301332-MODULO

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- 1 -UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIACONTENIDO DIDÁCTICO DEL CURSO: 301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA DE ALIMENTOS

301332 – TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

OSVALDO GUEVARA VELANDIA

(Director Nacional)

DUITAMA

Febrero de 2012




ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El módulo fue diseñado en el año 1996 por Ingenero Jose Humberto Guerrero R. e

impreso en los talleres gráficos de Unisur, para la Universidad Nacional Abierta y a Distancia.

El presente módulo ha tenido una actualización, desarrollada por el Ingeniero Osvaldo

Guevara Velandia en el 2007 quien ha sido tutor de la UNAD en el CEAD DUITAMA,

acreditado su contenido por el Ing. Jose Humberto Guerrero.




TABLA DE CONTENIDO

Pág.

Introducción

Unidad 1: conceptos fundamentales y sistemas de administracion del aguaIntroducción 8 Justificación 9Objetivos 10Contenido de la unidad 11Capitulo 1 . Origen e importancia del tratamiento de agua residual 12 Lección 1. Origen del agua residual 13Lección 2. Caracteristicas de las aguas residuales 20

Lección 3. Importancia del tratamiento del agua residual 25Lección 4. Muestreo y aforo de las aguas residuales 30Lección 5. Medida de caudal 34Autoevaluacion 1 40Capitulo 2 . Gestión del recurso hidrico y normatividad ambiental 42 Lección 6.Tecnicas para reducir las aguas residuales dentro de la planta 45Lección 7. Tecnicas para reciclar las aguas residuales no tratadas 46Lección 8. Recuperación de subproductos 47Lección 9. Técnicas para reutilizar el agua residual tratada 49Lección 10. Normatividad Ambiental 53

Autoevalción 2 58Capitulo 3 . Operaciones de pretratamiento y tratamiento primario del aguaresidual

59

Lección 11. Operaciones de pretratamiento 61Lección 12. Operaciones de tratamiento primario 64Lección 13. Flotación 68Lección 14. Filtración 70Lección 15. Transferencia de gases, coagulación, mezclado. 74Autoevaluación 3 84

Unidad 2: Tratamiento secundario y terciario del agua residualIntroducción 85

Justificación 86Objetivos 87Contenido de la unidad 88Capitulo 1 Tratamiento Biologico del agua residual 90Leccion 16. Microorganismos presentes en el agua residual 93Leccion 17. Otros tipos de microorganismos 93Lección 18. Metabolismo microbiano 96Leccion 19.Digesión Aerobia 99Lección 20. Digestion anaerobia 107




Autoevaluación 4 108Capitulo 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO 109Leccion 21. Procesos aerobios 109Leccion 22 Filtro percolador 118Lección 23. Procesos anaerobios 123

Leccion 24. Reactores de segunda generación 127Lección 25. Limitaciones asociadas con la digestion anaerobia 129Autoevaluación 5 130Capitulo 3 Tratamiento Terciario 131Leccion 26. Desinfeccion 132Leccion 27. Eliminacion de sustancias inorganicas disueltas 139Lección 28. Manejo y disposición de lodos 141Leccion 29. Criterios para la selección de los procesos de tratamiento 148Lección 30. Operaciones de la matriz de decisión 148Autoevaluación 6 150Bibliografia 151




LISTA DE FIGURASPág.

Figura 1 El Agua En La Industria De Alimentos 14

Figura 2 Posible Circuito De Empleo Del Agua En Una Planta Procesadora DeAlimentos

17

Figura 3 Diagrama De Flujo De Una Planta De Procesamiento de Aves 18

Figura 4 Composición De Los Sólidos En Las Aguas Residuales 21

Figura 5 Sitios De Muestro 31

Figura 6 Descarga Periodica Irregular 32

Figura 7 Descarga Periodica Regular 32

Figura 8 Descarga Continua 33

Figura 9 Descarga Irregular 34

Figura 10 Método Volumétrico Manual 35

Figura 11 Vertederos 36

Figura 12 Canal Parshall 37

Figura 13 Medicion Electromagnetica 39

Figura 14 Medicion Por Ultrasonido 40

Figura 15 Modelo Tradicional 43Figura 16 Modelo De Producción Limpia 43

Figura 17 Etapas En El Tratamiento Del Suero Líquido Para Su conservación 48

Figura 18 Estructura Del Derecho Ambiental Colombiano 54

Figura 19 Operaciones Y Procesos Unitarios Del Tratamiento de Agua Residual 61

Figura 20 Método Para Medir Velocidad De Sedimentación Floculante 67

Figura 21 Esquema De Las Zonas De Sedimentación Para Un Fango Activado 68

Figura 22 Representación Esquemática De La Transferencia Del Oxigeno En

Cuatro Pasos Desde La Fase Vapor A La Fase Solución.

75

Figura 23 Etapas Del Desarrollo Microbiano 92

Figura 24 Representación Esquemática Del Metabolismo Bacteriano 94

Figura 25 Representacion De La Digestion Anaerobia 96

Figura 26 Trasformaciones Del Nitrogeno En Los Procesos De TratamientoBiologico

97

Figura 27 Representacion De La Digestion Anaerobia 99

Figura 28 Balance Anaerobio De La Materia 100




Figura 29 Balance Aerobio De La Materia Organica 102

Figura 30 Etapas De La Digestión Anaerobia 104

Figura 31 Reduccion Biologica Del Sulfato 105

Figura 32 Sulfato Reducción En La Degradación De La Materia Orgánica 106

Figura 33 Reacción De Desnitrificación 107Figura 34 Acción De Bacterias Anaerobias Sobre El Tereftalato 110

Figura 35 Proceso De Lodos Activados 111

Figura 36 Esquema Proceso Convencional De Lodos Activados 115

Figura 37 Plantas De Tratamiento Con Lagunas Aireadas 117

Figura 38 Planta De Tratamiento Con Zanjón De Oxidación 119

Figura 39 Esquema De Película Biológica En Un Filtro Percolador 126

Figura 40 Tanque Septico Y Tanque Imhoff 127

Figura 41 Filtro Anaerobio Ascendente 128Figura 42 Sistema Uasb 129

Figura 43 Reactor De Lecho Fluidizado 136

Figura 44 Curva Generalizada Obtenida Durante La Cloracion Al Breakpoint 143

Figura 45 Flujo Para Manejo De Sólidos




LISTA DE TABLASPág.

Tabla 1 Niveles Máximos Permitidos En La Calidad Del Agua Potable 15

Tabla 2 Características Del Agua Utilizada En Algunas Industrias Alimenticias 16

Tabla 3 Volúmenes De Agua Empleados En La Industria 19

Tabla 4 Consumos Unitarios De Agua 20

Tabla 5 Contaminantes De Importancia En El Tratamiento Del Agua Residual. 26

Tabla 6 Características Principales De Las Aguas Residuales Provenientes DeCiertas Industrias De Alimentos. 27Tabla 7 Cargas Unitarias De Contaminación De Diferentes Empresas 28

Tabla 8 Beneficios Y Restricciones De La Politica De Produccion Limpia 44

Tabla 9 Posibles Aplicaciones Del Reciclado Del Agua Residual Industrial 47

Tabla 10 Composición Del Suero Dulce Y Del Suero Ácido 48

Tabla 11 Aplicación Para La Reutilización Del Agua Residual y PosiblesRestricciones.

49

Tabla 12 Tecnologías De Tratamiento Aplicables Para La Reutilización Del AguaResidual.

50

Tabla 13 Mecanismos De Eliminación Y Retención De Partículas 73Tabla 14 Solubilidades De Gases En El Agua Para Diferentes Temperaturas 77

Tabla 15 Tipos De Aireadores 78

Tabla 16 Productos Químicos Empleados En El Tratamiento Del Agua Residual 79

Tabla 17 Clasificaciones De Los Organismos 90

Tabla 18 Rangos Típicos De Temperatura Para Las Bacterias 91

Tabla 19 Relación Entre La Fracción De Organismos Nitrificantes Y La RelaciónDe Dbo/Nkt De Las Aguas Residuales

98

Tabla 20 Reacciones Bioquímicas En La Digestión Anaerobia De La MateriaOrgánica

103

Tabla 21 Características Principales De Los Filtros Percoladores 120

Tabla 22 Características Típicas De Los Discos Biológicos 123

Tabla 23 Características De Lodos 142




UNIDAD 1: CONCEPTOS FUNDAMENTALES YSISTEMAS DE ADMINISTRACION DELAGUA

INTRODUCCION

El Módulo TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES da a los estudiantes las herramientas

suficientes, los conceptos técnicos, tecnologías existentes y las tendencias actuales que lepermitan: comprender los efectos negativos ocasionados al medio por vertimientos líquidos;actuar y tomar decisiones para evitar, controlar, compensar o mitigar estos efectos; en buscade este objetivo el módulo se ha dividido en dos unidades.

La primera unidad establece la relación y origen del agua residual en una empresa dealimentos, presenta técnicas de aforo, los parámetros físicos, químicos y biológicos quepermiten al estudiante caracterizar el agua residual y emitir un concepto de calidad de agua;presenta adicionalmente, una recopilación de la normatividad ambiental vigente referente avertimientos líquidos y ejemplos de aplicación de la tasa retributiva, criterios de decisión yherramientas con las cuales el estudiante estima el costo económico por contaminaciónhídrica y plantea la necesidad de aplicar políticas de reducción, reuso y reciclaje de agua.Describe conceptualmente las diferentes etapas que componen el sistema de tratamiento deagua residual, en esta primera unidad profundiza en el pretratamiento y tratamiento primario.

La segunda unidad muestra los principios del tratamiento biológico o secundario del aguaresidual; éstos incluyen descripción del tipo de microorganismos, mecanismos de digestiónaerobia y anaerobia y tecnologías desarrolladas.Presenta las operaciones y procesos que conforman el tratamiento terciario o avanzado

enfatizando en la desinfección del efluente con compuestos clorados, por último incluye lasalternativas de disposición de los lodos generados en el tratamiento del agua residual.




JUSTIFICACIÓN

El ingeniero de Alimentos es responsable de la transformación de materias primas, delcontrol de los procesos y de la calidad de los productos, y por tanto de las emisiones,descargas y manejo de residuos líquidos, sólidos y gaseosos, y los efectos que estosprovocan sobre el medio ambiente.

