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PROPUESTA DE MEJORAMIENTO DE LAS OPERACIONES EN LA PLANTA
DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EN EL MUNICIPIO DE LA CALERA
(CUNDINAMARCA)
IVAN ERNESTO TORRES POVEDA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ
2016
PROPUESTA DE MEJORAMIENTO DE LAS OPERACIONES EN LA PLANTA
DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL EN EL MUNICIPIO DE LA CALERA
(CUNDINAMARCA)
IVAN ERNESTO TORRES POVEDA
Trabajo de Grado para Optar al Título de Ingeniera Civil
INGENIERÍA CIVIL
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ
2016
3
4
Nota de aceptación:
________________________________
________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________
_____________________________________
Director de Proyecto
_______________________________ Firma del presidente del Jurado
________________________________ Firma del Jurado
________________________________ Firma del Jurado
Bogotá 02 de noviembre de 2016
5
CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................ 10
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 12
1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ........................................................... 13
1.1 Antecedentes ........................................................................................... 13
1.2 Justificación .............................................................................................. 14
2 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................. 16
3 OBJETIVOS ................................................................................................... 18
3.1 General .................................................................................................... 18
3.2 Específicos ............................................................................................... 18
4 ALCANCES Y LIMITACIONES ...................................................................... 19
4.1 Alcance .................................................................................................... 19
4.2 Limitaciones ............................................................................................. 19
5 MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 20
5.1 Marco teórico ........................................................................................... 20
5.2 Marco conceptual ..................................................................................... 22
5.3 Marco legal ............................................................................................... 24
6 METODOLOGÍA ............................................................................................ 26
7 CARACTERIZACIÓN DE LA PTAR ............................................................... 27
7.1 Estado de la PTAR ................................................................................... 27
7.1.1 Tratamiento primario .......................................................................... 27
7.1.2 Tratamiento secundario ..................................................................... 30
7.2 Operación de la PTAR ............................................................................. 37
7.2.1 Tratamiento físico .............................................................................. 37
7.2.2 Tratamiento biológico ........................................................................ 38
8 EVALUACIÓN DE LA PTAR .......................................................................... 43
8.1 Nivel de complejidad de la PTAR ............................................................. 43
8.2 Resultados obtenidos ............................................................................... 43
8.3 Diagnóstico de la PTAR ........................................................................... 46
8.4 Puntos a mejorar ...................................................................................... 46
9 PROPUESTAS DE MEJORAMIENTO DE LA PLANTA ................................. 48
9.1 Estimación de la población de diseño ...................................................... 48
6
9.2 Carga de diseño ....................................................................................... 51
9.3 Manejo de grasas ..................................................................................... 53
9.3.1 Desarenador-desengrasador ............................................................. 54
9.3.2 Trampa de grasas .............................................................................. 55
9.4 Tratamiento emergente de la planta ........................................................ 57
CONCLUSIONES .................................................................................................. 59
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 60
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 61
7
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Disposición espacial PTAR La Calera. ............................................. 27
Ilustración 2. Rejilla de cribado. ............................................................................. 28
Ilustración 3. Vertedero de excesos. ..................................................................... 28
Ilustración 4. Canaleta Parshall. ............................................................................ 29
Ilustración 5. Sedimentadores. .............................................................................. 29
Ilustración 6. Cámara de quiebre de energía. ....................................................... 30
Ilustración 7. Sopladores y flauta de aireación. ..................................................... 33
Ilustración 8. Reactor 1 (etapa de llenado) ............................................................ 33
Ilustración 9. Reactor 2 (etapa de degradación).................................................... 34
Ilustración 10. Digestor de lodos. .......................................................................... 35
Ilustración 11. Lechos de secado. ......................................................................... 36
Ilustración 12. Sistema de filtración Lecho de secado. .......................................... 37
Ilustración 13. Diagrama de procesos PTAR La Calera. ....................................... 37
Ilustración 14. Llenado de los reactores. ............................................................... 38
Ilustración 15. Mezclador. ..................................................................................... 38
Ilustración 16. Aireadores. ..................................................................................... 39
Ilustración 17. Inicio fase Llenado reacción. .......................................................... 40
Ilustración 18. Final fase Llenado reacción. .......................................................... 40
Ilustración 19. Reactor en fase de Sedimentación. ............................................... 41
Ilustración 20. Decantador flotante. ....................................................................... 42
Ilustración 21. Vista en planta Trampa de grasas. ................................................ 56
Ilustración 22. Corte 1-1' Trampa de grasas. ........................................................ 56
Ilustración 23. Corte A-A' Trampa de grasas. ........................................................ 57
Ilustración 24. Diagrama de operaciones PTAR La Calera propuesto. ................. 58
8
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Marco legal. ............................................................................................. 24
Tabla 2. Valores de diseño Reactores SBR. ......................................................... 30
Tabla 3. Dimensiones de los reactores. ................................................................ 31
Tabla 4. Características mezclador 1. ................................................................... 31
Tabla 5. Características mezclador 2. ................................................................... 31
Tabla 6. Características soplador 1. ...................................................................... 32
Tabla 7. Características soplador 2. ...................................................................... 32
Tabla 8. Características soplador 3. ...................................................................... 32
Tabla 9. Características equipo wincher para flautas de aireación. ...................... 32
Tabla 10. Características Digestor de lodos. ......................................................... 34
Tabla 11. Valores Tanque digestor de lodos. ........................................................ 35
Tabla 12. Características Bomba de lodos 1. ........................................................ 36
Tabla 13. Características Bomba de lodos 2. ........................................................ 36
Tabla 14. Asignación del nivel de complejidad. ..................................................... 43
Tabla 15. Parámetros mínimos que deben medirse para cada nivel de complejidad.
.............................................................................................................................. 43
Tabla 16. Laboratorios 2016.................................................................................. 45
Tabla 17. Características de operación de los procesos de lodos activados. ....... 46
Tabla 18. Características mínimas de los vertimientos. ........................................ 46
Tabla 19. Población de Bogotá y los municipios aledaños. ................................... 48
Tabla 20. Censo La Calera 2005. .......................................................................... 49
Tabla 21. Proyección de población Método lineal. ................................................ 49
Tabla 22. Proyección de población Método geométrico. ....................................... 50
Tabla 23. Proyección de población Método logarítmico. ....................................... 50
Tabla 24. Proyecciones de población. ................................................................... 51
Tabla 25. Dotación máxima neta. .......................................................................... 51
Tabla 26. Caudal agua potable presente y proyectado. ........................................ 51
Tabla 27. Caudal aguas residuales domesticas presente y proyectado. ............... 52
Tabla 28. Caudal aguas residuales presente y proyectado. .................................. 52
Tabla 29. Aportes per cápita para aguas residuales domésticas. ......................... 52
Tabla 30. Carga total de DBO y SS, presente y proyectado. ................................ 53
Tabla 31. Concentración inicial de DBO y SS, presente y proyectado. ................. 53
Tabla 32. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores. .................. 54
Tabla 33. Criterios de diseño para trampas de grasas. ......................................... 55
Tabla 34. Dimensiones Trampa de grasas. . ...................................................... 55
Tabla 35. Factores que afectan a la elección de los métodos de riego y medidas
especiales para la utilización de aguas residuales. ............................................... 57
9
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Estimación de crecimiento poblacional Método lineal. ....................... 49
Ecuación 2. Pendiente recta Método lineal. .......................................................... 49
Ecuación 3. Estimación de crecimiento poblacional Método Geométrico. ............ 49
Ecuación 4. Coeficiente r Método geométrico. ...................................................... 50
Ecuación 5. Estimación de crecimiento poblacional Método logarítmico. ............. 50
Ecuación 6. Coeficiente Kg Método logarítmico. ................................................... 50
Ecuación 7. Carga agua potable para comunidades. ............................................ 51
Ecuación 8. Carga agua residual para comunidades ............................................ 51
Ecuación 9. Carga total de un parámetro para una población............................... 52
Ecuación 10. Concentración inicial de x parámetro. .............................................. 53
10
RESUMEN
El municipio de La Calera, Cundinamarca, actualmente se encuentra viviendo un
auge de vivienda bastante acelerado, producto de éste comportamiento, se puede
predecir que las estructuras bajo las cuales está diseñada la cabecera municipal,
muy pronto serán insuficientes para abastecer la tan creciente demanda que
generan los nuevos residentes del municipio.
Situación que ha afectado, como se esperaba, a la planta de tratamiento de aguas
residuales (PTAR) del municipio, la cual entró en operación desde el año 2000 y
cuyo periodo de diseño era de 25 años. No obstante, nunca se contempló un
aumento en la población exponencial en tan poco tiempo.
Debido a éste acontecimiento se planteó la interrogante de si está la PTAR del
municipio de La Calera funcionando adecuadamente según los estatutos que rigen
el manejo de aguas residuales y si su operación es lo suficientemente efectiva.
Para resolver adecuadamente la inquietud surgida, en primera instancia se
desarrolló un diagnóstico técnico y operativo de cada una de las unidades de
tratamiento que componen la PTAR, en la cual se encontraron falencias en la
operación de la planta y los controles realizados.
Como caso específico, el diagnóstico determinó que la principal falla por la cual la
planta no cumple con la legislación ambiental, es la sobrecarga del caudal tratado,
respuesta al aumento en la población que abastece la planta. Así mismo, una
importante falencia en la operación de la planta es que, el vertedero de exceso
descarga directamente un caudal considerable que no presenta tratamiento alguno
que mitigue la carga orgánica que éste líquido lleva.
El mejoramiento de los procesos se basó la implementación de una estructura que
reduzca la cantidad de grasas ingresada a los reactores SBR, de manera que los
procesos aerobios ejecutados en los tanques se realicen de manera efectiva y
eficiente. De igual forma, se realizó un enfoque especial a un tratamiento emergente
al caudal captado por el vertedero de excesos.
En relación al comportamiento de los reactores, se debe esperar a realizar el cambio
de equipos que se tienen destinados para realizar la medición de la operación y de
efectividad que los nuevos equipos generarían.
Todos los procesos dentro de la planta presentan grandes eficiencias y cumplen
adecuadamente con sus funciones, de manera que, sus deficiencias no se
presentan en las estructuras o procesos que tiene sino en aquellas operaciones que
no realiza la planta.
11
Promoviendo la operación integral y eficaz de la planta, se propuso la creación de
una trampa de grasas que permita eliminar dichas sustancias del líquido, antes de
su entrada a los reactores. Acción que pretende mejorar el comportamiento de las
reacciones biológicas dentro de los tanques, ya que al ser reacciones basadas
principalmente entorno al oxígeno, las grasas y aceites roban mucho oxígeno, que
es necesario para descomponer y sedimentar la materia orgánica presente en el
líquido.
Como última propuesta se planteó un distrito de riego a la flora del predio,
alimentado por todo el caudal recogido en el aliviadero. Sistema que se utilizará
como medio emergente en la operación de la planta, evitando así el vertimiento
directo de dicho caudal y sobre todo fomentando el afloramiento de la vegetación
de la propiedad.
12
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo es realizado como proyecto de investigación para proponer una
intervención en los procesos de la planta de tratamiento de aguas residuales del
municipio La Calera (Cundinamarca), de manera que se permita mitigar los efectos
perjudiciales de los vertimientos de dicho municipio sobre las fuentes de agua que
posteriormente alimentaran otros municipios.
