universidad tÉcnica particular de lojadspace.utpl.edu.ec/bitstream/20.500.11962/22531/1/garrido...

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Católica de Loja

ÁREA TÉCNICA

TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas a escala de

laboratorio

TRABAJO DE TITULACIÓN

AUTOR: Garrido Barrazueta, Carlos Daniel

DIRECTORA: Cisneros Abad, Mónica Jacqueline, Ing. M. Sc.

LOJA – ECUADOR

2018

Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es

2018

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es

ii

APROBACIÓN DE LA DIRECTORA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN

Ingeniera, M. Sc.

Mónica Jacqueline Cisneros Abad

DOCENTE DE LA TITULACIÓN

De mi consideración:

El presente trabajo de titulación: Diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales a

escala de laboratorio, realizado por Carlos Daniel Garrido Barrazueta, ha sido orientado y

revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.

Loja, abril de 2018

f)………………………………………….

iii

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS

Yo, Carlos Daniel Garrido Barrazueta, declaro ser autor del presente trabajo de titulación: Diseño

de una planta de tratamiento de aguas residuales urbanas a escala de laboratorio, de la Titulación

de Ingeniería Civil, siendo Mónica Jacqueline Cisneros Abad directora del presente trabajo; y eximo

a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales. Además certifico que las

ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de

mi exclusiva responsabilidad.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de la

Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte

del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o

técnicos y tesis de grado que se realizan a través, o con el apoyo financiero, académico o

institucional (operativo) de la Universidad”.

f)…………………………………….

Autor: Carlos Daniel Garrido Barrazueta

Cédula: 1105437741

iv

DEDICATORIA

A mi madre y hermana,

los pilares fundamentales de mi vida,

por ustedes y para ustedes.

v

AGRADECIMIENTO

Gracias le doy a la Virgen, gracias le doy al Señor, porque entre tanto esfuerzo y habiendo vencido

tanto, no perdí el rumbo de la vida ni el anhelo de superación.

Gracias especiales a mi madre Nancy que me ha guiado siempre y jamás ha permitido ni permitirá

que me rinda. A mis tías Lali, Coty, Vivi, Marianita y Olguita por su apoyo y cariño incondicional. A

mi hermana Pamela porque siempre está conmigo. A mis primos y primas por toda la ayuda que

siempre me han brindado. A mi padre Carlos porque por él llevo lo más preciado, su apellido

Barrazueta.

Mis agradecimientos también a la Ing. Mónica, por sus consejos y enseñanzas que me ha brindado

para culminar esta etapa de mi vida con éxito. Igualmente mis agradecimientos hacia todos los

docentes de los cuales he recibido su ayuda de una u otra manera.

A mis amigos y amigas gracias infinitas.

vi

ÍNDICE DE CONTENIDOS

Contenido

APROBACIÓN DE LA DIRECTORA DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ............................................ ii

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ............................................................ iii

DEDICATORIA .................................................................................................................................... iv

AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................ v

RESUMEN ........................................................................................................................................... 1

ABSTRACT .......................................................................................................................................... 2

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 3

CAPÍTULO I ......................................................................................................................................... 5

MARCO TEÓRICO .............................................................................................................................. 5

1.1 Agua. ..................................................................................................................................... 6

1.1.1 Agua cruda. .................................................................................................................... 6

1.1.2 Agua potable. ................................................................................................................. 6

1.1.3 Agua residual. ................................................................................................................ 6

1.2 Características del agua residual .......................................................................................... 7

1.2.1 Características físicas. ................................................................................................... 7

1.2.2 Características químicas................................................................................................ 9

1.2.3 Características microbiológicas. .................................................................................. 13

1.3 Tratamientos de aguas residuales ...................................................................................... 13

1.3.1 Pretratamiento. ............................................................................................................. 14

vii

1.3.2 Tratamiento primario. ................................................................................................... 15

1.3.3 Tratamiento secundario. .............................................................................................. 18

1.3.4 Tratamiento terciario. ................................................................................................... 29

1.4 Tratamiento y disposición de lodos..................................................................................... 33

1.4.1 Procesos básicos. ........................................................................................................ 35

1.4.2 Disposición de lodos. ................................................................................................... 39

CAPÍTULO II ...................................................................................................................................... 40

DIAGNÓSTICO Y PROBLEMA ......................................................................................................... 40

2.1 Aguas residuales en el Ecuador ......................................................................................... 41

2.2 Zona de estudio ................................................................................................................... 42

2.3 Planta piloto de tratamiento de aguas residuales............................................................... 44

CAPÍTULO III ..................................................................................................................................... 46

MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................................. 46

3.1 Etapas del diseño y construcción de una PDAR a escala de laboratorio .......................... 47

3.2 Caracterización de las aguas residuales ............................................................................ 47

3.2.1 Medición de caudales .................................................................................................. 47

3.2.2 Muestreos..................................................................................................................... 49

3.3 Selección de tecnologías .................................................................................................... 64

3.3.1 Factores demográficos (población futura). .................................................................. 66

3.3.2 Alternativas de selección de la planta depuradora. .................................................... 68

3.4 Diseño hidráulico de la planta depuradora ......................................................................... 76

viii

3.4.1 Prediseño de la planta depuradora. ............................................................................ 76

3.4.2 Caudales de diseño. .................................................................................................... 79

3.4.3 Dimensionamiento de la planta depuradora................................................................ 82

3.5 Construcción de la planta piloto de depuración a escala de laboratorio ......................... 123

3.5.1 Descripción técnica de la construcción a escala de la planta depuradora. .............. 124

CAPÍTULO IV ................................................................................................................................... 129

ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................................................... 129

4.1 Generalidades ................................................................................................................... 130

4.2 Configuración de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales ............................ 130

4.3 Monitoreo del funcionamiento de la planta depuradora ................................................... 131

4.3.1 Resultados del funcionamiento de la planta piloto. ................................................... 139

CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 145

RECOMENDACIONES .................................................................................................................... 147

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................ 148

ANEXOS .......................................................................................................................................... 158

ix

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Características físicas............................................................................................................. 7

Tabla 2 Clasificación de los sólidos. .................................................................................................... 8

Tabla 3 Características químicas: materia orgánica. .......................................................................... 9

Tabla 4 Características químicas: materia inorgánica. ..................................................................... 10

Tabla 5 Clases de nitrógeno. ............................................................................................................. 11

Tabla 6 Gases más importantes del agua residual. .......................................................................... 12

Tabla 7 Pesticidas más importantes del agua residual. .................................................................... 12

Tabla 8 Características microbiológicas de las aguas residuales. ................................................... 13

Tabla 9 Cuadro comparativo de tratamientos biológicos. ................................................................. 26

Tabla 10 Características microbiológicas de las aguas residuales. ................................................. 34

Tabla 11 Número de plantas de tratamiento de aguas residuales en el Ecuador. .......................... 42

Tabla 12 Parámetros de descarga a un cuerpo de agua dulce. Método de análisis. ...................... 58

Tabla 13 Resultados del análisis de la caracterización del agua residual. ...................................... 61

Tabla 14 Resultados críticos de la descarga en la Quebrada Trapichillo. ....................................... 63

Tabla 15 Criterios de selección de tecnología. ................................................................................. 64

Tabla 16 Alternativas de tratamiento según población y superficie de terreno. ............................... 65

Tabla 17 Periodos de vida útil de estructuras. .................................................................................. 66

Tabla 18 Factores demográficos. ...................................................................................................... 68

Tabla 19 Características del suelo y del terreno; características climáticas. ................................... 69

Tabla 20 Objetivos de tratamiento. .................................................................................................... 69

x

Tabla 21 Requerimiento de energía. ................................................................................................. 70

Tabla 22 Necesidad de obra civil. ..................................................................................................... 70

Tabla 23 Generación de subproductos. ............................................................................................ 70

Tabla 24 Operación y mantenimiento................................................................................................ 71

Tabla 25 Impacto ambiental. ............................................................................................................. 71

Tabla 26 Costos de operación y mantenimiento. .............................................................................. 72

Tabla 27 Matriz de selección. ............................................................................................................ 72

Tabla 28 Diferencias entre humedal de flujo libre y de flujo subsuperficial. ..................................... 74

Tabla 29 Diferencias entre humedal de flujo subsuperficial horizontal y vertical. ............................ 75

Tabla 30 Prediseño de la planta depuradora. ................................................................................... 78

Tabla 31 Dimensiones del cajón de llegada y pantalla rompe presiones. ....................................... 84

Tabla 32 Dimensiones del canal de llegada...................................................................................... 88

Tabla 33 Dimensiones del canal de rejillas. ...................................................................................... 93

Tabla 34 Dimensiones del desarenador. ........................................................................................... 99

Tabla 35 Dimensiones del desengrasador. ..................................................................................... 101

Tabla 36 Procesos de remoción en un HAFSS. ............................................................................. 103

Tabla 37 Dimensiones del humedal de flujo subsuperficial. ........................................................... 114

Tabla 38 Dimensiones de los filtros de zeolita. ............................................................................... 121

Tabla 39 Concentraciones en el efluente luego del HAFSS. .......................................................... 140

Tabla 40 Concentraciones en el efluente luego de los filtros lentos de zeolita. ............................. 141

Tabla 41 Resultados del monitoreo en el efluente a la salida del tratamiento biológico. .............. 141

xi

Tabla 42 : Resultados del monitoreo en el efluente a la salida del tratamiento avanzado. ........... 143

xii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Esquema de depuración. .................................................................................................... 14

Figura 2 Sedimentación de una partícula. ......................................................................................... 16

Figura 3 Sedimentador convencional. ............................................................................................... 17

Figura 4 Reactor UASB. .................................................................................................................... 19

Figura 5 Esquema de lodos activos. ................................................................................................. 20

Figura 6 Filtro percolador. .................................................................................................................. 21

Figura 7 Laguna aireada. ................................................................................................................... 22

Figura 8 Laguna anaerobia. ............................................................................................................... 23

Figura 9 Laguna facultativa. .............................................................................................................. 24

Figura 10 Humedal de flujo superficial. ............................................................................................. 25

Figura 11 Humedal de flujo subsuperficial. ....................................................................................... 26

Figura 12 Espectro electromagnético. ............................................................................................... 31

Figura 13 Membrana de filtración. ..................................................................................................... 32

Figura 14 Principio de ósmosis inversa. ............................................................................................ 33

Figura 15 Tratamiento de lodos residuales. ...................................................................................... 35

Figura 16 Eras de secado. ................................................................................................................. 38

Figura 17 Mapa de proporción de municipios que realizan tratamiento de aguas residuales. ........ 41

Figura 18 Canal de riego con aguas residuales. ............................................................................... 43

Figura 19 Esquema de planta piloto a escala de laboratorio. ........................................................... 45

Figura 20 Etapas de la metodología.................................................................................................. 47

xiii

Figura 21 Descarga de agua residual. .............................................................................................. 48

Figura 22 Punto de descarga de agua residual. ............................................................................... 50

Figura 23 Ubicación del punto de descarga 1. .................................................................................. 51

Figura 24 Ubicación del punto de descarga 2. .................................................................................. 52

Figura 25 Toma de muestras simples. Coordenadas: 17M 681205 E 955947 S. ........................... 53

Figura 26 Recipientes con muestra de agua residual sellados y etiquetados. ................................ 54

Figura 27 Ensayos de caracterización de agua residual. ................................................................. 55

Figura 28 Equipos de los Laboratorios UTPL/Ingeniería Ambiental para análisis microbiológico. .. 56

Figura 29 Ensayo de caracterización química del agua residual. .................................................... 57

Figura 30 Nomenclatura de las dimensiones del cajón de llegada. ................................................. 84

Figura 31 Nomenclatura de las dimensiones del canal de llegada. ................................................. 88

Figura 32 Nomenclatura de las dimensiones del canal de rejillas. ................................................... 93

Figura 33 Nomenclatura de las dimensiones del desarenador. ....................................................... 99

Figura 34 Nomenclatura de las dimensiones del desengrasador................................................... 102

Figura 35 Nomenclatura de las dimensiones de los humedales. ................................................... 115

Figura 36 Nomenclatura de las dimensiones de los filtros de zeolita. ............................................ 122

Figura 37 Dimensiones del desarenador de la planta piloto. .......................................................... 124

Figura 38 Dimensiones del desengrasador de la planta piloto. ...................................................... 125

Figura 39 Dimensiones de los humedales de la planta piloto. ....................................................... 126

Figura 40 Dimensiones de los filtros de zeolita de la planta piloto. ................................................ 127

Figura 41 Estructuras de apoyo de los procesos de la planta piloto. ............................................. 128

xiv

Figura 42 Configuración de la planta piloto. .................................................................................... 130

Figura 43 Válvula y canal de entrada al desarenador. ................................................................... 131

Figura 44 Funcionamiento del desarenador de la planta piloto: entrada de agua en el canal del

desarenador. .................................................................................................................................... 132

Figura 45 Salida del desarenador y entrada al desengrasador. ..................................................... 133

Figura 46 Funcionamiento del desengrasador de la planta piloto: entrada del agua al

desengrasador. ................................................................................................................................ 134

Figura 47 Sistema de humedales antes de su funcionamiento. ..................................................... 135

Figura 48 Funcionamiento del sistema de humedales de la planta piloto: entrada del agua a los

humedales. ....................................................................................................................................... 136

Figura 49 Salida del humedal y entrada al filtro de zeolita. ............................................................ 137

Figura 50 Zeolita (material filtrante) colocada en el filtro. ............................................................... 138

Figura 51 Funcionamiento de los filtros de zeolita de la planta piloto: entrada del agua hacia los

filtros. ................................................................................................................................................ 139

Figura 52 Comparación del afluente y efluente a la salida de los humedales. .............................. 143

Figura 53 Comparación del afluente y efluente a la salida de los filtros de zeolita. ....................... 144

Figura 54 Toma de muestras de agua residual. ............................................................................. 159

Figura 55 Determinación de parámetros in situ. ............................................................................. 160

Figura 56 Aforo de la descarga del agua residual. ......................................................................... 161

Figura 57 Determinación de aceites y grasas (caracterización física). .......................................... 162

Figura 58 Determinación de sólidos disueltos (caracterización física). .......................................... 163

Figura 59 Determinación de DQO (caracterización química). ........................................................ 164

Figura 60 Determinación de nitratos (caracterización química). .................................................... 165

xv

Figura 61 Construcción del desarenador y desengrasador. ........................................................... 166

Figura 62 Construcción del desengrasador. ................................................................................... 166

Figura 63 Construcción de estructuras metálicas para la planta piloto. ......................................... 167

Figura 64 Montaje previo de la planta piloto. .................................................................................. 167

Figura 65 Ensamblaje previo de la planta piloto. ............................................................................ 168

Figura 66 Ensamblaje previo de la planta piloto. ............................................................................ 168

Figura 67 Instalación en el laboratorio de la planta piloto (1). ........................................................ 169

Figura 68 Instalación en el laboratorio de la planta piloto (2). ........................................................ 169

Figura 69 Material filtrante (grava) de los humedales. .................................................................... 170

Figura 70 Material filtrante (zeolita) de los filtros. ........................................................................... 170

Figura 71 Humedales artificiales en funcionamiento. ..................................................................... 171

Figura 72 Calidad del efluente a la salida de los humedales. ........................................................ 171

Figura 73 Calidad del efluente a la salida de los filtros de zeolita. ................................................. 172

1

RESUMEN

Para años futuros, la población mundial habrá crecido en grandes proporciones y más los efectos

negativos del calentamiento global, las ciudades sufrirán de la escases del agua, considerándose

sólo el tema de la cantidad dejando a un lado la calidad y la infraestructura necesaria para su

suministro o reutilización (González de Posada, 2010).

Por tanto, el presente trabajo está enfocado en el diseño hidráulico de una planta depuradora que

mejore la calidad del agua residual, siendo esencial la construcción y monitoreo de una planta piloto

a escala de laboratorio que compruebe la eficiencia de la misma. El estudio comprende: la

caracterización física, química y microbiológica de las aguas residuales urbanas; la selección de las

tecnologías para el tratamiento; el diseño, escalado, construcción y monitoreo.

Obteniéndose un 87.36% de remoción del color real y de materia orgánica en términos de DQO de

79.17%, valores que demuestran la eficiencia de los tratamientos seleccionados y los valores

esperados de depuración para que el efluente cumpla con los requisitos establecidos en la Norma

TULSMA 2015 de vertidos a cuerpos de agua dulce.

PALABRAS CLAVES: agua residual, diseño hidráulico de una planta depuradora, caracterización

física, química y microbiológica, planta piloto de tratamiento de aguas residuales.

2

ABSTRACT

For future years, the world population will have grown in large proportions and also the negative

effects of global warming, cities will suffer from the scarcity of water, but only the issue of quantity is

considered, leaving aside the quality and infrastructure needed to its supply or reuse (González de

Posada, 2010).

Therefore, the present work is focused on the hydraulic design of a treatment plant that improves

the quality of wastewater, being essential the construction and monitoring of a pilot plant at laboratory

scale to verify the efficiency of it. The study includes: the physical, chemical and microbiological

characterization of urban wastewater; the selection of technologies for treatment; the design, scaling,

construction and monitoring.

Obtaining an 87.36% removal of the real color and organic matter in terms of COD of 79.17%, values

that demonstrate the efficiency of the selected treatments and the expected purification values so

that the effluent meets the requirements established in the TULSMA 2015 standard of discharges to

bodies of fresh water.

KEY WORDS: wastewater, hydraulic design of a treatment plant, physical, chemical and

microbiological characterization, pilot plant for wastewater treatment.

3

INTRODUCCIÓN

Las aguas residuales según el Informe Mundial del UNESCO sobre Recursos Hídricos del 2017,

representan un recurso sostenible de ser tratadas adecuadamente para poder ser reutilizadas en la

agricultura y en la generación de energía. Con ello se puede aliviar en gran medida la escases de

agua dulce; además de mejorar la salud de la población y de contribuir a preservar el ecosistema

(UNESCO, 2017).

La calidad de los cuerpos de agua se ve altamente afectada por la contaminación que el hombre

produce vertiendo sus aguas contaminadas sin previo tratamiento, mismas que en su recorrido

aguas abajo son utilizadas para consumo, para la agricultura y ganadería o en su defecto para

distintos procesos industriales. (Gil et al., 2012).

El país no está exento de esta problemática, pues en la investigación “Diagnóstico de la Información

Estadística del Agua” desarrollado por Ecuador-CEPAL en el año 2012 señala que la contaminación

de los recursos hídricos causada por los desperdicios generados por los municipios y las industrias,

residuos de la agricultura y ganadería, muestran un escenario perjudicial para la salud de la

población de todo el Ecuador, además de influenciar negativamente en los recursos hidrológicos

superficiales y en el agua subterránea (Ecuador-CEPAL, 2012).

A nivel de país, 133 GAD Municipales realizan un tratamiento a las aguas residuales antes de

verterlas; el resto de municipios, es decir, 82 no realizan ningún tratamiento a sus aguas residuales.

Cabe indicar que la disposición final del agua tratada y no tratada va directamente hacia ríos y

quebradas (Instituto Nacional de Estadística y Censos, 2016).

La problemática se agrava cuando se trata de ciudades pequeñas que presentan un alcantarillado

defectuoso y además donde un considerable porcentaje de la población económicamente activa se

dedica a los oficios de la agricultura, son propensos a desarrollar grandes focos de enfermedades

y contaminación justamente en los puntos de descarga sin previo tratamiento (UNESCO, 2017).

Se hace indispensable aprovechar al máximo el reuso del agua depurada, y el reuso y disposición

de los lodos residuales con el propósito de no tener problemas a futuro de contaminación al

ecosistema y a la salud humana (Cota et al., 2008).

4

En algunos puntos a nivel mundial, específicamente en zonas donde el recurso hídrico es

disminuido, la reutilización de las aguas residuales debidamente tratadas representan hasta un 60%

de su aprovechamiento (Vera et al., 2015).

El continuo desarrollo de la sociedad hace que no solamente sea necesario preocuparse por la

cantidad del agua, sino también, es indispensable velar por la calidad de la misma. Pues se

relaciona directamente con la calidad de vida de las personas, dicho de otra manera, a mayor

calidad del agua más alto es el nivel de calidad de vida y por ende mejor es su desarrollo. (UNESCO,

2017).

Por lo tanto, para solventar el problema que aqueja a este tipo de ciudades, este trabajo se centra

en proponer un diseño de una Planta Piloto de Depuración de Agua Residual, que mediante una

efectiva construcción y monitoreo remueva las impurezas de dicha agua; devolviendo un agua con

buena calidad para que pueda ser reutilizada en la agricultura o servicios públicos de esparcimiento.

El presente documento contiene cinco (5) capítulos los cuales son: 1) Marco teórico, que son

definiciones, conceptos y tratamientos para el agua residual. 2). Diagnóstico del problema, en donde

se enmarca la problemática de las aguas residuales en el país y en un poblado en desarrollo. 3)

Metodología y materiales, en el cual está detallado la selección de la tecnología a usar, su diseño y

construcción. 4) Análisis de resultados, capítulo que presenta los resultados de la construcción y

monitoreo. 5). Conclusiones y recomendaciones, a lo que ha llegado el presente trabajo y las

recomendaciones que se proponen para futuros estudios.

5

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO

6

1.1 Agua.

Se ha preferido partir de lo que expresa la Constitución del país en su artículo 12, en donde deja en

claro que el agua forma parte de su patrimonio y que es un recurso esencial para la vida

(Constitución de la República del Ecuador, 2008). Así como en nuestro país, a nivel mundial el agua

representa un bien preciado puesto que de él depende el desarrollo sostenible de cada nación. A

partir del agua se puede considerar el crecimiento o decrecimiento poblacional, económico y social

de los pueblos (OMS, 2010).

El agua de calidad aceptable y de fácil acceso es de suma importancia para la salud pública, ya sea

que se utilice para el consumo humano, para los distintos usos que se le da en el hogar, para usos

industriales (especialmente el alimenticio) o bien para fines recreativos (OMS, 2010).

1.1.1 Agua cruda.

Se entiende como agua cruda, a aquella agua que se encuentra en estado natural en el medio

ambiente; es decir, aquella agua que no ha recibido ningún tipo de tratamiento para que puede ser

apta para el consumo. Ésta se la puede encontrar en los cursos y cuerpos de agua superficiales y

subterráneos, siendo los mismos, ríos, quebradas, lagos, lagunas, acuíferos, etc. (INEN - 1108,

2014).

1.1.2 Agua potable.

Se considera que el agua es potable, cuando presenta una calidad excepcional en su composición,

para que pueda ser utilizada para el consumo humano. Dentro de este ámbito, si nos referimos a

que el agua tenga que ser apta para el consumo humano, ésta tendrá que obligatoriamente pasar

por operaciones y procesos unitarios los mismos que tendrán que cumplir con una función

establecida, eliminando así cualquier sustancia, patógeno o impureza que afecte a la integridad de

las personas (INEN - 1108, 2014).

1.1.3 Agua residual.

Como su nombre lo está indicando, esta agua proviene de la utilización del agua en diversos

ámbitos, ya sea para el consumo, para la agricultura o para la industria (RAS - 2000, 2000). Mejor

dicho, es un agua que se devuelve a la red de alcantarillado una vez utilizada. Existe un rango en

que se determina que entre un 70% y un 80% del agua que entra a los domicilios es devuelta a la

red de alcantarillado sanitario (Secretaría del Agua, 2012).

7

Las aguas residuales se clasifican en dos grupos:

1.1.3.1 Agua residual doméstica.

Se llaman aguas residuales domésticas a aquellas aguas que provienen de las actividades

domésticas de la vida diaria como el lavado de platos, ropa, baños, en la preparación de alimentos

y otros usos. Estas aguas tienen gran cantidad de grasas y aceites y de materia orgánica (RAS -

2000, 2000).

1.1.3.2 Agua residual industrial.

En cambio, estas aguas son llamadas así puesto que derivan de los distintos procesos industriales

de un sin número de industrias, ya que en todas las industrias sea cual fuere su objetivo y su

producto utiliza el agua. El agua residual industrial puede contener colorantes, metales pesados,

sustancias tóxicas, etc. En muchos de los casos, este tipo de agua es vertida también al sistema de

alcantarillado (RAS - 2000, 2000).

1.2 Características del agua residual

El agua residual presenta características físicas, químicas y microbiológicas, esto debido a su

procedencia.

1.2.1 Características físicas.

A continuación se especifican las características físicas de las aguas residuales:

Tabla 1 Características físicas.

Parámetro Definición

Olor Los olores de las aguas residuales son muy característicos, son a menudo percibidos como huevos podridos, carne en mal estado, pescado, materia fecal o como cualquier otra percepción un tanto desagradable. Se producen los malos olores, que son emanados al ambiente, gracias a la descomposición de la materia orgánica.

Color Metcalf y Eddy (2003) señalan que el color cambia de acuerdo al tiempo que el agua residual se encuentra desde el vertido al sistema de alcantarillado (gris es poco tiempo al negro o agua séptica).

Sólidos Son considerados como cualquier objeto o material presente en el agua. Interfieren de manera directa en el color y en el lodo del agua residual. En la tabla 2 se presenta la clasificación de los sólidos.

8

Turbiedad La turbidez en el agua se da por la presencia de material en suspensión, lo que afecta a la transmisión de la luz. Un agua turbia da a entender una mala calidad de la misma.

Densidad Característica importante del agua residual, pues la formación de corrientes de fangos depende de ella. Se la expresa como el cociente de la masa por la unidad de volumen.

Temperatura Sabiendo que el agua residual es una mezcla de aguas utilizadas, de cocina u otros, el agua residual siempre tendrá una temperatura mayor al agua potable. La temperatura eleva el grado de descomposición de la materia orgánica, produciendo gran consumo de oxígeno.

Conductividad Es definida como la capacidad que tiene el agua para transmitir corriente eléctrica. En el agua residual éste parámetro es elevado, ya que presentan altas concentraciones de CL-, NO3

-, SO4-2 y otros iones.

Fuente: Metcalf & Eddy, 2003. Ramalho, 2003.

Elaboración: Autor.

Los sólidos se clasifican de la siguiente manera:

Tabla 2 Clasificación de los sólidos.


Sólidos sedimentables (SS)

Representan a sólidos sedimentables y no sedimentables, los cuales no son capaces de pasar por un filtro que presente un tamaño de poro de 0.45 micras, tales como los limos y arcillas. Esta clase de sólidos hace que aumente la turbiedad del agua.

Sólidos disueltos (SD)

Aquellos sólidos que son capaces de pasar por un filtro con tamaño de poro de 1 micra.

Sólidos en suspensión

volátiles (SSV)

Aquellos sólidos, en donde están incluidos la materia orgánica y la inorgánica como las sales, que se inflaman cuando se expone a una muestra a temperaturas de 550°C por un periodo de tiempo de 60 minutos.

Sólidos en suspensión fijos

(SSF)

Son los sólidos que luego de la incineración (550°C) son capaces de resistir y permanecen aún en el agua.

Sólidos disueltos volátiles (SDV)

Son los sólidos que se incineran al pasar una muestra por temperaturas de 550°C.

Sólidos disueltos fijos (SDF)

Representa al residuo que queda una vez incinerados los sólidos disueltos totales a temperaturas de 550°C.

