Planta de tratamiento urbanizacion

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES PARA CONJUNTOS HABITACIONALES QUE NO
POSEAN SERVICIOS PÚBLICOS
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTADO POR:
ATENCIO USECHE, JOSÉ LUIS
MÉNDEZ QUINTERO, JAVIER ANTONIO
ASESORADO POR:
ING. SARA MAVÁREZ
MARACAIBO, SEPTIEMBRE 2005
DERECHOS RESERVADOS

INGENIERO CIVIL
PRESENTADO POR:
_________________________________
ATENCIO USECHE, JOSE LUIS
C.I. 16.609.093.
__________________________________
MÉNDEZ QUINTERO, JAVIER ANTONIO
C.I. 13.010.520.
DERECHOS RESERVADOS

INGENIERO CIVIL
ASESOR:
_____________________
ING. SARA MAVÁREZ
C.I. 4.718.074
DERECHOS RESERVADOS

DEDICATORIA
Este Trabajo Especial de Grado es dedicado a dos personas de gran
importancia para mí.
En honor a Dios por darme unos padres como los que tengo.
En honor a mi Sra. Madre, María Quintero de Méndez y a mi Sr. Padre
Gerónimo Antonio Méndez Cardozo, porque gracias a ellos he logrado llegar
hasta donde he llegado y por haberme dado una educación, unos valores
morales y sentimentales que han hecho de mi un hombre bien encaminado,
actuando con rectitud, honestidad y justicia.
Javier Méndez
v
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DEDICATORIA
A Dios y la Virgen por guiarme siempre por el buen camino.
A mis padres, por apoyarme siempre en cada momento y por el esfuerzo que
hicieron para que yo llegara hasta este punto de mi vida con dicha y alegría.
Este título de Ingeniero Civil es para ustedes.
A mis hermanos, porque siempre han estado a mi lado, apoyándome en cada
momento.
A mis abuelos y tíos, por poner un granito de arena para poder culminar mi
carrera.
José Atencio
vi
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AGRADECIMIENTO
A la Universidad Rafael Urdaneta, por habernos abierto las puertas para
conseguir este titulo de Ingeniero Civil.
A nuestros Profesores, por compartir sus conocimientos en aulas.
A todas aquellas personas, quienes de una u otra forma colaboraron en la
realización de este trabajo.
Javier y José Luis
vii
DERECHOS RESERVADOS

