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Tecnológico de Estudios Superiores del Oriente del Estado de México.
(TESOEM)
INGENIERÍA AMBIENTAL.
DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES.
Realizó: Miriam Vega Loyola.
EDO. MÉXICO. MARZO, 2010.
Gobierno del
SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA
INDICE
Contenido Página
UNIDAD I Aguas Residuales.
Introducción.
1.1 Historia. 1
1.2 Orígenes y cantidades. 7
1.3 Comportamiento de caudales contra tiempo. 10
1.4 Medición de caudales y análisis del comportamiento. 12
1.5 Métodos para medición de caudales. 15
1.6 Características químicas, físicas, fisicoquímicas y biológicas. 27
1.7 Muestreo de Aguas residuales. 46
1.8 Determinación de gastos másicos. 53
1.9 Aguas residuales de origen industrial 57
.
UNIDAD II Procesos para Separación de Contaminantes.
2.1 Procesos físicos. 64
2.2 Procesos químicos. 69
2.3 Procesos fisicoquímicos.
2.4 Diseño conceptual de una planta.
UNIDAD III Procesos Físicos de Separación.
3.1 Cribado (rejillas y cribas). 77
3.2 Almacenamiento de excedentes (“igualación”). 83
3.3 Mezclado. 86
3.4 Floculación. 89
3.5 Sedimentación (desarenación y clarificación) 91
3.6 Flotación. 102
3.7 Filtración en medio granular (filtros de arena). 111
UNIDAD IV Tratamiento de Lodos. 4.1 Orígenes y formas de tratamiento (posibles combinaciones) 117
4.2 Cantidades y características. 118
4.3 Espesamiento. 120
4.4 Digestión aerobia y anaerobia. 123
4.5 Deshidratación. 127
4.5.1. Filtración.
4.5.2. Centrifugación.
4.5.3. Lechos de secado.
4.5.4. Estanques.
4.6 Composteo.
4.7 Acondicionamiento químico y térmico.
Bibliografía 128
ÍNDICE DE TABLAS
No. Tabla Contenido Página
1.1 Composición Típica de las ARD 7
1.2 Conservantes y métodos de conservación para las muestras
de agua.
52
2.1
2.2
Aplicaciones de las operaciones físicas unitarias en el
tratamiento de A.R.
Productos químicos empleados en el tratamiento del AR
66
70
3.1 Características del tipo de rejas. 78
3.2
3.3
3.4
Propósitos del cribado.
Tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento del
agua residual.
Solubilidad del aire a P=1 atm y diferente Temperatura
80
92
106
4.1 Características de los lodos 118
ÍNDICE DE FIGURAS
No. de Figura Contenido Página
1.1 Variación típica horaria del caudal de AR. 10
1.2 Sección transversal para el método área-velocidad 19
1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador. 20
1.4
1.5
1.6
Vertedor rectangular.
Vertedor triangular.
Vertedor Cipolletti
23
24
25
3.1 Rejas inclinadas. 79
3.2
3.3
3.4
4.1
4.2
Diagrama de flujo de una PTAR con igualamiento en
línea.
Diagrama de un sistema de flotación sin recirculación
Diagrama de un sistema de flotación con recirculación
Espesador
Filtro Banda
85
107
109
122
128
ÍNDICE DE CUADROS
No. de Cuadro Contenido Página
1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial. 4
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Cronología del tratamiento de Agua en México.
Clasificación de sólidos.
Tamaño de los sólidos.
Características Físicas.
Características Químicas.
Características Biológicas.
5
28
29
32
39
45
UNIDAD I
AGUAS RESIDUALES.
OBJETIVO.
El estudiante podrá identificar y analizar la problemática de los cuerpos de agua
en el país, por medio de muestreos y sus características físicas, químicas y
biológicas del vital líquido, con el fin de proponer un proceso de tratamiento de
agua residual.
Ing. Miriam Vega Loyola.
1
1.1 Historia.
Aunque la captación y drenaje de aguas pluviales datan de tiempos antiguos, el
almacenamiento de aguas residuales tiene su primer precedente en el siglo XIX.
El tratamiento sistemático de las aguas residuales surgió a finales del siglo pasado
y principios del presente. El desarrollo de la teoría del germen en la segunda mitad
del siglo pasado por Koch y Pasteur marcó el inicio de una nueva era en el
saneamiento. Antes de esta época la relación de entre contaminación y
enfermedades había sido estudiada tan sólo ligeramente, y la bacteriología, en
aquel entonces en sus inicios no había sido aplicada al tratamiento de las aguas
residuales.
El tratamiento y la eliminación de las aguas residuales no recibió demasiada
atención a finales del siglo XIX porque la magnitud de los daños causados por las
descargas no tratadas, no era importante y porque se disponía de grandes
cantidades de terreno para su evacuación. A principios del siglo XX, sin embargo,
los daños y las condiciones sanitarias trajeron consigo una creciente demanda de
que el tratamiento de las aguas residuales tuviera más eficacia. La imposibilidad
de disponer de zonas suficientes para la evacuación en la tierra de agua residual
no tratada, especialmente en las grandes ciudades, llevó a la adopción de
métodos de tratamiento más intensos.
A lo largo de la historia, la calidad del agua potable ha sido un factor determinante
del bienestar humano. Las enfermedades propagadas por agua “potable”
contaminada con materia fecal diezmaron a la población de ciudades enteras.
Incluso actualmente, el agua insalubre contaminada por fuentes naturales o
humanas sigue causando grandes problemas a las personas que se ven obligadas
a usarla, tanto para beber como para la irrigación de hortalizas y otras plantas
comestibles crudas.
Aunque hay todavía epidemias ocasionales de enfermedades bacterianas y virales
causadas por agentes infecciosos transportados en el agua potable, como el
Ing. Miriam Vega Loyola.
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cólera, la poliomielitis y otras, las enfermedades propagadas por ella están, en
general, bien controladas y el agua potable en los países tecnológicamente
desarrollados está ahora notablemente libre de los agentes causantes de
enfermedades que eran contaminantes muy comunes del agua hace solo unas
décadas.
Los seres humanos han almacenado y distribuido el agua durante siglos.
En la época en que el hombre era cazador y recolector utilizaba agua de río para
beber, y los primeros asentamientos humanos se llevaron a cabo de manera
continua cerca de lagos y ríos. Cuando no existían estos recursos las personas
aprovechaban agua subterránea que extraían mediante la construcción de pozos.
El crecimiento de las capitales antiguas, centros religiosos y comerciales se dan
alrededor de cuerpos de agua, la construcción de acueductos y drenajes se dio en
la antigua Roma.
Alrededor del año 300 A.C. la ciudad de Pakistán utilizaba instalaciones y
necesitaba un suministro de agua muy grande, esta ciudad contaba con servicios
de baño público, instalaciones de agua caliente y baños.
En la antigua Grecia el agua de escorrentía, agua de pozos y agua de lluvia eran
utilizadas en épocas muy tempranas. Debido al crecimiento de la población se
vieron obligados al almacenamiento y distribución (mediante la construcción de
una red). Los griegos fueron de los primeros en tener interés en la calidad del
agua. Ellos utilizaban embalses de aireación.
Los romanos fueron los mayores arquitectos en construcciones de redes de
distribución de agua que han existido a lo largo de la historia. Utilizaban recursos
de agua subterránea, ríos y agua de escorrentía para su aprovechamiento,
construían presas para el almacenamiento retención artificial del agua. Ellos
consideraban que el agua de mejor calidad era aquella proveniente de las
montañas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Desde el año 500 al 1500 D.C. hubo poco desarrollo en relación con los sistemas
de tratamiento del agua. Durante la edad media se manifestaron gran cantidad de
problemas de higiene, a causa de que a los sistemas de distribución del plomo, se
vertían residuos y excrementos.
El primer sistema de suministro de agua potable fue construido en Escocia,
alrededor del año 1804 por John Gibbs.
En 1806 en Paris empieza a funcionar la mayor planta de tratamiento de agua. El
agua sedimentaba durante 12 horas antes de su filtración. Los filtros consistían de
arena, carbón.
En 1827 el Ingles James Simplón construye un filtro de arena para la purificación
del agua potable. Hoy en día se considera el primer sistema efectivo utilizado con
fines de salud pública.
En 1830 el nuevo continente da inicio a los primeros tratamientos.
En 1849-1853, Londres, las aguas residuales convirtieron al Támesis en una masa
de desechos y 20000 humanos murieron por cólera.
1903, Filadelfia se proponen otros métodos de desinfección alterna como ozono
(O3) y rayos ultravioleta (uv).
1908 se utiliza el cloro por primera vez como desinfectante en E.U.
1972 un estudio revela 36 sustancias químicas en diferentes cuerpos de agua y se
da inicio a la legislación.
2010 drenaje profundo de aguas residuales que pretende controlar la
contaminación.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Algunos de los antecedentes en materia del tratamiento de agua a nivel mundial y
nacional, se presentan en los siguientes cuadros No.1.1 y No.1.2 respectivamente.
Cuadro No.1.1 Cronología del tratamiento de agua a nivel mundial.
3000 A.C. Aparecen los primeros suministros de agua. Pakistán
1300 A.C. Se emplean los primeros tratamientos de purificación de agua. Egipto
500 A.C. Se emplean los primeros métodos de separación de residuos. Grecia-Asia
250 A.C. Se crean las primeras redes de suministro de agua. Grecia
1804 D.C. Se transporta agua filtrada a ciudades de Escocia
1800 D.C. Problemas de higiene en el agua. Europa
1500 D.C. Se construyen las primeras tuberías de plomo. Europa
1806 Se construye la primera planta de tratamiento de agua en Paris
1827 Se construye un filtro de agua potable para la purificación.
1992 La asamblea general declaro que el día Mundial del agua se celebrara el 22 de marzo de cada año.
500 al 1500 D.C. Se implementan las primeras letrinas en Europa Central
2009 UNICEF apoya programas de agua, saneamiento e higiene en más de 90 países del mundo
2003 La asamblea general proclamó el periodo 2005 a 2015 decenio internacional para la acción “el agua fuente de vida”
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Cuadro No.1.2 Cronología del tratamiento de Agua en México.
2000 Población fronteriza no cuenta con plantas de tratamiento de agua.
1997 Se crea un programa sobre la construcción de las más grandes plantas de T.A.R.
2001 México no recibirá una gota de agua y tendrá que darse la suspensión del líquido en colonias.
2002 Se reforma un sistema de potabilización de tratamiento de agua que ayudara a la población
2003 Cámara de diputados otorga financiamiento para problemas de contaminación del agua en México.
1996 La Sociedad Mexicana de aguas (SMA) y la Water Enviroment Federation se reúnen para la operación de sistemas de agua potable y T.A.R.
1928 Se reúne el secretario de obras y servicios del D.F con representantes de la Comisión Nacional del Agua.
1987 La USDA(1) aprobó el tratamiento de agua caliente en todos los estados exportadores de México excepto Chiapas.
1989 Primeros acuerdos entre estados que conforman la cuenca Lerma-Chápala sobre la importancia del agua.
2007 CNA afirmó que México ha llegado al límite de lo permisible en el tratamiento de aguas residuales.
2006 El Banco mundial se refirió a la situación del agua en México y su contaminación
2005 Se emite una norma para el tratamiento de aguas residuales en la zona metropolitana de la ciudad de México NODF/003-AGUA-2002
2009 En la ciudad de México se generan casi 24m3 /s de agua residuales
2008 Los Mexicanos no cuidamos el agua porque nos cuesta poco CONAGUA
2009 CNA afirmó que México requiere cambios en la política hídrica del país, se plantea construir más de 100 plantas de tratamiento
2009 Marcelo Ebrard subrayo que se debe garantizar el abastecimiento del líquido a la Ciudad
(1) Departamento de Agricultura de Estados unidos
Ing. Miriam Vega Loyola.
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El tratamiento de aguas residuales es esencial para garantizar el ciclo de agua y
contribuir a la limpieza de los ríos, humedales, acuíferos y demás cuerpos de agua
que se ven expuestos a los efectos de la contaminación por descargas de aguas
residuales sin tratar. La CONAGUA recordó que en 2012, se espera haber logrado
que el 60 por ciento de las aguas residuales de México reciban tratamiento dentro
del problema del recurso hídrico.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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1.2 Origen y Cantidades.
La determinación de la cantidad de aguas residuales a eliminar de una comunidad
es fundamental para el proyecto de instalaciones de almacenamiento, bombeo,
tratamiento y evacuación. Además dada la reciente tendencia de la agrupación de
municipios para el tratamiento y evacuación, es importante poder disponer de
datos precisos sobre las cantidades actuales y las previstas en un futuro.
La cantidad y concentración de las aguas residuales es función de su origen y de
sus componentes, por lo que las cargas equivalentes o contribuciones per-cápita
por día varían de una ciudad a otra y de un país a otro. Para ciudades grandes se
pueden usar la tabla No.1.1, como valores de referencia; para comunidades
pequeñas o áreas rurales las aguas residuales son predominantemente
domésticas.
Parámetro Magnitud mg/l
Sólidos totales 720
Sólidos disueltos 500
Sólidos disueltos volátiles 200
Sólidos suspendidos 220
Sólidos suspendidos volátiles 165
Sólidos sedimentables 10
DBO 220
COT 160
DQO 500
Nitrógeno total 40
Nitrógeno orgánico 15
Nitrógeno amoniacal 25
Fósforo orgánico 3
Fósforo inorgánico 5
Cloruros 50
Alcalinidad 100
Grasas 100
Tabla No.1.1 Composición Típica de las ARD Fuente. Metcalf, 1994
Los componentes de un caudal pueden incluir:
Ing. Miriam Vega Loyola.
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a) Agua residual doméstica (procedente de residencias, instalaciones
comerciales o públicos).
b) Agua residual industrial (predominan residuos industriales).
c) Infiltración y conexiones incontroladas (es el agua que entra de forma no
controlada en la red del alcantarillado procedente del subsuelo). O bien
agua pluvial que es descargada a la red (alcantarillado).
d) Agua pluvial resultante de la escorrentía superficial.
Toda agua residual (A.R.) afecta en alguna manera la calidad del agua de la
fuente o cuerpo de agua receptor. Sin embargo, se dice que un agua residual
causa contaminación solamente cuando introduce condiciones o características
que hacen el agua de la fuente o cuerpo receptor inaceptable para el uso
propuesto de la misma, por ejemplo, no se puede decir que las aguas de la
alcantarilla domiciliaria contaminan las aguas del alcantarillado sanitario municipal.
La mayoría de las A.R. son de origen doméstico urbano por lo tanto los métodos
de tratamiento tradicionales incluían grandes depósitos de hormigón donde se
llevó a cabo la sedimentación, filtración y cloración, en la actualidad el tratamiento
de A.R. lleva varios procesos de tratamientos, equipos y operaciones unitarias en
el futuro hay que considerar nuevas tecnologías, nuevos procesos y por lo tanto
nuevas líneas de tratamiento así como la modificación de los antiguos.
En algunos casos para el abastecimiento, se puede clasificar de acuerdo a su
origen en:
a) Aguas superficiales
b) Aguas subterráneas
c) Aguas meteorológicas o meteóricas
Aguas superficiales: son aquellas provenientes de las corrientes naturales como
ríos, arroyos, lagos, embalses que están contaminados en su mayoría, por lo tanto
existe una variación en la localidad. Al escurrir por la superficie las corrientes
naturales se contaminan convirtiéndolas en muchos casos en aguas nocivas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Aguas subterráneas: son las que penetran por las porosidades del suelo mediante
infiltración, provocan poca turbidez y se divide en agua freática y artesiana.
Agua freática: están suspendidas entre la superficie de la tierra y la primera capa
impenetrable se mueve libremente, se encuentra a presión atmosférica.
Agua artesiana: es la que está contenida entre dos estratos impermeables no se
mueve libremente, está confinada y tiene una presión diferente a la atmosférica.
En la eliminación de aguas residuales y pluviales se utilizan tres tipos de redes de
alcantarillado: sanitarias, pluviales y unitarias. Cuando utilizan sistemas
independientes para recolectar las aguas residuales (redes sanitarias) y aguas
pluviales (redes pluviales), los caudales de agua residual en las alcantarillas
sanitarias se componen de tres grandes elementos: 1) agua residual doméstica; 2)
agua residual industrial, y 3) infiltración y conexiones incontroladas.
Donde existe un sistema de alcantarillado único, los caudales de agua residual
incluyen los cuatro componentes mencionados anteriormente, en este caso el
porcentaje de los componentes del agua residual varía según las condiciones
locales y la época del año.
En áreas que tienen alcantarillado, los caudales del agua residual se pueden
determinar normalmente a partir de datos procedentes de aforos existentes por
medición directa. En zonas de nueva construcción, los caudales correspondientes
se obtienen del análisis de los datos de población y sus correspondientes
dotaciones de agua previstas, o bien a partir de estimaciones de los caudales de
agua residual per cápita en poblaciones similares.
1.3 Comportamiento de los Caudales contra tiempo.
Ing. Miriam Vega Loyola.
10
Dadas las características y variaciones en la descarga de aguas residuales, al
sistema de alcantarillado, el tipo o sistema de alcantarillado usado, la diferencia en
las costumbres de la comunidad aportante, el régimen de operación de las
industrias tratadoras, el clima, etc., los caudales de aguas residuales oscilan
ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y fluctúan de una hora a
otra, todos los factores anteriores entre otros deben de tenerse en cuenta en la
predicción de las variaciones del caudal y, por consiguiente, de la concentración
de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento. Una curva típica de
descarga de aguas residuales, para un alcantarillado separado, puede observarse
en la figura 1.1.
Fig. No.1.1 Variación típica horaria del caudal de AR.
Los caudales mínimos ocurren en las primeras horas de la mañana, entre las 2:00
y las 5:30; durante dichas horas el consumo es mínimo y el flujo es básicamente
por infiltración y pequeñas cantidades de AR. El caudal máximo ocurre entre las
7:00 y las 10:00, cuando se presenta el consumo máximo, existe, además, un
segundo caudal máximo entre las 15:00 y las 16:00 horas. Entre las 7:00 y las
19:00 el caudal de AR, es mayor que el caudal promedio, y durante la noche es
menor que el promedio.
Cuando la infiltración es alta o existen conexiones de aguas pluviales, el régimen
de lluvias puede influir notablemente sobre el caudal y, por consiguiente, sobre las
Ing. Miriam Vega Loyola.
11
características de agua residual. El conocimiento de las cargas hidráulicas de
DBO y otros contaminantes, es esencial para evaluar los factores de diseño y
operación de una planta de tratamiento. Generalmente las variaciones de DBO
siguen las del caudal, pero deben determinarse en cada caso particular. En
alcantarillados combinados se presenta una mayor concentración de material
inorgánico que en alcantarillados sanitarios o separados, debido a la introducción
de aguas pluviales; así mismo las variaciones del caudal y de concentración del
AR son más extremas.
El régimen de caudales de una corriente de agua durante un período determinado,
es el único término del balance hidrológico de una cuenca que puede ser medido
directamente con una buena precisión. Los otros elementos de ese balance, como
las precipitaciones, la evaporación, etc., no pueden ser sino estimados a partir de
mediciones observadas en distintos puntos de la cuenca o deducidos de fórmulas
hidrológicas, los cuales son siempre estimativos muy aproximados. El régimen de
caudales es un dato básico, indispensable, para todos los diseños hidráulicos y
para muchas obras civiles en los que ellos son parte importante como las
carreteras, puentes, acueductos, presas, etc. Así la instalación de muchas
"estaciones de aforo" que permitan observar, en una serie de años tan larga, como
sea posible, los caudales escurridos en puntos característicos del río principal y, si
fuera oportuno, de sus diversos afluentes, es el preámbulo de todo estudio
hidráulico de una cuenca. Sin embargo en países como el nuestro las estaciones
de aforo de caudales son inexistentes en muchos sitios, lo que ha obligado a
recurrir a métodos aproximados para la estimación de los caudales de diseño,
como son los métodos de regionalización. Sin embargo jamás debe olvidarse que
ningún método por bueno que sea reemplaza la medida directa.
Todos los ríos de cierto tamaño en una región se deben medir cerca de sus bocas
lo mismo que un cierto número de afluentes. Las corrientes que se piensen
aprovechar en un futuro deben ser instrumentadas.
1.4 Medición de Caudales y Análisis de Comportamiento.
Ing. Miriam Vega Loyola.
12
Para el diseño de estructuras hidráulicas y en general obras relacionadas con el
agua se trabaja con una serie de términos relacionados con el caudal que es
necesario conocer. Los principales son:
Caudal medio diario. Es la tasa promedio de descarga en m3/s para un período
de 24 horas. Se puede medir mediante un limnígrafo (dispositivo que permite el
registro continuo de los niveles en el tiempo).
Caudal medio mensual Qm. Se calcula hallando para cada mes la media
aritmética de los caudales promedios diarios.
Caudal promedio mensual interanual. Es la media de los caudales medios
mensuales para un mes dado durante un período de n años.
Caudal medio anual. Es la media de los caudales promedios diarios durante un
año.
Caudal máximo instantáneo anual. Es el máximo caudal que se presenta en un
año determinado. Para su determinación es necesario que la estación de aforo
tenga limnígrafo. Si no es así se habla de caudal máximo promedio anual el cual
es menor que el máximo instantáneo anual.
Caudal mínimo anual. Es el menor caudal que se presenta durante un año
determinado.
El análisis de los caudales medios diarios generalmente presentan valores
variables, mostrando, por un lado, tendencias de acuerdo con las estaciones o
épocas de lluvia o de sequía, como por ejemplo valores mayores de caudales en
las épocas de lluviosas que en las de estiaje. Por otro lado, muestran una
aleatoriedad en la ocurrencia de estas variaciones, que dependen de un gran
número de variables, posiblemente la lluvia y los factores geológicos son los más
importantes.