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Sólidos totales (ST) Son aquellos sólidos que resultan de la evaporación, luego de someter una muestra de agua a temperaturas entre los 103°C – 105°C. Es la suma de los sólidos disueltos y suspendidos.

Fuente: Metcalf & Eddy, 2003.


1.2.2 Características químicas.

1.2.2.1 Materia orgánica.

Aproximadamente, un 75% de los sólidos en suspensión y un 40% de los sólidos disueltos de un

agua residual representan materia orgánica. Resultan de los compuestos orgánicos de la flora y

fauna y de la actividad del hombre (Metcalf & Eddy, 2003).

Las características químicas en forma de materia orgánica son:

Tabla 3 Características químicas: materia orgánica.


Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)

Es la cantidad de oxígeno expresado en mg/l y consumida en condiciones de ensayo (20°C y oscuridad) en un tiempo dado, como consecuencia de la oxidación (por vía biológica), de las materias biodegradables presentes en el agua residual.

Parámetro para la medición de la materia orgánica, pues indica la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos y las reacciones químicas para oxidar la materia orgánica (Hernández, 2015).

Demanda Química de

Oxígeno (DQO)

Representa la cantidad de oxígeno que se consume al momento de oxidar la materia orgánica que se encuentra presente en el agua residual; para poder determinar este parámetro hay que valerse de un agente oxidante fuerte.

Carbono Orgánico Total

Es otro método, mediante el cual se puede determinar la cantidad de materia orgánica de un agua residual. Para poder establecer éste parámetro es necesario que una muestra se coloque en un horno a altas temperaturas y con la presencia de un catalizador, el cual hará que el carbón orgánico se llegue a oxidar

Demanda Teórica de Oxígeno

Se hace necesario conocer la composición de las aguas residuales en carbohidratos, proteínas y grasas y con una reacción teórica se puede determinar la oxidación total.

Grasas y aceites Parámetro fundamental de las aguas residuales urbanas, proviniendo exclusivamente de la actividad del hombre. Los vertidos que contienen

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grasas, son capaces de incrementar a la DQO en hasta un 30% (Hernández, 2015).

Fuente: Hernández, 2015. Metcalf & Eddy, 2003. UNESCO, 2017.


1.2.2.1.1 Relación de biodegradabilidad:

La relación entre la DBO5 y la DQO indicará la biodegradabilidad que presentará un agua residual

y se la podrá clasificar como industrial o urbana (Hernández, 2004)

Esta correlación se puede ver reflejada de la siguiente manera:

DBO5/DQO > 0.4 → Materia orgánica muy biodegradable

DBO5/DQO = 0.2 – 0.4 → Materia orgánica moderadamente biodegradable

DBO5/DQO < 0.2 → Materia orgánica poco biodegradable

1.2.2.2 Materia inorgánica.

El contacto del agua con formaciones geológicas o en su defecto por aguas tratadas y sin tratar

hace que aumenten las sustancias inorgánicas (Metcalf & Eddy, 2003).

Tabla 4 Características químicas: materia inorgánica.


Potencial hidrógeno

(pH)

Es definido como la magnitud de acidez o alcalinidad que presenta un agua residual. Valores entre 0 – 7 es considerado como ácido, 7 – 14 en cambio es básico. Para la vida acuática los valores pueden estar entre 5 – 9.

Fósforo (P) Resulta un parámetro básico para la vida de los microorganismos y plantas en el agua. Es común su presencia como ortofosfatos, polifosfatos y fósforo orgánico. De los anteriores se puede decir que el fósforo orgánico representa un componente relevante por vertidos industriales y por aguas residuales domésticas.

Nitrógeno (N) Así como lo es el fósforo, anteriormente expuesto, lo es el nitrógeno; es decir, es un compuesto vital para la vida de los microorganismos y las plantas. Por lo tanto su presencia en las aguas residuales está relacionado a llevar un tratamiento biológico. Se presenta en cuatro maneras, que se las detallan en la tabla 5.

Azufre (S) Conocer su presencia en las aguas residuales es importante por los efectos que presentan, mal olor y corrosión. Se presenta como ion sulfato que es liberado

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en la degradación. El sulfato se reduce en sulfuro y sulfuro de hidrógeno. En cuanto a los primeros, valores más allá de los 200 mg/l alteran los procesos biológicos al ser reducidos en los digestores de lodos. Los segundos están presentes en las alcantarillas en donde se puede oxidar bilógicamente y pasar a formar ácido sulfúrico y provocar la corrosión.

Alcalinidad Propiedad que obtiene el agua residual por aguas de tratamiento, aguas subterráneas o por sustancias añadidas en sus usos en los hogares (Metcalf & Eddy, 2003).

Cloruros Su presencia se debe a heces animales o humanas en aguas residuales. Éstas a su vez pueden contaminar cursos de agua. Por lo que si se verifica la presencia de ésta característica en un cuerpo de agua natural, es indicativo que aguas arriba se vierten aguas residuales.

Gases Existen dos clases, unos presentes en la atmósfera como el nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono. Y otra clase que proviene de la descomposición de la materia orgánica (de importante presencia en aguas residuales) los cuales son el metano, el sulfuro de hidrógeno, el amoniaco, etc. En la tabla 6 se presenta la clasificación de los gases.

Metales pesados

Su presencia en grandes cantidades es muy tóxico. Provienen de la industria metalúrgica o de explotaciones en el suelo para su uso en diferentes aspectos. Es conveniente medir su nivel y realizarles el tratamiento debido para separarlos del agua y que luego no representen un riesgo. Siendo los más comunes: arsénico, cadmio, calcio, plomo y mercurio.

Pesticidas o plaguicidas

Es indispensable conocer su presencia en un cuerpo de agua, puesto que son muy tóxicos. Su presencia indica contaminación. Resultan de los tratamientos que el hombre le da a los cultivos, ya sea para mejorarlos o para eliminar plagas. Los más importantes se los detallan en la tabla 7.



El nitrógeno se presenta como:

Tabla 5 Clases de nitrógeno.


Nitrógeno amoniacal

Está relacionado con el pH, pues a valores menores a 7, el ion amoniaco prevalece. En el agua residual, representa una contaminación con por ejemplo detergentes o químicos utilizados en la agricultura.

Nitrógeno de nitritos

Son compuestos demasiado inestables, pero de gran importancia su presencia en las aguas residuales porque son demasiado tóxicos. Este tipo de agua suele tener valores relativamente pequeños (1 mg/l) y para eliminarlo es necesario la adicción del cloro en el proceso de desinfección.

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Nitrógeno de nitratos

Sus valores en un agua residual varían entre 0 - 20 mg/l, es decir, es alto. Se puede entender, al encontrar este componente, como que el residuo se ha estabilizado con respecto a la demanda de oxígeno.

Nitrógeno orgánico

Esta clase de nitrógeno se encuentra presente en el agua residual gracias a la materia fecal, proteínas, aminoácidos o urea.



Los gases presentes en el agua residual son:

Tabla 6 Gases más importantes del agua residual.


Oxígeno disuelto (OD)

Importante a tener en cuenta en un agua residual, pues es necesario para la vida de organismos. Además de ser significativo al evitar la formación de malos olores.

Sulfuro de hidrógeno

Gas incoloro e inflamable, que se asemeja al olor de los huevos podridos. Produce que el agua residual cambie de color gris a un color negro.

Metano Gas que no se encuentra en grandes proporciones en un agua residual gracias al oxígeno, aparte de ser un subproducto de la descomposición de la materia orgánica. En plantas depuradoras su producción está en los procesos anaerobios que estabilizan los fangos.



Los pesticidas que se encuentran en las aguas residuales son:

Tabla 7 Pesticidas más importantes del agua residual.


Organoclorados Son compuestos fabricados para la eliminación de insectos. Generan grandes problemas ambientales. Entre los más conocidos están: aldrín, dieldrín, dicofol, etc. Pertenecen a la familia del DDT.

Organofosforados Así mismo, son altamente tóxicos y también son utilizados en el control de insectos. Entre los más conocidos están: malathion, parathion, metamidofos, endosulfán, etc.



13

1.2.3 Características microbiológicas.

Los organismos microbiológicos son de suma importancia conocerlos en las aguas residuales, ya

sea para tomar una medida referencial (E. Coli) y eliminarlos o en su defecto para usarlos en

tratamientos del tipo biológico. Entre ellos tenemos los siguientes:

Tabla 8 Características microbiológicas de las aguas residuales.


Bacterias En este tipo de organismos se encuentra la bacteria de la Escherichia Coli, el mismo que se encuentra en la materia fecal y el principal contaminante de las aguas. Por lo tanto al que mayor cuidado se le debe tener para poderlo eliminar por completo de las aguas. A este grupo se incluyen los coliformes, los cuales también sirven como indicadores de contaminación.

Virus Son tan importantes como las bacterias, pues estos organismos también provienen de las heces, además se sabe que pueden permanecer en un cuerpo de agua hasta 6 días y en aguas residuales hasta 41 días, resultando así que su eliminación debe ser concreta para que no existan brotes de contaminación y por ende enfermedades graves como la hepatitis.

Protozoos Son capaces de mantener el equilibrio entre los distintos microorganismos. Dentro de este grupo se encuentran los flagelos, las amebas y los bacilos. En el caso de que estén presentes en aguas que van a ser destinada para el consumo humano es de vital importancia que sean eliminados, para así también evitar enfermedades.

Algas Es uno de los problemas que más afecta al tratamiento de las aguas residuales, pues su crecimiento ocasiona malas eficiencias en las plantas de tratamiento (Metcalf & Eddy, 2003).

Hongos Son necesarios pues ayudan a la degradación de la materia orgánica, sin ellos esta se acumularía.



1.3 Tratamientos de aguas residuales

Así como en la potabilización, en la depuración del agua también se contemplan tratamientos que

tienen por finalidad devolver agua de mejor calidad hacia los cursos naturales. En estos tratamientos

se contemplan los primarios que similarmente a la potabilización, estos detienen y eliminan sólidos

de gran tamaño y adicionalmente eliminan grasas y aceites que podrían afectar en funcionamiento

continuo de la estación; seguidamente están los tratamientos secundarios encargados de eliminar

sustancias y sólidos de mucho menor tamaño; y, por último los tratamientos terciarios en donde

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está inmerso la filtración para la eliminación de partículas minúsculas. Dando entonces una agua

de mucha mejor calidad y que no afecte al medio ambiente, sino más bien lo ayude a su

conservación y protección. Aparte hay que señalar que cuentan con depósitos de fangos, es decir,

donde se depositan los residuos que se van eliminando en los tratamientos anteriores. Estos fangos

suelen ser reutilizados en la agricultura, como principal opción (Ramalho, 2003).

Fuente: Ramalho, 2003.


1.3.1 Pretratamiento.

El pretratamiento de las plantas depuradoras corresponde a las estructuras iniciales de las plantas,

son procesos físicos y/o mecánicos cuyo fin es la retención de objetos de gran tamaño y también

de los aceites y grasas, para que los mismos no afecten el normal funcionamiento de los

tratamientos siguientes. Además también son estructuras que regulan el caudal que entra a la

depuradora (Valencia, 2013). Entre los procesos más utilizados están los siguientes:

1.3.1.1 Canal de llegada.

Es la primera estructura de la planta para el tratamiento de las aguas residuales, es el lugar en

donde se descargan las aguas desde la tubería del sistema de alcantarillado. Generalmente son

diseñados mediante formas geométricas regulares como las rectangulares, triangulares o

trapezoidales (Secretaría del Agua, 2012).

Afluente Pretratamiento T. Primario T. Secundario T. Terciario

Agua depurada Lodos secundarios Lodos primarios

Tratamiento de lodos Disposición de lodos

Figura 1 Esquema de depuración.

15

1.3.1.2 Rejillas.

Es una estructura conformada por barras de acero, colocado al final del canal de entrada, por donde

pasa el flujo del agua y se retienen los materiales de gran tamaño. El espaciamiento entre barras

es para limpieza manual de 15 mm a 50 mm y para realizar una limpieza mecánica, de 3 mm a 77

mm (Hernández, 2015).

Según la RAS – 2000, recomienda que la velocidad mínima entre barras es de 0.3 m/s – 0.6 m/s si

es limpieza manual y de 0.6 m/s – 1.2 m/s si es de limpieza mecánica. Remueven de 5 a 25% de

los sólidos en suspensión (RAS – 2000, 2000).

1.3.1.3 Desengrasador.

Son pequeños tanques capaces de retener y separar mediante flotación hacia la superficie la grasa

que está junto al agua, su ubicación es antes del decantador primario y después del desarenador.

Entre los parámetros necesarios para su diseño está que se debe considerar 0.25 m2 de área por

cada litro por segundo, una relación ancho-longitud de 1:4 a 1:18. Además de considerar que para

caudales mayores a 20 l/s el tiempo de retención es de 5 minutos (Hernández, 2015).

1.3.2 Tratamiento primario.

Se denomina como tratamiento primario pues es el primer tratamiento que se le da a las aguas

residuales, donde se hace posible la separación o remoción de partículas más pequeñas gracias a

la sedimentación que se produce por efectos de la diferencia de pesos que existe entre las partículas

y el fluido (Ramalho, 2003).

La sedimentación que se produce puede ser de tres tipos: discreta, floculante y por zonas.

Sedimentación discreta: de manera individual y gracias a su propio peso cada partícula

por sí solo se deposita en el fondo del tanque (Ramalho, 2003).

Sedimentación floculante: este tipo de sedimentación se da mediante la adición de una

sustancia floculante que haga que las partículas de menor tamaño se atraigan entre sí,

aumenten de tamaño y por su peso se puedan sedimentar (Ramalho, 2003).

Sedimentación por zonas: en cambio, esta sedimentación se da porque las partículas

forman una manta que por su gran peso se llega a sedimentar sola (Ramalho, 2003).

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Figura 2 Sedimentación de una partícula.


Elaboración: Ramalho, 2003.

1.3.2.1 Sedimentador primario.

Tanques rectangulares o circulares donde se sedimenta el material; debidamente dimensionados y

operados pueden reducir entre el 50% y 70% de los sólidos suspendidos y entre el 25% al 40% de

la DBO5 (Fuentes, 2011).

En el caso de que se diseñe un tanque circular, puede tener diámetros de 3 m a 60 m, con

profundidades de 2.5 m a 4 m y con un tiempo de retención de 1 h (RAS – 2000, 2000).

En el caso de que se diseñe un tanque rectangular, se debe considerar aspectos importantes como:

la relación largo-ancho que será de 1.5:1 hasta 15:1, además deberá tener profundidades de 2 m a

5 m (OPS, 2005).

En estos últimos tanques hay cuatro zonas:

Zona de entrada: en donde las partículas se distribuyen uniformemente y donde se puede

esperar un flujo laminar (OPS, 2005).

Zona de sedimentación: donde como su nombre mismo lo indica se espera que las

partículas lleguen al fondo del tanque (OPS, 2005).

Zona de salida: donde pasa el agua residual, ya sin los porcentajes de sólidos y DBO5

(OPS, 2005).

Zona de lodos: sitio donde se depositan los lodos y son recogidos posteriormente. Es

recomendado espesores de lodos de 30 cm a 45 cm (OPS, 2005).

En cualquiera de los diseños de tanques sedimentadores, la velocidad de entrada debe ser de hasta

0.3 m/s.

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Figura 3 Sedimentador convencional.

Fuente: Organización Panamericana de la Salud (2005). http://www.bvsde.ops-

oms.org/tecapro/documentos/agua/158esp-diseno-desare.pdf

Elaboración: Organización Panamericana de la Salud (2005). http://www.bvsde.ops-


1.3.2.2 Tanque Imhoff.

Este tipo de tratamiento es ideal cuando no se tiene una gran área para establecer una estación

depuradora, además resultan muy prácticos en comunidades donde la población es de hasta 5000

habitantes. Su diseño es simple y no requiere de partes mecánicas, solo de tres cámaras para la

sedimentación, digestión de lodos y para la ventilación de los gases producidos (Hernández, 2004).

Las aguas residuales pasan por medio de la cámara de sedimentación en donde se remueven

sólidos sedimentables, los mismos que resbalan por las paredes inclinadas hasta el fondo de la

cámara y luego hacia la cámara de digestión (OPS, 2005).

En cuanto a su porcentaje de remoción es del 40% a 50% y del 25% al 35% entiéndase en sólidos

suspendidos y DBO respectivamente (Hernández, 2004).

18

1.3.3 Tratamiento secundario.

Con el tratamiento secundario se pretende reducir gran parte de la materia orgánica y sólidos que

no decantan. Estos tratamientos suelen ser biológicos que se ayudan de los microorganismos para

degradar la materia orgánica (Valencia, 2013).

Pueden ser de dos tipos: aerobios y anaerobios. Se dice son anaerobios cuando no existe oxígeno,

las bacterias con capaces de hidrolizar y fermentar la materia orgánica y la reducen a compuestos

más simples, entre éstos se encuentran los procesos de los reactores anaerobios de flujo

ascendente y manto de lodos (UASB) (Ramalho, 2003).

Todo lo contrario es los procesos aerobios, pues aquí en presencia del oxígeno, las bacterias

degradan la materia orgánica. En este tipo de tratamientos se especifican los filtros percoladores,

lodos activados, la infiltración rápida y lenta, la escorrentía superficial, y los humedales de flujo

superficial y subsuperficial que son procesos facultativos. En el tratamiento secundario se remueve

un aproximado de 85% de DBO (Valencia, 2013).

1.3.3.1 Reactor UASB.

Básicamente es un tanque imhoff pero al contrario. En este tipo de reactores el flujo ingresa por la

parte inferior, atravesando el mismo y saliendo el afluente por la parte superior (Ayala et al., 2008).

Así mismo consta de tres zonas:

Zona de lecho de lodos: parte en donde los microorganismos degradan la materia orgánica

presente en el agua residual (Ayala et al., 2008).

Zona intermedia: es donde se presentan de manera dispersa los microorganismos (Ayala

et al., 2008).

Zona de separación: es la parte del reactor donde se separan lo que es gas-líquido-sólidos

(Ayala et al., 2008).

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Figura 4 Reactor UASB.

Fuente: Adaptado de Ayala et al., 2008.


El problema de estos reactores en el tiempo para el comienzo del proceso, pues dura de 8 a 12

semanas, además mientras más joven es el agua residual, más tarda el mismo. Presenta una

eficiencia de remoción de entre 55% a 75% en lo que tiene que ver a DQO, en sólidos suspendidos

su eficiencia oscila alrededor de 67% a 81%, además de eliminar un 70% de patógenos. Su tiempo

de retención hidráulico es de 5 a 6 horas (Ayala et al., 2008).

Según RAS-2000, recomienda que la altura del espacio inferior debe estar entre 4 m a 5 m, del

superior entre 1.5 m a 2 m y del colector de gas entre 1.5m a 2 m. además de tener un borde libre

de 40 cm (RAS – 2000, 2000).

1.3.3.2 Lodos activos.

Es un tratamiento muy utilizado en la depuración de las aguas residuales municipales, donde su fin

es la remoción de la materia orgánica en función del parámetro de DQO; el proceso se da en un

reactor en donde el agua residual y el lodo biológico son mezclados y a luego aireados. En este

proceso se forman flóculos que se sedimentan en un sedimentador secundario y luego son

devueltos hacia el tanque de aireación y de nuevo mezclados, de ahí el nombre de lodos activados.

Es una de las alternativas más usadas en el tratamiento de aguas residuales urbanas gracias a la

gran capacidad de remoción de materia orgánica (Ramalho, 2003).

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La eficiencia en la remoción de DQO es de alrededor del 85% y 90% (Varila, 2008).

Figura 5 Esquema de lodos activos.


Elaboración: Metcalf & Eddy, 2003.

1.3.3.3 Filtros percolados.

Son sistemas de tratamiento de aguas residuales biológico, por los cuales pasa agua y aire

mediante un medio poroso cubierto con una biopelícula (Fuentes et al., 2011).

Por su geometría son circulares, teniendo diámetros de hasta 60 m, y rectangulares con

profundidades que varían entre 1.50 m y 12 m. El material granular debe ser piedra con dimensiones

que varíen entre 3´´ y 5´´, además su colocación en el tanque debe hacerse a mano y con

profundidades de entre los 90 cm y los 180 cm (RAS – 2000, 2000).

Presenta una excelente eficiencia en la remoción de la DBO.

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Figura 6 Filtro percolador.

Fuente: Alianza por el agua (s.f.). http://alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t8.html

Elaboración: Alianza por el agua (s.f.). http://alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t8.html

1.3.3.4 Lagunas aerobias.

Depósitos con un gran tamaño a los cuales se les suministra aire para que los microorganismos que

se encuentran en suspensión permanezcan en condiciones aerobias (Comisión Nacional del Agua,

2007). El aire puede ser suministrado de dos formas: natural y artificial.

De forma natural, al aire es añadido por el contacto de la lámina de agua con la atmósfera o por la

fotosíntesis de las algas. De manera artificial es gracias a unos difusores de aire que se colocan en

el fondo de las lagunas, se los diseña y es preferible usarlos para contar con una mayor cantidad

de oxígeno y con esto se pueda degradar más la materia orgánica (Portales, 2011).

http://alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t8.html

http://alianzaporelagua.org/Compendio/tecnologias/t/t8.html

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Figura 7 Laguna aireada.

Fuente: Portales (2011). http://agua-medioambiente.blogspot.com/search?q=laguna+aireada

Elaboración: Portales (2011). http://agua-

medioambiente.blogspot.com/search?q=laguna+aireada

Son altamente eficientes en periodos de retención hidráulica de cinco días, con eficiencias en la

remoción de la DBO de hasta un 90%, SST hasta un 95% y nitrógeno en rangos de 50% a 75%

(Portales, 2011).

Tienen profundidades de entre 0.30 m a 0.60 m, esto con el fin de que exista actividad fotosintética

y biológica en toda la columna de agua (RAS – 2000, 2000).

1.3.3.5 Laguna anaerobia.

Las lagunas anaerobias, dentro de un sistema de tratamiento de aguas residuales mediante lagunas

de estabilización y maduración son las más pequeñas, puesto que su funcionamiento es similar al

de los tanques sépticos abiertos, por lo que se podría considerar que dentro del mismo sistema

mencionado son consideradas para un tratamiento primario (Terreros, 2017).

Como su nombre lo indica, al ser anaerobias quiere decir que el proceso de la degradación de la

materia se produce en ausencia del oxígeno, gracias a que las bacterias que forman ácidos

orgánicos convierten los compuestos orgánicos complejos en otros más simples (Gene, 2013).

Generalmente son sistemas que no operan solos, pues el efluente de estas lagunas es descargado

a otra con el fin de oxigenar el agua; la materia orgánica se logra estabilizar gracias a la acción de

los microorganismos y la sedimentación (Comisión Nacional del Agua, 2007).

http://agua-medioambiente.blogspot.com/search?q=laguna+aireada



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Figura 8 Laguna anaerobia.

Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007.

Elaboración: Comisión Nacional del Agua, 2007.

1.3.3.6 Laguna facultativa.

Son las lagunas que tiene tres zonas claramente definidas: la primera que es la superficial de

manera simbiótica coexisten algas y bacterias; la segunda que es anaerobia se acumulan sólidos y

son descompuestos; por último la tercera zona que es intermedia, parte aerobia (bacterias aerobias)

y parte anaerobia (bacterias facultativas) (Comisión Nacional del Agua, 2007).

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Figura 9 Laguna facultativa.

Fuente: Comisión Nacional del Agua, 2007.

Elaboración: Comisión Nacional del Agua, 2007.

Al necesitar un ambiente oxigenado para que las algas degraden la materia orgánica, su

profundidad varía entre 1 a 2 m. El color verde que se observa en la superficie es una buena señal

del buen funcionamiento de estas lagunas (Terreros, 2017).

1.3.3.7 Laguna de maduración.

Es un tratamiento final, usada para mejorar la calidad del efluente proveniente de los sistemas

biológicos (Comisión Nacional del Agua, 2007).

En las veces en que es necesario mejorar en gran medida la calidad del efluente, es decir remover

gran parte de los coliformes y nutrientes, es necesario implementar más de una laguna de

maduración (González, 2016. http://www.tratamientodelagua.com.mx/lagunas-de-maduracion/).

Entre las características fundamentales de su diseño se puede mencionar, que: su profundidad se

encuentra entre los 0.9 m a 1.5 m; el tiempo de retención hidráulica para la reducción de los

patógenos es de 10 a 14 días; presentan buena eficiencia en la reducción del nitrógeno amoniacal;

presentando además una variada población de algas (RAS – 2000, 2000).

http://www.tratamientodelagua.com.mx/lagunas-de-maduracion/

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1.3.3.8 Humedal de flujo superficial.

Son sistemas similares a las lagunas, con la diferencia de que son menos profundas (hasta 0.60 m)

y contienen plantas, mismas que por sus tallos circula el agua (Zapata, 2014).

Se necesita tener suelos que tengan como característica una baja permeabilidad; la pendiente del

terreno en donde será implantada deberá ser menor al 5% y con un área requerida por habitante

de 2.5 m2 a 9 m2 (Cisneros et al., 2010).

Presentan una excelente opción a la hora de tratar aguas residuales urbanas, pues el nivel de

eficiencia es aceptable en la remoción de DQO, DBO, grasas y aciertes y sólidos disueltos (Morató,

2009).

Figura 10 Humedal de flujo superficial.

Fuente: Zapata, 2014.

Elaboración: Zapata, 2014.

1.3.3.9 Humedal de flujo subsuperficial.

Estos sistemas tienen la singularidad de presentar un material filtrante, como arena, tierra o grava

y es plantado con macrófitas acuáticas (carrizos o caña) (Ortiz, 2014).

El agua fluye a través del medio poroso en donde se retienen los contaminantes que posea. Además

presenta grandes ventajas como la de tener un bajo costo de instalación y mantenimiento y también

la de crear un paisaje agradable (Rabat, 2016).

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Figura 11 Humedal de flujo subsuperficial.

Fuente: Ortiz, 2014.

Elaboración: Ortiz, 2014.

Presenta grandes porcentajes de remoción de entre un 90% a 95% de DQO, el color real en un

80%, los sólidos totales en un 67% y además de remover hasta un 87% de grasas (González et al.,

2016).

A continuación se presenta un cuadro de ventajas y desventajas que presentan los distintos

tratamientos biológicos antes mencionados.

Tabla 9 Cuadro comparativo de tratamientos biológicos.

TIPO DE TRATAMIENTO

BIOLÓGICO

VENTAJAS DESVENTAJAS

Lagunas de estabilización

(lagunas aireadas, anaerobias,

facultativas y de maduración)

Es un proceso de tratamiento natural de autodepuración.

Mediante procesos físicos, remueven la materia suspendida.

Mantiene las condiciones necesarias para que las bacterias y algas remuevan contaminantes.

Simplicidad en la construcción y operación.

Requieren grandes

extensiones de terreno.

Generación de gran cantidad de lodos residuales.

Generan contaminación ambiental al producir malos olores.

Puede darse eutrofización excesiva si no se controla adecuadamente el crecimiento de las algas.