ÍNDICE GENERAL
Pp.
SUMARIO..............................................................................................................iv
DEDICATORIA...................................................................................................... v
AGRADECIMIENTO ............................................................................................vii
ÍNDICE GENERAL..............................................................................................viii
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. x
LISTA DE TABLAS ...............................................................................................xi
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 1
CAPÍTULO I. EL PROBLEMA .............................................................................. 3
1.1 Planteamiento del Problema...................................................................... 4
1.2 Objetivos de la Investigación ..................................................................... 7
1.2.1 Objetivo General............................................................................... 7
1.2.2 Objetivos Específicos........................................................................ 7
1.3 Justificación e Importancia de la Investigación ......................................... 8
1.4 Delimitación de la Investigación................................................................. 9
1.4.1 Delimitación Espacial........................................................................ 9
1.4.2 Delimitación Temporal...................................................................... 9
CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO...................................................................... 10
2.1 Antecedentes ...........................................................................................11
2.2 Alcance y Limitaciones de la Investigación ............................................. 33
2.3 Fundamentación Teórica......................................................................... 33
2.3.1 Aguas Residuales........................................................................... 33
2.3.2 Tratamiento Aerobio ....................................................................... 41
2.3.3 Lagunas Aireadas........................................................................... 45
2.4 Definición de Términos Básicos .............................................................. 66
2.5 Sistema de Variable e Indicadores.......................................................... 72
2.5.1 Definición Conceptual de la Variable.............................................. 72
CAPÍTULO III. MARCO METODOLÓGICO....................................................... 73
3.1 Tipo de Investigación............................................................................... 75
3.2 Diseño de la Investigación....................................................................... 77
3.3 Población.................................................................................................. 77
3.4 Técnicas de Recolección de Información................................................ 78
3.5 Metodología Empleada............................................................................ 79
viii
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CAPÍTULO IV. ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS .............. 80
4.1 Análisis de Situación Actual..................................................................... 81
4.1.1 Descripción del Proceso Actual en Venezuela............................... 81
4.1.2 Rendimiento de los Sistemas Individuales..................................... 84
4.1.3 Ventajas y Desventajas del Proceso Anaerobio ............................ 87
4.1.4 Conclusión sobre el sistema aplicado en Venezuela en
zonas no conectado a una red de alcantarillado........................... 88
4.2 Análisis de la Situación Propuesta (Proceso Aerobio)............................ 89
4.3 Fases de una Planta de Tratamiento de Aguas Negras
Residuales Domésticas ........................................................................... 90
4.4 Cálculo del Caudal Máximo de Aguas Negras........................................ 90
4.5 Diseño de Cribas...................................................................................... 92
4.5.1 Datos............................................................................................... 92
4.5.2 Actor de Forma de las Barras......................................................... 92
4.5.3 Pérdida de energía en rejilla limpia, según Kirschmer H(m).......... 93
4.5.4 Velocidad a la salida de la rejilla..................................................... 93
4.5.5 Área de la sección transversal del canal previa a la
rejilla Ac (m5) ................................................................................. 93
4.5.6 Dimensiones del canal....................................................................93
4.5.7 Longitud de rejilla LR (m)................................................................ 93
4.5.8 Número de barras requeridas n...................................................... 93
4.6 Diseño de Lagunas Aireadas................................................................... 94
4.7 Diseño del tanque de desinfección, clorómetro y cantidad
de cloro residual requerido ....................................................................101
4.7.1 Diseño del tanque de cloración ....................................................101
4.7.2 Elección del clorómetro y cantidad de cloro residual ...................101
4.7.3 Mezcla rápida con una turbina......................................................102
CONCLUSIONES .............................................................................................106
RECOMENDACIONES.....................................................................................110
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA .......................................................................114
ix
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LISTA DE FIGURAS
Pp.
2.1 Respiración aerobia ...................................................................................... 41
2.2 Proceso de Oxidación Aerobia. .................................................................... 43
2.3 Plantas de tratamiento con lagunas aireadas............................................... 47
2.4 Laguna aireada de Bismarck. ....................................................................... 48
2.5 Solución gráfica de la ecuación 2.8 .............................................................. 52
4.1 Diagrama de flujo convencional de tratamientos de aguas negras
cuando no existe una red de cloacas en Venezuela................................... 81
4.2 Diagrama de flujo para planta de tratamiento de aguas negras
con la aplicación de lagunas aireadas.......................................................... 90
4.3 Dimensiones mezclador rápido...................................................................104
4.4 Dimensiones mezclador rápido de turbina de 6 aletas planas...................104
x
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LISTA DE TABLAS
Pp.
2.1 Valores de K en lagunas aireadas ............................................................... 53
2.2 Características de aireadores superficiales de baja velocidad..................... 62
4.1 Rendimiento de tratamiento de los componentes de los sistemas in
situ y de los filtros de arena con recirculación o intermitentes .................... 85
4.2 Dotación .......................................................................................................91
4.3 Características de rejillas de barras.............................................................. 94
4.4 Parámetros de diseño de sedimentadores secundarios ............................100
4.5 Tiempo de contacto y gradiente de velocidad para mezcla rápida............105
4.6 Valores de k para impulsores en tanques con bafles, régimen
turbulento.....................................................................................................105
xi
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SUMARIO
La elaboración de manuales de cálculo para plantas de tratamiento de
aguas negras residuales domésticas en la fase conceptual y básica, es de
gran importancia debido a que las aguas negras son descontaminadas antes
de ser vertidas al suelo, subsuelo, ríos, lagos, mares u océanos, evitándose
la muerte y destrucción de la flora y la fauna de un ecosistema, manteniendo
el equilibrio de la naturaleza y, por ende, la existencia del hombre mismo.
El método de procedimiento consiste en el diseño de plantas de
tratamiento con proceso aerobio en sus dos modalidades, tales como: la
utilización de un reactor de aireación con lodos activados y recirculación o
con la utilización de lagunas aireadas. Esta tecnología se basa en las
experiencias e investigaciones de los Estados Unidos de Norteamérica y la
Comunidad Europea.
Mediante este estudio se concluye que es completamente factible
tecnológicamente el diseño de plantas de tratamiento para aguas negras
residuales domésticas en la República Bolivariana de Venezuela.
iv
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INTRODUCCIÓN
Las circunstancias y situaciones que condujeron a la elaboración de
este trabajo, ha sido el alto grado de contaminación que sufre diariamente la
naturaleza, provocado por el vertido de aguas negras residuales domésticas
a los suelos, subsuelos, reservorios de agua, entre otros; y la necesidad de
diseñar y construir plantas de tratamiento para descontaminar las aguas
crudas antes de ser vertidas.
Del mismo modo, este trabajo especial de grado tiene la finalidad de
realizar un manual de cálculo para el diseño de plantas de tratamiento de
aguas negras residuales domésticas, conceptual y básica, como una
alternativa para disminuir el alto grado de contaminación.
A nivel mundial, diferentes sistemas de tratamiento, tanto para el
proceso aerobio como para el proceso anaerobio, se han diseñado con éxito.
En Venezuela, falta mucho por hacer, como por ejemplo:
• La concientización de los gobiernos de turno, sobre la contaminación
real en la cual se vive.
• Elaboración de leyes y organismos que realmente las hagan cumplir
eficazmente.
• Crear un Plan Rector Nacional para la aplicación de sistemas de
tratamientos de aguas negras. Incluye adaptación tecnológica,
proyecto, licitación y construcción.
1
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• Buscar los recursos económicos a tiempo para evitar la paralización
del Plan Rector.
Para alcanzar los objetivos trazados, la investigación consta de cuatro
(4) capítulos, distribuidos de la siguiente forma:
• Capítulo I: El Problema
• Capítulo II: Marco Teórico
• Capítulo III: Marco Metodológico
• Capítulo IV: Análisis e Interpretación de Resultados
Apéndice A: Fundamentos Teóricos sobre la Investigación
Apéndice B: Manual de Diseño
Mediante este estudio, se demuestra la perfecta factibilidad
tecnológica sobre el diseño de plantas de tratamiento de aguas negras
residuales domésticas.
Para la elaboración de los manuales de cálculo, se escogió el sistema
de proceso de lodos activados con recirculación y tanques aireados, y el
sistema de lagunas aireadas, ambos sistemas por procesos aerobios, debido
a:
• Altísima eficiencia en descontaminación y sin utilizar los suelos y
subsuelos como sistema de percolación.
• Ausencia de malos olores
• Mineralización de todos los compuestos biodegradables.
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CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del Problema
Actualmente en todas las ciudades del planeta, se encuentran en la
búsqueda de soluciones a los problemas de contaminación del medio
ambiente, provocado por la falta, el incorrecto o el insuficiente tratamiento de
las aguas residuales.
La generación de aguas residuales es un producto inevitable de la
actividad humana, dichas aguas son las usadas y los sólidos que por uno u
otro medio, se introducen en ellas. Estas aguas son de origen doméstico e
industrial. En general, se consideran como aguas residuales domésticas, los
líquidos y sólidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios
comerciales e institucionales, y las aguas industriales son las provenientes
de las descargas de industrias manufactureras.
En las pequeñas poblaciones o comunidades, se generan en su
mayoría aguas residuales domésticas, proveniente de la actividad propia del
ser humano, tales como: la limpieza, preparación de alimentos, necesidades
fisiológicas, entre otras. La mayoría de los residuos de las aguas domésticas
son materia que consume o demanda oxígeno por oxidación de ésta, como
el material fecal, restos de alimentos, aceites y grasas; otra parte de los
residuos son los detergentes, sales, material orgánico no biodegradable,
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microorganismo patógeno y sedimentos de material inorgánico. La materia
orgánica biodegradable y algunas sales inorgánicas son nutrientes para los
microorganismos que se producen en la descomposición de los residuos
biodegradables.
Cada persona consume un promedio de 150 galones (570 l) de agua
al día. Toda el agua que llega a tu casa por la tubería, sale de tu casa por
otra tubería distinta; el agua fresca se convierte en agua residual. El agua
residual proviene de hogares, escuelas, negocios, industrias, y de la
escorrentía producida por tormentas.
Actualmente las pequeñas comunidades en Venezuela, que no
poseen sistema de recolección de las aguas residuales (red de cloacas,
descargan dichas aguas, sin ningún tratamiento, a los suelos, lagos, ríos,
entre otros, produciendo la contaminación del medio ambiente, y como
consecuencia rompen el equilibrio de la naturaleza. Al contaminar los
reservorios de agua dulce se hacen más difíciles los procesos de purificación
de la misma para el consumo humano, así como también para el proceso de
riego en las plantaciones de cultivo de alimentos, contaminando éstos con
bacterias y virus patógenos, dañinos para el consumo humano. La
contaminación es un ciclo que si no se corrige a tiempo, puede ser reversible
el daño ocasionado, perjudicando la existencia del ser humano.
Actualmente en Venezuela existe una normativa que regula las
características que deben poseer los líquidos para ser vertidos al suelo o a
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reservorios de aguas. Adicionalmente, en las zonas costeras y montañosas
que no posean servicios públicos de recolección de aguas residuales, los
líquidos son vertidos sin ningún control, en su mayoría.
Atendiendo a las consideraciones económicas que implican la
construcción y mantenimiento de plantas de tratamiento de aguas residuales,
se ve la necesidad de estudiar otras formas para purificar esta agua.
Experimentos realizados en otras partes del planeta han obtenido resultados
positivos con el empleo de lagunas o tanques aireados mecánicamente en
comunidades pequeñas o medianas.
Un tanque o laguna aireada constituye una estructura simple para
contener las aguas residuales con el objetivo de mejorar sus características
físicas, químicas y biológicas.
Los tanques o lagunas aireadas mecánicamente originan un proceso
mediante el cual el agua se pone en contacto íntimo con el aire para
modificar las concentraciones de sustancias volátiles contenidas en ella. Su
función es proporcionar oxígeno y mezcla en los procesos de tratamiento
biológico aerobio.
En consecuencia, en Venezuela no existe suficiente información sobre
los procedimientos, limitantes y métodos bien definidos de cálculo a seguir
para el diseño y construcción de pequeñas plantas de tratamiento con
tanques o lagunas aireadas. Por tal motivo, se crea la necesidad de realizar
un manual de diseño que contenga organizadamente cada uno de los
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parámetros y criterios tomados en cuenta al momento de la creación de una
planta de tratamiento de aguas residuales, facilitando no sólo la aplicación de
procedimientos de diseño, sino que también ayude a optimizar y minimizar
los errores de cálculo.
1.2 Objetivos de la Investigación
1.2.1 Objetivo General
Desarrollar conceptualmente lagunas de aireación como un sistema
de tratamiento y disposición de aguas residuales de origen doméstico para
conjuntos habitacionales que no poseen servicios públicos.
1.2.2 Objetivos Específicos
• Definir los procesos y parámetros existentes para la demanda
bioquímica de oxígeno, sólidos suspendidos y de los microorganismos
patógenos de las aguas a tratar.
• Establecer los requerimientos normativos y técnicos para el diseño
geométrico de las diferentes etapas del proceso de la planta de
tratamiento.
• Crear un manual de procedimiento de cálculo para el tratamiento de
aguas residuales para conjuntos habitacionales que no posean
servicios públicos, cumpliendo las nuevas exigencias del Ministerio del
Ambiente.
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• Evaluar el tratamiento aplicado y aprobado en Gaceta Oficial para un
sistema de tratamiento y disposición de aguas residuales para
conjuntos habitacionales que no posean servicios públicos.
1.3 Justificación e Importancia de la Investigación
Este trabajo especial de grado brinda aportes en la Ingeniería
Ambiental y Sanitaria, debido a que su implementación bajaría el grado de
contaminación ocasionado por las aguas residuales en aquellos cuerpos de
agua como lagos, ríos, mares en donde finalmente, desembocan dichas
aguas.
De aplicarse el manual correctamente, y cumpliendo con dada uno de
los criterios y reglamentos ambientales, el proceso de la planta de
tratamiento de aguas residuales se optimizaría, originando que funcione
eficientemente.
Desde el punto de vista técnico, evita errores en el procedimiento de
cálculo; así como también desde el punto de vista teórico y académico,
ayudará a motivar a profesionales y estudiantes en su continuo proceso de
obtención de conocimientos, respectivamente, debido a que en la actualidad
no existe información clara y organizada, ni cursos de especialización
avanzada sobre el tema.
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1.4 Delimitación de la Investigación
1.4.1 Delimitación Espacial
El presente trabajo especial de grado fue realizado en el Estado Zulia,
específicamente, en el Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales
Renovables ubicado en el Municipio San Francisco, respectivamente; para lo
cual se extrajo material y asesoría teórica y práctica para el desarrollo de la
investigación.
1.4.2 Delimitación Temporal
El tiempo utilizado para el desarrollo del estudio, transcurrió en un
período de siete (7) meses, desde Septiembre 2004 hasta Abril 2005.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Dentro de este capítulo se enmarca lo referente a la sustentación
teórica de los objetivos de la investigación, lo cual implica para el
investigador una revisión y análisis tanto de las teorías desarrolladas y
demostradas por autores reconocidos dentro del área de estudio, así como
de los antecedentes de otras investigaciones que hacen referencia al
problema investigado.
En este sentido, Méndez (2001) señala que el marco teórico es una
descripción detallada de cada uno de los elementos de la teoría que serán
directamente utilizados en el desarrollo de la investigación. De esta manera,
el marco teórico está completamente determinado por las características y
necesidades de la investigación.
2.1 Antecedentes
Como soporte para esta parte del trabajo se revisaron diferentes
antecedentes de otras investigaciones hechas con anterioridad, donde se
hayan evaluado o enfocado aspectos relacionados con la variable de estudio:
laguna de aireación mecánica, a fin de tener referencias y establecer las
pautas sobre el tratamiento dado a la variable; es decir, tener una visión
amplia de la teoría evaluada, así como también de la metodología aplicada,
al mismo tiempo disponer de la información sobre los hallazgos más
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resaltantes que sobre el particular se hayan podido generar y puedan servir
de base en la sustentación y desarrollo de este estudio.
No obstante, algunos estudios o trabajos vinculados con el tema son
los siguientes:
La ACTEW Corporation Limited, Canberra (1995), elaboró un “Plan
piloto de reciclaje de aguas residuales en Southwell Park (Australia)”,
ésta es una planta de reciclaje de aguas residuales situada en un barrio
residencial. Los excedentes de 300.000 litros/día se utilizan para regar las 9
hectáreas de los cercanos parques públicos de recreo y de juegos. Las
aguas residuales se recogen por el colector principal y son tratadas in situ
para mejorar su calidad mediante un proceso a tres niveles, con desinfección
posterior. Las aguas residuales se devuelven al colector para un tratamiento
en una zona más alejada, corriente abajo.
La planta tiene gran capacidad y utiliza equipamientos garantizados.
Cumple las normas más estrictas, siendo la planta más innovadora de
Australia. Ha conseguido el prestigioso premio ACT Engineering Excelence,
instituido por la Institution of Engineers Australia. El Environment
Improvement Plan (EIP) (Plan de Mejora Ambiental) de ACTEW en 1993
para el Centro de Control de Calidad de Aguas de Lower Molonglo, su
principal planta de tratamiento de aguas residuales, puso especial énfasis en
la eliminación de los nutrientes nitrógeno y fósforo de los vertidos al río
Molonglo, a causa del impacto negativo que tienen estos nutrientes paral el
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frágil entorno ambiental ribereño. Para alcanzar este objetivo, el plan
recomendó una reutilización sustancial de los efluentes.
El alto coste del trasvase de efluentes desde la planta de tratamiento
hasta las zonas donde se demandan es un impedimento a la hora de
incrementar el nivel de reutilización de los efluentes. Para superarlo, ACTEW
propuso seguir un plan piloto de reutilización de efluentes que extrae el agua
directamente de la red general de alcantarillado y la trata in situ para su
posterior utilización en el riego de parques y jardines.
Durante el desarrollo de su estrategia para el futuro suministro de
agua a Canberra entre 1993 y 1994, ACTEW promovió foros públicos y llevó
a cabo encuestas entre los miembros de la comunidad para conocer sus
puntos de vista respecto a los temas relacionados con los recursos del agua.
También se recogieron opiniones acerca de la reutilización de efluentes para
el suministro de agua potable. Los resultados mostraron que el 20% de la
población estaba completamente a favor del reciclaje total y más del 27% lo
apoyaba sólo en parte. De todos modos, un porcentaje mayoritario de la
población, cerca del 97% era partidaria de la reutilización de efluentes para el
riego.
El reciclaje de aguas residuales para riego no es un tema nuevo en
Canberra, que ya contaba con irrigación mediante aguas residuales
recicladas para el campo de golf de Belconnen y el parque recreativo de
Duntroom. El diseño de la planta es ingenioso, ya que su naturaleza
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compacta permite su instalación en áreas residenciales nuevas o ya
existentes, sin perjuicio para los inquilinos. La planta no produce olores ni
ruidos y ocasiona un aumento de tráfico mínimo en la zona.
Asimismo, se determinó que la construcción de la planta tuvo un bajo
impacto ambiental. La mayoría de las instalaciones están enterradas, no sólo
para reducir los ruidos, sino para evitar el impacto visual negativo del edificio
sobre su entorno. La utilización de pantallas acústicas minimiza los niveles
sonoros para evitar molestias a la vecindad. Desde que los residuos sólidos
no se tratan in situ, sino que se devuelven al colector para su tratamiento en
el Lower Molonglo, se han minimizado los olores.
La planta está totalmente automatizada y controlada por un sistema
informático conectado mediante una red terrestre al Centro de Control de
Calidad de Aguas de Lower Molonglo para su supervisión, alarmas y señales
de control. Su mantenimiento sólo requiere una visita semanal. Inicialmente,
el agua reciclada se utiliza para el riego de los campos de juego de
Southwell, pero se estudia la posibilidad de ampliar el abastecimiento al
campo de golf, al hipódromo de Canberra y a los recintos feriales.
En caso de que la planta debiera cerrar por algún tiempo, el agua
potable podría depositarse en tanques de almacenamiento para asegurar el
abastecimiento de agua para riego.
Con referencia al tratamiento biológico, un sistema de filtración
gaseoso biológico BIOFOR en dos niveles, diseñado por Lyonnaise des
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Eaux-Dumez y distribuido internacionalmente por Degremont, proporciona
dicho tratamiento. Las unidades se diseñaron en Estados Unidos y se
construyeron en Australia. Se seleccionó este tipo de tratamiento por la
naturaleza compacta del proceso, el mantenimiento mediante control remoto
y la posibilidad de ser instalado bajo tierra.
El primer reactor recoge material con partículas de carbono, mientras
el segundo reactor convierte el amoníaco en nitrato. Los dos reactores de la
planta pueden funcionar simultáneamente para aumentar el nivel del caudal
de efluentes, sin que ello merme la calidad. Las unidades tienen una
superficie de 5 m2
y una media de caudal de 5 litros/segundo para el proceso
en serie.
La mayor ventaja de este proceso de tratamiento biológico es que
ocupa una superficie reducida. Tanto el reactor biológico como los filtros
están construidos en un solo tanque. El sistema está automatizado y la
emisión de olores es baja, ya que el proceso se desarrolla en el interior de un
tanque sin aguas residuales en contacto con el exterior.
Los reactores contienen una mediana granular de unos 3 mm de
espesor sobre la que crece la biomasa. Las aguas residuales atraviesan la
mediana, que se mantiene inundada, y se pulveriza aire a su través para
proporcionar el oxígeno necesario para la actividad biológica.
La mediana granular no se expande y proporciona un medio de
filtración que captura la biomasa que discurre en el interior del fluido. El filtro
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DERECHOS RESERVADOS