Una planta de tratamiento de agua residual (PTAR) se diseña en inicio con el
objetivo de garantizar como mínimo unas características biológicas, físicas y
químicas, tales como: dureza, DBO, DQO, color, pH, alcalinidad, acidez, solidos
suspendidos, entre otros. Las entidades correspondientes determinan los
parámetros mínimos que debe cumplir cada característica para garantizar la calidad
de los vertimientos sobre el cuerpo de agua receptor.
Los procesos de evaluación de las PTAR se centran en el análisis de los
vertimientos garantizando las características previamente descritas, posteriormente
se revisa cada proceso dentro de la planta identificando así los puntos a intervenir.
Los procedimientos a seguir se basan principalmente en tres etapas; una primera
etapa donde se realiza la recolección de datos y la evaluación preliminar de la planta
de tratamiento de agua residual del municipio, en dónde se determinarán las
condiciones actuales de servicio y de vertimientos, posteriormente se realizarán
diversos ensayos de laboratorios y pruebas donde se determinarán los mejores
procesos y los cambios estructurales a considerar, por último se realizarán modelos
de aplicación y estimaciones a futuro para evaluar el comportamiento de la planta
con las nuevas especificaciones.
Mediante datos recogidos de laboratorios realizados en la planta, así como de la
observación y análisis de los procesos físicos realizados en ésta, se establecerán
las condiciones actuales de la planta y las principales áreas a intervenir.
De igual manera se realizarán propuestas para mejorar los tratamientos físicos
realizados dentro de la planta, así como modificaciones en estructuras, periodos de
limpieza para las mismas estructuras con el fin de evitar acumulación de materiales
que retrasen la operación de la planta.
A continuación, se describe el proceso realizado para intervenir las operaciones
realizadas en la planta, propuestas llevadas a cabo mediante la observación y el
análisis de cada estructura dentro de la planta y evaluando su eficiencia dentro de
la función que debe desempeñar.
13
1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
1.1 Antecedentes
Como respuesta a los problemas de contaminación presentados en la cuenca del
Río Bogotá, El 14 de octubre de 1988 la Corporación Autónoma Regional de
Cundinamarca (CAR), que en ese entonces se denominaba Corporación Autónoma
Regional de la Sabana de Bogotá y de los Valles de Ubaté y Chiquinquirá, presentó
al Banco Interamericano de Desarrollo, un programa de Saneamiento Ambiental de
la Cuenca Alta del Río Bogotá. Dicho programa comprendía una solución al
problema de la contaminación de tipo orgánico y químico, por medio de la
construcción de 22 plantas de tratamiento de aguas residuales, en los municipios
que descargaban sus aguas residuales en la cuenca alta media y baja del río Bogotá
(Raigosa, 2007).
La PTAR del municipio de La Calera fue construida como parte de ese programa
mediante el convenio No. 045 de 1991 celebrado entre la CAR y el municipio de La
Calera, posteriormente mediante la resolución 2263 de 2012 fue transferida al
municipio, por parte de la CAR, haciendo necesario continuar la operación de la
misma de manera interrumpida, con el fin de dar cumplimiento estricto a las normas
que en materia ambiental rigen, por lo que es a la fecha ESPUCAL ESP el operador
de ésta planta. Donde la prestación de éste servicio se basa en el Plan Maestro de
alcantarillado vigente para el Municipio, así como en el Plan de Saneamiento y
Manejo de Vertimientos (PSMV) el cual fue aprobado para el municipio de La Calera
mediante resolución CAR número 2190 de agosto de 2011 (ESPUCAL).
La planta es objetivo de múltiples visitas académicas por parte de diversas
entidades y universidades, así mismo ha sido fuente para estudios sobre su
optimización y mejoramiento, tal y como lo muestra el proyecto de grado del
ingeniero Ricardo Raigosa, “Diagnóstico y optimización del sistema operativo y de
mantenimiento del reactor discontinuo secuencial (SBR) de la planta de tratamiento
de aguas residuales del municipio de la calera”. En dónde muchas de las medidas
propuestas por el ingeniero se implementaron en la planta, tal es el caso de la rejilla
de cribado, la cual fue dispuesta antes del aforo por una recomendación suscita en
dicho documento.
Actualmente la PTAR se encuentra en proceso de adecuación y mejoramiento
debido a que el crecimiento exponencial que ha presentado el municipio en los
últimos años no fue contemplado en los diseños originales, por lo tanto, la capacidad
de diseño de la planta ya fue alcanzada. Entre las operaciones realizadas por
ESPUCAL se resaltan la compra de nuevos equipos y predios aledaños a la PTAR
(ESPUCAL ESP, 2016), sin embargo, una intervención considerable sobre la planta
y un adecuado proceso de optimización requiere de más tiempo y los debidos
trámites legales en la alcaldía.
14
1.2 Justificación
Este trabajo surge como una iniciativa para mitigar el problema de la contaminación
de las fuentes hídricas producto de los vertimientos mal administrados por parte de
los organismos pertinentes.
El objetivo es optimizar las estructuras y los procesos utilizados en la PTAR del
municipio de La Calera (Cundinamarca), garantizando un funcionamiento tal que
permita a la planta cumplir con la adecuada remoción de solidos suspendidos,
reducir la DBO, disminuir la dureza del agua y cumplir con los parámetros
estipulados en la resolución 0631 de 2015 en dónde se establecen los parámetros
admisibles de los vertimientos puntuales.
Las medidas adoptadas se realizan con el fin de mantener el ambiente ecológico
que caracteriza la zona. Con anterioridad se han realizado trabajos de mejoramiento
y optimización en las PTAR de algunos municipios, tal es el caso del municipio de
Chía el cual “con la construcción de la moderna planta de tratamiento de aguas
residuales, la Administración Municipal de Chía y la CAR, a través del Convenio No
1267 del 24 de junio de 2015, darán solución a la contaminación y deterioro de las
fuentes hídricas, generada por los 11 vertimientos que en este momento llegan al
Río Frío en la jurisdicción municipal.”1
“La hidrografía de La Calera pertenece a las Vertientes del Magdalena y del Meta.
Dos ríos surcan el municipio El Teusacá y El Río Blanco. Río Teusacá: Nace en la
Laguna del Verjón situada en el cerro de Monserrate y desemboca en el río Funza
o Bogotá. Numerosas quebradas aumentan su caudal, siendo las más importantes
la del Hato, Marmaja, Cara de perro, Carrizal, Chocolatero, Cirujano, San Isidro,
Siecha, Simayá y Aguas Claras. Río Blanco: Nace en la laguna de Buitrago en
límites con el Municipio de Guasca, recibiendo en su trayecto quebradas bastante
caudalosas como son La Marmaja, La Ramada, Calostros, Jaboncillo que se forma
por la unión de las quebradas Chocolatero y Palacio, además de la quebrada Blanca
que recibe en los límites con Choachí. El río Blanco da sus aguas al río Negro en el
sitio de la Unión”2. Si bien las principales fuentes hídricas del municipio no son de
grandes características, si son afluentes importantes de ríos importantes en el
departamento de Cundinamarca.
Con las recientes épocas de sequias se ha aumentado la preocupación de las
personas por contar con fuentes hídricas limpias y seguras, que permitan mitigar el
efecto de las sequias en las poblaciones y mejorar la relación del ecosistema.
Como respuesta a la emergencia de los vertimientos mal administrados se hace
necesario implantar procesos mejorados que permitan optimizar la operación de las
1 Redacción Bogotá. 2015. El Espectador. Se construirá nueva planta de aguas residuales en Chía. [En línea] 13 de Julio de 2015. [Citado el: 08 de mayo de 2016.] http://www.elespectador.com/noticias/bogota/se-construira-nueva-planta-de-aguas-residuales-chia-articulo-572275. 2 Alcaldía de La Calera. 2011. Alcaldía de La Calera. [En línea] 08 de septiembre de 2011. [Citado el: 09 de mayo de 2016.] http://www.lacalera-cundinamarca.gov.co/informacion_general.shtml.
15
plantas existentes, evitando la creación de nuevas estructuras, de manera que se
siga disminuyendo el área forestar de la zona.
16
2 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Está la PTAR del municipio de La Calera funcionando adecuadamente según los
estatutos que rigen el manejo de aguas residuales y su operación es lo
suficientemente efectiva?
En principio es fundamental establecer que el punto de evaluación de la PTAR del
municipio de la calera se fundamenta tanto en la resolución 0631 sobre los límites
admisibles de los vertimientos puntuales, como en el título e del reglamento técnico
del sector de agua potable y saneamiento básico (RAS).
Uno de los inconvenientes que presenta cualquier proceso de mejoramiento es la
proyección de la población servida, en este caso el municipio de La Calera presenta
un alto índice de crecimiento y un marcado cambio en su actividad económica, por
que surge la necesidad de contemplar primordialmente las afectaciones de éste
comportamiento. Éstas conductas implican un crecimiento no solo en el caudal de
servicio de la PTAR del municipio sino también en las características de las aguas
a tratar, de manera tal que la optimización de procesos y la infraestructura de la
planta permiten mejorar la capacidad y el alcance de la misma, adicionalmente los
vertimientos de la planta tendrán un impacto cada vez más insignificante sobre los
cuerpos de agua. El incremento de la oferta de agua como herramienta para el
impulso económico, el mayor nivel de contaminación, irremisiblemente asociado a
un mayor nivel de desarrollo, algunas características naturales (sequías
prolongadas, inundaciones) y en definitiva una sobreexplotación de los recursos
hídricos han conducido a un deterioro importante de los mismos (Metcalf, y otros).
La mitigación de la contaminación de los cuerpos de agua produce grandes huellas
ecológicas en el entorno en que se llevan a cabo, entendiendo las huellas
ecológicas como: el área productiva que se requiere para mantener una población,
e incluye todos los recursos renovables y no renovables necesarios para suministrar
alimentos, energía, agua y materiales, y para absorber las emisiones y los residuos
generados en el núcleo urbano (Velásquez, 2005).
Por principios de hidráulica se sabe que, a mayor caudal de servicio en la planta, la
afectación sobre el cuerpo de agua donde se hace el vertimiento es mayor. De igual
manera, cuando las características del agua a tratar son modificadas (producto de
los cambios en las actividades económicas de la región), así mismo los tratamientos
presentes en la planta deben replantear sus procesos para poder tratar
efectivamente dichas características.
La consideración de los criterios de calidad de los vertidos resulta insuficiente como
garantía de conservación de los recursos hídricos, de manera que éstos se
mantengan en condiciones tales que aseguren su disponibilidad en un futuro en
cantidad y calidad adecuada. Esta garantía viene dada por el mantenimiento de las
17
condiciones ambientales naturales que permitan preservar el equilibrio
autorregulador de los ecosistemas acuáticos (Metcalf, y otros).
De lo anterior se puede inferir la gran importancia que una PTAR altamente eficiente
y ecoamigable posee, por tal motivo la optimización de la actual planta es más
sustentable que la creación de una nueva desde un punto de vista ambiental.
18
3 OBJETIVOS
3.1 General
Proponer una intervención en las operaciones de la planta de tratamiento de agua
residual del municipio de La Calera (Cundinamarca).
3.2 Específicos
Establecer las condiciones actuales de servicio de la planta.
Evaluar cada proceso de la planta y reconocer los puntos críticos a mejorar.
Diseñar las nuevas estructuras y operaciones a ejecutar en el proceso de la
planta.
19
4 ALCANCES Y LIMITACIONES
4.1 Alcance
Influencia directa tanto en un aumento de la capacidad de la planta tanto en su
caudal de servicio como en las características de los vertimientos que puede tratar.