El curso TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES busca que el Estudiante Unadista valorelos recursos naturales, plantee los efectos negativos del vertimiento de agua residual sobre elambiente, justifique técnica ambiental, económicamente las acciones que permitan disminuirestos vertimientos, y tome decisiones para el tratamiento y disposición final del agua, para locual, aplica los conocimientos en una situación particular e incorpora políticas de prevencióny emisión cero.

Antes que plantear un sistema de tratamiento de aguas residuales, se requiere evaluaralternativas para emisión cero como son: reuso, reciclaje y reutilización del agua; éste nuevoconcepto permite al Ingeniero de Alimentos, diseñar y evaluar métodos de aprovechamientodel agua, incorporar y adaptar equipos, optimizar sistemas de producción y mejorar de

productividad.




OBJETIVOS

GENERAL

Justificar a través de criterios técnicos, ecológicos, jurídicos, económicos la necesidad dedisminuir los efectos negativos producidos por las aguas residuales, implementando políticasde producción limpia y sistemas de tratamiento.

Generar criterios en el futuro profesional que le ayuden en una correcta toma de decisionespara la disposición final del agua utilizada.

ESPECIFICOS

a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual.b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual.c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidad del

agua residual.d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos.e. Presentar los efectos negativos que el agua residual produce en el medio ambiente.f. Dar criterios que permitan plantear alternativas de reducción de agua a través de

tecnologías limpias.g. Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua.




CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

CAPÍTULO 2. GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL

CAPITULO 3. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIO DELAGUA RESIDUAL




CAPITULO 1 : ORIGEN E IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION

El conocimiento del origen, volúmenes, características y los efectos de los residuos líquidossobre las fuentes receptoras le permitirán al futuro profesional y específicamente al Ingenierode Alimentos, tomar conciencia, replantear acciones y orientar esfuerzos encaminados a lasolución o remediación de este problema.

El capitulo esta dividido en cinco lecciones:

Primera Lección. Origen de las aguas residuales: Es estudiante determina mediante elanálisis de diferentes procesos industriales, las fuentes de agua residual, y a través deanálisis de información y datos de estadísticas de vertimientos de diferentes empresasestablece las industrias de mayor generación de desechos líquidos.

Segunda lección: Características del agua residual: Los diferentes parámetros físicoquímicos, y microbiológicos del agua residual son los indicadores de calidad del agua, elconocimiento y correcta interpretación de estos, son elementos fundamentales para unaacertada decisión sobre su tratamiento y disposición. Cada uno de los parámetrosanalizados trae consecuencias al entorno, el estudiante relacionara cada parámetro con elrespectivo efecto, esto permitirá complementar el concepto emitido en la primera lección, decual o cuales industrias son las que generan mas residuos líquidos, afirmando cual o cualesindustrias son las mas contaminantes.

Tercera lección: Técnicas de Muestreo y aforo: Una vez identificados los puntos de origendel agua residual se requiere conocer las condiciones y sistemas de aforo que se puedenemplear permitiéndole al estudiante seleccionar para cada caso en particular el masadecuado.

OBJETIVOS

GENERAL

Argumentar técnicamente la necesidad de implementar sistemas de reducción de agua ytratamiento de agua residual.




ESPECIFICOS

a. Determinar en un proceso industrial las operaciones que generan agua residual.b. Establecer los sitios y métodos de aforo de las descargas de agua residual.

c. Describir los parámetros físicos, químicos y microbiológicos que determinan la calidaddel agua residual.d. Comparar la composición de las aguas residuales de diferentes empresas de alimentos.e. Relacionar los principales efectos de cada parámetro sobre el medio ambiente.

LECCION 1. ORIGEN DEL AGUA RESIDUAL

El agua es el recurso natural mas abundante, cubre mas de 3/5 de la superficie del mundo,

esta se encuentra en continuo movimiento realizando el reciclo natural o ciclo hidrológico,este incluye la evaporación del agua de los océanos principalmente, ocasionada por el calorsolar, su posterior condensación a gran altitud formando nubes de lluvia de las que llueve,nieva o graniza, esta agua se deposita en estanques o lagos, luego se filtra a la tierra, y correpor arroyos para finalmente volver al mar.

El agua es considerado el mejor solvente, debido a esto el agua absolutamente pura noexiste en estado natural, durante la precipitación el agua absorbe gases atmosféricos comodióxido de carbono, confiriéndole una característica ácida, posteriormente en el proceso defiltrado puede disolver materiales ácidos o alcalinos, cuando el agua pasa por el suelo y porrocas pueden disolver minerales, de esta forma entre mas profunda sea la filtración del agua,mayor cantidad de minerales en ella. Estos minerales están compuestos principalmente porcalcio y magnesio, de los cuales la sal alcalina en forma de bicarbonato es su mayorelemento.

En grandes cuerpos de agua superficial, tales como lagos, el agua no recoge minerales, sinembargo se lleva a cabo una gran actividad biológica. Suficiente material nutritivo seencuentra en el agua, el cual en conjunto con el dióxido de carbono y la luz solar permiten eldesarrollo y crecimiento de varias formas de organismos microbiológicos y plantas, que a suvez constituyen en alimento a peces y otros animales.

La disponibilidad del recurso, junto con su calidad se constituyen en parámetros críticos parael establecimiento y desarrollo de las empresas, características físicas , como pH, olor, sabor,color, turbiedad entre otros, y, químicas medidas en concentraciones de diferentescompuestos o elementos como calcio, magnesio, hierro, sulfatos cloruros, nitritos ymicrobiológicas que incluyen la determinación de hongos, bacterias protozoos y algas,determinan la calidad del agua.

La figura 1 muestra las diferentes operaciones que involucran agua en la industria dealimentos, esta puede ser dividida en tres categorías: Agua de proceso, Agua deenfriamiento y agua de alimentación de las calderas.




Entre los usos del agua de proceso están: el lavado de materias primas y del equipo deproceso; el transporte de productos de una a otra área de proceso; la disolución o laextracción; y la adición al producto terminado.

El agua de enfriamiento puede usarse para operar equipo de refrigeración (intercambiadoresde calor), para condensar vapor generado en evaporadores.

El agua de alimentación a las calderas requiere un tratamiento especial para disminuir lasconcentraciones de carbonato de calcio, fosfato de calcio, hidróxido de magnesio, óxidos dehierro entre otros, los cuales precipitan sobre la superficie , causando incrustación, afectandonotablemente la transferencia de calor, y el tiempo de vida útil de la caldera; se acostumbra aadicionar sustancias que solubilizan este tipo de sales, sin embargo si el vapor formado tienecontacto directo con el alimento (operaciones de escaldado) debe ser reevaluada la adiciónde este tipo de productos.

De acuerdo al uso, el agua debe cumplir con unas condiciones mínimas de calidad, quegaranticen la calidad del producto y el buen funcionamiento de equipos.En la tabla No 1 se relacionan las condiciones que debe cumplir el agua para serconsiderada potable, de acuerdo con la reglamentación emitida por el Ministerio de salud,Decreto 475 /1998, en la tabla No. 2 se relaciona las características del agua para otro tipode usos.

H2O

Deshidratación

Enfriamiento Limpieza

Ebullición Acondicionamientode materiales

LiofilizaciónConversión

materia prima

FIGURA No. 1 EL AGUA EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS




TABLA No. 1 NIVELES MÁXIMOS PERMITIDOS EN LA CALIDAD DEL AGUAPOTABLE

CARACTERISTICAS VALORESIDEAL MAXIMO

Físicas

Color, unidades en la escala platino-cobaltoOlor y saborTurbiedad, (UNT)Sólidos totales (mg/L)

5Inobjetable1200

20

5500

QuímicasArsénicoBarioBoroCadmioCalcioCianuroCincClorurosCobreCromo hexavalenteDureza totalFenoles (Ar-OH)FlúorHierro totalMagnesioManganeso

MercurioNitratosNitritosPlomoSulfato de alcohilbencenoSelenioSulfatos

Expresada comoAsBaBCdCaCNZnClCuCrCaCO3 FenolFFeMgMnHgNO3

NO2 PbABSSe2 SO4

mg/dm3

0,011,001,000,00575,000,2010250,001,000,0530-1500,001*0,336,000,10,00145,00,10,050,50,01250,00

Fuente: Ministerio de Salud, Decreto 475 de 1998.

Las empresas de alimentos es quizás una de los sectores industriales mas exigentes encalidad de agua, ya se mencionó que este puede ser un insumo por tal motivo lascaracterísticas de la misma influyen directamente en el producto. En la industria de bebidasgasificadas (el agua constituye el 90 % del producto), los minerales del agua puedenneutralizar los ácidos en la bebida y producir un mal sabor; la presencia de turbidez, durezay alcalinidad elevadas afectan la carbonatación (absorción de CO2), generando sobre costosde operación al ser necesario aumentar presión y disminuir temperatura de operación en elequipo de absorción.




En la industria de frutas y verduras una excesiva dureza del agua, altera las característicassensoriales de los productos endureciéndolos principalmente.

Las condiciones del agua para las calderas y equipos de transferencia de calor exige un

análisis independiente y unas condiciones especiales; no es aconsejable utilizar agua deconsumo humano (potable) para la alimentación de estos equipos, debido a la presenciaelevada de sales disueltas principalmente de fosfato de calcio, carbonato de calcio, silicatode magnesio, dióxido de magnesio entre otras. Cada sal tiene una solubilidad definida enagua, y se precipitará cuando esta sea excedida. Si el agua esta en contacto con unasuperficie caliente y la solubilidad es menor a mayores temperaturas para estas sales, seformará un precipitado sobre la superficie, causando incrustación, y disminuyendonotoriamente la transferencia de calor.

TABLA No. 2 CARACTERÍSTICAS DEL AGUA UTILIZADA EN ALGUNAS

INDUSTRIAS ALIMENTICIASCARACTERISTICAS CONSERVAS

DE FRUTASBIBIDASSUAVES

CALDERAS MEDIAPOTENCIA

Color (ppm.)Alcalinidad (CaCO3)Cloruros (mg/L)Dureza (mg/L)Hierro (mg/L)Manganeso (mg/L)Nitratos (mg/L)

pHSulfatos (mg/L)Sólidos totales disueltos (mg/L)Sólidos suspendidosSiO2 (mg/L)Calcio (mg/L)

5,02502502500,20,2

10,085

0,30,0510

6,5 – 8,52505001050

100

150 – 250

802 – 5

9,5 – 10,530 – 40750 – 2000

50

Fuente: Guerrero Rodríguez, José Humberto, Tratamiento de Aguas Residuales, Santafé deBogotá, 1996. Pág. 216

Es claro que a través del paso por los diferentes procesos, la calidad del agua es alterada, elconocimiento de las operaciones de proceso en una planta de alimentos permite comprenderel uso del agua, las características requeridas en cada operación y los posibles cambios dela misma. La figura 2 se presenta el circuito general del agua en una empresa de alimentos, yla figura 3 aplicado a una empresa procesadora de aves.