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Es una opción económica a la hora de tratar aguas residuales.

Requieren poco control de operación.

En remoción de DQO, los porcentajes son: lagunas aireadas 70%-90%; lagunas aerobias 50%-60%; lagunas anaerobias 20%-40%; lagunas facultativas 50%-85% y lagunas de maduración: 50%-85%.

Para operar necesitan poca energía (lagunas aireadas artificialmente).

Requieren que la temperatura sea constante para que su eficiencia sea mejor.

Son más más eficientes si trabajan como un sistema único de tratamiento.

Requieren grandes periodos de retención hidráulica (hasta 50 días en lagunas anaerobias).

La existencia de insectos vectores es un tema preocupante para la salud.

Remoción del fósforo no es muy representativa.

Puede requerir de la aplicación de compuestos químicos para precipitar contaminantes.

Filtros percoladores Requiere de menos terreno para su puesta en funcionamiento.

Soportan las fluctuaciones de las cargas de contaminantes.

En cuanto a la remoción del DQO, se encuentra en valores desde 60%-75%.

Resulta un proceso más económico en relación al proceso de lodos activos.

Necesita de tiempos de retención hidráulica cortos.

Su operación y mantenimiento no son muy complejos.

No se ven alterados con cambios de temperatura.

Generan un considerable volumen de lodos residuales, por lo que algunas veces existe recirculación del mismo.

Requiere de personal capacitado para que su funcionamiento se dé con normalidad.

Presentan muy baja remoción del fósforo y nitrógeno.

Necesitan de energía para entrar en operación.

No son efectivos cuando el afluente presenta considerables concentraciones de pesticidas o compuestos orgánicos que inhiban la actividad microbiana.

Su rendimiento se ve afectado al tratar un efluente con altas concentraciones de metales.

Requieren de un tiempo largo para lograr su estabilización.

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Lodos activados Son de fácil estabilización desde su puesta en funcionamiento.

Requieren de una menor extensión de terreno.

La presencia de insectos vectores y de la emanación de los olores es poco perceptible.

Genera gran cantidad de lodos residuales estabilizados.

El efluente es parcialmente nitrificado.

La remoción del DQO presenta porcentajes que van desde el 70%-90%.

La remoción de coliformes se da en porcentajes de un 90%-95%.

Es uno de los tratamientos biológicos que mayor volumen de lodos residuales genera.

Requiere elevados costos de construcción y equipamiento.

Requiere altos costos de operación y mantenimiento.

Necesita de un espacio específicamente para tratar el lodo residual generado.

Requiere de un mantenimiento continuo.

Necesita de operadores especializados y continuamente capacitados.

Depende en gran medida de la temperatura que tenga el afluente así como de su pH y de los contaminantes.

Humedales Requieren de muy poca agua residual para que los microorganismos vivan.

Necesitan de muy bajos costos de construcción.

Requieren de bajos costos para su operación y mantenimiento.

No generan lodos residuales.

Sólo si utilizasen bombas requieren de energía, caso contrario no.

Una vez que se estabilizan, funcionan por sí solos.

La remoción de la DQO va desde 60%-80%.

La remoción de patógenos van en porcentajes desde 90%-99.9%.

Es un hábitat para muchos organismos.

No genera olores desagradables.

No es perceptible a que existan insectos vectores.

Necesitan de gran extensión de terreno, más que otros métodos de tratamiento.

Requiere de un tiempo de estabilización para que los contaminantes comiencen a reducirse.

Son sensibles a recibir agua residual contaminada con pesticidas.

Son propensos a la colmatación de no elegirse correctamente el sustrato.

A cierto periodo de tiempo, la vegetación cumple su vida útil (2-3 años).

29

Su vida útil se puede considerar hasta unos 20 años.

El diseño es flexible.

No afectan el paisaje, más bien le dan realce a espacios abiertos.

No existe problema con los cambios de temperatura.

Presenta buena remoción de metales.

Fuente: Adaptado de Terreros, 2017. Moncada, 2016. Rivas, 2014. Gene, 2013. Cisneros et al., 2010. Lara, 1999.


1.3.4 Tratamiento terciario.

El tratamiento avanzado es una serie de procesos que mejoran la calidad del efluente (remoción de

coliformes y nutrientes) (Ramalho, 2003).

1.3.4.1 Desinfección.

1.3.4.1.1 Cloración.

La desinfección con cloro es el más usado porque es capaz de oxidar sustancias como el hierro, el

manganeso o los nitritos que son perjudiciales para la salud y para las líneas de conducción del

agua porque las corroen. Además como ya se dijo tiene un bajo costo en el mercado y es de fácil

aplicación al agua (Domínguez, 2015).

El problema con la aplicación del cloro radica en los subproductos que genera tales como los

trihalometanos (THM), los ácidos haloacéticos (HAA), los haloacetonitrilos (HAN) o los mutagénicos

(MX). Los mismos que son perjudiciales para la salud de las personas pues son precursores de

enfermedades de cáncer (Domínguez, 2015).

El punto de aplicación del cloro es antes del tanque de sedimentación secundaria y luego del mismo,

teniendo un tiempo de contacto no menor a 30 min con relación al caudal medio diario y luego de

una mezcla rápida un tiempo de contacto de 15 min en relación al caudal máximo horario (Ramalho,

2003).

El cloro es capaz de oxidar las sustancias que originan mal olor y color (Ramalho, 2003).

30

1.3.4.1.2 Ozonización.

El ozono que es también un compuesto químico para la desinfección del agua, es un gas

sumamente inestable que se debe obtener en el sitio de aplicación al agua. Este gas aumenta su

potencialidad frente a amebas y algunos virus (Ramalho, 2003).

El ozono es difundido en grandes tanques con una determinada profundidad desde el fondo en

forma de burbujas con el fin de que produzca una adecuada mezcla, consiguiendo transferencias

de hasta un 100% (Ramalho, 2003).

Una de las grandes ventajas que presenta éste método de desinfección es la producción de gases,

pues al decir que es un gas sumamente inestable, se está refiriendo a esto, pues el gas que produce

luego del contacto con el agua residual es oxígeno que bien puede ser reutilizado para la generación

de nuevamente ozono (Véliz, 2010).

Además de reducir la formación de espuma luego de su aplicación y de ser más efectivo en aguas

residuales que contengan cianuro. Presenta una efectividad en lo que refiere a la destrucción de

bacterias de hasta un 100% (Ramírez, 2007).

1.3.4.1.3 Radiación ultravioleta (UV).

La luz UV o radiación ultravioleta es una luz generada por el sol, se ubica en la región comprendida

entre los Rayos X y la Luz Visible, en un espectro electromagnético. Dentro de esta luz se identifican

cuatro regiones del espectro, las cuales son: UV-vacío; UV-C; UV-B; UV-A. Las cuales están

comprendidas entre una longitud de onda de 100 a 400 nanómetros (nm) = 1000 a 4000 A° (1 A° =

1E10-10 metros (m) = 1E10-4 micrones (m)) (Garcés, 2012).

31

Figura 12 Espectro electromagnético.

Fuente: Peschl Ultraviolet, 2012. http://peschl-ultraviolet.com/english_n/all-about-uv/what-is-uv-

radiation/what-is-uv-radiation.html

Elaboración: Peschl Ultraviolet, 2012. http://peschl-ultraviolet.com/english_n/all-about-uv/what-is-uv-

radiation/what-is-uv-radiation.html

En la figura expuesta podemos denotar las cuatro regiones bien identificadas, así como la longitud

de onda en donde la radiación UV tiene la posibilidad de inactivar los organismos celulares. La

primera región es la UV-Vacío, que comprende longitudes ondas entre 100 a 200 nm, seguidamente

se encuentra la zona UV-C con longitudes de onda entre 200 a 280 nm, luego la zona de UV-B con

longitudes de onda entre los 280 a 315 nm y finalmente la región UV-A cuyas longitudes de onda

están entre los 315 a 400 nm (Peschl Ultraviolet, 2012).

Así mismo se puede observar que en rango donde se inactivan los patógenos se encuentra entre

las zonas UV-C y UV-B, siendo una longitud de onda efectiva aquella que se posiciona en los 260

nm (Beltrán, 2009).

La inactivación de los microrganismos se da cuando éstos absorben la luz ultravioleta directamente

y una reacción fotoquímica intracelular resultante cambia la estructura bioquímica de las moléculas

que son esenciales para la supervivencia de los microorganismos (Sánchez, 2012).

1.3.4.2 Adsorción.

1.3.4.2.1 Carbón activado.

El agua va a fluir a través de las capas de arena y grava y ahí se van a ir reteniendo la mayoría de

partículas, luego pasa hacia el carbón activado granular, pues es aquí en donde radica la principal

función de esta clase de filtro. Pues al pasar el agua a través del carbón activado, éste va a cumplir

http://peschl-ultraviolet.com/english_n/all-about-uv/what-is-uv-radiation/what-is-uv-radiation.html




32

su objetivo, la adsorción, extremadamente útil para eliminar los compuestos orgánicos y ciertos

metales que lograron pasar las primeras capas y que posiblemente en un proceso de filtración es

probable que no se puedan eliminar (Ramalho, 2003).

Al colocar carbón activado en el filtro, se puede remover color, fenoles, mayoría de metales

pesados, demanda química de oxígeno (DQO) y pesticidas como el aldrín, endrín, dieldrín, toxafeno,

dicloro difenil tricloroetano (DDT), dicloro difenil dicloroetano (DDD) o el dicloro difenil dicloroetileno

(DDE) (Aragón et al., 2013).

1.3.4.3 Filtración.

1.3.4.3.1 Filtración por membrana.

Gracias a la poca utilización de energía y nula adición de productos químicos, la filtración por

membrana ha ido ganando espacio en el tratamiento de aguas residuales. Además de que su

implementación en el proceso logra buenos resultados en la remoción de patógenos (Diez et al.,

2014).

La eficiencia es muy buena, pues es capaz de remover un 97% de DBO5, un 40% de DQO, los

sólidos en suspensión en un 99%, además de reducir hasta un 70% el fósforo total y un 50% de

nitrógeno amoniacal (Escobar, 2011).

Figura 13 Membrana de filtración.

Fuente: Diez et al., 2014.

Elaboración: Diez et al., 2014.

33

1.3.4.3.2 Ósmosis inversa

Proceso capaz de retener partículas de tamaño de 0.0001 mm. Ramalho (2003) expone el principio

de funcionamiento de la ósmosis inversa en el tratamiento de las aguas residuales diciendo que el

agua residual fluye bajo una presión elevada a través de un tubo interior el mismo que se encuentra

formado por un material semipermeable que es en donde se retienen todos los patógenos

perjudiciales (Ramalho, 2003).

Figura 14 Principio de ósmosis inversa.

Fuente: NCS Agua (2014). http://nscagua.com/tecnologia/osmosis-inversa/

Elaboración: NCS Agua (2014). http://nscagua.com/tecnologia/osmosis-inversa/

1.4 Tratamiento y disposición de lodos

Se denomina como lodos a todos aquellos compuestos sólidos o semisólidos que son removidos

de los distintos procesos y operaciones unitarias de las plantas de depuración de las aguas

residuales (Pérez, 2016).

Los lodos residuales están compuestos por una parte líquidos que es agua y por una parte sólidos,

la misma que presenta materia orgánica que no se ha descompuesto, materia inorgánica como los

metales pesados (cadmio, plomo, níquel, cobre, zinc, hierro, entre otros) que son tóxicos y además

también se presentan sales de los distintos tratamientos (Pérez, 2016).

Es necesario que estos lodos, antes de evacuarse pasen por un tratamiento previo, para de esta

manera no contaminar de ninguna manera (Ramalho, 2003).

http://nscagua.com/tecnologia/osmosis-inversa/

http://nscagua.com/tecnologia/osmosis-inversa/

34

Existen diferentes tipos de lodos, esto es debido al origen de donde provienen, así entonces hay:

Lodos primarios: son los primeros lodos que se recuperan de las depuradoras, provienen

del tratamiento primario o sedimentación (Metcalf & Eddy, 2003).

Lodos secundarios: son aquellos lodos que tienen su origen en los tratamientos

secundarios tanto aerobios como anaerobios. Su cantidad dependerá del tratamiento

(Metcalf & Eddy, 2003).

Lodos digeridos: son en cambio los lodos que provienen de los dos procesos anteriores,

ya sea por separado en mezclados (Metcalf & Eddy, 2003).

Así mismo, su composición dependerá de su origen, de su edad y del proceso de donde provienen

los tratamientos. (Metcalf & Eddy, 2003):

Tabla 10 Características microbiológicas de las aguas residuales.

Concepto Unidades Lodo primario

Lodo primario digerido

Lodo secundario

Concentración de sólidos

% 5 – 9 2 – 5 0.8 – 1.2

Sólidos volátiles % de ST 60 – 80 30 – 60 59 – 88

Proteína % de ST 20 – 30 15 – 20 32 – 41

Nitrógeno % de ST 1.5 – 4 1.6 – 3 2.4 – 5

Fósforo % de ST 0.8 – 2.8 1.5 – 4 2.8 – 11

Óxido de potasio % de ST 0 – 1 0 – 3 0.5 – 0.7

Celulosa % de ST 8 – 15 8 – 15 -

Hierro % de ST 2 – 4 3 – 8 -

Óxido de silicio % de ST 15 – 20 10 – 20 -

pH u. pH 5 – 8 6.5 – 7.5 6.5 – 8

Alcalinidad Mg de CaCO2/l

500 – 1500 2500 – 3500 580 – 1100

Ácidos orgánicos Mg de HAc/l 200 – 2000 100 – 600 1100 – 1700

Contenido energético KJ ST/kg 23000 – 29000 9000 – 14000 19000 - 23000



35

Los lodos antes de evacuarse pasan por los procesos de espesado, estabilizados y desinfectados

(Pérez, 2016).

Figura 15 Tratamiento de lodos residuales.

Fuente: Pérez, 2016.

Elaboración: Pérez, 2016.

1.4.1 Procesos básicos.

1.4.1.1 Espesamiento.

Se trata de la etapa inicial para el tratamiento de los lodos residuales; los digestores usados para el

tratamiento utilizan aire disuelto y reducen el volumen de los lodos. El sistema es por gravedad o

por flotación (Ramalho, 2003).

1.4.1.1.1 Espesamiento por gravedad.

El espesamiento de los lodos residuales mediante el método de gravedad es uno o el método más

utilizado en las plantas depuras debido a la sencillez del proceso, pues actúa bajo el mismo

concepto de los tanques sedimentadores al decantar los lodos en un tanque de similares

características (al del tratamiento primario) y mediante un sistema de palas es removido del fondo

y trasladado hacia su respectiva estabilización (Pérez, 2016).

36

1.4.1.1.2 Espesamiento por flotación.

Son usados generalmente para los lodos que provienen del tratamiento del agua residual de

tratamiento de lodos activados, puesto que presentan un aspecto gelatinoso (Ramalho, 2003); para

este tipo de espesamiento es necesario aire disuelto, pues en el tanque en donde se encuentran

los lodos es introducido el aire en forma de burbujas, las mismas que se adhieren a las partículas

que forman el lodo y éste a su vez es expulsado hacia la parte de arriba del tanque en donde se lo

puede retirar y así como el proceso anterior, poderlo enviar hacia su estabilización (Pérez, 2016).

1.4.1.2 Estabilización.

El lodo residual que es estabilizado, contiene gran cantidad de nutrientes, por lo que suele

empleárselo en la agricultura como fertilizante (Ayala et al., 2008). Los distintos procesos de

estabilización de los lodos estarán en función de la cantidad, calidad y su disposición final (Pérez,

2016).

1.4.1.2.1 Digestión anaerobia.

En primer lugar, se requiere que lo lodos sean calentados y luego pasan hacia unos digestores que

tienen una gran cantidad de equipos colocados en la periferia (Limón, 2013).

Este tipo de digestión está compuesta por dos fases o procesos: la primera es denominada como

fermentación ácida, que es donde los microorganismos mediante los procesos metabólicos

convierten los componentes complejos (proteínas, grasas, etc) a compuestos más simples (ácidos

y alcoholes). La real digestión ocurre en la segunda etapa del proceso, pues es aquí en donde

bacterias anaerobias, a partir de los compuestos simples de la primera etapa producen gas metano

y dióxido de carbono (Ramalho, 2003).

1.4.1.2.2 Digestión aerobia.

Por otro lado, la digestión aerobia requiere de aireación por un espacio prolongado de tiempo; el

lodo resulta de la mezcla del lodo primario y lodo secundario. El resultado de esta digestión es la

reducción de sólidos suspendidos volátiles y con ello una pérdida de células (Ramalho, 2003).

La oxidación se produce sobre aproximadamente un 80% de los compuestos orgánicos y sobre un

aproximado de un 25% de los compuestos inorgánicos (Pérez, 2016).

37

1.4.1.2.3 Adicionamiento químico.

Este tipo de estabilización a diferencia de los hasta ahora descritos, se diferencia en que es

imperativo la adición de un compuesto que actúe como coagulante con el propósito de que se unan

las partículas de los lodos y resulte más fácil y práctico la separación de la parte sólida de la líquida.

Los agentes químicos (coagulantes) que más son utilizados para el tratamiento de los lodos en las

depuradoras son la cal, el cloruro férrico o polímeros orgánicos (Colín et al., 2014).

También, es posible esterilizar el lodo alterando su pH con cal, si es que no se tiene el suficiente

espacio o para su secado; en un tiempo de 30 min se puede elevar el pH a 12 (Ayala et al., 2008).

1.4.1.2.4 Incineración.

En primer lugar se debe determinar que este método de estabilización de los lodos residuales es

costoso y es empleado en gran parte en sitios en donde no existe la posibilidad de reutilizar el lodo

como fertilizante del suelo. Es por eso entonces que se opta por la incineración de los mismos

(Pérez, 2016).

La incineración (quema) se da en reactores en donde el lodo, previa deshidratación es colocado

para su posterior combustión. Es aquí en donde se eleva la temperatura de lodo (100 °C), se

evapora todo el contenido de agua y el resultado son cenizas que pueden ser utilizadas como

agentes químicos para su estabilización en otra estación depuradora (Ayala et al., 2008).

1.4.1.3 Deshidratado.

La deshidratación de los lodos producidos en una estación depuradora tiene como objetivo el

eliminar la mayor cantidad de agua, quedando así un lodo seco y poroso. La deshidratación se

puede hacer mediante métodos naturales, que dependiendo del clima de la zona, pueden ser camas

secas o secado solar. El método que más se utiliza en pequeñas y medianas depuradoras

municipales es el de las eras o lechos de secado (Ramalho, 2003).

1.4.1.3.1 Lechos de secado.

Dispositivos que reducen la cantidad del agua hasta en un 70%, con lo que se puede manejar los

lodos como material sólido (RAS - 2000, 2000).

38

En los lechos de secado actúan mecanismo de percolación y evaporación del agua. Según

Ramalho, la percolación elimina cerca del 55% del contenido de agua, mientras que la evaporación

del agua depende en gran medida del tipo de clima que se tenga (Cota, 2008).

La estructura de los lechos de secado está compuesto por capas de grava y arena, en proporciones

de 20 cm a 46 cm en lo que respecta a la grava y en lo referente a la arena en espesores de 30 cm

a 46 cm. Por debajo de estas capas existe tubería perforada para el drenaje del agua (Ramalho,

2003).

Figura 16 Eras de secado.


Elaboración: Ramalho, 2003.

1.4.1.4 Desinfección.

La desinfección del lodo residual es el último de los procesos básicos que se realizan para su

respectivo tratamiento. Una vez que los lodos hayan pasado por los tratamientos anteriores, pueden

ser reutilizados en la agricultura como abono o medio de cultivo, también como material para

adsorción y otras aplicaciones (Colín et al, 2014). Es en la parte sólida en donde se encuentran

todos los patógenos que fueron eliminados y también pueden presentarse metales tóxicos, por lo

que al no ser tratados no serviría de nada todo el proceso del tratamiento del lodo, pues al tratarlo

es justamente para poder obtener un provecho del mismo (Limón, 2013).

39

Entre los métodos que son más utilizados para la desinfección del lodo se encuentran la

pasteurización y el almacenamiento a largo plazo. En la pasteurización, los lodos son calentados a

una temperatura de 70 °C con el fin de eliminar los microorganismos (Passarini, 2012).

1.4.2 Disposición de lodos.

Como punto final de lo que en sí comprende la depuración de aguas residuales incluyendo el

tratamiento a los lodos residuales, se encuentra la disposición final de los mismos. Así como se

decía que al final de la depuración, las aguas estaban listas para ser reutilizadas en la agricultura,

en campos de recreación o en su defecto para devolverla a los cursos naturales, lo mismo pasa una

vez tratados los lodos, pues éstos deben servir para algún beneficio. Este beneficio es en la

aplicación en el terreno (Limón, 2013).

En el terreno se especifica que puede ser para la agricultura, para los rellenos sanitarios o para

nuevas tecnologías que puedan estar en estudio con el único fin de que se pueda obtener todo el

provecho posible (Pérez, 2016).

Aplicación en la agricultura: es justamente para beneficiarse del contenido de nutrientes

que posee el lodo residual (fosfatos y nitritos). Renuevan la textura y la capacidad de

absorber el agua; con ello es más favorable el crecimiento de la vegetación (Limón, 2013).

Aplicación en el terreno: en lugares donde existen terrenos en desuso y además que

tienen plantas de tratamiento que trabajan con aguas residuales muy poco contaminadas,

esta disposición de los lodos es la mejor opción; los terrenos son sitios destinados a recibir

grandes cantidades de lodos (Colín et al., 2014).

Aplicación en rellenos sanitarios: es así también de los mejores sitios destinados para los

lodos. Son colocados en zanjas excavadas y encima de los lodos se colocan capas de

material granular para su posterior disposición del terreno (Colín et al., 2014).

40

CAPÍTULO II

DIAGNÓSTICO Y PROBLEMA

41

2.1 Aguas residuales en el Ecuador

El Ecuador en un país como muy pocos, pues su situación geográfica es privilegiada presentando

casi todo tipo de climas y una exuberante biodiversidad en la totalidad de sus cuatro regiones. Y

con esto se evidencia la gran capacidad de recursos naturales que posee, entre los cuales se

encuentra el más importante o uno de los más importantes, el recurso agua.

Las descargas indiscriminadas de aguas residuales, y por supuesto, no tratadas debidamente, son

un gran problema constante para la cartera de Estado que lleva el tema del ambiente, pues generan

afecciones negativas en los cuerpos y cursos de agua dulce. Caso puntual es que en el país el

mayor grado de focos contaminantes se da justamente en las poblaciones que descargan

directamente las aguas contaminadas (Estadística de información ambiental económica de

gobiernos autónomos descentralizados municipales, 2016).

Figura 17 Mapa de proporción de municipios que realizan tratamiento de aguas residuales.

Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, 2016.

Elaboración: Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, 2016.

42

De la figura anterior, se puede apreciar que en el país la mayoría de las ciudades que presentan

climas cálidos, húmedos y con exuberante vegetación, son las que presentan un porcentaje más

bajo del tratamiento de aguas residuales. Lo dicho se puede apreciar mejor en la siguiente tabla:

Tabla 11 Número de plantas de tratamiento de aguas residuales en el Ecuador.

Región Número de plantas de tratamiento

Región Sierra 210

Región Costa 129

Región Amazónica 80

Región Insular 2

Total 421

Fuente: Instituto Nacional de Estadística y Censos, 2016.


Por lo expuesto en la figura 17 y la tabla 9 es necesario que el presente trabajo se vea enfocado en

proporcionar información del tratamiento de aguas residuales en poblaciones que presenten climas

cálidos y húmedos, que como se mencionó tienen menos plantas de tratamiento de aguas

residuales, con el fin de contribuir al mejoramiento de la calidad de los cursos de agua y de la

población en el país.

2.2 Zona de estudio

Como se detalla en el punto anterior, poblaciones costeras y/o amazónicas, son las que menos

tratamiento le dan al agua residual. El grave problema que enfrentan este tipo de ciudades (climas

cálidos con bastante vegetación) de zonas bajas lleva ya algunas décadas y está contribuyendo a

una contaminación excesiva de sus cursos de agua y representando causas de enfermedades de

origen hídrico en la población. La situación empeora constantemente, por lo tanto es imperativo que

se tomen las acciones correctas para controlar dicha situación.

Es por ello que la zona de estudio al que este trabajo está enfocado es de aquellas poblaciones que

tengan las características (sociales, económicas, poblacionales y climáticas) similares al de las

regiones mencionadas.

43

Gracias a las características mencionadas, la ciudad que más se ha acoplado para la realización

del trabajo es la ciudad de Catamayo, además de presentar las condiciones ideales (descargas de

aguas residuales sin tratar) para el diseño de una planta de tratamiento.

En la zona de estudio resulta que tanto el alcantarillado como los pozos sanitarios desembocan

directamente en los cursos de agua sin un previo tratamiento, lo cual produce contaminación

excesiva y grave. Pues lamentablemente, esa misma agua (residual) se mezcla con la del río, y

aguas debajo de donde es vertida es utilizada para el riego de los cultivos.

Figura 18 Canal de riego con aguas residuales.

Fuente: Azanza, 2017. http://www.multicanalcatamayo.com/video-aguas-servidas-conducidas-por-canal-

deteriorado-son-utilizadas-en-riego-de-cultivos/

Elaboración: Azanza, 2017. http://www.multicanalcatamayo.com/video-aguas-servidas-conducidas-por-

canal- deteriorado-son-utilizadas-en-riego-de-cultivos/

Sujeto a esto, la contaminación de los cuerpos de agua también se ve aumentada por la manera de

eliminar los desechos sólidos, pues la arrojan directamente; por el uso excesivo de pesticidas y por

la explotación del material pétreo en las riberas de los cauces.

La problemática también radica en la falta de recursos que poblaciones pequeñas, como la de la

zona de estudio, poseen para solventar el tema de la disposición final de las aguas residuales.

Por lo tanto la implementación de una infraestructura especializada que combata directamente la

contaminación es una medida urgente que se debe atender.

http://www.multicanalcatamayo.com/video-aguas-servidas-conducidas-por-canal-%20%20%20deteriorado-son-utilizadas-en-riego-de-cultivos/




44

Es por esto que el presente proyecto está enfocado a diseñar y construir una infraestructura

especializada o mejor dicho una planta piloto para el tratamiento de las aguas residuales simulando

los procesos y operaciones unitarias de una estación a escala real. Además de que la planta piloto

deberá ser diseñada para ciudades que presenten condiciones similares como la temperatura

(cálido), el tema de población (poblaciones medianas de hasta 65000 habitantes) y socio-

económicas (agricultura, etc.); que siga los parámetros dictados en las normas TULSMA y se

reduzcan los índices negativos que está provocando la situación actual.

Así también considerar el agua depurada pueda ser reutilizada en la ciudad (piletas, riego de

parques, etc.), en la agricultura y no perjudique los productos, a nivel industrial o en su defecto sea

vertida de manera segura y confiable a los cuerpos de agua.

2.3 Planta piloto de tratamiento de aguas residuales

Al referirse al concepto de planta piloto, se puede señalar que es una infraestructura que ha sido

diseñada, escala, construida y posteriormente operada; todo con el propósito de que proporcione

información relevante y eficaz de los procesos y operaciones unitarias de los cuales se conforma la

planta.