De igual manera se aumenta el periodo de diseño de la planta, la relevancia que
presenta su operación en el ecosistema y la huella ecológica del municipio.
Adjuntamente a la optimización de los procesos, se contempla un ahorro económico
tanto evitando la utilización excesiva de energía eléctrica como de horas hombre en
su operación, de manera que al municipio le representa mejores comportamientos
económicos en éste sector.
4.2 Limitaciones
Los principales inconvenientes presentes para la realización del proyecto recaen en
la falta de equipo necesario para el diseño óptimo de una PTAR, por consiguiente,
se plantea recurrir a formulaciones y métodos alternativos para la estimación de los
valores no obtenidos en el laboratorio.
La falta de legislación sobre vertimientos domiciliarios, industriales y comerciales
evita que la planta pueda tener un funcionamiento constante, ya que en un momento
dado se pueden disponer en el alcantarillado sustancias o cuerpos que no se
contemplan en la operación normal de la planta.
El actual proceso se cambió y mejoramiento que presenta la planta, evita que se
estudie adecuadamente su operación, ya que se desconoce el efecto real que los
nuevos equipos tendrán sobre la operación de la planta, además de la fecha de
inicio de su operación. Por tal motivo, el estudio realizado sobre la planta se
realizara de manera somera y las propuestas realizadas se enfocarán en la parte
hidráulica y de sanidad.
20
5 MARCO DE REFERENCIA
5.1 Marco teórico
El agua es, seguramente, la sustancia más versátil y más necesitada del mundo, de
ella se componen todos los cuerpos vivos y requieren de ella misma para su
supervivencia, así mismo se han encontrado cientos de utilidades para éste líquido
gracias a sus particulares características que la convierten en el llamado “disolvente
universal”, sus utilizaciones van desde procedimientos químicos, médicos y físicos,
hasta procesos constructivos e industriales. Debido a dicha utilización del agua en
múltiples procesos es inevitable generar un residuo de dicho líquido tras su
utilización, de esta manera se puede definir el agua residual como la combinación
de los residuos líquidos procedentes tanto de residencias como de instituciones
públicas, establecimientos industriales y comerciales a los que pueden agregarse,
eventualmente, aguas subterráneas, superficiales y pluviales (Escuela de Ingeniería
de Antioquia).
La generación de aguas residuales es un producto inevitable de la actividad
humana. El tratamiento y disposición apropiada de las aguas residuales requiere
del conocimiento de las características físicas, químicas y biológicas de dichas
aguas; de su significado y de sus efectos principales sobre la fuente receptora
(Romero, 2004).
La conciencia del impacto que presentan las aguas residuales sobre el medio
ambiente y el daño que generan los desechos que el humano deposita en los
cuerpos de agua se generó realmente en los años 60’s, ya que previo a esa época
se veía un total desconocimiento del tema y por consecuente una completa
despreocupación sobre el ambiente y las consecuencias a corto, mediano y largo
plazo de todos los vertimientos realizados (Ramalho, 2003). El objetivo básico del
tratamiento de aguas es proteger la salud y promover el bienestar de los individuos
miembros de la sociedad (Romero, 2004).
En Colombia la conciencia de la importancia de la adecuada administración de los
vertimientos a los cuerpos de agua potable, es un concepto relativamente viejo, pero
que realmente se ha empezado a implementar conscientemente desde hace muy
poco tiempo.
Gubernamentalmente hablando, además de una inversión económica, el gobierno
debe trabajar mancomunadamente junto con la comunidad y las industrias, en
excelentes programas de generación de desechos, recolección de basuras,
tratamiento de aguas residuales de cualquier origen con excelentes y completos
sistemas de tratamiento de agua residual (Lizarazo, y otros, 2013).
Estudios sobre el territorio nacional que permitan mejorar el comportamiento de
industrias y comunidades en cuestión de vertimientos, y procesos dentro de las
PTAR en el país, son realizadas por diversas entidades, cuya finalidad es mitigar el
21
impacto ambiental generado por la mala administración de los vertimientos. Ejemplo
de lo anteriormente descrito pueden ser las siguientes investigaciones:
Mejoramiento y estandarización de los procedimientos de operación de la PTAR
Bavaria S.A., realizada en el año 2012 por la ingeniera Ivonne Carrillo, de la
universidad Industrial de Santander. Dicha investigación permitió conocer:
o La importancia que tiene para una industria el conocimiento y manejo de
las operaciones internas (Carrillo, 2012).
o La importancia que presentan los operadores de las PTAR en la eficiencia
de éstas y en la efectividad de las funciones realizadas por la planta
(Carrillo, 2012).
o La identificación de los riesgos ambientales y de seguridad definen las
instrucciones necesarias para su mitigación, estableciendo los controles
y condiciones seguras para cumplir con los propósitos de la planta dentro
de los estándares (Carrillo, 2012).
Plan de mejoramiento del sistema de tratamiento de aguas residuales de
laboratorios Coaspharma, Bogotá D.C., estudio realizado por la universidad de
los Andes en el año 2009, del cual se pueden extraer los siguientes aportes:
o La eficiencia de los procesos biológicos en las pequeñas plantas de
tratamiento (Pabón, y otros, 2009).
o La necesidad de tener mediciones para determinar los periodos pico de
operaciones en las plantas o en las industrias y así poder actuar
efectivamente (Pabón, y otros, 2009).
Un estudio realizado en la Universidad Nacional de Colombia sobre los sistemas
de plantas de tratamiento de agua residual en Colombia, en el año 2013, permitió
conocer las grandes falencias que tienen las PTAR en el país. Operaciones de
control y seguimiento a las plantas son insuficientes o inexistentes en ciertas
plantas, incluso se encuentran municipios sin sistema de tratamiento de aguas
residuales, o con plantas sin terminar su construcción, entre muchos otros casos
que permiten dilucidar la situación tan crítica que presenta el país en términos
hídricos y ambientales (Lizarazo, y otros, 2013).
Los estudios previamente mencionados, son algunos ejemplos que permiten
vislumbrar la importancia que tienen realizar controles en las mismas industrias, con
el fin de reducir su impacto sobre los aportes a las PTAR de las comunidades o
sobre sus propios vertimientos. Así mismo, medidas como las adoptadas en la
PTAR de Cañaveralejo, por parte de EMCALI, en cabeza de su gerente el ingeniero
Edgar Llanos, donde se toman medidas integrales para procesos de
descontaminación y mejoramiento de los procesos en el tratamiento de las aguas
residuales, son acciones que permiten mejorar a futuro el impacto negativo que se
está generando en las fuentes hídricas del país (Tratamiento y uso de aguas
residuales: Una estrategia para el futuro del saneamiento, 2000).
22
5.2 Marco conceptual
Carga de diseño: Producto del caudal por la concentración de un parámetro
específico; se usa para dimensionar un proceso de tratamiento, en condiciones
aceptables de operación. Tiene unidades de masa por unidad de tiempo, (M/T)
(Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000).
DBO: es la cantidad de oxígeno que los microorganismos, especialmente
bacterias (aerobias o anaerobias facultativas: Pseudomonas, Escherichia,
Aerobacter, Bacillius), hongos y plancton, consumen durante la degradación de
las sustancias orgánicas contenidas en la muestra. Se expresa en mg/l (Andreo).
Desarenador-desengrasador: es una variante del desarenador convencional,
empleado en grandes instalaciones depuradoras. En este tipo de canales
aireados además de remover las arenas y otras partículas de peso específico
similar, se retirarán también grasas, aceites, espumas y otro material flotante
que pueden causar interferencia en los tratamientos posteriores y que, incluso,
(como en el caso de las grasas) podrían promover la aparición organismos
filamentosos causantes del bulking en los reactores biológicos (Lozano-Rivas,
2012).
DQO: la Demanda Química de Oxígeno (DQO) es la cantidad de oxígeno que
requieren los microorganismos para oxidar (estabilizar) la materia orgánica
biodegradable en condiciones aerobias (Romero, 2004), es decir, en una
muestra de agua bajo parámetros específicos de agente oxidante, temperatura
y tiempo (Rodríguez, 2007).
Flujo intermitente: conocidos también como de llenado y vaciado, o reactores
por cochada, son unidades que se llenan con un volumen de agua residual
(etapa de llenado), se tratan estas aguas (etapa de tratamiento) y se vacía (etapa
de vaciado) para dar lugar a una nueva carga con otro volumen de aguas
residuales. Se usa frecuentemente en aguas residuales industriales, en donde
la descarga de efluentes líquidos no se realiza de manera continua, sino en
periodos o lapsos del día. Aunque este fue el modelo de reactor que empezó a
usarse en los inicios del tratamiento de aguas residuales municipales, el rápido
crecimiento de las ciudades obligó a cambiar estos reactores por otros de
funcionamiento continuo. También se usa mucho en investigaciones y
experimentos de laboratorio debido a la comodidad que supone el no trabajar
con flujos constantes de agua (UNAD).
Lodos activados: consiste en una masa floculenta de microorganismos, materia
orgánica muerta y materiales inorgánicos; tiene la propiedad de poseer una
superficie altamente activa para la adsorción de materiales coloidales y
suspendidos, a la cual debe su nombre de activado. Cuando se ha usado la
capacidad de almacenamiento total del lodo, el lodo deja de ser activo en el
sentido adsortivo. La actividad se recupera solamente después de un período de
aireación durante el cual el material orgánico se emplea en oxidación y síntesis.
Este proceso de aireación, con el propósito de restablecer la actividad y
23
estimular la capacidad adsortiva, se reconoce como estabilización del lodo
(Romero, 2004).
Procesos con lodos activados: todos los procesos con lodos activados coinciden
en la interacción del agua residual con floc biológico previamente formado en un
tanque de aireación (Romero, 2004). Estas operaciones dieron inicio a
comienzos del siglo XX como métodos experimentales y no fue sino hasta los
años 60’s que se comenzaron a dar las primeras bases racionales para los
procesos con lodos activados (Ramalho, 2003).
Reactor discontinuo secuencial: de acuerdo a la Agencia de protección
ambiental de los Estados Unidos un “Sequencing Batch Reactor” (SBR) es un
sistema de lodos activados para tratamiento del agua residual que utiliza ciclos
de llenado y descarga. En este sistema el agua residual entra en una tanda a un
reactor único, recibe tratamiento para remover componentes indeseables y
luego se descarga (Raigosa, 2007). En éstos reactores el agua residual se
mezcla con un lodo biológico en un medio aireado (Remtavares, 2006). Para
optimizar el desempeño del sistema, se utilizan dos o más reactores en una
secuencia de operación predeterminada. Los sistemas SBR han sido utilizados
con éxito para tratar aguas residuales tanto municipales como industriales. Estos
sistemas son especialmente efectivos para aplicaciones de tratamiento de agua
residual caracterizadas por caudales reducidos o intermitentes (Raigosa, 2007).
Otras ventajas de los SBR son la facilidad para el control de la operación, la
buena flexibilidad ante fluctuaciones de caudal y concentración de las aguas
residuales, y los buenos resultados obtenidos en el tratamiento de compuestos
refractarios a los sistemas biológicos convencionales (Remtavares, 2006).
Trampa de grasas: son tanques pequeños de flotación donde la grasa sale a la
superficie, y es retenida mientras el agua aclarada sale por una descarga inferior.
No lleva partes mecánicas y el diseño es parecido al de un tanque séptico
(Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico, 2000).
La tubería de ingreso al tanque se conoce como admisión, mientras que la
tubería de salida del efluente se denomina descarga (Centro Panamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente, 2003).
