1. TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES
TECNOLOGIA AMBIENTAL
ENERO- JUNIO 2014.

2. INSTITUTO MEXICANO DE
TECNOLOGIA DEL AGUA
• El Instituto Mexicano de Tecnología del Agua se crea como un
organismo público descentralizado con personalidad jurídica y
patrimonio propios, cuya coordinación sectorial corresponderá a
la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, quien
dictará las políticas normativas, coordinará la programación
presupuestación, y conocerá la operación y los resultados,
conservando el Instituto la autonomía de gestión para el cabal
cumplimento de su objeto y de los objetivos y metas señalados
en sus programas

3. • Que tiene como objeto realizar investigación,
desarrollar, adaptar y transferir tecnología,
prestar servicios tecnológicos y preparar
recursos humanos calificados para el manejo,
conservación y rehabilitación del agua y su
entorno, a fin de contribuir al desarrollo
sustentable.

4. Contenido
• Características de las aguas residuales
–Fuentes
–Características físicas
–Características Químicas
–Características Biológicas
• Composición de las aguas residuales

5. Contenido
• Prevención de la contaminación : Disminución
de consumo y reducción de aguas residuales
• Métodos de tratamiento
– Parámetros de diseño de sistemas de
tratamiento
– Clasificación de los métodos
– Niveles de tratamiento
– Aplicación de las operaciones y procesos unitarios
– Elementos de diseño

6. 1. Características de las Aguas
Residuales

7. Fuentes de las aguas residuales
• Agua residual doméstica:
– Zonas residenciales
– Zonas comerciales
– Zonas institucionales
– Centros recreativos
• Agua residual no doméstica
– Industrias
• Infiltraciones y conexiones erradas

8. Características Físicas
Sólidos totales
(T°=105°C)
Volátiles
orgánico
Fijos
inorgánico
Suspendidos
retenido
Disueltos
filtrado
Filtración (0.45 micras)Temperatura (T° 550°C)

9. Ejercicio
Los siguientes resultados de laboratorio fueron obtenidos para una muestra
de agua residual. Los ensayos se realizaron para una muestra de 50 ml.
Determine:
Concentración de Sólidos totales, Sólidos totales volátiles, Sólidos
suspendidos, Sólidos suspendidos volátiles
Tara de la cápsula de porcelana = 53.5433 gr
Masa de la cápsula + residuo, luego de evaporación a 105°C = 53.5793 gr.
Masa de la cápsula + residuo, luego de calcinación a 550°C = 53.5772 gr.
Tara del filtro = 1.5433 gr
Residuo en el filtro, luego de secado a 105°C = 1.5553 gr
Residuo en el filtro, luego de calcinación a 550°C = 1.5531 gr

10. Características Físicas
• Color
– Causado por sólidos suspendidos (aparente),
material coloidal y sustancias en solución
(verdadero).
– Fuentes de color: infiltración, aportes por
conexiones erradas, descargas industriales, y
descomposición de compuestos orgánicos.
– Café claro, gris claro, gris oscuro o negro.

11. Características Físicas
• Olor:
– Agua residual fresca: olor inofensivo
– Generadores de olores: indol, escatol mercaptanos,
sulfuro de hidrógeno.
– Métodos de medición: métodos sensoriales e
instrumentales.

12. Escatol
• El escatol o 3-metilindol es un compuesto
orgánico blanco cristalino medianamente
tóxico, derivado del indol. Se encuentra
naturalmente en el alquitrán de hulla y en las
heces.
• Fórmula: C9H9N
• Masa molar: 131,1744 g/mol
• Punto de ebullición: 265 °C