En el proceso de sacrificio se muestran las diferentes etapas donde se originan aguasresiduales:

Las operaciones de lavado son en términos generales las responsables en mayor medida deesta alteración, así en la industria de bebidas además de ser parte del producto el agua seemplea en el enjuague de equipos a los cuales previamente se han aplicado detergentes ybiocidas, estas sustancias pueden ser fuertemente alcalinas o ácidas, solubles o insolublesen agua, y, para alimentar calderas cuyo vapor es usado para cocimiento, pasterización ycalefacción de las soluciones de lavado de botellas.En la industria de frutas y verduras el agua es el medio tradicional de transporte, permitiendoadicionalmente el primer lavado y enfriamiento, posterior al lavado las frutas y verduras sonpeladas empleando vapor o soluciones cáusticas, desde luego estas soluciones y losresiduos generados en cada proceso terminan formando parte del agua, inicialmente potabley en este punto residual.

Alcantarillado

VAPOR DESINFECCION

LAVADO DE MATERIA PRIMA

RECOLECCION

AGUA USADA

ENFRIAMIENTO

LIMPIEZA DE LA PLANTA

LIMPIEZA DE EQUIPOS

SERVICIOS PUBLICOS

PLANTA DE

TRATAMIENTO

Agua Residual

PROCESO

FIGURA No. 2 POSIBLE CIRCUITO DE EMPLEO DEL AGUA EN UNA PLANTAPROCESADORA DE ALIMENTOS




DRENAJE

PLUMAS

PASO DE

SANGRE

JAULAS TRANSPORTADORASEN CAMION

JAULASVACIAS

a. AREA DERECEPCION

b. ESTACION DEMATANZA

d. ESCALDADO

e. DESPLUMADO

g. LAVADO DELAVE COMPLETA

h. REMOCION DEVISCERAS

k. REFRIGERACION

l. CLASIFICACION,PESADA, EMPAQUE

c. RECUPERACIONDE SANGRE

f. RECUPERACIONDE PLUMAS

j. RECUPERACIONDE MENUDENCIAS

RECOLECCION Y CONTROLDEL AGUA DE DESECHO

FINAL

PLUMAS

MENUDENCIAS

CAMIONES REFRIGERADOSDE ENTREGA

PRODUCTO

SUBPRODUCTO

AGUA POTABLE

AGUA DE PROCESO

AGUA DE DESECHO

FIGURA No. 3 DIAGRAMA DE FLUJO DE UNA PLANTA DE PROCESAMIENTODE AVES

AGUAPOTABLE




Hasta el momento se han mencionado las condiciones del agua, pero tan importante comosu calidad es el consumo, medido en metros cúbicos de agua por tonelada de producto(m3 /t), o metros cúbicos utilizados por día (m3 /d), siendo estos, indicadores de productividad.En la tabla 3 y 4 se encuentran relacionados para diferentes tipos de empresas, de ellas se

deduce que las industrias procesadoras de alimentos son unas de las mayores consumidorasde agua, después de la industria petroquímica, productoras de acero, papel y textiles.

TABLA No. 3 VOLÚMENES DE AGUA EMPLEADOS EN LA INDUSTRIAAGRUPACIÓN VOLUMEN DE AGUA

UTILIZADA (m3/d)a. Bienes de consumo no duraderos

Alimentos

Bebidas

TabacoTextilesVestuarioCuerosCalzadoMueblesImprentas y editorialesProductos farmacéuticosObjetos barro, loza y porcelanaDiversos

134,5126,593,3

277,198,9219,839,326,7-103,9--

b. Bienes intermedios

Maderas y corchoPapelIndustrias químicasProductos químicosRefinerías de petróleoProductos de petróleoProductos de cauchoProductos plásticosVidrio y sus productosProductos minerales no metálicosIndustrias básicas de hierro y acero

Industria básica no ferrosa

32,5162,1318,4139,2553,855,0191,863,3372,3106,8273,8

156,6c. Industria metalmecánicaProductos metálicosMaquinaría no eléctricaMaquinaria eléctricaMaterial de TransporteFabricación equipo profesional

45,636,384,0111,056,0

Fuente: Rizo, Guillermo. Sistemas Ecológicos y Medio Ambiente. Santafé de Bogotá, 1998.Pág. 238




TABLA No. 4 CONSUMOS UNITARIOS DE AGUA

ACTIVIDAD m3/tProducción de papeles varios 120,0

Producción de arrabio por reducción mineral de hierropor coquización y alto horno.

120,0

Producción de acero por proceso semi-integral u hornoeléctrico con separación manual de chatarra.

77,4

Producción de artículos de acero, laminado en calientecon cizallamiento, horno eléctrico y proceso semi-integral

29,9

Producción de alcohol etílico por fermentacióndiscontinua de melaza y destilación multietapa.

20,6

Matanza de aves con degüelle manual e

insensibilización, evisceración y empaque mecánicos.

12,5

Producción de pulpa química al sulfato (Kraft)blanqueada con sistema de recuperación química.

100,0

Producción de cuero curtido al mineral, con depiladoquímico, secado al vacío y pintado mecánico.

48,4

Producción de Cerveza 9,0 – 11,5Elaboración de Pan 2,0 – 3,5Embalaje de la carne 13,5 – 18,0Productos Lácteos 9,0 – 18,0

Producción de Whisky 54,5 – 7,3Fuente. IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología enla Industria Colombiana, 2000. Pág. 511

Si las aguas residuales de las diferentes empresas son vertidas a una fuente receptora(inicialmente fuente de abastecimiento de agua de proceso), las características físicas,químicas y biológicas de esta son drásticamente modificados (contaminación), y puedenprovocar la muerte de las especies y alterar sustancialmente el ecosistema.

LECCION 2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES

Una vez identificado el origen de las aguas residuales, el siguiente paso es caracterizar cadacorriente, entendiéndose caracterización como la operación de determinar tipo decontaminantes, flujo, frecuencia de vertimiento y sitio de descarga.

A continuación se describen los principales parámetros físicos, químicos y biológicos quepermiten valorar la calidad del agua y su efecto contaminante.




2. PARAMETROS FISICOQUIMICOS

2.1. Sólidos: Los sólidos que se presentan en el agua residual pueden ser de tipo orgánicoy/o inorgánico y provienen de las diferentes actividades industriales. Los sólidos se clasifican

como: sólidos totales, sólidos en suspensión, sólidos totales disueltos, sólidos totalesvolátiles y sólidos volátiles en suspensión. En la figura 4 se relaciona esta clasificación.

Los sólidos totales se obtienen después de evaporar y secar una muestra de agua; sesubdividen en sólidos disueltos y sólidos suspendidos; éstos últimos se obtienen por mediodel proceso de filtración.

El contenido de sólidos de un agua afecta directamente la cantidad de lodos que se produceen el sistema de tratamiento o disposición. Se considera como sólidos totales de un agua elresiduo de la evaporación y secado a 103 – 105 ºC.

SÓLIDOSVOLATILES50 %

SÓLIDOSFIJOS10 %


SÓLIDOSFIJOS20 %

SÓLIDOS

SEDIMENTABLESY SUSPENDIDOS 60 %

SÓLIDOSDISUELTOS40 %

SÓLIDOSTOTALES100 %

SÓLIDOS

VOLATILES70 %

SÓLIDOSFIJOS30 %


FIGURA No. 4 COMPOSICIÓN DE LOS SÓLIDOS EN LAS AGUAS RESIDUALES


SÓLIDOSFIJOS10 %


SÓLIDOSFIJOS20 %

SÓLIDOS

SEDIMENTABLESY SUSPENDIDOS 60 %

SÓLIDOSDISUELTOS40 %


SÓLIDOS

VOLATILES70 %

SÓLIDOSFIJOS30 %

S LIDOSTOTALES100 %

FIGURA No. 4 COMPOSICIÓN DE LOS SÓLIDOS EN LAS AGUAS RESIDUALES




Los sólidos sedimentables son una medida del volumen de sólidos asentados al fondo de uncono imhoff, en un período de una hora, y representan la cantidad de lodo removible porsedimentación simple; se expresan comúnmente en mg/L.

Los sólidos disueltos representan el material soluble y coloidal, el cual requiere usualmente

para su remoción, oxidación biológica o coagulación y sedimentación. Los sólidossuspendidos o no disueltos constituyen la diferencia entre los sólidos totales de la muestrano filtrada y los sólidos de la muestra filtrada

Los sólidos volátiles son, básicamente, la fracción orgánica de los sólidos o porción de lossólidos que se volatilizan a temperaturas de 550 -conoce como sólidos fijos y constituye la porción inorgánica o mineral de los sólidos.En el tratamiento biológico de las aguas residuales se recomienda un límite de sólidosdisuelto de 16000 mg/L.

2.2. Temperatura. La temperatura constituye uno de los más frecuentes agentes

contaminantes, ya que su efecto es inmediato sobre el punto de descarga del efluente ydependiendo de que tan extrema sea, su acción puede demorar mucho tiempo enminimizarse.

Una descarga no contaminante térmicamente debe tener una temperatura no mayor de 25°C.

2.3 turbidez. Es la medida de la reducción de la intensidad de la luz que pasa a través de lamuestra por efecto de la materia suspendida y coloidal. La turbidez puede ser causada pormaterial finamente dividido en suspensión, como arcilla, sílice, materia orgánica, sustanciamineral y en general material causada por desechos industriales y domésticos.

El control de la turbidez es importante porque esta ocasiona problemas para la filtración ypara la desinfección del agua.

2.4. Color. Es producido por sustancias disueltas y por partículas coloidales. Es precisoestablecer la diferencia entre dos tipos de color, como son el aparente y el real. El aparenteinvolucra la turbiedad, no así el color real

2.5. DQO. La Demanda Química de Oxigeno es la medida del equivalente de oxigeno delcontenido de materia orgánica susceptible de oxidación por medio de un agente químicooxidante fuerte.

