que cambia la estación del año, puede cambiar el θm y F/M
óptimo para una eficiencia máxima de tratamiento del agua residual. Por
consiguiente, es deseable poder operar en un ámbito de condiciones. Obviamente,
se requieren cálculos de tanteos para establecer el sistema menos costoso.
a2) Efecto de la Nitrificación
La nitrificación consiste en la bioxidación del nitrógeno amoniacal y orgánico a nitritos
y nitratos. Los procesos estables de nitrificación operan con altas edades de lodos
(θm) y baja relación de alimento a microorganismos (F/M). También, los procesos de
nitrificación frecuentemente son precedidos por otros procesos que remueven mucha
de la DBO5 y SS. Como resultado, el lodo activado en estado de nitrificación
generalmente produce menos purga que el proceso convencional de lodos activados.
Sin embargo, existe un componente adicional del lodo nitrificante, el rendimiento neto
de bacterias nitrificantes, Yn. Este se puede estimar a razón de 0.15 kg de SS por kg
de nitrógeno total Kjeldahl (orgánico más amoniaco) removido (314). La Yn varía con
la temperatura, pH, oxígeno disuelto y tiempo de residencia celular. Sin embargo, no
son requeridas mediciones detalladas de Yn para el diseño de las instalaciones de
lodos debido a que la producción de bacterias nitrificantes es pequeña. En procesos
de nitrificación de una sola etapa, las cifras de producción de lodo también deberán
incluir los sólidos producidos por la oxidación carbonosa, calculada a la m y F/M del
sistema nitrificante.
a3) Efecto de la Composición del Substrato
El tipo de agua residual que es alimentada al proceso de lodos activados tiene mayor
influencia sobre los coeficientes de producción bruta (Y) y decaimiento (kd).
a4) Efecto de la Concentración de Oxígeno Disuelto
Concentraciones muy bajas de OD - por ejemplo, 0.5 mg/l - en sistemas
convencionales de lodos activados parecen incrementar la producción de sólidos,
aun cuando otros factores se mantienen constantes (315). Sin embargo, no existe
una clara definición de la producción de sólidos con niveles más altos de OD.
a5) Efecto de la Temperatura

10


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Los coeficientes Y (rendimiento bruto) y kd (decaimiento) están relacionados a la
actividad biológica y, por tanto, pueden variar debido a la temperatura del agua
residual. Se recomiendan los siguientes lineamientos:
•

Las temperaturas del agua residual dentro del ámbito de 15°C a 22°C se
pueden considerar como un caso base. En este ámbito no es necesario hacer
correcciones de temperatura. Cualquier variación en los coeficientes del
proceso dentro de este ámbito de temperatura será probablemente pequeña
en comparación con los efectos de otros factores.

•

Si la temperatura del agua residual está dentro del ámbito de 10°C a 15°C se
deben utilizar los mismos valores de kd, que en el caso de 15°C a 22°C , pero
el valor de Y se debe incrementar en un 26 por ciento.

•

Si la temperatura del agua residual está abajo de 10°C, se debe esperar
mayor producción de lodo (323), pero la cantidad no puede ser estimada con
precisión a partir de los datos disponibles. Bajo dichas condiciones, se
requieren estudios a nivel piloto del proceso.

•

Si la temperatura del agua residual está arriba de 22°C, se pueden utilizar los
valores de los coeficientes para el ámbito de 15°C a 22°C. El diseño puede
resultar un tanto conservador.
b) Cálculo de la Tasa Pico de Producción del Lodo Activado Purgado
La producción pico de sólidos se presenta debido a combinaciones desfavorables de
los elementos en las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4, presentadas con anterioridad:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M)
Px = (Y)(Sr)/[1 + (kd)(θm)]
Px = (Y)(Sr) - [(kd)(Sr)/(C2)(F/M)]

(1-1)
(1-3)
(1-4)

Todas estas ecuaciones predicen que la producción de sólidos (Px) aumenta con
incrementos en Sr y F/M y disminuye con incrementos en la masa de
microorganismos y θm. Px también aumenta si el coeficiente de rendimiento bruto (Y)
se incrementa o si el coeficiente de decaimiento (kd) disminuye. Cada uno de estos
factores que tienden a incrementar Px se presentan, dentro de ciertos límites, en la
práctica. Para calcular la producción pico de sólidos, se deben suponer las siguientes
condiciones:
•

Remoción pico de substrato (Sr). Si se mantiene una alta eficiencia de
tratamiento biológico del agua residual a una carga pico de contaminantes,
entonces Sr representa la remoción de orgánicos a carga máxima. Si Sr es
calculada en base a la remoción de DBO5, entonces se debe utilizar la

11


Regresar

máxima remoción de DBO5. La duración del pico de producción de sólidos
corresponderá a la duración del pico de carga.
•

Valor mínimo de θm o máximo de F/M. Esto permite al operador seleccionar
θm o F/M para obtener el efluente mejor posible. La condición promedio de
diseño puede ser F/M = 0.3, pero el operador puede obtener mejores
resultados a una F/M = 0.5 en el caso de condiciones específicas en una
planta de ratamieno determinada.

•

Valor máximo probable de Y.

•

Valor mínimo probable de kd.

Además, se deberá dar holgura en caso de que la temperatura del agua residual sea
menor de 15°C durante la carga pico. Reducciones en el inventario de sólidos
constituyen otro tipo de condición inestable que debe ser anticipada. Ocasionalmente
es necesario que el operador de la planta reduzca la masa de microorganismos (M)
en el proceso de tratamiento líquido mediante la purga de lodo activado. La purga de
lodo activado ayuda al operador a mantener una F/M constante ante reducciones en
la carga de DBO5. La purga de lodo activado también permite al operador sacar de
servicio tanques de aeración, clarificadores, etc., para limitar los sólidos en los
clarificadores, y evitar una mayor pérdida de sólidos en el efluente e inhibir el
crecimiento de microorganismos indeseables, tales como los actinomicetos que
provocan natas (327). Además, al reducir M, el operador puede con mayor facilidad
optimizar la biofloculación, así minimizando los sólidos en el efluente, y puede
controlar los requerimientos de aire u oxígeno.
Para plantas de tratamiento sin variaciones importantes conocidas de DBO5 y SS, se
debe dar una holgura al diseñar las instalaciones para el manejo de sólidos, que
permita purgar un dos por ciento adicional de M por día, con una duración de hasta
dos semanas. Para plantas con variaciones mayores en la carga estacional, se debe
incluir holgura para la purga de un cinco por ciento adicional de M por día, con una
duración de hasta dos semanas. Una holgura similar se debe dar en plantas que
practican la nitrificación sólo durante una parte del año. Finalmente, para plantas con
variaciones mayor de entre semana al fin de semana, de más del 2:1 en carga de
DBO5, y con relaciones de F/M medianas a altas, mayores de 0.3 durante las cargas
altas, la holgura deberá ser de un día de purga de lodos de hasta un 25% de M. La
planta también deberá ser capaz de manejar la purga de un cinco por ciento de M
por día, con una duración de hasta dos semanas.
Como la reducción del inventario no es practicada normalmente durante los periodos
pico, las capacidades de holgura mencionadas arriba deberán ser adicionadas a la
producción media de sólidos. La tasa máxima de producción de lodo activado se
determina en función de lo que sea mayor: producción durante cargas pico o la suma
de la producción media más la holgura para reducción del inventario.