se renueva periódicamente para extraer los sólidos depositados que se
devuelven al colector. Las aguas residuales procedentes de los reactores
biológicos se bombean a través de una unidad de microfiltración para la
recogida de áridos finos, bacterias y otros microorganismos. Esta unidad es
un sistema de microfiltración continuada Memtec manufacturado en Australia,
con un tamaño medio de huecos de 0,2 micras.
Los materiales y organismos recogidos en los filtros de membrana se
extraen mediante frecuentes lavados con ayuda de aire comprimido, y el
agua de lavado se devuelve al colector. La unidad recicla, cuando es
necesario, una solución especial de soda cáustica y detergentes.
La ventaja de la membrana de microfiltración respecto a las arenas
convencionales y la filtración de doble mediana, consiste en la posibilidad de
recoger todos los sólidos en suspensión, bacterias incluidas, y la casi
totalidad de los virus tras atravesar las fibras con huecos de 0,2 micras. El
agua se descarga por gravedad desde la unidad de microfiltración hasta un
tanque para la mezcla con cloro donde se añade una solución de hipocloritos
que ha pasado un control de dosificación para mantener su nivel de residuos
cloríticos por encima de los 0,5 miligramos/litro. La solución de hipocloritos,
similar a la que se usa para las piscinas, se recibe a granel y se almacena in
situ.
El proceso de cloración proporciona la doble desinfección exigida en el
proyecto. La ausencia de sólidos, que podrían envolver y proteger a
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organismos de su destrucción mediante el cloro que está en contacto con
ellos durante más de una hora, asegura la casi total eliminación de las
bacterias coliformes, virus y parásitos. El agua reciclada se almacena en un
tanque desde el cual se bombea hacia los campos de juego para su riego.
El mantenimiento de Southwell Park es responsabilidad del ATC Parks
and Conservation Service y la irrigación se lleva a cabo mediante un sistema
informático de control remoto que activa las bombas de la planta para
suministrar el riego por aspersión cuando es necesario. Como algunos de los
nutrientes de las aguas residuales quedan retenidos durante el proceso de
tratamiento de aguas residuales, se entiende que no es necesario añadir
fertilizantes a los terrenos del parque. ACTEW lleva a cabo controles
rutinarios de las aguas recicladas para asegurar que la planta cumple los
requisitos de calidad, incluidos los criterios de salubridad. Además, el ACT
Department of Health recoge las muestras necesarias para comprobar si se
cumplen las condiciones de salubridad.
ACTEW realiza actualmente, en colaboración con CSIRO y el ATC
Parks and Conservation Service, un programa de calidad del agua para
controlar los efectos sobre el suelo, las aguas subterráneas y otros aspectos
ambientales. Antes de comenzar a utilizar aguas recicladas para el riego de
Southwell Park, se recogió una base de datos para determinar los niveles de
parámetros críticos anteriores, de forma que pudiera llevarse a cabo
eficazmente un programa de control durante más de cinco años.
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El proyecto ya ha sido reconocido como un ejemplo eficaz de buena
práctica, gracias a sus logros y al hecho de que ha discurrido sutilmente
dentro de los marcos y acuerdos institucionales existentes. La ACTEW
Corporation mantiene una estrategia sectorial de incrementar
progresivamente la reutilización de las aguas residuales tratadas. Tanto la
comunidad como el gobierno regional han apoyado ampliamente esta
estrategia para conseguir un desarrollo ecológico sostenible.
El disponer de fondos procedentes del gobierno nacional para un
Programa Building Best Cities (BBC), aceleró la decisión de construir una
planta piloto de demostración para el reciclaje de aguas in situ en una
barriada local. Cuando los gobiernos nacional y local llegaron a un acuerdo
respecto a los programas BBC en detalle, un comité constituido por
representantes de las compañías de abastecimiento y de los dos estamentos
del gobierno acordó las condiciones para la provisión de fondos y la
supervisión del proceso.
La estrategia sectorial de incrementar el reciclaje de aguas residuales
se considera responsable, práctica y esencial para el desarrollo ecológico
sostenible. El llevar a cabo consultas a la población maximizará el apoyo de
las comunidades locales. Esto demuestra que tiene una posible aplicación en
cualquier lugar.
La aceptación de la estrategia y del proyecto a nivel local conllevaba la
consideración y aprobación de los departamentos de planificación, salud y
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administración ciudadana. La construcción dependía de los departamentos
de administración ciudadana y la consiguiente licencia por parte del
departamento local de protección ambiental.
Todas las actuaciones se desarrollan dentro del marco institucional, en
el que cada departamento tiene asignadas unas funciones y
responsabilidades específicas. Estos departamentos establecen unos
sistemas de gestión eficaces, transparentes y responsables en sus
procedimientos burocráticos.
La continuidad y operatividad de los sistemas de gestión desarrollados
por ACTEW y el resto de los departamentos ha contribuido a concluir con
éxito este proyecto de buena práctica. Asimismo, la colaboración y el apoyo
mutuo entre ACTEW y los departamentos aseguran una utilización de los
recursos humanos, técnicos, financieros y naturales más eficiente y eficaz.
En resumen, el proyecto aparece claramente como un ejemplo de
buena práctica, al haberse planificado y concluido con éxito gracias a la
colaboración de funcionarios que operan con franqueza, buena voluntad y
ética profesional, dentro de los marcos institucionales existentes.
De esta manera, el proyecto piloto ha superado las expectativas en
cuanto a calidad, y su utilización servirá para demostrar sus ventajas a la
hora de reducir los costes de producción y mejorar la capacidad de pago.
Igualmente, la comunidad vecinal aprobó el plan para la instalación de una
planta local de reciclaje de las aguas residuales.
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El proyecto utiliza tecnologías para el proceso seguras, garantizadas y
ya disponibles. Al reducir el caudal a través del Centro de Control de Calidad
de Aguas se reducirá la contaminación de las aguas recibidas. Actualmente
se mantiene el riego de 9 hectáreas de campos de juegos y parques de
recreo públicos durante todo el año. La reducción del consumo de agua
procedente de la red pública de suministro beneficia los objetivos de la
sostenibilidad ecológica.
El proyecto se completó en el período de 11 meses gracias a unos
sistemas de administración y gestión eficaces. Por otro lado, el éxito del
proyecto se basó en la colaboración y cooperación gradual entre
departamentos gubernamentales, comunidad y sector privado. Al extraer
agua del sistema de alcantarillado, se reduce el caudal de entrada al Centro
de Control de Calidad de Aguas.
Por su parte, Da Cámara, Hernández y Paz (2001), elaboraron un
“Manual de Diseño para Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
Alimenticias”, presentado como un Miniproyecto de Ingeniería Química en
la Universidad Simón Bolívar, sosteniendo que por ser el agua un elemento
indispensable para la vida e imprescindible como herramienta de trabajo,
resulta de gran importancia el cuidado del abastecimiento de agua limpia y
potable, y el reconocimiento de los métodos a emplear para el tratamiento de
ésta, a fin de que pueda ser reubicada o reutilizada. Las aguas residuales
conforman esos desechos líquidos a tratar para su vertido o reutilización, que
se originan bien sea por procesos industriales o por uso doméstico.
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Por tanto, se hace necesario un tratamiento previo para que puedan
ser desechadas o introducidas nuevamente en la red de abastecimiento.
Estos tratamientos contemplan una serie de procesos y equipos específicos,
para lo cual se propuso la realización de un manual de diseño para plantas
de tratamiento de aguas residuales en industrias alimenticias, en donde
fueron presentadas las características y dimensiones de dichos equipos.
Al respecto, se pudo conocer que los vertidos de los procesos de
elaboración de productos alimenticios normalmente contienen materia
orgánica (disuelta o en estado coloidal) en distintos estados de
concentración, resultando así recomendables diversos sistemas biológicos
de tratamiento de vertidos. Puesto que éstos difieren de las aguas residuales
urbanas en las características generales y también, específicamente, por su
mayor concentración de materia orgánica, se requiere un pre-tratamiento
para producir un efluente equivalente.
Además, en necesario realizar ajustes frecuentes en la alimentación
continua, el pH, la mezcla, las sustancias primitivas y adaptación de la
población de microorganismos, con el fin de proporcionar las condiciones
ambientales correctas para los microorganismos de los cuales depende el
tratamiento biológico.
Entre los tratamientos biológicos aeróbicos o anaeróbicos existentes,
los métodos más eficaces e importantes son los fangos activos, filtros
bacterianos, digestión anaerobia, lagunas de oxidación y riego por aspersión.
21
DERECHOS RESERVADOS