En otros términos, es la cantidad de oxigeno que requiere el agua para descomponer toda lamateria orgánica que contiene. Se utiliza además como parámetros de referencia para laspruebas de DBO.

Este parámetro requiere de unas condiciones de análisis específicas, un tiempo mínimo dereacción de dos horas y una serie de sustancias analíticas específicas, como:

Dicromato de potasio y ácido sulfúrico, como agentes oxidantes. Ferroina, como sustancia indicadora Sulfato de plata/mercurio para destruir los compuestos alifáticos lineales




Ácido sulfámico para eliminar la interferencia debida a los nitratos Amonio y hierro sulfato, solución valorante

2.6. DBO. A semejanza de su predecesor, la Demanda Bioquímica de Oxigeno es unaprueba empírica que cuantifica la cantidad de oxigeno requerido para que las sustancias

biodegradables presentes en el agua sean destruidas, durante un tiempo de incubación.Esta prueba requiere de pruebas de laboratorio, con tratamiento químico especial para ciertotipo de interferencias:

Neutralización para eliminar interferencia de ácidos o bases. Aireación y reposo para eliminar presencia de cloro. Tratamiento específico para muestras tóxicas que contengan metales como plomo, plata o

cromo. Calentamiento y agitación para eliminar la sobresaturación de oxigeno.

La DBO y la DQO constituyen las pruebas más representativas del análisis de aguasresiduales.

2.7 Carbono Orgánico Total (C.O.T.): Es una medida más directa que la DBO en ladeterminación de la cantidad de materia orgánica carbonácea en el agua. Se basa en laoxidación de la materia orgánica a dióxido de carbono (CO2); éste es arrastrado por unacorriente de oxígeno a un analizador de rayos infrarrojos donde se mide la cantidad dedióxido de carbono que existe en la muestra. Generalmente el nivel del C.O.T. está pordebajo de la concentración real de contaminantes orgánicos.

2.8. Oxigeno Disuelto. Esta medida permite determinar la actividad físico-química ymicrobiológica de un sistema acuoso; su ausencia o bajo nivel se interpreta como un factordeterminante del grado de contaminación del agua.

Debido a que se trata de un valor que se transforma y modifica constantemente, solo tienesentido si se reporta como prueba de campo, en el lugar mismo donde se toma la muestra.

2.9 pH. El valor de pH o potencial de Hidrógeno es una medida fundamental enprácticamente todas las etapas de un proceso de tratamiento de aguas (neutralización,suavización, coagulación, desinfección y control de corrosión).Es, como la anterior, una prueba de campo por excelencia, que se recomienda determinarlapor medio de un pH-metro con escala mínima de 0,1 de graduación.Cuando se precisa medir niveles de pH inferiores a 1 es necesario utilizar un electrodo demembrana líquida, mientras que para niveles superiores a 10 se recomienda un electrodocon “bajo error de sodio”.

2.10 Amonio. El amonio, como los demás componentes del ciclo de Nitrógeno, sobre los quehablaremos a continuación, representa una medida de carga orgánica presente en el agua.Existen métodos convencionales de laboratorio para su cuantificación, pero cada día tomanmás fuerza métodos rápidos como el de electrodo selectivo o colorimetría de campo.




2.11 Nitrito. Los nitritos son los principales indicadores de contaminación pordescomposición orgánica en el agua. Su presencia constituye un factor de riesgo para lasalud ya que inducen la enfermedad de hemoglobinemia, principalmente en la poblacióninfantil.

2.12. Nitrato. La presencia de cantidades excesivas de nitrato en el agua constituye un factorde riesgo para la salud debido a que éstos se reducen con facilidad a nitratos agentes tóxicosya descritos.

2.13. Dureza. La dureza se entiende en el agua como el contenido de metalesalcalinotérreos, especialmente Calcio y Magnesio. Su importancia está concentrada en elhecho de que estos metales inhiben la acción de algunos agentes de tratamiento, impidiendoque el proceso de depuración de las aguas se lleve a cabo de manera apropiada.

2.14 Cloruros. El ión cloruro es abundante en las aguas naturales y aún más en lasresiduales. Su presencia en cantidades altas conlleva a procesos de corrosión e inhibe el

crecimiento vegetal.2.15 Sulfatos. Los sulfatos se encuentran ampliamente diseminados en las aguas naturales.Su cuantificación es importante debido a que ejercen acción catalítica sobre los procesos dedegradación de otras sustancias.

2.16 Manganeso. El manganeso, agente común de las aguas potables y residuales, provocanormalmente manchas indeseables en las instalaciones de tratamiento y constituye unagente oxidante fuerte en algunos de sus estados comunes de valencia.

2.17 Hierro. Como en el caso anterior, el hierro es un agente de manchado frecuente,responsable en gran medida de color de agua, Su estado común es como ión ferroso, que semantiene en equilibrio y con gran facilidad pasa al estado férrico, en el cual normalmente sedetermina.

2.18 Grasas y Aceites. El contenido de grasas y aceites en los residuos domésticos, enalgunos residuos industriales y en los lodos se debe considerar para su manipulación ytratamiento hasta la disposición final. Al aceite y la grasa se les concede especial atenciónpor su escasa solubilidad en el agua y su tendencia a separarse de la fase acuosa. A pesarde que estas características son una ventaja para facilitar la separación del aceite y la grasamediante el uso de trampas de grasa o unidades de flotación, su presencia complica eltransporte de los residuos por las tuberías, su eliminación en unidades de tratamientobiológico y su disposición en las aguas receptoras.

Los residuos de la industria del empaque de carnes, especialmente mataderos, disminuyenseveramente la capacidad de transporte de las alcantarillas; estas situaciones han servidocomo base para establecer normas y reglamentos que controlan la descarga de losmateriales grasos a los sistemas de alcantarillado o a las aguas receptoras, y han obligado alas instalaciones de equipo de tratamiento en muchas industrias para recuperar la grasa o elaceite antes de que se autorice el desagüe.




Las grasas y aceites han generado muchos problemas en el tratamiento de residuos. Muypocas plantas tienen la posibilidad de separar estos materiales para su disposición en lossistemas de recolección de grasa o en los incineradores; en consecuencia, el residuo que sesepara en forma de nata en los tanques de sedimentación primaria, normalmente estransferido a las unidades de disposición junto con los sólidos sedimentados. En los tanques

de digestión de lodos, los aceites y grasas tienden a separarse y a flotar en la superficie paraformar densas capas de natas, debido a su escasa solubilidad en el agua y a su bajo pesoespecífico. Los problemas de estas capas son especialmente graves cuando los residuos dealto contenido en grasa llegan al alcantarillado público, por ejemplo, los del empaque decarnes y los de las industrias de grasas y aceites. La filtración al vacío del lodo también secomplica por su alto contenido graso.

En términos generales el componente orgánico de las muestras de aguas residuales esestimado mediante las demandas de oxigeno como : la Demanda Bioquímica de Oxígeno(DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO), ocon la determinación de Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas

residuales, de acuerdo con la industria es necesario el análisis de otros compuestosorgánicos como son ácidos orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceitesespecíficamente en la industria petroquímica.

La caracterización inorgánica debe incluir pruebas que suministren información sobre latoxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados y amoníaco), loscontaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o alcalinidad, pH ysólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y sustanciasinterferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos)

LECCION 3. PARAMETROS BACTERIOLOGICOS: Los organismos mas comúnmenteempleados como indicadores son las bacterias coliformes e incluyen los géneros Escherichiay Aerobacter. Las concentraciones de bacterias coliformes suelen expresarse como Númeromás probable (NMP) por cada 100 mL; esto quiere decir que nos es la concentraciónabsoluta, sino una estimación estadística de la misma.

Es común encontrar análisis de agua relacionando Coliformes totales y coliformes fecales (E.coli), la determinación de E. coli es importante porque estas bacterias son patógenas y por talmotivo responsables de muertes y enfermedades principalmente del aparato intestinal, suorigen son las heces de humanos y animales principalmente.

3.1. IMPORTANCIA DEL TRATAMIENTO DEL AGUA RESIDUAL

Los parámetros anteriores de acuerdo a su concentración producen efectos negativos sobreel medio receptor, conocer las alteraciones y consecuencias, permite definir los principalesparámetros a controlar y el diseño del sistema de tratamiento.

En la tabla 5 se presenta un resumen de los efectos y la importancia de estos parámetros.




TABLA No. 5. CONTAMINANTES DE IMPORTANCIA EN EL TRATAMIENTO DELAGUA RESIDUAL.

CONTAMINANTES RAZÓN DE LA IMPORTANCIASólidos en suspensión

M. O. Biodegradable

Patógenos

Nutrientes

M.O. Refractaria

Metales Pesados

Sólidos inorgánicosdisueltos

Pueden conducir al desarrollo de depósitos de fangoy de condiciones anaerobias cuando se vierte agua

residual sin tratar al entorno acuático.Compuesta principalmente por proteínas,carbohidratos, grasas animales. La materia orgánicase mide, la mayoría de las veces, en términos deDBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno) y DQO(Demanda Química de Oxígeno). Si se descargan alentorno sin tratar, su estabilización biológica puedellevar al agotamiento de los recursos naturales deoxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas.Los presentes en el agua residual pueden transmitirenfermedades infecto contagiosas.

Tanto el Nitrógeno como el Fósforo, junto con elcarbono, son nutrientes esenciales para elcrecimiento.Cuando se vierten en el entorno acuático, estosnutrientes pueden favorecer el crecimiento de unavida acuática no deseada (eutrofización).Cuando se vierten en el terreno en cantidadesexcesivas, también pueden ocasionar lacontaminación del agua subterránea.Tiende a resistir los métodos convencionales detratamiento. Ej: agentes termoáctivos, fenoles y

pesticidas agrícolas.Son añadidos frecuentemente al agua residual en elcurso de ciertas actividades comerciales eindustriales,y puede que deban ser eliminados si se va a reutilizarel agua residual.Los constituyentes inorgánicos tales como el calcio,sodio y los sulfatos se añaden al agua de suministrocomo resultado del uso del agua y puede que debaneliminarse si se va a reutilizar el agua residual.

Fuente: Metcalf Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tratamiento vertido y reutilización.