12


Regresar

Ocasionalmente, el lodo es purgado de tal forma que la M aumenta a veces y
disminuye en otras. El uso de dichos patrones aumenta la tasa máxima a la cual se
deberá remover el LAP.
c) Medición de los Coeficientes de Rendimiento de Lodos
Estudios a nivel piloto y registros de operación a escala real pueden proporcionar
mejores datos para establecer los criterios de diseño de producción de lodos, que
cualquier compilación general de datos de otros sitios. La medición de los
coeficientes de rendimiento de lodo son de dos tipos básicos. Primero, tanto el
rendimiento bruto Y el decaimiento kd pueden ser determinados. Segundo, se
pueden utilizar exclusivamente los valores de rendimiento neto observados.
Las ecuaciones 1-1, 1-3 y 1-4 son utilizadas cuando se espera que la relación F/M y
la edad del lodo, θm, vayan a variar en la planta. Para utilizar estas ecuaciones, es
necesario determinar los dos coeficientes de rendimiento de lodo, Y y kd. Para
establecer estos dos coeficientes, se debe medir la producción de sólidos bajo por lo
menos dos diferentes condiciones de F/M y θm. La Ecuación 1-1 se puede
reacomodar:
Px/M = Y (Sr/M) - kd

13


(1-5)

Regresar

donde:
Px/M =
Sr/M =

tasa de crecimiento neto = 1/θm días-1,
kg DBO5 removidos por día/kg SSV.

Esta ecuación representa una relación básica de línea recta entre Px/M y Sr/M. Para
cada condición de operación, Px/M y Sr/M son calculadas y graficadas, y se traza una
línea recta por los puntos. La pendiente de esta línea representa el coeficiente de
rendimiento (Y) y la intersección el coeficiente de decaimiento (kd). En la figura 1.1 se
puede apreciar el procedimiento.
Si las condiciones de diseño de Sr/M o θm son conocidas y si la producción de
sólidos se puede medir bajo estas condiciones, entonces no es necesario determinar
los dos coeficientes Y y kd. Sólo será necesario calcular el rendimiento neto
observado. Las ecuaciones 1-1 y 1-3 se reacomodan para mostrar:
Yobs = Px/Sr = Y - kd/(Sr/M) = Y/[1 + (kd)(θm)]
donde:
Yobs = coeficiente neto de rendimiento,
= kg SSV producidos/kg substrato removido (DBO5)

Figura 1.1. Curvas de crecimiento neto.

14


(1-6)

Regresar

Los coeficientes de rendimiento neto con frecuencia se reportan en la literatura. Son
aplicables directamente sólo bajo las condiciones de Sr/M y θm que se presentaron
durante los experimentos; no tienen significado a menos que también se mida Sr/M o
m. Para la obtención de datos de plantas piloto o instalaciones existentes para ser
utilizados en establecer los coeficientes de rendimiento de lodo, se deben tomar
varias precuaciones. Se debe utilizar el control automático de oxígeno disuelto (OD)
en la prueba o se debe proporcionar aire u oxígeno en exceso para asegurar que la
concentración de OD en el licor mezclado está arriba de 2.0 mg/l en todo momento.
Los datos de temperaturas muy distintas no se deben graficar en la misma figura
para determinar Y y kd. En su lugar, los datos de cada ámbito de temperatura
deberán ser utilizados para determinar Y y kd en cada ámbito. Cada condición de
Sr/M y θm se debe mantener el suficiente tiempo para obtener una operación estable.
Para asegurar la estabilidad del sistema, un periodo equivalente a tres veces la edad
del lodo debe transcurrir entre cada prueba. Se deberá utilizar el término Inv en la
ecuación 1-2 para corregir los efectos de las corrientes colaterales. Se debe registrar
el porcentaje de sólidos volátiles producidos. Esto será útil al calcular los sólidos
totales en el lodo.
d) Ejemplo: Determinación de la Producción de Lodo Biológico
Este ejemplo ilustra el uso de los factores de rendimiento y decaimiento. La figura 1.2
muestra un diagrama de flujo para una planta hipotética. El problema consiste en
preparar una estimación inicial de la carga al espesador del lodo activado purgado.
La tabla 1.4 contiene la información requerida para este cálculo, incluyendo las
cargas promedio y máxima diaria y las características de operación del lodo activado.
Se supone que el espesador en este ejemplo tendrá que manejar la producción
máxima diaria de lodo activado purgado. Cargas pico de menor duración a la
producción máxima diaria serán manejadas mediante almacenamiento de los sólidos
suspendidos adicionales en los tanques de aeración. Para los propósitos de este
ejemplo, los procesos de tratamiento de lodos tales como digestión, desaguado,
desinfección, acondicionamiento térmico y químico no han sido identificados.
Dependiendo de la selección y diseño de los procesos de tratamiento de los lodos,
las cargas de recirculación de dichos procesos pueden tener un efecto importante
sobre la cantidad de lodo activado purgado y lodo primario que deberá ser
procesado. Al ser conocidos, los orgánicos degradables (DBO5) y la fracción no
volátil de las corrientes colaterales deberá ser agregada a los factores de remoción
de substrato (Sr) y sólidos suspendidos no volátiles (Inv). Cálculos posteriores en las
ecuaciones 1-1 y 1-2 tienen el propósito de obtener un balance de masa de lodo, que
incluye el efecto de la recirculación de las corrientes colaterales.