Se puede definir que el periodo considerado los caudales: máximo, medio y
mínimo, de cuyos valores depende gran parte del planteamiento relativo a la
utilización de los recursos hídricos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
13
También es importante dentro de los recursos hídricos de una hoya hidrográfica
destacar el hecho de que el caudal mínimo puede ser alcanzado apenas durante
un cierto tiempo; en el caso de que el período de estiaje sea más extenso, los
caudales estarán próximos al mínimo. Lo mismo se puede decir del caudal
máximo.
De acuerdo al problema que se desee resolver, se debe conocer las variaciones
de los caudales medios diarios y hasta horarios para un cuerpo de agua grande, si
se requiere estudiar estiajes, por ejemplo, el conocimiento de los caudales medios
mensuales puede ser suficiente.
Los factores más importantes que contribuyen a la variación del caudal en una
corriente de agua son los siguientes:
Factores geológicos. Un cuerpo de agua bastante permeable, al recibir una cierta
lluvia, da origen a una escorrentía con un pico achatado y bastante retrasado en
relación con el inicio de en esa lluvia. Esto se debe a que hay una infiltración
inicial, con la consiguiente acumulación de aguas subterráneas que contribuirán
posteriormente al hidrograma. Un cuerpo de agua relativamente impermeable, al
recibir una cierta lluvia, da origen a una escorrentía superficial con pico agudo y no
muy retrasada con respecto al inicio de esa lluvia.
Factores pluviométricos. Lluvias muy intensas provocan crecientes en pequeños
cuerpos de agua. Las lluvias de menor intensidad pero con duración y cubrimiento
grande provocan crecientes en grandes cuerpos de agua.
Es claro que lo que más interesa en relación con la escorrentía superficial es el
volumen de lluvia total precipitada. El área del cuerpo de agua ésta asociada con
la altura de lluvia precipitada para producir una escorrentía superficial
determinada.
Humedad del suelo. Depende a su vez de precipitaciones antecedentes.
Ing. Miriam Vega Loyola.
14
Temperatura. Influye en la escorrentía de aguas subterráneas, la evaporación y la
escorrentía superficial. Esta última principalmente al comienzo de su proceso
cuando el agua escurre en finas capas sobre grandes áreas hasta llegar al curso
de agua.
Topografía. Influye en la infiltración y la escorrentía superficial. Un cuerpo de agua
con bastante inclinación da origen a mayor escorrentía superficial y menor
infiltración. En una cuenca plana el proceso rige de modo inverso.
Tipo de vegetación. Influye en la infiltración y la detención superficial.
Forma de la cuenca. Una cuenca relativamente circular es más propensa a
crecientes que cuenca alargada, dado que el tiempo de recorrido del agua desde
los sitios más lejanos hasta el sitio de interés en esta última es similar, y se puede
producir una mayor concentración de escorrentía superficial.
Finalmente, cuando una lluvia se dirige en el sentido de aguas arriba hacia aguas
debajo de una cuenca alargada, da origen a mayores picos de creciente del que
daría si se dirigiese en el sentido inverso. Si se cuenta con datos históricos del
caudal, por ejemplo, de 30 años, la elección del periodo más crítico de sequía,
esto es de caudales mínimos, durante el mayor intervalo del tiempo tendrá un
valor estadístico de 30 años de periodo de retorno. Cuando se cuenta apenas con
5 años de datos, el periodo más crítico de sequía puede no ser el adecuado para
el dimensionamiento de la planta de tratamiento. En este caso se puede estudiar
por análisis de frecuencias, esto es extrapolando la curva de probabilidades de los
periodos de sequía. Cuando se cuenta con un pequeño número de datos se puede
recurrir a la generación estadística de datos del caudal.
Ing. Miriam Vega Loyola.
15
1.5 Métodos para Medición de Caudales.
Un caudal se define como la cantidad de agua que corre en determinado lugar por
unidad de tiempo. En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa
por el río en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo
volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos
frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área
dada en la unidad de tiempo.
El régimen de caudales es un dato básico, indispensable, para todos los diseños
hidráulicos y para muchas obras civiles en los que ellos son parte importante como
las carreteras, puentes, acueductos, presas, etc.
La medición de caudales es importante para los siguientes proyectos:
a) Instalación de recolección
b) Bombeo
c) Tratamiento
d) Evacuación
Existen una diversidad de métodos y estructuras para medir caudales, algunos de
los cuales se describen brevemente a continuación:
Tobera de Flujo
Hace uso del principio de Venturi, pero utilizan una tobera que se inserta en una
tubería en lugar del tubo venturi para producir la presión diferencial.
Orificio
Es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el líquido y
determina el chorro en una salida que no toca de nuevo la pared del orificio. Se
basa en el teorema de Torricelli.
Ing. Miriam Vega Loyola.
16
Medidores Magnéticos
Se induce una fuerza electromotriz o voltaje que es proporcional a la velocidad del
conductor. Se basa en la ley de Faraday y es similar a medidores
electromagnéticos.
Placa de Orificio
Se inserta en una conducción cerrada una placa que tiene una abertura cilíndrica
en el centro. El caudal se determina a partir de las lecturas de presiones
diferenciales.
Tubo Venturi
Se utiliza para medir caudales en conducciones cerradas, consta de 3 partes:
a. Cono de entrada en el cual, el diámetro de la tubería se reduce
gradualmente.
b. La garganta o sección contraída.
c. Cono de salida, en el cual el diámetro aumenta gradualmente hasta el de la
tubería en la que se inserta el medidor.
Molinetes
Se utilizan para la determinación precisa de la velocidad de flujo en grandes
alcantarillas o canales, siempre y cuando no haya demasiada materia flotante que
puedan obturar el medidor.
Medidas con Flotadores.
Son raramente utilizados, excepto en canales rectangulares o para la
determinación aproximada de la velocidad del flujo entre dos pozos de registro,
existen tres tipos:
1. Superficial: Mide la velocidad en la superficie.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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2. Sumergido: Son más pesados que el agua, conectados con alambres finos
a flotadores superficiales.
3. Varilla: Miden con mucha precisión de flujo, utilizados principalmente en
canales.
Existen métodos eléctricos que son utilizados para medir el caudal de agua que
fluye en una corriente, suponen el uso de un equipo que incluye pilas de
conductividad, anemómetros de hilo caliente y anemómetros de película caliente.
Aunque no son muy utilizados por la materia orgánica que trae el agua residual.
Tubo de Pitot
Útil en aforos de tubería de agua, no se aplica en aforos de alcantarilla debido a la
materia en suspensión del agua residual, ya que existe la tendencia a obturarlo.
Trazadores Químicos y Radiactivos
Cuando se usa la sal como trazador, el tiempo de recorrido entre los puntos de
control es medido con electrodos conectados a un amperímetro o registrador. El
tiempo recorrido se registra mediante contadores de radiactividad conectados en
el exterior del tubo.
Trazadores con colorantes
Sirven para medir la velocidad en tuberías pequeñas, es uno de los métodos más
utilizados y de mayor éxito, entre los colorantes utilizados están: eosina,
fluoresceína, rojo de congo, permanganato de potasio, sadamina B y pontacil
brillante B.
A continuación se describirá con más detalle algunos de estos métodos.
Los métodos para medir caudales pueden clasificarse en dos grandes categorías:
métodos directos y métodos indirectos. En estas dos categorías los más utilizados
son:
Ing. Miriam Vega Loyola.
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a. Métodos directos:
a.1 Método área velocidad
a.2 Dilución con trazadores
b. Métodos indirectos: b.1 Estructuras hidráulicas.
b.2 Método área pendiente.
Con muy pocas excepciones las medidas de caudal continuas en el tiempo son
muy costosas, por lo que se relaciona el caudal con el nivel del agua, el cual se
puede medir mucho más fácilmente que el caudal. Las curvas que relacionan
estos niveles con el caudal son las llamadas curvas de calibración.
a. Métodos directos a.1Método área velocidad. Este método consiste básicamente en medir en un área transversal de la corriente,
previamente determinada, las velocidades de flujo con las cuales se puede
obtener luego el caudal. El lugar elegido para hacer el aforo o medición debe
cumplir los siguientes requisitos:
La sección transversal debe estar bien definida y que en lo posible no se
presente degradación del lecho.
Debe tener fácil acceso.
Debe estar en un sitio recto, para evitar las sobreelevaciones y cambios en
la profundidad producidos por curvas.
El sitio debe estar libre de efectos de controles aguas abajo, que puedan
producir remansos que afecten luego los valores obtenidos.
Una de los procedimientos más comunes empleados en este método es el
descrito a continuación. En el sitio que se decidió hacer el aforo, se hace un
levantamiento topográfico completo de la sección transversal, el cual dependiendo
Ing. Miriam Vega Loyola.
19
de su ancho y profundidad, puede hacerse con una cinta métrica o con un equipo
de topografía. La sección escogida se divide en tramos iguales, como se puede
observar en la figura No.1.2.
Fig. No.1.2 Sección transversal para el método área-velocidad
En cada vertical, de las varias en que se divide la sección, se miden velocidades
con el cronómetro a 0.2, 0.6 y 0.8 de la profundidad total. Cada vertical tiene su
respectiva área de influencia (sombreada en la gráfica). Las verticales deben tener
las siguientes características:
El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de la
sección.
El caudal que pasa por cada área de influencia Ai no debe ser mayor que el
10% del caudal total.
La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%.
Cuando las profundidades de la sección son pequeñas, menores de 0.6 m, solo se
mide la velocidad a 0.6 de la profundidad, velocidad que se considera
representativa de la velocidad media de la vertical.
a.2 Dilución con trazadores Esta técnica se usa en aquellas corrientes que presentan dificultades para la
aplicación del método área velocidad o medidas con estructuras hidráulicas, como
en corrientes muy anchas o en ríos torrenciales. Se puede implementar de dos
maneras:
Ing. Miriam Vega Loyola.
20
1. Inyectar rápidamente un volumen de trazador. Este método es llamado
también método de integración. Supóngase que en una sección 1 de un río
se adiciona un pequeño volumen de trazador (V1) con una concentración
alta C1. Si existe en el río una concentración (Co), en el río, el perfil de
concentraciones se comporta con el tiempo, como lo muestra la figura 1.3.
Fig. No.1.3 Inyección de un volumen conocido de trazador.
2. Inyección a caudal constante. Se inyecta un trazador en una sección
dada a un caudal constante, con una concentración de trazador Co.
Es importante anotar que para aplicar este método se supone que el flujo es
permanente. Los trazadores deben tener las siguientes propiedades:
No deben ser absorbidos por los sedimentos o vegetación, ni deben
reaccionar químicamente.
No deben ser tóxicos.
Se deben detectar fácilmente en pequeñas concentraciones.
No deben ser costosos
Ing. Miriam Vega Loyola.
21
Los trazadores son de 3 tipos:
1. Químicos: de esta clase son la sal común y el dicromato de sodio
2. Fluorescentes: como la rodamina
3. Materiales radioactivos: los más usados son el yodo 132, bromo 82,
sodio.
La sal común puede detectarse con un error del 1% para concentraciones de 10
ppm. El dicromato de sodio puede detectarse a concentraciones de 0.2 ppm y los
trazadores fluorescentes con concentraciones de 1/1011. Los trazadores
radioactivos se detectan en concentraciones muy bajas (1/1014), sin embargo su
utilización requiere personal muy especializado.
b. Métodos indirectos Los métodos indirectos más utilizados son las estructuras hidráulicas y el método
área -velocidad.
b.1Estructuras hidráulicas:
El principio de funcionamiento de todas las estructuras hidráulicas es establecer
una sección de control, donde a partir de la profundidad se pueda estimar el
caudal. Las estructuras hidráulicas más comunes para este tipo de medidas son
usar vertederos, canaletas y compuertas.
b.2 Método área-pendiente.
A veces se presentan crecientes en sitios donde no existe ningún tipo de
instrumentación y cuya estimación se requiere para el diseño de estructuras
hidráulicas tales como puentes o canales. Las crecientes dejan huellas que
permiten hacer una estimación aproximada del caudal, determinando las
propiedades geométricas de 2 secciones diferentes, separadas una distancia L y
el coeficiente de rugosidad en el tramo.
Ing. Miriam Vega Loyola.
22
Métodos generales para medir caudales a) Instalación de vertederos o canales Parshall (canales abiertos o
alcantarillado principalmente llenos).
b) Métodos de llenado de recipientes para caudales pequeños o descargas
intermitentes (medición del tiempo en que el caudal permanece).
c) Estimación de los caudales de bombeo (se estima a partir de las
características de la bomba).
d) Cronometrando el desplazamiento de un objeto flotante entre dos puntos
fijos a lo largo de su recorrido, se utiliza para alcantarillados parcialmente
llenos, se tiene que medir la profundidad y estimar una velocidad media.
e) Examen de los registros de uso de agua de la planta (tomando en cuenta
las pérdidas del agua debidas a la evaporación).
Vertederos
Se emplean para medir el gasto del agua que fluye libremente (flujos relativamente
pequeños), como se muestran en la figuras 1.4, 1.5 y 1.6.
Características:
a) Es un dispositivo hidráulico que consiste de una escotadura, a través de la
cual se hace circular agua, pueden ser rectangulares, trapeciales,
triangular o circular
b) son de pared delgada.
Se requiere conocer algunos parámetros para determinar el gasto:
a) cresta: es la altura del chorro de agua desde el nivel de la cresta hasta la
superficie medida a una distancia (d) antes de la crestas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
23
b) Carga sobre la cresta; es el espesor del chorro de agua medida desde la
crestas en el plano del vertedero y tiene un valor aproximado del 31% de la
carga.
Vertedor Rectangular
Fig. No. 1.4 Vertedor rectangular.
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Con contracción.
Q= 3.33 (L- n 0.1H)H3/2 Sistema Ingles
Q= 1.84 (L- n 0.1H)H3/2 Sistema Métrico
Sin contracción.
Q= 1.84 LH3/2 Sistema Métrico.
Q= 3.33 LH3/2 Sistema Ingles
Ing. Miriam Vega Loyola.
24
Donde:
Q= Caudal (m3/s)
n= Número de contracciones (en un lado o en los dos)
L= Longitud de la cresta del vertedero (vertedor) (m)
H= Carga del vertedor (m)
Nota: Cuando el agua no tiene concentraciones laterales (n=0)
Triangular Es el más utilizado principalmente es el del ángulo 90º en su vértice inferior, sin
embargo presenta una gran pérdida de carga por lo tanto se recomienda para
caudales pequeños (menores a 110 l/s) y se muestra en la figura 1.5.
Fig. No.1.5 Vertedor triangular.
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Q= 2.54 H5/2 Sistema Inglés
Q= 1.40 H5/2 Sistema Métrico
Q= 1.4 tg α H5/2 Sistema Métrico
Ángulo diferente a 90°
Ing. Miriam Vega Loyola.
25
Trapezoidal (vertedor Cipolletti)
Es un vertedor que requiere que el talud de sus lados estén en la proporción de
1:4, como se muestra en la figura 1.6
Fig. No.1.6 Vertedor Cipolletti
Las siguientes ecuaciones se aplican para calcular el gasto.
Q= 3.36 LH3/2 Sistema Ingles
Q= 1.859 LH3/2 Sistema Métrico
Dónde:
L= Largo cresta (m)
H= Carga (cm)
Ejemplo.
En un curso de agua está colocado un vertedor rectangular con dos contracciones,
con una longitud de cresta 1.2 m y una carga de 0.4 m. Calcular el gasto en el
sistema métrico e inglés.
Datos:
n= 2
L= 1.2 m
H= 0.4 m
Ing. Miriam Vega Loyola.
26
Sustituyendo para sistema ingles.
Q= 3.33 ((L- n 0.1H)H3/2
Q= 3.33 (3.9369 ft-(2*0.1*1.3124ft))(3.3124ft) 3/2
Q= 18.3963 ft3/s
1.2 m 3.2808 ft = 3.9372 ft 1 m
Sustituyendo para sistema métrico
Q= 1.84 (L-n0.1H)H3/2
Q= 1.84 (1.2- (2/0.1*0.4)*0.4)) 3/2
Q= 0.5213 m3/s
Ing. Miriam Vega Loyola.
27
1.6 Características Químicas, Físicas, Fisicoquímicas y Biológicas.
El conocimiento de la naturaleza del agua residual es esencial para el proyecto de
las instalaciones de almacenamiento, tratamiento y evacuación, y para la gestión
de calidad del ambiente. Las propiedades físicas y los constituyentes químicos y
biológicos de las aguas residuales se encuentran, junto con sus procedencias en
los cuadros No.1.5, No.1.6 y No.1.7 respectivamente.
La característica física más importante del agua residual es su contenido de
sólidos totales, el cual está compuesto por materia flotante y materia en
suspensión, en dispersión coloidal y en disolución, otras características físicas son
la temperatura, color y olor. La procedencia de estos pueden ser; aguas residuales
domésticas e industriales, desintegración natural de contaminantes orgánicos,
agua residual en descomposición, vertidos industriales, erosión del suelo,
infiltración y conexiones incontroladas. A continuación se describirán algunos de
estos parámetros:
Características Físicas.
Sólidos totales. Analíticamente, el contenido de sólidos totales de un agua residual, se define
como la materia que queda como residuo después de la evaporación a 103°C-
105°C. La materia total, sólidos y líquidos – a veces se utiliza el término no del
todo correcto, de sólidos totales -, existentes en un agua, se puede clasificar de la
siguiente forma, ver cuadro No.1.3.
El término fijo engloba habitualmente materia de naturaleza inorgánica, mientras
que el término volátil se incluyen compuestos, en general, de naturaleza orgánica.
Dentro de todos estos tipos de sustancias, la materia en suspensión es
responsable de los siguientes efectos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
28
Produce color aparente en el agua.
Disminuye el paso de energía solar, por lo que es responsable de una
menor actividad fotosintética.
Ocasiona depósitos sobre las plantas acuáticas y las branquias de los
peces.
Ocasiona depósitos por sedimentación, con lo que favorece la aparición de
condiciones anaerobias y dificulta la alimentación de los seres vivos
acuáticos.
Cuadro No.1.3 Clasificación de sólidos
Las sustancias filtrables son las responsables de:
Aumentar la salinidad.
Variar la solubilidad de oxígeno.
Pueden inducir toxicidad por la presencia entre ellas de determinados
compuestos.
Materia en suspensión
Sustancias filtrables
Sedimentables
No sedimentables
Coloides
Disueltas
Fija
Volátil
Fija Volátil
Volátil
Volátil
Fija
Fija
Ing. Miriam Vega Loyola.
29
A causa de las diferentes formas en que pueden encontrarse las sustancias en el
agua, se miden diversos parámetros que hacen referencia a las mismas, entre
estos se encuentran:
Sólidos sedimentables.
Sólidos en suspensión.
Sólidos disueltos.
Sólidos fijos
El tamaño de dichos sólidos se puede observar en el siguiente cuadro No.1.4.
Cuadro No.1.4 Tamaño de los sólidos.
Temperatura. Es una variable física que influye notablemente en la calidad del agua, afecta
parámetros o características como:
Solubilidad de gases y sales (Ley de Henry y curvas de solubilidad).
Cinética de las reacciones químicas y bioquímicas (Aumento de la
velocidad de reacción con la temperatura, ley de Arrhenius).
Desplazamientos de equilibrios químicos (Un aumento de la temperatura los
desplaza en el sentido en que son endotérmicos, principio de Le-Chatelier).
Tensión superficial.
Desarrollo de organismos presentes en el agua.
´
´ ´
´ ´
Ing. Miriam Vega Loyola.
30
La influencia más interesante va a ser la disminución de la solubilidad del oxígeno
al aumentar la temperatura y la aceleración de los procesos de putrefacción.
La contaminación por calor se debe, fundamentalmente, al uso del agua como
medio de refrigeración en procesos industriales. Se deben de aportar soluciones
como la aplicación de torres de refrigeración o la construcción de albercas o lagos
de retención del agua caliente, antes de la devolución al cauce receptor.
Conductividad. Es una medida de la resistencia que opone el agua al paso de la corriente
eléctrica, la conductividad proporciona la concentración de los iones en disolución,
una conductividad elevada se traduce en una salinidad elevada o en valores
anómalos de pH. La temperatura es una variable que modifica sensiblemente
estos valores.
Color. Hay que distinguir lo que se llama color aparente, que es el que presenta el agua
bruta, del denominado color verdadero, que es el que se presenta cuando se ha
eliminado la materia en suspensión.
El origen del color puede ser de tipo interno (debido a los materiales disueltos,
dispersos o suspendidos) o de tipo externo (absorción de las radiaciones de mayor
longitud de onda).
La coloración de un agua natural “no contaminada” es causada principalmente por:
sustancia húmicas, ácidos tánicos, hojas, fitoplancton, sales de hierro, etc. Los
colores de las aguas residuales pueden ser debidos a una multitud de compuestos
orgánicos e inorgánicos, que pueden estar en elevadas concentraciones: sales de
cromo, colorantes industriales, aceites; las aguas residuales urbanas recientes
tienen color gris, que va pasando a oscuro e incluso negro.
Ing. Miriam Vega Loyola.
31
Olor y Sabor. El olor y sabor están, en general, íntimamente relacionados. Existen solamente
cuatro sabores fundamentales: ácido, salado, amargo y dulce. Junto a ellos se
suele hablar de sabores metálico, a tierra, a moho, a farmacia, etc., en estrecha
relación con los olores. Las fuentes de olor y sabor pueden ser naturales o
artificiales. En general, los compuestos inorgánicos no producen olor, excepto el
cloro, sulfuro de hidrógeno, amoniaco y derivados. Los compuestos orgánicos
suelen producir tanto olores como sabores, entre estos, se destacan, los fenoles,
clorofenoles, alquitranes, aldehídos, detergentes, ácidos grasos, índoles, también
organismos vivos producen olores y sabores: algas, bacterias, hongos, así como
la descomposición de vegetales y animales. Especialmente tienen malos olores y
sabores las aguas residuales domésticas e industriales.
Turbidez. La turbidez de un agua es provocada por la materia insoluble, en suspensión o
dispersión coloidal. Es un fenómeno óptico que consiste, esencialmente, en una
absorción de luz combinada con un proceso de difusión. Las partículas insolubles
responsables de esta turbidez pueden ser aportadas tanto por procesos de
arrastre como de remoción de tierras y también por vertidos urbanos e
industriales.