Pero el tipo de tratamiento que se emplee dependerá de la naturaleza del
vertido, de la variación en la cantidad de vertidos, en el volumen de los
vertidos, de los costes de capital, del funcionamiento y de los resultados que
se esperan obtener.
Los vertidos de la industria de conservas alimenticias, proceden de las
operaciones de limpieza, extracción el jugo, calentamiento preliminar y
pasteurización de las materias primas, limpieza de la maquinaria para la
elaboración y la congelación del producto terminado. De esta manera, la
planta de la industria de conservas alimenticias presenta seis (6) categorías
de tratamiento de sus vertidos: (a) modificaciones dentro de la planta; (b)
tratamiento preliminar; (c) tratamiento químico; (d) tratamiento biológico; (e)
riego y (f) tratamiento municipal.
La selección del mejor tipo de tratamiento para cualquier fábrica, ha de
guiarse por dos (2) consideraciones: una, que incluye los aspectos normales
de volumen y naturaleza de los vertidos y el tratamiento necesario, y la otra,
que tenga en cuenta las condiciones especiales de número y duración de los
períodos de elaboración. Los vertidos de fábricas de conservas se tratan de
forma más eficaz por rejillas, precipitación química, lagunas y riego por
aspersión. También se emplean, pero con menos frecuencia, los métodos de
filtración biológica y digestión. Otra operación es el desbaste que es un
tratamiento preliminar cuyo fin es eliminar gran cantidad de partículas sólidas
antes del tratamiento final o de verter a un río o al sistema principal de aguas
residuales.
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Se emplean rejas mecánicas (tamaño de la malla entren 1,6 y 0,63
mm) de tipo rotativo o vibratorio. Se pueden eliminar los sólidos que quedan
en las rejillas de diferentes formas, en vertedero, empleándolos como
material de relleno, secándolos o quemándolos como complemento en la
alimentación del ganado. La precipitación química, empleada junto con otros
métodos de tratamiento, se usa para ajustar el pH y reducir la concentración
de materia sólida en los vertidos. Con sales férricas o de aluminio y cal, se
han obtenido reducciones en la DBO de 40 a 50%.
La precipitación química produce, aproximadamente, del 10 al 15% de
volumen de fangos, que normalmente sacarán de lechos de arena en una
semana sin producir ningún olor. Se pueden eliminar por medio de la
oxidación biológica las materias que necesitan oxígeno de los vertidos. Los
vertidos de la fábrica se pueden mezclar con aguas urbanas y entonces, los
procesos de oxidación biológica representan una solución práctica y
económica. También se ha empleado el tratamiento con fangos activos para
producir un efluente transparente y sin olor de los vertederos cítricos, con
una reducción por lo menos del 90% de la DBO.
Con relación a los vertidos de las industrias lácteas, estas aguas están
constituidas en su mayor parte por diferentes diluciones de leche entera,
leche tratada, mantequilla y suero de derrames obligados o accidentales;
derrames que llegan al sistema de aguas residuales debido a un deficiente
diseño o funcionamiento del proceso; restos de lavados que contienen
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productos químicos, alcalinos u otros utilizados para limpiar la leche de los
recipientes, lo mismo que restos parcialmente caramelizados de depósitos.
Las aguas residuales de las industrias lácteas, son generalmente, neutras o
poco alcalinas, pero tienen tendencia a volverse ácidas muy rápidamente a
causa de la fermentación del azúcar de la leche transformándose en ácido
lácteo.
Las aguas residuales del proceso de la leche contienen muy poca
materia en suspensión (excepto el cuajo encontrado en las aguas residuales
de la fabricación de queso), y sus efectos contaminantes son debidos a la
demanda de oxígeno que se impone a la corriente receptora. Las aguas
tienen un alto contenido en materia orgánica disuelta y por ello tienden a
fermentar y emanando un olor fuerte, pero responde muy bien al tratamiento
biológico. Los procesos aeróbicos son los más convenientes, pero la
selección final del método de tratamiento depende de la colocación y del
tamaño de la planta.
Los seis métodos más convencionales y más efectivos que se utilizan
son: aireación, filtros bacterianos, fangos activos, riego, lagunaje y digestión
anaeróbica. Cuando hay una amplia variación en el caudal y concentración
de materias contaminantes en los vertidos, es conveniente prever un período
de homogeneización y retención para hacer a las aguas residuales uniformes
antes del tratamiento. Es deseable dar una aireación, ya como método de
tratamiento o como un pre-tratamiento antes de los procesos biológicos.
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La aireación durante un día produce normalmente una reducción del
50% de la DBO y elimina los olores durante la conversión de lactosa en
ácido. El proceso de fangos activados ha demostrado ser un método útil para
el tratamiento completo de las aguas residuales. El sistema se basa en
producir la concentración de unos fangos adaptados por medio de una
aireación. La flora y la fauna en los fangos activos, cuando tienen aire
suficiente, oxidan los sólidos disueltos orgánicos en las aguas residuales.
Los fangos en exceso se precipitan y se retornan posteriormente a las
unidades de aireación.
En resumen, se puede describir el sistema de tratamiento de aguas
residuales de la industria alimenticia a través del siguiente esquema:
• Recepción y envío de efluentes
• Separación de sólidos gruesos
- Rejas o cribados
- Filtro de tambor rotatorio
• Unidad de desengrase
• Estanque de compensación aireada
• Neutralización y preacidificación
- Tanque buffer
- Tanque preacidificación
- Productos químicos
• Sistema biológico
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- Tratamiento anaeróbico
- Tratamiento aeróbico
• Desinfección
• Digestor aerobio de lodos
• Espesador de lodos
• Deshidratación
En este mismo orden de ideas, Cárdenas, Perruelo, Fernández y otros
(2002), desarrollaron un estudio en La Universidad del Zulia, denominado:
“Tratamiento de aguas residuales domésticas utilizando lagunas
aireadas”. El estudio se llevó a cabo utilizando una planta piloto de lagunas
aireadas, conformada por dos sistemas A y B (cada uno integrado por tres
lagunas en serie), con la finalidad de evaluar el funcionamiento, operación y
control de la planta. La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5,20) total y
soluble en la salida del sistema A fueron 20 mg/L y 6 mg/L respectivamente,
muy similares a las obtenidas en el sistema B, donde los valores fueron de
15 mg/L y 5 mg/L, respectivamente.
Se alcanzaron los mismos niveles de remoción de la DBO tanto para
el sistema A, con un tiempo de retención de 1 día en cada laguna, como para
el sistema B con tiempo de retención de 2 días en cada laguna. Los
porcentajes de remoción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) en los
dos sistemas A y B fueron muy similares, 81% y 85%, respectivamente. Los
resultados de las diferentes especies de nitrógeno en el efluente de los dos
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sistemas indicaron que el proceso de nitrificación fue eficiente. El tratamiento
biológico en lagunas aireadas es eficiente para tratar este tipo de aguas
residuales, puesto que con un tiempo de retención de un día, se logró una
remoción del 91% de la carga orgánica, en términos de DBO, con una sola
laguna.
En este sentido, se utilizó un sistema de lagunas aireadas de mezcla
completa, llamadas también lagunas aireadas de biomasa en suspensión, en
el cual la presencia de algas no es aparente. Esto puede considerarse como
un proceso incipiente de lodos activados, sin separación y recirculación de
lodos. La densidad de la biomasa es considerablemente menor que en los
procesos de lodos activados y para el dimensionamiento de las lagunas se
relaciona el período de retención con la tasa de generación de sólidos
activos, de modo que no se produzca un lavado de biomasa del sistema. No
habiendo recirculación en este caso, el período de retención es igual a la
edad de lodos.
El sistema de lagunas aireadas se instaló en la entrada al sistema de
tratamiento de lagunas de estabilización del Centro de Investigación del
Agua de la Facultad de Ingeniería, ubicado en el núcleo agropecuario de La
Universidad del Zulia.
Para la simulación del tratamiento biológico en la planta piloto de
lagunas aireadas, se empleó el tipo de reactor mezcla completa con flujo
continuo. El sistema de lagunas aireadas está conformado por seis (6)
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lagunas, distribuidas en dos subsistemas de tres lagunas en serie cada una,
clasificadas de acuerdo a su tiempo de retención. El funcionamiento del
sistema se inicia una vez que se extrae una porción del efluente del Colector
"C" de aguas residuales domésticas de la ciudad de Maracaibo y es
trasladado por medio de dos bombas peristálticas al sistema de lagunas
aireadas. Las lagunas del sistema piloto son tanques cilíndricos de plástico
(PVC), con una capacidad cada uno de 235 litros aproximadamente (0,89 m
alto y 0,58 m θ).
El caudal de entrada para el sistema A fue de 64 mL/min para un
tiempo de retención (θ = θC) de 48 horas y para el sistema B 128 mL/min
para un tiempo θC de 24 horas. Para que el sistema funcionara
eficientemente se dispuso de dos (2) compresores, que permitieron airear a
cada una de las lagunas por medio de un equipo difusor, colocado en la
parte inferior de las mismas y de esta forma lograr mantener los sólidos en su
total suspensión.
Al respecto, se obtuvo lo siguiente:
1. Las concentraciones de DBO soluble en la salida del sistema A de
las lagunas aireadas fueron muy similares a las obtenidas en el sistema B,
6,3 mg/L y 4,7 mg/L respectivamente. Demostrándose que bajo las
condiciones climáticas y de operación de este estudio, se logra en las tres
lagunas en serie la misma eficiencia con 6 días de tiempo de retención que
con 3 días de tiempo de retención.
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2. De los resultados obtenidos de nitrógeno total Kjeldahl, nitrógeno
amoniacal, nitritos y nitratos a lo largo de los dos sistemas A y B, se pudo
detectar un decrecimiento de la concentración del NTK y del nitrógeno
amoniacal, y un aumento en la concentración de nitritos y nitratos, debido a
un efectivo proceso de nitrificación que condujo a la estabilización del
nitrógeno presente en las lagunas.
3. El tratamiento biológico de lagunas aireadas resultó muy apropiado
para tratar este tipo de aguas residuales domésticas, y la eficiencia de este
tratamiento en climas cálidos hace que se logre con una sola laguna, una
remoción del 91% de la carga orgánica en términos de DBO5,20 soluble, con
un tiempo de retención de un día.
4. Los valores de concentraciones de DBO5,20, DQO y nitrógeno total
Kjeldahl del sistema de lagunas aireadas obtenidos con este estudio,
cumplen con las normas establecidas por el Ministerio de Ambiente y
Recursos Naturales para descargas a cuerpos de agua. Los valores de nitrito
más nitrato estuvieron sobre los límites de la misma normativa; sin embargo,
este efluente es altamente recomendable para su uso con fines agrícolas.
Los sólidos suspendidos totales también se encontraron fuera de la norma, lo
cual se debió a la alta aireación en las lagunas, efecto que puede
minimizarse o eliminarse colocando un sedimentador después de las
lagunas.
Siguiendo esta misma línea de investigación, se tomó como referencia
el trabajo de Seguí (2004), titulado: “Sistemas de regeneración y
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reutilización de aguas residuales. Metodología para el análisis técnico-
económico y casos”, presentado en la Universidad Politécnica de Cataluña
(España). El objetivo principal de esta tesis fue el desarrollo de una
metodología para el análisis técnico-económico de los Sistemas de
Regeneración y Reutilización de Aguas Residuales (SRRAR).
La metodología se fundamentó en la aplicación de técnicas para la
evaluación de proyectos, adaptadas particularmente a los SRRAR. Para
lograr esta adaptación ha sido necesario buscar un nuevo paradigma que
interrelacione el área tecnológica con el área económica, y cristalizarlo en
una herramienta que permita a los responsables de la toma de decisión en el
ámbito del sector hidráulico, emitir un juicio soportado tecnológica y
económicamente para invertir o no en estos sistemas.
La metodología propuesta determinó la maximización de los beneficios
del SRRAR, tomando como base económica las técnicas del Valor Actual
Neto (VAN) y el Análisis Coste-Beneficio (ACB). Entre las aportaciones a
destacar en esta metodología está la recolección y discusión de los impactos
que se pueden presentar al implantar y explotar un SRRAR. Con base en la
información científica reciente, la consulta a expertos y la experiencia
profesional, se han identificado y descrito los impactos, (tanto privados como
externos), más relevantes. Este proceso es fundamental para la
periodicificación y cuantificación de las variables que se utilizan en el análisis
de la viabilidad económica de los SRRAR.
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Esta tesis constituye un intento por modificar el actual paradigma en el
análisis técnico-económico de los SRRAR y su evaluación mediante una
visión multidisciplinaria e interdisciplinaria. Este análisis técnico-económico
no sólo considera los impactos privados (que tradicionalmente se han
identificado estrictamente con los aspectos técnicos), sino que se han tratado
de incorporar en el modelo de evaluación todos aquellos impactos externos
(ambientales, sociales y económicos), que derivan de la implantación y
explotación de un SRRAR.
La tesis se conformó por ocho (8) capítulos, incluyendo: una
introducción, un análisis sobre la situación actual de la regeneración y
reutilización de aguas residuales en el ámbito internacional, una discusión
sobre las principales metodologías en la planificación de los SRRAR, una
propuesta metodológica para el análisis técnico-económico de estos
sistemas y la aplicación de esta metodología a tres casos de estudio (en
escenarios diversos), y finalmente las principales conclusiones de la
investigación realizada.
La conclusión fundamental de esta tesis es la viabilidad técnico-
económica de regenerar y reutilizar las aguas residuales, particularmente en
aquellas zonas donde la disponibilidad de agua es escasa. Este trabajo
aporta un mecanismo estandarizado para la evaluación técnico-económica
de los SRRAR, que incorpora los impactos privados, externos y el coste de
oportunidad del agua. El considerar en la evaluación el coste de oportunidad
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del agua y las externalidades de la implantación y explotación de los SRRAR
(tanto positivas como negativas), ha permitido observar que estos sistemas
aportan un beneficio económico significativo.
Asimismo, este trabajo de investigación contribuye a soportar la
incorporación de las fuentes alternativas de suministro de agua dentro de
una gestión integral de los recursos hídricos. Los resultados obtenidos
indican que, a diferencia de lo que podría considerarse "a priori", los SRRAR
no deben percibirse como una carga económica, sino como una actividad
generadora de riqueza.
Las ventajas que se obtienen por la implantación de estos sistemas, al
ser expresadas en un valor económico, superan con creces los costes que
conllevan su implantación y explotación. El reto que se debe vencer es la
creación de los mecanismos para la internalización de estas ventajas. De
esta manera, el sistema las recogerá para posteriormente reflejarlas en el
precio del agua regenerada, que a su vez contribuirá a fundamentar un
precio del agua más eficiente, tanto si procede de fuentes convencionales o
de fuentes alternativas.
En líneas generales, los antecedentes descritos aunque se diferencian
de la presente investigación por la naturaleza de sus objetivos y particularidad
del contexto de estudio, representan una contribución importante, pues
coinciden al presentar análisis teóricos y metodológicos similares para abordar
el tratamiento de aguas residuales, considerando las normas y procedimientos
32
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viables para implementar y evaluar la misma en el contexto de Ingeniería
Conceptual.
2.2 Alcance y Limitaciones de la Investigación
• La planta de tratamiento es realizada para tratar únicamente aguas
• Los desechos sólidos no se tratarán en este trabajo de investigación
de grado, sólo se esbozará lo concerniente al líquido residual.
• La investigación se desarrolla a nivel de Ingeniería Conceptual.
2.3 Fundamentación Teórica
2.3.1 Aguas Residuales
La creciente importancia que tiene la conservación de los recursos
naturales ha despertado en el hombre, la búsqueda de métodos para
cuidarlos y recuperarlos, para que puedan ser aprovechados por los seres
vivos; de aquí que uno de los recursos de vital importancia para el hombre,
como lo es el agua, sea objeto de estudio.
Las aguas residuales son aquellas vertientes provenientes de
procesos post-industriales; es decir, aquellas aguas que han sido utilizadas
en los diferentes sistemas de fabricación, producción o manejo industrial y
que para ser desechadas necesitan ser tratadas previamente, de manera tal
que puedan ser adecuadas para su ubicación en las respectivas redes de
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vertido, depuradoras o sistemas naturales, tales como lagos, ríos, embalses,
entre otros.
Las impurezas se encuentran en el agua como materia en suspensión,
como material coloidal, o como materia en solución; mientras que la materia
en suspensión siempre se separa por medio mecánico, con intervención o no
de la gravedad, la materia coloidal requiere un tratamiento fisicoquímico
preliminar y la materia en solución puede tratarse en el propio estado
molecular o iónico o precipitarse y separarse utilizando procesos semejantes
a los empleados para la separación de los sólidos inicialmente en
suspensión. A esto es lo que se denomina tratamiento de las aguas.
Cuando se habla de la aplicación de procesos biológicos, se hace
referencia casi exclusiva a los tratamientos de aguas residuales, donde se
busca como objetivo principal eliminar los componentes definidos como
contaminantes, molestos o con efectos nocivos para el medio ambiente, de
manera tal que se pueda ajustar el agua residual, a la calidad de agua
vertida a las especificaciones legales existentes. De esta manera, la mejor
forma de tratar las aguas residuales dependerá de una serie de factores
característicos, tales como: el caudal, la composición, las concentraciones, la
calidad requerida o esperada del efluente, las posibilidades de reutilización
de la misma, las posibilidades de vertido a depuradoras municipales, tasas
de vertido, entre otras.
En este orden de ideas, podría afirmarse que cada persona consume
un promedio de 150 galones (570 Litros) de agua al día. Toda el agua que
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llega a las casa por la tubería, sale de la misma por otra tubería distinta; el
agua fresca se convierte en agua residual. El agua residual proviene de
hogares, escuelas, negocios, industrias, y de la escorrentía producida por
tormentas. En las ciudades, el agua residual se va por las cloacas hasta las
plantas de tratamiento de aguas residuales. En el campo, el agua residual va
a tanques grandes subterráneos llamados tanques sépticos.
Así, podría decirse que el tratamiento de aguas residuales en una
planta de tratamiento incluye los siguientes pasos: tratamiento primario,
secundario, y avanzado. En el tratamiento primario de las aguas residuales
se usan parillas de barrotes para filtrar objetos como palos, trapos y rocas, y
tanques de sedimentación para asentar los sólidos suspendidos. Los sólidos
suspendidos son sondeados desde el fondo hasta otro depósito de
sedimentación. El tratamiento secundario usa procesos biológicos en el cual
los desperdicios se descomponen por medio de bacterias. El agua residual
es pasada por tanques de aireación donde se le añade aire y se revuelven
los desperdicios para ayudar a que crezca la bacteria. La bacteria se pega de
los sólidos suspendidos, los cuales se asientan en el tanque de
sedimentación secundario. El proceso de tratamiento avanzado incluye
filtración por arena o grava, desinfección con el uso de cloro, luz ultravioleta
u ozono para matar bacterias peligrosas o patogénicas.
El agua residual ya limpia se puede usar para irrigación o puede ser
arrojada de nuevo a un lago o río. Del mismo modo, para poder descargar y
eliminar el agua residual, se deben cumplir ciertas normas establecidas por
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los gobiernos federales y estatales. Los sólidos del agua residual, al cumplir
normas adicionales para uso benéfico, son llamados biosólidos. Éstos
pueden usarse como fertilizantes. Cada humano produce aproximadamente
200 libras de biosólidos al año.
El conocimiento de la naturaleza del agua residual es fundamental de
cara al proyecto y explotación de las infraestructuras tanto de recogida como
de tratamiento y evacuación de las aguas residuales, así como para la
gestión de la calidad del medio ambiental. Éstas se caracterizan por su
composición física, química y biológica. Las normas que regulan los
tratamientos secundarios están basadas en las tasas de eliminación de la
materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua
residual. Cuando se pretende reutilizar el agua residual, las exigencias
normativas incluyen también la eliminación de compuestos orgánicos
refractarios, metales pesados y en algunos casos, sólidos inorgánicos
disueltos.
Por otra parte, para la caracterización del agua residual se emplean
tanto métodos de análisis cuantitativos, para la determinación precisa de la
composición química del agua residual, como análisis cualitativos para el
conocimiento de las características físicas y biológicas. Los métodos
cuantitativos pueden ser gravimétricos, volumétricos o fisicoquímicos. Estos
últimos se utilizan para determinar parámetros no relacionados con las
propiedades másicas o volumétricas del agua.
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DERECHOS RESERVADOS