15


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DESECHO S
DO M ESTI CO S Y
CO M ERCI ALES

TRA TAM I EN TO
PRELI M I N A R

TA N Q UES DE
A EREA CI O N

SEDI M EN TA CI O N
PRI M ARI A

CLA RI FI CA DO RES
FI N A LES

AREN A

LO DO
A CTI VA DO
RETO RN A DO

LO DO
PRI M A RI O

RECI RCULA CI O N
LO DO A CTI VA DO
PURGA DO A SER
CA LCULA DO

RECI RCULA CI O N

EXTRA CCI O N DEL
CLA RI FI CA DO R

ESPESA DO R DE LO DO

TRA TA M I EN TO DE LO DO

LO DO PARA REUSO O
DI SPO SI CI O N

DESI N FECCI O N
Y DESCARGA

Figura 1.2. Diagrama para ejemplo de cantidad de lodo.
Tabla 1.4. Datos de diseño para el ejemplo de produccion de lodos.
Gasto Influente, m³/d
Eficiencia de Captura de Lodo Espesado
Descripción
Valor
Descripción
Valor
Promedio diario
18,900
Promedio, %
95
Máximo diario
36,000
Máximo diario, %
85
DBO5 Influente, mg/l
Relación de F/Ma
Promedio diario
190
Promedio
0.3
Máximo diario
160
Máximo
0.5
Sólidos Suspendidos en Influente,
mg/l
Temperatura del Agua Residual
Promedio diario
240
Promedio, °C
18
Máximo diario
190
Mínimo, °C
10
Remoción
de
DBO5
en Oxígeno Disuelto en Tanques de
Sedimentación Primaria, %
Aeración, mg/l
Promedio diario
35
Promedio
2.5
Máximo diario
25
Máximo
2.0
Control: Automático
Remoción de Sól. Susp. en Sed. Límites Máximos Efluente Promedio de 30
Primaria
días
Promedio diario
65
DBO5, mg/l
30
Máximo diario
50
Sól. Susp., mg/l
30
Datos de Prueba para Prod. de Ninguno
b
Sólidos
a - kg DBO5 aplicada diariamente / kg SSV licor mezclado
b - Datos de otras plantas tendrán que ser utilizados.
Nota: Las concentraciones del máximo diario de DBO5 y Sólidos Suspendidos influentes reflejan la
dilución del promedio diario debido al mayor gasto presente.

16


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Paso No. 1. Determinar la carga de DBO5 al proceso de lodos activados.
Carga promedio diaria de DBO5:
18,925 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.35) = 2,337 kg/día
Carga máxima diaria de DBO5:
35,958 m³/d x 160 mg/l x (1 - 0.25) = 4,315 kg/día
Paso No. 2. Determinar M, la masa de microorganismos.
Promedio: F/M = DBO5 aplicada por día/ SSV en el sistema = 0.3
M = 2,337/0.3 = 7,790 kg SSV
Máximo diario: F/M = 0.5
M = 4,315/0.5 = 8,630 kg SSV
Paso No. 3. Determinar Y, el coeficiente de rendimiento bruto, y kd, el coeficiente de
decaimiento. No hay datos de prueba disponibles para este desecho, por lo cual será
necesario estimar en base a pruebas con otros desechos. Para las condiciones
promedio, utilice los datos de Los Angeles del cuadro 1-3 (304): Y = 0.67 kg SSV
formado por kg de DBO5 removida; kd = 0.06 día-1.
Para condiciones máximas, utilice una temperatura mínima de 10°C, que produce el
valor máximo de Y. Utilice el factor de correción de la sección 1.3.2.2.b, que
incrementa Y en un 26 por ciento.
Ymáx = 0.67 x 1.26 = 0.84; no ajuste kd
Paso No. 4. Determine Sr (remoción de substrato) en unidades similares a Y.
Remoción de substrato promedio diario:
DBO5 aplicada
DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) Total removido por día

2,337 kg/día
189 kg/día
2,148 kg/día

Remoción de substrato máxima diaria:
DBO5 aplicada
DBO5 efluente (suponga 10 mg/l*) Total removido por día

4,315 kg/día
360 kg/día
3,955 kg/día

17


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* Considere una DBO5 efluente de 10 mg/l, aunque a la planta se le permita
descargar 30 mg/l. Las plantas de lodos activados pueden con frecuencia lograr una
DBO5 efluente de 10 mg/l. Se deberá proporcionar capacidad de manejo de lodos
para dichas condiciones.
Paso No. 5. Determine Px, la producción de sólidos biológicos. Utilice la ecuación 1-1
de la sección 1.3.2.2.b:
Px = (Y)(Sr) - (kd)(M)

(1-1)

Promedio:
0.67 kg SSV producidos/kg DBO5 removida x 2,148 kg/día DBO5 rem.
- (0.06 día-1) (7,790 kg SSV) = 972 kg SSV producidos por día
Máximo diario:
(0.84)(3,955) - (0.06)(8,630) = 2,804 kg SSV producidos/día
Paso No. 6. Calcule Inv (sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso de
lodos activados).
Promedio diario de sólidos suspendidos no volátiles:
18,925 m³/d x 240 mg/l x (1 - 0.65)(0.25*) = 397 kg/día
Máximo diario de sólidos suspendidos no volátiles:
35,958 m³/d x 190 mg/l x (1 - 0.50)(0.25*) = 854 kg/día
* - Se supone un 25% de fracción de sólidos suspendidos no volátiles.
Paso No. 7. Calcule Et (sólidos suspendidos en el efluente).
Promedio:
18,925 m³/d x 10 mg/l = 189 kg/día
Máximo diario:
35,958 m³/d x 10 mg/l = 361 kg/día
Paso No. 8. Calcule la producción de lodo activado purgado (LAPt)
De la Ecuación 1-2:
LAPt = Px + Inv - Et
18


(1-2)

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LAPt = 972 + 397 - 189 = 1,180 kg/día
Máximo diario:
LAPt = 2,804 + 854 - 361 = 3,297 kg/día
Paso No. 9. Calcule la holgura para reducción de inventario.
Holgura reducción de inventario = (0.02)(7,790) = 156 kg/día
En el presente caso, la holgura para reducción de inventario puede pequeña.
Considere el 2% de M por día. Los 156 kg/d calculados son mucho menores a la
diferencia entre la producción promedio y máxima diaria de lodo activado purgado
(Paso No. 8); por consiguiente, si se proporciona capacidad para la máxima
producción de sólidos, entonces habrá suficiente capacidad para la reducción de
inventario. No es necesario reducir el inventario durante las cargas pico.
e) Interacción de los Cálculos de Rendimiento y el Diagrama de Flujo Cuantitativo
(DFC)
El ejemplo anterior demuestra la técnica para calcular la producción de sólidos, sin
considerar la recirculación de las corrientes colaterales. El DFC considera los efectos
de la recirculación de las corrientes colaterales. Antes de poder elaborar el DFC para
los procesos de tratamiento biológico, se tiene que hacer una estimación de la
destrucción o síntesis neta de sólidos.
La relación entre los sólidos que entran y salen de la unidad biológica se establece
mediante el parámetro Xd, que se define como la destrucción neta de sólidos por
unidad de sólidos que entran al reactor biológico. Los datos y cálculos del ejemplo
anterior permiten hacer una estimación inicial de Xd.
Para gasto promedio:
1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 972 + 397 = 1,369 kg/día.
2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente
primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente
primario = (1-0.65) (240) (18,925) = 1,590 kg/día.
3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 1,590 - 1,369 =
221 kg/día.
4.Xd = 221/1,590 = 0.139
Para gasto máximo diario:

19


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1. Sólidos que salen de la unidad biológica = Px + Inv = 2,804 + 854 = 3,658 kg/día.
2. Los sólidos que entran a la unidad biológica son iguales a los sólidos en el efluente
primario, que pueden ser calculados de los datos en el cuadro 1-3. Sólidos efluente
primario = (1-0.5) (190) (35,958) = 3,416 kg/día.
3. Destrucción neta de sólidos = sólidos influente - sólidos efluente = 3,658 - 3,416 =
242 kg/día.
4. Xd = 242/3,416 = 0.071
Una vez que se conoce Xd, se puede realizar el cálculo del DFC. Después de
concluir el cálculo del DFC, se pueden hacer nuevas estimaciones para Px e Inv, en
base a la información derivada del cálculo del DFC. Por ejemplo, si el cálculo del
DFC establece que las cargas de recirculación son importantes, puede ser necesario
modificar las estimaciones de Sr e Inv y calcular nuevos valores para Px e Inv.
f) Concentración del Lodo Activado Purgado
El volumen del lodo producido por el proceso es directamente proporcional al peso
seco e inversamente proporcional al espeso o cencentración de sólidos en la
corriente de purgado de lodos. Los valores de concentración de lodos activados
purgados pueden variar, en la práctica, desde 1,000 hasta 30,000 mg/L de SS (0.1 a
3% SS).
Una variable importante que puede afectar la concentración del lodo activado
purgado consiste en le método de purgado del lodo. En la figura 1.3 se muestran
diferentes métodos. Los sólidos del lodo se pueden purgar directamente de la
extracción del clarificador. La purga de sólidos a partir del licor mezclado puede
mejorar el control del proceso (279, 312). En este caso, el lodo se purga del proceso
de lodos activados a la misma concentración que los sólidos suspendidos del licor
mezclado, del orden de 0.1 a 0.4%. Esta baja concentración puede ser una
desventaja debido al gran volumen de licor mezclado que se tiene que remover para
obtener la purga deseada en base al peso seco de los sólidos. Normalmente el lodo
se purga directamente de la extracción del clarificador, debido a que la cocentración
del lodo es mayor que en el licor mezclado. Las descripciones subsecuentes en esta
sección se hacen en base a la purga del lodo directamente de la extracción del
clarificador.
f1) Estimación de la Concentración del Lodo Activado Purgado
Los dos principales factores que afectan la concentración del lodo activado purgado
son la sedimetabilidad del lodo y la tasa de carga de sólidos al tanque de
sedimentación. Estos dos factores han sido considerados en detalle en el desarrollo
de los procedimientos del flujos de sólidos para predecir la concentración del lodo
activado en la extracción del clarificador (328).
f2) Factores que Afectan la Concentración de Extracción
20


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Varios de los factores que afectan la sedimentabilidad del lodo y la carga al
clarificador incluyen:
• Características biológicas del lodo. Estas características pueden ser
controladas parcialmente manteniendo una edad media de lodo o de relación
F/M. Altas concentraciones de organismos filamentosos se pueden presentar
a veces en el lodo activado. La reducción de estos organismos mediante el
control de la edad del lodo o F/M ayuda a producir una extracción del
clarificador más concentrada.
•

Temperatura. A medida que se reduce la temperatura del agua residual, la
concentración máxima obtenible en la extracción del clarificado Cu también se
reduce como resultado del incremento en la densidad del agua. Además, la
temperatura puede afectar las propiedades de sedimentación del lodo.

•

Flujo de sólidos. El flujo de sólidos es la carga de sólidos proveniente del licor
mezclado divifdida entre el área del clarificador (por ejemplo, kg/día/m²).
Mayores tasas de flujos de sólidos requieren que los clarificadores sean
operados a menores concentraciones de sólidos.

•

Límites del equipo de recolección de lodos. Debido a la naturaleza
pseudoplástica y viscosa del lodo activado purgado, algunos de los colectores
y bombas de lodo disponibles no son capaces de una operación contínua y
confiable cuando Cu excede los 5,000 mg/L.

•

Sólidos suspendidos pesados en el lodo. Si el agua residual cruda, en vez del
efluente de la sedimentación primaria, es alimentada al proceso de lodos
activados, normalmente resultan valores mas altos de Cu. Los químicos
adicionados al agua residual para la remoción de fósforo y sólidos
suspendidos pueden afectar similarmente el valor de C. Sin embargo, dichos
sólidos adicionales también incrementan la carga de sólidos al clarificador.

g) Otras Propiedades del Lodo Activado
La tabla 1.5 contiene varias mediciones reportadas de la composición y propiedades
de los sólidos de lodos activados. Al comparar la tabla 1.5 con la tabla 1.2 de lodo
primario, el lodo activado contiene mayor cantidad de nitrógeno, fósforo y proteína;
las grasas, aceites y celulosa, así como la gravedad específica son menores.

21


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Figura 1.3. Metodos de purgado de lodos.

22


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Tabla 1.5. Caracteristicas de los lodos activados.
Característica

Ambito de
Valores

Valores
Típicos
--

5.5
6,540
(15,200)

pH
Valor de calentamiento, Btu/lb
(kJ/kg)
Gravedad específica de partículas
individuales de sólidos

6.5 - 8

Gravedad específica bruta

--

1.08
1.0+7x108xC

Color
Relación DQO/SSV

---

Café
2.17

Relación Carbono/Nitrógeno
Carbono orgánico, % por peso de
sólidos secos
Nitrógeno, % por peso de sólidos
secos (como N)

Fósforo, % por peso de sólidos
secos como P2O5 (divida entre 2.29
para obtener P)
Potasio, % por peso de sólidos
secos como K2O (divida entre 1.20
para obtener K)
Sólidos volátiles, % por peso de
sólidos secos (% como ceniza es
100 menos % volátil)

---

-----17 - 41
23 - 44
4.7 - 6.7
-2
4 - 5.0
3.0 - 3.7
-2.8 - 11
-0.5 - 0.7
--61 - 75
-62 - 75
59 - 70
--

12.9
6.6
14.6
5.7
3.5
---

--

Grasas y aceites, % por peso seco 5 - 12
de sólidos
Celulosa, % por peso seco de
sólidos
Proteína, % por peso seco de 32 - 41
sólidos

Referencia
330, 331
332
333

C es la concentración de sólidos
suspendidos, en mg/l.
Se ha notado algún lodo gris. El lodo
activado se vuelve negro con la
descomposición anaerobia.

334

-335

Baltimore, Maryland
Jasper, Indiana
Richmond, Indiana
Southwest plant, Chicago, IL
Milwaukee, Wisconsin (secado con
calor)
Zurich, Suiza
Cuatro plantas
Zurich, Suiza
Chicago, Illinois
Cuatro plantas
Milwaukee, Wisconsin
Zurich, Suiza
Chicago, Illinois
Cuatro plantas
Zurich, Suiza
Chicago, Illinois
Zurich, Suiza

332
332
332
332
332
305
332

--

305
336
332
336
305
336
332
336
305
336
336
305
335
337
332
Cuatro plantas
Renton, Washington (Seattle Metro) -promedio de 1976.
San
Ramón,
California
(Valley -Community
Services
District),
promedio de 1975.
Central plant, Sacramento County, CA, -julio 1977 a junio 1978, promedio.
Extracto en éter
338

7

Incluye lignina

337

--

--

338

-5.6
-6.0
-7.0
-4.0
-0.56
0.41
-63
--76
88

Sólidos volátiles (cont.)