Sólidos
Tratamiento
Olor Color
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
Sulfuros Orgánicos
(Coles podridas) Ca, Na y SO4 que se añaden
al agua de suministro • Sedimentación
• Coagulación
• Floculación
Sólidos en suspensión conducen al desarenador desarrollo de depósitos de lodo y de las condiciones anaerobias
SST, STT, SDT, SSF, SDF, SSV, STV, SDV
Forma:
• Coloidales
• Flotantes
• Suspensión
• Dilución
Procedencia:
• A.R. en descomposición. (M.O)
• Vertidos industriales
• Microorganismos anaerobios
Procedencia:
• ARD
• ARI
• Desintegración natural de materiales Orgánicos
Olor
Sulfuro de Hidrógeno
(Huevo Podrido)
Sulfuros Orgánicos
(Coles podridas)
Sulfuros Orgánicos
(Coles podridas)
Aminas
(Pescado) Eskatol
(Fecal) Diaminas
(Carne descompuesta)
Cuadro No.5. Propiedades Físicas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
33
Características Químicas. Con respecto a los compuestos orgánicos, debido a su gran variedad, procedentes
del hombre y la naturaleza, sus componentes moleculares no suelen expresarse
individualmente en un análisis de agua. Aunque se pueden determinar por
separado, por ejemplo, uno muy conocido: el alquil bencil sulfonato (ABS). Es
posible que en el caso de no tener una información precisa, se puede recurrir a
una serie de pruebas no específicas.
Estas pruebas no hacen distinción entre los compuestos orgánicos, pero dan la
evidencia que ellos existen o están presentes en el agua. Entre los principales
parámetros que caracterizan la materia orgánica presente en un agua están:
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO): Mide la capacidad de las
bacterias comunes para digerir la materia orgánica biodegradable. Se
expresa como ppm de 02.
Extraíbles de Carbón - Cloroformo (CCE): Determina los productos
orgánicos absorbidos en cartuchos de carbón activado que son extraídos
con cloroformo.
Extraíbles de Carbón - Alcohol (CAE): Determina los productos orgánicos
absorbidos en cartuchos de carbón activado que son extraídos con alcohol
etílico. Esta extracción se realiza después de la de cloroformo.
Demanda Química de Oxígeno (DQO): Mide la capacidad en disoluciones
calientes de ácido crómico para oxidar la materia orgánica. Analiza la
materia orgánica biodegradable y la no biodegradable o refractaria. Se
expresa en ppm de O2.
Oxígeno Disuelto (OD): Determina la presencia de sustancias fuertemente
reductoras en las aguas residuales, que pueden disminuir rápidamente el
nivel de oxígeno en las corrientes receptoras. Se determina midiendo la
Ing. Miriam Vega Loyola.
34
pérdida de oxígeno, 15 minutos después de diluir una muestra con agua
saturada en oxígeno. Se expresa en ppm de O2.
Oxígeno consumido por el permanganato (O2): Mide la susceptibilidad
de la materia orgánica de una muestra a la oxidación por el permanganato
potásico. Se expresa como ppm de O2.
Extraíbles en disolvente: Determina la materia orgánica que se puede
extraer directamente del agua. Como agente para la extracción se utiliza
hexano, tetracloruro de carbono o cloroformo.
Carbón Orgánico Total (TOC): Mide el CO2 producido por los compuestos
orgánicos cuando se introduce una muestra de agua en una cámara de
combustión. Se debe eliminar previamente el CO2 de la alcalinidad o se
resta del CO2 total para así determinar el carbón orgánico. Se expresa en
ppm como C.
El componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado
generalmente en términos de las demandas de oxígeno utilizando la Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la
Demanda Total de Oxígeno (DTO) o en términos del Carbono Orgánico Total
(COT), dos de los principales parámetros, se describen a continuación:
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) La DBO5 es la cantidad de oxígeno empleado por los microorganismos a lo largo
de un período de cinco días, para descomponer la materia orgánica de las aguas
residuales a una temperatura de 20 °C.
La DBO5 suele emplearse para comprobar la carga orgánica de las aguas
residuales municipales e industriales biodegradables, sin tratar y tratadas. La
DBO5, la cual es un estimativo de la cantidad de oxígeno requerido para estabilizar
los materiales orgánicos biodegradables por una población heterogénea de
Ing. Miriam Vega Loyola.
35
microorganismos, es un parámetro no bien definido que ha sido utilizado por
muchos años, al asignar una demanda de oxígeno a las aguas residuales.
La prueba de laboratorio está influenciada por muchas variables y limitaciones
como son:
a) Aclimatación de la semilla.
b) La temperatura y el pH.
c) La presencia de compuestos tóxicos.
d) El tiempo de incubación.
e) Nitrificación.
a) Aclimatación de la Semilla: El uso de una semilla biológica que no esté
aclimatada al agua residual es un factor muy común responsable de resultados
erróneos de DBO5. La semilla a utilizar en esta prueba debe ser preparada en
un reactor continuo a escala de laboratorio, alimentado con disoluciones del
desecho. La composición del desecho puede ser incrementada y se considera
la semilla como aclimatada una vez que la remoción de orgánicos y el oxígeno
alcanzan un nivel máximo y llegan a estabilizarse.
b) Temperatura y pH: Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados sí el pH
de la muestra es menor de 6.5 o mayor de 8.3 unidades. Aunque la DBO5 se
lleva a cabo a una temperatura estándar de 20 °C, las condiciones del campo
necesitan la incubación a otras temperaturas. Se requiere entonces un factor
de corrección para compensar la diferencia de temperatura.
c) Toxicidad: La presencia de sustancias tóxicas en una muestra de agua
residual puede tener un efecto biotóxico o bioestático sobre la semilla de
microorganismos. Este efecto se manifiesta por disminución de los valores de
DBO5 donde, el resultado de la DBO5 aumenta con el aumento de la dilución
de la muestra. Una vez se detecte la presencia de materiales tóxicos se debe
Ing. Miriam Vega Loyola.
36
tomar medidas para identificarlos y removerlos o usar diluciones donde los
resultados de la DBO5 den valores consistentes.
d) Tiempo de incubación: La importancia de la variable tiempo de incubación es
indicada en la ecuación básica de la DBO5. El tiempo de incubación usual es
de 5 días, aunque el tiempo usual requerido para la completa estabilización
ocurre (DBO5 última) dependiendo de la biodegradabilidad de los compuestos
presentes y la capacidad depuradora de los microorganismos.
e) Nitrificación: Aunque algo de nitrificación ocurre a través del período de
incubación, un efecto de dos etapas es generalmente observado. Esto resulta
del hecho de que las constantes de velocidad de nitrificación son mucho más
bajas que las de la demanda carbonácea y la demanda nitrificante; no se inicia
hasta que la demanda carbonácea esté completamente satisfecha. La medida
de la demanda de oxígeno ejercida por la fracción carbonácea del desecho
puede ser medida, retardando el proceso de nitrificación en la botella,
adicionando inhibidores de la nitrificación o dejando que ella ocurra y sustraerla
de la demanda total.
Demanda Química de Oxígeno (DQO) La DQO mide el oxígeno equivalente de sustancias orgánicas e inorgánicas en
una muestra acuosa que, es susceptible a la oxidación por dicromato de potasio
en una solución de ácido sulfúrico. Este parámetro ha sido usado por más de un
cuarto de siglo para estimar el contenido de orgánicos en aguas y aguas
residuales. Sin embargo, la correcta interpretación de los valores de DQO puede
presentar problemas por lo cual se debe entender las variables que afectan los
resultados de este parámetro.
El valor de la DQO es siempre superior al de la DBO5 porque muchas sustancias
orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente.
Ing. Miriam Vega Loyola.
37
Generalmente, se podría esperar que la DBO5 última del agua residual se
aproximara a la DQO. Sin embargo, existen muchos factores que afectan estos
resultados especialmente en desechos industriales complejos. Estos factores son
los siguientes:
1. Muchos compuestos orgánicos que son oxidables por el dicromato no son
bioquímicamente oxidables.
2. Ciertas sustancias inorgánicas, tales como sulfuros, sulfatos, tiosulfatos,
nitritos y el ion ferroso, son oxidados por el dicromato creando una DQO
inorgánica, lo cual entorpece los datos cuando la DQO se mide como el
contenido de materia orgánica en un agua residual.
3. Los resultados de la DBO5 pueden ser afectados por pérdida de semilla por
aclimatación, dando resultados erróneos. Los resultados de DQO son
independientes de esta variable.
4. Los cloruros interfieren en el análisis de la DQO. Se puede obtener lecturas
más altas resultantes de la oxidación de cloruros por dicromato.
En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo con la industria, es
necesario el análisis de otros compuestos orgánicos, como son ácidos orgánicos,
alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria
petroquímica.
En un agua residual de concentración media, un 75% de los sólidos suspendidos y
un 40% de los sólidos filtrables son de naturaleza orgánica procedentes de los
reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis
de compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos están formados
generalmente por una combinación de carbono, hidrógeno y oxígeno, junto con
nitrógeno en algunos casos. Otros elementos importantes tales como azufre,
fósforo y hierro pueden también estar presentes.
Ing. Miriam Vega Loyola.
38
Los sólidos inorgánicos están formados principalmente por nitrógeno, fósforo,
cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y algunas sustancias tóxicas como
arsénico, cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc.
Los sólidos orgánicos se pueden clasificar en nitrogenados y no nitrogenados. Los
nitrogenados, es decir, los que contienen nitrógeno en su molécula, son proteínas,
ureas, aminas y aminoácidos. Los no nitrogenados son principalmente celulosa,
grasas y jabones. La concentración de orgánicos en el agua se determina a través
de la DBO5, la cual mide material orgánico carbonaceo principalmente, mientras
que la DBO20 mide material orgánico carbonaceo y nitrogenado.
Las propiedades químicas de las aguas residuales son proporcionadas por
componentes que se pueden agrupar en tres categorías, según su naturaleza:
materia orgánica, compuestos inorgánicos y componentes gaseosos. Tanto el
grupo de suspensión como disolución, presenta una composición más o menos
homogénea, en la que se encuentran, en forma predominante, las proteínas, los
hidratos de carbono y algunos aceites y grasas.
El nitrógeno orgánico puede aparecer como amonio, en los nitratos orgánicos y en
los nitritos, siendo las dos primeras formas mayoritarias. La presencia de nitratos
es muy importante cuando se aplican sistemas de vertidos a suelos. Y además,
por la capacidad de eutroficación que desarrollan estos compuestos cuando
aparecen en concentraciones elevadas en la parte superficial de los suelos.
Otros elementos como el zinc el cobre y el níquel son los metales que más
contribuyen a acrecentar las cifras de elementos pesados, siendo el zinc el metal
usado como referencia de toxicidad.
El boro es el otro elemento que puede afectar mucho a los sistemas biológicos de
tratamientos de aguas. Es esencial en la micronutrición vegetal, pero puede ser
tóxico para muchos sistemas de fauna y flora que están presentes en los procesos
de las aguas residuales. En los siguientes cuadros se resumen algunos de estos
parámetros y su procedencia.
Materia Orgánica Combinación de CHON (Algunos casos)
CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
Gases
Medida de contenido orgánico
• Moléculas sintéticas orgánicas ((2)plaguicidas, Fenoles, agentes tensoactivos).
• Proteínas ( P.Maltos 20000- 20 E6)
• Se forman a partir de los aminoácidos.
• Su origen las plantas y tejidos grasos de la carne
Materia Inorgánica
• Carbohidratos (azucares, almidón, celulosa…)
• G y A ( Mantequilla) G y A vegetales (semillas, nueces…)
• Urea
Contaminantes peligrosos en
aguas superficiales
Plaguicidas
Procedencia: Escorrentías, Campos, Tierras abandonadas.
Método:
Cromatografía de gases con captura de e-
Causan:
Muerte de peces, intoxicación
Se reportan en ppb Tóxicos
G y A
Método:
Cromatografía de gases con captura de e-
Causan:
Muerte de peces, intoxicación
Agentes tensoactivos *
• Moléculas grandes orgánicas
• Ligeramente solubles en agua
• Causan espumas en PTAR
• Presentes en detergentes
Método:
SAAM
Azufre que se libera de la síntesis de proteínas
MATERIA INORGÁNICA
Proceden de la disolución de suelos y rocas , intrusión de agua salada, descargas de ARD y ARI, agrícolas, Heces humanas ( 6g de Cl-/día personas)
Compuestos tóxicos:
• Muerte de microorganismos
• Y por lo tanto se detiene la PTAR
Nitrógeno: Causa crecimiento de plantas. Y Eutroficación de cuerpos de agua.
Aniones CN, CrO4, F) proceden del ARI
Metales pesados:
• Ni , Cr, Cu
• Mn, Cd, Fe
• Pb, Zn, Hg
Cloruros
Crecimiento de algas
(Fosforo)
Gases comunes en la atmosfera CO2, O2,N2
Gases
O3 Desinfección y control de olor.
CH4 Descomposición anaerobia
Cl2 para desinfección
SOx y N2
procesos de combustión
Descomposición de la materia orgánica.
( H2S, NH3 )
DBO:
• Determina tamaño de instalación de PTAR.
• 20 días oxida del 95-99%
• 5 días oxida del 60-70%
• M.O (5 días a 20°C)
• Bacterias saprófitas
• Bacterias autótrofas –Materia no carbonosa
• Cantidad de oxígeno para estabilizar biológicamente la materia Orgánica. MEDIDA DEL
CONTENIDO ORGÁNICO
DTeO:
Determina principalmente material de origen animal o vegetal en A.R
COT:
Para pequeñas concentraciones Mat.Org. Analiza con I.R, Espectro infrarojo.
DTO
Combustión catalizada con platino
DQO:
Utiliza químico fuertemente oxidante en medio acido K2CrO7(H2SO4)
Ing. Miriam Vega Loyola.
42
Características Biológicas.
Es claro que el componente orgánico de las aguas residuales es un medio de
cultivo que permite el desarrollo de los microorganismos que cierran los ciclos
biogeoquímicos de elementos como el azufre, el carbono, el nitrógeno o el fósforo,
entrando frecuentemente en consecuencia y eliminando los elementos que son
fundamentales para los sistemas biológicos de tratamientos de las aguas
residuales.
Este componente biológico se manifiesta fundamentalmente en 5 áreas diferentes:
a. Descomposición de los compuestos orgánicos contenidos en las aguas
residuales.
b. Eliminación de determinados compuestos orgánicos que sean tóxicos para
los vegetales y microorganismos del suelo.
c. Desaparición de microorganismos patógenos.
d. Participación de los ciclos biogeoquímicos del nitrógeno, del fósforo y del
azufre.
e. Reacciones de la materia orgánica transformada y del componente
microorgánico frente a los constituyentes minerales del suelo.
Un último aspecto del componente biológico de las aguas residuales, es la
presencia de determinados virus, como pueden ser el adenovirus, enterovirus,
hepatitis A, etc. Quienes aún en muy baja proporción respecto a bacterias y
microorganismos en general, manifiestan enorme peligrosidad desde el punto de
vista sanitario. Una de las razones más importantes para tratar las aguas
residuales es la eliminación de todos los agentes patógenos de origen humano
presentes en las excretas con el propósito de cortar el ciclo epidemiológico de
transmisión. Estos son, entre otros:
a. Coliformes totales
b. Coliformes fecales
c. Salmonella
d. Virus
Ing. Miriam Vega Loyola.
43
Microoganismos Los grupos principales de organismos que se encuentran en las aguas
superficiales se clasifican en protistas, vegetales y animales. La categoría de los
protistas incluyen las bacterias, hongos, protozoos y algas. Los vegetales se
clasifican en plantas de semilla, helechos, musgos y hepáticas. Como animales se
clasifican los vertebrados e invertebrados. Los virus que también se encuentran en
el agua residual se clasifican según el sujeto infectado.
Protistas. Dado el amplio y fundamental papel jugado por las bacterias en la
descomposición y estabilización de la materia orgánica, tanto en la naturaleza
como en las plantas de tratamiento, deben conocerse bien sus características,
funciones, metabolismo y síntesis, las bacterias coliformes se utilizan como un
indicador de contaminación y es producida por vertidos de origen humano. Las
algas pueden presentar un serio inconveniente en las aguas superficiales, ya que
cuando las condiciones son favorables pueden reproducirse rápidamente y cubrir
ríos, lagos y embalses con grandes colonias flotantes.
Virus. Los virus excretados por los humanos pueden llegar a ser un peligro
importante para la salud pública, se sabe con certeza que algunos virus viven
hasta 41 días en el agua residual a 20 °C y durante 6 días en un rió normal. Cierto
número de brotes de hepatitis infecciosa han sido atribuidos a la transmisión del
virus a través del suministro normal de agua.
Plantas y animales. El conocimiento de estos organismos es útil para valorar el
estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad de las aguas residuales
evacuadas al ambiente y al observar la efectividad de la vida biológica en los
procesos secundarios de tratamiento.
Organismos Patógenos Los organismos patógenos encontrados en el agua residual pueden proceder de
desechos humanos que estén infectados, o que sean portadores de una
enfermedad determinada. Los organismos patógenos bacterianos usuales, que
Ing. Miriam Vega Loyola.
44
pueden ser excretados por el hombre, causan enfermedades del aparato
gastrointestinal, tales como fiebre tifoidea o paratifoideas, disentería, diarreas y
cólera. Dado que estos organismos son altamente infecciosos, son los
responsables de muchas miles de muertes cada año en zonas con escasa
sanidad, especialmente en los trópicos. A pesar de que los organismos patógenos
bacterianos son los más numerosos, no son en ningún modo los únicos patógenos
presentes en el agua residual.
Bacterias. Son los organismos más importantes en la descomposición y
estabilización de la materia orgánica. Así mismo, los organismos bacteriales
patógenos que puedan acompañar las excretas humanas originan uno de los
problemas sanitarios más graves. Los individuos infectados con algún tipo de
enfermedad excretan en sus heces bacterias patógenas, contaminando así las
aguas residuales domésticas.
Huevos de Helminto. Los parásitos helminto más importantes que pueden
encontrarse en aguas residuales son las lombrices intestinales que causan anemia
debido a la perdida sanguínea (200 ml/día) que ocasiona aproximadamente 1000
gusanos de Necator americanus. El término helminto se aplica a parásitos en
forma de lombriz.
Proceden de: Desechos humanos, Bacterias
• Fiebre ,cólera, diarrea
• Tifoidea, Disentería
• Enfermedades gastrointestinales
ASPECTOS BIOLÓGICOS
Descomposición y estabilización de M.O.
• Bacterias …. Coliformes
Indicador de contaminación
Origen humano
• Hongos
• Protozoos ( Amebas, Flagelados, ciliados(1)[se alimentan de bacterias]
• Algas
Problemas en aguas sup.
Reproducción rápida
Cubre ríos, lagos, embalses.
Eutroficación
Para A.S
Animales:
Rotíferos
Gusanos
Crustáceos
Para A.R
Vegetales
Helechos, Musgos
Plantas de semilla
Organismos patógenos
Gru
pos
de M
.O.
pre
sent
es e
n A
.R y
A.S
Virus:
10000-1000000 dosis infecciosas de hepatitis en 1g de heces.
Viven hasta 41 días en A.R a 20 °C y 6 días en un río.
Incluye géneros:
E.Coli
Aerobacter
Tienen forma de
bastoncillos
Coliformes
No significan contaminación por humanos.
Existen 2 Métodos:
NMP
Filtro de Membrana
Útiles para destruir M.O en procesos
biológicos en PTAR
Su ausencia indica que no existen organismos productores de enfermedades
Indican que puede haber M.O patógenos
Persona evacua 100000-400000 mill/día
Ing. Miriam Vega Loyola.
46
1.7 Muestreo de las Aguas Residuales.
La adquisición de datos significativos demanda el uso de procedimientos correctos
de muestreo, transporte y almacenamiento. Estos procedimientos pueden ser
bastante diferentes para las distintas especies en el agua. En general, deben
tomarse muestras separadas unas para los análisis químicos y otras para los
análisis biológicos, porque sus técnicas de muestreo y conservación difieren
significativamente. Normalmente, mientras más corto sea el intervalo de tiempo
entre la toma de la muestra y el análisis, más preciso será el mismo. De hecho
algunos análisis deben realizarse en el campo algunos minutos después de la
toma de la muestra. Otros como la determinación de la temperatura deben
hacerse en el propio cuerpo de agua. Unos minutos después de la toma, el pH del
agua puede cambiar, los gases disueltos (oxígeno, dióxido de carbono, sulfuro de
hidrógeno y cloro) pueden volatilizarse, mientras otros gases (oxígeno, dióxido de
carbono) pueden absorberse de la atmósfera. Por consiguiente, los análisis de
temperatura, pH y los gases disueltos siempre deben realizarse en el campo.
Además, la precipitación del carbonato de calcio acompaña los cambios en la
relación de pH-alcalinidad-carbonato de calcio después de la toma de muestras.
De esta manera, el análisis de una muestra después de estar estancada puede
dar valores erróneamente bajos en calcio y para la dureza total.
Las muestras pueden dividirse en dos categorías principales:
1. Muestras puntuales. Son aquellas que se toman en un solo instante
y en un solo lugar y, por consiguiente, son muy específicas con
respecto al tiempo y la localización.
2. Muestras compuestas. Son las tomadas durante un lapso de tiempo
y pueden abarcar también localidades diferentes. En principio, los
resultados promedio de un gran número de muestras puntuales dan
la misma información que una muestra compuesta. Una muestra
compuesta tiene la ventaja de proporcionar un cuadro global a partir
de un solo análisis.
Ing. Miriam Vega Loyola.
47
Para determinar los valores y concentraciones de los parámetros establecidos en
la Norma Oficial Mexicana, se deben aplicar los métodos de prueba indicados en
las Normas Mexicanas, por ejemplo para coliformes fecales, los análisis se
llevarán a cabo en el laboratorio de acuerdo con la NMX-AA-102-1987, siempre y
cuando se demuestre ante la autoridad competente que los resultados de las
pruebas guardan una estrecha correlación o son equivalentes a los obtenidos
mediante el método de tubos múltiples que se establece en la NMX-AA-42-1987.
