capítulo 5 tratamiento primario

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente -Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas

Comunidades. Autor: Ing. Claudia Patricia Gómez Rendón - 2012

CCAAPPÍÍTTUULLOO 55.. TTrraattaammiieennttoo pprriimmaarriioo

La remoción de sólidos gruesos y finos de origen orgánico e inorgánico presentes

en las aguas residuales se retiran mediante operaciones unitarias como

desarenadores y sedimentadores así como en procesos biológicos que

igualmente operan como éstos últimos. Es propio de estas unidades su baja

eficiencia de remoción de sólidos suspendidos, DBO y E. Coli razón por la cual

se conocen como operaciones que integran el tratamiento primario.

Lección 21. Remoción de arenas

Se denominan arenas a aquellos materiales sólidos como gravas, cenizas u otras

materiales cuyo peso específico es mayor a los sólidos susceptibles de

descomposición presente en el agua residual, es decir es de 2.65 gr/cm3 y una

temperatura del agua residual de 15.5 °C.

La remoción de arenas se realiza en unidades de tratamiento denominados

desarenadores con el fin de 1) proteger los equipos mecánicos de la abrasión, 2)

reducir la formación de depósitos de sólidos pesados en unidades y conductos

aguas abajo, 3) reducir la frecuencia de limpieza de los digestores por causa de

acumulación excesiva de arenas.

Las arenas se remueven de las aguas residuales para:

Proteger los equipos mecánicos de la abrasión y del excesivo desgaste

Reducir la formación de depósitos de sólidos pesados en unidades y

conductos aguas abajo

Reducir la frecuencia de limpieza de los digestores por causa de acumulación

excesiva de arenas




Normalmente, los desarenadores se ubican después de las unidades que

remueven sólidos gruesos (tamizado) y antes de tanques de sedimentación

primaria. Tres clases de desarenadores son los más usados: de flujo horizontal

para canales de sección rectangular o cuadrada; aireados y de vórtice.

21.1 Desarenadores de flujo horizontal tipo canal

Contiene un canal que debe tener velocidad controlada, para el caso es del

orden de 0.3 m/s, proporcionando el tiempo suficiente para que las partículas de

arena sedimenten en el fondo del canal. Esta velocidad se controla con las

dimensiones del canal y el uso de vertederos con secciones especiales para el

efluente. La extracción de arenas sedimentadas se realiza mediante un mecanismo

transportador dotado de raspadores. La elevación de arenas para su lavado se

realiza mediante tornillos. Ver figura 19. Si la planta de tratamiento es pequeña,

la remoción de arenas se hace en forma manual.

Figura 19. Desarenadores de flujo horizontal.

Tomado el 19/10/2012 de

http://sistemasdetratamientodelagua.blogspot.com

http://sistemasdetratamientodelagua.blogspot.com/




21.2 Desarenadores rectangulares de flujo horizontal

El agua a tratar pasa a través de la cámara en dirección horizontal y la

velocidad lineal del flujo se controla con las dimensiones del canal, mediante

compuertas para distribuir mejor el flujo.

21.2.1 Criterios de diseño

Tabla 17. Criterios de diseño desarenadores de flujo horizontal

Parámetro Unidad Intervalo Valor usual

Tiempo de retención s 45 – 90 60

Velocidad horizontal pie/s 0.8 – 1.3 1.0

Velocidad de

sedimentación para

remover:

Material malla 50 pie3/min 9.2 – 10.2 9.6

Material malla 100 pie3/min 2.0 – 3.0 2.5

Pérdida de carga en

la sección de

control como % de

la profundidad del

canal

% 30 – 40 36

Longitud adicional

por aumento de

turbulencia

% 25 – 50 30

Fuente: Tomado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 292)




21.3 Desarenadores cuadrados de flujo horizontal

El caudal afluente se distribuye uniformemente por toda la sección transversal del

tanque a través de compuertas o deflectores y fluye a través del mismo hasta

rebosar por un vertedero de descarga libre. Los sólidos sedimentados se

transportan por medio de barredores mecánicos de rotación hasta un pozo

ubicado al lado del tanque, los que son retirados mediante equipos para

posterior lavado.

21.4 Desarenadores aireados

Las arenas se remueven del desarenador aireado por el movimiento es espiral

que hace el agua residual. Debido a su masa, las partículas de arena se aceleran

y abandonan las líneas de flujo hasta que alcanzan finalmente el fondo del

tanque, dado que el flujo en espiral es un campo con aceleración variable

inducido por el aire inyectado.