1.996. Pág. 56




3.2. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES PROCEDENTES DE EMPRESASDE ALIMENTOS

La procedencia y uso del agua en la industria define las características del agua residual, enel primer capitulo se ha mencionado que las operaciones de lavado son las que mas generan

agua residual, sin embargo no es la única operación.En la industria láctea el agua residual proviene, además de las operaciones de lavado, de

equipos de esterilización y enfriamiento. Las características principales son una alta DBO,bajo contenido de sólidos Suspendidos Totales (SST), y pH ácido producto de las reaccionesde fermentación de la lactosa presente en el suero, leche en proceso, mantequilla (derramesocasionales).

En la industria de conservas de frutas y hortalizas los vertidos contiene gran cantidad desólidos suspendidos (operaciones de lavado de materia prima, trozos de fruta y hortaliza quecaen al piso) y materia orgánica disuelta (agua de escaldado, de pelado).

La tabla No. 6 relaciona el origen y características de aguas residuales de algunas empresasde alimentos.

TABLA No. 6 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS AGUAS RESIDUALESPROVENIENTES DE CIERTAS INDUSTRIAS DE ALIMENTOS.

INDUSTRIA ORIGEN DE LOS VERTIDOSMAS IMPORTANTES

CARACTERISTICAS MASIMPORTANTES

Alimentosenlatados

Preparación, selección, extraccióndel jugo y tratamiento de las frutasvegetales.

Gran contenido de sólidossuspendidos, materia orgánicadisuelta y coloidal.

Productos dela leche

Dilución de la leche. Lecheconcentrada. Mantequilla y suero.

Alto contenido en materiaorgánica disuelta,principalmente proteínas,grasas y lactosa.

Bebidasfermentadas ydestiladas

Maceración y prensado de grano,residuo de la destilación delalcohol, condensado de laevaporación de restos.

Gran contenido de sólidosorgánicos disueltos quecontienen nitrógeno y almidonesfermentados o subproductos.

Productos decarne y pollo

Limpieza de Corrales, sacrificio deanimales, aprovechamiento de

huesos y grasas, residuos de loscondensadores, grasas y agua delavado, desperdicio de los pollos.

Gran contenido de materiaorgánica disuelta y en

suspensión, sangre, proteína ygrasa.

Estabulaciónde animales

Excrementos Gran contenido de materiaorgánica, DBO.

Azúcar deremolacha

Aguas de transporte, tamizado yextracción. Drenaje de los lodoscálcicos, condensado delevaporador, jugo y azúcar

Gran contenido de materialdisuelto y en suspensión.Azúcar y proteína.




extraída.Levaduras Residuos de filtración de

levaduras.Alto contenido de sólidosprincipalmente orgánicos yDBO.

Conservas en

medio ácido

Agua con calcio, salmuera,

alumbre y ácido turmérico,siropes. Semillas y trozos depepino.

pH variable, alto contenido de

sólidos suspendidos, color ymateria orgánica.

Café Despulpado y fermentación delgrano de café.

Alto DBO y de sólidossuspendidos.

Pesca Desechos de la centrífuga, pescaprensada, evaporación y otrasaguas de lavado

Muy alto DBO, sólidos totales yorgánicos y olor.

Arroz Remojo, cocido y lavado de arroz. Alto DBO, sólidos totales y ensuspensión, principalmente

almidón.Bebidassuaves

Lavado de botellas, limpieza delsuelo y equipos, drenaje de lostanques de almacenamiento delos jarabes.

Alto pH, sólidos en suspensióny DBO.

Panadería Lavado y engrasado de depósitos,lavado de suelos.

DBO alto, grasas, lavados desuelos, azúcares, harina,detergentes.

Producción deagua

Lavado de filtros, lodos con calcio,carbonatos, salmueras, lodos consulfatos.

Sólidos minerales y ensuspensión.

Fuente: José Humberto Guerrero Rodríguez. Tratamiento de aguas Residuales. UNISUR,Santafé de Bogotá, 1996. Pág. 223-224

En términos generales si bien hay variaciones en la composición del agua residual de lasindustrias de alimentos, sus afluentes se caracterizan por una alta demanda bioquímica deoxígeno y de sólidos suspendidos totales.

La tabla No 7 permite comparar los vertimientos de algunas empresas de alimentos con otrotipo de actividades, en ella se presenta la relación DQO / DBO, que es un indicador de gran

importancia y permite:a. Identificar del total de la carga orgánica que porcentaje es biodegradable; si la relación

DQO/DBO es menor como en las industrias de alimentos comparado con industrias delcuero y papel, significa por tanto que el vertimiento es fácil de tratar biológicamente.

b. Estimar la Demanda Bioquímica de Oxígeno (D.B.O) a partir del análisis del D.Q.O. esteúltimo requiere un tiempo de 2 horas para su determinación, comparado con 5 díasnecesarios para el D.B.O.




Ejemplo de Aplicación : Para la industria de bebidas no alcohólicas se determinó la DQO =650 mg/L, con base en este dato, estimar la DBO y el porcentaje de materia orgánicabiodegradable.

Con la información de la tabla No 7 se encuentra, que para este tipo de industrias la relación

DQO/DBO = 2,11, por tantoDBO = DQO / 2,11DBO = 650 / 2,11 = 308,05 mg/L.

El porcentaje de materia biodegradables será: (DBO/DQO) *100= 308,05/650 *100= 47,39 %

TABLA No. 7 CARGAS UNITARIAS DE CONTAMINACIÓN DE DIFERENTES EMPRESASACTIVIDAD DBO

(kg/t)DQO(kg/t)

KgDQO/kgDBO SST(kg/t)

Extracción de aceite vegetal por prensadocon rectificación. 188,0 307,0 1,63 135,0

Producción de cuero curtido al mineral,con depilado químico secado al vacío ypintado mecánico.

60,0 175,0 2,91 90,0

Producción de caramelos por coccióninstantánea, mezclado manual y cámarade enfriamiento rápido.

41,2 78,1 1,89 2,1

Matanza de ganado mayor con elevaciónmecánica, refrigeración, procesamiento de

sangre y sin limpieza de vísceras.

23,2 48,5 2,09 15,7

Matanza de aves con degüelle manual, einsensibilización, evisceración y empaquemecánicos.

19,6 44,1 2,32 9,6

Producción de pulpa química al sulfato(kraft) sin blanquear con sistema derecuperación química.

19,0 70,0 3,68 26,0

Producción de confites de chocolate pormoldeado con aire caliente, conproducción intermedia de manteca decacao.

7,1 14,8 2,08 2,4

Producción de leche líquida higienizadapor pasterización.

2,8 5,3 1,89 1,9

Producción de bebidas no alcohólicas conadición de preservativos y gasificación.

6,7 14,2 2,11

Producción de cebada malteada porsecado rotatorio y germinación en frío.

6,6 1,9

Fuente: IDEAM El medio Ambiente en Colombia. Desempeño Ambiental de la Tecnología enla Industria Colombiana, 2000. Pág. 511




LECCION 4. MUESTREO Y AFORO DE AGUAS RESIDUALES

4.1 GENERALIDADES

Las técnicas de muestreo utilizadas deben garantizar la obtención de muestrasrepresentativas, ya que los datos que se deriven de ellas son las que definen el sistema detratamiento. Estas técnicas están encaminadas a conocer los componentes del aguaresidual, la determinación del flujo, frecuencia y sitio de vertido.

Las características del agua residual por lo general no son constantes, si no que presentangrandes fluctuaciones a través del tiempo así: Una empresa de alimentos al inicio de la

jornada puede verter gran cantidad de agua con pH alto, fruto de desinfectante empleado,posteriormente agua con características muy diferentes producto de derrames ocasionales ylavado de pisos y al final de la jornada verter agua con pH bajo proveniente de sistemas de

vaciado de equipos, lo anterior hace que se establezca un buen plan de muestreo y aforo,que permita el diseño de sistemas de tratamiento adecuados y ajustados al comportamientogeneral del vertimiento y no en un análisis puntual o circunstancial.

La determinación de los sitios de muestreo, el conocimiento del caudal y tipo de descargason fundamentales para el éxito del plan de muestreo y aforo.

4.2 SITIOS DE MUESTREO

La identificación de los posibles sitios de muestreo se facilita por información básica de laempresa, diagrama general de los procesos industriales, información sobre serviciospúblicos, consumos de agua, sistemas de alcantarillado, manejo de aguas lluvias entre otros.

Para que la caracterización sea representativa en el caso de una industria, se debe asegurarque cada uno de los sitios de muestreo recojan todos los vertimientos de los diferentesprocesos industriales y domésticos, además se garantiza una mayor confiabilidad de losdatos si ésta se realiza durante todo el turno de trabajo, (tiempo de generación de aguaresidual); esto es válido para cualquier empresa o entidad que requiera hacer el estudio decaracterización de agua residuales, en caso de no poderse realizar el aforo y muestro entodo el turno de trabajo, dicha caracterización permite dar una idea del comportamiento delagua residual en el tiempo muestreado.Como se puede observar en la figura 5 para la caracterización de agua residuales de laIndustria X la muestra se debe tomar en el punto 6, en el cual se concentran las aguasresiduales de todos los procesos industriales.

Si en la Industria X se dan cinco procesos diferentes, y en uno de ellos, en este caso elproceso 1, se quiere conocer las concentraciones de los contaminantes que se estáemitiendo (bien sea para optimización del proceso o mirar el efecto que causa el vertidosobre el agua residual de dicha empresa), se podrá tomar la muestra en el punto 1, antes deunirse a las aguas residuales provenientes del proceso 2.




Si los procesos 4 y 5 tienen las mismas características en cuanto a uso de materias primas,producción de aguas residuales, y se quiere analizar la concentración de contaminantes, sepodrá realizar el muestro en el punto 5, etc.

FIGURA No. 5 SITIOS DE MUESTRO

INDUSTRIA X

PROCESO 1 PROCESO 2

PROCESO 3 PROCESO 4

PROCESO 5

PROCESO 6

CAUCE RECEPTOR O ALCANTARILLADO

6

1

5




4.3 TIPO DE DESCARGAS

4.3.1. Descarga periódica irregular: Es aquella en la que el tiempo entre descarga es elmismo pero el caudal y la concentración de los contaminantes de las aguas residuales varia.

FIGURA No 6. DESCARGA PERIODICA IRREGULAR

0

50

100

150

200

250

3 6 9 12

Tiempo (h)

V o l u m e n ( L )

4.3.2. Descarga periódica regular: Aquella en la que el tiempo entre las descargas es el

mismo y el caudal y la concentración de los contaminantes es prácticamente constante.