Recibe nombres específicos según al tipo de material flotante que vaya a
removerse:
o Domiciliar: normalmente recibe residuos de cocinas y está situada en la
propia instalación predial del alcantarillado.
o Colectiva: son unidades de gran tamaño y pueden atender conjuntos de
residencias e industrias
o En Sedimentadores: son unidades adaptadas en los sedimentadores
(primarios en general), las cuales permiten recoger el material flotante en
dispositivos convenientemente proyectados, para encaminarlo
posteriormente a las unidades de tratamiento de lodos.
24
5.3 Marco legal
La principal pauta que rige todas las obras hidráulicas en el país es el Reglamento
Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS), cuya versión
aprobada es la realizada en el año 2000 y cuya última actualización es la del año
2011, sin embargo, está última versión aún está en proceso de aprobación, por lo
cual se sigue utilizando el RAS 2000. Dentro de la norma establecida, el título
encargado de todo el sector de manejo de aguas residuales y vertimientos es el
Título E, en el cual se encuentran “generalidades, caracterización de las aguas
residuales, sistemas de tratamiento en el sitio de origen, sistemas centralizados,
emisarios submarinos, aspectos de operación y mantenimiento y un Anexo con
metodologías de diseño recomendadas.”3.
Tabla 1. Marco legal.
LEY DESCRIPCIÓN
Constitución Política Nacional Señala responsabilidades al Estado en materia de prevención y control de los factores de deterioro ambiental, a través de la imposición de sanciones legales y de la exigencia de la reparación de los daños causados al medioambiente.
Decreto 2811 de 1974
Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente. Establece acciones de prevención y control de la contaminación del recurso hídrico, para garantizar la calidad del agua para su uso posterior, e inserta el concepto de Tasa Retributiva como tributo por la afectación de los recursos hídricos.
Decreto 3930 de 2010 Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 9ª de 1979, así como el Capítulo II del Título VI -Parte III- Libro II del Decreto-ley 2811 de 1974 en cuanto a usos del agua y residuos líquidos y se dictan otras disposiciones.
Ley 1333 de 2009 Por la cual se establece el procedimiento sancionatorio ambiental y se dictan otras disposiciones.
Decreto 1541 de 1978 Incluye una clasificación de los cuerpos de agua en función de su capacidad de recibir vertimientos y establece la obligatoriedad de solicitar permiso de vertimientos a todo aquél que, de igual manera, posea o solicite una concesión de aguas
Ley 9 de 1979 (Código Sanitario Nacional)
Fija los procedimientos y las medidas para la regulación y control de los vertimientos.
Decreto 1594 de 1984
Establece criterios de calidad de los cuerpos de agua en función de sus usos potenciales y determina límites máximos permisibles de sustancias de interés sanitario y ambiental, contenidas en los vertimientos. Amplifica el concepto de Tasa Retributiva y reglamenta los permisos de vertimientos.
Ley 99 de 1993
Establece en cabeza de las autoridades ambientales regionales, la responsabilidad de evaluar, controlar y hacer seguimiento ambiental del uso del agua y de los vertimientos que puedan realizarse tanto al agua, como al aire y al suelo. Reitera la obligación de pagar Tasa Retributiva por afectación de los recursos hídricos.
Ley 373 de 1997 Establece el Programa de Uso Eficiente y Ahorro del agua, para reducir con criterio preventivo, las cantidades de aguas residuales vertidas, promoviendo el re uso de aguas servidas, en cuanto ello sea posible.
Resolución 0631 de 2015 Por la cual se establecen los parámetros y los valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales a cuerpos de aguas superficiales y a los sistemas de alcantarillado público y se dictan otras disposiciones.
Resolución 1096 de 2000 (Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico – RAS)
Fija criterios técnicos para el desarrollo de proyectos de saneamiento básico y, dentro de ellos, los de saneamiento básico, en todas y cada una de sus fases.
Decreto 1729 de 2002 (Ordenamiento y Manejo de Cuencas Hidrográficas)
Reglamenta el ordenamiento y manejo de las cuencas hidrográficas y establece la obligatoriedad de desarrollar los correspondientes planes, como instrumentos de planeación del uso sostenible de los recursos naturales.
Ley 812 de 2003 (Plan Nacional de Desarrollo 2002- 2006)
Establece el Programa “Manejo Integral del Agua”, con énfasis en la prevención y control de la contaminación hídrica, basada en la formulación e implementación del plan de manejo de aguas residuales, de acuerdo con los lineamientos del CONPES 3177 de 2002
3 Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. 2000. Título E. [aut. libro] Dirección de Agua Potable y Saneamiento Básico. RAS 2000. 2000.
25
Decreto 3100 de 2003
Reglamenta la Tasa Retributiva para vertimientos puntuales y establece el Plan de Saneamiento y Manejo de Vertimientos (PSMV). Determina que las sustancias objeto de cobro son la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y los Sólidos Suspendidos Totales (SST). Las tarifas mínimas para el cobro de la Tasa Retributiva están contenidas en la Resolución 372 de 1998 del MAVDT.
Resolución 1433 de 2004 Por la cual se reglamentan los Planes de Saneamiento y Manejo de Vertimientos, PSMV, y se obliga a los operadores del sistema de alcantarillado al establecimiento de los objetivos de reducción del número de vertimientos puntuales.
Decreto 1594 de 1984
Establece criterios de calidad de los cuerpos de agua en función de sus usos potenciales y determina límites máximos permisibles de sustancias de interés sanitario y ambiental, contenidas en los vertimientos. Amplifica el concepto de Tasa Retributiva y reglamenta los permisos de vertimientos.
Fuente: Propia
26
6 METODOLOGÍA
El desarrollo del proyecto se dividirá en 3 fases:
Fase I: es la fase donde se recogerán los datos iniciales con los que se realizará el
proyecto, consiste en la evaluación de los procesos y la condición actual de la
planta, sus condiciones de servicio, los costos de operación y las características del
caudal de entrada y del vertimiento.
Fase II: mediante el análisis de los datos recogidos se realiza un diagnostico general
de la planta, determinando los puntos fuertes y débiles en la operación de la misma.
Fase III: establecidas las fases de la operación de la planta que se van a intervenir
para la optimización, se establecen los nuevos procesos a realizar en la planta, las
variaciones en las operaciones actuales y realizar el diseño de estructuras nuevas,
de ser necesario.
27
7 CARACTERIZACIÓN DE LA PTAR
La PTAR del municipio de La Calera está ubicada en las afueras del municipio, por
la vía La Calera – Sopo inmediatamente después del puente del río Teusaca. La
planta recibe todas las aguas recolectadas por la red de alcantarillado de la
cabecera municipal; sistema que consiste en un alcantarillado mixto, cuyos aportes
de aguas residuales son únicamente de uso doméstico, institucional y comercial,
con el correspondiente aporte de las aguas lluvias.
7.1 Estado de la PTAR
La PTAR cuenta actualmente con un tratamiento primario, un tratamiento
secundario y un manejo de lodos, para tratar un caudal máximo de 32 l/s.
La ilustración 1 muestra la disposición de las estructuras sobre el predio y su
operación.
Ilustración 1. Disposición espacial PTAR La Calera.
Fuente: Diagnóstico y optimización del sistema operativo y de mantenimiento del reactor discontinuo secuencial (SBR) de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de La Calera – Ricardo
Raigosa.
7.1.1 Tratamiento primario
El tratamiento primario de la planta es un tratamiento enteramente físico que se
utiliza para la remoción de todo material particulado, tales como: arenas, gravas e
incluso residuos sólidos de gran tamaño. Éste tratamiento consiste en:
28
1) Rejilla de cribado: es una estructura compuesta por dos rejillas metálicas con
inclinación de 45° y dimensiones de 1.20m de ancho con platinas de 2mm, con
espaciamientos de 4cm la primera rejilla, mientras que la segunda tiene un
espaciamiento de 1.5cm, cuenta con una bandeja de escurrimiento en concreto
perforada de 50cm como se muestra en la ilustración 2. Ésta estructura es la
encargada de realizar la retención de grabas y residuos sólidos de gran tamaño.
Su limpieza y mantenimiento se hace manualmente por un operario cada 4
horas.
Ilustración 2. Rejilla de cribado.
Fuente: propia
2) Vertedero de excesos: una estructura en concreto reforzado de
4.18m*1.25m*1.00m como se muestra en la ilustración 3, que vierte
directamente el agua sobre el rio cuando el caudal entrante excede el caudal
máximo de la planta.
Ilustración 3. Vertedero de excesos.
Fuente: propia
3) Canaleta parshall: es una canaleta de 9” utilizada con el fin de aforar el caudal
en determinados intervalos de tiempo, tal como se muestra en la ilustración 4.
29
Ilustración 4. Canaleta Parshall.
Fuente: propia
4) Sedimentadores: dos sedimentadores por gravedad de sección variable
dispuestos en paralelo funcionando uno a la vez para funciones de
mantenimiento y limpieza. La estructura tiene una longitud de 11.5m disponiendo
también de un lecho de secado de arenas y un lecho para la evaporación de los
líquidos drenados, en el lecho de secado de arenas, tal como se muestra en la
ilustración 5, su función es eliminar arenas y arcillas de gran tamaño.
Ilustración 5. Sedimentadores.
Fuente: propia
30
5) Cámara de disipación de energía: finalizando el tratamiento físico, se dispone de
una cámara de quiebre de energía que cambia el régimen del flujo a un flujo
laminar para que la siguiente fase del proceso se realice de la mejor manera
posible. Ésta estructura se puede observar en la ilustración 6.
. Ilustración 6. Cámara de quiebre de energía.
Fuente: propia
7.1.2 Tratamiento secundario
La segunda etapa del tratamiento de la PTAR abarca un tratamiento biológico
gracias a que el agua residual tratada en la planta no presenta aportes de industrias
y ningún tipo de químico peligroso que deba contemplar un tratamiento de tipo
químico. Éste tratamiento cuenta con las siguientes estructuras.
1) Reactores SBR (Sequencing Batch Reactor): o reactores discontinuos
secuenciales, son 2 estructuras en concreto reforzado de 18.6m*13.4m*7.0m.
Los valores de diseño de las principales características sanitarias de cada
reactor se exponen en la tabla 2.
Tabla 2. Valores de diseño Reactores SBR.
PARAMETRO VALOR
Caudal de diseño 2764 m³/día
DBO5 de diseño 207 mg/l
Carga orgánica de diseño 572 Kg 𝐷𝐵𝑂5𝑑í𝑎
⁄
Solidos suspendidos totales de diseño 150 mg/l
Volumen promedio de diseño 1367 m³
Tiempo de retención medio de diseño 11.9 h
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
La tabla 3 presenta las dimensiones de los reactores.
31
Tabla 3. Dimensiones de los reactores.
DIMENSIÓN VALOR
Profundidad mínima 4.22 m
Profundidad media 5.49 m
Profundidad máxima 6.71 m
Área 249.2 m²
Volumen mínimo 1053 m³
Volumen promedio 1368.5 m³
Tiempo de retención promedio 20.80 h
Tiempo de retención a caudal máximo 13 h
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
Cada reactor está conformado por los siguientes equipos:
a. Mezcladores: uno en cada reactor, cuyas características se pueden
observar en las tablas 4 y 5.
Tabla 4. Características mezclador 1.
EQUIPO: MEZCLADOR 1
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: CARACTERÍSTICAS
Marca N/A Marca DDM
Número N/A Número N/A
Clase Cerrado Tipo Aireación mecánica
Potencia 20 HP 440 V Modelo N/A
Fases 3 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite N/A
RPM 1200 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
Tabla 5. Características mezclador 2.