El tratamiento de las aguas y específicamente de las aguas residuales urbanas, no está exento de

una evaluación preliminar, pues como lo menciona Metcalf & Eddy (2003) la selección del proceso

adecuado, es uno de los temas de mayor importancia a la hora de tratar aguas residuales (Metcalf

& Eddy, 2003).

Por ende, la investigación preliminar del tratamiento en sí se lo puede obtener mediante el

funcionamiento de una planta piloto a escala de laboratorio, la cual deberá permitir evaluar las

variables del proceso en rangos más permisibles y obtener valores óptimos de operabilidad.

45

Figura 19 Esquema de planta piloto a escala de laboratorio.

Fuente: Autor.


La planta piloto a escala de laboratorio permite esclarecer incertidumbres del grado de funcionalidad

que tendrá una de dimensiones reales, además de saber cuáles son los problemas que pueda

presentar y la eficiencia de remoción real de los contaminantes para los cuales será diseñada y

construida.

Entre las ventajas que ofrece el diseñar y construir una planta piloto a escala de laboratorio están:

Eficiencia real en la remoción de contaminantes.

Cambio de procesos de no ser los correctos para tratar el agua.

Solución de problemas hidráulicos.

Fácil instalación y transporte.

Diseño de dimensiones óptimas y compactas.

Optimización de desempeño previo a la inversión para una planta de gran tamaño.

Una planta piloto disminuye la inseguridad que está presente al construir plantas de tamaño real,

teniendo en cuenta que tuvieron que haber sido diseñadas y operadas correctamente.

46

CAPÍTULO III

MATERIALES Y MÉTODOS

47

3.1 Etapas del diseño y construcción de una PDAR a escala de laboratorio

Para el desarrollo del presente trabajo, se muestra el siguiente esquema en donde se especifican

las actividades principales que permitirán determinar, al final, la real eficiencia que tiene una planta

depuradora.

Figura 20 Etapas de la metodología.

Fuente: Autor.


3.2 Caracterización de las aguas residuales

3.2.1 Medición de caudales

Es un aspecto fundamental el conocer el caudal del agua residual a tratar, para poder determinar el

proceso correcto y poder dimensionar de manera correcta la infraestructura necesaria (Metcalf &

Eddy, 2003).

El aforo se realizó de acuerdo al tipo de vertimiento a tratar, es este caso y según el trabajo de

campo donde se realizó una inspección visual del sitio y tipo de descarga se determinó que el aforo

Etapas para diseñar, construir y monitorear una

EDAR a escala de laboratorio

Caracterizar física, química y microbiológicamente las

AR.

Medición de caudales

Toma de muestras de las AR urbanas

Caracterización del AR

Diseñar hidráulicamente la EDAR.

Cálculos hidráulicos para el dimensionamiento de la

EDAR

Planos respectivos de la EDAR

Construir la EDAR a escala de laboratorio.

Construcción del modelo a escala

Monitorear su funcionamiento

Puesta en funcionamiento

48

se lo puede realizar por el método volumétrico o bien por el método de flotadores, puesto que es el

más sencillo y aplicable al tipo de vertimiento.

Figura 21 Descarga de agua residual.

Fuente: Autor.


Para su aplicación fue necesario contar con un cronómetro y una caneca o recipiente en donde se

pueda tomar un volumen cualquiera de agua residual. Esto dependió del tiempo de llenado del

recipiente; luego conociendo el volumen del recipiente, el caudal descargado es determinado

mediante la siguiente ecuación:

𝑸 = 𝑽 ∗ 𝒕 De donde: Q: caudal a determinar (l/s)

V: volumen del recipiente (l)

t: tiempo que transcurre en llenarse el recipiente (s)

49

3.2.2 Muestreos

Las muestras en el desarrollo de este trabajo han sido tomadas con diferencia de un mes (abril –

mayo), en días laborables de la semana y a diferentes horas del día, con el propósito de tener

valores promedios de los contaminantes y conocer a qué hora del día la contaminación es mayor.

La toma de muestras de las aguas residuales ha sido contemplada realizarla bajo las normas y

protocolos tanto a nivel país como a nivel institucional (laboratorios UTPL).

3.2.2.1 Normativa vigente.

Los muestreos están regidos a la siguiente normativa:

Texto Unificado de Legislación Secundaria del Medio Ambiente (TULSMA – 2015) – Anexo

1: Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes al recurso agua.

Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2176 (1998). Agua - Calidad del agua – Muestreo -

Técnicas de muestreo.

Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 2169 (1998). Agua – Calidad del agua – Muestreo –

Manejo y conservación de muestras.

Laboratorios UTPL (IQA - 2015). Metodología de muestreo de agua – Versión 003.

La zona de estudio se ha considerado la ciudad de Catamayo, que cuenta con un clima cálido y

exuberante vegetación, en donde existen dos puntos en donde se descargan las aguas residuales

del sistema de alcantarillado combinado que posee la ciudad.

50

Figura 22 Punto de descarga de agua residual.

Fuente: Autor.


La metodología seguida para la toma de muestras se fue tomada de los procedimientos que poseen

los Laboratorios UTPL/Ingeniería Ambiental. Por lo tanto es la siguiente:

a. En primer lugar se determinó los puntos exactos de descarga del alcantarillado en la zona

de estudio.

Punto de descarga 1: Quebrada Trapichillo

La descarga se ubica al noreste de la ciudad, cerca del barrio Trapichillo, por el eje vial E35 con

coordenadas: 17M 681205m E 9559947m S y cuya elevación sobre el nivel de mar es de 1249 m.

A este punto confluyen casi todas las aguas residuales de la ciudad.

51

Figura 23 Ubicación del punto de descarga 1.

Fuente: Instituto Geográfico Militar, 2016. http://www.igm.gob.ec/work/files/cartabase/n/NVI_F3.htm

Elaboración: Instituto Geográfico Militar, 2016. http://www.igm.gob.ec/work/files/cartabase/n/NVI_F3.htm

Punto de descarga 2: Sector La Vega

Esta descarga en cambio está ubicada al sureste de la ciudad, más alejada de la misma y cerca del

aeropuerto. Las coordenadas de su ubicación son: 17M 678909m E 9558263 m S y con una

elevación de 1202 msnm. Su descarga es intermitente y lo hace de forma directa hacia el río.

http://www.igm.gob.ec/work/files/cartabase/n/NVI_F3.htm


52

Figura 24 Ubicación del punto de descarga 2.

Fuente: Instituto Geográfico Militar, 2016. http://www.igm.gob.ec/work/files/cartabase/n/NVI_F3.htm

Elaboración: Instituto Geográfico Militar, 2016. http://www.igm.gob.ec/work/files/cartabase/n/NVI_F3.htm

b. Seguidamente se hicieron dos muestreos en dos meses distintos (abril y mayo). En el primer

muestreo se tomaron 4 muestras simples a lo largo de todo el día. En el segundo muestreo

se tomaron 5 muestras simples igualmente a lo largo de todo el día.

c. Cada muestra simple de agua residual fueron tomadas en recipientes de vidrio de color

ámbar y de plástico (llenados al tope) para las características físicas y químicas. Y para las

microbiológicas en recipientes esterilizados. Las muestras simples se tomaron a lo largo del

día para conocer la variabilidad que presentan los contaminantes estableciendo los puntos

críticos (altos y bajos).



53

Figura 25 Toma de muestras simples. Coordenadas: 17M 681205 E 955947 S.

Fuente: Autor.


d. Las muestras se refrigeraron en un congelador especial a -20°C, con el fin de que se

preservan hasta llegar al laboratorio para sus respectivos análisis.

e. Los recipientes se etiquetaron y sellaron debidamente para que no se desperdicie ni se altere

la muestra.

54

Figura 26 Recipientes con muestra de agua residual sellados y etiquetados.

Fuente: Autor.


f. Una vez en el laboratorio, como no fue sido posible su análisis inmediato, se procedió a

conservar las muestras en un ambiente similar al que han sido transportadas.

g. Seguidamente se realizó la caracterización de las muestras.

55

Figura 27 Ensayos de caracterización de agua residual.

Fuente: Autor.


3.2.2.2 Caracterización física, química y microbiológica de las aguas residuales.

El análisis de las muestras de aguas residuales se realizó en el Laboratorio UTPL/Ingeniería

Ambiental.

56

Figura 28 Equipos de los Laboratorios UTPL/Ingeniería Ambiental para análisis microbiológico.

Fuente: Autor.


Los ensayos realizados fueron para determinar las características físicas, químicas y

microbiológicas del agua residual.

57

Figura 29 Ensayo de caracterización química del agua residual.

Fuente: Autor.


Los límites son los establecidos en la Norma TULSMA Anexo 1 (2015), que hace referencia a la

calidad del agua para descargas a cursos o cuerpos de agua.

Para determinar los parámetros físicos, químicos y microbiológicos, fue necesario realizar ensayos

en el laboratorio siguiendo las metodologías de Standard Methods para aguas y aguas residuales.

En la siguiente tabla se muestran los parámetros analizados con su respectivo límite y el ensayo

seguido:

58

Tabla 12 Parámetros de descarga a un cuerpo de agua dulce. Método de análisis.

Parámetro Expresado Unidad Límite Norma TULSMA 2015

Método

Aceites y grasas Sust. Solubles en hexano

mg/l 30.00 Standard Methods 2530 C

Acidez CaCo3 mg/l ----- Standard Methods 2530 B

Alcalinidad CaCo3 mg/l ----- APHA 2320 B

Cloruros Cl mg/l 1000.00 Standard Methods 4500-Cl¬

B

Coliformes fecales NMP NMP/100ml

2000.00 Standard Methods 9222 B

Coliformes totales NMP NMP/100ml

1000.00 Standard Methods 9221 B

Color real Color real PtCo 20.00 Standard Methods 2120 C

Conductividad eléctrica CE uS/cm 1500 Standard Methods 2510 B

Demanda Bioquímica de Oxígeno

DBO5 mg/l 100.00 Standard Methods 5210 B

Demanda Química de Oxígeno

DQO mg/l 200.00 Standard Methods 5220 B

Fluoruros F mg/l 5.00 Standard Methods

4500-F¬ D

Fósforo total P mg/l 10.00 AOOC 973.55

59

Nitrato NO3- mg/l ----- Standard Methods 4500 NO3

Nitrito NO2- mg/l ----- Standard Methods 4500 NO2

Nitrógeno amoniacal N mg/l 30.00 Standard Methods 4500 NH3

Nitrógeno Total Kjedahl N mg/l 50.00 Standard Methods

4500 NORG

B

Oxígeno disuelto OD mg/l <80% de saturación

< 6

Standard

Methods 4500-O

G

Potencial de hidrógeno Ph 6.00 9.00 AOAC 973.41

Sólidos disueltos SD mg/l 3000 Standard Methods 2540 C

Sólidos sedimentables SS ml/l 10* Standard Methods 2540 F

Sólidos suspendidos totales

SST mg/l 130.00 Standard Methods 2540 D

Sólidos totales ST mg/l 1600.00 Standard Methods 2540 B

Sulfatos SO4¬2 mg/l 1000.00 Standard Methods 4500 SO4

-2

Sulfuros S-2 mg/l 0.50 Standard Methods 4500 S2 -

60

Temperatura °C 40 Standard Methods 2150 B

Turbiedad NTU -----** Standard Methods 2540 B

Arsénico As mg/l 0.10 Standard Methods 3111 B y 3030 E

Cadmio Cd mg/l 0.02 Standard Methods 3111 B y 3030 E

Calcio Ca mg/l ----- Standard Methods 3111 B y 3030 E

Plomo Pb mg/l 0.20 Standard Methods 3111 B y 3030 E

Mercurio Hg mg/l 0.01 Standard Methods 3111 B y 3030 E

Fuente: TULSMA 2015. Standard Methods, 2015.


*Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMANART-1996, pág.: 41. **Norma TULSMA, pág.: 12.

A continuación se presentan los resultados obtenidos de la caracterización de las aguas residuales:

61

Tabla 13 Resultados del análisis de la caracterización del agua residual.

PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE NORMA (TULSMA-2015)

DESCARGA 1 - Q. TRAPICHILLO DESCARGA 2 - S. LA VEGA

ENSAYOS 1 - ABRIL ENSAYOS 2 - MAYO

ENSAYOS 1 - ABRIL ENSAYOS 2 - MAYO

M1 - 13:30 M4 - 17:00 M1 - 12:20 M2 - 13:15 M2 - 15:14 M3 - 16:15 M3 - 14:50

Aceites y grasas mg/l 30.00 941.00 470.00 796.00 877.00 481.00 432.00 535.00

Acidez mg/l ----- 121.71 68.46 68.46 110.30 68.46 64.66 38.03

Alcalinidad mg/l ----- 363.33 330.30 374.34 550.50 444.80 515.26 385.35

Cloruros mg/l 1000.00 61.77 48.67 60.83 71.13 58.96 52.41 19.65

Coliformes fecales NMP/100ml 2000.00 1.10E+06 9.19E+05 9.19E+05 1.10E+06 7.35E+05 1.65E+06 9.12E+03

Coliformes totales NMP/100ml 1000.00 2.76E+07 1.65E+07 2.57E+07 4.60E+06 2.30E+07 2.21E+07 8.27E+04

Color real PtCo 20.00 3560.00 1800.00 1844.00 4470.00 2460.00 4040.00 278.00

Conductividad eléctrica uS/cm 1500 1115.31 874.36 950.87 1043.39 774.61 762.45 751.86


mg/l 100.00 957.00 174.00 237.50 1012.50 291.00 273.00 7.50


mg/l 200.00 1130.00 398.00 535.00 1510.00 717.00 797.00 18.00

Fluoruros mg/l 5.00 1.13 0.31 0.06 0.20 0.51 0.48 0.55

Fósforo total mg/l 10.00 1.30 1.10 1.40 1.84 1.70 1.70 0.16

Nitrato mg/l ----- 11.40 9.50 17.30 38.00 10.00 9.30 0.70

Nitrito mg/l ----- 0.09 0.07 0.07 0.07 0.03 0.04 0.07

Nitrógeno amoniacal mg/l 30.00 15.60 10.70 14.30 18.70 23.10 18.90 0.04

Nitrógeno Total Kjedahl mg/l 50.00 47.51 35.63 28.21 46.03 53.45 32.66 2.97

Oxígeno disuelto mg/l <80% saturación

< 6 1.85 1.76 1.81 1.89 0.39 0.34 4.10

Potencial de hidrógeno pH 6/-9 7.21 6.69 7.34 7.48 7.24 4.24 7.40

Sólidos disueltos mg/l 3000 1276.00 649.00 701.00 1346.00 546.00 539.00 602.00

Sólidos sedimentables ml/l 10** 60.00 5.00 6.00 80.00 7.00 7.00 0.40

62

Sólidos suspendidos totales

mg/l 130.00 1806.00 192.00 210.00 800.00 356.00 591.00 57.00

Sólidos totales mg/l 1600.00 2123.00 838.00 655.00 2586.00 864.00 1260.00 663.00

Sulfatos mg/l 1000.00 140.00 110.00 190.00 196.00 60.00 60.00 112.00

Sulfuros mg/l 0.50 1.99 1.99 1.05 1.75 2.22 2.22 1.05

Temperatura °C condición natural +-3 (<40°C)

26.90 26.40 26.50 27.10 26.10 25.80 23.30

Turbiedad NTU ----- 189.00 168.00 207.00 300.00 250.00 275.00 32.90

Arsénico mg/l 0.1 10.36 10.86 11.36

Cadmio mg/l 0.02 0.04 0.06 0.05

Calcio mg/l ----- 82.40 175.79 111.09

Plomo mg/l 0.2 0.37 2.11 2.59

Mercurio mg/l 0.005 0.32 0.55 0.00

Fuente: Autor.


De la tabla anterior se puede observar que la descarga en la Quebrada Trapichillo es la más crítica, por lo que será con la que se trabajará

desde ahora. Además en esa misma descarga, los valores más altos son en horario de 13H00, por lo tanto de esos valores obtenidos se

procedió a realizar un análisis estadístico y así se obtuvieron los resultados más críticos con los que se procedió a diseñar la planta

depuradora. La tabla siguiente muestra los resultados más críticos:

63

Tabla 14 Resultados críticos de la descarga en la Quebrada Trapichillo.


RESULTADOS ENSAYOS LAB

DESCARGA 1 - Q. TRAPICHILLO

�� CUMPLE NORMA

Aceites y grasas mg/l 30.00 909.00 NO CUMPLE

Acidez mg/l ----- 116.00 N/A

Alcalinidad mg/l ----- 456.91 N/A

Cloruros mg/l 1000.00 66.45 OK

Coliformes fecales NMP/100ml 2000.00 1.10E+06 NO CUMPLE

Coliformes totales NMP/100ml 1000.00 1.61E+07 NO CUMPLE

Color real PtCo 20.00 4015.00 NO CUMPLE

Conductividad eléctrica uS/cm 1500 1079.35 OK


mg/l 100.00 984.75 NO CUMPLE


mg/l 200.00 1320.00 NO CUMPLE

Fluoruros mg/l 5.00 0.67 OK

Fósforo total mg/l 10.00 1.57 OK

Nitrato mg/l ----- 24.70 N/A

Nitrito mg/l ----- 0.08 N/A

Nitrógeno amoniacal mg/l 30.00 17.15 OK

Nitrógeno Total Kjedahl mg/l 50.00 46.77 OK

Oxígeno disuelto mg/l 6 1.87 OK

Potencial de hidrógeno 6.00 9.00 7.35 OK

Sólidos disueltos mg/l 3000 1311.00 OK

Sólidos sedimentables ml/l 10 70.00 NO CUMPLE

Sólidos suspendidos totales mg/l 130.00 1303.00 NO CUMPLE

Sólidos totales mg/l 1600.00 2354.50 NO CUMPLE

Sulfatos mg/l 1000.00 168.00 OK

Sulfuros mg/l 0.50 1.87 NO CUMPLE

Temperatura °C 40 27.00 OK

Turbiedad NTU ----- 244.50 N/A

Arsénico mg/l 0.10 10.86 NO CUMPLE

Cadmio mg/l 0.02 0.06 NO CUMPLE

Calcio mg/l ----- 175.79 N/A

Plomo mg/l 0.20 2.11 NO CUMPLE

Mercurio mg/l 0.01 0.55 NO CUMPLE

Fuente: Autor.


64

3.3 Selección de tecnologías

Según los valores más críticos obtenidos anteriormente fue necesario proceder a desarrollar los

siguientes criterios para conocer cuál es el tratamiento idóneo que reduzca sus valores a los límites

permisibles en las normas a las cuales se rigen.

Tabla 15 Criterios de selección de tecnología.

Criterios de selección Variable

Factores demográficos Población

Existencia y tipo de alcantarillado

Existencia de agua potable

Características del terreno Superficie necesaria

Pendiente

Topografía

Objetivos de tratamiento Nivel de tratamiento

Expectativas de calidad del efluente

Características del agua residual Origen

Composición

Caudal

Temperatura

Características del suelo Tipo

Textura

Velocidad de infiltración

Permeabilidad

Características climatológicas Precipitación

Temperatura

Evapotranspiración

Viento

65

Aspectos tecnológicos Impacto ambiental

Eficiencia del tratamiento

Facilidad de operación y mantenimiento

Costos Operación y mantenimiento

Construcción

Fuente: Cisneros et al., 2010.


A continuación se presenta la tabla que hace referencia a la población y superficie acorde a cada

tecnología:

Tabla 16 Alternativas de tratamiento según población y superficie de terreno.

Alternativa de tratamiento Población (hab) Superficie de terreno (m2/hab)

Filtro verde 10000 12 – 110

Lecho de juncos (humedales)

10000* 2 – 8

Filtración rápida 10000 2 – 22

Laguna aerobia 10000* 4 – 8

Laguna anaerobia 10000* 2 – 20

Laguna facultativa 10000* 1 – 5

Laguna de maduración 10000* 1 – 20

Lecho bacteriano de alta carga

6000 4 – 7

Biodisco 10000* 5 – 7

Aireación prolongada 10000* 0.2 – 1

Canal de oxidación 10000* 1.2 – 1.8

Fuente: Adaptado de Seoánez Calvo, 2005; Hernández 1997.


*Aplicable a poblaciones mayores a 10000 habitantes.

66

3.3.1 Factores demográficos (población futura).

Para el cálculo de la población fututa, fue necesario realizar proyecciones de crecimiento teniendo

en cuenta la población actual, la tasa de crecimiento y el periodo de vida útil de las estructuras que

conforman la planta depuradora. La población actual y la tasa de crecimiento están dadas en los

Planes de Ordenamiento y Desarrollo Territorial.

Tabla 17 Periodos de vida útil de estructuras.

Periodos de vida útil

Instalación Vida útil (años)

Redes de alcantarillado 20 40

Estaciones de bombeo Estructuras 20 40

Equipos de bombeo 10 25

Plantas de tratamiento Estructuras 20 40

Equipos 10 20

Condiciones hidráulicas 20 40



La población actual es de 28237 habitantes, y la tasa de crecimiento anual es de 3.17% (Plan de

Desarrollo y Ordenamiento Territorial del Cantón Catamayo, 2012; tablas 21 y 22).

3.3.1.1 Métodos de cálculo.

Los métodos de cálculo relacionan los siguientes parámetros:

P: Población futura

Po: Población actual

i: Tasa de crecimiento poblacional

n: Periodo de vida útil del proyecto

To: año actual

Tf: año de proyección.

67

3.3.1.1.1 Método lineal.

El método considera un aumento de la población constante e independiente del área de expansión.

Recomendable su aplicación a localidades pequeñas. La fórmula a utilizar es:

𝑷 = 𝑷𝒐 + (𝑷𝒐 ∗ 𝒊) ∗ (𝑻𝒇 − 𝑻𝒊)

𝑷 = 28327 ∗ (28237 ∗ 3.17%) ∗ (2042 − 2017)

𝑷 = 𝟓𝟎𝟔𝟏𝟓 𝒉𝒂𝒃.

3.3.1.1.2 Método geométrico.

El método supone un crecimiento a una tasa constante, es decir que la población crece de manera

proporcional en cada cierto periodo de tiempo. La fórmula que utiliza es la siguiente:

𝑷 = 𝑷𝒐 ∗ (𝟏 + 𝒊)𝒏

𝑷 = 28327 ∗ (1 + 0.0317)25

𝑷 = 𝟔𝟏𝟔𝟏𝟎 𝒉𝒂𝒃.

3.3.1.1.3 Método logarítmico.

Supone un crecimiento exponencial de la población, lo que quiere decir que la población aumenta

con el tiempo, en proporción al tamaño de la población. La fórmula que se utiliza es:

𝑷 = 𝑷𝒐 ∗ 𝒆𝒊∗(𝑻𝒇−𝑻𝒊)

𝑷 = 28327 ∗ 𝑒3.17(2042−2017)

𝑷 = 𝟔𝟐𝟑𝟕𝟑 𝒉𝒂𝒃.

3.3.1.1.4 Método de Wappus.

Método que está en función del crecimiento anual y del periodo de diseño de la infraestructura, tiene

un rango que va desde los 5000 a 100000 habitantes. Su fórmula es:

𝑷 = 𝑷𝒐 ∗ (𝟐𝟎𝟎 + 𝒊 ∗ (𝑻𝒇 − 𝑻𝒊)

𝟐𝟎𝟎 − 𝒊 ∗ (𝑻𝒇 − 𝑻𝒊))

68

𝑷 = 28327 ∗ (200 + 0.0317 ∗ (2042 − 2017)

200 − 0.0317 ∗ (2042 − 2017))

𝑷 = 𝟔𝟓𝟑𝟎𝟐 𝒉𝒂𝒃.

Por lo tanto de todos los métodos se escogió el valor más alto por ser el más crítico, entonces la

población futura para el diseño de la planta depuradora será: 𝑷 = 𝟔𝟓𝟑𝟎𝟐 𝒉𝒂𝒃𝒊𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆𝒔.

3.3.2 Alternativas de selección de la planta depuradora.

Para poder obtener la mejor opción de tratamiento se desarrolló la tabla 13, teniendo como

referencia la tabla 14, por lo tanto:

Tabla 18 Factores demográficos.

Factor Variable

Tecnología de depuración

LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROB

IA

LAG. FACULTATI

VA

LAG. MADURACI

ÓN

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGA

DA

CANAL DE

OXIDACIÓN

Servicio de agua

potable

Tiene servicio 5 5 5 5 5 5 5 5

No tiene servicio - - - - - - - -

Cobertura parcial - - - - - - - -

Existencia y tipo de

alcantarillado

Alcantarillado separado

- - - - - - - -

Alcantarillado mixto - - - - - - - -

Alcantarillado combinado

1 1 1 1 1 1 1 1

Población Población recomendada

5 5 5 5 5 5 5 5

- - - - - - - -

- - - - - - - -

Características del agua

residual

Origen del agua residual

5 5 5 5 5 5 5 5

Temperatura 5 5 5 5 5 5 5 5

Caudal de agua residual

5 5 5 5 5 5 5 5

Escala a: 1 (No apto) – 3 (Moderado) – 5 (Apto)

Escala b: 1 (Alcantarillado complejo) – 3 (Alcantarillado normal) – 5 (Alcantarillado simple)

Fuente: Plan de Desarrollo y Ordenamiento Territorial GAD-Catamayo, 2014.


69

Tabla 19 Características del suelo y del terreno; características climáticas.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROB

IA

LAG. ANAEROB

IA

LAG. FACULTATI

VA

LAG. MADURACI

ÓN

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGA

DA

CANAL DE

OXIDACIÓN

Características del suelo

Tipo de suelo 5 3 3 5 5 5 5 5

Textura 3 3 3 3 3 3 5 5

Velocidad de infiltración 5 5 5 5 5 3 5 5

Permeabilidad 5 3 3 3 3 3 5 5

Características del terreno

Superficie necesaria 1 1 1 3 1 3 5 5

Profundidad del nivel freático

3 3 3 3 3 3 5 5

Pendiente del terreno 5 5 5 5 5 5 5 5

Relieve 3 3 3 3 3 3 5 5

Características

climáticas

Temperatura 5 5 5 5 5 5 5 5

Evapotranspiración 3 3 3 3 3 3 5 5

Vientos 5 5 5 5 5 5 5 5

Precipitación 5 5 5 5 5 5 5 5

Escala: 1 (No apto) – 3 (Moderado) – 5 (Apto)

Fuente: Cisneros et al., 2010; Comisión Nacional del Agua, 2007.


Tabla 20 Objetivos de tratamiento.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBIA

LAG. ANAEROBIA

LAG. FACULTATIVA

LAG. MADURACIÓN

BIODISCO AIREACIÓN

PROLONGADA CANAL DE OXIDACIÓN

Objetivos del

tratamiento

Remoción DBO5 5 1 1 1 1 3 5 5 Remoción DQO 5 3 3 3 3 3 5 5 Remoción SS 3 3 1 3 3 3 5 5 Remoción N 1 5 3 3 5 1 1 3 Remoción P 1 5 3 5 3 1 1 3 Remoción CT 3 3 1 3 3 3 5 5 Remoción CF 3 3 1 3 3 3 5 5

Escala: 1 (Baja remoción: 20%-50%) – 3 (Mediana remoción: 51%-90%) – 5 (Alta remoción: 91%-99%)

Fuente: Cisneros et al., 2010; Suárez, 2007; XXII Congreso de Centroamérica y Panamá de Ingeniería Sanitaria y

Ambiental; Manual de tecnologías sostenibles en el tratamiento de aguas.