Algunas normas para el muestreo se mencionan a continuación:
NMX-AA-003-1980. Muestreo de Aguas Residuales. Esta norma establece los lineamientos generales y recomendaciones para
muestrear las descargas de aguas residuales, con el fin de determinar sus
características físicas y químicas, debiéndose observar las modalidades indicadas
en las normas de métodos de prueba correspondientes.
Aparatos y equipo
Recipientes para el transporte y conservación de las muestras. Los recipientes
para las muestras deben ser de materiales inertes al contenido de las aguas
residuales. Se recomiendan los recipientes de polietileno o vidrio.
Las tapas deben proporcionar un cierre hermético en los recipientes y se
recomienda que sean de material afín al del recipiente. Se recomienda que los
recipientes tengan una capacidad mínima de 2 dm3 (litros).
NMX-AA-014-1980. Muestreo en Cuerpos Receptores.
Esta norma establece los lineamientos generales y recomendaciones para el
muestreo en cuerpos receptores de aguas superficiales, excluyendo aguas
estuarinas y aguas marinas, con el fin de determinar sus características físicas y
químicas y bateriológicas, debiéndose observar las modalidades indicadas en las
normas de métodos de prueba correspondientes.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Etiquetas para la muestra
Se deben tomar las precauciones necesarias para que en cualquier momento sea
posible identificar las muestras. Se deben emplear etiquetas pegadas o colgadas,
o numerar los frascos anotándose la información en una hoja de registro.
Estas etiquetas deben contener como mínimo la siguiente información:
a. Cuerpo receptor en estudio.
b. Número y nombre de la estación.
c. Identificación de la descarga.
d. Número de la muestra.
e. Fecha y hora de muestreo.
f. Nombre y firma de la persona que efectúa el muestreo.
g. Análisis a efectuar.
Se debe utilizar papel y tinta que no sufran alteraciones con el agua.
Hoja de Registro
Se debe de llevar una hoja de registro con la información que permita identificar el
origen de la muestra y todos los datos que en un momento dado permitan repetir
el muestreo. Esta hoja debe contener la siguiente información:
a. Los datos descritos en el punto anterior.
b. Resultados de pruebas de campo practicadas en la zona estudiada, sobre
diferentes planos de la misma.
c. Temperatura ambiental, temperatura del agua, pH y gasto.
d. Localización de las estaciones de muestreo.
e. Descripción detallada de las estaciones de muestreo, de manera que
cualquier persona pueda tomar otras muestras en el mismo lugar.
Para las normas anteriores, también es posible el uso de muestreadores
automáticos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Muestreadores Automáticos.
Se permite su empleo siempre y cuando se operen de acuerdo con las
instrucciones del fabricante del equipo muestreador dándoles el correcto y
adecuado mantenimiento, asegurándose que se obtienen muestras
representativas de las aguas residuales o del cuerpo receptor.
Cualquiera que sea el método de muestreo específico que se aplique a cada caso,
debe cumplir los siguientes requisitos.
Las muestras deben ser representativas de las condiciones que existan en el
punto y hora de muestreo y tener el volumen suficiente para efectuar en él las
determinaciones correspondientes. Las muestras deben representar lo mejor
posible las características del efluente total que se descarga por el conducto que
se muestrea.
Tipos de muestreo.
Muestreo en tomas: Se recomienda, se instalen tomas en conductos a presión o
en conductos que permitan el fácil acceso para muestrear a cielo abierto con el
objeto de caracterizar debidamente las aguas residuales.
Las tomas deben tener un diámetro adecuado para muestrear correctamente las
aguas residuales en función de los materiales que puedan contener, deben ser de
la menor longitud posible, y procurar situarlas de tal manera que las muestras
sean representativas de la descarga.
Se recomienda el uso de materiales similares a los del conducto, de acero al
carbón o de acero inoxidable.
Se deja fluir un volumen aproximadamente igual a 10 veces el volumen de la
muestra y a continuación se llena el recipiente de muestreo.
Ing. Miriam Vega Loyola.
50
Muestreo en descargas libres
Cuando las aguas residuales fluyen libremente en forma de chorro, debe
emplearse el siguiente procedimiento.
El recipiente muestreador se debe enjuagar repetidas veces antes de efectuar el
muestreo.
Se introduce el recipiente muestreador en la descarga o de ser posible, se toma
directamente la muestra en su recipiente.
La muestra se transfiere del recipiente muestreador al recipiente para la muestra
cuidando de que ésta siga siendo representativa.
Muestreo en canales y colectores
Se recomienda tomar las muestras en el centro del canal o colector de preferencia
en lugares donde el flujo sea turbulento a fin de asegurar un buen mezclado.
Si se va a evaluar contenido de grasas y aceites se deben tomar porciones, a
diferentes profundidades, cuando no haya mucha turbulencia para asegurar una
mayor representatividad.
El recipiente muestreador se debe enjuagar repetidas veces con el agua por
muestrear antes de efectuar el muestreo.
El recipiente muestreador, atado con una cuerda y sostenido con la mano de
preferencia enguantada, se introduce en el agua residual completamente y se
extrae la muestra.
Si la muestra se transfiere de recipiente, se debe cuidar que ésta siga siendo
representativa.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Obtención de muestras compuestas
Se recomienda que las muestras sean compuestas, para que representen el
promedio de las variaciones de los contaminantes. El procedimiento para la
obtención de dichas muestras es el siguiente:
Las muestras compuestas se obtienen mezclando muestras simples en volúmenes
proporcionales al gasto o flujo de descarga medido en el sitio y momento del
muestreo.
El intervalo entre la toma de cada muestra simple para integrar la muestra
compuesta, debe ser el suficiente para determinar la variación de los
contaminantes del agua residual.
Las muestras compuestas se deben tomar de tal manera que cubran las
variaciones de las descargas durante 24 horas como mínimo.
Preservación de las muestras No es posible proteger completamente una muestra de agua de los cambios en su
composición. Sin embargo pueden emplearse varios aditivos y tratamientos para
minimizar el deterioro de las muestras. El método más general de conservación de
la muestra es la refrigeración a 4°C. Normalmente debe evitarse la congelación
debido a los cambios físicos (formación de precipitados y pérdida de gases) que
puede afectar adversamente a la composición de la muestra. La acidificación se
aplica, normalmente, a las muestras de metales para prevenir su precipitación y
también para hacer más lenta la acción microbiana. En el caso de los metales, las
muestras deben filtrarse antes de agregar el ácido para facilitar la determinación
de los metales disueltos. Los tiempos de almacenamiento de las muestras varían,
desde cero para parámetros como la temperatura o el oxígeno disuelto medido por
una sonda, hasta seis meses para los metales. Muchos tipos diferentes de
muestras, incluyendo aquellas en que van a ser analizadas la acidez, alcalinidad y
varias formas de nitrógeno o fósforo, no deben almacenarse por más de 24 horas.
Algunos métodos se resumen en la siguiente tabla No. 1.2.
Ing. Miriam Vega Loyola.
52
Preservar la muestra durante el transporte por medio de un baño de hielo y
conservar las muestras en refrigeración a una temperatura de 277K (4°C).
Conservante o técnica usada
Efectos en las muestras Tipo de muestra para el cual se emplea el método
Ácido Nítrico Mantiene los metales en
disolución
Muestras que contienen
metales
Ácido Sulfúrico Bactericida
Formación de sulfatos con
las bases volátiles
Muestras biodegradables
que contienen carbono
orgánico, aceite o grasa
Muestras que contienen
aminas o amoníaco
Hidróxido de Sodio Forma sales de sodio con
ácidos volátiles
Muestras que contienen
ácidos orgánicos volátiles o
cianuros
Reacción Química Fijar un elemento en
particular
Muestras que se analizan
para oxígeno disuelto, OD,
usando el método Winkler.
Tabla No.1.2 Conservantes y métodos de conservación para las muestras de agua
Se recomienda que el intervalo de tiempo entre la extracción de la muestra y su
análisis sea el menor posible y que no exceda de tres días.
Solo se permite agregar a las muestras los preservativos indicados en las Normas
correspondientes y en función del parámetro a determinar.
Ing. Miriam Vega Loyola.
53
1.8 Determinación de Gastos Másicos.
Otra característica de los fluidos en movimiento es que en general al fluir unas
capas del fluido se deslizan sobre otras. Este deslizamiento se realiza con cierta
resistencia, o sea que en general los fluidos presentan fricción o rozamiento. Esta
fricción o rozamiento está relacionada con la viscosidad del fluido. Todos han
notado cuan diferente fluye el agua, el aceite o la miel de abeja, lo cual se debe a
la diferente viscosidad de estos fluidos. En ocasiones se considera que la fricción
en los fluidos es muy pequeña por lo que no se toma en cuenta.
Una magnitud que caracteriza un flujo de un fluido determinado es el gasto:
a. Gasto Volumétrico (G). Volumen del fluido por unidad de tiempo, que
atraviesa una sección transversal del tubo de corriente.
b. Gasto Másico (Q). Masa del fluido por unidad de tiempo, que atraviesa
una sección transversal del tubo de corriente.
De acuerdo a la definición del gasto volumétrico, se tiene
…(1.1)
Donde:
G = Gasto volumétrico
V = Volumen que atraviesa la sección transversal del tubo, en el tiempo t.
t = Tiempo
El volumen V es igual al área de la sección transversal A por la distancia que
recorre una capa de fluido en el tiempo, por lo anterior: el gasto se define como
volumen del líquido que pasa por la sección transversal de una corriente en la
unidad de tiempo. Este dato es uno de los más importantes que deben
considerarse en la recolección de muestras, su medida se utiliza para:
Ing. Miriam Vega Loyola.
54
a. Interpretar las variaciones de flujo.
b. Calcular la masa de las sustancias arrastradas por el agua y,
c. Facilitar la planificación de los estudios.
El gasto másico está relacionado con el volumétrico por la siguiente expresión:
Q = G ρ = A V ρ … (1.2)
Donde:
Q = Gasto másico
G = Gasto volumétrico
A = Área
V = Velocidad
ρ = Densidad del fluido
Analizando las unidades del gasto volumétrico tiene unidades de m3/s y la
densidad de Kg/m3 por lo que las unidades del gasto másico son Kg/s,
correspondientes con la definición de gasto másico como masa del fluido por
unidad de tiempo.
Es importante conocer el gasto de descarga cuando se muestrean para delimitar
los parámetros, ya que la concentración de contaminantes se reparte en mg/l y sin
este flujo de descarga no se puede evaluar la carga total de los contaminantes.
A la acción de medir el gasto se le denomina “aforar”, en términos generales los
métodos para aforar una corriente están basados en la ley de la continuidad,
expresada por la siguiente ecuación:
G= A x V … (1.3)
Dónde:
G= Gasto (l/s, m3/s)
Ing. Miriam Vega Loyola.
55
A= Área a través de la cual fluye el agua (m2, cm2)
V= Velocidad media del flujo o distancia por unidad de tiempo (m/s)
Entre estos métodos destacan los de:
1. Sección - velocidad
2. Sección - pendiente
3. Vertederos
Sección – Velocidad. Para aplicar este método se calculan por separado el área
de la sección transversal y la velocidad de la corriente. Si es posible vadear la
corriente, se mide el ancho y se divide en segmentos para también medir en cada
uno de ellos el tirante de agua y calcular áreas parciales cuya suma será el área
total. Si no es posible vadear el río se usará alguna estructura como un puente o
una embarcación.
El área o sección se calcula mediante la expresión:
…(1.4)
… (1.5)
Dónde:
A= Área mojada (m2)
D = Diámetro (m)
θ = Ángulo que forman los radios que unen el espejo de agua
r = Radio del ducto de la descarga (m)
T = Tirante (m)
Nota: Tiene una limitante cuando r se hace igual al tirante.
A = D2 Π θ Senθ
4 360 2
Ing. Miriam Vega Loyola.
56
La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un
recipiente aforado. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de una muestra
cualquiera (V) y medir el tiempo transcurrido (t) desde que se introduce en la
descarga hasta que se retira de ella, la relación de estos dos valores permite
conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo.
Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando
el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen
de agua que sale por la descarga. Entre sus desventajas se cuenta que la mayoría
de veces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar perdida de muestra en
el momento de aforar; también se deben evitar represamientos que permitan la
acumulación de sólidos y grasas.
La estimación y la proyección de los caudales promedio se necesitan para definir
la capacidad de diseño, así como los requerimientos hidráulicos del sistema de
tratamiento. Los caudales promedios deben ser desarrollados tanto para las
condiciones de diseño como para el periodo inicial de operación.
Ing. Miriam Vega Loyola.
57
1.9 Aguas Residuales de Origen Industrial.
El origen, composición y cantidad de los desechos están relacionados con los
hábitos de vida vigentes. Cuando un producto de desecho se incorpora al agua, el
líquido resultante recibe el nombre de agua residual. Las aguas residuales tienen
un origen doméstico, industrial, subterráneo y meteorológico.
El uso del agua que la industria demanda puede clasificarse en cuatro principales
actividades que se llevan a cabo en la mayoría de las industrias:
1. Agua para enfriamiento.
2. Agua para calderas.
3. Agua para procesos.
4. Agua para servicios generales.
1. Agua para Enfriamiento. La industria demanda grandes volúmenes de agua para enfriamiento en diversos
procesos, como puede ser el enfriamiento de condensadores de plantas de
energía, refinamiento del petróleo, plantas químicas, destilerías y otras; también
se usa para enfriamiento en máquinas de combustión interna y plantas de
bombeo, y enfriamiento en plantas de fundición.
El agua para la industria debe cumplir con las normas de calidad específicas de
acuerdo a los usos y al tipo de industria. Los problemas que se pueden presentar
en un sistema de enfriamiento debido a la mala calidad del agua empleada son:
formación de depósitos e incrustación, corrosión, obstrucción de los sistemas de
distribución, crecimiento de organismos y por supuesto, un incremento en los
costos de mantenimiento y operación.
2. Agua para Calderas. El agua que se utiliza para calderas permite la generación de vapor o energía. En
general, la calidad del agua debe ser tal que no deposite sustancias incrustantes,
Ing. Miriam Vega Loyola.
58
no corroa al metal de las calderas o de las líneas de conducción y no ocasione
espumas. Un agua de tales características es difícil de encontrar en estado
natural, por lo que las condiciones de calidad se logran mediante un tratamiento.
3. Agua para Proceso. Es el agua que se incorpora en la manufactura del producto, o que pasa a formar
parte del producto terminado, o el agua empleada como medio de transporte de
los productos.
La calidad del agua requerida para el proceso varía ampliamente de un sector
industrial a otro, así se tiene por ejemplo que, el agua requerida en la manufactura
de alimentos debe ser de calidad comparable a la del agua potable, mientras que
el agua empleada para la fabricación de celulosa Kraft sin blanquear, puede ser de
calidad comparable a la de un efluente secundario con cloración. Para cada caso
en particular los procesos industriales demandan agua definida en normas
específicas.
4. Agua para Servicios Generales. En este uso del agua se incluye la limpieza de las instalaciones, servicios
sanitarios, usos personales y en ocasiones riego de áreas verdes. El agua para
servicios requiere de cierta calidad, sobre todo cuando ésta se emplea para usos
sanitarios y personales, la calidad debe ser potable.
La cantidad y naturaleza de los vertidos industriales es muy variada, dependiendo
del tipo de industria, de la gestión de su consumo de agua y del grado de
tratamiento que los vertidos reciben antes de su descarga.
Tipos de Descargas Industriales La clasificación se puede hacer de acuerdo a diferentes criterios:
a. Composición de elementos contaminantes.
b. Características de dichos elementos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
59
c. Los procesos en los que se originan.
d. Secuencia de tiempo en la que se generan.
e. Vertidos continuos: Provienen de procesos en los que existe una entrada y
una salida continua de agua, como son el transporte, lavado, refrigeración,
etc.
f. Vertidos discontinuos: Proceden de operaciones intermedias, son los más
contaminantes; como en el caso de los baños de curtido, lejías negras,
emulsiones, etc. Al aumentar el tamaño de la industria, algunos vertidos
discontinuos pueden convertirse en continuos.
Clasificación de las Industrias según sus Vertidos a. Industrias con efluentes principalmente orgánicos.
b. Industria con efluentes orgánicos e inorgánicos.
c. Industria con efluentes principalmente inorgánicos.
d. Industrias con efluentes con materias en suspensión.
e. Industrias con efluentes de refrigeración.
Los contaminantes más comunes de las descargas industriales en general
proceden de las siguientes fuentes:
Agentes químicos de acondicionamiento de agua para enfriamiento.
Purgas de lodos acumulados en torres de enfriamiento.
Lavado de materias primas.
Procesos de transporte con residuos de producto terminado.
Compuestos químicos usados en el lavado de equipo.
Sustancias químicas empleadas como materias primas y reactivos.
Desechos de materia orgánica generados durante el proceso de
industrialización.
Desechos de ácidos y alcalinos generados en prácticas auxiliares del
proceso industrial, como la generación de intercambios iónicos, lavado de
filtros, limpieza del equipo, etc.
Metales pesados que se generan en algunos procesos de transformación.
Ing. Miriam Vega Loyola.
60
Cada industria, en particular, genera descargas características de acuerdo a los
procesos específicos de transformación de la materia prima.
Son dos las circunstancias que obligan a una industria a dar tratamiento al agua:
a. Para lograr la calidad deseada en el abastecimiento para la propia industria.
b. Para cumplir con las condiciones particulares en su descarga.
Las diferentes industrias generan contaminantes en función de los procesos
productivos que utilizan en la elaboración de sus productos. Por tanto para definir
los tipos de contaminantes que se generan es necesario considerar cada industria
en particular y en ocasiones cada planta de la rama industrial. Algunos factores
que influyen en la diversidad de las aguas residuales para diferentes plantas de un
mismo giro son: la tecnología del proceso, el uso eficiente o no del agua en la
industria, las materias primas empleadas y el manejo de las descargas de aguas
residuales.
Cada actividad industrial aporta una contaminación determinada, por lo que es
conveniente conocer el origen del vertido industrial para valorar su carga
contaminante y su incidencia en el medio receptor, a continuación se describen
algunos ejemplos.
Industria Alimenticia.
Sólidos totales
Sólidos sedimentables
Grasas y Aceites
DBO
DQO
Industria Textil.
Sólidos totales
Sólidos suspendidos totales
Sólidos sedimentables
Ing. Miriam Vega Loyola.
61
Grasas y aceites
DBO
DQO
SAAM
Nitrógeno total
Cobre
Fierro
Cromo hexavalente y trivalente
Industria Papelera.
Color
Materia en suspensión y decantable.
pH en algunos casos.
Contaminación orgánica.
Industria del Curtido.
Alcalinidad
Materia en suspensión y decantable
Contaminación orgánica
Sulfuros
Cromo
Refinerías.
Aceites
Materia orgánica
Fenoles
Amoníaco
Sulfuros
Industrias de acabado de Metales.
pH
Cianuros
Metales, según el proceso de acabado
Industria Lechera.
Materia orgánica
Ing. Miriam Vega Loyola.
62
Las características de las aguas residuales industriales pueden diferir mucho,
tanto dentro como entre las empresas. Dentro de las Industrias más
contaminantes se encuentran:
Centrales Termoeléctricas Convencionales
Industria Productora de Azúcar de Caña
Industria de Refinación de Petróleo Crudo y sus Derivados y Petroquímica
básica
Industria de Fabricación de Fertilizantes
Industria de Productos Plásticos y Polímeros Sintéticos
Industria de Fabricación de Harinas
Industria de Cerveza y Malta
Industria de Fabricación Asbestos de Construcción
Industria de la Celulosa y Papel
Industria de Matanza de Animales
Industria Textil
Industria del Hierro y Acero
Industria del Curtido y Acabado en Pieles
El impacto de los vertidos industriales depende, no solo de sus características
comunes, como la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), sino también de su
contenido en sustancias orgánicas e inorgánicas específicas. En determinados
casos, también será necesario determinar el grado de toxicidad de los efluentes e
identificar las sustancias responsables de dicha toxicidad.
El control puede tener lugar ahí donde se generan dentro de la planta; las aguas
pueden tratarse previamente y descargarse en el sistema de alcantarillado, o
pueden tratarse por completo en la planta y se reutilizadas o vertidas en los
cuerpos de agua.
Ing. Miriam Vega Loyola.
132
Autoevaluación.
1.- Es el parámetro que se considera importante en el crecimiento de las algas y otros
organismos biológicos, debido al nocivo crecimiento incontrolado de algas en aguas
superficiales, se han realizado grandes esfuerzos por controlar las descargas
principalmente industriales, ya que las de tipo doméstico aportan poca cantidad.
a. Nitrógeno.
b. Fósforo.
c. Materia orgánica.
d. Las tres anteriores.
e. Ninguno de los anteriores.
2.- La concentración de este parámetro es aguas residuales está relacionado con su
reutilización, su presencia en aguas naturales proviene de los lixiviados de las rocas y los
suelos con los que ellas hacen contacto. En áreas costeras estas concentraciones pueden
de la intrusión de las aguas salinas o salobres. :
a. Cloruros.
b. Azufre.
c. Carbonatos.
d. Las tres anteriores.
e. Ninguna de las anteriores.
3.- Es el parámetro que nos indica la capacidad que tiene el agua para neutralizar
soluciones ácidas son generadas principalmente por los hidróxidos, carbonatos,
bicarbonatos de calcio, sodio, potasio y magnesio. Este parámetro se utiliza
principalmente para el tratamiento químico de las aguas residuales, en los procesos de
remoción biológica de nutrientes, en la remoción de amoniaco y en tratamiento
anaerobios.
a. pH
b. Dureza.
c. Alcalinidad.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
Ing. Miriam Vega Loyola.