El diseño de este tipo de desarenadores se usa para remover sólidos de 0.21

mm o mayores, con tiempo de retención de 2 a 5 minutos bajo condiciones de

caudal pico horario. Si la velocidad es excesiva, las partículas de arena saldrán

del desarenador y a velocidades bajas se incentiva la remoción de material

particulado. La sección transversal se diseña para crear flujo en espiral, de ahí

que contiene un canal colector de arenas de 0.9 m de profundidad, con paredes

laterales inclinadas, ubicado a lo largo del fondo del tanque justo debajo de los

difusores de aire. Ver figura 20. Estos últimos se ubican entre 0.45 a 0.6 m. por

encima del fondo del tanque (Crites & Tchobanoglous, 2000). Los criterios de

diseño se presentan en la tabla 18.




Tabla 18. Criterios de diseño para desarenadores aireados

Característica Unidad Intervalo Valor usual

Tiempo de retención

para caudal pico min 2 – 5 3

Dimensiones:

Profundidad pie 7 – 16 10

Longitud pie 25 - 65 40

Ancho pie 8 – 23 12

Relación ancho –

profundidad Razón 1:1 a 5:1 1.5:1

Relación largo – ancho Razón 3:1 a 5:1 4:1

Suministro de aire por

pie de longitud pie3/pie-min 3 – 8 5

Cantidad de arena pie3 0.5 – 27 2


Figura 20. Sedimentadores aireados con flujo en espiral.

Tomado de Gómez, 2012.




21.5 Desarenadores de vórtice

Es un tanque cilíndrico al cual ingresa el agua a tratar en forma tangencial,

creando un vórtice dentro del cilindro. La turbina giratoria se emplea para

producir una trayectoria toroidal de las partículas, logrando la sedimentación en

el fondo de donde se extraen con una bomba de arenas. Otros desarenadores

generan un vórtice libre por acción del flujo tangencial de entrada. El efluente

sale por el centro de la parte superior de la unidad desde un cilindro rotatorio.

Las fuerzas centrífuga y gravitacional presentes dentro del cilindro rotatorio

limitan la liberación de las partículas con densidad superior a la del agua. Las

arenas se sedimentan por gravedad mientras que las otras partículas son

liberadas por el efluente debido a la acción de las fuerzas centrífugas. La tabla

19 presenta los criterios de diseño para este tipo de desarenadores.

Tabla 19. Criterios de diseño para desarenadores con vórtice

Característica Unidad Intervalo Valor usual

Tiempo de retención a

caudal medio s 20 – 30 30

Diámetro

Cámara superior pie 4.0 – 24

Cámara inferior pie 3.0 – 6.0

Altura pie 9.0 – 16

Tasas de remoción

Material malla 50

(0.30mm) % 92 – 98 95

Material malla 70

(0.21mm) % 80 – 90 85

Material malla 100

(0.15mm) % 60 – 70 65





21.6 Dimensionamiento

El dimensionamiento del desarenador consistirá en determinar las dimensiones del

tanque, es decir, el alto, largo y ancho del mismo.

Lección 22. Sedimentadores

El objetivo de la sedimentación es remover los residuos sólidos sedimentables y

material flotante para disminuir la concentración de sólidos suspendidos. Los

sedimentadores primarios empleados como pretratamiento del agua residual,

remueven entre el 50% y el 70% de sólidos suspendidos y entre el 25% y 40%

de la DBO5.

La sedimentación se clasifica en cuatro tipos a saber: Discreta, floculenta, de

zona y de compresión. La primera, conocida también como sedimentación tipo I,

se caracteriza por que la sedimentación se realiza en forma individual y sin

interferir entre ellas. La teoría que rige este tipo de sedimentación es la Ley de

Stokes, aunque la aproximación a través de la relación Q/As es la más utilizada

para aguas residuales.

La sedimentación floculenta o tipo II, se caracteriza por ser una sedimentación de

partículas poco concentradas con tendencia a la floculación, por lo tanto; la

velocidad de sedimentación de las partículas aumentan con el proceso de

sedimentación. Es propio en sedimentadores primarios.




La sedimentación zonal o tipo III, ocurre en concentraciones intermedias de

partículas, cuando estas forman al final del proceso de la sedimentación la

interfase sólido – líquido totalmente definida. Es propio de la sedimentación

secundaria. Los parámetros que gobiernan el diseño de este tipo de

sedimentación es la carga de sólidos, el caudal, tiempo de detención superficial y

la relación (QX/As).