70

Tabla 21 Requerimiento de energía.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROB

IA

LAG. FACULTATI

VA

LAG. MADURACI

ÓN

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGA

DA

CANAL DE

OXIDACIÓN

Disponibilidad de

recursos

Requerimientos de energía

3 3 3 3 3 3 1 1

Escala: 1 (Alto requerimiento) – 3 (Bajo requerimiento)

Fuente: Vidal y Araya, 2014.


Tabla 22 Necesidad de obra civil.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROBI

A

LAG. FACULTATI

VA

LAG. MADURACI

ÓN

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGA

DA

CANAL DE

OXIDACIÓN

Tecnología de

tratamiento y su

necesidad de obra

civil

Movimiento de tierra 1 1 1 1 1 3 3 3

Construcción de instalaciones

5 5 5 5 5 1 1 1

Necesidad de equipo 5 5 5 5 5 1 1 1

Escala: 1 (Mucho/complejo) – 3 (Moderado) – 5 (Apto)

Fuente: Cisneros et al., 2010. Comisión Nacional del Agua, 2007.


Tabla 23 Generación de subproductos.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROBI

A

LAG. FACULTATIV

A

LAG. MADURACIÓ

N

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGAD

A

CANAL DE OXIDACIÓ

N

Generación de

subproductos (fangos)

Producción de lodos

5 3 5 3 3 3 1 1

Escala: 1 (Grandes cantidades) – 3 (Pocas cantidades) – 5 (Inexistencia)

Fuente: Cisneros et al., 2010; Morató y Peñuela, 2014; Serrano, 2008.


71

Tabla 24 Operación y mantenimiento.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROBI

A

LAG. FACULTATIV

A

LAG. MADURACIÓ

N

BIODISCO


A

CANAL DE OXIDACIÓ

N

Operación y mantenimient

o

Funcionamiento 5 3 5 3 5 5 1 1

Capacitación del personal

3 3 5 5 5 3 3 3

Tiempo de control 5 3 5 5 5 5 3 3

Frecuencia de control 3 1 5 5 5 5 1 1

Escala: 1 (Complejo O y M/mucho) – 3 (Normal/simple) – 5 (Muy simple/poco)

Fuente: Serrano, 2008; Vidal y Araya, 2014.


Tabla 25 Impacto ambiental.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROBI

A

LAG. FACULTATIV

A

LAG. MADURACIÓ

N

BIODISCO


A

CANAL DE

OXIDACIÓN

Impacto ambiental

del sistema

de tratamient

o

Suelo 3 3 3 3 3 3 5 5

Geomorfología del suelo 3 3 3 3 3 3 5 5

Contaminación del suelo 3 3 3 3 3 3 5 5

Contaminación del agua 5 3 3 3 3 3 5 5

Recarga cuerpo receptor y riego

3 3 3 3 3 3 5 5

Contaminación del aire 5 3 1 3 5 5 3 3

Generación de olores 3 3 1 3 3 5 1 1

Proliferación de vectores 3 3 3 3 3 3 5 3

Polvo 5 5 5 5 5 3 5 5

Ruido 5 3 5 5 5 5 3 3

Árboles 5 3 3 3 3 3 3 3

Arbustos 5 3 3 3 3 3 3 3

Hiervas 3 3 3 3 3 3 3 3

Cultivos 3 3 3 3 3 3 3 3

Pájaros 5 3 3 3 3 3 3 3

Animales terrestres 5 3 3 3 3 3 3 3

Paisaje 5 3 3 3 3 3 1 1

Agricultura 1 1 1 1 1 1 1 1

72

Ganadería 1 1 1 1 1 1 1 1

Empleo 3 3 3 3 3 3 3 3

Servicio básico 3 3 3 3 3 3 3 3

Escala: 1 (Alto impacto) – 3 (Medio impacto) – 5 (Bajo impacto)

Fuente: Serrano, 2008; Vidal y Araya, 2014; Cisneros et al., 2010; Deloya, 2010.


Tabla 26 Costos de operación y mantenimiento.

Factor Variable


LECHO DE JUNC

OS

LAG. AEROB

IA

LAG. ANAERO

BIA

LAG. FACULTATI

VA

LAG. MADURACI

ÓN

BIODISCO

AIREACIÓN PROLONGA

DA

CANAL DE

OXIDACIÓN

Costos de construcci

ón

Costo por habitante de la obra civil

3 3 5 5 5 3 1 3

Costos de Operación

y Mantenimie

nto

Costo por habitante anual de O y M

5 1 3 5 5 3 3 3

Escala: 1 (Poco económico) – 3 (Económico) – 5 (Muy económico)

Fuente: Espinoza, 2014; Vidal y Araya, 2014; Comisión Nacional de Agua, 2007.


Por lo tanto, el conjunto de criterios especifica la mejor opción a aplicar para el tratamiento de las

aguas residuales:

Tabla 27 Matriz de selección.

Factor Variable


LECHO DE

JUNCOS

LAG. AEROBI

A

LAG. ANAEROBI

A

LAG. FACULTATIV

A

LAG. MADURACIÓ

N

BIODISCO


A

CANAL DE OXIDACIÓ

N

Servicio de agua potable

Tiene servicio 5 5 5 5 5 5 5 5 No tiene servicio - - - - - - - - Cobertura parcial - - - - - - - -

Existencia y tipo de

alcantarillado

Alcantarillado separado

- - - - - - - -

Alcantarillado mixto

- - - - - - - -

Alcantarillado combinado

1 1 1 1 1 1 1 1

Población Población recomendada

5 5 5 5 5 5 5 5

73

Características del agua residual

Origen del agua residual

5 5 5 5 5 5 5 5

Temperatura 5 5 5 5 5 5 5 5 Caudal de agua residual

5 5 5 5 5 5 5 5

Características del suelo

Tipo de suelo 5 3 3 5 5 5 5 5 Textura 3 3 3 3 3 3 5 5 Velocidad de infiltración

5 5 5 5 5 3 5 5

Permeabilidad 5 3 3 3 3 3 5 5 Características del terreno

Superficie necesaria

1 1 1 3 1 3 5 5

Profundidad del nivel freático

3 3 3 3 3 3 5 5

Pendiente del terreno

5 5 5 5 5 5 5 5

Relieve 3 3 3 3 3 3 5 5 Características climáticas

Temperatura 5 5 5 5 5 5 5 5 Evapotranspiración

3 3 3 3 3 3 5 5

Vientos 5 5 5 5 5 5 5 5 Precipitación 5 5 5 5 5 5 5 5

Objetivos del tratamiento

Remoción DBO5 5 1 1 1 1 3 5 5 Remoción DQO 5 3 3 3 3 3 5 5 Remoción SS 3 3 1 3 3 3 5 5 Remoción N 1 5 3 3 5 1 1 3 Remoción P 1 5 3 5 3 1 1 3 Remoción CT 3 3 1 3 3 3 5 5 Remoción CF 3 3 1 3 3 3 5 5

Disponibilidad de recursos

Requerimientos de energía

3 3 3 3 3 3 1 1

Tecnología

de tratamiento y su necesidad de obra civil

Movimiento de tierra

1 1 1 1 1 3 3 3

Construcción de instalaciones

5 5 5 5 5 1 1 1

Necesidad de equipo

5 5 5 5 5 1 1 1

Generación de

subproductos (fangos)

Producción de lodos

5 3 5 3 3 3 1 1

Operación y mantenimiento

Funcionamiento 5 3 5 3 5 5 1 1 Capacitación del personal

3 3 5 5 5 3 3 3

Tiempo de control 5 3 5 5 5 5 3 3 Frecuencia de control

3 1 5 5 5 5 1 1

Impacto ambiental del

sistema de tratamiento

Suelo 3 3 3 3 3 3 5 5 Geomorfología del suelo

3 3 3 3 3 3 5 5

Contaminación del suelo

3 3 3 3 3 3 5 5

Contaminación del agua

5 3 3 3 3 3 5 5

Recarga cuerpo receptor y riego

3 3 3 3 3 3 5 5

74

Contaminación del aire

5 3 1 3 5 5 3 3

Generación de olores

3 3 1 3 3 5 1 1

Proliferación de vectores

3 3 3 3 3 3 5 3

Polvo 5 5 5 5 5 3 5 5 Ruido 5 3 5 5 5 5 3 3 Árboles 5 3 3 3 3 3 3 3 Arbustos 5 3 3 3 3 3 3 3 Hiervas 3 3 3 3 3 3 3 3 Cultivos 3 3 3 3 3 3 3 3 Pájaros 5 3 3 3 3 3 3 3 Animales terrestres

5 3 3 3 3 3 3 3

Paisaje 5 3 3 3 3 3 1 1 Agricultura 1 1 1 1 1 1 1 1 Ganadería 1 1 1 1 1 1 1 1 Empleo 3 3 3 3 3 3 3 3 Servicio básico 3 3 3 3 3 3 3 3

Costos de construcción

Costo por habitante de la obra civil

3 3 5 5 5 3 1 3

Costos de Operación y

Mantenimiento

Costo por habitante anual de O y M

5 1 3 5 5 3 3 3

Total 215 185 189 203 205 189 201 205

Fuente: Autor.


De aquí que la opción para depurar el agua residual de la zona de estudio es los lechos de juncos

o humedales. A continuación se presentan las diferencias entre las clases de humedales con el fin

de especificar más la opción elegida.

Tabla 28 Diferencias entre humedal de flujo libre y de flujo subsuperficial.

Humedal de flujo superficial Humedal de flujo subsuperficial

Superficie libre de agua. Lecho vegetal sumergido.

Flujo de circulación del agua libre sobre un lecho en el que se enraíza la vegetación en el humedal.

Flujo sumergido a través de un medio granular.

Son más frecuentes. Son menos frecuentes.

Menor coste de instalación. Tratamiento más eficaz.

Hidráulica más sencilla. Necesitan poco espacio.

75

Tienen gran parte de los humedales naturales.

Flujo oculto.

Favorecen la vida animal. Sin olores.

Las bajas temperaturas provocan descensos de los rendimientos.

Soportan bien las temperaturas bajas.

Pendiente menor al 5%. Pendiente menor al 5%.

Recolección del efluente para riego más sencilla.

Mayor contacto del agua y el sedimento, logrando una velocidad de depuración mayor de algunos contaminantes.

Es un sistema abierto, poco profundo. Se evitan problemas por su exposición

pública, existiendo casos en que los humedales se encuentran en parques o centros urbanos.

Fuente: Bermeo y Torres, 2010; Estrada, 2010; Rabat, 2016.


El medio granular sirve para retener y que se pueda sedimentar la materia en suspensión, la

degradación de la materia orgánica y la remoción de patógenos, además claro de la asimilación de

los nutrientes que contiene el agua residual (Rabat, 2016).

Atendiendo a lo expuesto en la tabla anterior se puede determinar que dentro de los humedales,

presenta mayores ventajas y beneficios los humedales de flujo subsuperficial, por lo que fue aquel

que se tomó para la depuración. Ahora bien dentro de los humedales de flujo subsuperficial se

encuentran dos clases, las mismas que igualmente se determinarán sus diferencias para poder

determinar el proceso de tratamiento a elegir para el proyecto.

Tabla 29 Diferencias entre humedal de flujo subsuperficial horizontal y vertical.

Humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal

Humedal artificial del flujo subsuperficial vertical

Funcionan permanentemente inundados.

Medio no saturado.

Alimentación contínua. Alimentación discontinua.

Operación más simple. Operación más compleja.

Sistemas más económicos. Son los sistemas de humedales más

costosos.

76

Al ser más estudiados, presentan mejores resultados.

No son muy estudiados, por lo que su eficiencia es muy variable.

Requieren de menor área para operar. Su operación requiere más área de

trabajo.

No es necesario un control de vectores. Se necesita un control de vectores.

Ocurren procesos de desnitrificación y anaerobios (fermentación, reducción de sulfatos, etc.).

Ocurren procesos aerobios (nitrificación, respiración aerobia).

Fuente: Rabat, 2016.


Como consecuencia del análisis de las opciones para el tratamiento de las aguas residuales, para

el proyecto se optó por el diseño de un humedal artificial de flujo subsuperficial horizontal. Su

funcionamiento de manera resumida es el siguiente: el agua residual transita por medio del medio

poroso el cual añade una biopelícula de bacterias, que junto con la acción que realizan las

macrófitas al hacer circular por sus raíces oxígeno, son capaces de degradar la materia orgánica.

Una vez estabilizado el sistema se logra remover más del 85% de la materia orgánica (Rabat, 2016).

Son sistemas de bajo costo de construcción, de fácil operación y mantenimiento; su eficiencia es

mejor a la de los sistemas convencionales (Suárez et al, 2014).

3.4 Diseño hidráulico de la planta depuradora

Las características primordiales de vital importancia a la hora de seleccionar los procesos unitarios

que conformarán la planta de tratamiento son el caudal, el tamaño de la planta y los parámetros

físicos, químicos y microbiológicos del agua residual.

3.4.1 Prediseño de la planta depuradora.

Para cumplir con la normativa vigente, a más de las remociones que presenta: el desarenador, el

desengrasador y los humedales subsuperficiales, se hace necesario diseñar otro proceso que

elimine los contaminantes que aún se encuentran fuera del rango dispuesto, por lo que atendiendo

a dos estudios realizados en la Universidad de Medellín por Acevedo y otros (2011-2012), proponen

una batería de filtros de zeolita con excelentes eficiencias de remoción justo en los contaminantes

que este proyecto presenta inconvenientes al salir de los humedales, de esta manera con todo el

conjunto de procesos y operaciones unitarios, el agua residual al salir se encuentra dentro de lo que

77

dispone la Norma TULSMA (2015); en la tabla siguiente se presenta el prediseño de la planta

depuradora:

78

Tabla 30 Prediseño de la planta depuradora.

Fuente: Metcalf & Eddy, 2003; Estrada, 2010; Cisneros et al., 2010; Hernández, 2010; Acevedo et al., 2011-2012.


Tratamiento

Contaminante (mg/l – NMP/100ml)

Aceites y

grasas CF CT

Color real

DBO5 DQO P Nt SST ST S¬2 As Cd Pb Hg

909.00 1.10E+

06 1.61E+

07 4015.00 984.75 1320.00 1.57 46.77 1303.00 2354.50 1.87 10.86 0.06 2.11 0.55

Pretratamiento

Canal de llegada

- - - - - - - - - - - - - - -

Rejillas - - - - - - - - - - - - - - -

Desarenador - - - - 5% 5% - - 10% - - - - - -

Desengrasador

70% - - - - 25% - - 28% - - - - - -

Tratamiento biológico

HAFSS (H)

90% 92% 92% 80% 90% 92% 11% 60% 90% 93% 90% 79% 89% 74% 89%

Tratamiento avanzado

Filtro zeolita - 99% 99.9% 98% - - - - - - - 96% - 97% 99%

Efluente

27.27 9.65E+02

6.96E+02

16.06 100.00 100.53 112.69 164.82 0.20 0.09 0.02 0.001

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

Ok Norma

79

3.4.2 Caudales de diseño.

La norma Ex – IEOS explica que las aguas residuales a ser evacuadas están conformadas por:

Aguas residuales domésticas

Aguas residuales industriales

Contribuciones por infiltraciones

Conexiones erradas.

3.4.2.1 Caudal de aguas residuales domésticas.

Será el producto de la población aportante y de las dotaciones de agua potable correspondientes al

inicio y final del periodo de diseño, afectado por el coeficiente de retorno (Norma Ex – IEOS, 2012).

Dotación: tabla V.3 Dotaciones recomendadas (Norma Ex – IEOS, 2012; pág.: 65).

Coeficiente de retorno: apartado 4.3.6 (Norma Ex – IEOS, 2012; pág.: 325).

𝑸𝑫 =𝑪𝒓 ∗ 𝑷 ∗ 𝑫

𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎

𝑸𝑫 =0.8 ∗ 65302 ∗ 200 𝑙/𝑠

86400

𝑸𝑫 = 𝟎. 𝟏𝟐 𝒎𝟑/𝒔

De donde:

QD: caudal doméstico

P: Población futura

Cr: coeficiente de retorno

D: dotación de agua potable (Norma Ex – IEOS, pág.: 65; Tabla: V.3)

3.4.2.2 Caudal medio de aguas residuales.

Corresponde a la sumatoria de los caudales de aguas residuales domésticas, los caudales

industriales, los caudales de instituciones y los caudales comerciales.

80

𝑸𝑴𝑫 = 𝑸𝒅 + 𝑸𝒊𝒏𝒅 + 𝑸𝒊𝒏𝒔 + 𝑸𝒄𝒐𝒎

𝑸𝑴𝑫 = (0.12 + 0.001 + 0.0005 + 0.0005)𝑚3/𝑠

𝑸𝑴𝑫 = 𝟎. 𝟏𝟐𝟑𝟓 𝒎𝟑/𝒔

3.4.2.2.1 Caudal de aguas residuales industriales.

El caudal industrial es estimado según las aportaciones del tipo de industria (Normas RAS 2000).

Los valores son tomados de la Tabla D.3.2. Contribución de aguas residuales industriales (Normas

RAS 2000, título D; pág.: 89).

3.4.2.2.2 Caudal de comercios.

Los aportes comerciales también se estiman considerando la cantidad de comercios existentes en

la zona. El aporte correspondiente es de 0.5 l/s/ha (Normas RAS 2000).

3.4.2.2.3 Caudal de aguas institucionales.

Se puede estimar que en zonas institucionales, el caudal de las aguas residuales es de 0.5 l/s/ha

(Normas RAS 2000).

3.4.2.3 Caudal máximo horario de aguas residuales.

Representa el caudal máximo en una determinada hora a lo largo de todo el día, se lo puede obtener

mediante el producto del caudal medio diario y un factor de Mayoración.

Factor de mayoración:

Existen tres expresiones para determinar el factor de mayoración, la propuesta por Flores, la de Los

Ángeles (1962) y la de Gaines (1989), de donde se toma el mayor de todos para determinar el

caudal.

𝑭 =𝟑. 𝟓

𝑷𝟎.𝟏

𝑭 =3.5

653020.1

𝑭 = 𝟏. 𝟏𝟓

81

𝑭 =𝟑. 𝟓𝟑

𝑸𝑴𝑫𝟎.𝟎𝟗𝟏𝟒

𝑭 =3.53

(0.123)0.0914

𝑭 = 𝟐. 𝟐𝟕

𝑭 =𝟑. 𝟏𝟏𝟒

𝑸𝑴𝑫𝟎.𝟎𝟔𝟐

𝑭 =3.114

(0.123)0.062

𝑭 = 𝟐. 𝟑𝟏

De donde:

F: factor de mayoración: 2.31

𝑸𝑴𝑯 = 𝑭 ∗ 𝑸𝑴𝑫

𝑸𝑴𝑯 = 2.31 ∗ 0.123 𝑚3/𝑠

𝑸𝑴𝑯 = 𝟎. 𝟐𝟖𝟓 𝒎𝟑/𝒔

De donde:

QMH: caudal máximo horario

3.4.2.4 Caudal de diseño de aguas residuales.

Es el caudal con el que se diseñará la planta depuradora. Es la sumatoria de los caudales máximo

horario, de infiltraciones y de aguas ilícitas.

𝑸𝑫𝑰𝑺 = 𝑸𝑴𝑯 + 𝑸𝒊𝒏𝒇 + 𝑸𝒊𝒍𝒊𝒄

𝑸𝑫𝑰𝑺 = (0.285 + 0.0002 + 0.0002)𝑚3/𝑠

𝑸𝑫𝑰𝑺 = 𝟎. 𝟐𝟖𝟓𝟔 𝒎𝟑/𝒔

82

3.4.2.4.1 Caudal de infiltraciones.

A través de las fisuras en las uniones de las tuberías, se filtra el agua freática, representando así

un adicional al aporte de aguas residuales urbanas (Normas RAS 2000). Los valores son obtenidos

en la Tabla D.3.3. Aportes por infiltraciones en redes de sistemas de recolección y evacuación de

aguas residuales (Normas RAS 2000, título D; pág.: 91).

3.4.2.4.2 Caudal de aguas ilícitas.

Las conexiones deficientes en los sistemas de alcantarillado sanitario también son consideradas y

se estima un valor de 0.2 l/s/ha (Normas RAS 2000).

3.4.2.5 Caudal mínimo de aguas residuales.

Para poblaciones relativamente grandes, el caudal mínimo representa el 60% del caudal medio.

Éste caudal servirá para verificaciones en la planta depuradora.

𝑸𝑴𝑰𝑵 = 𝟎. 𝟔𝟎 ∗ 𝑸𝑴𝑫

𝑸𝑴𝑰𝑵 = 0.60 ∗ 0.286 𝑚3/𝑠

𝑸𝑴𝑰𝑵 = 𝟎. 𝟎𝟕 𝒎𝟑/𝒔

De donde:

Qmin: caudal mínimo de aguas residuales

3.4.3 Dimensionamiento de la planta depuradora.

La planta depuradora propuesta consta de un pretratamiento en donde están las rejillas para retener

partículas o basuras de gran tamaño, luego se pasa a un desarenador con el propósito de eliminar

sólidos de gran tamaño con diámetros iguales o superiores a 0.2 mm; después para eliminar gran

cantidad de grasas y aceites, el agua pasa a un desengrasador en donde se eliminarán también un

porcentaje de DQO y de sólidos suspendidos. Seguidamente se pasa hacia el tratamiento biológico

que será el encargado de eliminar gran parte de los contaminantes que presenta ésta agua residual.

Para concluir con la depuración, el agua pasa a un proceso de desinfección con zeolita en donde

se eliminarán el resto de contaminantes que hayan logrado pasar por el tratamiento biológico.

Finalmente el agua se encuentra depurada y puede ser vertida a un cuerpo de agua dulce.

83

El diseño está basado en recomendaciones dadas por lo Norma del Ex – IEOS, por el Manual de

depuración Uralita, por la Guía de depuración y de más documentos de los cuales las partes de

interés se encontrarán en los anexos de este documento.

3.4.3.1 Diseño del cajón de llegada.

Datos:

Diámetro del emisario de llegada (adoptado): Φ = 315 mm = 0.315 m

Fondo de canal (Norma Ex – IEOS, pág.: 337): y = 0.15 m

Velocidad en los colectores (Norma Ex – IEOS; pág.: 282-283): V1-mín = 0.45 m/s

V2-med = 0.60 m/s

V3-máx = 4.5 m/s

Caudal medio: QMD = 0.123 m3/s

Desarrollo:

Tiempo de caída de la descarga:

𝒕 = √𝟐 ∗ 𝒚

𝒈

𝒕 = √2 ∗ (0.15𝑚)

9.81𝑚/𝑠

𝒕 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝒔

Velocidad de descarga del agua residual:

𝒗 =𝟒 ∗ 𝑸𝑴𝑫

𝝅 ∗ 𝒅𝟐

𝒗 =4 ∗ (0.123 𝑚3/𝑠)

𝜋 ∗ (0.315𝑚)2

𝒗 = 𝟏. 𝟓𝟖 𝒎/𝒔

Es necesario verificar que la velocidad de descarga se encuentre entre los rangos de

velocidades dados por la norma:

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 ≥ 𝑉1 → 1.58𝑚/𝑠 ≥ 0.45 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 > 𝑉2 → 1.58𝑚/𝑠 ≥ 0.60 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 ≤ 𝑉3 → 1.58𝑚/𝑠 ≤ 4.50 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

Distancia de la pantalla rompe presión:

𝒙 = 𝒗 ∗ 𝒕

84

𝒙 = 1.58𝑚

𝑠∗ 0.17 𝑠

𝒙 = 𝟎. 𝟐𝟖 𝒎

Tabla 31 Dimensiones del cajón de llegada y pantalla rompe presiones.

DIMENSIONES DE CAJÓN DE LLEGADA Y PANTALLA ROMPE PRESIÓN

Ancho de cajón de llegada adoptado b (m) 0.60

Altura de cajón de llegada adoptado h (m) 0.80

Distancia de pantalla rompe presión x (m) 0.30

Ancho de pantalla rompe presión b´(m) 0.30

Altura de pantalla rompe presión h´(m) 0.30

Diámetro de llegada del emisario Φ (mm) 315.00

Fuente: Autor.


Figura 30 Nomenclatura de las dimensiones del cajón de llegada.

Fuente: Autor.


3.4.3.2 Diseño del canal de llegada.

Datos:

Ancho del canal (Manual URALITA): b = 0.60 m

Velocidad (Norma Ex – IEOS): V1-Qmd = 0.60 m/s

V2-Qmh = 2.50 m/s


85

Caudal máximo horario: QMH = 0.285 m3/s

Caudal mínimo: QMÍN = 0.07 m3/s

Caudal de diseño: QDIS = 0.286 m3/s

Pendiente del canal rectangular (Manual URALITA): S = 0.01 m/m

Coeficiente de rugosidad (hormigón): n = 0.013

Altura de seguridad (Norma Ex – IEOS): hs = 0.40 m

Coeficiente de dilución: Cdil = 3.00

Coeficiente del vertedero: Cver = 1.64

Coeficiente de orificio sumergido: Cv = 0.82

Longitud del aliviadero: Laliv = 0.50 m

Borde libre: BL = 0.10 m

Desarrollo:

Verificación de velocidad para caudal máximo:

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝒌 =0.286 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.60)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟏𝟒

Canal rectangular, por lo tanto:

𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.140.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟐𝟒 𝒎

La velocidad debe ser menor o igual:

𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝑽 =1

0.013∗ (0.13𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟐. 𝟎𝟎 𝒎/𝒔


Verificación de velocidad para caudal medio:

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

86

𝒌 =0.123 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.60)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟎𝟔


𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.060.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟏𝟑 𝒎

La velocidad debe ser mayor:

𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝑽 =1

0.013∗ (0.09𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟏. 𝟓𝟒 𝒎/𝒔

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 > 𝑉1 → 1.54𝑚/𝑠 > 0.60 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

Verificación de velocidad para caudal mínimo:

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝒌 =0.07 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.60)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟎𝟒


𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.040.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟎𝟗 𝒎


𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝑽 =1

0.013∗ (0.07𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟏. 𝟐𝟖 𝒎/𝒔

87


∴ 𝒅 = 𝟎. 𝟐𝟒 𝒎

Altura total del canal de llegada:

𝒉𝑻 = 𝒉𝒔 + 𝒅 + 𝑩𝑳

𝒉𝑻 = (0.40 + 0.24 + 0.10)𝑚

𝒉𝑻 = 𝟎. 𝟕𝟒 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟕𝟓 𝒎

Aliviadero de entrada:

Ecuación del aliviadero (Manual URALITA):

𝑸𝒗 = 𝟒 ∗ 𝑸𝑴𝑫 − 𝑪𝒅𝒊𝒍 ∗ 𝑸𝑴𝑫 𝑬𝒄. 𝟐𝟎

𝑸𝒗 = 4 ∗ 0.123𝑚3/𝑠 − 3 ∗ 0.123𝑚3/𝑠

𝑸𝒗 = 𝟎. 𝟏𝟐 𝒎𝟑/𝒔

Altura del aliviadero:

𝒉𝒂𝒍𝒊𝒗 = (𝑸𝒗

𝑪𝒗𝒆𝒓 ∗ 𝑳)

𝟐𝟑

𝒉𝒂𝒍𝒊𝒗 = (0.12𝑚3/𝑠

1.64 ∗ 0.50)2/3

𝒉𝒂𝒍𝒊𝒗 = 𝟎. 𝟐𝟖 𝒎

Tubería de paso a los procesos y operaciones unitarios:

Área por continuidad:

𝑨 =𝑸𝑫𝑰𝑺

𝑪𝒗 ∗ √𝟐 ∗ 𝒈 ∗ 𝒉𝒂𝒍𝒊𝒗

𝑨 =0.286 𝑚3/𝑠

0.82 ∗ √2 ∗ 9.81 ∗ 0.28𝑚

𝑨 = 𝟏𝟒𝟕𝟖. 𝟏𝟔 𝒄𝒎𝟐

Diámetro de la tubería:

𝝋 = √𝟒 ∗ 𝑨

𝝅

𝝋 = √4 ∗ 1478.16 𝑐𝑚2

𝜋

𝝋 = 𝟒𝟑. 𝟑𝟖 𝒄𝒎 ≈ 𝟓𝟎 𝒄𝒎

88

Tabla 32 Dimensiones del canal de llegada.