133
4.- Es un parámetro importante en aguas residuales ya que modifica la concentración de
OD, influye en la solubilidad de los contaminantes y en la velocidad de las reacciones
químicas así como de la actividad bacterial (tasas de crecimiento de microorganismos),
aumenta los problemas de olor, color y corrosión.
a. Temperatura.
b. Bacterias.
c. Coliformes fecales
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
5.- En concentraciones altas causan problemas de calidad de aguas para riego y de sabor
para agua de reuso, son comunes en aguas residuales pues la aportación diaria por
persona es de 6 a 9 gramos. Los métodos convencionales de tratamiento, no los
remueven.
a. Grasas y aceites.
b. Nutrientes.
c. Sulfatos.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
6. Son moléculas orgánicas de actividad superficial que provienen de la descarga de
detergentes domésticos, estos tienden a acumularse en la interface aire/agua y pueden
causar la aparición de espumas en las plantas de tratamiento de las aguas residuales y
en la superficie de los cuerpos receptores de los vertimientos del agua residual tratada.
a. Agentes tensoactivos.
b. Jabones y detergentes.
c. Grasas y aceites.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
7.- Son no deseables en aguas superficiales, pues cubren la superficie de lagos y
embalses, proliferan en lagos eutróficos o enriquecidos nutricionalmente, alteran la
calidad del agua produciendo olores y sabores indeseables, al igual que algunos efectos
tóxicos sobre peces.
Ing. Miriam Vega Loyola.
134
a. Nutrientes (Fosfatos, Nitratos).
b. Algas.
c. Bacterias.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores
8.- Es el parámetro para medir la materia orgánica presente en el agua residual, se lleva
cabo la oxidación cuando se inyecta una cantidad conocida de muestra en un horno a alta
temperatura, midiendo el dióxido de carbono en el infrarrojo.
a. Demanda Bioquímica de Oxígeno Carbonatada.
b. Demanda Bioquímica de Oxígeno Nitrogenada.
c. Carbono Orgánico Total.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
9.- Son compuestos aromáticos comunes en aguas residuales, principalmente
provenientes de la industria, no son biodegradables y tienen una alta demanda de
oxígeno.
a. Fenoles.
b. Plaguicidas.
c. Cresoles.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
10.- Son compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno que flotan en el agua residual,
recubren las superficies, causan iridiscencia, interfieren con la actividad biológica, son
sustancias solubles en hexano.
a. Sustancias Activas al Azul de Metileno (SAAM).
b. Grasas y aceites.
c. Clorofenoles.
d. Ninguna de las anteriores.
e. Todas las anteriores.
UNIDAD II
PROCESOS PARA SEPARACIÓN DE CONTAMINANTES
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y comprenderá los distintos procesos biológicos que son
factibles de ser utilizados en el tratamiento de las aguas residuales.
Ing. Miriam Vega Loyola.
64
2.1 Procesos Físicos
Las aguas residuales pueden definirse como las aguas de composición variada
provenientes de las descargas de uso público urbano, doméstico, industrial,
comercial de servicios, agrícola, pecuario, incluyendo fraccionamientos y en
general de cualquier uso así como la mezcla de ellas.
El objetivo del tratamiento de las aguas residuales es la remoción de sustancias
contaminantes a fin de evitar efectos negativos en la calidad de los cuerpos de
agua receptores, y para lograr que la calidad del agua sea la adecuada para las
necesidades de los usuarios.
En la formulación, planeación y diseño de un sistema de tratamiento se puede
considerar objetivos diferentes, teniendo en cuenta la disponibilidad de recursos
económicos y técnicos, así como los criterios establecidos para descarga de
efluentes, algunos de ellos son:
1.- Proteger la Salud Pública y el Ambiente. Si las aguas residuales van a
ser vertidas a un cuerpo receptor natural (mar, ríos, lagos), será necesario realizar
un tratamiento para evitar enfermedades causadas por bacterias y virus en las
personas que entran en contacto con esas aguas, y también para proteger la
fauna y flora presentes en el cuerpo receptor natural.
2.- Reúso del Agua Tratada. Existen actividades en las que no se requiere
utilizar agua potable estrictamente y que se pueden realizar con agua tratada, sin
ningún riesgo a la salud, tales como:
a. Riego de Áreas Verdes como: glorietas, camellones, jardines,
centros recreativos, parques, campos deportivos, fuentes de
ornato.
Ing. Miriam Vega Loyola.
65
b. Industriales y de servicios como: lavado de patios y nave
industrial, lavado de flota vehicular, sanitarios, intercambiadores
de calor, calderas, cortinas de agua, etc.
Con base en lo anterior el objetivo del tratamiento de las aguas residuales es el
garantizar que no existirán efectos nocivos a la salud por entrar en contacto con el
agua tratada en las actividades antes descritas.
Este tipo de objetivos involucran tratamientos de mayor nivel, que generalmente
implican la implementación de las mejores tecnologías y las calidades logradas
son casi tan buenas como las generadas para el agua potable.
Las operaciones realizadas en el tratamiento del agua residual en las cuales el
cambio se lleva a cabo por medio de o a través de la aplicación de las fuerzas
físicas, se conocen como operaciones unitarias. Dado que estas operaciones
originalmente fueron originalmente derivadas de observaciones de la naturaleza,
constituyen los primeros métodos de tratamiento utilizados. Hoy día, las
operaciones físicas unitarias conforman la base de la mayoría de los diagramas de
flujo de los procesos.
Las operaciones unitarias más comúnmente utilizadas en el tratamiento de aguas
residuales incluyen:
a. Desbaste
b. Dilaceración
c. Homogenización del caudal
d. Mezclado
e. Floculación
f. Sedimentación
g. Flotación
h. Filtración
Ing. Miriam Vega Loyola.
66
Las aplicaciones principales de estas operaciones se resumen en la tabla No. 2.1
Operación Aplicación
Desbaste Eliminación de sólidos gruesos y sedimentables por
intercepción (retención en superficie).
Dilaceración Trituración de sólidos gruesos hasta obtener un
tamaño más o menos aceptable.
Homogenización del caudal Regulación del caudal y de las cargas de DBO y de
sólidos en suspensión.
Mezclado Mezclado de los reactivos químicos y gases con el
agua residual, y para mantener los sólidos en
suspensión.
Floculación Provoca la agregación de pequeñas partículas
aumentando el tamaño de las mismas, para mejorar
su eliminación por sedimentación por gravedad.
Sedimentación Eliminación de sólidos sedimentables y
espesamiento de lodos.
Flotación Eliminación de sólidos es suspensión finamente
divididos y de partículas con densidades cercanas a
la del agua.
También espesa lodos biológicos.
Filtración Eliminación de los sólidos finos en suspensión que
quedan tras el tratamiento biológico o químico.
Microtamizado Lo mismo que la filtración también elimina algas
procedentes de los efluentes de los tanques de
estabilización.
Tabla 2.1 Aplicaciones de las operaciones físicas unitarias en el tratamiento de A.R.
A continuación se describirán brevemente algunas de estas operaciones; otras
como cribado, mezclado, floculación, sedimentación; serán tratados en la unidad
tres.
Ing. Miriam Vega Loyola.
67
Tamices Los tamices se caracterizan por disponer de aberturas libres inferiores a los 15
mm y normalmente se emplean en plantas de pequeño tamaño, en las que se
eliminan del agua residual entrante los sólidos de menor tamaño, aunque también
tiene aplicaciones dentro del tratamiento primario y del tratamiento secundario.
Los primeros tamices eran de tipo circular o de disco y se empleaban como medio
para proporcionar un tratamiento primario, en lugar del actual tanque de
sedimentación. Los tamices modernos son de tipo estático (fijos) o de tambor
giratorio, provistos de una malla fina de acero inoxidable o de un material no
férreo.
Los tamices van a retener sólidos suspendidos afluentes que contienen o están
compuestos por materia putrescible (incluida la materia fecal patógena) y
cantidades sustanciales de grasas y espumas, por lo que el manejo de estos
residuos requiere especial atención.
Dilaceración Su objetivo es triturar las materias sólidas arrastradas por el agua. Esta operación
no está destinada a mejorar la calidad del agua bruta ya que las materias
trituradas no son separadas, sino que se reincorporan al circuito y pasan a los
demás tratamientos, por lo que este paso no se suele utilizar, a no ser que no
haya desbaste, con lo que si es necesario incluirlo en el diseño y funcionamiento
de la planta.
Pero, a veces, aunque haya un desbaste previo, se suelen utilizar dilaceradores
para tratar los detritus retenidos en las rejas y tamices, siendo después vueltos a
incorporar al agua.
Consta el dilacerador, de un tamiz tipo tambor que gira alrededor de un eje vertical
provisto de ranuras con un paso entre 6-10 mm. Los sólidos se hacen pasar a
través de unas barras de cizalladura o dientes cortantes donde son triturados
antes de llegar al tambor. Se homogeneizan en tamaño y atraviesan las ranuras,
Ing. Miriam Vega Loyola.
68
saliendo por una abertura de fondo mediante un sifón invertido, siguiendo su
camino aguas abajo.
Esta operación está muy cuestionada y actualmente casi ha desaparecido de la
mayoría de las instalaciones, por dos razones:
1. No es lógico mantener o retornar al proceso aquellos sólidos que pueden
eliminarse por desbaste o tamizado, ya que lo que hacemos es empeorar la
calidad del agua residual que va a ser tratada posteriormente.
2. En la práctica, esta operación presenta varios inconvenientes:
a. La necesidad de una atención frecuente debido a que se trata de un
material muy delicado.
b. El peligro de obstrucción de tuberías y bombas provocada por la
acumulación en masas de las fibras textiles o vegetales unidas a las
grasas.
c. La formación de una costra de lodo en los digestores anaerobios.
Las tareas a realizar son las que siguen:
Vigilar las posibles obstrucciones de las tuberías.
Reponer los dientes del tambor, en caso de rotura.
Vaciar el contenedor de los sólidos que pueden estar retenidos.
Todas estas operaciones se deben realizar con la maquina desconectada.
Ing. Miriam Vega Loyola.
69
2.2 Procesos Químicos
Precipitación Química La precipitación química en el tratamiento de las aguas residuales lleva consigo la
adición de productos químicos con la finalidad de alterar el estado físico de los
sólidos disueltos y en suspensión, y facilitar su eliminación por sedimentación. En
algunos casos, la alteración es pequeña, y la eliminación se logra al quedar
atrapados dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el
propio coagulante. Otra consecuencia de la adición de productos químicos es el
incremento neto en los constituyentes disueltos del agua residual. Los procesos
químicos, junto con algunas de las operaciones físicas unitarias, se han
desarrollado para proporcionar un tratamiento secundario completo a las aguas
residuales no tratadas, incluyendo la eliminación del nitrógeno, del fósforo, o de
ambos a la vez. También se han desarrollado otros procesos químicos para la
eliminación del fósforo por precipitación química, y están pensados para su
utilización en combinación con procesos de tratamiento biológicos.
El objetivo de esta sección es identificar y discutir los siguientes aspectos:
1. Reacciones de precipitación que tienen lugar cuando se añaden diversos
productos químicos para mejorar el comportamiento y el rendimiento de las
instalaciones de tratamiento de las aguas residuales
2. Reacciones químicas que intervienen en el proceso de precipitación del
fósforo en el agua residual
3. Algunos de los aspectos teóricos más importantes de la precipitación
química. Los cálculos que se realizan para determinar la cantidad de fango
producida como resultado de la adición de los diversos productos químicos.
A lo largo de los años, se han empleado muchas sustancias de diversa naturaleza,
como agentes de precipitación, las más comunes de las cuales se presentan en la
Tabla No.2.2. El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de
productos químicos que se añade como del nivel de control de los procesos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
70
Mediante precipitación química, es posible conseguir efluentes clarificados
básicamente libres de materia en suspensión o en estado coloidal y se puede
llegar a eliminar del 80 al 90% de la materia total suspendida, entre el 40 y el 70 %
de la DBO5, del 30 al 60% de la DQO y entre el 80 y el 90% de las bacterias.
Estas cifras contrastan con los rendimientos de eliminación de los procesos de
sedimentación simple, en los que la eliminación de la materia suspendida sólo
alcanza valores del 50 al 70% y en la eliminación de la materia orgánica sólo se
consigue entre el 30 y el 40 %.
Producto químico Fórmula
Sulfato de alúmina Al2(S04)3 18H2O Al2(S04)3. l4H2O
Cloruro férrico FeCI3
Sulfato férrico Fe2(S04)3 Fe2(S04)3 3H20
Sulfato ferroso Fe504. 7 H20
Cal Ca(OH)2
Tabla No. 2.2 Productos químicos empleados en el tratamiento del AR
Los productos químicos que se añaden al agua residual reaccionan con las
sustancias habitualmente presentes en el agua o que se añaden a ella para tal fin.
Ing. Miriam Vega Loyola.
71
Sulfato de alúmina
Cuando se añade sulfato de alúmina al agua residual que contiene alcalinidad en
forma de bicarbonato cálcico y magnésico, la reacción que tiene lugar se puede
ilustrar de la siguiente manera:
A]2(S04)3. 18 H20 + 3 Ca(HCO3)2 ~3 CaSO4~ + 2 Al(OH)3 ± 6 CO2 + 18 H20
Los números indicados encima de las fórmulas químicas corresponden a los
pesos moleculares de combinación de las diferentes sustancias y denotan, por lo
tanto, la cantidad de cada una de ellas que interviene en el proceso. El hidróxido
de aluminio insoluble es un flóculo gelatinoso que sedimenta lentamente en el
agua residual, arrastrando consigo materia suspendida y produciéndose otras
alteraciones. La reacción es exactamente análoga cuando se sustituye el
bicarbonato cálcico por la sal de magnesio.
Transferencia de gases
La transferencia de gases se puede definir como el fenómeno mediante el cual se
transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase gaseosa a la líquida. Es
una componente esencial de gran número de los procesos de tratamiento del agua
residual. Por ejemplo, el funcionamiento de los procesos aerobios, tales como la
filtración biológica, los fangos activados y la digestión aerobia, depende de la
disponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. Para alcanzar los objetivos de
desinfección se transfiere cloro en forma gaseosa a una disolución en agua. Es
frecuente añadir oxígeno al efluente tratado después de la cloración (post-
aireación). Uno de los procesos de eliminación de los compuestos del nitrógeno
consiste en la conversión del nitrógeno en amoníaco y la posterior transferencia
del amoníaco en forma gaseosa del agua al aire.
Ing. Miriam Vega Loyola.
72
Descripción
En el campo del tratamiento del agua residual, la aplicación más común de la
transferencia de gases consiste en la transferencia de oxígeno en el tratamiento
biológico del agua residual. Dada la reducida solubilidad del oxígeno y la baja
velocidad de transferencia que ello comporta, suele ocurrir que la cantidad de
oxígeno que penetra en el agua a través de la interfase aire-superficie del líquido
no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno del tratamiento aerobio. Es
preciso crear interfases adicionales para conseguir transferir la gran cantidad de
oxígeno necesaria. Para conseguir este propósito se puede introducir en el agua
aire u oxígeno, o se puede exponer el líquido a la atmósfera en forma de
pequeñas gotas.
Para crear interfase gas-agua adicionales, el oxígeno se puede suministrar en
forma de burbujas de aire o de oxígeno puro. En la mayoría de las plantas de
tratamiento de aguas residuales, la aireación se lleva a cabo mediante la
dispersión de burbujas sumergidas a profundidades de hasta 10 m. En algunos
diseños europeos se han llegado a introducir las burbujas a profundidades
superiores a los 30 m. Los diferentes sistemas de aireación incluyen placas y
tubos porosos, tubos perforados, y diferentes configuraciones de difusores
metálicos y de plástico. También se pueden emplear aparatos de cizalladura
hidráulica, que rompen las burbujas en burbujas de menor tamaño al hacer circular
el fluido a través de un orificio. Los mezcladores de turbina se pueden emplear
para dispersar burbujas de aire introducidas en el tanque bajo el centro del
elemento impulsor.
Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes
cantidades de oxígeno, consisten en turbinas de alta o de baja velocidad o en
unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del líquido
parcialmente sumergidas. Estos aireadores se proyectan, tanto para mezclar el
contenido del tanque, como para exponer el líquido a la acción de la atmósfera en
forma de pequeñas gotas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
73
Adsorción El proceso de adsorción consiste, en términos generales, en la captación de
sustancias solubles presentes en la interfase de una solución. Esta interfase
puede hallarse entre un líquido y un gas, un sólido, o entre dos líquidos diferentes.
A pesar de que la adsorción también tiene lugar en la interfase aire-líquido en el
proceso de flotación, en esta sección sólo se considerará la adsorción en la
interfase entre líquido y sólido. El proceso de adsorción no se ha empleado
demasiado a menudo hasta el momento, pero la necesidad de una mayor calidad
del efluente de los tratamientos de aguas residuales ha conducido a un estudio
más detallado del proceso de adsorción sobre carbón activado y de sus
aplicaciones.
El tratamiento del agua residual con carbón activado suele estar considerado
como un proceso de refino de aguas que ya han recibido un tratamiento biológico
normal. En este caso, el carbón se emplea para eliminar parte de la materia
orgánica disuelta. Asimismo, es posible eliminar parte de la materia particulada
también presente, dependiendo de la forma en que entran en contacto el carbón y
el agua.
Análisis del proceso de adsorción El proceso de adsorción tiene lugar en tres etapas:
a. Macrotransporte
b. Microtransporte y;
c. Sorción.
El macrotransporte engloba el movimiento por advección y difusión de la materia
orgánica a través del líquido hasta alcanzar la interfase líquido-sólido. Por su
parte, el microtransporte hace referencia a la difusión del material orgánico a
través del sistema de macroporos del carbón activado granular hasta alcanzar las
zonas de adsorción que se hallan en los microporos y submicroporos de los
gránulos de carbón activado.
Ing. Miriam Vega Loyola.
74
La adsorción se produce en la superficie del gránulo y en sus macroporos y
mesoporos, pero el área superficial de estas zonas, es tan pequeña comparada
con el área de los micro y submicroporos, que la cantidad de material adsorbido
en ellos se considera despreciable. El uso del término sorción se debe a la
dificultad de diferenciar la adsorción física de la adsorción química, y se emplea
para describir el mecanismo por el cual la materia orgánica se adhiere al carbón
activado. El equilibrio se alcanza cuando se igualan las tasas de sorción y
desorción, momento en el que se agota la capacidad de adsorción del carbón. La
capacidad teórica de adsorción de un determinado contaminante por medio del
carbón activado se puede determinar calculando su isoterma de adsorción.
La cantidad de adsorbato que puede retener un adsorbente es función de las
características y de la concentración del adsorbato y de la temperatura. En
general, la cantidad de materia adsorbida se determina como función de la
concentración a temperatura constante, y la función resultante se conoce con el
nombre de isoterma de adsorción.
Procesos Químicos unitarios
Los procesos empleados en el tratamiento de las aguas residuales en los que las
transformaciones se producen mediante reacciones químicas reciben el nombre
de procesos químicos unitarios. Con el fin de alcanzar los objetivos de tratamiento
del agua residual, los procesos químicos unitarios se llevan a cabo en
combinación con las operaciones físicas unitarias.
Desinfección
La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan
enfermedades. No todos los organismos se destruyen durante el proceso, punto
en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y la esterilización,
proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. En el
campo de las aguas residuales, las tres categorías de organismos entéricos de
origen humano de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son
Ing. Miriam Vega Loyola.
75
las bacterias, los virus y los quistes amebianos. Las enfermedades bacterianas
típicas transmitidas por el agua son: tifus, cólera, paratifus y la disentería bacilar,
mientras que las enfermedades causadas por los virus incluyen, entre otras, la
poliomelitis y la hepatitis infecciosa.
Descripción de los objetivos y métodos de desinfección Los requisitos que debe cumplir un desinfectante químico, en la que se puede
apreciar que un desinfectante ideal debería tener una gran variedad de
características. A pesar de que tal compuesto puede no existir, es preciso tener en
cuenta los requisitos propuestos a la hora de valorar los desinfectantes propuestos
o recomendados. También es importante que los desinfectantes sean seguros en
su aplicación y manejo, y que su fuerza o concentración en las aguas tratadas sea
medible y cuantificable. Los métodos más empleados para llevar a cabo la
desinfección son:
Agentes químicos
Agentes físicos
Medios mecánicos
Radiación.
Ing. Miriam Vega Loyola.
135
Autoevaluación.
1.- Mencione y explique al menos cinco situaciones que generan la problemática
de las plantas de tratamiento de Agua, comente algunas cifras
2.- Mencione y explique al menos cinco disciplinas que intervienen en la
problemática del agua.
3.- Explique al menos tres fuentes de origen de aguas residuales industriales y el
tipo de agua que descargan.
4.- Explique al menos tres métodos para medir caudales.
5.- Elabore y explique una gráfica que ejemplifique el comportamiento de los
caudales en las plantas de tratamiento, considere los máximos y mínimos.
6.- Dibuje un diagrama de la planta de tratamiento indicando los diversos
procesos, desde la entrada del influente hasta la salida del efluente tratado.
7.- Explique la diferencia entre gasto másico y gasto volumétrico, cuales son las
unidades en que se reporta cada uno.
8.- Realice una línea del tiempo que ilustre la historia del tratamiento de agua
residual.
9.- Identifique los equipos o sistemas empleados en el pretratamiento y
tratamiento primario.
10.- Elabore un reporte acerca del funcionamiento de la planta y su eficiencia.
UNIDAD III
PROCESOS FÍSICOS DE SEPARACIÓN.
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y comprenderá los diversos procesos físicos que son
factibles de ser utilizados en el tratamiento de las aguas y aguas residuales.
Ing. Miriam Vega Loyola.
77
3.1 Cribado [Rejillas y Cribas]
Desbaste (Cribado).
La primera operación unitaria que tiene lugar en las plantas de tratamiento de
aguas residuales, es la operación de desbaste. Una rejilla es un elemento con
aberturas, generalmente de tamaño uniforme, que se utiliza para retener los
sólidos gruesos existentes en el agua residual. Las aberturas libres entre barras
suelen ser de 15 mm o mayores. En ellas van a quedar retenidos sólidos de gran
tamaño tales como piedras, ramas, trozos de chatarra, papel, raíces de árboles,
plásticos y trapos. Al quedar eliminados estos componentes del agua residual en
primer lugar, se van a impedir daños y obturaciones en bombas, válvulas,
conducciones y otros elementos presentes en posteriores procesos de tratamiento
en la planta.