13. Nombre del
compuesto
Fórmula química Peso
molecular
Volatilidad a
25ºC
Ppm (v/v)
Umbral de
detección de
olor
ppb (v/v)
Umbral de
reconocimien
to de olor
ppb (v/v)
Carácter o
palabra
descriptiva del
olor
Compuestos con azufre
Methyl
mercaptan
CH3SH 48 Gas 0.5 1.0 rotten cabbage
Hydrogen
sulfide
H2S 34 Gas 0.5 4.7 rotten eggs
Sulfur
Dioxide
SO2 64 Gas 2700 4400 pungent, irritating
Compuestos con Nitrógeno
Ammonia NH3 17 Gas 17000 37000 pungent, irritating
Indole C6H4(CH)2NH 117 360 0.1 fecal, nauseating
Trimethyl
amine
(CH3)3N 59 Gas 0.4 pungent, fishy
Skatole C9H9N 131 200 1.0 50 fecal,
nauseanting
Otros compuestos
Acetaldehyde CH3CHO 44 Gas 67.0 210 pungent, fruity
Ozone O3 48 Gas 500 pungent, irritating
Chlorine Cl2 71 Gas 80 310 pungent,
suffocating
Principales compuestos olorosos

14. Características Físicas
• Temperatura:
– Regiones cálidas: 13°C - 30°C
– Regiones frías: 7°C - 18°C
– Afecta las reacciones químicas, velocidades de
reacción, uso del agua, vida acuática.
– T° óptima vida bacteriana: 25°C - 35°C
– Detención de procesos aeróbicos y de nitrificación:
50°C
– Detención producción de metano: 15°C
– Detención procesos nitrificantes: 5°C

15. Características Físicas
• Conductividad
– Capacidad de una solución para conducir la
corriente eléctrica.
– Indicador de la concentración de sólidos disueltos
totales

16. Características Químicas
• Constituyentes orgánicos
• Proteínas
• Grasas y aceites
• Carbohidratos
– Constituyentes inorgánicos
• Elementos individuales (Ca, Cl, Fe, Cr, Zn, etc.)
• Compuestos (NO3, SO4)

17. Características Químicas
• pH:
– Intervalo existencia vida biológica: 5 - 9
– Parámetros importante para el tratamiento
– Medición: pH metro

18. Características Químicas
• Nitrógeno:
– Nutriente esencial - eutrofización
– En aguas residuales: nitrógeno amoniacal, nitritos,
nitratos y nitrógeno orgánico.
– Nitrógeno amoniacal:
• Ion amonio: pH<9.3
• Amoniaco: pH>9.3
– Medición: métodos colorimétricos, titulación,
electrodos

19. Características Químicas
• Fósforo:
– Nutriente esencial
– Aguas residuales domésticas pueden tener entre
4 - 12 mg/L como P.
– Formas comunes: ortofosfatos, polifosfatos (sufren
hidrólisis en soluciones acuosas y se convierten en
ortofosfatos) y fósforo orgánico (en aguas
industriales).

20. Características Químicas
• Alcalinidad:
– Neutralizar ácidos
– Presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos
– En sistemas anaerobios o de nitrificación amortigua
ácidos

21. Características Químicas
• Otros constituyentes inorgánicos:
– Azufre:
• Ion sulfato en aguas de abastecimiento y residuales
• Sulfatos se reducen biológicamente a sulfuros
– Metales
• Todos los organismos los requieren.
• Medición: absorción atómica, plasma acoplado por
inducción o colorimetría.
• Clases de metales: disueltos, suspendidos, totales,
extractables en ácido (en solución, ácido mineral en
caliente).

22. Características Químicas
• Constituyentes orgánicos agregados:
– Materia orgánica en las AR: proteínas (40 - 60%),
carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites (8 -
12%). Urea (mayor constituyente de la orina)
– Análisis: caracterizar AR, eficiencias
comportamiento fuentes receptores.
– Métodos: DBO5, DQO, .

23. Características Químicas
• Demanda Bioquímica de Oxígeno:
– Si hay suficiente oxígeno disponible, la
descomposición del desecho continua hasta que se
ha consumido.
– Tres actividades ocurren:
• Oxidación: desecho oxidación a productos finales,
generan energía.
• Síntesis: desecho a tejido celular usando la energía
liberada
• Respiración endógena: cuando se acaba la MO, las nuevas
celular consumen su propio tejido celular para obtener
energía.

24. Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Desechos orgánicos : COHNS
• Tejido celular: C5H7NO2.
• Reacciones químicas:
– Oxidación
COHNS + O2 + bacterias → CO2 + H2O + NH3 + energía
– Síntesis
COHNS + O2 + bacterias + energía → C5H7NO2
– Respiración endógena
C5H7NO2+ 5O2 → 5CO2 + 2H2O + NH3

25. Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Oxidación Carbono orgánico: DBOúltima
• Prueba estándar:
– Botella de DBO (300 ml)
– Agua saturada con oxígeno y nutrientes
– Medir [O2] inicial (D1), incubar a 20°C por 5 días y
medir [O2] final (D2).
DBO (mg/L) = (D1 - D2) / P
P es la fracción de agua residual contenida en la
muestra

26. Ejercicio (10’)
La siguiente es la información de un ensayo de
DBO a 5 días para una muestra de agua
residual. Un volumen de 15 ml de agua residual
se agregó en una botella de incubación de 300
ml. El OD inicial de la muestra diluida fue de
8.8mg/L y el OD final, después de 5 días de
incubación fue de 1.9 mg/L.
Cuál es la DBO5 de la muestra?
Cuáles cree que son las limitaciones del ensayo?

27. Demanda Bioquímica de Oxígeno
• Limitaciones: periódo de 5 días, consumo de
oxígeno.
• Demanda adicional de oxígeno para oxidación
del amonio a nitrato (Demanda Nitrogenada de
Oxígeno). Las reacciones del proceso de
nitrificación son:
– Conversión de amonio a nitrito (Nitrosomonas)
– Conversión de nitrito a nitrato (Nitrobacterias)
Esta demanda ocurre 5 a 8 días después de iniciada la
prueba de DBO. Ojo si hay muchos nitrificantes.

28. Demanda Química de Oxígeno
• Medir material orgánico de las AR, susceptible
de ser oxidado químicamente.
– Se oxidan sustancias orgánicas difíciles de oxidar
biológicamente (lignina)
– Hay sustancias inorgánicas que se oxidan
– Algunas sustancias pueden ser tóxicas para los
microorganismos.
– Se realiza en 3 horas.

29. DBO5 / DQO
• DBO5/DQO entre 0.3 y 0.8 = ARD.
• DBO5/DQO > 0.5, tratamiento biológico
• DBO5/DQO < 0.3 constituyentes tóxicos y/o
aclimatación.

30. Características Químicas
• Grasas y aceites
– Liquidos a T° ambiente: aceites
– Sólidos a T° ambiente: grasas
– Esteres compuestos de ácidos grasos, alcohol y
glicerol.

31. Características Químicas
• Tensoactivos:
– “Agentes de actividad superficial”
– Moléculas orgánicas grandes compuestas de un
grupo hidrofílico y uno hidrofóbico.
– En AR provienen de descargas de detergentes,
lavanderías industriales, etc.
– Causan aparición de espumas
– Medición: cambio de color de una muestra estándar
de azul de metileno.
– SAAM - Sustancias Activas al Azul de Metileno

32. Características Biológicas
• Importancia: enfermedades, descomposición y
estabilización.
• Microorganismos presentes en Aguas
superficiales y subterráneas:
– Bacterias, hongos, algas, protozoos, plantas y
animales vivos, virus.
– Clasificación: eucariotas, eubacterias y
arqueobacterias.
– Eucariotas : núcleo recubierto, varias moléc. de
ADN. Procariotas (bacterias y arqueobacterias).

33. Características Biológicas
– Fuente de carbono: heterótrofos (requieren carbono
orgánico) y autótrofos (carbono celular se deriva del
CO2).
– Requerimientos de oxígeno: aerobios obligados,
anaerobios facultativos, anaerobios aerotolerantes y
anaerobios obligados.
– Requerimientos ambientales:
• por T°: psicrofílicas (-10 - 20°C), mesofílicas (10 - 50°C),
termofílicas (40 - 70°C) e hipertermofílicas (70 - 95°C)
• pH óptimo para crecimiento bacterial: 6.5 - 7.5

34. Características Biológicas
• Uso de microorganismos indicadores:
• Se emplean los organismos coliformes (fácil
identificación y presencia abundante).
• Siempre presentes en el tracto intestinal; c/persona evacua
entre 100.000 - 400.000 millones de bacteria coliformes
por día.
• Indicador de posible presencia de organismos patógenos.
• No son efectivos para indicar presencia de virus y
protozoos.
• Se está analizando el uso de bacteriófagos como indicador
de virus entéricos (virus que pueden infectar células
procariótas).