DIMENSIONES DEL CANAL DE LLEGADA

Ancho del canal de llegada b (m) 0.60

Altura del canal de llegada ht (m) 0.75

Calado en el canal a caudal máximo d (m) 0.24

Longitud del canal de llegada L (m) 1.00

Diámetro de tubería de paso φ (mm) 500.00

Fuente: Autor.


Figura 31 Nomenclatura de las dimensiones del canal de llegada.

Fuente: Autor.


3.4.3.3 Diseño de las rejillas.

Las rejillas se las diseña con el fin de que se retengan todos los objetos de gran tamaño como

basura que pueda obstruir el normal funcionamiento de la planta, además para su diseño se toman

especificaciones dados por la Norma Ex – IEOS (2012), pág.: 338 y 339.

Datos:

Ancho del canal de llegada: c = 0.60 m

Diámetro de barras (adoptado): a = 0.010 m

Separación entre barras (adoptado): s = 0.025 m

Velocidad a través de las barras: V1-mín = 0.40 m/s

V2-med = 0.75 m/s

89

V3-max = 2.50 m/s

Ángulo de transición: ϕ = 12.50

Ángulo de inclinación de las barras: ϴ = 45°

Material cribado retenido (Norma Ex – IEOS, tabla X.4, pág.: 339): λ = 0.023 l/m3

Factor de fricción según forma de barras: β = 1.79

Pérdida de carga mínima: Hmín = 0.15 m

Borde libre: BL = 0.10m



Caudal mínimo: QMÍN = 0.07 m3/s

Desarrollo:

Ancho en la zona de rejillas:

𝑾 = (𝒄

𝒔− 𝟏) (𝒔 + 𝒂) + 𝒔

𝑾 = (0.60𝑚

0.025𝑚− 1) (0.025𝑚 + 0.010𝑚) + 0.025𝑚

𝑾 = 𝟎. 𝟖𝟑 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟖𝟓 𝒎

Longitud de transición al canal de rejillas:

𝒍 =𝑾 − 𝒃

𝟐 ∗ 𝒕𝒂𝒏𝚽

𝒍 =0.85𝑚 − 0.60𝑚

2 ∗ tan (12.5)

𝒍 = 𝟎. 𝟔𝟎 𝒎

Número de barras:

𝑵𝒃 =𝒃 − 𝒔

𝒂 + 𝒔

𝑵𝒃 =0.60𝑚 − 0.025𝑚

0.010𝑚 + 0.025𝑚

𝑵𝒃 = 𝟐𝟒

Verificación de velocidad para caudal máximo:

90

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝒌 =0.286 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.85)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟎𝟔


𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.060.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝒎


𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝑽 =1

0.013∗ (0.12𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟏. 𝟖𝟖 𝒎/𝒔


Verificación de velocidad para caudal medio:

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝒌 =0.123 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.85)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟎𝟐


𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.020.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟎𝟗 𝒎

La velocidad debe ser mayor:

𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

91

𝑽 =1

0.013∗ (0.07𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟏. 𝟑𝟕 𝒎/𝒔

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 > 𝑉2 → 1.37𝑚/𝑠 > 0.75 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

Verificación de velocidad para caudal mínimo:

𝒌 =𝑸 ∗ 𝒏

𝒃𝟖𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝒌 =0.07 𝑚3/𝑠 ∗ 0.013

(0.85)83 ∗ (0.01)

12

𝒌 = 𝟎. 𝟎𝟏


𝒅

𝒃= 𝟏. 𝟔𝟔𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝑲𝟎.𝟕𝟒𝟐𝟑𝟐

𝒅

𝟎. 𝟔𝟎= 1.66240 ∗ 0.010.74232

𝒅 = 𝟎. 𝟎𝟔 𝒎


𝑽 =𝟏

𝒏∗ 𝑹

𝟐𝟑 ∗ 𝑺

𝟏𝟐

𝑽 =1

0.013∗ (0.05𝑚)

23 ∗ (0.01)

12

𝑽 = 𝟏. 𝟏𝟎 𝒎/𝒔

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒗𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅: 𝑣 ≥ 𝑉1 → 1.10𝑚/𝑠 ≥ 0.40 𝑚/𝑠 ∴ 𝑶𝑲

∴ 𝒅 = 𝟎. 𝟏𝟕 𝒎

Pérdida de energía por velocidad:

𝒉𝒗 =𝒗𝟐

𝟐 ∗ 𝒈

𝒉𝒗 =(1.88𝑚/𝑠)2

2 ∗ 9.81𝑚/𝑠2

𝒉𝒗 = 𝟎. 𝟏𝟖 𝒎

Pérdida de carga a través de las rejillas:

92

𝑯 = 𝜷 ∗ (𝒂

𝒔)

𝟒𝟑

∗ 𝒉𝒗 ∗ 𝒔𝒆𝒏𝜽

𝑯 = 1.79 ∗ (0.010𝑚

0.025𝑚)

43

∗ 0.21𝑚 ∗ 𝑠𝑒𝑛(45°)

𝑯 = 𝟎. 𝟎𝟕 𝒎; 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝒆𝒔 𝒎𝒆𝒏𝒐𝒓 𝒂 𝒍𝒂 𝒑é𝒓𝒊𝒅𝒂 𝒎í𝒏𝒊𝒎𝒂, 𝒆𝒏𝒕𝒐𝒏𝒄𝒆𝒔: 𝑯 = 𝟎. 𝟐𝟎 𝒎

Área de la rejilla:


𝒗

𝑨 =0.286𝑚3/𝑠

1.88𝑚/𝑠

𝑨 = 𝟎. 𝟏𝟓 𝒎𝟐

Tirante de agua en la rejilla:

𝒚 =𝑨

𝑾

𝒚 =0.15𝑚2

0.85𝑚

𝒚 = 𝟎. 𝟏𝟖 𝒎

Altura de la rejilla:

𝑯𝒓𝒆𝒋 = 𝒚 + 𝑩𝑳 + 𝑯

𝑯𝒓𝒆𝒋 = 0.18𝑚 + 0.10𝑚 + 0.20𝑚

𝑯𝒓𝒆𝒋 = 𝟎. 𝟒𝟖 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟓𝟎 𝒎

Longitud de la rejilla:

𝑳 =𝑯𝒓𝒆𝒋

𝒔𝒆𝒏𝜽

𝑳 =0.50𝑚

𝑠𝑒𝑛(45°)

𝑳 = 𝟎. 𝟔𝟖 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟕𝟎 𝒎

Volumen de agua que pasa en un día:

𝑽𝒐𝒍 = 𝑸 ∗ 𝒕

93

𝑽𝒐𝒍 = 0.286𝑚3/𝑠 ∗ 86400𝑠

𝑽𝒐𝒍 = 𝟐𝟒𝟔𝟕𝟕. 𝟗𝟐 𝒎𝟑

Volumen de material retenido en un día:

𝑽𝑴𝑻 = 𝝀 ∗ 𝑽𝒐𝒍

𝑽𝑴𝑻 = 0.023𝑙/𝑚3 ∗ 24677.92 𝑚3

𝑽𝑴𝑻 = 𝟎. 𝟓𝟕 𝒎𝟑

Tabla 33 Dimensiones del canal de rejillas.

DIMENSIONES DEL CANAL DE REJILLAS

Altura del canal de rejillas H (m) 0.50

Ancho del canal de rejillas W (m) 0.85

Longitud del canal de rejillas L (m) 0.70

Longitud de transición l (m) 0.60

Diámetro de barras a (m) 0.01

Separación entre barras s (m) 0.03

Ángulo de inclinación de barras ϴ 45.00

Número de barras Nb 24.00

Fuente: Autor.


Figura 32 Nomenclatura de las dimensiones del canal de rejillas.

Fuente: Autor.


94

3.4.3.4 Diseño del desarenador.

Según la norma del Ex-IEOS (2012); pág.: 340, el desarenador de flujo horizontal es diseñado para

retener partículas de tamaño superior a 0.2mm. Además especifica que deben ser dos cámaras

como mínimo.

Datos:

Ancho del canal adoptado para cada cámara (0.40 – 0.60m): b = 0.70 m

Pantalla divisoria entre cámaras: a* = 0.15 m

Diámetro de partículas a ser retenidas: Ʈ = 0.002 m

Velocidad de flujo: v1 = 0.30 m/s

Ángulo de transición: ϕ = 12.50

Tiempo de retención (30 s – 90 s): TRH = 90 s

Altura de retención mínima (Norma Ex – IEOS): hs = 0.20 m

Relación desarenador: b/h-1 = 1

b/h-2 = 5

Cantidad de arena en el desarenador (7.50 – 90 /1000m3): Carena = 48.75/1000 m3

Tasa de aplicación: Ts = 40 m3/m2*h

Incremento de longitud (Norma Ex – IEOS: 0.30m – 0.50m): ∆ = 0.40 m

Periodo de limpieza (Norma Ex – IEOS): t* = 15 días

Relación largo – altura (Norma Ex – IEOS): L/HT = 25

Porcentajes de remoción (Metcalf & Eddy, 2003): Re-DBO5 = 5%

Re-DQO = 5%

Re-SST = 10%


Desarrollo:

Área del desarenador:


𝒗

𝑨 =0.286𝑚3/𝑠

0.30𝑚/𝑠

𝑨 = 𝟎. 𝟗𝟓 𝒎𝟐

Ancho del desarenador:

𝒃𝒅𝒆𝒔 = 𝟐(𝒃) + 𝒂∗

𝒃𝒅𝒆𝒔 = 2(0.70𝑚) + 0.15𝑚

95

𝒃𝒅𝒆𝒔 = 𝟏. 𝟔𝟎 𝒎

Longitud de transición del desarenador:

𝒍 =𝒃𝒅𝒆𝒔 − 𝑾

𝟐 ∗ 𝒕𝒂𝒏𝚽

𝒍 =1.60𝑚 − 0.85𝑚

2 ∗ tan (12.5)

𝒍 = 𝟏. 𝟕𝟎 𝒎

Tirante de agua:

𝒚 =𝑨

𝒃

𝒚 =0.95𝑚2

0.70𝑚

𝒚 = 𝟎. 𝟔𝟖 𝒎

Altura total de sedimentación:

𝑯𝑻 = 𝒉𝒔 + 𝒚

𝑯𝑻 = 0.20𝑚 + 0.68𝑚

𝑯𝑻 = 𝟎. 𝟖𝟖 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟗𝟎 𝒎

Relación b/h:

𝟐 ∗ 𝒃

𝑯𝑻=

2 ∗ 0.70𝑚

0.90𝑚

𝒃

𝒉= 𝟏. 𝟓𝟕 𝒎

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏:𝑏

ℎ≥

𝑏

ℎ− 1 → 1.57 𝑚 ≥ 1.00 𝑚 ∴ 𝑶𝑲

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏:𝑏

ℎ≤

𝑏

ℎ− 2 → 1.57 𝑚 ≤ 5.00 𝑚 ∴ 𝑶𝑲

Volumen máximo de agua que pasa:

𝑽𝒐𝒍 = 𝑸𝑫𝑰𝑺 ∗ 𝒕∗

𝑽𝒐𝒍 =0.286𝑚3

𝑠∗ 15𝑑í𝑎𝑠 ∗

86400𝑠

1𝑠

96

𝑽𝒐𝒍 = 𝟑𝟕𝟎𝟏𝟔𝟖. 𝟕𝟕 𝒎𝟑

Volumen de arena recogida:

𝑽𝒐𝒍∗ =𝑽𝒐𝒍 ∗ 𝑪𝒂𝒓𝒆𝒏𝒂

𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎

𝑽𝒐𝒍∗ =370168.77𝑚3 ∗ 48.75

1000000

𝑽𝒐𝒍∗ = 𝟏𝟖. 𝟎𝟓 𝒎𝟑

Área superficial del desarenador:


𝑻𝑺

𝑨 =

0.286𝑚3

𝑠

40𝑚3

𝑚2 ∗ ℎ

𝑨 = 𝟎. 𝟒𝟑 𝒎𝟐

Longitud del desarenador:

𝑳∗ =𝑽𝒐𝒍∗

𝑯𝑻 ∗ 𝟐𝒃

𝑳∗ =18.05𝑚3

0.90𝑚 ∗ 2(0.70𝑚)

𝑳∗ = 𝟏𝟒. 𝟒𝟖 𝒎

Longitud última del desarenador:

𝑳𝒖 = 𝑳∗ ∗ (𝟏 − ∆)

𝑳𝒖 = 14.48𝑚 ∗ (1 − 0.40𝑚)

𝑳𝒖 = 𝟖. 𝟕𝟎 𝒎

Relación largo-altura:

𝑳𝒖

𝑯𝑻≥ 𝟐𝟓

8.70𝑚

0.90𝑚≥ 25

97

𝑳𝒖

𝑯𝑻= 𝟗. 𝟕𝟖

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏:𝐿𝑢

𝐻𝑇≥ 25 → 9.78 ≥ 25 ∴ 𝑵𝒐 𝑶𝑲

Al no cumplir con la relación, la longitud total del desarenador será:

𝑳 = 𝟐𝟓 ∗ 𝑯𝑻

𝑳 = 25 ∗ 0.90𝑚

𝑳 = 𝟐𝟐. 𝟐𝟓 𝒎

Volumen máximo de agua que pasa:

𝑽ú𝒕𝒊𝒍 = 𝑳 ∗ 𝒃 ∗ 𝒉𝒔

𝑽ú𝒕𝒊𝒍 = 22.25𝑚 ∗ 0.70𝑚 ∗ 0.20𝑚

𝑽ú𝒕𝒊𝒍 = 𝟑. 𝟏𝟐 𝒎𝟑

Periodo de retención hidráulico:

𝑻𝑹𝑯 =𝑽ú𝒕𝒊𝒍

𝑸𝑫𝑰𝑺

𝑻𝑹𝑯 =3.12𝑚3

0.286𝑚3/𝑠

𝑻𝑹𝑯 = 𝟏𝟎. 𝟗𝟎 𝒔

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒆𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂: 𝑇𝑅𝐻 ≤ 𝑇𝑅𝐻 → 10.90 𝑠 ≤ 90 𝑠 ∴ 𝑬𝑭𝑰𝑪𝑰𝑬𝑵𝑻𝑬

Al diseñar con dos cámaras, es necesario colocar compuertas para que siempre trabaje una de

las cámaras, por lo tanto, el cálculo de las mismas es el siguiente:

Ancho de la compuerta:

𝒃𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝒃 + 𝟐(𝟎. 𝟎𝟓)

𝒃𝒄𝒐𝒎𝒑 = 0.70𝑚 + 2(0.05)

𝒃𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝟎. 𝟖𝟎 𝒎

Altura de la compuerta:

98

𝒉𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝟐 (𝑯𝑻

𝟐) + 𝟎. 𝟎𝟓

𝒉𝒄𝒐𝒎𝒑 = 2 (0.90𝑚

2) + 0.05

𝒉𝒄𝒐𝒎𝒑 = 𝟎. 𝟗𝟒 𝒎 ≈ 𝟎. 𝟗𝟓 𝒎

Con el diseño propuesto, se espera las siguientes concentraciones en el efluente:

Concentración de DBO5 en el efluente:

𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑫𝑩𝑶𝟓 ∗ 𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 984.75𝑚𝑔/𝑙 − (0.05 ∗ 984.75𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟗𝟑𝟓. 𝟓𝟏 𝒎𝒈/𝒍

Concentración de DQO en el efluente:

𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑫𝑸𝑶 ∗ 𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1320𝑚𝑔/𝑙 − (0.05 ∗ 1320𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟏𝟐𝟓𝟒. 𝟎𝟎 𝒎𝒈/𝒍

Concentración de SST en el efluente:

𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑺𝑺𝑻 ∗ 𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1303𝑚𝑔/𝑙 − (0.10 ∗ 1303𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟏𝟏𝟕𝟐. 𝟕𝟎 𝒎𝒈/𝒍

99

Tabla 34 Dimensiones del desarenador.

DIMENSIONES DEL DESARENADOR

Altura del desarenador HT (m) 0.89

Borde Libre BL (m) 0.10

Ancho del desarenador / cámara b (m) 0.70

Longitud del desarenador L (m) 22.25

Longitud de transición l (m) 1.70

Periodo de retención TRH (s) 10.90

Fuente: Autor.


Figura 33 Nomenclatura de las dimensiones del desarenador.

Fuente: Autor.


3.4.3.5 Diseño del desengrasador.

Es necesario para remover las grasas animales y los hidrocarburos, se los diseña de forma

rectangular y pueden ser estáticos o aireados en donde se pueden tener eficiencias de remoción

de 60% - 70% y de 80% respectivamente. Además Hernández (2010) indica que la DQO se ve

incrementada en un rango del 20% - 30% y que los sólidos suspendidos totales representan un 28%

dentro de las grasas vertidas (Hernández, 2010). Por lo tanto son estos porcentajes lo que se

100

pretende eliminar con el desengrasador: (el diseño será siguiendo recomendaciones de la Norma

Ex – IEOS, pág.: 339 - ss).

Datos:

Densidad de aceites naturales y minerales (Norma Ex – IEOS): γ = 0.80 kg/l

Tiempo de retención: TR = 5 min

Carga superficial: CS = 4 l/s*m2

Relación largo/ancho (1.00 – 1.80): l/a = 1.40

Porcentajes de remoción: Re-GRASAS = 70%

Re-DQO = 25%

Re-SST = 28%


Desarrollo:

Superficie del desengrasador:


𝑪𝑺

𝑨 =0.286 𝑚3/𝑠

4𝑙𝑠

∗ 𝑚2

𝑨 = 𝟕𝟏. 𝟒𝟏 𝒎𝟐

Ancho del desengrasador:

𝒃 = √𝑨

𝒍𝒂

𝒃 = √71.41𝑚2

1.40

𝒃 = 𝟕. 𝟏𝟎 𝒎

Longitud del desengrasador:

𝑳 =𝒍

𝒂∗ 𝒃

𝑳 = 1.40 ∗ 7.10𝑚

𝑳 = 𝟗. 𝟗𝟎 𝒎

Altura del desengrasador:

𝒉 =𝑻𝑹 ∗ 𝑸𝑫𝑰𝑺

𝒃 ∗ 𝑳

𝒉 =(5𝑚𝑖𝑛 ∗ 60𝑠) ∗ 0.286𝑚3/𝑠

7.10𝑚 ∗ 9.90𝑚

101

𝒉 = 𝟏. 𝟐𝟎 𝒎

Con el diseño propuesto, se espera las siguientes concentraciones en el efluente:

Concentración de grasas en el efluente:

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺 ∗ 𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 990 𝑚𝑔/𝑙 − (0.70 ∗ 990 𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟐𝟕𝟐. 𝟕𝟎 𝒎𝒈/𝒍


𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑫𝑸𝑶 ∗ 𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1254 𝑚𝑔/𝑙 − (0.25 ∗ 1254 𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟗𝟒𝟎. 𝟓𝟎 𝒎𝒈𝒍


𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑺𝑺𝑻 ∗ 𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1172.70 𝑚𝑔/𝑙 − (0.28 ∗ 1172.70 𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑺𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟖𝟒𝟒. 𝟑𝟒 𝒎𝒈/𝒍

Tabla 35 Dimensiones del desengrasador.

DIMENSIONES DEL DESENGRASADOR

Ancho del desengrasador b (m) 7.10

Altura del desengrasador h (m) 1.20

Longitud del desengrasador L (m) 9.90

Tiempo de retención TR (min) 5.00

Fuente: Autor.


102

Figura 34 Nomenclatura de las dimensiones del desengrasador.

Fuente: Autor.


3.4.3.6 Diseño del humedal de flujo subsuperficial.

El diseño hidráulico de un humedal es crítico para obtener buenos rendimientos en la eficiencia de

depuración. En lo modelos de diseño se asume un flujo en condiciones uniformes y de tipo pistón.

Para el diseño del humedal se deben considerar los siguientes criterios:

Son considerados como reactores biológicos.

Se considera que el flujo a través del medio poroso es flujo pistón y de forma uniforme.

La ley de Darcy, es la ley que describe el flujo que pasa a través del medio poroso (Delgadillo

et al, 2010).

Los procesos de remoción que se dan dentro de un humedal de flujo subsuperficial son los

siguientes:

103

Tabla 36 Procesos de remoción en un HAFSS.

Contaminante Proceso

Materia orgánica (MO): DBO5 – DQO

Las partículas de MO son eliminadas por la sedimentación y filtración, luego convertidas a DBO5 soluble.

La MO soluble es fijada y adsorbida por el biofilm y degradadas por las bacterias adheridas a este.

Sólidos Suspendidos Totales (SST)

Sedimentación y filtración.

Descomposición durante los largos tiempos de retención por bacterias especializadas en el lecho de arena.

Nitrógeno Nitrificación/desnitrificación por el biofilm.

Absorción de las plantas (influencia limitada).

Fósforo Retención en el lecho de arena (adsorción).

Precipitación con aluminio hierro y calcio.


Patógenos Sedimentación y filtración.

Absorción por el biofilm.

Depredación por protozoarios.

Eliminación de bacterias por condiciones ambientales desfavorables (temperatura y pH).

Metales Pesados Precipitación y adsorción.


Contaminantes orgánicos

Absorción por el biofilm y partículas de arena.

Descomposición debido a lo largo del tiempo de retención y a las bacterias especializadas del suelo (no calculable).

Fuente: Hoffmann et al., 2011.


Para diseñar los humedales, se lo hace en dos partes; la primera que es el dimensionamiento

biológico y el cual proporciona la superficie necesaria. Y la segunda que es el dimensionamiento

hidráulico que resulta en las dimensiones geométricas del humedal (García, 2008).

El diseño de los humedales se lo presenta a continuación:

Datos:

Caudal medio: QMD = 0.123 m3/s = 10667.36 m3/día

Pendiente del fondo del canal: S = 2%

Tipo de material: Arena gravosa

104

Tamaño efectivo del material: D10 = 8 mm

Porosidad: n = 35%

Conductividad hidráulica: ks = 5000 m3/m2/d

Grava parcialmente húmeda (profundidad): Y2 = 0.08 m

Conductividad térmica de la grava seca (25% de humedad): K2 = 1.5 W/m°C

Profundidad del humedal: Y3 = 1.20 m

Conductividad térmica de la grava saturada: K3 = 2 W/m°C

Vegetación: Carrizos

Profundidad: Y1 = 0.15 m

Conductividad térmica: K1 = 0.05 W/m°C

Temperatura del afluente: Taflu = 27 °C

Temperatura del aire: Taire = 35.78 °C

Capacidad de calor específico del AR: CE = 4215 J/Kg°C

Número de humedales (propuesto): Nhumedales = 2

Constante de primer orden: Kp = 2.74 cm/día

Separación de vegetación: Svegetación = 0.60 m

Desarrollo:

Dimensionamiento Biológico.

Temperatura del humedal:

𝑻𝑯 = 𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 − 𝟏

𝑻𝑯 = 27°𝐶 − 1

𝑻𝑯 = 𝟐𝟔 °𝑪

Constante de temperatura en el humedal:

𝒌𝟐𝟔 = 𝟏. 𝟏𝟎𝟒 ∗ (𝟏. 𝟎𝟔𝑻−𝟐𝟎)

𝒌𝟐𝟔 = 1.104 ∗ (1.0626−20)

𝒌𝟐𝟔 = 𝟏. 𝟓𝟕

Remoción de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5):

Superficie necesaria:

𝑨𝑺 =𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝒍𝒏(𝑫𝑩𝑶𝟓𝒂𝒇𝒍𝒖) − 𝒍𝒏(𝑫𝑩𝑶𝟓𝒆𝒇𝒍𝒖)

𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

105

𝑨𝑺 =10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝑙𝑛(935.51𝑚𝑔/𝑙) − 𝑙𝑛(100𝑚𝑔/𝑙)

1.57 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝑨𝑺 = 𝟑𝟔𝟐𝟔𝟐. 𝟕𝟑 𝒎𝟐


𝑻𝑹𝑯𝑫𝑩𝑶𝟓 =𝑨𝑺 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑸𝑴𝑫

𝑻𝑹𝑯𝑫𝑩𝑶𝟓 =36262.73𝑚2 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

10667.36𝑚3/𝑑

𝑻𝑹𝑯𝑫𝑩𝑶𝟓 = 𝟏. 𝟒𝟑 𝒅í𝒂𝒔

Coeficiente de calor:

𝑼 =𝟏

𝒀𝟏𝑲𝟏

+𝒀𝟐𝑲𝟐

+𝒀𝟑𝑲𝟑

𝑼 =1

0.15𝑚0.05𝑊

𝑚°𝐶

+0.08𝑚

1.5𝑊𝑚

°𝐶+

1.20𝑚2𝑊𝑚

°𝐶

𝑼 = 𝟎. 𝟐𝟕

Cambio de temperatura en el humedal:

𝑻𝒄 =𝑼 ∗ (𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 − 𝑻𝒂𝒊𝒓𝒆) ∗ 𝑻𝑹𝑯 ∗ 𝟖𝟔𝟒𝟎𝟎

𝑪𝒆 ∗ 𝑸𝑴𝑫 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑻𝒄 =0.27 ∗ (27°𝐶 − 35.78°𝐶) ∗ 1.43𝑑í𝑎𝑠 ∗ 86400

4215 𝐽/𝐾𝑔°𝐶 ∗ 0.123𝑚3/𝑠 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝑻𝒄 = −𝟎. 𝟎𝟐°𝑪

Temperatura del efluente:

𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 − 𝑻𝒄

𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖 = 27°𝐶 − (−0.02°𝐶)

𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟐𝟕. 𝟎𝟐 °𝑪

106

Temperatura promedio del efluente:

𝑻𝑬𝑭𝑳𝑼 =𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 + 𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖

𝟐

𝑻𝑬𝑭𝑳𝑼 =27°𝐶 + 27.02°𝐶

2

𝑻𝑬𝑭𝑳𝑼 = 𝟐𝟕. 𝟎𝟏 °𝑪

Remoción de la DBO5:

𝑹𝒆−𝑫𝑩𝑶𝟓 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑫𝑩𝑶𝟓 =(935.51𝑚𝑔/𝑙 − 100𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

935.51𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑫𝑩𝑶𝟓 = 𝟖𝟗. 𝟑𝟏%

Por lo tanto, la concentración de la DBO5 a la salida del humedal será de 100 mg/l, con lo que

estaría dentro de los límites que establece la norma.