Comentarios
Puede ser menor en sistemas de
oxígeno puro o si empieza la digestión anaerobia.
Baltimore, Maryland
Aumenta con el contenido porcentual
de volátiles.

81

Varios tipos de microorganismos están presentes en grandes cantidades en el lodo
activado. Las bacterias formadoras de flóculos (zoogleas) incluyen especies de
Zoogloea, Pseudomonas, Arthrobacter y Alcaligenes. El lodo activado también
contiene microorganismos filamentosos como Sphaerotilus, Thiothrix, Bacilus y

23


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Beggiatoa (339). Varios tipos de protozoarios están presentes, incluyendo ciliados y
flagelados.
1.3.2.3.Filtros Biológicos
Los filtros percoladores son utilizados ampliamente en el tratamiento de las aguas
residuales municipales. Esta sección trata sobre los filtros percoladores utilizados con
clarificadores. Cuando no se utiliza un clarificador, el efluente del filtro percolador
normalmente es alimentado a un proceso de lodos activados.
a) Cálculo de la Producción de Lodo de Filtros Biológicos - Base Peso Seco
Los microorganismos de los filtros percoladores son bioquímicamente similares a los
que predominan en los sistemas de lodos activados. Por consiguiente, la producción
de sólidos de los filtros percoladores y sistemas de lodos activados es muy similar
cuando se compara en base a masa de sólidos producidos por masa de substrato
removido. Sin embargo, existen diferencias entre los dos sistemas con respecto a la
metodología para la predicción de la producción de sólidos y el esquema para el
purgado de lodo. Los métodos empíricos son normalmente utilizados para el diseño.
La tabla 1.6 presenta los rendimientos de lodo observados en varias plantas de
tratamiento y en un estudio a largo plazo a nivel piloto. Estos datos principalmente
están basados en filtros que han recibido cargas altas.
Tabla 1.6. Produccion de solidos en filtros percoladores
Producción Unitaria de Sólidosa

Planta

Base
DBO5
Totalb

Base
Base DBO5 DQO
IT-ESd Base SSe
IT-ESc

Base
SSVf

% Sólidos
Volátiles

Carga
DBO5g

Medio

Referencia
6342

Stockton, Californiah
Promedio 13 meses

0.74

0.67

0.43

1.00

0.94

77

0.43

Plástico,

Mes más alto

1.01

0.92

0.60

1.17

1.08

86

1.17

88.5 m²/m³

(5/76)
Mes más bajo

(5/76, 7/76) (7/76) (6/76, 1/77) (10/76) (8/76, 11/76)

(8/76)

0.49

0.48

0.30

0.61

0.60

64

0.24

(1/77)

(1/77)

(1/77)

(3/76)

(3/77)

(3/76, 6/76)

(6/76)

Sacramento, Californiah

Plástico

343

9 meses sin enlatar
Promedio

--

--

--

1.01

1.00

78

--

Mes más alto

--

--

--

1.09

1.09

83

--

3 meses de enlatado
--

--

--

1.20

1.24

76

--

Dallas, Texas

Promedio

0.42

--

--

--

--

--

--

Roca

344

Dallas, Texas

0.65

--

--

--

--

--

--

344

Livermore, California

1.10i

--

--

1.39

1.51

84

0.91

San Pablo, California

--

--

--

1.39

--

--

3.19

Seattle, Washingtonj

--

0.8-0.9

--

1.0

--

--

0.5-4.0

Roca
Roca, 5 a
10 cm
Plástico,
95.1m²/m³
Plástico,
varios

345
344
341

a - Producción de sólidos incluye lodo purgado (extracción de clarificador) y sólidos en el efluente
líquido del clarificador.

24


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b - Masa (kg) de sólidos suspendidos volátiles (SSV) por masa de DBO5 removida. La DBO5
removida en base a mediciones totales (suspendido más disuelto).
c - Masa (kg) de SSV por masa de DBO5 removida. La DBO5 removida basada en mediciones de
influente total menos efluente soluble (IT-ES).
d - Masa (kg) de SSV por masa de demanda química de oxígeno (DQO) removida. Remoción de DQO
basada en mediciones de influente total menos efluente soluble.
e - Masa (kg) total de sólidos suspendidos (SS) producida por masa de SS aplicada.
f - Masa (kg) de SSV producida por masa de SSV aplicada.
g - Masa (kg) total DBO5 aplicada por día metro cúbico de medio.
h - Las plantas de Stockton y Sacramento tienen una aportación industrial alta entre agosto y octubre
de las enlatadoras de frutas y verduras.
i - Filtro de desbaste. Para DBO5, la remoción de DBO5 se calculó en base a la DBO5, inf. menos 0.5
veces la DBO5, efl. sin sedimentar. Datos promedio para 1971.
j - Estudios piloto. La base SS se encontró que describe bien los datos a través de un amplio ámbito
de cargas. El agua residual incluye algo de carga industrial y licores de recirculación del desaguado
de lodos digeridos.

Las ecuaciones que relacionan la producción de material suspendido en filtros
percoladores pueden ser desarrolladas en forma similar a las utilizadas en la
predicción de la producción de lodo activado. La principal diferencia radica en el
término utilizado para definir la cantidad de microorganismos en el sistema. En
estudios a largo plazo sobre el funcionamiento de filtros percoladores, Merrill (341)
supuso que la masa total de microorganismos presente en el sistema era
proporcional al área superficial del medio. La ecuación resultante para la producción
de sólidos volátiles fue:
Px = Y' (Sr) - K'd (Am)

(1-7)

donde,
Px
Y'
K'd
Sr
Am

=
=
=
=
=

Crecimiento neto de sólidos biológicos (SSV), kg/d;
Coeficiente de rendimiento bruto, kg/kg;
Coeficiente de decaimiento, d-1;
Substrato removido (DBO5), kg/d = DBO5 inf - DBO5 sol. efl.;
Area superficial total del medio en el reactor, m²

La producción de lodo en el filtro percolador que requiere un manejo posterior puede
ser expresado como:
LFPP = Px + Inv - Et

(1-8)

donde,
LFPP =
=
Inv
Et
=

Producción de lodos purgados en el filtro percolador, kg/d;
Sólidos suspendidos no volátiles alimentados al proceso, kg/d;
Sólidos suspendidos en el efluente, kg/d.

25


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Los coeficientes Y' y K'd de la ecuación 1-7 se obtienen para determinado sistema
calculando la pendiente e intersección de la recta graficada a través de los puntos de
datos para Px/Am contra Sr/Am. Los datos de producción de SSV para tres diferentes
medios de filtros percoladores aparecen en la figura 1.4.