EQUIPO: MEZCLADOR 1
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: CARACTERÍSTICAS
Marca N/A Marca DDM
Número N/A Número N/A
Clase Cerrado Tipo Aireación mecánica
Potencia 20 HP 440 V Modelo N/A
Fases 3 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite N/A
RPM 1200 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
b. Aireadores: 3 en total que alimentan cada tanque en su periodo de
operación más una flauta de aireación que conecta los equipos con
los tanques como se muestra en la ilustración 7, las características de
cada equipo se muestran en las tablas 6, 7, 8 y 9. Sin embargo, dichos
aireadores serán reemplazados por 4 torres difusoras de aire.
32
Tabla 6. Características soplador 1.
EQUIPO: SOPLADOR 1
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: COMPRESOR
Marca US Electric Marca Dresser DDM Roots’
Número N/A Número N/A
Clase FTC Tipo Desplazamiento positivo
Potencia 60 HP 440 V Modelo RAM 412
Fases 3 Ref Correas 5 VX1000 Cantidad 3
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite ISO 1000
RPM 1789 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
Tabla 7. Características soplador 2.
EQUIPO: SOPLADOR 2
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: COMPRESOR
Marca Emerson Marca Tuthil
Número N/A Número N/A
Clase FCT Tipo Desplazamiento positivo lobular
Potencia 60 HP 440 V Modelo 461246L2
Fases 3 Ref Correas 5 VX1000 Cantidad 3
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite ISO 1000
RPM 1783 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
Tabla 8. Características soplador 3.
EQUIPO: SOPLADOR 3
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: COMPRESOR
Marca Emerson Marca Tuthil
Número N/A Número N/A
Clase FCT Tipo Desplazamiento positivo lobular
Potencia 60 HP 440 V Modelo 461246L2
Fases 3 Ref Correas 5 VX1000 Cantidad 3
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite ISO 1000
RPM 1783 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
Tabla 9. Características equipo wincher para flautas de aireación.
EQUIPO: WINCHES PARA FLAUTAS DE AIREACIÓN
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: CARACTERÍSTICAS
Marca Therm Marca N/A
Número N/A Número 400011269
Clase N/A Tipo
Potencia 1.2 HP Modelo 4771
Fases 1 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite N/A
RPM 1725 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
33
Ilustración 7. Sopladores y flauta de aireación.
Fuente: Propia.
c. Controles automáticos de nivel.
d. Electroválvulas, cuya función es regular la salida del clarificado.
La ilustración 8 muestra el reactor 1 que se encuentra en proceso de llenado,
mientras que la ilustración 9 muestra el reactor 2 que se encuentra lleno y en
proceso de degradación de la materia orgánica.
Ilustración 8. Reactor 1 (etapa de llenado)
Fuente: Propia.
34
Ilustración 9. Reactor 2 (etapa de degradación)
Fuente: Propia.
2) Tanque digestor de lodos: es una estructura en concreto reforzado de
13.4m*9.1m*3.4m que cuenta con los siguientes componentes:
a. Mezclador, cuyas características se pueden observar en la tabla 10.
Tabla 10. Características Digestor de lodos.
EQUIPO: DIGESTOR DE LODOS
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: CARACTERÍSTICAS
Marca N/A Marca Agua SBR
Número N/A Número N/A
Clase P Tipo Flotante
Potencia 20 HP 440 V Modelo N/A
Fases 3 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite N/A
RPM 1180 Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
b. Controles automáticos de nivel.
c. Electroválvulas, encargadas de regular el ingreso de lodos frescos y
la salida de los lodos digeridos.
El tanque realiza un proceso aerobio sobre los lodos cuyas características
diseño se muestran en la tabla 11 y cuya operación se puede observar en la
ilustración 10.
35
Tabla 11. Valores Tanque digestor de lodos.
PARAMETRO VALOR
Concentración de lodos 1.00%
Carga de sólidos al digestor 311.9 Kg/día
Tiempo de retención hidráulico 26.3 d
Fracción de sólidos volátiles 81.00%
Área superficial 121.94 m²
Profundidad mínima 2.3 m
Profundidad máxima 3.4 m
Volumen de lodos admitidos 31.2 m³/día
Volumen mínimo de agua 278.8 m³
Volumen máximo de agua 411.2 m³
Edad de lodos 26.3 días
Destrucción de sólidos volátiles 44.00%
Concentración de sólidos 2.00%
Oxigeno necesario para digestión 2 𝑙𝑏 𝑂2𝑙𝑏 𝑠𝑠𝑣 𝑑𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑖𝑑𝑜𝑠
⁄
Distribución de oxigeno por unidad 100%
Oxígeno requerido 222.9 Kg/día
Porcentaje de sólidos volátiles después de digestión 71.00%
Producción de sólidos en base seca 200.4 Kg/día
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera.
Ilustración 10. Digestor de lodos.
Fuente: Propia.
Los lodos digeridos son transportados por medio de bombas a los lechos de
secado, donde se realiza la filtración de los lixiviados y el secado de los lodos.
Los lixiviados filtrados son devueltos a los reactores SBR, mientras que el lodo
secado es dispuesto sobre la flora existente en el predio de la planta. Las
características de las bombas de lodos se muestran en las tablas 12 y 13.
36
Tabla 12. Características Bomba de lodos 1.
EQUIPO: BOMBA LODOS 1
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: BOMBA
Marca N/A Marca N/A
Número N/A Número N/A
Clase N/A Tipo Sumergible
Potencia 230 HP Modelo N/A
Fases 3 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite Dieléctrico
RPM N/A Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
Tabla 13. Características Bomba de lodos 2.
EQUIPO: BOMBA LODOS 2
PARTE 1: MOTOR PARTE 2: BOMBA
Marca N/A Marca N/A
Número N/A Número N/A
Clase N/A Tipo Sumergible
Potencia 230 HP Modelo N/A
Fases 3 Ref Correas N/A
Frecuencia 60 Hz Tipo de aceite Dieléctrico
RPM N/A Tipo de grasas N/A
Costo del equipo N/A Caudal N/A
Fuente: Manual de operaciones, PTAR municipio La Calera
Los lechos de secado, son 16 unidades de secado individual con área de 37.5m²
cada una, para un área total de 600m² como se muestra en la ilustración 11. Las
estructuras están compuestas por una capa de arena donde se tienen colocados
ladrillos sueltos, tal como se muestra en la ilustración 12, realizándose la
filtración del lixiviado a través de sus juntas.
Ilustración 11. Lechos de secado.
Fuente: Propia.
37
Ilustración 12. Sistema de filtración Lecho de secado.
Fuente: Propia.
Con base en lo anterior, el diagrama de operaciones de la PTAR se muestra en la
ilustración 13.
Ilustración 13. Diagrama de procesos PTAR La Calera.
Fuente: Propia.
7.2 Operación de la PTAR
Debido a la ausencia de aportes industriales sobre la red de alcantarillado el
tratamiento realizado en la PTAR no requiere de un tratamiento químico, ya que no
presenta concentraciones de sustancias que requieran de dicho proceso. Debido a
lo anterior el tratamiento realizado en la planta sólo cuenta con procesos físicos y
biológicos.
7.2.1 Tratamiento físico
En este tratamiento se eliminan toda clase de sólidos no solubles en agua y que por
tal razón se pueden remover por procesos como el cribado, la sedimentación, entre
otros.
La planta actualmente maneja los procesos de cribado, para sólidos no solubles de
gran dimensión y la sedimentación, para aquellos solidos no solubles de
dimensiones mucho menores. Sin embargo, una de las grandes fallas de esta fase
es la omisión del tratamiento a grasa y aceites ya que estas sustancias deterioran
el adecuado proceso de degradación de la materia orgánica en los reactores SBR.
38
7.2.2 Tratamiento biológico
El tratamiento de agua residual en un reactor SBR se realiza mediante fases o
etapas en las cuales se van desarrollando procesos biológicos en los cuales se
permite la degradación y síntesis de la materia orgánica. La homogenización de
caudales, la aireación y la sedimentación son operaciones que también se logran
con éstos reactores (Raigosa, 2007). El proceso de operación de los reactores SBR
se realiza mediante la siguiente secuencia:
1) Llenado y mezcla: una vez el agua pasa la cámara de quiebre de energía es
conducida por medio de una tubería hacia los reactores. Donde el proceso inicia
con la apertura de la válvula de afluentes, como se muestra en la ilustración 14,
la cual permite que el reactor comience a llenarse con el agua que va
ingresando. Como los reactores trabajan simultáneamente para optimizar el
tiempo y la capacidad, mientras es llenado un reactor el otro está haciendo los
demás procesos, de manera tal que, cuando se termine el proceso de llenado
de un reactor el otro esté listo para empezar a ser llenado.
Ilustración 14. Llenado de los reactores.
Fuente: Propia.
Como este tipo de proceso no descarga ni recircula lodos, sino que los mantiene
por un periodo entre 15 y 20 días, a medida que el agua va ingresando se va
mezclado con estos lodos, este procedimiento es ayudado por una unidad
mezcladora que se encuentra en la superficie del rector, tal como lo muestra la
ilustración 15.
Ilustración 15. Mezclador.
39
Fuente: Propia.
El efecto de esta mezcla tiene como finalidad dispersar la vida microbiana
presente en los lodos promoviendo que se den las condiciones de alimento y
masa dentro del reactor, las cuales se caracterizan por la ausencia de oxígeno,
es decir, que se haya en condiciones anaerobias donde si se realiza una
medición de oxígeno disuelto no deben ser mayor a 0.5 mg/l (Raigosa, 2007).
En la medida que el agua residual continúa entrando, la cantidad de material
orgánico presente en el reactor aumenta al igual que la concentración de
nitrógeno total. Este nitrógeno (Total de Kjeldahl TKN) está compuesto por
nitrógeno orgánico (Norg) y nitrógeno de amoniaco (NH3-N). Donde, debido a el
proceso de hidrólisis la mayoría del nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno
de amoniaco, el cual a su vez debe ser oxidado por el proceso de nitrificación en
presencia de oxígeno en la fase siguiente (Raigosa, 2007).
2) Llenado y reacción: Durante esta fase el agua continúa entrando al reactor y el
mezclador continúa operando, solo que esta fase se enciende el suministro de
oxígeno, es decir, que los sopladores comienzan a entregar oxígeno en el
reactor, convirtiendo del estado anóxico de la fase anterior en un estado aeróbico
(Raigosa, 2007). Dicho oxigeno es inyectado a los tanques mediante unos
aireadores de burbuja, como se muestra en la ilustración 16.
Ilustración 16. Aireadores.
Fuente: Propia.
Debido a que este reactor se diseñó para lograr la nitrificación y denitrificación,
el sistema de aeración es encendido y apagado cíclicamente creando
condiciones anóxicas y aeróbicas alternadamente, para los periodos aireados el
oxígeno disuelto medido debe estar en un rango entre 2 a 4 mg/l y para el periodo
anóxico entre 0.5 y 1 mg/l, esto para que ocurran los procesos de oxidación
biológica, nitrificación, denitrificación y remoción de fósforo (Raigosa, 2007).
En la presencia de oxígeno, el nitrógeno de amoniacal (NH3-N) se convierte
primero a nitrógeno de nitrito (NO2-N) a través de las nitrosomonas, para luego
convertirse en nitrógeno de nitrato (NO3- N) a través de las nitrobacterias.