Remoción de los Sólidos Suspendidos Totales (SST):

Velocidad del flujo para que se dé la sedimentación:

𝑽𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐 =𝑸𝑴𝑫

𝑨𝑺

𝑽𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐 =10667.36𝑚3/𝑑

36262.73𝑚2 ∗ 100

𝑽𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐 = 𝟐𝟗. 𝟒𝟐 𝒄𝒎/𝒅í𝒂

Concentración de los SST en el efluente:

𝑪𝒇 = 𝑺𝑺𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 ∗ (𝟎. 𝟏𝟎𝟓𝟖 + (𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟏 ∗ 𝑽𝒇𝒍𝒖𝒋𝒐))

𝑪𝒇 = 1172.70𝑚𝑔/𝑙 ∗ (0.1058 + (0.0011 ∗ 29.42𝑐𝑚/𝑑í𝑎))

𝑪𝒇 = 𝟏𝟔𝟐. 𝟎𝟐 𝒎𝒈/𝒍


107

𝑨𝑺 =𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝒍𝒏(𝑺𝑺𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖) − 𝒍𝒏(𝑺𝑺𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖)

𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑨𝑺 =10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝑙𝑛(1172.70𝑚𝑔/𝑙) − 𝑙𝑛(130𝑚𝑔/𝑙)

1.57 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝑨𝑺 = 𝟑𝟑𝟖𝟏𝟎. 𝟑𝟔 𝒎𝟐

Con esta nueva superficie, se calcula la carga hidráulica para poder determinar la nueva

concentración de SST en el efluente:

Carga hidráulica superficial:

𝑪𝑯𝑺𝑺𝑻 =𝑸𝑴𝑫

𝑨𝑺∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝑯𝑺𝑺𝑻 =10667.36𝑚3/𝑑

33810.36𝑚2 ∗ 100

𝑪𝑯𝑺𝑺𝑻 = 𝟑𝟏. 𝟓𝟓 𝒄𝒎/𝒅í𝒂


𝑪𝒇 = 𝑺𝑺𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖 ∗ (𝟎. 𝟏𝟎𝟓𝟖 + (𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟒 ∗ 𝑪𝑯𝑺𝑺𝑻))

𝑪𝒇 = 1172.70𝑚𝑔/𝑙 ∗ (0.1058 + (0.0014 ∗ 31.55𝑐𝑚/𝑑))

𝑪𝒇 = 𝟏𝟐𝟔. 𝟔𝟑 𝒎𝒈/𝒍

Remoción de los SST:

𝑹𝒆−𝑺𝑺𝑻 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑺𝑺𝑻 =(1172.70𝑚𝑔/𝑙𝑖 − 126.63𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

1172.70𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑺𝑺𝑻 = 𝟖𝟕. 𝟓𝟕%

Remoción de Nitrógeno (Nt):

Para este caso, el nitrógeno no sobrepasa los límites establecidos por la norma TULSMA 2015,

pero para efectos de aprendizaje se realizará el dimensionamiento biológico del mismo. Para lo cual

se asumirá un valor superior para suponer que se tiene problemas con el NT, entonces:

Concentración de NT en el afluente adoptado: Cf-NT* = 55 mg/l

108

Constante de temperatura en el humedal:

𝒌𝟐𝟔 = 𝟎. 𝟐𝟏𝟖𝟕 ∗ (𝟏. 𝟎𝟒𝟖𝑻−𝟐𝟎)

𝒌𝟐𝟔 = 0.2187 ∗ (1.04826−20)

𝒌𝟐𝟔 = 𝟎. 𝟐𝟗

Superficie necesaria para la remoción:

𝑨𝑺 =

𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝒍𝒏𝑵𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖

𝑵𝑻𝒆𝒇𝒍𝒖)

𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑨𝑺 =10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝑙𝑛

55𝑚𝑔/𝑙50𝑚𝑔/𝑙

)

0.29 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝑨𝑺 = 𝟖𝟑𝟓𝟒. 𝟔𝟗 𝒎𝟐


𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =𝑨𝑺 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑸𝑴𝑫

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =8354.69𝑚2 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

10667.36𝑚3/𝑑

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 = 𝟎. 𝟑𝟎 𝒅í𝒂𝒔

Con estos valores obtenidos, el diseño es como sigue:

Primero se obtiene la concentración del nitrógeno en la forma de nitrato, dado que éste es absorbido

por las raíces. En este punto se produce la desnitrificación del nitrato a nitrógeno gaseoso en

condiciones anaerobias (Guía para la selección de tecnologías de depuración de aguas residuales

por métodos naturales, 2010).

Concentración de nitratos en el efluente:

𝑪𝒊 = 𝑪𝒊∗ ∗ (𝑬𝑿𝑷(−𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻))

𝑪𝒊 = 24.70𝑚𝑔/𝑙 ∗ (𝐸𝑋𝑃(−0.29 ∗ 0.30𝑑))

𝑪𝒊 = 𝟐𝟐. 𝟔𝟒 𝒎𝒈/𝒍

109

La superficie necesaria para la remoción del nitrato se lo determina considerando porcentajes de

obstrucción por las raíces de 50% y 100% (Guía para la selección de tecnologías de depuración de

aguas residuales por métodos naturales, 2010).

Constante de obstrucción al 50%:

𝒌𝟓𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟖𝟓𝟒 + (𝟎. 𝟑𝟗𝟐𝟐 ∗ ((𝟓𝟎

𝟏𝟎𝟎)𝟐.𝟔𝟎𝟕𝟕)

𝒌𝟓𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟖

Superficie del humedal:

𝑨𝑺−𝟓𝟎 =

𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝒍𝒏𝑵𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖−𝒂𝒅𝒐𝒑


𝒌𝟓𝟎 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑨𝑺−𝟓𝟎 =10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝑙𝑛


)

0.08 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35%

𝑨𝑺−𝟓𝟎 = 𝟐𝟗𝟐𝟎𝟔. 𝟎𝟗 𝒎𝟐


𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =𝑨𝑺−𝟓𝟎 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑸𝑴𝑫

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =29206.09𝑚2 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

10667.36𝑚3/𝑑

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 = 𝟏. 𝟏𝟓 𝒅í𝒂𝒔


𝑪𝒊 = 𝑪𝒊∗ ∗ (𝑬𝑿𝑷(−𝒌𝟓𝟎 ∗ 𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻))

𝑪𝒊 = 24.70𝑚𝑔/𝑙 ∗ (𝐸𝑋𝑃(−0.08 ∗ 1.15𝑑))

𝑪𝒊 = 𝟐𝟐. 𝟒𝟓 𝒎𝒈/𝒍

Constante de obstrucción al 100%:

𝒌𝟓𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟖𝟓𝟒 + (𝟎. 𝟑𝟗𝟐𝟐 ∗ ((𝟓𝟎

𝟏𝟎𝟎)𝟐.𝟔𝟎𝟕𝟕)

𝒌𝟓𝟎 = 𝟎. 𝟒𝟏


110

𝑨𝑺−𝟏𝟎𝟎 =

𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝒍𝒏𝑵𝑻𝒂𝒇𝒍𝒖−𝒂𝒅𝒐𝒑


𝒌𝟏𝟎𝟎 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑨𝑺−𝟏𝟎𝟎 =10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝑙𝑛


)

0.41 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35%

𝑨𝑺−𝟏𝟎𝟎 = 𝟓𝟖𝟗𝟑. 𝟓𝟗 𝒎𝟐

Tiempo de retención hidráulico:

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =𝑨𝑺−𝟎𝟎 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

10667.36𝑚3/𝑑

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 =5893.59𝑚2 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

0.123𝑚3/𝑠

𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻 = 𝟎. 𝟐𝟑 𝒅í𝒂𝒔 = 𝟓. 𝟓𝟐 𝒉


𝑪𝒊 = 𝑪𝒊∗ ∗ (𝑬𝑿𝑷(−𝒌𝟏𝟎𝟎 ∗ 𝑻𝑹𝑯𝑵𝑻))

𝑪𝒊 = 24.70𝑚𝑔/𝑙 ∗ (𝐸𝑋𝑃(−0.41 ∗ 0.23𝑑))

𝑪𝒊 = 𝟐𝟐. 𝟒𝟓 𝒎𝒈/𝒍

Remoción de NT:

𝑹𝒆−𝑵𝑻 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑵𝑻 =(55𝑚𝑔

𝑙− 22.45𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

22.45𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑵𝑻 = 𝟓𝟗. 𝟏𝟕%

Remoción de NO-3:

𝑹𝒆−𝑵𝑻 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑵𝑻 =(24.70𝑚𝑔

𝑙− 22.45𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

22.45𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑵𝑻 = 𝟗. 𝟎𝟗%

Remoción de Fósforo (P):

111

Así mismo, como en el caso del nitrógeno, el fósforo no presenta problemas al sobrepasarse con

los límites normados, por lo que no es un condicionante del diseño biológico e hidráulico del humedal

artificial. Para la remoción del fósforo se procede de la siguiente manera.

Según el análisis de los datos obtenidos de North América Data Base, Kadlec, se proponen una

constante de primer orden igual a 10 m/año con la cual se estima la remoción del fósforo en el

sistema; el valor equivale a un promedio de 2.47 cm/día (Lara, 1999).

Carga hidráulica promedio anual:

𝑪𝑯𝑷 =𝑸𝑴𝑫

𝑨𝑺∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝑯𝑷 =10667.36𝑚3/𝑑

36262.73𝑚2 ∗ 100

𝑪𝑯𝑷 = 𝟐𝟗. 𝟒𝟐 𝒄𝒎/𝒅í𝒂

En ambos sistemas de humedales artificiales, Reed y col (1995) proponen la siguiente ecuación,

para evaluar la remoción del fósforo (Rabat, 2016).

Concentración del fósforo en el efluente:

𝑷𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑷𝒂𝒇𝒍𝒖 ∗ 𝒆(

−𝑲𝒑

𝑪𝑯𝒑)

𝑷𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1.57𝑚𝑔/𝑙 ∗ 𝑒(

−𝟐.𝟕𝟒𝒄𝒎/𝒅𝟐𝟗.𝟒𝟐𝒄𝒎/𝒅)

𝑷𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟏. 𝟒𝟑 𝒎𝒈/𝒍


𝑨𝑺 =

𝑸𝑴𝑫 ∗ (𝑳𝑵 (𝑷𝒂𝒇𝒍𝒖

𝑷𝒆𝒇𝒍𝒖))

𝑲𝑷

𝑨𝑺 =

10667.36𝑚3/𝑑 ∗ (𝐿𝑁 (1.57𝑚𝑔/𝑙1.43𝑚𝑔/𝑙

))

29.42𝑐𝑚/𝑑

𝑨𝑺 = 𝟑𝟔𝟐𝟔𝟐. 𝟕𝟑 𝒎𝟐

Periodo de retención hidráulica:

112

𝑻𝑹𝑯𝑷 =𝑨𝑺 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑸𝑴𝑫

𝑻𝑹𝑯𝑷 =36262.73𝑚2 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

10667.36𝑚3/𝑑

𝑻𝑹𝑯𝑷 = 𝟏. 𝟒𝟎 𝒅í𝒂𝒔 = 𝟑𝟑. 𝟔 𝒉

Remoción de P:

𝑹𝒆−𝑷 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑷 =(1.57𝑚𝑔/𝑙 − 1.43𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

1.57𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑷 = 𝟖. 𝟖𝟗%

Dimensionamiento Hidráulico.

En este punto, se aplica la Ley de Darcy, la cual describe el régimen del flujo en un medio poroso,

mediante la siguiente ecuación (García, 2008):

𝑸𝑴𝑫 = 𝑨𝒕 ∗ 𝒌𝒔 ∗ 𝑺

Sección transversal:

𝑨𝒕 =𝑸𝑴𝑫

𝒌𝒔 ∗ 𝑺

𝑨𝒕 =10667.36𝑚3/𝑑

5000𝑚3/𝑚2 ∗ 𝑑 ∗ 0.02

𝑨𝒕 = 𝟏𝟎𝟔. 𝟔𝟕 𝒎𝟐

Superficie del humedal:

𝑨𝑺 =𝑸𝑴𝑫

𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏∗ 𝑳𝑵 (

𝑪𝒂𝒇𝒍𝒖

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖)

La ecuación es útil para obtener la superficie del humedal, considerando las concentraciones tanto

del afluente como del efluente, el caudal y los parámetros del medio poroso. Para este caso, se

tomará la mayor superficie obtenida en el dimensionamiento biológico, asegurando que de esta

manera las remociones sean las determinadas, por lo tanto la superficie mayor es la obtenida en la

remoción de la DBO5:

𝑨𝑺 = 𝟑𝟔𝟐𝟔𝟐. 𝟕𝟑 𝒎𝟐


113

𝑻𝑹𝑯 =𝑨𝑺 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝑸𝑴𝑫

Por la misma razón expuesta para la superficie, para el periodo de retención hidráulica se tomará

el mayor de los valores obtenidos, siendo la misma la dada por la remoción de la DBO5, por lo tanto:

𝑻𝑹𝑯 = 𝟏. 𝟒𝟑 𝒅í𝒂𝒔 = 𝟑𝟑. 𝟔 𝒉

Ancho del humedal:

𝑾 =𝑨𝒕

𝒚

𝑾 =106.67𝑚2

1.20𝑚

𝑾 = 𝟖𝟖. 𝟖𝟗 𝒎

Largo del humedal:

𝑳 =𝑨𝑺

𝑾

𝑳 =36262.73𝑚2

88.89𝑚

𝑳 = 𝟒𝟎𝟕. 𝟗𝟑 𝒎

Relación largo-ancho:

Al final es necesario verificar la relación largo/ancho que como mínimo debe ser 1:1 y como máximo

4:1 (Rabat, 2016). Dado que en la mayoría de los casos el dimensionamiento arroja valores en los

cuales el largo es mucho mayor al ancho y no cumple con las condiciones de relación, por lo tanto

es necesario dividir la superficie en celdas paralelas hasta que los criterios se cumplan (García,

2008).

𝑳

𝑾=

407.93𝑚

88.89𝑚= 𝟒. 𝟓𝟗

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏:𝐿

𝑊≤

𝐿´

𝑊´→ 4.59 ≤ 4 ∴ 𝑫𝒊𝒗𝒊𝒅𝒊𝒓 𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆 𝒆𝒏 𝒄𝒆𝒍𝒅𝒂𝒔

Al no cumplir con la relación, la superficie se la dividirá en 2 celdas (humedales):

𝑨𝑷 =𝑨𝑺

𝑵𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒍𝒆𝒔

𝑨𝑷 =36262.73𝑚2

2

𝑨𝑷 = 𝟏𝟖𝟏𝟑𝟏. 𝟑𝟕 𝒎𝟐

114

El largo de cada humedal será:

𝑳 =𝑨𝑷

𝑾

𝑳 =18131.73𝑚2

88.89𝑚

𝑳 = 𝟐𝟎𝟑. 𝟗𝟔 𝒎

Comprobación de la relación largo/ancho:

𝑳

𝑾=

203.96𝑚

88.89𝑚= 𝟐. 𝟐𝟗

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒓𝒆𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏:𝐿

𝑊≤

𝐿´

𝑊´→ 2.29 ≤ 4 ∴ 𝑶𝑲

Caudal que pasa para cada humedal:

𝑸𝑴𝑫−𝑷 =𝑸𝑴𝑫

𝑵𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂𝒍𝒆𝒔

𝑸𝑴𝑫−𝑷 =10667.36𝑚3/𝑑

2

𝑸𝑴𝑫−𝑷 = 𝟓𝟑𝟑𝟑. 𝟔𝟖 𝒎𝟑/𝒅í𝒂

Tabla 37 Dimensiones del humedal de flujo subsuperficial.

DIMENSIONES DEL HUMEDAL DE FLUJO SUBSUPERFICIAL

Número de humedales Nhumedales 2.00

Tipo de material (Arena gravosa) D10 (mm) 8.00

Grava de ingreso y salida D (mm) 50.00

Pendiente del fondo del lecho m (%) 0.02

Profundidad del humedal y (m) 1.20

Tipo de vegetación Carrizo (unidad) 340.00

Tiempo de retención hidráulico TRH* (días) 1.43

Ancho de cada celda del humedal W (m) 89.00

Largo de cada celda del humedal L (m) 204.00

Fuente: Autor.


115

Figura 35 Nomenclatura de las dimensiones de los humedales.

Fuente: Autor.


Remoción del resto de contaminantes:

Para la remoción de los demás contaminantes, se usarán datos como la superficie necesaria

determinada en el dimensionamiento hidráulico y el caudal ya dado anteriormente. Así como

porcentajes establecidos por estudios de humedales artificiales subsuperficiales y que se adaptan

al diseño propuesto.

Remoción de la Demanda Química de Oxígeno (DQO):

Constante cinética de primer orden:

𝒌𝑨 = 𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝒌𝑨 = 1.57 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝒌𝑨 = 𝟎. 𝟔𝟔 𝒎/𝒅í𝒂


𝑪𝑫𝑸𝑶 = 𝑪𝑫𝑸𝑶−𝒊 ∗ 𝒆(−𝒌𝑨∗

𝑨𝑺𝑸𝑴𝑫

)

𝑪𝑫𝑸𝑶 = 940.50𝑚𝑔/𝑙 ∗ 𝑒(−0.66𝑚/𝑑∗

36262.73𝑚^210667.36𝑚3/𝑑

)

𝑪𝑫𝑸𝑶 = 𝟏𝟎𝟎. 𝟓𝟑 𝒎𝒈/𝒍

116

Remoción de DQO:

𝑹𝒆−𝑫𝑸𝑶 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑫𝑸𝑶 =(940.50𝑚𝑔/𝑙 − 100.53𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

940.50𝑚𝑔/𝑙

𝑹𝒆−𝑫𝑸𝑶 = 𝟗𝟐. 𝟑𝟖%

Remoción de Coliformes Fecales:

Constante de reacción (Rabat, 2016):

𝒌𝒕 = 𝟐. 𝟔 ∗ 𝟏. 𝟏𝟗𝑻𝒉−𝟐𝟎

𝒌𝒕 = 2.6 ∗ 1.19(26°𝐶−20)

𝒌𝒕 = 𝟕. 𝟑𝟖 𝒅−𝟏

Concentración de coliformes fecales en el efluente (Reed et al., 1995):

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑭 =𝑪𝒂𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑭

(𝟏 + 𝑻𝑹𝑯 ∗ 𝒌𝒕)𝒏

n: número de humedales en serie

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑭 =1.10𝐸 + 06𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙

(1 + 1.43𝑑 ∗ 7.38𝑑−1)1

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑭 = 𝟗. 𝟓𝟒𝑬 + 𝟎𝟒 𝑵𝑴𝑷/𝟏𝟎𝟎𝒎𝒍

Remoción de los Coliformes Totales:

Concentración de coliformes totales en el efluente:

𝒌𝒕 = 𝟐. 𝟔 ∗ 𝟏. 𝟏𝟗𝑻𝒉−𝟐𝟎

𝒌𝒕 = 2.6 ∗ 1.19(26°𝐶−20)

𝒌𝒕 = 𝟕. 𝟑𝟖 𝒅−𝟏

Concentración de coliformes totales en el efluente (Reed et al., 1995):

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑻 =𝑪𝒂𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑭

(𝟏 + 𝑻𝑹𝑯 ∗ 𝒌𝒕)𝒏

n: número de humedales en serie

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑻 =1.61𝐸 + 07𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙

(1 + 1.43𝑑 ∗ 7.38𝑑−1)1

𝑪𝒆𝒇𝒍𝒖−𝑪𝑻 = 𝟏. 𝟑𝟗𝑬 + 𝟎𝟔 𝑵𝑴𝑷/𝟏𝟎𝟎𝒎𝒍

Remoción del Color Real:

117

Porcentaje de remoción: 80% (González, et al., 2016)

Concentración de color real en el efluente:

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹 ∗ 𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 4015𝑃𝑡𝐶𝑜 − (80% ∗ 4015𝑃𝑡𝐶𝑜)

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟖𝟎𝟑 𝑷𝒕𝑪𝒐

Remoción de Grasas y Aceites:

Porcentaje de remoción: 90% (González, et al., 2016)

Concentración de grasas y aceites en el efluente:

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺 ∗ 𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 272.70𝑚𝑔/𝑙 − (90% ∗ 272.70𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑮𝑹𝑨𝑺𝑨𝑺−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟐𝟕. 𝟐𝟕 𝒎𝒈/𝒍

Remoción de Sólidos Totales:

Porcentaje de remoción: 99.7% (Vera, et al., 2015)

Concentración de sólidos totales en el efluente:

𝑪𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑺𝑻 ∗ 𝑪𝑺𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 2354.50𝑚𝑔/𝑙 − (99.7% ∗ 2354.50𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑺𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟕. 𝟎𝟔 𝒎𝒈/𝒍

Remoción de Sulfuro (S^-2):

Constante cinética de primer orden:

𝒌𝑨 = 𝒌𝟐𝟔 ∗ 𝒚 ∗ 𝒏

𝒌𝑨 = 1.57 ∗ 1.20𝑚 ∗ 0.35

𝒌𝑨 = 𝟎. 𝟔𝟔 𝒎/𝒅í𝒂

Concentración de sulfuro en el efluente:

𝑪𝑺¬𝟐 = 𝑪𝑺¬𝟐−𝒊 ∗ 𝒆(−𝒌𝑨∗

𝑨𝑺𝑸𝑴𝑫

)

𝑪𝑺¬𝟐 = 1.87𝑚𝑔/𝑙 ∗ 𝑒(−0.66𝑚/𝑑∗

36262.73𝑚^210667.36𝑚3/𝑑

)

𝑪𝑺¬𝟐 = 𝟎. 𝟐𝟎 𝒎𝒈/𝒍

Remoción de sulfuro:

𝑹𝒆−𝑺¬𝟐 =(𝑪𝒊 − 𝑪𝒇) ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊

𝑹𝒆−𝑺¬𝟐 =(1.87𝑚𝑔/𝑙 − 0.20𝑚𝑔/𝑙) ∗ 100

1.87𝑚𝑔/𝑙

118

𝑹𝒆−𝑺¬𝟐 = 𝟖𝟗. 𝟑𝟏%

Remoción del Arsénico (As):

Porcentaje de remoción: 78.50% (Valles et al., 2014)

Concentración de arsénico en el efluente:

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑨𝒔−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑨𝒔 ∗ 𝑪𝑨𝒔−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 10.86𝑚𝑔/𝑙 − (78.50% ∗ 10.86𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟐. 𝟑𝟒 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Cadmio (Cd):

Porcentaje de remoción: 87.57% (Rivas et al., 2014)

Concentración de cadmio en el efluente:

𝑪𝑪𝒅−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝒅−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝒅 ∗ 𝑪𝑪𝒅−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑪𝒅−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 0.06𝑚𝑔/𝑙 − (87.57% ∗ 0.06𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑪𝒅−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟎𝟏 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Calcio (Ca):


Concentración de calcio en el efluente:

𝑪𝑪𝒂−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝒂−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝒂 ∗ 𝑪𝑪𝒂−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑪𝒂−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 175.79𝑚𝑔/𝑙 − (87.57% ∗ 175.79𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑪𝒂−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟐𝟏. 𝟖𝟔 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Mercurio (Hg):


Concentración de mercurio en el efluente:

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑯𝒈−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑯𝒈 ∗ 𝑪𝑯𝒈−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 0.55𝑚𝑔/𝑙 − (87.57% ∗ 0.55𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟎𝟕 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Plomo:

Porcentaje de remoción: 74% (Rivas et al., 2014)

Concentración de plomo en el efluente:

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑷𝒃−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑷𝒃 ∗ 𝑪𝑷𝒃−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 2.11𝑚𝑔/𝑙 − (74% ∗ 2.11𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟓𝟓 𝒎𝒈/𝒍

119

Según los valores obtenidos; es decir, sólo con el tratamiento biológico (humedales artificiales de

flujo subsuperficial) no se llega todavía a cumplir con los límites máximos permisibles dados por la

Norma TULSMA (2015), por lo tanto, es indispensable un tratamiento avanzado (filtración) para

eliminar lo que queda de los contaminantes que todavía no cumplen con la normativa.

3.4.3.7 Diseño del filtro lento de zeolita.

Lo cual lo más normal hubiese sido desarrollar dos tratamientos por separado para su eliminación,

pero en dos estudios realizados por Acevedo y sus colaboradores en los años 2011-2012,

desarrollan una batería de filtros para eliminar justamente los contaminantes que se están tratando

en este punto; entonces, el diseño del filtro lento de zeolita será el tratamiento avanzado adoptado

para que el agua residual esté completamente tratada y pueda ser devuelta hacia un curso natural

de agua cumpliendo con la normativa ecuatoriana; es decir, sin perjuicio para el medio ambiente.

El diseño de los filtros lentos de zeolita se los hará tomando en cuenta especificaciones dadas por

la Norma Ex – IEOS, pág.: 221 – ss., en donde se habla de filtros lentos convencionales de arena,

pero cambiando las propiedades de la misma por las de la zeolita. Así mismo, los valores adoptados

de tablas, las mismas se las mostrarán en los anexos de este documento.

Los porcentajes de remoción de los contaminantes son los adoptados en los estudios antes

mencionados.