Las características físicas más importantes del agua residual son el
contenido total de sólidos, término que engloba la materia en suspensión, la
materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta. Otras
características físicas importantes son el olor, la temperatura, la densidad, el
color y la turbiedad.
Analíticamente, se define el contenido de sólidos totales como la
materia que se obtiene como residuo después de someter al agua a un
proceso de evaporación a entre 103 y 105ºC. No se define como sólida
aquella materia que se pierde durante la evaporación debido a su alta
presión de vapor. Los sólidos sedimentables se definen como aquellos que
sedimentan en el fondo de un recipiente de forma cónica (cono de Imhoff) en
el transcurso de un período de 60 min. Los sólidos sedimentables,
expresados en unidades de ml/l, constituyen una medida aproximada de la
cantidad de fango que se obtendrá en la decantación primaria del agua
residual. Los sólidos totales, o residuo de la evaporación, pueden clasificarse
en filtrables o no filtrables (sólidos en suspensión) haciendo pasar un
volumen conocido de líquido por un filtro. Para este proceso de separación
suele emplearse un filtro de fibra de vidrio (Whatman GF/C), con un tamaño
nominal de poro de 1,2 _m, aunque también suele emplearse filtro de
membrana de policarbonato. Es conveniente destacar que los resultados que
se obtienen empleando ambos tipos de filtro pueden presentar algunas
diferencias, achacables a la diferente estructura de los filtros.
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La fracción filtrable de los sólidos corresponde a sólidos coloidales y
disueltos. La fracción coloidal está compuesta por las partículas de materia
de tamaños entre 0,001 y 1 _m. Los sólidos disueltos están compuestos de
moléculas orgánicas e inorgánicas e iones en disolución en el agua. No es
posible eliminar la fracción coloidal por sedimentación, normalmente para
eliminar la fracción coloidal es necesaria la oxidación biológica o la
coagulación complementadas con la sedimentación.
Cada una de las categorías de los sólidos comentadas hasta ahora,
puede ser, a su vez dividida en función de su volatilidad a 550 - 50ºC. A esta
temperatura, la fracción orgánica se oxidará y desaparecerá en forma de
gas, quedando la fracción inorgánica en forma de cenizas. De ahí que se
empleen los términos de sólidos volátiles y sólidos fijos para hacer referencia,
respectivamente, a los componentes orgánicos e inorgánicos (o minerales)
de los sólidos en suspensión. A la temperatura de 550 - 50ºC, la
descomposición de las sales inorgánicas se limita al caso del carbonato de
magnesio, que se descompone en óxido de magnesio y dióxido de carbono,
al alcanzar la temperatura de 350ºC. De las sales inorgánicas, la más
frecuente y preponderante es el carbonato de calcio, que se mantiene
estable hasta una temperatura de 825ºC. El análisis de sólidos volátiles se
emplea habitualmente para determinar la estabilidad biológica de fangos de
aguas residuales.
Con referencia a los olores, normalmente éstos se deben a los gases
liberados durante el proceso de descomposición de la materia orgánica. El
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agua residual reciente tiene un olor peculiar, algo desagradable, que resulta
más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del
agua residual séptica es producto de la presencia del sulfuro de hidrógeno
que se produce al reducirse los sulfatos a sulfitos por acción de
microorganismos anaerobios. Las aguas residuales industriales pueden
contener compuestos olorosos en sí mismos, o compuestos con tendencia a
producir olores durante los diferentes procesos de tratamiento.
La problemática de los olores está considerada como la principal
causa de rechazo a la implantación de instalaciones de tratamiento de aguas
residuales.
Los compuestos malolientes responsables de la tensión psicológica
que se produce en los seres humanos se detectan a través del sentido del
olfato, pero aún hoy en día se desconoce exactamente el mecanismo
involucrado en dicha detección.
Para la completa caracterización de un olor se sugieren cuatro
factores independientes: la intensidad, el carácter, la sensación de
desagrado y la detectabilidad, aún cuando hasta la actualidad el único factor
considerado en el desarrollo de las normativas reguladoras de los malos
olores ha sido la detectabilidad.
Los olores pueden medirse con métodos sensoriales, mientras que las
concentraciones de olores específicos pueden determinarse con métodos
instrumentales.
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Por otro lado se tienen los estudios de caracterización del agua
residual encaminados a determinar:
• Las características físicas, químicas y biológicas del agua y las
concentraciones de los constituyentes del agua residual.
• Los medios óptimos para reducir las concentraciones de
contaminantes.
Las técnicas de muestreo utilizadas en un estudio del agua residual
deben asegurar la obtención de muestras representativas, ya que los datos
que se deriven de los análisis de dichas muestras serán, en definitiva, la
base para el proyecto de las instalaciones de tratamiento.
En general, el tratamiento de las aguas residuales es una combinación
de operaciones físicas y de procesos biológicos y químicos que remueven el
material suspendido, coloidal o disuelto de dichas aguas.
En el tratamiento convencional se utilizan rejillas para remoción de
materiales gruesos, desarenadores para remoción de agua, sedimentación
para remoción de material sedimentable y tratamiento biológico para
oxidación de la materia orgánica disuelta y coloidal. Existen dos grandes
tipos de actividad biológica que ejecutan los organismos en la
descomposición de la materia orgánica de las aguas residuales: oxidación
aerobia y oxidación anaerobia.
Mediante la actividad microbial, se desarrollan flóculos y películas
biológicas o, simplemente, cultivos de microorganismos que descomponen la
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materia orgánica biodegradable. A través de reacciones de catabolismo y
anabolismo o síntesis celular, se oxidan o mineralizan los compuestos
orgánicos y se produce biomasa. La retención de la biomasa y la
evaporación de los productos gaseosos formados, permiten efectuar el
tratamiento del agua o remoción del DBO (ver figuras 2.1 y 2.2).
Dentro de este marco, este trabajo de investigación se basa en la
teoría de tratamiento aerobio.
2.3.2 Tratamiento Aerobio
Cuando se usa oxígeno molecular disuelto como aceptador final de
electrones, el proceso es aerobio y se conoce también como respiración
aerobia.
En la forma más elemental:
O2
Materia orgánica H2O + CO2 + Biomasa
Donante de hidrógeno
Figura 2.1 Respiración aerobia. Fuente: Atencio y Méndez (2005)
La oxidación biológica aerobia es la conversión bacterial de los
elementos, de su forma orgánica a su forma inorgánica altamente oxidada,
en un proceso conocido también como mineralización.
La mineralización o descomposición microbiológica del material
orgánico de las aguas residuales en productos finales inorgánicos como
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DERECHOS RESERVADOS