FIGURA No 7. DESCARGA PERIODICA REGULAR

0

10

20

30

40

50

60

3 6 9 12

Tiempo (h)

V o l u

m e n (




4.3.3. Descarga continua: Las características fisicoquímicas del agua varía o presentacambios no representativos en el tiempo.

FIGURA No 8. DESCARGA CONTINUA

0

50

100

150

200

250

12

Tiempo (h)

V o l u m e n (

4.3.4. Descarga Irregular: Aquellas en las que el tiempo de descarga y producción no esconstante, creando así una variación continúa tanto en caudal como de carga decontaminantes.




FIGURA No 9. DESCARGA IRREGULAR

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

2 4 5 7 10 15

Tiempo (h)

V o l u m e n ( L )

En este punto el estudiante tiene claro que en las empresas se pueden presentar mezclas delos diferentes tipos de descargas, aquí radica la experiencia e importancia de un buen plande muestreo y aforo, que garantiza que los resultados obtenidos son representativos.

LECCION 5. MEDIDA DE CAUDAL

Determinar el caudal de agua residual generado en la empresa, es fundamental para eldimensionamiento del sistema de tratamiento y la determinación de los efectos sobre elmedio ambiente; debe adoptarse la forma más sencilla de aforar; claro sin olvidar que losdatos obtenidos deben ser confiables. Los métodos mas empleados son:

1. Medición volumétrica manual.2. Vertederos3. Velocidad área.

5.1. MEDICIÓN VOLUMÉTRICA MANUAL.

La medición del caudal se realiza de forma manual utilizando un cronómetro y un recipienteaforado. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra y medir el tiempotranscurrido desde que se introduce el recipiente a la descarga hasta que se retira de ella, larelación de estos dos valores nos permite conocer el caudal en ese instante de tiempo.

Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de la muestra y la medición deltiempo, ya que es un proceso simultáneo donde el tiempo comienza a tomarse en el instante




que el recipiente se introduce a la descarga, y se detiene en el momento que este se retirade ella. El caudal se estima por la relación volumen / Tiempo (Ecuación 1)

VQ = -------------- (1)

tQ = Caudal (L/s)V = Volumen (L)t = Tiempo (s)

Ventajas: Es el método más sencillo y confiable siempre y cuando el lugar donde se realice

el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga.

Desventajas: La mayoría de las veces es necesario adecuar el sito de aforo y toma demuestras evitando pérdidas de muestra en el momento de aforar, también se deben evitarrepresamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas.

5.2. VERTEDEROS.

El agua se obliga a circular por un canal en cuyo extremo hay un rebosadero que puedeadoptar distintas formas, el líquido represado alcanzará distinta altura en función del caudal:

FIGURA No. 10 MÉTODO VOLUMÉTRICO MANUAL




a mayor caudal, mayor altura, la altura está relacionada con el caudal por ecuaciones quedependen del tipo de vertedero así:

a. Vertedero rectangular de pared delgadaQ = 1,83 H(3/2)

b. Vertedero triangularQ = 1,4 H(5/2) (90°)Q = 0,775 H2.47 (60°)

c. Vertedero Cipolleti (forma trapezoidal)Q = 1,859 H3/2

En las cuales Q es el caudal se expresa en m3 /s y H, cabeza o altura de crestaexpresada en m.

Ventajas: Fácil construcción, bajo costo y posee un buen rango de precisión en líquidos queno contengan sólidos.Desventajas: Cuando la cabeza sobre un vertedero triangular es menor de 10 cm., hayposibilidad de que se formen vacíos y por lo tanto no se recomienda su uso.

En los vertederos hay que tener especial cuidado debido a que éstos al represar el agua vanacumulando sólidos y sustancias como grasas que van a interferir en la calidad de la muestray por lo tanto en su representatividad.

FIGURA No. 11 VERTEDEROS

5.3. MEDICIÓN POR VELOCIDAD

Se utilizan las canaletas más que los canales abiertos debido a:

La rata de flujo no puede medirse adecuadamente por un vertedero.




Hay una significante cantidad de partículas y otro material que podrían llenar un vertedero. La capacidad de la cabeza hidráulica es insuficiente para usar el vertedero. La velocidad de flujo por una canaleta puede ser establecida tal que, sedimentos y otros

sólidos pueden ser lavados a través de ella. La instalación de una canaleta puede ser relativamente más cara que un vertedero.

El diseño típico de una canaleta debe tener lo siguiente:

Las secciones rectas del canal deben estar corriente arriba de la entrada de la canaleta. El flujo debe ser bien distribuido a través del canal. La canaleta no esta sumergida y tiene una descarga libre aguas abajo.

Entre las más utilizadas se tiene:

5.3.1 Canal De Parshall.

Este medidor es una especie de tubo venturi abierto, dispone de una garganta que produceuna elevación de nivel en función del caudal. Esta formado por una sección de entrada deparedes verticales convergentes y fondo a nivel, una garganta o estrechamiento de paredesparalelas y fondo descendente y una sección de salida con paredes divergentes y fondoascendente, los canales Parshall se definen por el ancho de la garganta. La canaleta debeser construida rigurosamente con las dimensiones dadas, o su relación cabeza descarga deagua residual será poco confiable.

FIGURA No. 12 CANAL PARSHALL

Para determinar el caudal se requiere medir la altura del líquido directamente utilizando uninstrumento que mida longitud. Se puede hacer de manera continua empleando un sensorde caudal que va midiendo y almacenando los datos en función del tiempo siendo posibleobtener posteriormente un registro gráfico.




En estas canaletas se pueden acoplar otros tipos de sensores que permiten registrar otrosparámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura.

Ecuación:

Q = 4 WHna

Ha = Altura del agua sobre la garganta en pié.W = Ancho de la canaleta en la sección de la gargantan = 1,522 W 0.026 Q = Caudal en pie3/s

Ventajas: La canaleta Parshall es auto-lavable.El aumento de velocidad en la garganta impide la sedimentación de partículas.

Tiene la habilidad de operar de forma aproximada sobre un rango amplio de descarga.Resistencia a los productos químicos ya que se pueden construir de diferentes materiales yen el caso de instalaciones permanentes se puede construir en concreto vaciado.

Desventajas: Para la construcción de esta canaleta se precisa de la adecuación de un sitiode descarga, dado que este debe poseer una inclinación que permita la formación un flujocrítico en la garganta de la canaleta.

Los costos de construcción dependen de las características de la descarga, dado que estasinfluyen en el tipo de material de construcción como en las dimensiones del diseño.

5.3.2. Canal Palmer Bowlus.

Es un tipo de venturi caracterizado por la estrangulación de la sección transversal uniforme yuna longitud aproximadamente igual a un diámetro del tubo o conducto en el cual esta siendoinstalada, esta diseñada para producir un flujo crítico de mayor velocidad en elestrangulamiento. Es casi siempre usado en manholes o en canales abiertos o rectangularespara medir variaciones de flujo, la configuración transversal puede asumir cualquier forma:rectangular, trapezoidal (varios declives, alturas y anchos de base), con o sin tapa.

Para la determinación del caudal, se necesita medir la altura del líquido, ésta se puederealizar rápidamente midiendo la altura. También existen otros instrumentos que facilitanestas medidas de manera continua, obteniendo mediciones continuas y precisas, inclusoconectando un registrador gráfico favoreciendo el almacenamiento de esta información. .

En estas canaletas se pueden acoplar diferentes tipos de sensores que permiten registrarotros tipos de parámetros diferentes al caudal, como son pH y temperatura.

Ventajas: La principal ventaja es la fácil instalación, debido a que puede ser colocada enconductos ya existentes donde no se requieren caídas en el conducto, como es requerido en




el canal Parshall, la pérdida de energía es baja, detecta cambios sensibles de cabeza yprovee una mínima restricción al flujo.

Desventajas: Tiene un rango en la rata de flujo más pequeño que la Parshall.

La resolución de la Palmer-Bowlus no es tan buena como la de la Parshall.5.4. MEDICIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

Consiste en un carrete de tubería, de material no magnético que lleva adosado una serie debobinas, las cuales, una vez conectadas a un circuito eléctrico, crean un campo magnéticotrasversal al tubo. El fluido al atravesar este campo hace el papel de conductor eléctrico. Lafuerza electromotriz incluida en el flujo cuyo valor es proporcional a la velocidad media delflujo y en consecuencia al caudal, es detectada por dos sensores instalados en las paredesopuestas al tubo. Un circuito electrónico auxiliar recibe las señales de los sensores ydespués de procesar esta información determina el caudal que está circulando.

FIGURA No. 13 MEDICION ELECTROMAGNETICA

Ventajas: No presenta ninguna obstrucción al paso del fluido, su pared interna se puederecubrir con revestimientos adecuados para evitar el ataque de fluidos corrosivos.

Desventajas: No funciona con fluidos que no sean conductores de electricidad, su altoprecio que es función del tamaño de la tubería, el deterioro de los sensores ya que tienenque estar mojados por el fluido.

5.5. MEDICIÓN POR ULTRASONIDO.

Existen distintos dispositivos que se basan en el efecto Doppler o en la recepción de losecos. En ambos métodos se utiliza un elemento emisor que envía impulsos de ultrasonidosa través del fluido en distintas direcciones. Los impulsos que viajan en el mismo sentido queel fluido, lo hacen a mayor velocidad que aquellos otros que viajan en sentido contrario. Unaserie de sensores recogen estos impulsos y un circuito electrónico auxiliar procesa lainformación calculando el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del impulso,




como las distancias entre el emisor y los sensores son fijas y conocidas, se puede obtener lavelocidad a la que viaje el impulso que a su vez es función de la velocidad del fluido.

Ventajas: Pueden ser instalados en cualquier momento sin necesidad de desmontar losconductos ni parar la producción.

Desventajas: Costoso, voluminoso y pesado en tamaños grandes, no funciona con fluidosno conductores, necesita calibración y potencia eléctrica.

FIGURA No. 14 MEDICION POR ULTRASONIDO

AUTOEVALUACION 1

ACTIVIDAD 1

1. Seleccione uno de los procesos en cualquiera de la industria de alimentos que ustedconozca. Elabore el correspondiente diagrama de flujo y señale las etapas que requieraagua como insumo o como materia prima, lo mismo las que generan residuos líquidos oel agua usada. Identifique en cuáles de ellos existe la mayor cantidad producida. ¿Quérecomendaciones haría para disminuir a lo estrictamente necesario tanto el consumocomo la producción de residuos líquidos?. Elabore un pequeño ensayo, discútalo en sugrupo de trabajo académico, construyan un nuevo documento y preséntelo al tutor parasu revisión.