35. Características Biológicas
• Microorganismos patógenos: Bacterias,
parásitos (protozoos y helmintos) y virus
• Métodos de conteo: conteo directo, cultivo de
placa, filtro de membrana, fermentación en
tubos múltiples.

36. 2. Composición de las Aguas
Residuales

37. Composición de las AR
• Valores comunes de la cantidad total de
contaminantes por habitante (Tabla 4.11 y
4.14).
• Valores comunes de AR
Parámetro Intervalo
DBO5 (gr/hab-día) 25 - 80
SST (gr/hab-día) 30 –
100
Nitrógeno total Kjeldahl (gr/hab-día) 9.3 – 13.7

38. Variaciones
• Variaciones:
– en la concentración
– en el caudal
– en la carga másica:
Concentración media integrada: proporcional al caudal, se
obtiene de la sumatoria del producto de los valores de
caudal y concentración del constituyente de interés (para
muestras horarias de 24 horas), dividida por la sumatoria
del caudal.
• Calcular la concentración media integrada y la
concentración media aritmética y comparar los
resultados. Ejercicio (10’)

39. Normas de vertimiento
Decreto 1594 de 1984
U. Existente U. Nuevo
• pH 5 - 9 unidades
• Temperatura < 40°C
• Grasas y aceites >80% >80%
• SST >50% >80%
• DBO domést >30% >80%
• DBO indust >20% >80%

40. Normas de vertimiento
Decreto 1594 de 1984
• Arsénico 0.5 mg/L
• Bario 5.0 mg/L
• Cadmio 0.1 mg/L
• Cromo 0.5 mg/L
• Mercurio 0.02 mg/L
• Plomo 0.5 mg/L
• Cianuro 1.0 mg/L

41. 3. Prevención de la
contaminación

42. Prevención de la Contaminación
• Objetivo:
– Reducir el uso de agua potable
– Minimizar la generación de aguas residuales
• Programa P2 recomendado:
– Reducción en el flujo de agua y aguas residuales
– Reciclado
– Recuperación de subproductos
– Reuso

43. Beneficios vs. Restricciones
Area Beneficio potencial Restricción potencial
Técnica Recuperación de subproductos
comerciables
Necesidad adicional de tratamiento para
cumplir con requisitos de reutilización.
Económica Ahorros en gastos por consumo de agua y
materia prima
Ahorro en inversiones futuras
Mayores costos de operación y
mantenimiento de sistemas de tratamiento
Requerimiento de disposición de residuos
Reglamentaria Simplificación en procesos de obtención
de licencias y permisos.

44. Planeación del Programa P2
• Paso 1: Evaluación de toda la planta: (cómo se
usa el agua, generación de AR)
• Incluye revisión registros históricos, muestreos y análisis
de laboratorio, identificación de fuentes de suministro y
descargas).
• Paso 2: Areas potenciales para conservar,
reciclar y reutilizar el agua:
• Incluir aguas de uso sanitario, proceso productivo, otros

45. Planeación del Programa P2
– Factores a tener en cuenta:
• Identificar posibles fuentes
• Determinar los requisitos de calidad para el agua.
• Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores actuales o
que podrían obtenerse mediante algún tipo de tratamiento.
• Estimar los flujos de aguas residuales producidas y requeridas y
volúmenes a ser almacenados.
• Analizar las objeciones de los usuarios en relación con el uso de agua
reciclada.
• Realizar estimaciones de costos actuales del agua y del agua residual
tratada y costos previstos.