dióxido de carbono, agua, nitrógeno amoniacal o nitratos ortofosfatos y
sulfatos, es característica de la oxidación aerobia de carbohidratos y lípidos;
sin embargo, no se aplica a muchos compuestos aromáticos que tienen
masa molecular alta, estado de oxidación alto y son estables
bioquímicamente, como la lignina, material húmica y muchos hidrocarburos
aromáticos clorados.
Esquemáticamente, la conversión de los elementos de la materia
orgánica a su forma inorgánica mediante oxidación aerobia, se puede
representar así:
Corgánica + O2 microorganismo CO2
Horgánico + O2 microorganismo H2O
Norgánico + O2 microorganismo NO3
-
Sorgánico + O2 microorganismo SO4
-
3
-
Porgánico + O2 microorganismo PO4
En la oxidación aerobia, el oxígeno es el aceptador final de electrones
y, por lo tanto, es reducido, mientras los donantes orgánicos e inorgánicos de
electrones son oxidados, ocurriendo lo que se conoce como oxidación o
mineralización del residuo.
La oxidación aerobia se representa por la ecuación verbal:
bacterias
Residuos + Oxígeno Residuo + Nuevas Bacterias
Oxidado
42
DERECHOS RESERVADOS

También:
CO2 + H2O + NH3 + Energía
Materia + Bacterias + O2 + O2
Orgánica Aerobias
Biomasa
O de la siguiente manera
Residuo
Orgánico
Energía
Productos
Finales
Respiración
Endógena
Síntesis
Biomasa
Residuo no
Biodegradable
Figura 2.2 Proceso de Oxidación Aerobia. Fuente: Atencio y Méndez (2005)
El proceso se ejecuta para obtener la energía necesaria para la
síntesis del tejido celular nuevo. En ausencia de materia orgánica, el tejido
celular será respirado endógenamente y convertido en productos gaseosos y
en energía para mantenimiento.
43
DERECHOS RESERVADOS