ACTIVIDAD 2

En pequeños grupos de trabajo, en las oficinas del IDEAM o de la Corporación Autónoma desu jurisdicción consulte las características fisicoquímicas del principal río o quebrada queabastezca el acueducto municipal y/ o las principales industrias de su región. Registre esta

información en lo posible para diferentes puntos en el río o quebrada así: Punto 1 cerca delnacimiento, punto 2. Antes de sectores industriales que viertan sus aguas en el cauce (aguasarriba). Punto 3: Después de vertidas las aguas por las diferentes empresas (aguas abajo).Liste y clasifique las empresas ubicadas en el sector de referencia de acuerdo a su actividadindustrial (siderúrgicas, cementeras, alimentos etc.), indague sobre el volumen de producciónde estas empresas y con base en la información suministrada en las tablas anteriores o através de consulta en Internet (Desempeño ambiental de la tecnología en la industriacolombiana. www.ideam.gov.co/publica/medioamb/cap12.pdf). Estime las cargascontaminantes vertidas.

A través del análisis de la información diseñe y establezca indicadores de contaminación

ejemplo: Disminución de oxigeno disuelto, alteración de pH etc.Los indicadores deberán ser acompañados con efectos o consecuencias que provocan en elecosistema. (Disminución fauna acuática, enfermedades respiratorias entre otras.).

A través de esta información de respuestas a los siguientes interrogantes:

1. ¿Qué tipo de empresas son las que contribuyen en mayor medida a la contaminación?2. ¿Cuáles son los parámetros de mayor significancia o variabilidad por los diversosafluentes?3. ¿Cuáles son los principales efectos que estos vertimientos pueden producir a corto,mediano y largo plazo?4. ¿Qué acciones han tomado las autoridades ambientales?5. ¿Que acciones han desarrollado las empresas?6. ¿Qué actitud ha tomado la comunidad?7. ¿Son suficientes estas acciones para disminuir los efectos negativos en un granporcentaje?8. Plantee o sugiera otro tipo de medidas que puedan contribuir a disminuir estos efectos

ACTIVIDAD 3Para la empresa seleccionada en la actividad (1), Diseñe el plan de muestreo y aforo, esteplan debe contener:1. Objetivos.2. Recursos necesarios (técnicos, humanos, equipos)3. Sitios de muestreo.4. Técnicas empleadas para medir caudal en cada punto.5. Parámetros físicos, químicos y biológicos a determinar de cada sitio (indicar cuálesparámetros se han de medir en sitio y cuáles en laboratorio).6. Frecuencia de muestreo.

Elabore un formato o guía que facilite la toma de datos y análisis de la información.

http://www.ideam.gov.co/publica/medioamb/cap12.pdf






CAPITULO 2. GESTION DEL RECURSO HIDRICO Y NORMATIVIDAD AMBIENTAL

INTRODUCCION

Es mejor prevenir que curar, es quizás la frase que mas identifica este capítulo. El términoprevención implica diseñar estrategias, aplicar técnicas y tecnologías que den comoresultado la eliminación o disminución de los residuos líquidos, antes que diseñar, construir yoperar un sistema de tratamiento, hay que encaminar esfuerzos a evitar que estos segeneren.

El capítulo esta dividido en tres lecciones:

La primera lección Técnica para reducir y reciclar aguas residuales implican ladisminución de agua que se usa en diversas aplicaciones, y / o la utilización del aguagenerada, en una aplicación compatible con su calidad.

La segunda lección Técnicas de recuperación de subproductos y reutilización de agua describe diferentes opciones para reutilizar el agua residual tratada (no se vierte al medioreceptor) y alternativas de aprovechamiento de subproductos que el agua contenga, siemprey cuando la sustancia recuperada tenga un valor agregado que justifique sus separación.

La tercera Lección Normatividad Ambiental relaciona el marco jurídico, las normas, leyes,decretos, entes de control e instrumentos económicos vigentes en Colombia.

OBJETIVOS

GENERAL

Plantear alternativas conducentes a disminuir el caudal de agua residual a verter al medioreceptor.

Relacionar la normatividad ambiental vigente para el recurso agua.

ESPECIFICOS

Comparar el modelo de producción limpia y el modelo tradicional aplicado en una empresade alimentos.

Describir y sugerir técnicas de reducción, reutilización y reciclaje de agua residual endiferentes empresas alimenticias.

Plantear alternativas de aprovechamiento de subproductos extraídos del agua residual.




Explicar la política ambiental colombiana, sus principios, decretos y resoluciones referentesal recurso agua.

Relacionar los instrumentos económicos consagrados en la Constitución Colombiana paraprevenir y controlar la contaminación hídrica.

GENERALIDADES.

Las tecnologías que tienen como objetivo minimizar la producción de cualquier efluente y, portanto, prevenir la contaminación se encuadran en lo que se ha llamado "tecnologías limpias",o de "emisión cero".

En las figuras 15 y 16 se muestran el modelo tradicional de producción caracterizado poruna alta generación de residuos (líquidos, sólidos y gaseosos), sin ningún tipo de reciclaje oaprovechamiento de estos residuos, contrastado con el modelo de producción limpia máseficiente en el uso de los recursos y menos contaminante del medio receptor (aire, suelo,

agua).

Procesosde

Producción

MateriaPrima

Energía

Productos al Mercado

Residuos

Aire Suelo A ua

FIGURA No. 15 MODELO TRADICIONAL

Procesosde

Producción

MateriaPrima

Energía

Productos alMercado

Residuos

Aire Suelo A ua

RecuperaciónTratamiento

FIGURA No. 16 MODELO DE PRODUCCIÓN LIMPIA




Las acciones y actividades desarrolladas con el modelo de producción limpia son elfundamento de la gestión del recurso hídrico, o el uso eficiente del agua; el éxito o fracaso dela misma depende de:

El conocimiento cualitativo y cuantitativo de las corrientes de agua producidas. La posibilidad de agrupación o segregación de efluentes La elección de los sistemas de tratamiento y aprovechamiento más adecuados.

Es preciso, realizar un estudio minucioso de la planta industrial a la hora de planificar elaprovechamiento del agua en la misma ya que cualquier elemento peligroso que no se tengaen cuenta puede perturbar seriamente los tratamientos propuestos.

La implementación de la política debe ser analizada considerando aspectos técnicos,económicos y jurídicos, el ingeniero de alimentos es el responsable de este análisis, así, sí eldirector de la planta está interesado en la recuperación de subproductos, el debe valorar los

beneficios obtenidos con el valor agregado, frente a la inversión para el tratamiento y sucontrol.

En la tabla No 8 se resumen los beneficios y restricciones de la política de producción limpia:

TABLA No 8. BENEFICIOS Y RESTRICCIONES DE LA POLITICA DE PRODUCCIONLIMPIA

AREA BENEFICIOS RESTRICCIONESTécnica Recuperación de

subproductoscomercializables

Necesidad adicional de controlo tratamiento para cumplir conlos requisitos de reutilización.

Uso benéfico del agua (enparticular donde existeescasez de agua)

Ubicación del aguareutilizable.

Minimización del efecto en elmedio ambiente.

Económica Reducción de capital enfuturos proyectos de agua.

Mayor costo de operación ymantenimiento

Mejor imagen pública Disposición de los residuos.Disminución de tasaretributiva

Jurídica Posible simplificación delproceso para obtención deconcesiones, permiso devertimiento.Descargas mínimas y menorriesgo de conflictos conautoridades ambientales

Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988,Pág. 594.




Los siguientes pasos permiten tomar decisiones correctamente:

1. Realizar una evaluación en toda la planta, de la forma en que se utiliza el agua y de lageneración de aguas residuales. Revisar registros históricos si los hubiera, de lo contrariorealizar un trabajo de campo que incluya muestreo y aforos.

2. Evaluar las áreas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar agua: esta incluye:

Identificar las fuentes que puedan utilizarse para conservación, reciclaje y reutilización deagua.

Determinar los requisitos de calidad para el agua destinada a los procesos de reutilización/ reciclado seleccionado.

Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores que se tenía en la actividad oque podría obtenerse mediante diversos grados de tratamiento.

Estudiar las ubicaciones y los flujos de desecho existentes. Estimar los costos actuales del agua y del agua residual tratada.

A continuación se presentan varias técnicas que pueden reducir el uso de agua potable y lageneración de agua residual.

1. Técnicas de reducción de agua y de aguas residuales.2. Reciclaje del agua3. Recuperación de subproductos.4. Reutización del agua.

LECCION 6. TECNICAS PARA REDUCIR LAS AGUAS RESIDUALES DENTRO DE LAPLANTA.

En términos generales estás técnicas implican la minimización de la cantidad de agua que seusa en diversas aplicaciones e incluyen:

1. Minimización del uso del agua en la planta de producción.2. Minimización del consumo de agua para usos sanitario.3. Capacitación del personal

6.1. MINIMIZACIÓN DEL USO DEL AGUA EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN.Esto se puede lograr si se modifica el proceso y/o se cambian algunas operaciones de laplanta.

a. Modificación en el proceso: Estos deben ser evaluados desde el punto de vista debeneficios/costos, algunos ejemplos específicos:

Usar enjuagues de rocío a alta presión en lugar de tanques de inmersión. Intercambiadores de calor enfriado por agua, por un sistema enfriado por aire.




b. Cambio de las operaciones. Mejorar las operaciones de limpieza de equipo mediante dispositivos adecuados de

limpieza, chorros de aspersión de alta presión, coordinación del calendario de limpieza,métodos de limpieza y aseo.

Dispositivos mecánicos de limpieza (cauchos, limpiadores) Maximizar la vida efectiva del agua de producción: se requiere análisis de las

características del agua y tener un conocimiento claro de los intervalos de trabajo en laoperación particular.

Optimizar el uso del agua: son actividades propias que permiten es uso más racional delagua:

Mejores sellos en bombas, tubos y válvulas. Automatización del control de flujo. Controles de nivel de agua apropiada Tapas y cubiertas sobre tanques.

6.2. MINIMIZACIÓN DEL USO DE AGUA PARA USO SANITARIO

En nuestro medio es muy común encontrar servicio de agua potable para los sanitarios, esnecesario plantear alternativas para emplear agua proveniente de otros procesos,adicionalmente la implementación de aparatos economizadores de agua.