Luego, en ausencia de oxígeno se realiza el proceso de denitrificación la cual es
realizada por un amplio rango de microorganismos, conocidos como
40
Heterótropos, los cuales en ausencia de oxígeno convierten el nitrógeno de
nitrato a gas nitrógeno (N2) que es liberado a la atmósfera (Raigosa, 2007).
Como efecto de las condiciones anaerobias que presenta el reactor en la fase
anterior, el fósforo se libera de la masa celular hacia el medio líquido. Como
efecto contrario la aireación en esta fase, ocasiona que los microorganismos
“consuman” más cantidad de fósforo del que han liberado, además del que se
encuentra en el agua residual que aún continúa entrando al reactor, este proceso
se denomina “Remoción Biológica de fósforo forzada” (Raigosa, 2007).
La ilustración 17 muestra el inicio de la fase, mientras que en la ilustración 18 se
observa el final de la fase. El efecto de aireación se identifica por la generación
de espuma sobre el líquido.
Ilustración 17. Inicio fase Llenado reacción.
Fuente: Propia.
Ilustración 18. Final fase Llenado reacción.
Fuente: Propia.
3) Reacción: como en la fase anterior, en esta etapa se encuentra funcionando el
mezclador y los aireadores quienes se encargan de transferir oxígeno al agua
para realizar los procesos bilógicos, sin embargo, al estar completamente lleno
el reactor y no recibir carga orgánica se presenta la oportunidad de realizar la
limpieza de los contaminantes presentes en las aguas residuales, produciendo
la disminución del material orgánico y del nitrógeno presente en el líquido. La
principal característica de esta operación y lo que la diferencia de la anterior es
que el reactor se encuentra en condiciones aeróbicas, por lo cual, el oxígeno
disuelto debe estar entre un rango entre 2 y 4 mg/l (Raigosa, 2007).
41
4) Sedimentación: gracias a las fases precedentes la materia orgánica ha sido
degradada, por lo cual, son apagados tanto los sopladores como el mezclador
para garantizar un entorno inmóvil del líquido y de esa manera permitir al lodo
resultante sedimentarse, tal como se muestra en la ilustración 19.
Ilustración 19. Reactor en fase de Sedimentación.
Fuente: Propia.
5) Descarga: la extracción del clarificado se realiza mediante unas unidades
llamadas decantadores flotantes, estos decantadores son instalados de tal
manera que se les permite subir y descender con el nivel del agua, extrayendo
siempre el agua desde la superficie lo cual evita poner en turbulencia el agua y
de tal manera resuspender los lodos previamente sedimentados. Cada unidad
decantadora presenta un vertedero de salida y un sistema de descarga que
incorpora un sello positivo que evita el ingreso de sólidos que pudiesen taponar
la unidad.
Esta fase termina cuando se ha descargado un volumen de agua residual igual
al ingresado en las fases de llenado, donde una vez el reactor ha sido decantado
hasta la profundidad mínima de agua la fase termina automáticamente.
Este nivel de agua mínimo se ha diseñado para mantener una concentración
entre 4500 y 5000 mg/l de Sólidos Suspendidos de Licor mezclado SSLM. Ya que
estos sólidos permanecen dentro del reactor cerca de 20 días en ningún
momento debe sobrepasarse este nivel ya que se ocasionaría la perdida de
lodos del reactor (Raigosa, 2007).
La ilustración 20 muestra ésta estructura.
42
Ilustración 20. Decantador flotante.
Fuente: Propia.
6) Purga de lodos: La extracción de los lodos innecesarios se realiza mediante
bombas de lodos, las cuales se encargan de extraer los lodos y transportarlos al
digestor de lodos. La duración de esta fase depende de la producción de lodos
en el reactor y la cantidad de lodos que se desean extraer.
43
8 EVALUACIÓN DE LA PTAR
8.1 Nivel de complejidad de la PTAR
El municipio de la Calera actualmente cuenta con una población de 11.849
habitantes en la cabecera municipal (Alcaldía de La Calera, 2016), dato que ubica
a la PTAR en un nivel de complejidad media alta según la tabla 14; puesto que, si
bien la población es un poco menor al límite de dicha complejidad, la capacidad
económica del municipio eleva la complejidad del sistema.
Tabla 14. Asignación del nivel de complejidad.
Fuente: RAS 2000 – Título A
Con base en el nivel de complejidad el RAS estipula un mínimo de parámetros a
controlar en la operación de la planta, dichos parámetros se exponen en la tabla 15.
Tabla 15. Parámetros mínimos que deben medirse para cada nivel de complejidad.
Fuente: RAS 2000 – Título E
8.2 Resultados obtenidos
Habiendo realizado un análisis cuidadoso de cada elemento que compone el
tratamiento físico de la planta, se determinaron las siguientes condiciones de cada
una de ellas:
El mecanismo de reparto de los desarenadores, no garantiza el ingreso
equitativo de caudal para ambas estructuras ya que las compuertas se
44
encuentran pegadas a la guía y no se pueden abrir o cerrar. En el manual de la
planta no se ha establecido la periodicidad para la limpieza de esta unidad por
lo cual se presenta acumulación de arenas.
A pesar de la instalación de ambas rejillas se presentan aún sólidos en el reactor
los cuales se representan en plásticos tales como tapas de esferos y envolturas
de alimentos lo cual puede llegar a ocasionar el taponamiento del decantador en
el reactor. Éste comportamiento se debe a la discontinua limpieza que se les
realiza a las rejillas ya que la velocidad del acercamiento es de
aproximadamente 0.4 m/s lo que está dentro de los parámetros dispuestos por el
RAS.
Las estructuras en su totalidad se ven en buen estado, sin presencia de fisuras
o pandeo de ningún tipo, así como ausencia de humedades o vegetación
parasitaria, tal como musgo u hongos.
Los lechos de secado se encuentran en un notable deterioro, con estructuras en
las cuales existen fisuras en los ladrillos dispuestos sobre el material filtrante,
así como falta de mantenimiento en los pozos, como se puede evidenciar por la
presencia abundante de mosquitos en todos aquellos pozos en los cuales los
lodos no han sido removidos y dispuestos correctamente.
Los lodos dispuestos sobre la flora interna del predio de la planta, ha permitido
un afloramiento adecuado de la vida vegetal en el área. Comportamiento que se
puede evidenciar gracias al estado de flores, y árboles en los cuales se disponen
los lodos, viéndose una flora abundante y con buena afloración.
Los procesos biológicos de la planta son controlados mediante laboratorios
realizados por la empresa ANALQUIM LTDA, la cual realiza mediciones mensuales
en los reactores, dando prioridad a medir la DBO, la DQO, el pH, la concentración
de grasas y los sólidos suspendidos totales. Sin embargo, periódicamente se
revisan valores como los caudales, los coliformes fecales y termotolerantes, el color
y el oxígeno disuelto.
Habiendo registrado todos los valores obtenidos en los controles realizados en lo
corrido del presente año, se evaluaron las eficiencias de remoción tanto de DBO,
como de DQO y cuyos resultados se exponen en la tabla 16.
45
Tabla 16. Laboratorios 2016.
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto
Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida Entrada Salida
Caudal l/s 40,196 84,192 37,74 79,92
Coliformes termotolerantes
UFC/100ml 16*107 15*106 15*107 17*106 20*106 80*104
Coliformes fecales NMP/100ml 35*105 11*105 17*107 34*106 14*107 58*105 84*105 79*105
Color UPC 18 18
DBO mg/l O2 465 123 289 154 600 99 297 112 186 31 428 61 320 86 449 123
Ef DBO % 73,55 46,71 83,50 62,29 83,33 85,75 73,13 72,61
DQO mg/l O2 590 239 353 186 645 175 362 136 227 49 529 168 466 177 540 148
Ef DQO % 59,49 47,31 72,87 62,43 78,41 68,24 62,02 72,59
Grasas y aceites mg/l 99 14 107 20 115 17 76 13 74 < 6 101 10 102 15 116 12
Oxígeno disuelto mg/l O2 2,03 2,83 1,2 1,48 0,52 0,63 0,53 0,6
PH 7,06 7,32 6,7 7,03 7,07 7,27 7,13 7,17 6,88 7,17 7,06 7,48 7,27 7,24 7,25 7,46
SST mg/l 172 28 179 15 320 49 107 19 217 22 221 25 201 17 238 31
Tensoactivos aniónicos - SAAM
mg/l SAAM 18,07 14,41 2,34 4,9 5,38 7,43 3,26 6,55 6,08 8,89
Fuente: Propia.
46
8.3 Diagnóstico de la PTAR
Para los procesos con lodos activados existe una eficiencia de operación según el
RAS, parámetros expuestos en la tabla 17, la cual permite evidenciar que la planta
está trabajando por debajo de la eficiencia requerida. Sin embargo, la planta cumple
con los parámetros establecidos en el decreto 1594 de 1984, el cuál rige las
características que deben cumplir los vertimientos sobre un cuerpo de agua y cuyos
parámetros se exponen en la tabla 18.
Tabla 17. Características de operación de los procesos de lodos activados.
Fuente: RAS 2000 – Título E
Tabla 18. Características mínimas de los vertimientos.
Fuente: Decreto 1594 de 1984
Otros aspectos a considerar entre los resultados obtenidos en los laboratorios es la
ausencia de algunos ensayos, tales como los cloruros, la alcalinidad, los sólidos
suspendidos volátiles (SSV) y el fosforo. Sin embargo, al no presentar aportes
industriales o actividad comercial con implementación de químicos la presencia de
las características previamente citadas es mínima, por lo cual, dichos ensayos
carecen de necesidad. Debido a esto, los mencionados aspectos sólo son medidos
por la secretaria de ambiente cuando realiza la inspección semestral a la planta.
8.4 Puntos a mejorar
La planta presenta muy buen rendimiento en sus operaciones, sin embargo, las
variaciones de población en el municipio, la antigüedad de la planta y los cambios
47
climáticos generan deficiencias que deben ser tratadas. Las principales deficiencias
que presenta la PTAR son:
Generación de olores: en ciertos momentos del día, producto de diversos
factores climáticos y la generación de ciertos químicos en el proceso biológico
de la planta, tal como el amoniaco, se emiten fuertes olores provenientes de los
reactores, que incomodan a la población cercana a la planta
Manejo de grasas: si bien la planta presenta una notable remoción de grasas en
su tratamiento, esas mismas grasas dificultan el proceso biológico de los
reactores, por lo cual es necesario tratar grasas y aceites durante el tratamiento
primario para mejorar la operación de aireación en los reactores.
Vertedero de excesos: esta estructura es una medida de emergencia que
permite a la planta no sobrepasar su carga máxima de operación, sin embargo,
la operación actual de la planta está sobrepasando su carga de diseño, por lo
cual el vertedero opera frecuentemente, eso implica que el agua recogida por el
vertedero sea vertida directamente al río sin ningún tipo de tratamiento, con el
impacto ambiental que eso conlleva.
Carga de diseño: como se ha mencionado antes, el incremento poblacional que
el municipio ha presentado en los últimos años no estaba contemplado en los
diseños de la PTAR, por lo cual la capacidad de diseño ya ha sido alcanzada y
por momentos es sobrepasada.
Control sobre su operación: una de las deficiencias más notorias de la planta es
la falta de control sobre algunas características de la planta tal como la
temperatura, el caudal entrante, entre otras.
Lechos de secado: esta estructura es la más incierta de todas, debido a que no
existe un plano de ellas o un control sobre su operación, de igual medida no se
tiene control sobre los lodos residuales y sus características, lo que es una
falencia bastante significativa.