Datos:

Caudal de diseño: QDIS = 0.286 m3/s = 24677.92 m3/día

Tasa de filtración (240 m/d - 360 m/d): Tf = 360 m/d = 15 m/h

Superficie del lecho máximo: A = 200 m2

Altura del agua sobre el lecho (1 m - 1.5 m): ha = 1.5 m

Profundidad del medio filtrante (0.6 m - 1.0 m): hz = 1.00 m

Medio de soporte: Grava

Diámetro de la grava: 16 – 23 mm

Profundidad del medio: hg = 0.15 m

Borde libre: BL = 0.30 m

Tiempo de retención (Norma Ex – IEOS, pág.: 227: 8 h – 12 h): TRH = 10 h

Medio filtrante: Zeolita

Tamaño efectivo (0.15 mm – 0.45 mm): D = 0.45 mm

Coeficiente de uniformidad (1.5 – 4.0): CU = 4

120

Tiempo de lavado: t = 15 min

Número de baterías de filtros: n = 2.00

Desarrollo:

Área de filtración:

𝑨𝒇 =𝑸𝑫𝑰𝑺

𝑻𝒇

𝑨𝒇 =24677.92𝑚^3/𝑑

360𝑚/𝑑

𝑨𝒇 = 𝟔𝟖. 𝟓𝟓 𝒎𝟐

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒔𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆: 𝐴𝑓 ≤ 𝐴 → 68.55 𝑚2 ≤ 200 𝑚2 ∴ 𝑶𝑲

Área de cada filtro:

𝑨𝒇−𝟏 =𝑨𝒇

𝒏

𝑨𝒇−𝟏 =68.55𝑚2

2

𝑨𝒇−𝟏 = 𝟑𝟒. 𝟐𝟕 𝒎𝟐

Diámetro de cada filtro:

𝑫 = (𝟒 ∗ 𝑨𝒇−𝟏

𝝅)

𝟎.𝟓

𝑫 = (4 ∗ 34.27𝑚2

𝜋)

0.5

𝑫 = 𝟓. 𝟖𝟓 𝒎

Altura de cada filtro:

𝑯𝒇 = 𝒉𝒂 + 𝒉𝒛 + 𝒉𝒈 + 𝑩𝑳

𝑯𝒇 = 1.5𝑚 + 1.00𝑚 + 0.15𝑚 + 0.30𝑚

𝑯𝒇 = 𝟐. 𝟗𝟓 𝒎 ≈ 𝟑 𝒎

Carga hidráulica:

𝑪𝑯 =𝑸𝑫𝑰𝑺

𝑨𝒇

𝑪𝑯 =24677.92𝑚3/𝑑

68.55𝑚2

𝑪𝑯 = 𝟑𝟔𝟎𝒎𝟑

𝒎𝟐 /𝒅

𝑪𝒖𝒎𝒑𝒍𝒆 𝒕𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒇𝒊𝒍𝒕𝒓𝒂𝒄𝒊ó𝒏: 𝐶𝐻 ≤ 𝑇𝑓 → 360𝑚3

𝑚2 /𝑑 ≤ 360𝑚3

𝑚2 /𝑑 ∴ 𝑶𝑲

Volumen de cada filtro:

121

𝑽𝒇 = 𝑯𝒇 ∗ 𝑨𝒇−𝟏

𝑽𝒇 = 3𝑚 ∗ 34.27𝑚2

𝑽𝒇 = 𝟏𝟎𝟐. 𝟖𝟐 𝒎𝟑

Tiempo de retención hidráulico:

𝑻𝑹𝑯 =𝑽𝒇

𝑸𝑫𝑰𝑺

𝑻𝑹𝑯 =102.82𝑚2

24677.92𝑚3/𝑑∗ 24ℎ

𝑻𝑹𝑯 = 𝟎. 𝟏 𝒉 = 𝟔 𝒎𝒊𝒏

El TRH obtenido concuerda con el aplicado en los estudios de los cuales está basado el

diseño de los filtros (Acevedo y sus colaboradores tienen un TRH de 5 minutos).

Volumen óptimo de lavado de cada filtro:

𝒗𝟏 = 𝑪𝒖 ∗ 𝑫

𝒗𝟏 = 4 ∗ 0.45𝑚𝑚

𝒗𝟏 = 𝟏. 𝟖𝟎 𝒎/𝒎𝒊𝒏

Volumen de lavado:

𝑽𝒐𝒍 = 𝒗𝟏 ∗ 𝑨𝒇−𝟏 ∗ 𝒕

𝑽𝒐𝒍 = 1.80𝑚/𝑚𝑖𝑛 ∗ 34.27𝑚2 ∗ 15𝑚𝑖𝑛

𝑽𝒐𝒍 = 𝟗𝟐𝟓. 𝟒𝟐 𝒎𝟑

Por lo tanto las dimensiones de los filtros serán:

Tabla 38 Dimensiones de los filtros de zeolita.

DIMENSIONES DEL FILTRO DE ZEOLITA

Diámetro del filtro D(m) 5.85

Altura del filtro Hf (m) 3.00

Tiempo de retención TRH (h) 0.10

Profundidad del medio de soporte hg (m) 0.15

Diámetro del medio de soporte D10 (mm) 20.00

Profundidad del medio filtrante hz (m) 1.00

Diámetro del medio filtrante D (mm) 0.45

Fuente: Autor.


122

Figura 36 Nomenclatura de las dimensiones de los filtros de zeolita.

Fuente: Autor.


Remoción de los Coliformes Fecales:

Porcentaje de remoción: 99% (Acevedo et al., 2012)


𝑪𝑪𝑭−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝑭−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝑭 ∗ 𝑪𝑪𝑭−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑪𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 9.54𝐸 + 04𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙 − (99% ∗ 9.54𝐸 + 04𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙)

𝑪𝑪𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟗. 𝟓𝟒𝑬 + 𝟎 𝑵𝑴𝑷/𝟏𝟎𝟎𝒎𝒍

Remoción de los Coliformes Totales:

Porcentaje de remoción: 99.95% (Acevedo et al., 2012)


𝑪𝑪𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝑻 ∗ 𝑪𝑪𝑻−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑪𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 1.39𝐸 + 06𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙 − (99.95% ∗ 1.39𝐸 + 06𝑁𝑀𝑃/100𝑚𝑙)

𝑪𝑪𝑻−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟔. 𝟗𝟔𝑬 + 𝟎𝟐 𝑵𝑴𝑷/𝟏𝟎𝟎𝒎𝒍

Remoción del Color Real:

Porcentaje de remoción: 98% (Márquez, et al., 2007)

Concentración de color real en el efluente:

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹 ∗ 𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒂𝒇𝒍𝒖)

123

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 803𝑃𝑡𝐶𝑜 − (98% ∗ 803𝑃𝑡𝐶𝑜)

𝑪𝑪𝑶𝑳𝑶𝑹−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟏𝟔. 𝟎𝟔 𝑷𝒕𝑪𝒐

Remoción del Arsénico (As):


Concentración de arsénico en el efluente:

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑨𝒔−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑨𝒔 ∗ 𝑪𝑨𝒔−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 2.34𝑚𝑔/𝑙 − (96% ∗ 2.34𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑨𝒔−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟎𝟗 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Plomo:


Concentración de plomo en el efluente:

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑷𝒃−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑷𝒃 ∗ 𝑪𝑷𝒃−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 0.55𝑚𝑔/𝑙 − (97% ∗ 0.55𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑷𝒃−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟎𝟐 𝒎𝒈/𝒍

Remoción del Mercurio (Hg):


Concentración de mercurio en el efluente:

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝑪𝑯𝒈−𝒂𝒇𝒍𝒖 − (𝑹𝒆−𝑯𝒈 ∗ 𝑪𝑯𝒈−𝒂𝒇𝒍𝒖)

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 0.07𝑚𝑔/𝑙 − (99% ∗ 0.07𝑚𝑔/𝑙)

𝑪𝑯𝒈−𝒆𝒇𝒍𝒖 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟕 𝒎𝒈/𝒍

Por ende, con los resultados que se obtienen luego del diseño de los filtros, se logra llegar a los

límites máximos permisibles dados por la Norma TULSMA (2015).

3.5 Construcción de la planta piloto de depuración a escala de laboratorio

Una vez obtenidos los resultados del dimensionamiento de los distintos procesos que conforman la

planta depuradora, el siguiente paso fue el escalado de los mismos con el fin de que pudiesen

obtener dimensiones capaces de implementar en el laboratorio. Las escalas se muestran en el

desarrollo a continuación. Cabe hacer mención que no es una misma escala para todos los

procesos, además que en cada componente existen distintos valores de escalado, esto con el

propósito de mantener una relación concordante, pues al hacerlo con una sola medida de escala,

algunas dimensiones hubiesen resultado muy disparejas.

124

En cuanto al material utilizado para la construcción de la planta piloto, se eligió el acrílico puesto

que resulta ser un material que más flexible, de menor peso y de mejor transparencia que el vidrio.

La flexibilidad a la hora de cortar las figuras de las que consta la planta. De mejor transparencia,

pues el propósito fue que se observe claramente el recorrido del agua residual.

Para la unión se consideró de tubería de PVC. Además, para lograr desniveles con el fin de que el

agua fluya, cada componente reposa sobre una estructura metálica.

3.5.1 Descripción técnica de la construcción a escala de la planta depuradora.

3.5.1.1 Canal de llegada y rejilla.

El canal de llegada es un pequeño canal de las mismas medidas del inicio del desarenador. Las

rejillas serán simuladas con una rejilla en acrílico de 6 mm de espesor perforada.

3.5.1.2 Desarenador.

La construcción del desarenador se la va a realizar en acrílico de 6 mm de espesor, transparente,

con las siguientes medidas:

Largo: 22.25 m – Esc.: 1.30: 0.70 m

Ancho: 1.40 m – Esc.: 1.3: 0.30 m

Altura: 1.00m m – Esc.: 1.3: 0.20 m

Figura 37 Dimensiones del desarenador de la planta piloto.

Fuente: Autor.


3.5.1.3 Desengrasador.

El desengrasador se lo construirá en acrílico de 6 mm transparente, siendo sus medidas las

siguientes:

125

Largo: 9.90 m – Esc.: 1.20: 0.50 m

Ancho: 7.10 m – Esc.: 1.20: 0.40 m

Altura: 1.20 m – Esc.: 1.5: 0.25 m

Figura 38 Dimensiones del desengrasador de la planta piloto.

Fuente: Autor.


3.5.1.4 Humedales artificiales subsuperficiales de flujo horizontal.

Generalmente, su construcción es a manera de bandejas de gran tamaño, impermeabilizadas y con

algún medio poroso para que pueda desarrollarse la vegetación seleccionada (Rabat, 2016).

Los humedales subsuperficiales se los realizará en un total de 2, en acrílico de 6 mm transparente

de forma trapezoidal, en las medidas dadas:

Largo: 204.00 m – Esc.: 1.250: 0.80 m

Ancho: 89.00 m – Esc.: 1.250: 0.40 m

Altura: 1.20 m – Esc.: 1.5: 0.50 m

126

Figura 39 Dimensiones de los humedales de la planta piloto.

Fuente: Autor.


3.5.1.5 Filtros lentos de zeolita.

La filtración lenta por medio de zeolita se la realizará en filtros construidos de tubo de PVC de 110

mm, en un total de 4, de dimensiones:

Diámetro: 5.85 m – Esc.: 1.50: 0.125 m

Altura: 3.00 m – Esc.: 1.5: 0.60 m

127

Figura 40 Dimensiones de los filtros de zeolita de la planta piloto.

Fuente: Autor.


3.5.1.6 Varios.

Se instalarán válvulas de paso en material de PVC de 25 mm de media vuelta, en el ingreso

y salida de todos los procesos con el fin de controlar el flujo de agua residual.

Se utilizará tubería de PVC de 25 mm para las instalaciones hidráulicas, la misma serán de

tipo pegable; la escala es: Esc.: 1.200

Todas las bases de los procesos y operaciones unitarias se las construirá en metal con

ángulo de 25mm x 25mm x 3mm de acuerdo a los desniveles que sean requeridos para

obtener un flujo a gravedad.

128

Figura 41 Estructuras de apoyo de los procesos de la planta piloto.

Fuente: Autor.


129

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE RESULTADOS

130

4.1 Generalidades

El presente trabajo de investigación consta de esencialmente de dos partes, la primera de ellas se

ha desarrollado en el capítulo anterior y en el cual su objetivo último ha sido el diseño y escalado

de las dimensiones de los diferentes componentes de la que está conformada la planta depuradora.

La segunda parte de trabajo (referida exclusivamente a este capítulo) comprende el monitoreo del

funcionamiento de la planta piloto, cuyo objetivo último hace referencia a evaluar la eficiencia real

de la planta de tratamiento.

4.2 Configuración de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales

En primer lugar, los planos de la configuración de la planta depuradora se muestra en los anexos 1

y 2 del presente documento: un tratamiento primario que en sí es un desarenador, un tratamiento

biológico que son los humedales y un tratamiento avanzado que corresponde a los filtros de zeolita.

Figura 42 Configuración de la planta piloto.

Fuente: Autor.


131

4.3 Monitoreo del funcionamiento de la planta depuradora

El monitoreo del funcionamiento de la planta piloto es realizado mediante constantes observaciones

con las cuales es posible evaluar eficiencias y anomalías que impidan que se cumplan los objetivos

de tratamiento. Las observaciones dichas son los aforos, los muestreos y los análisis físicos,

químicos y microbiológicos del agua depurada (Delgadillo et al., 2010).

El funcionamiento de la planta piloto es el siguiente:

En primer lugar, el agua residual ingresa hacia el canal del desarenador por medio de una

válvula colocada al inicio. El caudal máximo es de 0.001 m3/s. El agua pasa por el

desarenador con un tiempo de retención hidráulico de 10.90 s; en el canal del desarenador

se sedimentan las partículas de arena.

Figura 43 Válvula y canal de entrada al desarenador.

Fuente: Autor.


132

Figura 44 Funcionamiento del desarenador de la planta piloto: entrada de agua en el canal del desarenador.

Fuente: Autor.


Seguidamente, una vez que ha pasado por el desarenador, el agua residual ingresa al

desengrasador. A medida que el agua fluye, en la parte superior del desengrasador se forma

una película de grasas, las cuales son retenidas, puesto que la tubería de salida es más baja

que la de entrada. El tiempo de retención hidráulico para que se retengan las grasas y

aceites es de 5 minutos.

133

Figura 45 Salida del desarenador y entrada al desengrasador.

Fuente: Autor.


134

Figura 46 Funcionamiento del desengrasador de la planta piloto: entrada del agua al desengrasador.

Fuente: Autor.


Enseguida, para aplicar el agua residual al sistema de humedales, se lo realiza por medio

de tuberías colocadas por encima del lecho poroso. Como el sistema opera en paralelo,

cada humedal tiene un periodo de reposo y uno de aplicación del agua residual. Por cada

periodo de alimentación en cada celda de humedales, se deben tener dos de reposo

(Delgadillo et al., 2010). El tiempo de retención hidráulico es de 34.32 horas.

135

Figura 47 Sistema de humedales antes de su funcionamiento.

Fuente: Autor.


136

Figura 48 Funcionamiento del sistema de humedales de la planta piloto: entrada del agua a los humedales.

Fuente: Autor.


137

Finalmente, al salir del sistema de humedales, el agua residual pasa a través de dos filtros

que contienen como material filtrante zeolita, que tiene un diámetro de partícula de 0.40 mm,

la misma que reposa sobre un medio de grava. El agua residual fluye por el primer filtro de

manera descendente y en el segundo de manera ascendente, con el propósito de que la

mayor cantidad de partículas sean adsorbidas por el medio filtrante. Al pasar por los filtros,

el tiempo de retención hidráulica es de 6 minutos.

Figura 49 Salida del humedal y entrada al filtro de zeolita.

Fuente: Autor.


138

Figura 50 Zeolita (material filtrante) colocada en el filtro.

Fuente: Autor.


139

Figura 51 Funcionamiento de los filtros de zeolita de la planta piloto: entrada del agua hacia los filtros.

Fuente: Autor.


4.3.1 Resultados del funcionamiento de la planta piloto.

Para comprobar que en la práctica, la planta de tratamiento de aguas residuales funcione, se

evaluarán la remoción de carga orgánica en función del parámetro de la DQO. Esto por cuanto este

parámetro representa una aproximación de la materia orgánica que existe en una muestra de agua

140

residual, por ello al realizar pruebas de DQO se acelera de forma artificial la biodegradación que

realizan los microorganismos para depurar el agua

Los resultados teóricos del funcionamiento de la planta piloto para el tratamiento de aguas

residuales están presentados en las tablas siguientes:

El porcentaje de remoción está calculado según la ecuación siguiente:

𝑹𝒆 =(𝑪𝒊−𝑪𝒇)∗𝟏𝟎𝟎

𝑪𝒊 ; donde: Re: remoción del contaminante (%)

Ci: concentración inicial del contaminante (mg/l; NMP/100ml; PtCo; uS/cm)

Cf: concentración final del contaminante (mg/l; NMP/100ml; PtCo; uS/cm)

De aquí que los resultados teóricos obtenidos en el diseño de los humedales artificiales de flujo

subsuperficial, las concentraciones de los contaminantes son los siguientes:

Tabla 39 Concentraciones en el efluente luego del HAFSS.


RESULTADOS DISEÑO


HAFSS (H) CUMPLE NORMA

Aceites y grasas mg/l 30.00 27.27 OK

Coliformes fecales NMP/100ml 2.00E+03 9.54E+04 NO CUMPLE

Coliformes totales NMP/100ml 1.00E+03 1.39E+06 NO CUMPLE

Color real PtCo 20.00 803.00 NO CUMPLE


mg/l 100.00 100.00 OK

Demanda Química de Oxígeno mg/l 200.00 100.53 OK

Sólidos Suspendidos Totales mg/l 130.00 126.63 OK

Sólidos Totales mg/l 1600.00 7.06 OK

Sulfuros mg/l 0.50 0.20 OK

Arsénico mg/l 0.10 2.34 NO CUMPLE

Cadmio mg/l 0.020 0.01 OK

Calcio mg/l 21.86 OK

Plomo mg/l 0.20 0.55 NO CUMPLE

Mercurio mg/l 0.005 0.07 NO CUMPLE

Fuente: Autor.


141

Además, como se puede apreciar, existen todavía algunos contaminantes que no son reducidos

hasta cumplir con los límites permisibles, por lo que del diseño propuesto de los filtros de zeolita, el

efluente final tendrá las siguientes características

Tabla 40 Concentraciones en el efluente luego de los filtros lentos de zeolita.

PARÁMETRO UNIDAD LÍMITE NORMA (TULSMA-

2015)

RESULTADOS DISEÑO


FILTROS CUMPLE NORMA

Coliformes fecales NMP/100ml 2.00E+03 9.54E+02 OK

Coliformes totales NMP/100ml 1.00E+03 6.96E+02 OK

Color real PtCo 20.00 16.06 OK

Arsénico mg/l 0.10 0.09 OK

Plomo mg/l 0.20 0.02 OK

Mercurio mg/l 0.005 0.0007 OK

Fuente: Autor.


Del monitoreo de la planta piloto, se ha considerado evaluar la eficiencia de la reducción de la carga

orgánica en función del parámetro DQO. Además los resultados que se han obtenido corresponden

al tratamiento biológico en sí y también a la combinación del tratamiento biológico más el tratamiento

de desinfección, por lo tanto, los resultados obtenidos del monitoreo de la planta piloto son los

siguientes:

4.3.1.1 Resultados del efluente a la salida del tratamiento biológico.

A la salida de los humedales artificiales y con un tiempo de retención hidráulico de 1.43 días, el

agua depurada presenta las siguientes características:

Tabla 41 Resultados del monitoreo en el efluente a la salida del tratamiento biológico.

PARÁMETRO UNIDAD

RESULTADOS DEL MONITOREO

PRIMER ENSAYO SEGUNDO ENSAYO ��

Color Real PtCo 131 142 136.5

DQO mg/l 167 205 186

Fuente: Autor.


142

La tabla anterior muestra los resultados obtenidos del efluente a la salida del tratamiento biológico,

donde se aprecia que en el segundo ensayo realizado los valores de los contaminantes presentan

un aumento.

Para el caso del color, es debido a que las raíces de los carrizos todavía no logran absorber gran

cantidad de sustancias disueltas presentes en el agua pues su plantación es reciente. Por lo tanto

con el transcurso del funcionamiento del humedal los carrizos comenzarán a actuar de una manera

más correcta, es decir absorbiendo más cantidad de sustancias, esperándose así que el parámetro

comience a disminuir progresivamente.

Para el caso del parámetro de la DQO, su aumento significa una mayor presencia de carga orgánica

en el humedal debido a su posible presencia tanto en el material filtrante como en los carrizos.

Además, en estudios realizados por Hernández, et al (2015) y Romero, et al (2009) señalan que el

incremento del DQO es una singularidad normal que se presenta en los primeros días del

funcionamiento del humedal, al mismo tiempo en éste último estudio es más específico al aumento

del parámetro, pues indica que su incremento se debe principalmente al arrastre de raíces de la

planta que se esté utilizando o al desprendimiento de la biopelícula formada en los rizomas

(Hernández et al, 2015 y Romero et al, 2009).

Por lo tanto es de esperarse valores en aumento hasta que el sistema logre su estabilización, lo

cual se logra con un buen tiempo de funcionamiento.

Entonces usando los valores críticos iniciales de la tabla 13, los valores promedios de la tabla 33 y

usando la ecuación señala anteriormente, los porcentajes de remoción obtenidos son:

Color real: 87.36 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛

DQO: 55.82 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛

Además, de los valores mostrados en la tabla 33, también se puede considerar el cumplimiento de

la Norma TULSMA (2015), por lo tanto para los parámetros analizados se puede decir que hasta el

momento:

Color real: no cumple con la Norma TULSMA (2015)

DQO: cumple con la Norma TULSMA (2015)

143

Figura 52 Comparación del afluente y efluente a la salida de los humedales.

Fuente: Autor.


4.3.1.2 Resultados del efluente a la salida del tratamiento avanzado.

Luego del monitoreo, los resultados obtenidos del efluente de agua residual a la salida de los filtros

de zeolita son los resultados reales que tendrá la planta depuradora a escala real. Además es lo

que se esperaría que ocurra en cuanto al cumplimiento de la normativa vigente.

Así mismo, tal como se ha analizado los resultados en el punto anterior, se procede a realizarlo en

este punto. Con el tratamiento terciario se completa el ciclo de depuración del agua residual,

entonces, los resultados son los siguientes:

Tabla 42 : Resultados del monitoreo en el efluente a la salida del tratamiento avanzado.

PARÁMETRO UNIDAD RESULTADOS DEL ENSAYO

Color real PtCo 120

DQO mg/l 200

Fuente: Autor.


En este punto a la salida del efluente de los filtros de zeolita, de los resultados obtenidos resulta

que:

144

Los porcentajes de remoción son:

Color real: 79.66 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛

DQO: 57.89 % 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛

En cuanto al cumplimiento de la normativa para el vertido de las aguas hacia un cuerpo receptor,

resulta que:

Color real: no cumple con la normativa

DQO: cumple con la normativa.

Figura 53 Comparación del afluente y efluente a la salida de los filtros de zeolita.

Fuente: Autor.


145

CONCLUSIONES

1. Tratar de manera correcta las aguas residuales tiene que ser considerado como un aspecto

fundamental en cada población, pues de ello depende en gran medida la calidad del agua

que se utiliza para tener un desarrollo favorable.

2. El correcto diseño de la planta de tratamiento de aguas residuales responde a la buena

obtención de datos preliminares –obtención de muestras de agua residual, caracterización

física, química y microbiológica de las muestras- es por ello que se deben realizar siguiendo

estrictamente las normativas vigentes.

3. Según los resultados que se obtuvieron y que se muestran en el punto anterior, está

demostrado que la planta piloto a escala de laboratorio es necesaria construirla y

monitorearla con el fin de saber que la tecnología seleccionada para el tratamiento es la

correcta y así poder evitar riesgos de construcción y funcionamiento de una planta a escala

real.

4. La remoción teórica del Color Real una vez que el agua ha pasado por el tratamiento

biológico y el tratamiento avanzado es de 99.60% según las remociones obtenidas por

González (2016) y Márquez (2007), en los cuales los tiempos de retención hidráulica son

superiores a 50 horas; sin embargo en el monitoreo de la planta piloto a escala de

laboratorio, el porcentaje de remoción obtenido es de 87.36% con un tiempo de retención

mayor a 60 horas. La variación de los porcentajes de remoción es debido a la estabilidad

que presenta el sistema, pues como lo reporta González (2016), la eficiencia de remoción

mejora con el tiempo de funcionamiento una vez que el sistema haya logrado un grado de

estabilidad aceptable.

5. En cuanto a la DQO (Demanda Química de Oxígeno), la remoción teórica con la cual cumple

los límites permisibles por la TULSMA (2015) se logra una vez que el afluente haya pasado

por el sistema de humedales y cuya eficiencia es de 92.38%, siendo un valor similar a los

obtenidos por González (2016), Hernández (2015) y Romero (2009); los cuales obtuvieron

resultados por encima del 90% con tiempos de retención de hasta dos días considerando

que los mismos los obtuvieron con los sistemas estabilizados. En este trabajo, luego del

monitoreo de la planta piloto, el porcentaje de remoción obtenido en los primeros días de

funcionamiento es de 57.9%, valor que se encuentra cercano a los que obtienen los autores

antes mencionados en los primeros días de su monitoreo; y, una vez estabilizada la planta,

luego de dos semanas como promedio según los mismos autores, el porcentaje de remoción

aumenta considerablemente a 79.17%, lo que implica que los resultados obtenidos al final

146

del tratamiento cumple con las características que debería tener el efluente una vez

depurado para verter a un cuerpo de agua dulce, según la Norma TULSMA 2015.

147

RECOMENDACIONES

1. Considerar el diseño, construcción y monitoreo de las plantas piloto a escala de laboratorio

de tratamiento de aguas residuales como parte fundamental antes de poner en marcha un

proyecto a escala real.

2. Sugiero continuar esta investigación cambiando el material poroso, por ejemplo se podría

combinar los tratamientos propuestos y diseñados; es decir, en vez de que el humedal tenga

como medio poroso la arena gravosa, colocar la zeolita y determinar cuáles serían los

porcentajes de remoción que se obtendrán.

148

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157

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158

ANEXOS

159

A.1. Muestreos de agua residual.

Figura 54 Toma de muestras de agua residual.

Fuente: Autor.


160

Figura 55 Determinación de parámetros in situ.

Fuente: Autor.


161

Figura 56 Aforo de la descarga del agua residual.

Fuente: Autor.


162

A.2. Caracterización física, química y microbiológica del agua residual.

Figura 57 Determinación de aceites y grasas (caracterización física).

Fuente: Autor.


163

Figura 58 Determinación de sólidos disueltos (caracterización física).

Fuente: Autor.


164

Figura 59 Determinación de DQO (caracterización química).

Fuente: Autor.


165

Figura 60 Determinación de nitratos (caracterización química).

Fuente: Autor.


166

A.3. Construcción de la planta piloto.

Figura 61 Construcción del desarenador y desengrasador.

Fuente: Autor.


Figura 62 Construcción del desengrasador.

Fuente: Autor.


167

Figura 63 Construcción de estructuras metálicas para la planta piloto.

Fuente: Autor.


Figura 64 Montaje previo de la planta piloto.

Fuente: Autor.


168

Figura 65 Ensamblaje previo de la planta piloto.

Fuente: Autor.


Figura 66 Ensamblaje previo de la planta piloto.

Fuente: Autor.


169

A.4. Monitoreo de la planta piloto.

Figura 67 Instalación en el laboratorio de la planta piloto (1).

Fuente: Autor.


Figura 68 Instalación en el laboratorio de la planta piloto (2).

Fuente: Autor.


170

Figura 69 Material filtrante (grava) de los humedales.

Fuente: Autor.


Figura 70 Material filtrante (zeolita) de los filtros.

Fuente: Autor.


171

Figura 71 Humedales artificiales en funcionamiento.

Fuente: Autor.


Figura 72 Calidad del efluente a la salida de los humedales.

Fuente: Autor.


172

Figura 73 Calidad del efluente a la salida de los filtros de zeolita.

Fuente: Autor.


A.5. Planos de la planta de tratamiento de aguas residuales.

Ver documento: “PLANOS PTAR”.

A.6. Planos de la planta piloto de tratamiento de aguas residuales a escala de laboratorio.

Ver documento: “PLANOS PTAR-ESCALA LABORATORIO”.

universidad tÉcnica particular de lojadspace.utpl.edu.ec/bitstream/20.500.11962/22531/1/garrido...

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