Los elementos separadores pueden estar constituidos por barras, alambres o
varillas paralelas, rejillas, telas metálicas o placas perforadas, y las aberturas
pueden ser de cualquier forma, aunque normalmente suelen ser ranuras
rectangulares u orificios circulares.
Según el método de limpieza que se emplee, los tamices y rejas pueden ser de
limpieza manual o automática. Generalmente, las rejas tienen aberturas
(separación entre las barras) superiores a 15 mm, mientras que los tamices tienen
orificios de tamaño inferior a este valor.
Algunas características del cribado son:
Se usa para eliminar troncos, ramas, basura y otros además de cualquier
material que pueda dañar el equipo o tapar las tuberías
La distancia o abertura de las rejillas depende del objeto
La limpieza puede ser manual o mecánica
Ing. Miriam Vega Loyola.
78
Tipos de rejas de barras
Las rejas están formadas por barras metálicas verticales o inclinadas, espaciadas
en intervalos iguales, pueden tener una inclinación de 30 a 60º respecto a la
vertical. Existen dos tipos de rejas de barras en función del sistema de limpieza de
las mismas, que puede ser manual o mecánico (automático). En la tabla No. 3.1,
se comparan las características de ambos tipos.
Característica Limpieza manual Limpieza automática
Tamaño de la barra Anchura (mm) 5-15 5-15
Profundidad (mm) 25-37.5 25-37.5
Separación entre barras (mm) 25-50 15-75
Pendiente en relación a la vertical (º) 30-45 0-30
Velocidad de aproximación (m/s) 0.3-0.6 0.6-1.1
Pérdida de carga admisible (mm) 150 150 Tabla No. 3.1 Características del tipo de rejas Fuente: Metcalf, 1994
1. Rejas de limpieza manual. Se emplean frecuentemente en instalaciones
de pequeño tamaño y actualmente se tiende a instalar equipos de limpieza
automática para facilitar las operaciones y reducir al máximo los trabajos
manuales. En los casos en los que se utilicen, su longitud no deberá
exceder de la que permita su correcta limpieza, es decir, unos 3 metros.
Las barras que conforman la reja no suelen exceder de los 10 mm de
anchura por 50 mm de profundidad.
2. Rejas de limpieza automática. Incorporan un peine rascador que
periódicamente y de manera automática limpia la reja por la cara anterior
(aguas arriba) o posterior (aguas abajo). El peine rascador puede funcionar
de manera continua o se puede activar al superarse cierto valor establecido
de pérdida de carga o mediante temporizador. El canal de las rejas se debe
proyectar de forma que se evite la acumulación y sedimentación de arenas
y otros sólidos de gran tamaño, y para ello se recomiendan velocidades de
aproximación superiores a 0.4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso
Ing. Miriam Vega Loyola.
79
a través de las barras no deberá ser superior a 0.9 m/s para evitar el
arrastre de basuras a través de las rejas. Los residuos se suelen descargar
a una cinta transportadora o a un sistema de evacuación neumático para su
transporte a una tolva de almacenamiento, compactador o incinerador.
Se expone a continuación un esquema básico de un sistema de rejas inclinadas.
Figura No. 3.1.
Fig. 3.1 Rejas inclinadas
Rejillas
Tienen la misma función que las rejas, la diferencia es su tamaño de
abertura de 1.5 a 5 cm y las rejas van de 5 a 10 cm.
Tamices
Tiene la misma función que los dos anteriores pero sus aberturas van
de 22 a 32 mm.
Ing. Miriam Vega Loyola.
80
En la siguiente tabla (No. 3.2), se presentan algunos de los propósitos por los que
se implementa el cribado.
Tabla No. 3.2 Propósitos del cribado. Fuente: Metcalf, 1994
Consideraciones de Diseño. El diseño de las rejas y rejillas depende de las características de los materiales a
eliminar y al sistema de limpieza, para el diseño se establece lo siguiente
1. Suponer un número de barras con: espesor, diámetro y una separación
2. Calcular el ancho de la reja
3. Calcular la superficie mojada
4. Cálculo del caudal medio
5. Calcular la velocidad del flujo al pasar por la reja
6. Cálculo de la carga de velocidad de acercamiento de flujo para cada
espaciamiento
7. Calculo de la perdida de carga hidráulica
8. Cálculo del nivel del agua
9. Calcular la velocidad
Ejemplo Diseñar una rejilla para que un influente de agua residual doméstica considerando
que se tienen barras de acero circulares con un ancho de 15mm, el ángulo que se
desea para la rejilla es de 60º y el espacio entre barras es de 30 mm. La dotación
Tipo Tamaño común Propósito
Rejillas p/basura 5 a 10 cm Proteger bombeo y equipo de objetos
grandes
Rejillas 1.5 a 5 cm Proteger bombas
Tamices 22 a 32 mm Protege las boquillas de los filtros
percoladores
Rejillas finas 5 mm o menos Tratamiento preliminar para remoción
de partículas pequeñas
Ing. Miriam Vega Loyola.
81
de agua por habitante al día es de 250 L y la población es de 150 mil habitantes.
Considerar un tirante o profundidad de la rejilla de 1.5 m, la velocidad de flujo es
de 0.45 m/s.
1. Calcular Q= (m3/s) 250 l 1 m3 1 dia 1 h 1 min = 2.8935E-6 m3 * 150000 hab Dia 1000 l 24 h 60 min 60 s Q= 0.4340 m3/s
2. Área total AT= Q/V= Gasto/Velocidad AT = 0.4340 m3/s = 0.9644 m2 0.45 m/s
3. Número de barras ao= n(d1)+ (n-1)b Donde: ao= Ancho de la reja n= Número de espacios n-1= Número de barras b= Espacio entre barras d1= Ancho de barra Ancho de reja (ao) ao= AT/Tirante = 0.9644 m2 = 0.6459 m 1.5 m 0.6429= n (0.014)+)n-1)(0.03) 0.6429= 0.015 n+0.03 n-0.03 0.6429+0.03= 0.045 m 0.6729= 0.045 m n= 0.6729*0.045= 14.9533 Número de espacios; n= 15 espacios n-1= Número de barras; 15-1= 14 barras
Ing. Miriam Vega Loyola.
82
4. Superfície mojada AER AER= nbt n= Número de espacios T= tirante b= Espacio entra barras AER= Área de entrada de cada reja g = Aceleración de la gravedad C = Coeficiente de fricción AER = (15)(0.03m)(1.5m) = 0.675 m2
5. Velocidad del flujo Al pasar entre rejas V2= Q/AER = 0.4340 m3/s = 0.6429 m/s 0.675 m2
6. Carga de velocidad de acercamiento para cada espacio de rejilla (hv) Hv = V2
2 = ( 0.6429 m/s)2 = 0.02106 m 2g 2* 9.81 m/s 2
7. Pérdida de carga hidráulica para rejilla limpia
hL= 1.79 (0.015 m/ 0.03 m) 4/3 = 0.0129 m
8. Pérdida de carga hidráulica para el 50% de obstrucción Hf = V2
2-V1 ; hf= (0.6429 m/s)2- ( 0.45 m/s)2 = 0.0179 m 2g C 2*9.81m/s * 0.6
Ejercicio.
Una rejilla de barras circulares de 2 cm de diámetro instalada con una inclinación
de 50º respecto a la horizontal con un espesamiento libre entre barras de 2.5 cm
recibe un caudal de L/s. Con una velocidad de 0.6 m/s y una profundidad de .75m
calcule el nº de rejas, cargas hidráulicas, área total, velocidad de flujo y la pérdida
de carga considerando una obstrucción del 30%.
Ing. Miriam Vega Loyola.
83
3.2 Almacenamiento de Excedentes [Igualación]
Igualación. El igualamiento consiste e amortiguar las variaciones para lograr un caudal
aproximadamente constante, tiene entre otros, los siguientes propósitos:
Superar los problemas operacionales causados por las variaciones del
caudal.
Proveer un control adecuado de pH para minimizar los requerimientos
posteriores de dosificación en procesos de neutralización.
Mejorar la eficiencia de los procesos de tratamiento biológico al controlar
las cargas de choque orgánicas.
Permitir descarga de caudales muy variables al alcantarillado municipal.
Proveer un flujo continuo en plantas de residuos industriales con operación
de procesos intermitentes.
Homogeneización o Igualación de Caudales La homogeneización o igualamiento consiste simplemente en amortiguar por
laminación las variaciones del caudal, con el objeto de conseguir un caudal
constante o casi constante. Esta técnica puede aplicarse en situaciones diversas,
dependiendo de las características de la red de alcantarillado. Se usa
principalmente para igualar:
a. Caudal en tiempo seco
b. Caudales procedentes de redes de alcantarillado separadas en épocas
lluviosas
c. Caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias en combinación
de aguas pluviales y aguas residuales sanitarias.
d. Caudales de plantas industriales.
La aplicación de la homogenización de caudales en el tratamiento del agua
residual, se da en «línea», en donde la totalidad del caudal pasa por el tanque de
Ing. Miriam Vega Loyola.
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homogenización. Este sistema permite reducir las concentraciones de los
diferentes constituyentes y amortiguar los caudales de forma considerable. En la
disposición «en derivación», sólo se hace pasar por el tanque de
homogeneización el caudal que excede un límite prefijado.
Las principales ventajas que produce la homogenización de los caudales son las
siguientes:
a. Mejora del tratamiento biológico, ya que se eliminan o reducen las cargas
de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar
el pH.
b. Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de
sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes.
c. Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente,
mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de
lavado más uniformes.
d. Uniformiza la carga de sólidos sobre el sedimentador secundario y mejora
el espesamiento de los lodos.
e. En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas
mejora el control de la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del
proceso.
f. Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de
tratamiento, la homogenización del caudal es una opción alternativa para
incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran
sobrecargadas.
Localización de las instalaciones de homogenización.
La ubicación óptima de las instalaciones de homogeneización debe determinarse
para cada caso concreto. Dado que la localización óptima variará en función del
tipo de tratamiento, de las características de la red de alcantarillado y de las del
agua residual, de las condiciones físicas del sistema de conducción y del tipo de
Ing. Miriam Vega Loyola.
85
tratamiento, es preciso llevar a cabo un estudio detallado de las diferentes
posibilidades. Probablemente, la localización más indicada continuará siendo en
las plantas de tratamiento existentes o en fase de proyecto.
También es necesario considerar la integración de las instalaciones de
homogenización en el diagrama de flujo de los procesos de tratamiento. En
ocasiones, puede resultar más interesante situar la homogenización después del
tratamiento primario y antes del biológico, pues así se reducen los problemas
originados por el lodo y las espumas. Si las instalaciones de homogenización se
sitúan por delante de la sedimentación primaria y del tratamiento biológico, el
proyecto debe tener en cuenta la provisión de un grado de mezclado suficiente
para prevenir la sedimentación de sólidos y las variaciones de concentración y
dispositivos de aireación suficientes para evitar los problemas de olores.
Los tanques de igualamiento requieren generalmente mezcla, para asegurar un
igualamiento adecuado y para prevenir asentamiento de sólidos sedimentables en
el tanque. Este tanque puede ser de profundidad variable, para proveer un caudal
constante, o de volumen constante y efluente igual al afluente, cuando el propósito
es igualar características del afluente, como su acidez, alcalinidad y pH, para
optimizar tratamiento químico o biológico posterior. A continuación se muestra el
diagrama de flujo de una planta de tratamiento, figura No. 3.2.
Fig. No. 3.2 Diagrama de flujo de una PTAR con igualamiento en línea
Desarenador Tanque de Igualamiento
PTAR
AR Caudal
Cte.
Efluente
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3.3 Mezclado
Mezclado
El mezclado es una operación unitaria de gran importancia en cualquier fase del
tratamiento de aguas residuales, entre las que podemos citar:
Mezcla completa de una sustancia con otra
Mezcla de suspensiones líquidas
Mezcla de líquidos miscibles
Floculación
Transferencia
Como ejemplo, se puede citar el mezclado del cloro o hipoclorito con el efluente
procedente de los tanques de sedimentación secundaria, en la última parte del
proceso. Los productos químicos se mezclan igualmente con el lodo para mejorar
sus características de deshidratación antes de la filtración a vacío. En el tanque de
digestión, se utiliza el mezclado frecuentemente para asegurar un contacto íntimo
entre el sustrato y los microorganismos. En el tanque del proceso biológico, el aire
deberá mezclarse con el lodo activado con el fin de proporcionar a los organismos
el oxígeno requerido.
La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las
aguas residuales puede clasificarse en continuas y rápidas continuas (30
segundos o menos). Estas últimas suelen emplearse en los casos en los que debe
mezclarse una sustancia con otra, mientras que las primeras tienen su aplicación
en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del
reactor o del depósito. A continuación se analiza cada uno de estos tipos de
mezclado.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Mezcla rápida continua de productos químicos.
En el proceso de mezcla rápida continua, el principal objetivo consiste en mezclar
completamente una sustancia con otra. La mezcla rápida puede durar desde una
fracción de segundo hasta alrededor de 30 segundos. La mezcla rápida de
productos químicos se puede llevar a cabo mediante diversos sistemas, entre los
que destacan:
1. Resaltos hidráulicos en canales
2. Dispositivos Venturi
3. Conducciones
4. Por bombeo
5. Mediante mezcladores estáticos
6. Mediante mezcladores mecánicos
En los cuatro primeros, el mezclado se consigue como consecuencia de las
turbulencias que se crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, las
turbulencias son inducidas y se producen como consecuencia de la disipación de
energía, por el uso de impulsores giratorios como; paletas, turbinas y hélices;
mientras que en los mezcladores mecánicos las turbulencias se consiguen
mediante la aportación de energía con impulsores giratorios como las paletas,
hélices y turbinas.
Mezcla continua en reactores y tanques de retención.
En el proceso de mezcla continua, el principal objetivo consiste en mantener un
estado de mezcla completa con el contenido del reactor o del tanque de retención.
El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante diversos sistemas, entre los
cuales se encuentran:
a. Mezcladores mecánicos. Se lleva a cabo mediante los mismos
procedimientos y medios que el mezclado mecánico rápido continuo.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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b. Mecanismos neumáticos. Se aplica en la inyección de gases, que
constituye un factor importante en el diseño de los canales de aireación del
tratamiento biológico del agua residual.
c. Mezcladores estáticos. Un canal con pantallas deflectoras es un tipo de
mezclador estático que se emplea en el proceso de floculación.
d. Por bombeo.
Suelen utilizarse algunos dispositivos como los agitadores de paletas que giran
lentamente puesto que tienen una superficie grande de acción sobre el fluido. Los
agitadores de paletas se emplean como elementos de floculación cuando se debe
añadir al agua residual, o a los lodos, coagulantes como el sulfato férrico o de
aluminio, o coadyuvantes a la coagulación como los polielectrolitos y la cal.
La coagulación se promueve, mecánicamente, con una agitación moderada con
palas girando a velocidades bajas. Esta acción se complementa, en ocasiones,
con la disposición de unas hojas o láminas estáticas entre las palas giratorias para
reducir el movimiento circular de la masa de agua y favorecer así el mezclado. El
aumento del contacto entre partículas conduce a un incremento del tamaño del
flóculo, pero una agitación demasiado vigorosa puede producir tensiones que
destruyan los flóculos formando partículas de menor tamaño.
Es importante controlar adecuadamente la agitación, de modo que los tamaños de
los flóculos sean los adecuados y sedimenten rápidamente. La producción de un
buen flóculo requiere generalmente un tiempo de retención entre 10 y 30 minutos.
Los fabricantes de equipos han llevado a cabo numerosos estudios para obtener
las configuraciones idóneas de las dimensiones de las paletas, separación entre
ellas y velocidad de rotación. Se ha podido constatar que una velocidad lineal de
aproximadamente, 0.6 a 0.9 m/s en los extremos de las paletas crea suficiente
turbulencia sin romper los flóculos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
89
3.4 Floculación
Floculación. Una parte esencial de cualquier sistema de precipitación química, o químicamente
asistida, es la agitación, con proyecciones a aumentar la posibilidad del contacto
entre partículas (floculación), tras la adición de los productos químicos.
La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de
sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales
presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado.
Este proceso es precedido por la coagulación, por eso se suele hablar de los
procesos de coagulación-floculación. Ambos facilitan la retirada de las sustancias
en suspensión y de las partículas coloidales, de manera general se entiende en
dos pasos, estos son:
a. La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas
por la adición de un reactivo químico llamado coagulante, el cual,
neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a
unirse entre sí, y;
b. La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en
microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a
depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin,
denominados sedimentadores.
Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de
velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes
al aumentar la probabilidad de que las partículas se unan y da más tiempo para
que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así se acumulen en el
fondo. Por otra parte el pH es un factor prominente en acción desestabilizadora de
las sustancias coagulantes y floculantes.
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90
La solución floculante más adaptada a la naturaleza de las materias en
suspensión con el fin de conseguir aguas decantadas limpias y la formación de
lodos espesos se determina por pruebas, ya sea en laboratorio o en el campo.
En la minería, los floculantes utilizados son polímeros sintéticos de alto peso
molecular, cuyas moléculas son de cadena larga y con gran afinidad por las
superficies sólidas. Estas macromoléculas se fijan por adsorción a las partículas y
provocan así la floculación por formación de puentes interpartículas.
La floculación se ve favorecida por una agitación moderada con paletas a poca
velocidad. A veces la acción es mejorada por la instalación de paletas auxiliares
fijas, o paletas estáticas, situadas entre las paletas móviles, que sirven para
interrumpir la rotación de masa del líquido y activar el mezclado. Un mayor
contacto entre las partículas favorecerá la formación de flóculos; sin embargo si la
agitación fuese demasiado fuerte, los esfuerzos cortantes que se producen
romperán el flóculo en partículas más pequeñas. La agitación debe controlarse
con mucho cuidado, de modo que los flóculos sean del tamaño adecuado y se
depositen rápidamente.
Se han realizado numerosos experimentos por parte de fabricantes de equipos y
operadores de plantas para determinar la configuración óptima del tamaño de la
paleta, su espaciamiento y velocidad. Se ha comprobado que una velocidad en la
punta de la paleta de aproximadamente 0.6 a 0.9 m/s consigue suficiente
turbulencia sin romper el floculo.
Ing. Miriam Vega Loyola.
91
3.5 Sedimentación [desarenación y clarificación]
Sedimentación. La sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de las
partículas suspendidas cuyo peso específico es mayor que el del agua. Es una de
las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de las aguas residuales.
Los términos sedimentación y decantación se utilizan indistintamente.
Esta operación se emplea para la eliminación de arenas, de la materia en
suspensión, del flóculo biológico en los decantadores secundarios, en los
procesos de lodo activado, tanques de decantación primaria, de los flóculos
químicos cuando se emplea la coagulación química; y para la concentración de
sólidos en los espesadores de lodo.
En la mayoría de los casos, el objetivo principal es la obtención de un efluente
clarificado, pero también es necesario producir un lodo cuya concentración de
sólidos permita su fácil tratamiento y manejo. En el proyecto de tanques de
sedimentación, es necesario prestar atención en la obtención de un efluente
clarificado, así como a la producción de un lodo concentrado.
En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de las partículas,
se pueden producir cuatro tipos de sedimentación:
a. Discreta
b. Floculenta
c. Retardada (también llamada zonal)
d. Compresión
En la siguiente tabla se resume cada una de ellas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Tipo de fenómeno
Sedimentación Descripción
Aplicación/Situaciones
en que se presenta
Partículas discretas
(Tipo 1)
Se refiere a la sedimentación de partículas en una suspensión con baja concentración de sólidos. Las partículas sedimentan como entidades individuales y no existe interacción sustancial con las partículas vecinas.
Eliminación de las arenas del agua residual.
Floculenta
(Tipo 2)
Se refiere a una suspensión bastante diluida de partículas que se agregan, o floculan, durante el proceso de sedimentación. Al unirse, las partículas aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad.
Eliminación de una fracción de los sólidos en suspensión del agua residual bruta en los tanques de sedimentación primaria, y en la zona superior de los decantado-res secundarios. También elimina los flóculos químicos de los tanques de sedimentación.
Retardada,
llamada zonal
(Tipo 3)
Se refiere a suspensiones de concentración intermedia, en las que las fuerzas entre partículas son suficientes para entorpecer la sedimentación de las partículas vecinas. Las partículas tienden a permanecer en posiciones relativas fijas, y la masa de partículas sedimenta como una unidad. Se desarrolla una interfase sólido-líquido en la parte superior de la masa que sedimenta.
Se presenta en los tanques de sedimentación secundaria empleados en las instalaciones de tratamiento biológico.
Compresión
(Tipo 4)
Se refiere a la sedimentación en la que las partículas están concentradas de tal manera que se forma una estructura, y la sedimentación sólo puede tener lugar como consecuencia de la compresión de esta estructura. La compresión se produce por el peso de las partículas, que se van añadiendo constantemente a la estructura por sedimentación desde el líquido sobrenadante.
Generalmente, se produce en las capas inferiores de una masa de fango de gran espesor, tal como ocurre en el fondo de los decantadores secundarios profundos y en las instalaciones de espesamiento de fangos.
Tabla No. 3.3 Tipos de sedimentación que intervienen en el tratamiento del agua residual
Ing. Miriam Vega Loyola.
93
Sedimentación acelerada
La sedimentación, se produce debido a la acción de la fuerza de la gravedad
dentro de un campo de aceleración constante. La eliminación de partículas
sedimentables también puede llevarse a cabo aprovechando las propiedades de
un campo de aceleraciones variable.
Para la eliminación de arenas del agua residual se han desarrollado numerosos
aparatos que aprovechan tanto la acción de las fuerzas gravitacionales, como la
acción de la fuerza centrífuga y las velocidades inducidas. Los principios en los
que se basa uno de estos aparatos, conocido como Teacup separator (separador
en forma de taza de té). A primera vista, el separador tiene forma de cilindro
achatado. El agua residual se introduce tangencialmente cerca del fondo del
cilindro, y se extrae por la parte superior del mismo, también tangencialmente. La
arena se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento.