Las tres reacciones esenciales del proceso: catabolismo, anabolismo y
autólisis, ocurren simultáneamente y pueden describirse así:
- Catabolismo, Oxidación o Descomposición:
CHONS + CO2 + H2O + NH3 + Otros Productos + Energía
Bacterias
Materia Orgánica Finales
- Anabolismo, síntesis o asimilación:
CHONS + O2 + Energía C5 + H7 NO2
Bacterias
Materia Orgánica Células Bacteriales
- Autólisis, respiración endógena o autooxidación:
C5 H7 NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2 H2O + Energía
Bacterias
La fórmula C5 H7 NO2 representa la composición promedio celular
bacterial, sugerida por Hoover y Porges en 1952, ampliamente citada en la
literatura.
En el metabolismo aerobio, aproximadamente 1/3 del sustrato
metabolizado es oxidado para proveer energía y permitir la síntesis celular de
los 2/3 restantes. La respiración endógena o reacción de autólisis reduce la
masa microbial en el reactor, pero no se completa, como se indica
teóricamente, porque no toda la masa microbial es utilizada para respiración
endógena y habrá un remanente de masa microbial inerte o producto
orgánico estable resistente a la descomposición aerobia.
Las ventajas y desventajas del proceso aerobio, son:
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Ventajas:
• Ausencia de olores.
• Mineralización de todos los compuestos biodegradables.
Desventajas:
• Tasa alta de síntesis celular y por consiguiente alta producción de
lodos.
• Requiere mucha energía eléctrica para oxigenación y mezcla.
• Gran proporción de células en los lodos que hace en algunos casos,
necesaria su digestión, antes de secarlos y disponerlos.
2.3.3 Lagunas Aireadas
2.3.3.1 Descripción
Una laguna aireada es un estanque de 2 m a 5 m de profundidad
hecho para el tratamiento biológico de aguas residuales. En el sistema de
tratamiento se usa un equipo de aireación mecánica con el objeto de
suministrar oxígeno y mezcla. Una laguna aireada se diseña como laguna
aerobia, con suficiente introducción de potencia, para mantener todos los
sólidos en suspensión, o facultativa o de mezcla incompleta, con un nivel de
potencia apenas suficiente para crear la turbulencia requerida para la
dispersión de oxígeno y permitir sedimentación de sólidos.
Las lagunas aireadas facultativas son las más usadas porque
producen un buen efluente, los niveles de potencia son inferiores, requieren
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control mínimo y la remoción de lodos es poco frecuente, cada diez años o
más. Las lagunas aireadas aerobias se utilizan bastante para aguas
residuales industriales de concentración alta. El equipo de aireación puede
producir mezcla turbulenta como en el caso de los aireadores superficiales, o
puede producir condiciones de flujo laminar como en el caso de los sistemas
de aire difuso.
La laguna aireada aerobia es semejante a un sistema muy diluido de
lodos activados de aireación prolongada, sin recirculación de lodos, con
concentraciones de sólidos suspendidos de 100 a 400 mg/L; requiere menos
potencia que un sistema de lodos activados, pero es más sensible a la
temperatura que el proceso de lodos activados por la magnitud del área y la
ausencia de recirculación de lodos. Por lo anterior, se diseñan como
procesos de mezcla completa de lodos activados sin recirculación. Los
procesos bioquímicos de oxidación de la materia orgánica y de síntesis
celular son similares a los que ocurren en el proceso de lodos activados.
Las lagunas aireadas surgieron alrededor de 1957, como solución a
los problemas de malos olores existentes en lagunas naturales de oxidación
sobrecargadas excesivamente y para mejorar la calidad de los efluentes. Sin
embargo, al agregar aireadores a lagunas de oxidación natural, se
incrementan la turbulencia y la turbiedad, desaparecen las algas y surgen
condiciones muy diferentes a las de las lagunas naturales de oxidación de
aguas residuales. En lagunas aireadas, con temperatura alta y cargas bajas,
es posible obtener un grado alto de nitrificación. Un sistema de tratamiento
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de aguas residuales, con lagunas aireadas, permite obtener remociones de
DBO mayores del 90% y remociones de coliformes fecales del 90 al 95%,
con períodos de aireación de 2 a 6 d. Diagramas de flujo típicos de plantas
de tratamiento con lagunas aireadas se incluyen en la figura 2.3. En la figura
2.4 se muestra un esquema de la laguna aireada de Bismarck, en Estados
Unidos.
Figura 2.3 Plantas de tratamiento con lagunas aireadas. Fuente: Romero (2000)
2.3.3.2 Requisitos de Diseño
Prácticamente, la ecuación más usual para diseño de lagunas
aireadas es la que está basada en un modelo de mezcla completa y tasa de
reacción de primer orden.
El diseño de una laguna aireada requiere la evaluación cuidadosa de
los siguientes factores:
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• Características de remoción de DBO
• Requerimientos de oxígeno para oxidación biológica
• Efecto de la temperatura
• Relaciones de transferencia de oxígeno
• Requisitos de mezcla
• Configuración geométrica de la laguna
• Disposición de los aireadores
• Concentración de biomasa en la laguna
• Producción de lodos
• Clarificación y depuración del efluente
Figura 2.4 Laguna aireada de Bismarck. Fuente: Metcalf & Hedí (1995)
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2.3.3.3 Características de Remoción de DBO
Suponiendo una laguna aireada como un reactor biológico de mezcla
completa con cinética de remoción de DBO de primer orden y en estado
permanente:
Se puede escribir el balance de masa en términos de DBO según la
ecuación 2.1:
g DBO removida/d = g DBO afluente/d — g DBO efluente/d (Ec 2.1)
Suponiendo despreciables las pérdidas o ganancias de agua por
evaporación, percolación y lluvia, el balance de masa se representa
mediante la ecuación 2.2.
rV = S0 Q – SQ (Ec 2.2)
Donde: r = tasa de remoción de DBO de primer orden, mg/Ld
V = volumen de la laguna, m3
Q = caudal de aguas residuales, m3
/d
S0 = DBO del afluente, mg/L
S = DBO del efluente, mg/L
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Por seguridad, para diseño, se supone generalmente que toda la DBO
del afluente es DBO soluble biodegradable y, para el efluente, se usa la DBO
soluble. Nuevamente, considerando la tasa de remoción de DBO como una
ecuación de primer orden, la tasa es proporcional a la concentración de DBO
remanente y se representa según la ecuación 2.3.
KS =
dt
dS
(Ec 2.3)
Donde: S = concentración de DBO remanente, mg/L
K = constante de remoción de DBO, base natural, específica para
cada residuo y cada laguna en panicular, d-1
T = tiempo, d
Para condiciones de equilibrio, la tasa de remoción fr) es igual a KS;
por tanto, reemplazando en la ecuación 2.2 se obtiene la ecuación 2.4
R = KS = )SS(
V
Q
0 - (Ec 2.4)
Transformando la ecuación 2.4, se obtiene la ecuación 2.5.
)SS(=
Q
KSV
0 - (Ec 2.5)
Por definición, el tiempo de retención está dado por la ecuación:
=θ=
Q
V
tiempo de retención (Ec 2.6)
50
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Reemplazando en la ecuación 2.5 la 2.6, se obtienen las ecuaciones
2.7 a 2.10.
S
SS
=θK 0 -
(Ec 2.7)
θK+1=
S
S0
(Ec 2.8)
KS
SS
=θ 0 -
(Ec 2.9)
θK+1
1
=
S
S0
(Ec 2.10)
La ecuación 2.10 es la ecuación típica de diseño de procesos de
tratamiento en mezcla completa, con tasa de remoción de primer orden.
De acuerdo con la ecuación 2.9, el porcentaje de remoción de DBO en
la laguna (E) estará dado por la ecuación 2.11.
E = 100 -
θK+1
100
(Ec 2.11)
Para diseño es más conveniente expresar el tiempo de retención en
función del porcentaje de remoción deseado, como se indica en la ecuación
2.12.
)E1(K
E
=θ
-
(Ec 2.12)
En la figura 2.5 se incluye la solución gráfica de la ecuación 2.4.
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Figura 2.5 Solución gráfica de la ecuación 2.8. Fuente: Metcalf & Hedí (1995)
Consecuentemente, el tiempo de retención requerido depende del
porcentaje de remoción de DBO deseado y del valor de K. El valor de K
puede determinarse experimentalmente u obtenerse de estudios previos,
pero depende del tipo de agua residual, de la clase de laguna, de la carga
orgánica y del tiempo de retención.
En general, se recomienda un tiempo de retención mayor de dos días
y menor de seis, con 4d como valor típico. Sin embargo, en sistemas
municipales de los Estados Unidos se han usado valores de 7d a 90d.
Los valores de K varían ampliamente en la literatura, como puede
verse en la tabla 2.1.
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Tabla 2.1
Valores de K en lagunas aireadas
Fuente: Metcalf & Hedí (1995)
El valor de K depende de la temperatura. El efecto de la temperatura
se evalúa por la ecuación clásica de Arrhenius.
20T
20T θK=K -
(Ec 2.13)
El coeficiente de actividad por temperatura, en lagunas aireadas, es
igual a 1,08. Por tanto, el valor de K se puede calcular por la ecuación 2.14.
20T
20T )08,1(K=K -
(Ec 2.14)
Donde: K20 = constante de remoción a 20°C, d-1
KT = constante de remoción a la temperatura T
T = temperatura de diseño, ºC
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El valor de K también está afectado por la relación de nutrientes. En
general, se recomienda como relación apropiada de DBO/N/P una relación
de 100/5/1.
Cuando se diseñan lagunas en serie se puede aplicar la misma
ecuación de remoción de DBO, reconociendo que el valor de K, aunque se
supone constante en todas las lagunas, cambia de una laguna a otra. El
valor de K puede disminuirse en un 20% para cada laguna adicional. Todo lo
anterior indica la gran importancia del valor de K en el diseño de lagunas
aireadas.
Determinación experimental de K
De conformidad con la ecuación (2.8):
θK+1=
S
S0
(Ec 2.15)
Por tanto, del gráfico de S0 / S contra θ (figura 2.5) se obtiene el valor
de K.
2.3.3.4 Requerimientos de Oxígeno para Oxidación Biológica
Teóricamente, el oxígeno requerido por los microorganismos para
oxidación biológica debe ser igual a la DBO removida. En la práctica, se
calcula por la expresión 2.16.
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Oxígeno requerido = (Factor) (DBO removida) (Ec 2.16)
Muchos autores calculan el valor del factor (F) en términos de la
relación entre la DBO última y la DBO estándar, o sea, por la ecuación 2.17.
DBOU
F = (Ec 2.17)
DBO
En general, para la mayoría de las aguas residuales F = 1,1 - 1,5 y
para las aguas residuales domésticas se usa mucho F = 1,3
Por tanto:
OR = FES0Q x 10-3
(Ec 2.18)
Donde: OR = oxígeno requerido, kg/h
E = eficiencia fraccional de remoción de DBO
Q = caudal, m3
/h
S = DBO afluente, mg/L
También se acostumbra calcular la cantidad de oxígeno requerido en
términos de la DBO del afluente así:
OR = FS0Q x 10-3
(Ec 2.19)
Para lagunas aireadas en serie, los requerimientos de oxígeno se
pueden calcular por las ecuaciones anteriores, pero como la tasa de
remoción de DBO obedece a una ley de primer orden, la primera laguna
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removerá la mayor porción de DBO, la segunda laguna una porción menor y
la tercera, y demás, porciones cada vez menores.
La tasa a la cual se requiere oxígeno, en la primera laguna aireada
aerobia, se puede calcular por la ecuación 2.20.
OR = 6,3 x 10-5
QS0 (Ec 2.20)
Donde: OR = oxígeno requerido, kg/h
Q = caudal, m3
/d
S0 = DBO afluente, mg/L
Para lagunas aireadas facultativas, la tasa máxima de oxígeno
requerido se puede calcular por la ecuación 2.21.
OR = 4,17 x 10-5
AB (Ec 2.21)
Con:
B = 60 (1,05)T-20
(Ec 2.22)
Donde: OK = oxígeno requerido, kg/h
A = área del fondo de la laguna, m2
B = demanda bental de oxígeno, g/m2
d.
T = temperatura del agua en la laguna durante la semana más
cálida del año, °C.
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2.3.3.5 Temperatura en Lagunas Aireadas
Una forma práctica de valorar la temperatura de diseño para una
laguna es la siguiente:
3
TT
+T=T a0
a
-
(Ec 2.23)
Donde: T = temperatura del agua en la laguna, durante la semana más fría
del año, ºC.
T0 = temperatura del afluente, durante la semana más fría del año, ºC.
Ta = temperatura promedio del aire, durante la semana más fría del
año, ºC.
El valor de T en la ecuación 2.23 también se puede cuantificar con
base en temperaturas del mes más frío.
2.3.3.6 Relaciones de Transferencia de Oxígeno
El oxígeno requerido por una laguna aireada se suministra mediante
equipos de aireación superficial o de aire difuso.
El rendimiento nominal de los equipos de aireación superficial debe
corregirse, para las condiciones de diseño, mediante la ecuación 2.24.
α(1,024)N=N 20-T
0
)0,20(S
)A,T(S
C
CLCβ -
(Ec 2.24)
Donde: N = tasa real de transferencia de oxígeno, kg O2 / kW h.
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No = tasa nominal de transferencia de oxígeno en condiciones
normales, Kg O2/kWh, o tasa de transferencia de oxígeno en
condiciones estándar.
β = relación entre la concentración de saturación de oxígeno en
el agua residual y la concentración de saturación en agua
potable, generalmente igual a 0,9 para aguas residuales
domésticas.
α = relación de la tasa de transferencia de oxígeno en agua
residual, KLa, a la tasa de transferencia de oxígeno en agua
potable. Para aguas residuales domésticas se citan los
siguientes valores típicos:
α = 0,7 (Mara, D.D.)
α = 0,9 Bortsch, E.H.) y Rondall, C.
α = 0,8 - 0,95 Parker, H.W.
α = 0,8 - 0,95 Rich, L.G.
Para aguas residuales industriales:
α = 0,5 - 1,3 Parker, H.W.
α = 0,3 - 2,0 Rich, L.G.
Cs (T.A) = concentración de saturación de oxígeno disuelto en agua potable, a
la temperatura T y altitud A del lugar, mg/L.
Cs (20,0) = concentración de saturación de oxígeno disuelto en agua destilada
a 20 ºC y al nivel del mar; 9,1 mg/L.
58
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CL = concentración de OD que se debe mantener en la laguna,
generalmente 1,0 - 1,5 mg/L; 2,0 mg/L según las normas de los
Diez Estados.
Los valores de Cs (T0) se encuentran tabulados en diferentes textos; el
valor de Cs (T.A) se calcula por la ecuación
760
P
C=C A
)0,T(S)A,T(s (Ec 2.25)
Donde:
450.9
A
1760=PA - (Ec 2.26)
450.9
A
1C=C )0,T(S)A,T(s - (Ec 2.27)
PA = presión barométrica del lugar, mm Hg.
CS(T,0) = concentración de saturación de 01) para la temperatura T
y 0 msnm, en agua potable, mg/L
A = altitud del lugar, msnm
Generalmente, para aireadores flotantes:
No = 1,2 - 2,4kg O2 / kW h
N = 0,8 - 1,0 kg O2 / kW h
En cada caso particular deben consultarse los catálogos de los
fabricantes.
59
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2.3.3.7 Requisitos de Mezcla
Para lagunas aireadas aerobias, en las cuales se desea mantener una
mezcla completa del agua, dispersión uniforme de oxígeno y suspensión de
todos los sólidos, se recomienda un nivel de potencia (NP) de:
NP = 12-20W/m3
(Parker, H.W.)
NP = 5 W/m3
(Mara, D.D.)
NP = 6 W/m3
(Rich, L.G.)
NP = 20 W/m3
(Bortsch, E.H.)
NP = 3 - 4 W/m3
(Eckenfel Der, W.W.)
También el nivel de potencia, en lagunas aerobias con aireadores
superficiales de baja velocidad, se puede calcular por la expresión:
NP = 0,004X + 5 (Ec 2.28)
Donde: NP = nivel de potencia, W/m3
X = mg/L de sólidos suspendidos en la laguna, generalmente
150 a 250 mg/L
La ecuación 2.28 indica que el nivel de potencia en lagunas aerobias
es del orden de 6 W/m3
.
Para aireación con aire comprimido, el nivel de potencia se puede
cuantificar por la ecuación 2.29.
366,10
366,10+h
log
V
Qa9,3
=NP (Ec 2.29)
60
DERECHOS RESERVADOS

Donde: NP = nivel de potencia, W/m3
Qa = flujo de aire, L/min
h = profundidad líquida sobre el difusor,
V = volumen de la laguna, m3
Experiencias en lagunas piloto de laboratorio indican que en un tanque
de 40 L, con profundidad de agua de 20 cm y con flujo de aire de 7 L/min, se
obtiene mezcla completa. Para un flujo de aire de 1,5 L/min se logra un
régimen de mezcla incompleta y laguna facultativa con concentraciones
mayores de 2,0 mg/L de OD. Lo anterior para niveles de potencia del orden
de 5,7 W/m3
y 1,2 W/m3
, respectivamente.
Para lagunas aireadas facultativas el nivel de potencia recomendado
es el siguiente:
NP = 1,2 - 2,0 W/m3
(Parker, H.W.)
NP = 1,0 W/m3
(Rich, L.G. y Kauzell K.)
NP = 3,0- 4,0 W/m3
(Bortsch, E.H. y Randall C.)
NP = 0,8 W/m3
(Eckenfel Der, W.W.)
2.3.3.8 Configuración y Disposición de los Aireadores
Como las lagunas aireadas tienen tiempos de retención prolongados,
no es necesario localizar la tubería de entrada cerca o debajo de un aireador;
sin embargo, para evitar acumulación de lodos a la entrada, se recomienda
colocar una rejilla como pretratamiento y prolongar la tubería del afluente
más allá del talud de la laguna. Los aireadores deben espaciarse
61
DERECHOS RESERVADOS

uniformemente en toda el área de la laguna; en lagunas de forma irregular,
se debe atribuir a cada aireador un área superficial aproximadamente igual.
En lagunas de forma regular, el área se distribuye en un número de
cuadrados iguales al número de aireadores y se coloca un aireador en el
centro de cada cuadrado. En cualquier caso, la localización de los aireadores
se hace atendiendo las especificaciones del fabricante para evitar
interferencia en las áreas de influencia y hacer el equipo lo más rendidor
posible. La zona de influencia de los aireadores, dentro de la cual todos los
sólidos se mantienen en suspensión, es más pequeña que la zona en la cual
se distribuye oxígeno. En la tabla 2.2 se incluyen datos típicos de zonas de
influencia para aireadores superficiales de velocidad baja.
Tabla 2.2
Características de aireadores superficiales de baja velocidad
Potencia
kW
Profundidad
m
Zona de mezcla completa
M
Zona de dispersión de oxigeno
M
2,2 1,8 15 46
3,7 1,8 21 64
7,5 2,4 27 79
14,9 3,0 35 101
18,6 3,0 40 114
Fuente: Metcalf & Hedí (1995)
El montaje usual de los aireadores se hace sobre plataformas,
cuadradas o rectangulares, soportadas sobre columnas. Si el nivel del agua
62
DERECHOS RESERVADOS

en la laguna es variable, se prefieren equipos montados sobre flotadores; sin
embargo, este nivel puede controlarse mediante un vertedero de efluente.
Preferiblemente, la unidad de salida debe diseñarse para que el nivel del
agua en la laguna no varíe m de 2,5 cm entre la operación con caudal
máximo y la operación con caudal mínimo. Antes del vertedero de salida
debe colocarse una pantalla retenedora de espumas y de las olas que pueda
crear el equipo de aireación.
Las unidades de aireación se consiguen, comúnmente, en
capacidades de 0,75 a 75kW, 1- 100 HP. Para lagunas pequeñas, que
requieren menos de 7,5 kW, 10 HP, se usa solamente un aireador en un
estanque cuadrado. Para potencias entre 7,5 y 75 kw, 10 a 100 HP, se
prefiere usar dos aireadores en un estanque rectangular. Para potencias
mayores, es preferible usar lagunas en paralelo, en especial si el número de
aireadores es mayor de 4.
Generalmente, una laguna aireada tiene profundidad nominal de
operación de 1,5 a 5,0 m; la profundidad m común es de 3 m. Se usan
pendientes en los taludes V: H de 1:1,5 a 1:3 y se provee un recubrimiento
de concreto, polietileno o geomembrana, debajo de cada aireador, para
prevenir la erosión inducida por la turbulencia creada por dichos equipos. El
volumen de la laguna puede verificarse por la fórmula 2.30.
V = D (aT LT -SDaT - SDLT +
3
4
S2
D2
) (Ec 2.30)
63
DERECHOS RESERVADOS