Figura 1.4. Datos de produccion de ssv para tres diseños de medios
Para filtros percoladores

26


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La nitrificación en los filtros percoladores produce la síntesis de bacterias
nitrificantes. Sin embargo como en el lodo activado, la cantidad es pequeña. Un valor
de 3 mg/L ha sido sugerido con propósitos de diseño (344). Esta cantidad debe ser
adicionada a los demás sólidos producidos por el filtro percolador. Los filtros
percoladores producen cargas pico de lodo. Estas se pueden deber a variaciones en
la carga influente, cambios climatológicos rápidos, y/o factores bioquímicos que
provocan el desprendimiento de grandes cantidades de biomasa del medio. La tabla
1.7 muestra algunas variaciones debido tanto a descargas anormales de biomasa
como a variaciones de la carga influente.
La tabla 1.8, en cambio, muestra solamente la descarga de biomasa. Cada uno de
los tres eventos en la tabla 1.8 "ocurrió durante periodos de cargas orgánicas ligeras
(0.49 a 0.81 kg/m³/d) que habían sido precedidas por periodos en los cuales se
habían aplicado cargas orgánicas extraordinariamente altas (3.48 a 3.81 kg/m³/d) en
forma constante (4 a 14 días)" (341). La tabla 1.8 muestra que los sólidos en el
efluente son mucho mayores que los sólidos en el influente. Esto es bastante
diferente a las condiciones promedio, bajo los cuales los sólidos efluente son más o
menos iguales a los sólidos influente.
Tabla 1.7. Variacion diaria del efluente de filtros percoladores stockton.
California (342)
Número de SST Promedio Coeficiente Relación del Cinco
%c
Muestrasa
(mg/l)
de Variaciónb
Marzo-Julio 1976
57
144
0.28
1.5
Agosto-Septiembre 1976d
26
187
0.33
1.6
Noviembre 1976 - Marzo 1977
51
149
0.31
1.7
a - Muestras son de efluente de filtros percoladores (antes de sedimentación) sólidos suspendidos
totales, refrigeradas compuestas de 24 h. Variaciones de gasto en cada población de muestras fue
pequeña; es decir, las relaciones en este cuadro representan variaciones de masa, así como de
concentración.
b - Desviación estándar dividida entre el promedio.
c - Relación entre la concentración de muestras individuales y la concentración promedio.
d - Alta carga industrial en agosto y septiembre del enlatado de fruta y verduras.
Periodo

Tabla 1.8. Descripcion de los eventos de desprendimiento de solidos en filtros
percoladores (342)
Periodo

Duración
(días)

Sólidos
Suspendidos
(mg/l)

Gasto
(lps/m²)

Superficie
Carga
Aplicadac Específica
(kg DBO5/ del Medio
m³/d)
(m²/m³)

Influente Efluente Influentea Recirculaciónb
Octubre 22-26,
1976
5
114
256
0.30
1.40
0.53
88.6d
Agosto 5-6, 1977
2
132
289
0.43
1.06
0.80
88.6d
Julio 31 - Agosto
5, 1977
6
147
222
0.43
1.06
0.80
Graduadoe
a - Gasto de agua residual influente dividido entre el área de la sección del filtro.
b - Gasto de recirculación (del efluente del filtro percolador) dividido entre el área de la sección del
filtro.

27


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c - En base a gasto influente.
d - Medio plástico en hojas, 6.71 m de profundidad.
e - Medio plástico en hojas, 6.71 m de profundidad; superficie específica varió entre 82 m²/m³ en la
parte superior del filtro a 141 m²/m³ en el fondo.

Especialmente, en filtros de baja tasa existen variaciones estacionales en la
producción de sólidos. "La biomasa tiende a acumularse en el filtro durante el
invierno y en la primavera existe una tendencia a descargarla, cuando la actividad de
los microorganismos se incrementa de nuevo" (324).
La cantidad de sólidos que requieren tratamiento depende de la eficiencia de la
sedimentación, que normalmente es del 40 al 50% con respecto a la remoción de
sólidos suspendidos. La eficiencia de la sedimentación es mejorada mediante un
diseño cuidadoso, cargas ligeras, sedimentadores de tubo, y coagulación y
floculación (295, 341).
b) Concentración del Lodo de Filtros Biológicos
Las cargas del lodo de filtros percoladores sobre los tanques de sedimentación
secundaria normalmente son bajas - de 5 a 10% de las cargas de sólidos observadas
en los tanques de sedimentación del proceso de lodos activados.
El lodo de los filtros percoladores también tiene mejores propiedades para el
espesamiento que el lodo activado. Por consiguiente, el lodo de filtros percoladores
puede ser extraído a una concentración mucho mayor que el lodo activado purgado.
Los datos de concentración se resumen en la tabla 1.9.
Tabla 1.9. Concentracion del lodo de filtros percoladores extraido de los
clarificadores finales.
Tipo de Lodo

Por ciento de
Sólidos Secos

Comentarios

Referencia

Filtro percolador,
exclusivamente

5 - 10
7
7
3
3-4
4-7

Depende del tiempo de
residencia de sólidos en
el filtro

346
290
347
347
348
279

Filtro percolador,
combinado con primariocrudo

3-6

279, 346

El método de flujo de sólidos para predecir la concentración de lodos puede ser
utilizado en filtros percoladores (329). Este método requiere la medición de la
velocidad de sedimentación incial de los sólidos contra la concentración de sólidos.
Dichas relaciones han sido reportadas para por lo menos un proceso de filtros
percoladores (341).

28


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c) Propiedades - Lodo de Filtros Biológicos
La tabla 1.10 contiene algunos análisis de las propiedades del lodo de filtros
percoladores. La población microbiana que habita un filtro percolador es compleja e
incluye muchas especies de algas, bacteria, hongos,protozoarios, gusanos,
caracoles e insectos.
Las moscas de filtros y sus larvas frecuentemente están presentes en grandes
números alrededor de los filtros percoladores.
Tabla 1.10. Composicion del lodo de filtros percoladores
Propiedad
Contenido volátil, por ciento de sólidos totales
Nitrógeno, por ciento de sólidos totales

Fósforo como P2O5, por ciento de
sólidos totales
Aceites, por ciento de sólidos totales
Grasas, por ciento de sólidos totales
Gravedad específica de partículas
individuales sólidas
Gravedad específica bruta (húmeda)
Color

RefeComentarios
rencia
Ver Cuadro 1-6
-Depende del tiempo de alma- 346
cenamiento del lodo en el fil348
Tro
290
348
290
Soluble en éter
290
Película biológica de prueba
0.03
cultivada en efluente primario 249
1.52
350
1.33
279
1.02
290
1.025
279
Gris café
290
Negro
341
Valor
64 - 86
1.5 - 5
2.9
2.0
2.8
1.2
6