46. Planeación del Programa P2
• Paso 3: Definir las metas de reducción de agua
de suministro y agua residual.
– Metas: específicas, cuantificables, asignables,
realistas y tiempo necesario para alcanzarlas.
• Ejm: reducir el consumo de agua en (área) en (%) para
(fecha)
• Paso 4: Poner en marcha el programa (ojo
flexible, monitoreo)

47. Técnicas para reducir las AR
dentro de la planta
• Objetivo: minimización de uso de agua.
• Areas relacionadas:
– Capacitación de personal
– Modificación y/o cambios operacionales en proceso
productivo.
– Minimización de uso de agua en servicios sanitarios,
mediantes dispositivos para restringir el flujo y
dispositivos de cierre automático.

48. Capacitación de personal
- Promover la concientización del personal respecto a
la necesidad de reducir el consumo
- Establecer metas cuantificables para dicha
reducción.
- Capacitar al personal en las diversas técnicas de
reducción del agua residual y métodos de
minimización.
- Vigilar el avance del programa (gráficos mensuales
de consumo) y reajustar los objetivos del programa
si se observa necesario

49. En el proceso productivo
• Modificaciones en el proceso:
– Cambios en el equipo, por ejemplo:
• Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques
de inmersión.
• Sistemas de enfriamiento con aire en lugar de agua.
• Reemplazar la torre de enfriamiento por sistema de
enfriamiento a base de refrigerante.
• Ponderar costo vs beneficio.

50. En el proceso productivo
• Cambios en las operaciones:
– Mejorar operaciones de limpieza del equipo:
• Dispositivos mecánicos de limpieza, limpieza en seco,
cortina de aire, enjuague a contracorriente.
– Maximizar la vida efectiva del agua de producción:
• enjuague a contracorriente, medición de conductividad.
– Optimización del consumo:
• Evitar sellos defectuosos en tubos y equipos, equipos de
control automático, reductores de flujo, cubiertas, control
de nivel del agua.

51. En servicios sanitarios
• Uso de dispositivos y sistemas para reducir el
consumo (Tabla No.36-4)
• Fuentes de generación de aguas residuales:
lavadoras, bebederos, duchas, grifos, inodoros.

52. Técnicas para reciclar AR no tratada
• Reciclado de aguas residuales industriales
– Depende de los requisitos del proceso que recibe las
aguas.
– Tabla 36-5
– Purga de torres de enfriamiento para lavado.
– Agua de enfriamiento de 1 uso (sin contacto) para
intercambiador de calor y almacenamiento para
enfriamiento sin contacto.
• Reciclado de aguas de uso sanitario:
– Agua residual “gris” (agua de lavado de duchas,
lavadoras de ropa o vajillas) para inodoros o riego.

53. Recuperación de Subproductos
– Objeto: regular la descarga de contaminantes
– Criterios de selección:
• Comparar el valor del subproducto recuperado con el
costo derivado de su disposición y de la materia prima
equivalente.
• Tecnología de recuperación disponible y apropiada.
• Demanda del producto garantizada.
• Producción mínima garantizada
• Efecto sobre la línea de producción
• Tabla 36-6

54. Tecnologías para la recuperación
• Evaporación (e.g. Solventes en forma de vapor)
• Ultrafiltración (e.g. Recuperación de pesticidas)
• Biotecnología (e.g. Formación de metano)
• Extracción de solventes (dos fases líquidas no
miscibles, e.g. Metales solubles)
• Precipitación selectiva (de iones por control de
pH)
• Tabla 36-7

55. Reutilización del agua residual
• Criterios: calidad requerida, tecnología disponible
• Irrigación agrícola: cultivos o viveros
• Irrigación de jardines: parques, patios, cementerios.
• Reutilización en la industria: aguas para sistemas de
enfriamiento, de proceso.
• Usos recreativos/ambientales: recarga de lagos, acuiferos.
• Usos urbanos: protección contra incendios, inodoros
• Tabla 36-8