Donde: V = volumen, m3
D = profundidad del agua, m
aT = ancho de la laguna en la superficie del agua, m
LT = longitud de la laguna en la superficie del agua,
S = pendiente, H:V
2.3.3.9 Concentración de Biomasa en la Laguna
La concentración de biomasa en la laguna es función de la cantidad
de DBO removida y del coeficiente de producción de crecimiento; se puede
calcular por la ecuación 2.31, desarrollada para procesos de lodos activados.
θk+1
)SS(Y
=X
D
0 -
(Ec 2.31)
Donde: X = concentración de microorganismos en el reactor, mg ssv/L
S0 = concentración de sustrato en el afluente, mg/L
S = concentración de sustrato en el efluente del reactor, mg/L
Kd = coeficiente de respiración endógena, d-1
θ = tiempo de retención, d
2.3.3.10 Producción de Lodos
La producción de lodos se puede cuantificar por la expresión 2.32.
Px = XQ (Ec 2.32)
64
DERECHOS RESERVADOS

Suponiendo un 80% de sólidos volátiles en los sólidos de la laguna, se
obtiene la ecuación 2.33.
Px(ss) =
8,0
XQ
(Ec 2.33)
Donde: Px = producción de lodos, g ssv/d
X = concentración de biomasa en el reactor, mg ssv/L
Px (ss) = producción de lodos, g ss/d
2.3.3.11 Clarificación y Depuración del Efluente
La concentración de sólidos suspendidos totales en el efluente de la
laguna aireada (Xe) antes de su sedimentación, es igual a la concentración
de sólidos suspendidos del afluente (X0) más los sólidos suspendidos
volátiles, o biomasa producida, convertidos a sólidos totales. Suponiendo un
porcentaje de sólidos volátiles del 80%, se obtiene la ecuación 2.34.
8,0
X
+X=X 0e (Ec 2.34)
La DBO total del efluente de la laguna aireada se puede calcular por la
relación 2.35.
DBO total = Se + CX (Ec 2.35)
Donde: Se = DBO soluble del efluente de la laguna, mg/L
C = 0,4-0,5
X = concentración de biomasa en el reactor, mg SSV/L,
generalmente menor o igual a 250 mg/L en lagunas de mezcla
65
DERECHOS RESERVADOS

completa y menor o igual a 25 mg/L en lagunas aireadas
secundarias facultativas o de mezcla incompleta de aguas
2.4 Definición de Términos Básicos
Afluente: agua, agua residual u otro líquido que ingrese a un
reservorio o algún proceso de tratamiento.
Aguas crudas: agua residual de origen doméstico, comercial e
institucional que contiene desechos humanos.
Aguas residuales: agua que contiene material disuelto y en
suspensión, luego de ser usado por una comunidad o industria.
Aguas servidas: aguas de desechos provenientes de lavamanos,
tinas de baño, duchas, lavaplatos y otros artefactos que no descargan
materias fecales.
Aireación: proceso de transferencia de masa, generalmente referido a
la transferencia de oxígeno al agua por medios naturales (flujo natural,
cascadas, otros) o artificiales (agitación mecánica o difusión de aire
comprimido).
Ambiente aerobio: proceso que requiere o no es destruido por la
presencia de oxígeno.
Bacteria: grupo de organismos microscópicos unicelulares, rígidos,
carentes de clorofila, que desempeñan una serie de procesos de tratamiento
66
DERECHOS RESERVADOS

que incluyen oxidación biológica, fermentaciones, digestión, nitrificación y
disnitrificación.
Biodegradación: degradación de la materia orgánica por acción de
microorganismos sobre el suelo, aire, cuerpos de agua receptores o
procesos de tratamiento de aguas residuales.
Biomasa: es la cantidad total de materia viva presente en un volumen
determinado, es decir, concentración de organismos más concentración de
algún nutriente limitante.
Carga orgánica: producto de la concentración media de DBO por el
caudal medio determinado en el mismo sitio, se expresa en kilogramos por
día (Kg/d).
Carga superficial: caudal o masa de un parámetro por unidad de área
y por unidad de tiempo, que se emplea para dimensionar un proceso de
tratamiento m3
(m2
día), Kg DBO/(ha.día).
Clarificador: tanque de sedimentación rectangular o circular usado
para remover sólidos sedimentables del agua residual.
Cloración: aplicación de cloro o compuestos de cloro al agua residual
para desinfección, en algunos casos se emplea para oxidación química o
control de olores.
Coliformes: bacterias gram negativas de forma alargada capaces de
fermentar lactosa con producción de gas a la temperatura de 35 ó 37ºC
(coniformes totales). Aquellas que tienen las mismas propiedades a la
67
DERECHOS RESERVADOS

temperatura de 44 ó 45.5ºC se denominan coliformes fecales. Se utilizan
como indicadores de contaminación biológica.
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) o demanda de oxígeno:
cantidad de oxígeno usado en la estabilización de la materia orgánica
carbonácea y nitrogenada por acción de los microorganismos en condiciones
de tiempo y temperatura especificados (generalmente 5 días y 20ºC). Mide
indirectamente el contenido de materia orgánica biodegradable.
Demanda Química de Oxígeno (DQO): medida de la cantidad de
oxígeno requerido para oxidación química de la materia orgánica del agua
residual, usando como oxidantes sales inorgánicas de permanganato o
dicromato en un ambiente ácido y a altas temperaturas.
Desarenadores: cámara diseñada para permitir la separación
gravitacional de sólidos minerales (arena).
Desinfección: destrucción de bacterias y virus de origen fecal en las
aguas residuales, mediante un agente desinfectante.
Detergentes SAAM: los detergentes, agentes tenso activos o agentes
superficiales activos, con compuestos constituidos por moléculas orgánicas
grandes, polares, solubles en agua y aceites y que tienen la propiedad de
disminuir la tensión superficial de los líquidos en que se hallan disueltos.
Digestión aerobia: descomposición biológica de la materia orgánica
de un lodo en presencia de oxígeno.
Digestión: descomposición biológica de la materia orgánica de un
lodo en presencia de oxígeno.
68
DERECHOS RESERVADOS

Efluente: líquido que sale de un proceso de tratamiento.
Fenoles: son compuestos aromáticos comunes en aguas residuales
de la industria del petróleo, del carbón, plantas químicas, fábricas de
explosivos, entre otros. Los fenoles causan problemas de sabores en aguas
de consumo tratadas con cloro, en aguas residuales se consideran no
biodegradables, pero se ha demostrado que son tolerables concentraciones
hasta de 500 mg/L. Tiene una alta demanda de oxígeno.
Grasas y aceites: son sustancias solubles en hexano, cuando el
ensayo se realiza por extracción con hexano, son también compuestos de
carbono, hidrógeno y oxígeno que flotan en el agua residual, recubren las
superpies con las cuales entran en contacto, causan iridiscencia y problemas
de mantenimiento, e interfieren con la actividad biológica, pues son difíciles
de biodegradar.
Laguna aireada: estanque natural o artificial de tratamiento de aguas
residuales en el cual se suple el abastecimiento de oxígeno por aireación
mecánica o difusión de aire comprimido. Es una simplificación del proceso de
lodos activados y según sus características se distinguen cuatro tipos de
lagunas aireadas.
Lodos activados: procesos de tratamiento biológico de aguas
residuales en ambiente químico aerobio, donde las aguas residuales son
aireadas en un tanque que contiene una alta concentración de
microorganismos degradadores. Esta alta concentración de microorganismos
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se logra con un sedimentador que retiene los flóculos biológicos y los retorna
al tanque aireado.
Metano: hidrocarburo combustible, incoloro e inodoro. Se produce en
la descomposición anaerobia de la materia orgánica y generalmente
constituye el 65% del gas de digestores, el cual tiene un bajo poder calorífico
de 22.400 KJ/m3
.
Planta de tratamiento de agua residual: conjunto de obras,
instalaciones y procesos para tratar las aguas residuales.
Pretratamiento: procesos de tratamiento localizados antes del
tratamiento primario.
Proceso biológico: proceso por el cual las bacterias y otros
microorganismos asimilan la materia orgánica del desecho, para estabilizar el
desecho e incrementar la población de microorganismos (lodos activados,
filtros, percoladores, digestión, entre otros).
Selector: tanque que se conecta previamente al tanque de aireación
para mejorar el desarrollo de bacterias floculantes y evitar el desarrollo de
organismos filamentosos en el tanque de aireación que causan el desarrollo
del lodo abultado.
Sustrato: fase del metabolismo en que las sustancias complejas de
los organismos se escinden en otras más simples con liberación de energía,
se opone a anabolismo.
Tanque de aireación: cámara usada para inyectar aire adentro del
agua.
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DERECHOS RESERVADOS

Tanque de compensación: tanque utilizado para almacenar y
homogeneizar el desecho, eliminando las descargas violentas.
Tanque séptico: sistema individual de disposición de aguas
residuales para una vivienda o conjunto de viviendas, combina la
sedimentación y la digestión. Los sólidos sedimentables acumulados se
remueven periódicamente y se descargan normalmente en una instalación
de tratamiento.
Tratamiento avanzado: proceso de tratamiento físico–químico o
biológico usado para alcanzar un grado de tratamiento superior al del
tratamiento secundario. Puede implicar la remoción de varios parámetros,
como remoción de sólidos en suspensión, complejos orgánicos disueltos,
compuestos inorgánicos disueltos o nutrientes.
Tratamientos biológicos: procesos de tratamiento en los cuales se
intensifica la acción natural de los microorganismos para estabilizar la
materia orgánica presente. Usualmente se utilizan para la remoción de
material orgánico disuelto.
Tratamiento preparatorio: (a) acondicionamiento de un desecho
antes de ser descargado en el sistema de alcantarillado; (b) proceso de
tratamiento localizado antes del tratamiento primario (desmenuzado, cribas,
desarenadotes, entre otros). Preparan el agua para el tratamiento posterior.
Tratamiento primario: tratamiento en el que se remueve una porción
de sólidos suspendidos y de la materia orgánica del agua residual. Esta
remoción normalmente es realizada por operaciones físicas como la
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