Así mismo se puede evidenciar taponamiento en las ranuras que se dejan entre
los ladrillos que se tienen dispuestos sobre la capa de material filtrante, lo que
vuelve el proceso de filtración del lixiviado más lento.
48
9 PROPUESTAS DE MEJORAMIENTO DE LA PLANTA
ESPUCAL actualmente se encuentra en un proceso de mejoramiento para la planta,
producto de ese proceso se pueden apreciar acciones como el cambio de los
aireadores de burbuja por las torres difusoras de aire, el inicio de estudios para
contrarrestar la generación de olores, la implementación de equipos control y
automatización para los reactores y diversas medidas que se están implementando
en la propuesta del nuevo plan maestro de alcantarillado.
Con base en lo anterior, las opciones propuestas son aquellas que no se han
contemplado o que presentan bajo nivel de complejidad para su implementación.
Son principalmente estructuras de simple diseño y construcción o medidas
emergentes en la operación de la planta.
Las medidas a proponer se enfocan en el tratamiento primario, ya que de su
operación se ve involucrada la efectividad del tratamiento biológico.
Para establecer las estructuras y operaciones se proyectarán tanto la población de
diseño como la carga de diseño con el fin de diseñar cada estructura con la
operación más crítica dentro de las posibilidades.
9.1 Estimación de la población de diseño
Las tablas 19 y 20 exponen los valores de población correspondientes a los últimos
4 censos realizados en el municipio, datos pertinentes al momento de estimar el
comportamiento de la carga recibida por la PTAR a lo largo de su periodo de diseño.
Tabla 19. Población de Bogotá y los municipios aledaños.
Fuente: DANE
49
Tabla 20. Censo La Calera 2005.
Código Departamento
Nombre Departamento
Código Municipio
Nombre de municipio o corregimiento departamental
Población Conciliada
Población Total
30-Jun-2005
Población Cabecera
30-Jun-2005
Población Resto
30-Jun-2005
25 Cundinamarca 25377 La Calera 23.768 9.520 14.248
Fuente: DANE
Existen varios métodos de estimación de población donde cada método presenta
una inherente incertidumbre, con base en lo anterior se hace necesario la
implementación de varios métodos y de una estimación aproximada basándose en
los resultados obtenidos de los métodos utilizados. Para fines del presente proyecto
se utilizaron 3 métodos de estimación de población: el método lineal, el método
geométrico y el método logarítmico.
Método lineal: 𝑃𝑓 = 𝑃𝑢𝑐 + 𝐾𝑎 ( 𝑇𝑓 − 𝑇𝑢𝑐 )
Ecuación 1. Estimación de crecimiento poblacional Método lineal.
Donde: Pf = Población futuro Puc = Población último censo Tf = Año de proyección Tuc = Año último censo Ka = Pendiente recta
𝐾𝑎 = 𝑃𝑢𝑐 − 𝑃𝑐𝑖
𝑇𝑢𝑐 − 𝑇𝑐𝑖
Ecuación 2. Pendiente recta Método lineal.
Donde: Pci = Población del censo inicial Puc = Población último censo Tuc = Año del último censo Tci = Año del censo inicial
En la tabla 16 se muestran las proyecciones obtenidas mediante el método lineal
y los datos iniciales.
Tabla 21. Proyección de población Método lineal.
Año 2016 2020 2025 2030 2035 2041
Población 12000 12902 14030 15157 16285 17637 Fuente: propia
Método geométrico:
𝑃𝑓 = 𝑃𝑢𝑐 ∗ ( 1 + 𝑟)(𝑇𝑓−𝑇𝑢𝑐)
Ecuación 3. Estimación de crecimiento poblacional Método Geométrico.
Donde: Pf = Población futuro Puc = Población último censo Tf = Año de proyección
50
Tuc = Año último censo r = coeficiente
𝑟 = ( 𝑃𝑢𝑐
𝑃𝑐𝑖
1𝑇𝑢𝑐−𝑇𝑐𝑖
) − 1
Ecuación 4. Coeficiente r Método geométrico.
Donde: Pci = Población del censo inicial Tci = Año del censo inicial
En la tabla 17 se muestran las proyecciones obtenidas mediante el método
geométrico y los datos iniciales.
Tabla 22. Proyección de población Método geométrico.
Año 2016 2020 2025 2030 2035 2041
Población 13768 15750 18639 22063 26123 32005 Fuente: propia
Método logarítmico:
𝑃𝑓 = 𝑃𝑐𝑖 ∗ 𝑒𝐾𝑔 (𝑇𝑓−𝑇𝑐𝑖)
Ecuación 5. Estimación de crecimiento poblacional Método logarítmico.
Donde: Pf = Población futuro Pci = Población del censo inicial Tf = Año de proyección Tci = Año del censo inicial Kg = coeficiente
𝐾𝑔 = ln 𝑃𝑐𝑝 − ln 𝑃𝑐𝑎
𝑇𝑐𝑝 − 𝑇𝑐𝑎
Ecuación 6. Coeficiente Kg Método logarítmico.
Donde: Pcp = Población censo posterior Pca = Población censo anterior Tcp = Año censo posterior Tca = Año censo anterior
En la tabla 18 se muestran las proyecciones obtenidas mediante el método
logarítmico y los datos iniciales.
Tabla 23. Proyección de población Método logarítmico.
Año 2016 2020 2025 2030 2035 2041
Población 14418 16770 20255 24465 29550 37066 Fuente: propia
Obtenidos los datos correspondientes a la población proyectada por cada método,
se realizó un promedio entre los resultados para utilizar un único valor. Las
poblaciones promedio de los años proyectados se exponen en la tabla 19.
51
Tabla 24. Proyecciones de población.
Año 2016 2020 2025 2030 2035 2041
Población 13396 15141 17641 20562 23986 28903 Fuente: propia
9.2 Carga de diseño
El procedimiento para obtener la carga de diseño es:
1) Determinación de la dotación máxima neta (DMN), la cual es la cantidad máxima
de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin
considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto (Ministerio de
Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2009). En la tabla 25 se exponen los
valores de dotación máxima según el nivel de complejidad del sistema.
Tabla 25. Dotación máxima neta.
Nivel de complejidad del
sistema
Dotación neta máxima para poblaciones con Clima Frio o
Templado (l/hab*día)
Dotación neta máxima para poblaciones con Clima Cálido
(l/hab*día)
Bajo 90 100
Medio 115 125
Medio alto 125 135
Alto 140 150 Fuente: Decreto 2320 de 2009
2) La carga de agua potable que corresponde al municipio salé de la siguiente
expresión:
𝑄𝐴𝑃 = 𝐷𝑀𝑁 ∗ 𝑇ℎ𝑎𝑏
Ecuación 7. Carga agua potable para comunidades.
Donde: QAP = Caudal agua potable para comunidades. DMN = Dotación máxima neta. Thab = Total de habitantes en la población.
Ya que la planta presenta un nivel de complejidad media-alta y la población
corresponde a un clima frío, la correspondiente DMN es 125 l/hab*día.
Para saber la carga de agua potable actual en la planta se realiza el cálculo con
la población actual, mientras que para saber la carga en el periodo de diseño se
realiza el cálculo con la población proyectada en el último año de servicio. Los
valores obtenidos con dicho procedimiento se muestran en la tabla 26.
Tabla 26. Caudal agua potable presente y proyectado.
AÑO DMN (l/hab*día) POBLACIÓN (hab) QAP (l/día) QAP (l/s) QAP (m³/s)
2016 125 13396 1674500 19.38 0.01938
2041 125 28903 3612875 41.82 0.04182 Fuente: propia
3) La carga de aguas residuales se obtiene de la siguiente expresión:
𝑄𝐴𝑅 = 𝑄𝐴𝑃 ∗ 0.75
Ecuación 8. Carga agua residual para comunidades
52
Donde: QAR = Caudal agua residual para comunidades. QAP = Caudal agua potable para comunidades. 0.75 = índice de retorno del agua potable al sistema de aguas
residuales. La carga de aguas residuales que trata actualmente la PTAR y la del periodo de
diseño se muestran en la tabla 27.
Tabla 27. Caudal aguas residuales domesticas presente y proyectado.
AÑO QAP (l/día) ÍNDICE DE RETORNO QARD (l/día) QARD (l/s) QARD (m³/s)
2016 1674500 0.75 1255875 14,54 0,01454 2041 3612875 0.75 2709656,25 31,36 0,03136
Fuente: propia
4) Dado que la red de alcantarillado del municipio también abarca cargas
institucionales y comerciales de las cuales la planta no dispone de una
estadística que permita establecer los aportes de estas cargas.
Para efectos de diseño se asumirá que los aportes institucionales serán del 90%
y los comerciales serán del 100% de la carga doméstica, valores que serán
sumados al aporte domestico para obtener el caudal de diseño de la planta, el
cual se observa en la tabla 28.
Tabla 28. Caudal aguas residuales presente y proyectado.
AÑO QARD (l/día) QARC (l/día) QARI (l/día) QAR (l/día) QAR (l/s) QAR (m³/s)
2016 1255875 1255875 1130287,50 3642037,50 42,15 0,04215 2041 2709656,25 2709656,25 2438690,63 7858003,13 90,95 0,09095
Fuente: propia
5) Los aportes per cápita sugeridos para aguas residuales domésticas dados por
el RAS se exponen en la tabla 29.
Tabla 29. Aportes per cápita para aguas residuales domésticas.
Fuente: RAS 2000 – Título E
Una vez establecido el aporte de cada parámetro, el valor de la carga total para
una población se calcula con la siguiente expresión.
𝐴𝑥 = 𝑇ℎ𝑎𝑏 ∗ 𝐴
Ecuación 9. Carga total de un parámetro para una población.
Donde: Ax = Carga total de x parámetro para una comunidad. Thab = Total de habitantes en la población. A = Aporte per cápita de x parámetro.
Los principales criterios de diseño son la DBO y los sólidos en suspensión (SS),
por lo cual se utilizarán valores de 55 en cada parámetro para asemejar una
53
operación crítica en la planta. Con base en la anterior afirmación, los valores de
DBO y SS presentes y proyectados se observan la tabla 30.
Tabla 30. Carga total de DBO y SS, presente y proyectado.
PARÁMETRO AÑO POBLACIÓN
(hab) APORTE PER CÁPITA
(g/hab*día) CARGA TOTAL
(g/día)
DBO 2016 13396 55 736780
2041 28903 55 1589665
SS 2016 13396 50 669650
2041 28903 50 1445150 Fuente: propia
6) La concentración que dicha carga presenta sobre el caudal tratado en la planta,
se obtiene de la siguiente expresión:
𝑆0 =𝐴𝑥
𝑄𝐴𝑅
Ecuación 10. Concentración inicial de x parámetro.
Donde: S0 = Concentración inicial de x parámetro. Ax = Carga total de x parámetro para una comunidad. QAR = Caudal agua residual para comunidades.
En la tabla 31 se exponen las concentraciones tanto de DBO como de SS para
el período presente y el proyectado, utilizando la ecuación 10 con los datos
previamente obtenidos.
Tabla 31. Concentración inicial de DBO y SS, presente y proyectado.