Aplicación. La sedimentación es la separación de partículas suspendidas más pesadas que el
agua mediante la acción de la gravedad, el propósito fundamental es obtener un
efluente clarificado sin embargo se presenta también un lodo concentrado con
base a la concentración y la tendencia de interacción entre la partículas pueden
efectuarse cuatro clasificaciones generales sobre la forma en que dichas
partículas se depositan.
Tipo No.1. Se refiere a la sedimentación discreta de partículas en una suspensión
de concentración baja, las partículas se depositan como entidades individuales y
no existe interacción con las partículas próximas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
94
La sedimentación de partículas discretas se analizan mediante las leyes
señaladas por Newton y Stokes.
Newton
… (3.1)
Donde:
Vs = Velocidad de Sedimentación
ρs = Densidad de la partícula
ρL = Densidad del fluido
g = Constante de la gravedad
φ = Diámetro de la partícula
CD= Coeficiente de fricción
Stokes
CD= 24/ (NRe) zona de stokes flujo laminar
CD= 24/(Nre)+ 3/ NRe+ 0.34 flujo turbulento
…(3.2)
Donde:
Vs= Velocidad de sedimentación
ρs= Densidad de la partícula
ρL= Densidad del fluido
φp2= Diámetro de la partícula
µ= Viscosidad del liquido
(ρs- ρL) g φ Vs = 4 3CD ρL
3/2
g (ρs-ρL) φp2
Vs = 18 µ
Newton
Stokes
Ing. Miriam Vega Loyola.
95
Tipo No. 2. Se refiere a una suspensión diluida de partículas que se agregan a
floculan durante la sedimentación. Al agregarse las partículas aumenta su masa y
se depositan más rápidamente.
El efecto de la floculación depende de las oportunidades de contacto que tengan
las partículas y que varía con respecto a los siguientes factores:
a. Gradientes de velocidad del sistema
b. Concentración de partículas
c. Gama de tamaños
d. Profundidad del tanque
e. Flujo de alimentación
El efecto de todas estas variables puede determinarse solamente mediante
pruebas experimentales.
Tipo No. 3. Tiene lugar en suspensiones de concentración intermedia donde las
fuerzas interpartículas son suficientes para retardar la sedimentación de partículas
vecinas. Las partículas tienden a prevalecer entre sí en posiciones fijas y la masa
de las mismas se deposita como una unidad. En la parte superior de los lodos se
desarrolla una interfase solidó-liquido bien diferenciada.
Tipo No. 4. Tiene lugar cuando las partículas alcanzan tal concentración que se
forma una estructura en la que se forma una estructura en la que solo puede
producir un asentamiento por compresión. La compresión ocurre por el peso de
las partículas que continuamente se va añadiendo y se presenta en la zona de
lodos.
Velocidad de sedimentación
Durante la primera etapa esta es constante y a medida que el solidó se acumula
en la zona de compresión la velocidad disminuye constantemente hasta alcanzar
la altura final y el punto crítico se alcanza cuando la velocidad de sedimentación
en su primera etapa deja de ser constante.
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96
Aplicaciones.
Se emplean para separar materiales más pesados que la materia orgánica
en descomposición como arenas, gravas o cenizas.
Protegen bombas y otros equipos del desgaste (abrasión) evitando
obstrucciones y taponamientos.
Deberán tener poca profundidad.
El tiempo de retención va de 20 a 60 s.
Su forma general es de grandes canales. Cuya velocidad recomendable es
de 0.3m/s para que los sólidos orgánicos pesados se depositen
manteniéndose en suspensión, los sólidos orgánicos ligeros y los
inorgánicos finos (menores .2mm)
Se recomienda un ancho del desarenador de 0.6m
Ejemplo Se considera diseñar un sedimentador para proteger los equipos de bombeo de
una planta de tratamiento. Los datos son:
Q= 400 m3/dia
φ= 0.07mm
Ss= Densidad específica = 2.65
T= 20 ºC
γ = Viscosidad cinemática = 0.986 E-2 cm2/s
Determine la superficie del desarenador para obtener una separación del 70% de
las partículas.
1 cm 10 mm = 0.007 cm
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Metodología.
1. Aplicar Stokes
2. Validar Stokes con Reynolds
NRe< 2 ------------ Stokes (Flujo laminar)
2< NRe < 500 ----- Allen (Flujo transición)
NRe > 500 -------- Newton (Flujo turbulento)
3. Si es flujo laminar, el flujo se saca directamente
4. Si es flujo turbulento la velocidad de sedimentación se calcula en función de
diámetro o del coeficiente de fricción.
…(3.3)
Vs = g Ss-1 φP2
18 µ
1. Vs= (981 cm/sec) 2.65-1(0.007cm)2 = 0.4465 cm/s
(18) (0.9867E-2 cm2/s )
2. NRe= Vs φP µ = (0.4465 cm/s)(0.007 cm) = 0.3168 0.9867E-2 cm2/s 3. A= Q/Vs= 4000 m3/dia 0.4465 cm 1 m 60 s 60 min 24 h = 385.776 m/dia s 100 cm 1 min 1 h 1 dia Área= 4000 m3/dia = 10.3687 m2 385.776 m/dia
Ing. Miriam Vega Loyola.
98
4. 10.3687 m2 ------100% 7.2581 m2 ------ 70% 5.- A= LW ; L= A/W = 7.2581 m2 = 12.0968 m 0.6 m
6.- Tirante (profundidad) H= Q/Vc (1/W) Q= Gasto
Vc= Velocidad de arrastre
W= Ancho
Vc= 8 β g φP ( SS-1) ½ F Donde: Vc= Velocidad de arrastre (mm/s)
β= Constante; 0.04--- Arena granular
0.06--- Material no uniforme y que tiende a flocularse
F= Factor de fricción de Weisbach-Darcy = 0.003
El sedimentador queda con las siguientes dimensiones:
L= 12.0968 m
W=0.60 m
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99
Ejercicio. El caudal promedio afluente para una pequeña planta de tratamiento ARM es de
0.05 Mgal/día con una tamaño de partícula 3.28 E- 4 pies con una temperatura de
20 C° cuya viscosidad cinemática es de 1.003E-6 m2/s, una separación del 85 %
una constante (β) igual a .006 una gravedad Ss=1.125 (densidad especifica), un
factor de fricción(f) igual a 0.025
Flujo Turbulento
Los pasos a seguir son:
1. = [ (g(Ss-1)/γ]1/3 = Vc = [4NRe/3CD]1/3
2. = NRe= (Vs * Øp)/ γ
3. = [Vs/ g(Ss-1)/γ]1/3
4. = Vs= Vc [g(Ss-1)/γ]1/3
5. = A= Q/Vs
Ejemplo. Calcular los parámetros de diseño para un desarenador con las siguientes
características φp 0.002cm, densidad relativa Ss= 2.65, µ cinemática= 1.0105 E-2
cm2/s, temperatura 20 °C, caudal= 200 L/sec al 100%, Q caudal= 200 L/s a m3/dia
= 17,280
1. Vs= [(g (ss-1))/18 * γ] *Øp 2
Vs= [(981 (2.65-1))/18 * 1.0105 E-2 cm2/s] * (0.002cm) 2
Vs= 0.0355 cm/s
2. NRe= (Vs * Øp)/ γ
NRe= (0.0355 cm/s * 0.002cm)/ 1.0105 E-2 cm2/s
NRe= 0.007026 Flujo Laminar
Ing. Miriam Vega Loyola.
100
3. Área = Q / Vs
A= 17280 m3/dia / 30.672 m/dia
A= 563.3802 m2
4. 563.3802 m2 – 100%
-- 85%
5. A= L*W L= A/W
L= 563.3802 m2 / 0.6 m
L= 938.967 m
6. Tirante
Vc= [(8*0.06*9810 mm/s *0.02 mm *1.65)/0.03]1/2
Vc= 71.9699 mm/s Vc= 621.8199 m/dia H=[ 17280 m3/dia / 621.8199m/dia ]* [ 1/0.6m]
H= 46.31 m
Se propone construir dos sedimentadores en paralelo
Ejercicio. Se considera diseñar un sedimentador para una planta de tratamiento, con los
siguientes datos.
φp=0.25 cm
Ss=2.65
T=20 °C
µ=0.9867 E-2 cm2/s
Q= 83750 m3/dia
Ing. Miriam Vega Loyola.
101
Consideraciones.
1. El periodo de diseño teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es
de 8 a 16 años.
2. El número de unidades mínimas en paralelo es de dos para efectos de
mantenimiento.
3. El periodo de operación recomendable es de 24 h.
4. El tiempo de retención recomendable será entre 2 y 6 h.
5. La carga superficial estará entre los valores de 2 a 10 m3/m2dia
6. La profundidad del sedimentador recomendable será entre 15 m y 2.5 m
7. La relación de las dimensiones del largo y ancho serán entre los valores de
3 a 6
8. La relación de las dimensiones de largo y profundidad (l/h) será entre los
valores de 5 a 20
9. El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar
el deslizamiento del sedimento
10. La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0.15 m/s para no crear
perturbaciones dentro de la zona de sedimentación
11. La descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad pues
el 80% del volumen de los lodos se depositan en esta zona.
12. Se recomienda un caudal por metro lineal de recolección en la zona de
salida igual o inferior a 3 l/s
Ing. Miriam Vega Loyola.
102
3.6 Flotación
Flotación La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de
partículas sólidas o líquidas de una fase líquida. La separación se consigue
introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las
burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional que experimenta el
conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del líquido.
De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad
es mayor que la del líquido, además de favorecer la ascensión de las partículas
cuya densidad es inferior, como el caso del aceite en el agua.
En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación
de la materia suspendida y para la concentración de los lodos biológicos. La
principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en
que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras
cuya deposición es lenta. Una vez que las partículas se hallan en la superficie,
pueden recogerse mediante un rascado superficial.
La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas
residuales urbanas se limita, en la actualidad, al uso del aire como agente
responsable del fenómeno. Las burbujas se añaden, o se induce a su formación,
mediante uno de los siguientes métodos:
1. Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de
la presión a que está sometido el líquido (flotación por aire disuelto).
2. Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).
3. Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del
vacío al líquido (flotación por vacío).
En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento
mediante la introducción de aditivos químicos.
Ing. Miriam Vega Loyola.
103
1. Flotación por aire disuelto (FAD).
En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua
residual a una presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión
hasta alcanzar la atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede
presurizar la totalidad del caudal a tratar de 275 a 230 kPa, mediante una bomba,
añadiéndose el aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal
se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo
a que el aire se disuelva. A continuación, el líquido presurizado se alimenta al
tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca
que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas
distribuidas por todo el volumen de líquido.
En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso
de FAD (entre el 15 y el 120%), el cual se presuriza, y semisatura con aire. El
caudal recirculado se mezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la
entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire deje de estar en
disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque.
Las principales aplicaciones de la flotación por aire disuelto se centran en el
tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de lodos.
2. Flotación por aireación.
En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen
directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La
aireación directa durante cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a
la hora de conseguir que los sólidos floten. La instalación de tanques de aireación
no suele estar recomendada para conseguir la flotación de las grasas, aceites y
sólidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en
el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
104
3. Flotación por vacío.
La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual, puede darse de
dos formas
a. Directamente en el tanque de aireación
b. Permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una
bomba.
Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de
burbujas diminutas. Las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren
ascienden entonces a la superficie para formar una capa de espuma que se
elimina mediante un mecanismo de rascado superficial. La arena y demás sólidos
pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central de
lodos para su extracción por bombeo.
En el caso de que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si
el lodo ha de ser digerido, es necesario separar la arena del lodo en un
clasificador de arena antes del bombeo a los digestores.
Aplicaciones. Separación de grasa, aceites, fibras y otros sólidos de bajo peso molecular.
Espesado de lodos procedente de lados activados.
Espesado de lodos procedente de floculación.
Separación de algas en efluentes de lagunas de estabilización.
En procesos de tratamiento la flotación se puede incorporar:
Como unidad de pretratamiento antes de la unidad de sedimentación
primaria.
Como unidad de tratamiento primario.
Como unidad de pretratamiento de AR antes de la descarga al
alcantarillado municipal.
Como unidad de tratamiento de efluentes de lagunas de estabilización para
remoción de algas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
105
Para flotación de floc´s livianos.
Para flotación para algas coaguladas.
Como unidad específica de flotación para remover material suspendido no
removido con otros procesos.
Para recuperación de materias primas o subproductos de interés.
Consideraciones de Diseño Para el diseño de los sistemas de flotación el parámetro utilizado es la relación de
los parámetros y sólidos.
…(3.4)
Donde:
A: Se obtiene a partir de determinaciones de aire disuelto (mg/l) en los puntos de
muestreo.
…(3.5)
…(3.7)
Donde:
P: Presión del sistema o del funcionamiento [atm]
F: Factor que toma en cuenta la saturación incompleta del aire y dependiendo
del diseño del tanque de retención.
F: [0.5 – 0.8]: generalmente
F: 0.5 concreto
Sa: Solubilidad del aire [mg/L]
ρa= Densidad del aire [mg / cm3]
Ing. Miriam Vega Loyola.
106
Donde:
C2= Solubilidad del aire en agua [mg / L]
C1 = Concentración de aire en agua
C1= F P Sa f
Xo = Ss = Concentración de sólidos en agua.
P = Presión
…(3.8)
…(3.9)
Factores que afectan el diseño de las unidades de Flotación son:
Concentración de sólidos
Cantidad de aire
Volumen de crecimiento de partículas
Q de alimentación
La solubilidad del aire en el agua varía con respecto a la temperatura, como se
muestra en la tabla No. 3.4.
T ( 0 C) Sa (cm3 /L) ρ aire (mg / cm3)
0 29.2 1.2915
10 22.8 1.2444
20 18.7 1.193 aprox 2.0
30 15.7 1.1555
Tabla 3.4 Solubilidad del aire a P=1 atm y diferente Temperatura
Ing. Miriam Vega Loyola.
107
Reactivos
Fig. 3.3. Diagrama de un sistema de flotación sin recirculación
Superficie Requerida Sin Recirculación
…(3.10)
Donde:
A= Área (m2)
Q= Gasto (m3/día)
Fc= Factor carga
Tanque de pasteurización
Efluente clarificador
Tanque de mezcla de reactivos
Bomba de Alimentación de reactivos
Tanque Mezcla
Bomba de presurización
Válvula de control de presión
Sistema de recolección del lodo del fondo extracción de lodos sedimentables
Mecanismo barrenador de flotantes
MBF Rebose flotantes
Lodos presentes con volumen despreciable
Tanque de flotación
Ing. Miriam Vega Loyola.
108
Con recirculación
A= …(3.11)
S= …(3.12)
S= …(3.13)
…(3.14)
A= …(3.15)
Donde:
A= Área
Q= Gasto
R=Recirculación
Fc=Factor de carga Gasto por unidad de área.
Nota: Estos sistemas implican conocer la presión requerida de operación y el área
de la unidad de flotación.
Ing. Miriam Vega Loyola.
109
Fig. 3.4. Diagrama de un sistema de flotación con recirculación
Ejemplo Se está probando un sistema de flotación en el laboratorio para un agua R
determinando los siguientes parámetros y considerando que no existe
recirculación Q= 4000 Xo=250mg/l sólidos y un Fc= 7.32
Determine la Presión del sistema y el área requerida considere un T
Q=4000
Xo=250 mg/l
A/S=.04 kg aire/kg sol
Fc= 7.32
P=?
4000 m3/h
Tanque de mesclas de reactivos
Bomba de Alimentación De reactivos
Reactivos
Rebose de flotantes
Lodos presentes Tanque de flotación Q
Tanque de pasteurizació
Efluente clarificador
Efluente reciculado
Bomba de presurización
Mecanismo barrenador de Flotantes
Ing. Miriam Vega Loyola.
110
Sustituyendo:
P =
A= =
R=
Ejercicio Para la aplicación del ejemplo anterior, diseñar un sistema de flotación con
reciclado. Considerando una presión de funcionamiento de 2.9 atm.
Ing. Miriam Vega Loyola.
111
3.7 Filtración en medio granular (filtros de arena)
Filtración.
A pesar de que la filtración es una de las principales operaciones unitarias
empleadas en el tratamiento del agua potable, la filtración de efluentes
procedentes de procesos de tratamiento de aguas residuales es una práctica
relativamente reciente. Hoy en día, la filtración se emplea, de modo generalizado,
para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión (incluida la DBO y
la materia particulada) de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y
químicos, y también se emplea para la eliminación del fósforo precipitado por vía
química.
El diseño de los filtros y la valoración de su eficacia debe basarse en:
a. La comprensión de las variables que controlan el proceso
b. El conocimiento del mecanismo, o mecanismos, responsables de la
eliminación de la materia particulada del agua residual.
La operación de los filtros está en función de los siguientes factores:
1. Descripción de la operación de filtración.
2. Clasificación de los sistemas de filtración.
3. Variables que gobiernan el proceso
4. Mecanismos de eliminación de las partículas
5. Análisis general de la operación de filtración
6. Análisis de la filtración de aguas residuales
7. Necesidad de estudios en planta piloto.
Ing. Miriam Vega Loyola.
112
Descripción de la operación de filtración
La operación completa de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o
regeneración (comúnmente llamada lavado a contracorriente). Mientras la
descripción de los fenómenos que se producen durante la fase de filtración es,
prácticamente, idéntica para todos los sistemas de filtración que se emplean para
las aguas residuales, la fase de lavado es bastante diferente en función de si el
filtro es de funcionamiento continuo o semicontinuo. Tal como expresan sus
nombres, en los filtros de funcionamiento semicontinuo la filtración y el lavado son
fases que se dan una a continuación de la otra, mientras que en los filtros de
funcionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea.
Operaciones de filtración semicontinuas.
Se identifican tanto la fase de filtración como de lavado de un filtro convencional
de funcionamiento semicontinuo. La fase de filtración en la que se elimina la
materia particulada, se lleva a cabo haciendo circular el agua través de un lecho
granular, con o sin la adición de reactivos químicos. Dentro del estrato granular, la
eliminación de los sólidos en suspensión contenidos en el agua residual se realiza
mediante un complejo proceso en el que intervienen uno o más mecanismos de
separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación y adsorción.
El final del ciclo de filtrado (fase de filtración), se alcanza cuando empieza a
aumentar el contenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un
nivel máximo aceptable, o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la
circulación a través del lecho filtrante. Idealmente, ambas circunstancias se
producen simultáneamente.
Una vez que se ha alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fase
de filtración, y se debe lavar el filtro a contracorriente para eliminar la materia
(sólidos en suspensión) que se ha acumulado en el seno del lecho granular
filtrante.
Ing. Miriam Vega Loyola.
113
Para ello, se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para fluidificar
(expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el material acumulado en el lecho.
Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele emplearse una
combinación de agua y aire. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas
residuales, el agua de lavado, que contiene los sólidos en suspensión que se
eliminan en el proceso de filtración, se retorna a las instalaciones de
sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico.
Clasificación de los sistemas de filtración
Se ha proyectado y construido diversos modelos y sistemas de funcionamiento de
filtros. Los principales tipos de filtros de medio granular se clasifican atendiendo a:
Tipo de funcionamiento;
Tipo de medio filtrante empleado;
Sentido de flujo durante la fase de filtración;
Procedimiento de lavado a contracorriente
Método de control del flujo.
En el tratamiento de aguas residuales, la filtración es una operación utilizada para
remover sólidos, material no sedimentable, turbiedad, fósforo, DBO, DQO, metales
pesados, virus; es decir, para asegurar una calidad superior del efluente
secundario. La mayor experiencia en la utilización de la filtración para tratamiento
de aguas, proviene del diseño y operación de filtros de medio granular para la
obtención de agua potable. Sin embargo, aunque el diseño, la configuración física
y la operación de los filtros tienen los mismos principios básicos en ambas
aplicaciones, debe considerarse que hay diferencias muy importantes entre la
aplicación de la filtración para agua potable y para efluentes secundarios de aguas
residuales.
La filtración se puede usar para depurar efluentes secundarios, sin agregar
coagulantes; con agregación, antes de la filtración o antes del sedimentador
Ing. Miriam Vega Loyola.
114
secundario, y para depurar aguas residuales, previamente coaguladas, floculadas
y sedimentadas, en una planta de tratamiento fisicoquímico. La remoción de los
sólidos suspendidos contenidos en el agua residual, dentro del lecho filtrante
granular, en todos los casos, es el resultado de un proceso muy complejo que
involucra mecanismos de remoción diferentes como el cribado, adsorción,
absorción, floculación y sedimentación.
El filtro típico convencional monomedio, es el que utiliza arena o antracita como
medio filtrante y opera por gravedad con tasa de filtración constante o variable.
Otro filtro es el ascensional profundo monomedio, este cuenta con las siguientes
ventajas:
La filtración procede de un medio grueso a fino, utiliza solo un medio
filtrante y permite usar un medio con tamaño efectivo más grande y con
mayor coeficiente de uniformidad.
El tiempo requerido para lavado es menor porque el tiempo de drenaje es
mínimo.
Se puede usar agua cruda para lavado, disminuyendo la cantidad de agua
que debe filtrarse dos veces.
La principal desventaja de esta última configuración, radica en la necesidad de
proveer una rejilla que retenga el medio filtrante en su sitio, cuando se ejerce la
fuerza ascensional para la filtración.
Los filtros de presión pueden necesitarse para un diseño económico y se usan en
plantas pequeñas; es estas la filtración se realiza en un tanque cerrado, con
presión suministrada por una bomba, por lo que pueden operar con pérdidas
finales de energía altas, menor consumo de lavado. Como desventaja de estos
filtros es la dificultad para hacer observación, inspección y cambio del medio
filtrante, a menos que se cuente con un acceso fácil al filtro.
Ing. Miriam Vega Loyola.