1.3.2.4.Lodo de Reactores Biológicos Giratorios
Los reactores biológicos giratorios (biodiscos) son utilizados con el mismo propósito
básico que los lodos activados y filtros percoladores: para remover DBO5 y SS y,
cuando necesario, para nitrificar.
El proceso de biodiscos utiliza un tanque en el cual el agua residual, normalmente
efluente primario, es contactada con un medio plástico en forma de grandes discos.
Las bacterias crecen sobre los discos. Los discos giran lentamente sobre ejes
horizontales; las bacterias son alternadamente sumerjidas en el agua residual y
expuestas al aire. El exceso de bacterias se desprende de los discos y cae al agua
residual.
Después de hacer contacto con las bacterias, el agua residual pasa a un tanque de
sedimentación, donde el excedente de bacterias y otros sólidos son removidos. Estos
sólidos removidos constituyen el lodo de los biodiscos. El lodo de biodiscos es similar
en cantidad por peso seco, contenido de nutrientes y otras características, al lodo de
filtros percoladores.

29


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1.3.2.5.Lodos Conjuntos de Crecimientos Fijos y Suspendidos
Estos procesos duales normalmente se instalan donde se requiere nitrificación o es
necesario tratar desechos fuertes. El reactor de crecimientos fijos es un filtro
percolador o un biodisco. Su fin es el de reducir la carga sobre el proceso de
crecimiento suspendido. El proceso de crecimiento suspendido utiliza un tanque de
aeración y un clarificador final. La recirculación del gasto normalmente se practica
alrededor del reactor de crecimiento fijo.
El lodo es similar al del proceso de lodos activados, tanto en cantidad como
características (282, 344, 345, 354, 355). El lodo caracterizado en la tabla 1.11
contiene algunas partículas de sólidos densos provenientes del reactor de
crecimiento fijo. Estas partículas pueden mejorar las características de espesamiento
del lodo (355).
Tabla 1.11. lodo procedente de procesos de crecimiento combinado fijosuspendido.
Proceso

Sitio

Producción de
sólidos
(kg SST prod./
kg DBO5 rem.)

Volátil
(%)

Lodo primario mezclado
con lodo biológico
Sólidos (%)

Filtro de desbaste
más lodo activado Livermore,
nitrificante
CA (68)
Filtro de desbaste
más lodo activado San Pablo,
nitrificante
CA (37)

0.98

No
especificado

1.47

78.2

Volátil (%)

3.3

84

No
No
especificado especificado

1.3.2.6.Lodo de la Desnitrificación
La desnitrificación es un proceso biológico para la remoción de nitratos del agua
residual. Un donador de electrones, carbono de efluente primario o metanol, es
adicionado al agua residual que contiene los nitratos. Las bacterias desnitrificadoras
extraen la energía para su crecimiento de la reacción del nitrato con el donador de
electrones:
Nitrato + Donador de Electrones (estado reducido) → Nitrógeno Gas + Donador de
Electrones Oxidado + Energía
Las bacterias desnitrificantes pueden crecer en un sistema de crecimiento
suspendido similar al de lodos activados o en un sistema de crecimiento fijo como un
filtro percolador. La producción de lodos para un desecho común doméstico
nitrificado es del orden de 36 mg/l de agua residual tratada (314).

30


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2.LODOS QUÍMICOS
2.1.INTRODUCCIÓN
En todas estas instalaciones se forman lodos químicos. los precipitados químicos
normalmente se mezclan con los sólidos del lodo primario o biológico. A continuación
se presenta una breve descripción de los lodos químicos y sus características
2.1.1.Cálculo de la Producción de Lodos Químicos - Base Peso Seco
Los químicos pueden incrementar enormemente la producción de lodos. La cantidad
del incremento depende de los químicos utilizados y las tasas de adición. No existe
una relación sencilla entre la masa de químicos adicionados y la masa de lodos
producida. Se generan diferentes tipos de precipitados, como:
•

Precipitados de Fosfato. Ejemplos son: AlPO4 o Al(H2PO4)(OH)2 con sales
de aluminio, FePO4 con sales de hierro y Ca3(PO4)2 con cal (356, 359, 360).

•

Precipitados de Carbonato. Esto es significativo con cal, que forma carbonato
de calcio, CaCO3. Si se utiliza recarbonatación en dos etapas, se forma un
lodo recarbonatado de casi CaCO3 puro (361).

•

Precipitados de Hidróxido. Con sales de hierro y aluminio, un exceso de sal
forma un hidróxido, Fe(OH)3 o Al(OH)3. Con cal, hidróxido de magnesio,
Mg(OH)2, puede ser formado; el magnesio proviene del agua residual
influente, de la cal, o de las sales de magnesio.

•

Sólidos Inertes de los Químicos. Esta situación se vuelve importante con la
cal. Si la cal viva es un 92% CaO, el ocho por ciento restante puede ser
principalmente sólidos inertes que aparecen en el lodo. Muchos químicos
suministrados en forma seca contienen cantidades importantes de sólidos
inertes.

•

Sólidos de Polímeros. Los polímeros pueden ser utilizados como coagulantes
primarios y para mejorar la eficiencia de otros coagulantes. Los polímeros en
sí contribuyen poco a la masa total, pero pueden mejorar substancialmente la
eficiencia del clarificador, con el consiguiente incremento en la producción de
lodo.

•

Sólidos Suspendidos del Agua Residual. La adición de cualquier químico al
proceso de tratamiento de aguas residuales afecta la eficiencia del proceso. El
cambio en la producción de lodo deberá ser considerada. Las cantidades de
los diferentes precipitados en los lodos químicos son determinadas por las
condiciones de pH, mezclado, tiempo de reacción, composición del agua y la
oportunidad de floculación.

31


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2.1.2.Propiedades de los Lodos Químicos
Las propiedades de los lodos químicos son afectadas principalmente por los
compuestos precipitados y los demás sólidos de las aguas residuales. La información
acerca de las propiedades específicas de los lodos químicos se encuentra en el
capítulo 4 de esta guía. Para obtener un uso eficiente de químicos, se deberán
ajustar las tasas de alimentación a los cambios en el gasto y composición del agua
residual.
2.1.3.Manejo de Lodos Químicos
La mayoría de los procesos de tratamiento de lodos se pueden aplicar con los lodos
químicos: espesamiento, estabilización por medio de digestión, incineración, etc.
Donde el uso de cal resulta en la formación de carbonato de calcio, puede ser
factible recuperar cal mediante recalcinación. El tratamiento terciario con cal es
adecuado para la recuperación de cal.
Donde la cal es adicionada al agua residual cruda, la recuperación de cal es más
difícil, pero de todos modos posible. La recuperación de cal no es 100% eficiente, ya
que siempre se pierde una parte con el fosfato, sílice y otros materiales que deben
ser removidos del sistema. La recuperación de cal reduce pero no elimina la cantidad
de residuo que es necesario disponer. La factibilidad de la recuperación de cal
depende del tamaño de la planta, cantidad de carbonato de calcio formada, costo de
cal nueva y costo de disposición del lodo (358, 359).
2.1.4.Análisis Elemental de Varios Lodos
Como regla general, se puede encontrar casi cualquier cosa en el lodo. En esta
sección se describen los elementos traza en todo tipo de lodos.
2.1.4.1.Control de Elementos Traza
La extracción de elementos tóxicos del lodo parece ser impráctico; la forma más
práctica de reducir sustancias tóxicas es mediante el control en la fuente.
Los elementos traza están presentes en los desechos industriales, derrames
industriales, fuentes de abastecimiento de agua potable, heces fecales y orina y
detergentes. Elementos traza adicionales se derivan de:
•

Químicos en soluciones fotográficas, pinturas, tintes y plaguicidas de uso
doméstico y comercial.