PARÁMETRO AÑO QAR (l/día) CARGA TOTAL (g/día)
CONCENTRACIÓN INICIAL (g/l)
CONCENTRACIÓN INICIAL (mg/l)
DBO 2016 1255875 736780 0,5867 586,7
2041 2709656,25 1589665 0,5867 586,7
SS 2016 1255875 669800 0,5333 533,3
2041 2709656,25 1445150 0,5333 533,3 Fuente: propia
Los datos previamente obtenidos se pueden comparar con los parámetros
obtenidos en los laboratorios realizados en la planta, como se muestran en la tabla
16, que al sacar un promedio de los valores de DBO y SS da como resultado:
DBO = 379.25 mg/l
SST = 206.88 mg/l
Al comparar los resultados se puede observar que los datos obtenidos dan mayores
a los resultados actuales, por lo tanto, es válido afirmar que los valores calculados
permiten diseñar las estructuras bajo una condición de operación crítica.
9.3 Manejo de grasas
El manejo de aceites y grasas dentro de una PTAR se puede realizar de distintas
formas, implementando desde equipos mecánicos, hasta procesos hidráulicos o
sustancias químicas.
54
Con la finalidad de no alterar considerablemente los costos operativos de la planta,
se proponen procesos completamente físicos, que no requieran intervenciones
químicas o biológicas. Esto se logra gracias al conocimiento y al manejo de las
densidades de las grasas a tratar y del agua que la contiene.
Para realizar dichos procesos físicos, se contemplan diversas estructuras que
cumplen con la función de remoción de grasas y en algunos casos, funciones
adicionales.
9.3.1 Desarenador-desengrasador
Este tipo de unidades tienen básicamente tres zonas diferenciadas, además de las
de entrada y salida:
1) Zona de desengrasado: en ésta zona un bafle disipa la energía generada por los
difusores aireadores, permitiendo el ascenso, sin turbulencias, de grasas
desemulsionadas, aceites y otros flotantes adheridos a las microburbujas de aire
producidas por los difusores. Un dispositivo desnatador, montado sobre un
puente grúa, se desplaza permanentemente por esta zona retirando los flotantes
que se van acumulando (Lozano-Rivas, 2012).
El fondo inclinado de esta zona (45° de pendiente) permite también que las
arenas afectadas por la turbulencia de la aireación, rueden libres hasta el fondo
de la unidad en donde se encuentra la zona de extracción de arenas (Lozano-
Rivas, 2012).
2) Zona de desarenado: en ésta zona, se ubica también el suministro de aire a
través de unos difusores de poro fino, los cuales se ubican a profundidad, en la
pared opuesta a la zona de desengrasado. Estos difusores provocan un
movimiento de tipo helicoidal al interior de la unidad y el aire insuflado reduce
los olores y ayuda en la limpieza de las arenas extraídas. Así mismo, en el fondo
de esta zona, se encuentra el tubo extractor de arenas, el cual está montado
sobre un puente grúa que se desplaza lentamente por toda la longitud del canal,
succionando el material decantado (Lozano-Rivas, 2012).
3) Zona de extracción de arenas
Los criterios de diseño para esta estructura se aprecian en la tabla 31.
Tabla 32. Criterios de diseño para desarenadores-desengrasadores.
PARÁMETRO RANGO O VALOR
Carga superficial < 40 m³/m²*h (a caudal punta)
Tiempo de retención hidráulica 12 a 16 min (a caudal medio)
Caudal tratado por unidad 0.2 a 0.4 m³/s (a caudal medio)
Velocidad horizontal 0.02 a 0.07 m/s (a caudal punta)
Relación longitud / ancho 3/1 a 10/1
Profundidad 2 a 5 m
Relación profundidad / ancho 1/1 a 3/1
Longitud 7.5 a 25 m
Ancho 3 a 8 m
Suministro de aire 0.5 a 2.0 m³/h*m³ de tanque
55
Profundidad de los difusores 0.5 a 0.9 m respecto del fondo del tanque Fuente: Diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales - UNAD
Como se puede observar en la tabla anterior, el caudal mínimo que trata ésta
estructura es de 200 l/s, para los 90.95 l/s con los que la planta llegará a manejar. Lo
cual convierte ésta alternativa en inviable e innecesaria, con base a lo anterior, se
requiere de una estructura igual de efectiva, pero de operación más simple.
9.3.2 Trampa de grasas
Las trampas de grasas son estructuras que aprovechan la diferencia de densidades
entre el agua y los aceites presentes en el líquido, la simplicidad de su operación y
de su diseño permiten generar una solución eficiente al problema del manejo de
grasas que presenta la planta.
Existen muchos tipos de estructuras y así mismo, criterios de diseño propuestos por
diversas entidades y organizaciones. Para el diseño de la estructura propuesta se
utilizaron los criterios establecidos por el Centro Panamericano de Ingeniería
Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), los cuales se muestran en la tabla 31.
Tabla 33. Criterios de diseño para trampas de grasas.
PARÁMETRO RANGO O VALOR
Tiempo de retención hidráulica 2.5 a 3.0 min
Relación longitud / ancho 2/1 a 3/2
Profundidad > 0.8 m Fuente: Especificaciones técnicas para el diseño de trampas de grasas – CEPIS.
Siguiendo los parámetros establecidos por la CEPIS y los datos extrapolados de la
operación actual de la planta, se obtuvieron las dimensiones expuestas en la tabla
34.
Tabla 34. Dimensiones Trampa de grasas. .
PARÁMETRO VALOR
Grasas y aceites Kg/m³ 0,25028
Qentrante m³/s 0,09095
Qentrante m³/min 5,46
Ø in 10,00
Øin m 0,25
Ventrada m/s 1,90
Qaceites Kg/min 1,37
Tiempo de retención hidráulica min 3
Ɐ m³ 1,82
Carga aceites Kg 4,10
H m 1
As m² 1,82
Relación longitud / ancho 3/2
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L m 1,65
B m 1,10
Fuente: Propia.
Con base en las dimensiones obtenidas, la ilustración 21 muestra la vista en planta
de la estructura, la ilustración 22 muestra el corte 1-1’ y la ilustración 23 muestra el
corte A-A’.
Ilustración 21. Vista en planta Trampa de grasas.
Fuente: Propia.
Ilustración 22. Corte 1-1' Trampa de grasas.
Fuente: Propia.
57
Ilustración 23. Corte A-A' Trampa de grasas.
Fuente: Propia.
9.4 Tratamiento emergente de la planta
El reciclaje de aguas residuales consiste en utilizar el agua, tratada previamente o
no, para nuevos usos (riego, pastos, campos de golf, jardinería, refrigeración de
centrales eléctricas...) en lugar de expulsarla al medio ambiente (WikiWater, 2005).
Para realizar una adecuada disposición del flujo captado por el vertedero de
excesos se recomienda implementar un sistema de riego “emergente” que permita
aprovechar ese caudal, en la alimentación de la flora circundante a la planta.
Según parámetros estipulados por organización de las naciones unidas para la
alimentación y la agricultura (FAO) (Winpenny, y otros, 2013), como lo muestra la
tabla 35, se eligió el sistema de microrriego como alternativa para reciclar el agua
residual captada por el aliviadero.
Tabla 35. Factores que afectan a la elección de los métodos de riego y medidas especiales para la utilización de aguas residuales.
Fuente: Organización de las naciones unidas para la alimentación y la agricultura (FAO)
58
Puesto que el agua captada no presenta químicos en concentraciones peligrosas,
la implementación como riego de las aguas captadas no implica un riesgo en su
utilización.
Con la implementación de ésta estructura y estos procesos, el diagrama de
operaciones sugerida se muestra en la ilustración 24.
Ilustración 24. Diagrama de operaciones PTAR La Calera propuesto.
Fuente: Propia.
59
CONCLUSIONES
La planta actualmente se encuentra trabajando por encima de su caudal de diseño,
lo que genera un mayor uso del vertedero de exceso. Puesto que el vertedero tiene
conexión directa con el efluente, hay un gran caudal de agua sin tratar que está
siendo vertida al cuerpo de agua, generando un peligro ambiental y de sanidad en
la zona.
Al presente la planta se encuentra en la fase de empalme entre la desinstalación de
los aireadores y la instalación de las torres difusoras de aire, hoy en día la planta se
encuentra trabajando con un único aireador, esto antes de instalar las 3 torres
difusoras.
Con la entrada en operación de los nuevos equipos, la planta mejorará los procesos
biológicos realizados en los reactores SBR, sin embargo, actualmente es inviable
realizar un diagnóstico de la eficiencia de los reactores o pronosticar su operación
con la nueva maquinaria.
Las estructuras que componen el tratamiento físico, se encuentran en buen estado
y presentan una alta eficiencia en su operación, ya que hay presencia de solidos de
gran tamaño en la operación de los reactores. No obstante, la discontinua limpieza
de las estructuras permite espontáneamente el paso de solidos al reactor.
Todos los procesos dentro de la planta presentan grandes eficiencias y cumplen
adecuadamente con sus funciones, de manera que, sus deficiencias no se
presentan en las estructuras que tiene sino en las que no tiene, como es el caso de
una trampa de grasas.
La implementación de la trampa de grasas permite remover en promedio el 90% de
las grasas y aceites que ingresan al sistema, permitiendo que la reacción del
oxígeno dentro de los reactores tenga un mejor comportamiento, la operación sea
más efectiva y los organismos se eliminen en mayor medida.
Por el bajo contenido de material toxico dentro de las aguas tratadas en la planta,
el caudal recogido por el aliviadero permite tener una fuente segura de riego para la
flora existente en el predio de la planta, lo que permite no sólo el reciclaje del líquido
sino el afloramiento de la flora del predio.
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RECOMENDACIONES
Con el fin de mejorar los diagnósticos realizados a la planta y tener un control sobre
toda la operación de la planta, permitiendo tener un continuo seguimiento a cada
proceso del tratamiento. Con base en lo anterior, las recomendaciones son:
Instalar un laboratorio de pruebas con equipo suficiente para la determinación
de los parámetros básicos a seguir en la planta, así como contratar personal
calificado para realizar las operaciones de medición y control de los procesos de
la planta, permitiendo así realizar operaciones preventivas y correctivas con
mayor rapidez y eficiencia.
Realizar aforos periódicamente sobre las zonas comerciales e institucionales
para conocer los aportes que cada entidad tiene sobre el sistema.
Establecer un distrito de riego abastecida con el agua recolectada por el
aliviadero, cuya principal zona de impacto sean todos los puntos donde se tienen
flora en crecimiento.
Proponer nuevas zonas de cultivos de flora, para mejorar la estética de la planta
y así mismo contrarrestar la generación de malos olores por parte de la planta.
Reemplazar los ladrillos macizos dispuestos sobre el material filtrante de los
lechos de secado por ladrillo rejilla, que permita un mejor flujo de los lixiviados
aumentando el área específica de filtrado, evacuando el líquido más rápido y
consecuentemente un secado igual de ágil.
Una segunda alternativa es, remover los ladrillos y trabajar directamente sobre
la capa de material granular, como se hace en la práctica común. Para ésta
opción es aconsejable aumentar el espesor de la capa granular entre 3 y 5 cm
con el fin disminuir las perdidas por limpieza en la superficie.
Aumentar el diámetro de las tuberías donde transitan los lixiviados y los lodos,
ya que, al ser un diámetro muy pequeño, el riesgo de taponamiento es mayor.
Realizar pruebas diagnostico tan pronto comiencen a operar los nuevos equipos
y establecer los periodos óptimos de operación de las torres difusoras de aire,
para evitar periodos anoxicos en el sistema y optimizar las reacciones biológicas
en los reactores.
Mantener actualizado el manual de operaciones de la planta, alimentando la
información de los procesos y de los equipos en casos de averías o
eventualidades.
61
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