La sedimentación de compresión ocurre cuando las partículas están sedimentadas

y tienen una estructura de partículas ya formadas. Por lo tanto, puede suceder la

sedimentación por compresión. Ocurre en los espesadores y en el fondo de los

sedimentadores secundarios siendo su parámetro de diseño el caudal.

22.1 Sedimentación primaria

Siempre que un líquido que contenga sólidos es suspensión se encuentre en

estado de relativo reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido

tenderán a depositarse en el fondo, y los de menor peso específico a ascender.

Este es el principio de funcionamiento de los tanques de sedimentación primaria,

los cuales dimensionados y operados de manera eficiente pueden eliminar entre

el 50 y 70%.

22.1.1 Fundamentos del diseño

bta

tR

22.1




Donde:

R = Porcentaje de remoción de DBO o SST esperado - %

t = tiempo nominal de retención - h

a, b = constantes empíricas

De acuerdo con Crites y Tchobanoglous (2000), las constantes a y b puede

tomar los siguientes valores a 20°C como se muestran en la tabla 20.

Tabla 20. Valores de constantes empíricas

Variable a, h b

DBO 0,018 0,020

SST 0,0075 0,014


22.1.2 Tiempo de retención

Por lo general, los tanques de sedimentación primaria se proyectan para

proporcionar un tiempo de retención entre 1,5 a 2,5 horas para el caudal medio

del agua residual.

La tabla 21, presenta las características típicas de diseño para sedimentadores

primarios y la figura 21 el esquema típico.




Tabla 21. Información típica para el diseño de tanques de sedimentación

primaria

Características Intervalo Típico

Sedimentación primaria seguida de tratamiento

secundario:

Tiempo de retención, h 1.5 – 2.5 2.0

Carga de superficie - m3/m2 día

- A caudal medio 30 – 50 40

- A caudal punta 80 – 120 100

Carga sobre vertedero, m3/m día 125 –

500

250

Sedimentación primaria con adición del lodo activado

en exceso:

Tiempo de retención - h 1.5 – 2.5 2.0

Carga de superficie - m3/m2 día

- A caudal medio 24 – 32 28

- A caudal punta 48 – 70 60

Carga sobre vertedero - m3/m día 125 –

500

250

Fuente: Tomado de (Metcalf & Eddy, 1996)




Figura 21. Sedimentador tipo I . Tomado el 19/10/2012 de

http://www.bibliocad.com/biblioteca/sedimentador-primario

Lección 23. Tanque séptico

La acción séptica es un proceso biológico natural donde las bacterias propias de

las aguas residuales, actuando en ausencia de oxígeno reducen la materia

orgánica a formas poco oxidadas, algunos sólidos son disueltos y se desprenden

gases que contienen anhídrido carbónico, metano, gas sulfídrico y otros gases

(trazas). La mayor actividad séptica se da en el lodo. Se utilizan los tanques

sépticos para saneamiento rural y núcleos de poblaciones pequeños.

Tiene como ventaja el proceso séptico la poca generación de lodo, estimándose

que pueden estar entre un “25% a un 40% menor en peso y 75% a 80% menor

en volumen que el lodo de tanque sedimentación primaria” (Báez, Op. Cit., pág

48).

A pesar de ser pequeña la cantidad de lodo, estos deben extraerse

periódicamente ya que de no hacerse, disminuye el volumen del tanque

originándose la disminución del periodo de retención y por consiguiente el

aumento de la velocidad de flujo que conduce al arrastre de materias




sedimentables y mayor velocidad de colmatación de tratamientos secundarios. El

esquema típico del tanque séptico se presenta en la figura 22.

Figura 22. Tanque séptico tipo. Tomado en 2012 de

http://www.upme.gov.co/guia_ambiental/carbon/gestion/guias/plantas/contenid/medidas

23.1 Criterios de diseño

Tabla 22. Criterios de diseño para tanques sépticos

Característica Valor

Altura útil

Menos de 20 personas

Hasta 35 personas

Hasta 50 personas

Hasta 100 personas

1.70 m

2.00 m

2.30 m

2.50 m

Relación Largo – ancho 4:1

Fuente: Tomado de (Unda O., F., 1993; pág 352)




El tiempo de retención hidráulico del tanque séptico se consigue a través de la

utilización de la siguiente ecuación:

)*log(*3.05.1 dPr

23.1

Donde:

r = Periodo de retención hidráulico – días

P = Población servida – hab

d = Dotación – L/hb-d

El volumen del tanque se obtiene a partir de la aplicación de la ecuación 23.2

rdPV )*(*10 3

23.2

Donde:

V = Volumen del tanque séptico – m3

El volumen de lodos se obtiene a partir de la aplicación de la ecuación 23.3




NPGVl *

23.3

Donde:

Vl = Volumen de lodos – m3

G = Volumen de lodos percápita – L

N = Frecuencia de limpieza – años

En clima cálido, una persona el volumen de lodos es 40 L/hb – año y en clima

frio es 50 L/hb – año

A la profundidad útil del tanque séptico, se debe adicionar 0.70 m para efectos

del dejar desarrollar la nata sobrenadante. También debe considerarse mínimo

0.30 m de borde libre. Normalmente, los tanques sépticos se construyen de dos

(2) compartimientos, herméticos, el primero se recomienda se encuentre a 2/3 de

la longitud del tanque.

23.2 Unidades complementarias

Para efectos de mejorar la calidad del agua tratada en el tanque, se suele

acompañar de un filtro anaerobio de flujo ascendente, cuyo volumen de diseño

debe ser 0.05 m3/hb servido. La unidad, tendrá dispuesto como filtro material

granular grueso con espesor de lecho de 0.40 m, sobre el se coloca arenas

gruesas y finas de 10 cm de espesor cada capa, es decir se alcanza una altura

de lecho filtrante de 0.60 m




23.3 Campos de infiltración

Consisten en drenes conformados por tuberías perforadas o dispuestas a junta

perdida que se conectan desde una caja de distribución luego de haber pasado

el agua residual por el filtro anaerobio. La tubería descansa sobre un material

granular de ¼ “ dispuesta entre una zanja que suele tener entre 0.30 y 0.40 m

de profundidad y entre 0.50 y 1m de ancho.

Para calcular la longitud de la zanja se utiliza la ecuación 22.4

5*

*

Ka

dNL

22.4

Donde:

L = Longitud de la zanja de drenaje

A = Ancho de la zanja en metros

N = Número de personas

d = Dotación L/hb- d

K5 = Coeficiente de absorción para el sistema de drenaje – L/m2 – d

El coeficiente de absorción, se obtiene a partir de la tabla 23




Tabla 23. Coeficiente de absorción del terreno

Índice de infiltración del

terreno.

(tiempo en minutos para que el

agua descienda 2.5 cm – pequeñas

comunidades)

m2 de zanja por persona

servida para una dotación o

caudal de 190 L/hb- d

2 o menos 2.30

3 2.80

4 3.25

5 3.50

10 4.65

15 5.35

30 7.00

45 8.45

60 9.30

Más de 60 No es conveniente infiltrar

Fuente. Tomado de (Unda O., F., 1993; pág 372)

Lección 24. Tanque imhoff

Son tanques de digestión caracterizados porque en una unidad estructural se ha

refundido el estanque de sedimentación primario sobre una cámara de digestión.

Las aguas servidas escurren por la cámara superior y las partículas sedimentables

pasan entre las dos cámaras hasta la final o de digestión. El fondo tiene una

abertura por donde se extraen los lodos y los gases escapan al aire por las

chimeneas de ventilación.




Tienen como ventaja estos sistemas de tratamiento su bajo costo de operación y

mantenimiento siendo su desventaja, su alto costo de construcción, ya que los

volúmenes que debe albergar son altos en virtud a que la cámara de digestión al

no poder ser calentada, debe manejar largos tiempos de retención.

Generalmente no se alcanza a cubrir la región de espuma de flotación, por lo

que no se puede recolectar el gas de la digestión.


Tabla 24. Criterios de diseños para tanques Imhoff

Parámetros de diseño Unidad

Valor

Intervalo Usual

Carga superficial m3/m2 - d 41 - 24 33

Periodo de retención h 2- 4 3

Relación largo/ancho 2:1 – 5: 1 3:1

Pendiente de la

cámara de

sedimentación

Relación 1.25:1 – 1.75: 1 1.5: 1

Abertura de paso

entre cámaras

pulgadas 0.15 – 0.31 0.25

Longitud del traslapo m 0.15 – 0.31 0.25

Deflector de espuma

Por debajo de la

superficie

Por encima de la

superficie

m

0.25 – 0.41

0.31

0.31

0.31

Borde libre m 0.43 – 0.61 0.61




Zona de ventilación de gases

Área (con relación al

área superficial total)