•

Escurrimiento pluviales (esto es particularmente cierto del plomo de la
gasolina).

32


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•

Corrosión de la tubería de distribución de agua potable, que contribuye zinc,
cadmio, cobre y plomo (373).

•

Las substancias químicas utilizadas en el tratamiento de aguas residuales,
acondicionamiento de lodos, etc. La tabla 2.1 muestra un análisis de cloruro
férrico, que es un subproducto industrial (licor de lavado de metales) del
tratamiento de los sólidos del agua residual.
Tabla 2.1. Metales en soluciones de cloruro ferrico (374)
Concentración, mg/la

Metal

Cadmio
2 - 3.5
Cromo
10 - 70
Cobre
44 - 14,200
Hierro
146,000 - 188,000
Níquel
92 - 6,200
Plomo
6 - 90
Plata
2
Zinc
400 - 2,150
a - Se analizaron tres diferentes fuentes de líquido (43% FeCl3).

Ocasionalmente, los elementos se pueden convertir de su forma altamente tóxica a
una menos tóxica durante el tratamiento del agua residual. El cromo es un buen
ejemplo de ello. En su forma hexavalente es altamente tóxico, pero se puede
convertir a la forma trivalente, que es menos tóxica durante el tratamiento
secundario.
2.1.4.2.Análisis Específicos en Sitio
La composición elemental de diferentes lodos difiere de uno a otro. Si los lodos serán
reutilizados, deberán ser analizados en cuanto su contenido de varios elementos.
La importancia del análisis específico en sitio varía con el tamaño del proyecto,
requerimientos reglamentarios, actividad industrial y tipo de reso deseado. Un
programa de muestreo deberá reconocer que:
•

El lodo en una planta puede contener 100 veces o más de un elemento que el
de otra planta.

•

Puede haber variaciones importantes entre muestras en la misma planta. Una
sola muestra sencilla puede producir resultados engañosos. Una cuidadosa
atención a los procedimientos de muestreo y estadística tiende a reducir la
incertidumbre.

•

Estimaciones de la contaminación del lodo por elementos traza en base al
análisis del agua residual, normalmente son menos útiles que las estimaciones

33


Regresar

basadas en pruebas sobre los lodos. Sin embargo, si un elemento puede ser
medido en el agua residual influente y si el gasto es conocido, entonces la
carga (kg/d) puede ser calculada. Con el fin de estimar la contaminación del
lodo, es razonable suponer que grandes cantidades traza de cadmio, cobre y
zinc aparecen en lodo. El análisis de muestras de lodo y sobrenadante de una
laguna facultativa, para lodo, ha mostrado que existe una tendencia de liberar
gradualmente níquel y plomo del lodo a la fase líquida (374).
•

Las muestras de lodo debieran ser analizadas para su contenido porcentual de
sólidos y volátiles, así como para elementos traza.

2.1.5.Cadmio
Debido a que con frecuencia se encuentran cantidades que limitan el resto del lodo
como acondicionador de suelo, el cadmio es un elemento crítico. Si el lodo que
contiene cadmio es aplicado a suelos agrícolas, parte del cadmio puede entrar a la
cadena alimenticia.
Se ha indicado que el consumo humano normal de cadmio ya es bastante alto, en
comparación con los límites de tolerancia humana y que fuentes adicionales de
cadmio debieran ser limitadas en forma muy estricta (377, 378).
La Tabla 1.13 resume los datos sobre el cadmio en el lodo.

34


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Tabla 2.2. Cadmio en el lodo.
Tipo de Lodo

Sitio

Concentración,
mg/kg
seco
Desviació Median
Media
Ambito
n
a

12 ciudades en EUA
4 ciudades en EUA
Varias ciudades en EUA

No especificado
Ceniza
de
incinerador
Digerido
Lodo
activado
digerido
Primario digerido y
desaguado
Digerido
Crudo

72
200
---

65
67
16
14

42 ciudades en Gales e -Inglaterra

--

<200

Palo Alto, California
Chicago (Calumet)
Chicago
(WestSouthwest)
Seattle (West Point)

84
--

---

340
48

---

Cincinnati (Millcreek)
Como 25 ciudades en
Digerido
EUA
Los
Angeles
Primario crudo
(Hyperion)c
Los
Angeles
Digerido mesofílico (Hyperion)c
Los
Angeles
Digerido termofílico (Hyperion)c
Lodo
activado Los
Angeles
purgado
(Hyperion)c
Digerido anaerobio, Chatham, Ontarioc
lodo químico y activado
(3.9%
promedio
de sólidos)
Digerido anaerobio, Simcoe, Ontarioc
(3.2%
promedio
de sólidos)
Digerido anaerobio, Tillsonburg, Ontarioc
(4.2%
promedio
de sólidos)
Primario crudo
Sacramento, California
(Northeast)
Primario crudo
(Rancho Cordova)
Primario crudo
(Natomas)
Primario crudo y

89
150
106
70

Referenci
a

6.8 - 200
15 - 440
3 - 3,410
4 - 520
<200
1,500
42
(7 >200)

366
366
367
367

---

68 - 99
10 - 35

2
--

369
370

---

---

379
371

130a 1.51b
30
15

-20

---

43
100
aprox.
25
20

75

104

31

9 - 550

80

372

39

--

--

--

--

380

140

--

--

--

--

380

120

--

--

--

--

380

110
2.6

-1.4

-1.8

-0 - 10

-225

380
376

78

5

72

66 - 110

198

376

9

1

9

7 - 12

40

376

2.8

1.1

2.6

1.4 - 4.2

5d

374

3.0

1.4

2.6

1.2 - 4.5

5d

374

3.5

1.1

3.6

2.2 - 5.1

5d

374

4.1

1.3

3.8

2.8 - 5.9

5d

374

35


de
Muestra
s
12
4
98
57

Estándar
Digerido
Secado con calor
Anaerobio
"Otro"

Número

368

372
372

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