56. Trabajo (15 días) = 30%
• Caracterización aguas residuales producidas por
la Universidad:
– Caudales
– Características físicas, químicas y biológicas
• Propuesta de programa de prevención de
contaminación:
– Diagnóstico (fuentes de agua y de consumo,
descargas, caudales, uso de dispositivos de ahorro,
reuso, reciclaje)
– Propuesta: áreas potenciales, metas

57. 4. Métodos de tratamieno de las
Aguas Residuales

58. Métodos de tratamiento
• Clasificación:
– Operaciones físicas unitarias: floculación,
sedimentación, flotación, filtración, tamizado.
– Procesos químicos unitarios: Precipitación,
adsorción y desinfección.
– Procesos biológicos unitarios: métodos donde la
remoción se realiza gracias a la actividad biológica.
Se usan principalmente para remoción
constituyentes orgánicos biodegradables y
nutrientes.

59. Niveles de tratamiento
Nivel de tratamiento Descripción
Preliminar Remoción de constituyentes que puedan causar problemas operacionales o de
mantenimiento en los procesos de tratamiento y sistemas auxiliares
Primario Remoción de parte de sólidos y de materia orgánica suspendidos.
Primario avanzado Remoción intensiva de sólidos suspendidos y materia orgánica, en general llevada
a cabo mediante la adición de insumos químicos o filtración
Secundario Remoción de compuestos orgánicos biodegradables y sólidos suspendidos. Se
incluye la desinfección.
Secundario con
remoción
Remoción de compuestos orgánicos biodegradables, sólidos suspendidos y
nutrientes.
Terciario Remoción de sólidos suspendidos residuales, en general por filtración en medio
granular. Se incluye la desinfección y la remoción de nutrientes
Avanzado Remoción de materiales disueltos o en suspensión que permanecen después del
tratamiento biológico convencional. Se aplica cuando se requiere reutilizar el
agua tratada o para el control de eutroficación en fuentes receptoras.

60. Aplicación de las operaciones y
procesos unitarios
Constituyente Operación unitaria, proceso unitario o sistema de tratamiento
Sólidos suspendidos Sedimentación, filtración, adición de polímeros químicos,
coagulación/sedimentación, procesos naturales (humedales artificiales,
tratamiento en el suelo)
Compuestos
orgánicos
biodegradables
Lodos activados, filtros de lecho empacado, lagunas de estabilización, procesos
naturales, reactores de película adherida (filtros percoladores, contactores
biológicos rotatorios), sistemas físico-químicos.
Patógenos Cloración, Radiación UV, procesos naturales, Ozonación.
Nitrógeno Nitrificación/denitrificación (procesos biológicos de película adherida, en
suspensión), procesos naturales
Fósforo Remoción biológica, adición de sales metálicas, coagulación con
cal/sedimentación, procesos naturales
Metales pesados Precipitación química, procesos naturales
Tabla 4.29 y 4.30

61. Eficiencias típicas de tratamiento (%)
Unidad de tratamiento DBO DQO SST
Sedimentación primaria 30-40 30-40 50-65
Lodos activados
convencionales
80-95 80-95 80-90
Filtros percoladores 65-80 60-80 60-85
Sistemas anaerobios 65-80 60-80 60-70
Lagunas de
estabilización
- Anaerobias
- Facultativas
- Aerobias
50 –70
80-90
80-95
-
-
-
20-60
60-75
85-95

62. Configuraciones típicas de STAR
X
X X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
XXXX
DESARENADOR
MEDICIÓN
REJILLA
AFLUENTE
LECHOS DE SECADO
CASETA CELADURIA
PORTAL DEENTRADA
EFLUENTE
SEDIMENTADOR
SECUNDARIO
X
X
X
X
X
X
X
X
ALIVIADERO
AFLUENTE
AGUA CLARA
VERTEDERO

63. Configuraciones típicas de STAR
X
ESTACIÓN
BOMBEO
REJILLA
CASETA DE
CELADURÍA
ESTRUCTURA
DESCOLE
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
CANAL
ABIERTO
ESTRUCTURA
DEPASO
EFLUENTE
AFLUENTE
MEDICIÓN
X
X
X

64. Asignación artículos (10%)