% 15 – 30 20

Ancho de la

abertura*

m 0.46 – 0.77 0.61

Cámara de digestión de lodos

Capacidad de

almacenamiento (sin

calentamiento)

Mes 4 – 8 6

Volumen** m3/hb 0.06 – 0.10 0.07

Tubería de extracción

de lodos

pulgadas 8 – 12 10

Distancia libre hasta

el nivel del lodo

m 0.30 – 0.90 0.60

Profundidad total del

tanque (desde la

superficie hasta el

fondo

m 7.5 – 9.5 9

Fuente: Tomado de (Crites & Tchobanoglous, 2000; pág 330). Adaptado por la Autora

* La abertura mínia debe ser de 18” ó

** Para digestión de 6 meses

Otras consideraciones de diseño.

El caudal de diseño debe ser el promedio. El tanque imhoff tipo se muestra en la

figura 23




Figura 23. Tanque imhoff. Tomado en 2012 de

http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/sanea/163esp-diseno-ti.pdf

Lección 25. Proceso ascencional de manto

de lodos anaerobio

Es conocido este proceso como UASB, RAFA O PAMLA. El agua residual afluente

se hace por el fondo del reactor y fluye por un manto de lodos conformado por

material granular biológico generando en ese contacto bacterias con

características ideales para sedimentación, bien mezcladas por el gas de

circulación. La figura 24, muestra un diagrama tipo de estos reactores




Figura 24. Filtro UASB – RAFA PAMLA tipo

Tomado en 2012 de www.fing.edu.uy/imfia/ambiental/reactores_anaerobios.ppt

25.1 Características

No posee material inerte para el soporte de la biomasa

La inmovilización de microorganismos se realiza por la formación de flóculos

densos suspendidos, que se disponen en capas de lo a partir del fondo del

reactor

El flujo es ascendente y pasa a través del lecho de lodo denso

La estabilización de la materia orgánica se da en todo el reactor

En la parte superior del sistema se localiza el sedimentador para evitar la salida

de partículas de lodo con el efluente, debajo se dispone el evacuador de gases.





Tabla 25. Criterios de diseño reactor UASB

Parámetro Valor

Carga orgánica volumétrica kg DQO/m3- d < 15

Carga hidráulica volumétrica - m3/m2-d < 5

Tiempo de retención - h ≥ 4.8

Carga de lodos* - kg DQO/kg SSV-d 0.05 – 0.15

Profundidad del digestor - m ≤4.5

Profundidad del sedimentador -m ≤1.5

Profundidad del reactor - m ≤6

Volumen del reactor – m3 <1500

Fuente: Tomado de (Romero R., J., 2005, pág 703. Adaptado por la Autora

* En operación puede alcanzar 2 kg DQO/kg SSV-d




Referencias Bibliográficas

Baez N., J. (1995). Tratamiento básico de aguas residuales. Barranquilla: Ediciones Uninorte.

Crites & Tchobanoglous. (2000). Sistemas de manejo de aguas residuales para núcleos pequeños y descentralizados (Vol. I). McGraw-Hill Interamericana, S.A. Gómez R., C. (2012) Módulo Manejo de Aguas Residuales en Pequeñas Comunidades. Bogotá – Colombia, Escuela de Ciencias Agrarias, Pecuarias y de Medio Ambiente, Ingeniería Ambiental, ECAPMA, UNAD. Romero R., J. (1994). Acuitratamiento por lagunas de estabilización. Bogotá: Escuela Colombia de

Ingeniería.

Romero R., J. (2005). Tratamiento de aguas residuales (Primera reimpresión ed.). Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería.

Unda O., F. (1993). Ingeniería Sanitaria aplicada a saneamiento y salud pública (Primera reimpresión ed.). Chile: Noriega Editores.

Webgrafía

Filtro UASB – RAFA PAMLA. Recuperado el 12/08/2012 de

www.fing.edu.uy/imfia/ambiental/reactores_anaerobios.ppt

Sedimentador tipo Recuperado en 2012 de http://sistemasdetratamientodelagua.blogspot.com

Tanque IMHOFF. Recuperado el 12/08/2012 de http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/sanea/163esp-diseno-ti.pdf

Tanque séptico tipo. Recuperado en 2012 de

http://www.upme.gov.co/guia_ambiental/carbon/gestion/guias/plantas/contenid/medidas

http://www.fing.edu.uy/imfia/ambiental/reactores_anaerobios.ppt

http://sistemasdetratamientodelagua.blogspot.com/

http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/sanea/163esp-diseno-ti.pdf

capítulo 5 tratamiento primario

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