115
El diseño de un filtro para aguas residuales requiere de una selección apropiada
del tamaño del medio filtrante, de la profundidad del lecho de filtración, de la tasa
de filtración y de la perdida de la carga disponible para filtración. Evidentemente, la
mejor manera de seleccionar dichos parámetros y proveer un diseño de costo
mínimo es desarrollar un estudio con la planta piloto que permita deducir los
requisitos del sistema de filtración.
Las recomendaciones principales para diseño de filtros, destinados al tratamiento
de efluentes secundarios, son:
Se debe evaluar la variabilidad de la carga hidráulica y de sólidos
suspendidos para evitar carreras cortas de filtración y consumos excesivos
de agua de lavado.
Es preferible utilizar filtros que permitan la penetración de sólidos
suspendidos, es decir, sistemas de filtración de gruesos a finos. El medio
filtrante sobre el lado de entrada del afluente debe tener un tamaño efectivo
no menor de 1 a 1.2 mm.
La tasa de lavado debe ser suficiente para fluidizar los granos más gruesos
de cada componente del lecho filtrante. Medios más uniformes reducirán la
tasa de lavado requerida y son más deseables, aunque más costosos.
Se debe evaluar el efecto de la recirculación del agua de lavado, a través
de la planta, sobre la tasa de filtración y sobre la duración de la carrera de
filtración.
Ing. Miriam Vega Loyola.
136
Autoevaluación.
1. En un curso de agua se coloca un vertedor, calcule el gasto, si:
a. El vertedor es rectangular con dos contracciones laterales: L= 1.3 m, H=
1.5 in, n=2
b. El vertedor triangular de pared delgada con carga de 37cm, ángulo 80° en
la escotadura.
2. Una comunidad rural de 80 viviendas considera la instalación de una red de
alcantarillado. Estime el caudal del agua residual si 40 viviendas son nuevas, 30
viviendas son viejas y las 10 restantes son casas de veraneo ¿Qué porcentaje del
agua de abastecimiento representa el caudal del agua residual si el agua
consumida es de 8000 gal/dia?
3. Estime el caudal pico en una zona que cuenta con un hotel vacacional de 250
habitaciones, una tienda para turistas, una zona de campamentos para capacidad
de 120 personas, un centro de visitas, una prisión con 150 reclusos, un hospital
médico con 120 camas y una oficina con 160 empleados. Exprese en forma clara
los aporte base adoptados para el cálculo.
4. Se requiere diseñar una rejilla para un influente de agua residual de una
población 175000 habitantes y un consumo de 150 litros al día, considere los
siguientes parámetros para una limpieza manual:
a. Barras rectangulares. d. Separación entre barras: 40 mm.
b. Rejilla con el 40% de obstrucción. e. Ángulo (pendiente en relación a la
vertical): 45 °
c. Ancho de la barra: 25 mm. f. Profundidad de la rejilla: 120cm
g. Velocidad de flujo: 0.5 m/sec.
Calcular: 1. Número de barras 5. Pérdida de carga hidráulica (hL)
Ing. Miriam Vega Loyola.
137
2. Área de entrada de cada reja. 6. Pérdida de carga hidráulica con
obstrucción. 3. Velocidad de flujo al pasar la reja. 7. Caudal medio.
4. Carga de velocidad de
acercamiento (hv) 8. Longitud sumergida
9. Nivel del agua
5. Se considera diseñar un sedimentador, de acuerdo a los siguientes parámetros:
Q= 41 L/sec, φ= 0.075mm, Ss=2.65, γ = 0.9186E-2 a una temperatura de 24°C.
Calcular: 1. Superficie del desarenador. (Largo,
ancho, tirante)
3. Velocidad de arrastre.
2. Velocidad de sedimentación.
UNIDAD IV
TRATAMIENTO DE LODOS.
OBJETIVO.
El estudiante conocerá y comprenderá la información relativa a los lodos
generados en las plantas de tratamiento de aguas y aguas residuales, así como
sus características y los métodos ambientales adecuados para su manejo y
disposición.
Ing. Miriam Vega Loyola.
117
4.1Origenes y formas de tratamiento (Posibles combinaciones)
Los principales constituyentes del agua residual eliminados en las plantas de
tratamiento incluyen basura, arena, y lodo. El lodo extraído y producido en las
operaciones y procesos de tratamiento de las aguas residuales generalmente
suelen ser un líquido-semisólido con gran contenido de sólidos que están entre el
0.25 y el 12% en peso. El lodo es, por mucho el constituyente de mayor volumen
eliminado en los tratamientos y está formado por las sustancias responsables del
carácter desagradable de las aguas residuales no tratadas. Los lodos producidos
en el tratamiento biológico deben ser estabilizados, espesados y desinfectados
antes de ser retirados del sitio de tratamiento.
En los tanques de sedimentación se producen grandes volúmenes de lodos con
alto contenido de agua; su deshidratación y disposición final representa un alto
porcentaje del costo general del tratamiento.
Los lodos que se producen en los procesos de tratamiento de aguas son
principalmente los siguientes.
Lodo primario proveniente de la sedimentación del agua residual.
Lodo secundario proveniente del tratamiento biológico de aguas residual.
Lodos digeridos proviene de los dos anteriores, separados o mezclados.
Lodos provenientes de la coagulación y sedimentación de aguas y aguas
residuales.
Lodos provenientes de plantas de ablandamiento.
Lodos provenientes de rejillas y desarenadores.
Ing. Miriam Vega Loyola.
118
4.2 Cantidades y características
Los lodos son una mezcla de aguas negras y sólidos sedimentables dependiendo
de su origen reciben el nombre como: primarios, secundarios, lodos activados o
lodos químicos. Estos son los términos descriptivos más comunes, algunas otras
son lodos del tanque Imhoff o del tanque séptico.
Las características de estos varían mucho dependiendo de su origen y su edad,
del tipo de proceso del cual provienen, como se muestra en la tabla No. 4.1. El
volumen del lodo que se produce en un tanque de sedimentación debe conocerse
o estimarse para cuantificar los diferentes componentes del sistema de tratamiento
y disposición de los lodos. Dicho volumen depende principalmente de las
características del agua residual, del grado de tratamiento previo, el tiempo de
sedimentación, la densidad de sólidos, el contenido de humedad, de equipos o
método de remoción de lodos y de la frecuencia de remoción de los mismos.
Proceso
% humedad
del lodo Densidad relativa
Intervalo Típico Sólidos Lodo
Sedimentación primaria 88-96 95 1.4 1.02
Filtro percolador 91-95 93 1.5 1.025
Precipitación química - 93 1.7 1.03
Lodos activados 90-93 92 1.3 1.005
Tanques sépticos - 93 1.7 1.03
Tanques Imhoff 90-95 90 1.6 1.04
Aireación prolongada 88-92 90 1.3 1.015
Lodo primario digerido
anaerobicamente 90-95 93 1.4 1.02
Laguna aireada 88-92 90 1.3 1.01
Lodo primario digerido
aeróbicamente 93-97 95 1.4 1.012
Tabla No. 4.1 Características de los lodos Fuente: Metcalf, 1994
Ing. Miriam Vega Loyola.
119
El lodo activado tiene generalmente una apariencia floculenta de color marrón. Si
el color es muy oscuro, puede estar próximo a volverse séptico. Si el color es más
claro de lo normal puede haber estado aireado insuficientemente y los sólidos
tienden a sedimentar lentamente.
Los lodos se tratan para facilitar su disposición, los diversos procesos de
tratamiento tienen por objetivo, disminuir el volumen del material que va a ser
manejado, por la eliminación de toda la porción liquida y también en descomponer
la materia orgánica muy putrescible a compuestos orgánicos e inorgánicos
relativamente estables o inertes.
La reducción del volumen de lodo es muy beneficiosa para los procesos de
tratamiento subsecuentes, algunas ventajas son:
Capacidad de tanques y equipos necesarios.
Cantidad de reactivos químicos necesarios para el acondicionamiento del
lodo.
Cantidad de calor necesario para los digestores.
Permite reducir tamaños de tuberías, bombas y tanques digestores.
Ing. Miriam Vega Loyola.
120
4.3 Espesamiento
La implementación de nuevas normas para controlar el uso de lodos, provenientes
del tratamiento de aguas residuales, es implementar operaciones de tratamiento
rentables que no causen daño al medio ambiente y que permitan generar un lodo
de buena calidad que se pueda reutilizar o disponer en rellenos sanitarios. Su
tratamiento y evacuación es generalmente el problema más complejo.
Cualquier tratamiento de lodos pretende disminuir, por eliminación de agua, el
volumen, para subsecuentes tratamientos y disposición o transformación de los
sólidos orgánicos putrescibles en sólidos orgánicos o inorgánicos más estables o
inertes. Existen diferentes tratamientos para los lodos, a continuación se describen
algunos:
Espesado. Es un procedimiento que se emplea para aumentar la fracción sólida del lodo de
desecho mediante la reducción de la fracción liquida del mismo. Los lodos
activados en exceso, que normalmente se bombean desde los tanques de
decantación secundaria con un contenido de sólidos de 0.8% pueden espesarse
hasta un contenido del 4% de sólidos, consiguiéndose de esta manera una
reducción del volumen de lodo a una quinta parte del volumen original.
El espesado se consigue generalmente, por medios físicos, incluyendo los equipos
de espesados por gravedad, flotación y centrifugación; que a continuación se
describen:
Espesado por gravedad.
Se realiza en un tanque de diseño similar al de un tanque de sedimentación
convencional. El lodo diluido se conduce a una cámara de alimentación central y a
continuación sedimenta y se compacta extrayéndose el lodo espesado desde el
fondo del tanque. El flujo continuo del sobrenadante producido es retornado al
Ing. Miriam Vega Loyola.
121
tanque de decantación primaria. El lodo espesado que se recoge en el fondo del
tanque se bombea a los digestores o al equipo de deshidratación.
Espesado por flotación.
Hay cuatro variantes básicas de la operación de espesado por flotación: flotación
por aire disuelto, flotación por vació, flotación por dispersión de aire y flotación
biológica. Sin embargo, solo la flotación por aire disuelto tiene utilización para el
espesado del lodo.
La utilización más eficaz del espesado por flotación se consigue con los lodos en
exceso procedentes de procesos de tratamiento biológicos de cultivos
suspendidos, tales como el proceso de lodos activados, o el proceso de
nitrificación de cultivo suspendido.
Espesado por centrifugación.
Las centrifugas se utilizan tanto para espesar como para deshidratar lodos. El
espesado supone la sedimentación de las partículas del lodo bajo la influencia de
las fuerzas centrifugas.
Los tres tipos básicos de centrifugas normalmente disponibles para el espesado
de lodos son:
a) Centrifuga de discos,
b) Camisa maciza y
c) De cesta.
Los costos de mantenimiento y energéticos del proceso de espesado por
centrifugación son altos, por tanto el proceso es solamente aplicable en plantas
grandes por encima de 0.2 m3/s en las que el espacio sea limitado y donde se
disponga de operadores calificados, o bien para lodos que sean difíciles de
espesar por métodos más convencionales. En la figura No. 4.1 se observa un
espesador típico
Ing. Miriam Vega Loyola.
122
Fig. No. 4.1 Espesador
Ing. Miriam Vega Loyola.
123
4.4 Digestión Anaerobia y Aerobia
Digestión Anaerobia. Es uno de los procesos más antiguos empleados en la estabilización de lodos, en
éste se propicia la degradación de la materia orgánica contenida en él, en
ausencia de oxígeno molecular. La materia orgánica contenida en la mezcla de lodos primarios y secundarios se
convierte en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) principalmente. La digestión anaerobia es un proceso que depende de la acción de bacterias,
clasificadas como hidrolíticas, acetogénicas, acidogénicas y metanogénicas. El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado. Los lodos se
introducen en el reactor de forma continua y permanecen dentro de estos tanques
durante periodos de tiempo considerables. El lodo estabilizado que se extrae del
proceso tiene un bajo contenido de materia orgánica y de microorganismos
patógenos vivos. Digestión convencional.
La digestión del lodo se efectúa normalmente mediante un proceso de una sola
fase; dentro de la digestión, el espesamiento del lodo y la formación de
sobrenadante se efectúan simultáneamente.
Cuando el gas sube hacia la superficie, arrastra consigo partículas de lodo y de
otras materias, tales como grasas y aceites, dando lugar finalmente a la formación
de una capa de espumas. Como resultado de la digestión el lodo se vuelve mas
mineralizado y se espesa por adición de la gravedad. Digestión de alta carga.
Este proceso difiere del convencional de una sola fase en que la carga de sólidos
es mucho mayor. El lodo se mezcla íntimamente mediante recirculación del gas,
Ing. Miriam Vega Loyola.
124
bombeo, o mezcladores con tubos de aspiración. El equipo de mezclado deberá
tener mayor capacidad y llegar hasta el fondo del tanque; las tuberías de gas son
mayores, el tanque es más profundo para facilitar el proceso de mezclado en un
digestor de alta carga.
El lodo debe bombearse al digestor en forma continua o mediante temporizado en
ciclos de 30 minutos cada 2 horas, el lodo entrante desplaza al digerido a un
segundo digestor para la separación del sobrenadante y extracción del gas
residual.
Digestión de dos fases.
En el proceso de dos fases, el primer tanque se usa para la digestión propiamente
dicha. El tanque es calentado y equipado con medios de mezclado que consisten
en uno o más de los dispositivo. El segundo tanque se utiliza para el
almacenamiento y concentración del lodo digerido, así como para la formación de
una capa de sobrenadante relativamente clarificado. Por lo general, los tanques
son circulares y raramente tienen diámetros menores de 6 m o mayores de 35 m
pueden llegar a tener una profundidad de hasta 14 m o más.
Algunas de las ventajas y desventajas de la digestión Anaerobia se enlistan a
continuación:
Ventajas Se obtiene un lodo con mayor capacidad de espesamiento
Se requiere una menor necesidad de nutrientes
No necesita aireación al realizarse en ausencia de oxígeno
Se produce metano, contribuyente del biogás y que cuando se
encuentra en proporciones superiores al 50% puede ser utilizable
como gas combustible.
Existe menor producción de lodo, puesto que una mínima parte del
carbono presente en la DBO es trasformado en biomasa.
Ing. Miriam Vega Loyola.
125
El lodo producido es fácilmente deshidratado, ya que al
incrementarse la eliminación de materia volátil se mejora la
deshidratación posterior.
Se elimina la mayor parte de los microorganismos patógenos.
Desventajas:
Se debe realizar mediante bacterias termófilas a temperaturas
superiores a 30˚C. Temperaturas mucho más altas pueden favorecer
la aparición de sustancias tóxicas. Provoca un mayor consumo
energético y necesidades de aislamiento térmico del digestor.
Los gases formados como el CO2 y CH4, favorecen la formación de
espumas que se tienen que romper para una correcta separación
lodo/agua y una buena recuperación del biogás.
Es sensible frente a cambios operacionales de carga, caudal y a
cambios ambientales como pH y temperatura.
La puesta en marcha es muy lenta debido a la baja tasa de
crecimiento.
Digestión Aaerobia. Se emplea generalmente en plantas de tratamiento con capacidad inferior a
20,000 m3/día, sin embargo, en algunas ocasiones se ha empleado en plantas con
mayor capacidad. Las ventajas y desventajas principales de este proceso, comparado con la
digestión anaerobia, son:
Ventajas
Se consiguen menores concentraciones de DBO en el líquido
sobrenadante.
Puede requerir menores costos iniciales.
La producción final biológicamente estable, sin olores.
Ing. Miriam Vega Loyola.
126
Desventajas
Un mayor costo energético asociado al suministro de oxígeno
necesario.
Se produce un lodo digerido de pobres características para la
deshidratación mecánica.
La digestión aerobia también es muy delicada en cuanto a operación
se refiere.
La digestión aerobia es similar al proceso de lodos activados. Conforme se agota
el suministro de substrato disponible (alimento), los microorganismos empiezan a
consumir su propio protoplasma (respiración endógena) para obtener la energía
necesaria para las reacciones de mantenimiento celular. Los productos finales son
dióxido de carbono, agua y amoníaco. Posteriormente el amoníaco se oxida para
formar nitratos, la reacción global es la siguiente:
C5H7NO2 + 7O2 5CO2 + NO3 + 3H2O + H
Dentro de la digestión aerobia es muy importante considerar los efectos de la
acidez producidos por la oxidación del amoníaco a nitratos, si la alcalinidad
presente en el agua residual no es la suficiente, será necesaria la adición de algún
reactivo que permita mantener el pH en los niveles deseados.
Ing. Miriam Vega Loyola.
127
4.5 Deshidratación
En cuanto a la tecnología aplicada al proceso de deshidratación mecánica, los
equipos más utilizados suelen ser las centrifugas, con una capacidad creciente de
eliminación de agua, lo que causa una disminución de volumen muy conveniente
para el transporte y compostaje, aunque también se sigue utilizando tecnología de
secado, que tiende a maximizar el control de olores que se presenta en las etapas
de espesamiento y deshidratación de lodos, mediante la construcción de cubiertas
y el tratamiento de las corrientes de aire evacuadas mediante lavado de gases o
absorción con carbono activo.
Una vez deshidratados los lodos pasan a un sitio donde son enviados a su destino
definitivo; esto puede ser: agricultura, construcción incineración, entre otros. A
continuación se describen los tipos de deshidratadores.
Eras de secado.
Es una extensión de terreno drenado formado por capas de materiales drenantes
dispuestas de formas verticales en un receptáculo. El lodo se sitúa sobre estas
capas de grava o arena produciéndose el filtrado de forma análoga a la filtración
en el tratamiento de aguas. El lodo se deshidrata por drenaje a través de la masa
del lodo y la arena, y por evaporación desde la superficie expuesta al aire. La
evaporación dependerá de las condiciones climáticas de la zona, los días de
exposición de los lodos y las características de los mismos, que en todo caso
deben estar bien estabilizados. Las eras pueden ser descubiertas o cubiertas en
zonas lluviosas.
El drenaje suele estar formado por capas de 10 a 20 cm de arena sobre una capa
de grava de 10 a 20 cm, colocando una red de tuberías en la parte inferior para
colectar el agua, que volverá a ser tratada. La capa de lodo oscila entre 20 y 30
cm. de espesor. La capa de arena debe reponerse cada cierto tiempo ya que
pierden arenas en el proceso de filtrado y recolección de los lodos. El principal
Ing. Miriam Vega Loyola.
128
problema que se presenta es la extracción de los lodos una vez que han
alcanzado la sequedad deseada.
4.5.1 Filtración Filtros banda. Es una variable de los filtros de presión que permite realizar la operación de forma
continua. En este filtro primero se produce un drenaje del agua por gravedad y
después se continúa la deshidratación por efecto de la sobre presión que ejercen
los rodillos al comprimir las bandas porosas de fieltro en medio de las cuales se
coloca el lodo a deshidratar, como se observa en la figura 4.2.
Son sistemas baratos, ya que no necesitan una gran inversión inicial, los costos de
mantenimiento y explotación son bajos y la instalación presenta un bajo consumo
energético. Además, son efectivos para casi todo los tipos de lodos procedentes
de aguas residuales municipales, aunque están siendo desplazados por los
sistemas de centrifugación.
Fig. 4.2 Filtro Banda
Filtros de vació. Se realiza mediante una fuerza motriz para el transporte de la fase liquida a través
del medio poroso por medio de la presión, debido a la aplicación de vació en la
Ing. Miriam Vega Loyola.
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superficie de desagüe del medio de filtración, creando un gradiente de presión
entre ambas caras del filtro.
Los más utilizados en la industria es el filtro rotatorio o filtro de funcionamiento
continuo. Este consiste en un tambor cilíndrico horizontal que gira entorno a su eje
principal, parcialmente sumergido en la suspensión a filtrar.
Sus características son:
Tiene una superficie del tambor que está cubierta por un medio poroso,
cubierto con material filtrante como telas filtrantes o mallas metálicas en
espiral. La superficie del tambor está dividida en sectores circulares.
Cada sector está separado del sector adyacente en los extremos del
tambor y está unido a una válvula rotativa situada en el eje del tambor
mediante una conducción de vació/drenaje.
La válvula controla las fases del ciclo de filtración y conduce el filtrado
hacia el exterior del tambor.
Conforme el tambor va girando, la válvula permite que cada sector pase
por cada una de las etapas del proceso: formación, lavado,
deshidratación y descarga de la torta por acción de una cuchilla.
Filtros prensa. La deshidratación se lleva acabo forzando la eliminación del agua presente en el
lodo por la aplicación de una presión hidrostática elevada. Estos filtros constan de
una serie de placas rectangulares dispuestas verticalmente una detrás de otra
sobre un bastidor. Sobre las caras de estas placas se colocan telas filtrantes,
normalmente de tejidos sintéticos.
El espacio que queda entre dos placas en su parte central hueca, es el espesor
que adquirirá la torta resultante. La superficie de los filtros prensa puede ser de
hasta 4000 m2, y la superficie de cada placa en torno a 2 m2, es decir los filtros
prensa pueden estar formados por más de 100 placas.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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La torta se forma sobre un paño filtrante y el líquido filtrado sale entre las ranuras
de las placas bajo el paño filtrante. La operación de un filtro prensa es discontinua,
pues una vez conseguida la filtración debe desmontarse, retirar los sólidos y
limpiar el paño filtrante.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Autoevaluación.
1. Escriba y explique los factores que influyen en la selección de los procesos de
tratamiento para lodos.
2. Escriba y explique las variables que afectan la sedimentación de los lodos.
3. Mencione las variables de las cuales depende la curva de crecimiento de los
microorganismos.
4. Realice el diagrama de las curvas de crecimiento de microorganismos.
5. Que es la estabilización de un lodo y explique al menos tres tratamientos que se
le dan a los lodos.
6. ¿Qué es el espesamiento de lodos y cuál es el procedimiento?
7. Mencione y explique las ventajas y desventajas que tiene el tratamiento de
lodos.
8. Realice una propuesta para el tratamiento de 1000 m3 de lodo procedente de un
tratamiento de agua residual.
Ing. Miriam Vega Loyola.
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Bibliografía
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