6.3. CAPACITACIÓN DEL PERSONAL

El éxito o fracaso de la administración correcta del agua depende en gran medida del recurso

humano, de hay la importancia de un programa de capacitación, no solo para que el personaltome conciencia del buen uso del agua sino porque aplica y aporta ideas para la reducción yminimización de agua residual. Esta capacitación debe: Concienciar a todo el personal sobre el buen uso del agua. Capacitar al personal en las técnicas de reducción del agua residual y en los métodos para

minimizar el uso del agua. Establecer metas cuantificables para reducción. Definir las funciones y responsabilidades de los empleados. Alcanzar las metas de reducción de aguas residuales.

LECCION 7. TECNICAS PARA RECICLAR LAS AGUAS RESIDUALES NO TRATADASEl reciclado implica el uso de Aguas Residuales no tratadas en una aplicación compatiblecon su calidad, acá esta la diferencia entre reciclado y reutilización, por lo general esta ultimaimplica o se somete a tratamiento antes de utilizarla en cualquier aplicación, con el recicladodel agua se esta ampliando de manera eficaz la vida útil del agua.

El reciclado de aguas residuales varia de una industria a otra, ya que dependen de losrequisitos de calidad del proceso que recibirá dichas aguas, debido a que el reciclado de las




aguas residuales no implica tratamiento alguno, la cantidad de oportunidades es menor queen el caso de reutilización.En la tabla No 9 se presentan algunas alternativas de reciclado:

TABLA NO. 9 POSIBLES APLICACIONES DEL RECICLADO DEL AGUA RESIDUAL

INDUSTRIAL FUENTE AGUA RESIDUAL APLICACIÓN PARA EL RECICLADOPurga de la torre de enfriamiento

Purga de la calderaAgua de enjuagueAgua de enfriamiento de un solo uso

Condensado de tanques o procesos

Agua de lavadoAgua de servicio públicoAgua del sello de tambor abocinadoRefrigerante de la bombaDesecho del tanque de campoRelleno de Agua para el depuradorAgua de relleno para calderas de baja presiónEnjuague a contracorrienteEstanque de enfriamiento

Agua de enfriamiento para el compresorAgua de enfriamiento sin contactoAgua de procesoAgua de relleno para la caldera

Fuente: FREEMAN Harry M. Manual de la prevención de la contaminación Industrial.1.998.Pág. 604

Con frecuencia las aguas residuales de duchas y lavamanos pueden utilizarse para lairrigación, dependiendo de las características del suelo.

LECCION 8. RECUPERACION DE SUBPRODUCTOS

Esta se hace con el fin de regular la descarga contaminante hacia el medio ambiente, estosugiere el diseño de una nueva línea de producción, con todos los análisis y nivel de detalleque esta sugiere. La decisión de recuperar subproductos obedece al análisis de criteriostécnicos, económicos de normatividad. Entre los que se incluyen:

El valor del subproducto recuperado. La factibilidad de recuperarlo a un costo razonable. Tecnología apropiada. Exigencias normativas vigentes.

Para comprender mejor esta técnica veamos un ejemplo:

La producción en gran volumen de suero es uno de los principales problemasmedioambientales de las industrias lácteas, por cada litro de leche se generaaproximadamente 0,75 litros de suero.

El suero es rico en vitamina C, complejo B y proteínas como la lacto albúmina y la lactoglobulina, En la tabla 10 se muestra su composición.




TABLA No. 10 COMPOSICIÓN DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ÁCIDO COMPOSICION DEL SUERO DULCE Y DEL SUERO ACIDO (%)

Componentes Suero Dulce Suero ÁcidoHumedadGrasaProteínasLactosaSales Minerales

93 – 940,2 – 0,70,8 – 0,14,5 – 5,00,05

94 – 9500,40,8 – 1,04,5 – 5,00,04

Fuente: Guía Ambiental para el Sector de la Industria Láctea. Corpochivor. 2001. Pág. 22.

Aprovechando este valor nutricional, se presentan diferentes alternativas para su manejo.Sin embargo, debido a que tiene un alto contenido de lactosa, una humedad del 93 -94 % yun elevado número de microorganismos, rápidamente se originan fermentacionesindeseables, lo que hace necesario la aplicación de tratamientos previos:

Algunas alternativas de aprovechamiento del suero son: Obtención de suero en polvo, mediante la concentración de los sólidos por evaporación y

secado. Obtención de suero en polvo desmineralizado, donde se eliminan previamente las sales

minerales por intercambio iónico o por electro- diálisis. Recuperación de la lactosa, obtenida por concentración, cristalización y separación. Obtención de concentrados proteínicos, obtenidos por ultrafiltración del suero.

SEPARACION DE FINOS

SEPARACION DE GRASAS

ENFRIAMIENTO

ALMACENAMIENTO

Recuperación de caseína y la grasaque aún contiene el suero

El suero es sometido aenfriamiento a 4°C.

FIGURA No. 17 ETAPAS EN EL TRATAMIENTO DEL SUERO LÍQUIDO PARA SUCONSERVACIÓN




Obtención de alcohol, vitamina B12, jarabes de glucosa y galactosa, lactosil, urea,amoniaco, lactatos y otros.

Producción de bebidas a partir del suero, que se combina con grasa de origen lácteo ovegetal.

Utilización del suero en la fabricación de helados.

Producción de quesos de suero Conversión biológica del suero, mediante la fermentación por microorganismos

convirtiendo la lactosa en ácido láctico.

LECCION 9. TECNICAS PARA REUTILIZAR EL AGUA RESIDUAL TRATADA

La reutilización del agua residual depende de dos factores:1. Calidad del agua residual reutilizada y la aplicación a la que esta se destine.2. Tecnología de tratamiento empleada.

En la tabla 11 se presentan algunas aplicaciones y posibles limitaciones par reutilizar el

agua residual tratada.

TABLA No. 11 APLICACIÓN PARA LA REUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL YPOSIBLES RESTRICCIONES.

Aplicaciones para la reutilización delas aguas residuales

Posibles Restricciones

Irrigación agrícola Riego de cultivosViveros comerciales

Contaminación del agua freática y superficial si nose realiza en forma adecuada

Irrigación de jardines ParquesPatios escolaresCamellones en las avenidasCampos de golfCementeriosZonas sembradasResidenciales

Comercialización de las cosechas y aceptación depúblico.

Efecto en la calidad del agua, en particular de lassales, sobre los sólidos y los cultivos.

Inquietud en la opinión pública en relación con loelementos patógenos (bacterias, virus y parásitos)

Tal vez se necesiten controles para el área en quese use, entre ellos, zonas de amortiguamiento, locual eleva los costos para el usuario.

Reutilización en la Industria Agua de relleno para la torre deenfriamiento

Agua de enfriamiento de un solo usoAgua de alimentación para calderasAgua en proceso

Constituyentes en el agua recuperadas que serelacionan con la desincrustación, corrosión

crecimiento biológico y acumulación de depósitos. Inquietudes respecto de la salud pública, enparticular la transmisión por rocío de elementospatógenos en el agua de enfriamiento.

Recarga del manto freático Reabastecimiento del manto freáticoControl de la entrada de agua SaladaControl de hundimientos

Sustancias químicas orgánicas en el agua residuarecuperada y sus efectos tóxicos; TDS, nitratos yelementos patógenos en el agua residuarecuperada.




Usos recreativos/ambientales Lagos y estanquesMejoramiento de pantanosAumento del flujo de corrientesZonas pesqueras

Inquietud acerca de las bacterias y virus Eutrofización debida al nitrógeno y fósforo

contenidos en las aguas receptoras. Toxicidad para la vida acuática.

Usos urbanos no potables Protección contra incendiosAire acondicionadoChorros de descarga para retretes

Preocupación por la salud pública debido a lospatógenos que se transmiten por los aerosoles.

Efectos de la calidad de agua sobre ladesincrustación, corrosión, crecimiento biológico yacumulación de depósitos.

Conexiones cruzadasReutilización Potable Mezclado en el suministro de aguaDepósitoSuministro de agua por tuberías

Los componentes de agua residual recuperada, enparticular los residuos de sustancias químicas ysus efectos tóxicos.

Estética y aceptación del público Preocupación por la salud debido a la transmisión

de agentes patógenos, en particular de virus.Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988.Pág. 611

Las posibilidades de reutilización del agua residual son numerosas, sin embargo entre máscontaminantes mas inversión en tratamiento y menos posibilidad de reutilización, en la tabla12 se presentan diferentes tecnologías aplicables a la reutilización, generalmente estas serelacionan como tratamientos avanzados o terciarios del agua residual.

TABLA No. 12 TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO APLICABLES PARA LAREUTILIZACIÓN DEL AGUA RESIDUAL.

Tecnología detratamiento

Descripción Aplicaciones Limitaciones

Osmosis Inversa Emplea los principios de laósmosis y las diferencias depresión para separar delagua las sales disueltas enuna solución al filtrar el aguaresidual a través de una

membrana semipermeable.

Remoción de DBOSólidos SuspendidosTotales (SST),compuestonitrogenados, yfósforo

CostoDesincrustaciónSensibilidad al pH y temperatura.Tal vez se necesita tratamiento previo.

El concentrado tal necesite tratamientoeliminarse.

Electrodiálisis La electrodiálisis concentrao separa las especiesiónicas contenidas en unasolución al hacerla pasar pormembranas semipermeablesque seleccionan iones.

Remoción del SólidosDisueltos Totales(SDT) y recuperaciónde sales metálicas.

Precipitación química la membrana.Tal vez se necesite tratamiento previo.Costo




Ultrafiltración Al igual que la ósmosisinversa, la ultrafiltraciónemplea membranas porosasque eliminan los materialesdisueltos y coloídes de las

soluciones; no obstante, laultrafiltración trabaja apresiones menores y, por logeneral, se limita a eliminarmoléculas grandes.

Remoción de sólidosdisueltos totales(SDT), turbidez yaceite.

CostoDesincrustaciónSensibilidad al pH y temperatura.Tal vez se necesita

tratamiento previo.

Intercambio deiones

El intercambio de ioneselimina iones específicos deuna solución alintercambiarlos con los ionesligados a una resina defórmula específica. La resina

necesita retrolavado yregeneración una vez queha alcanzado su capacidad.

Remoción de SDT,iones metálicostóxicos; y reducciónde la dureza aleliminar los iones decalcio y de magnesio.

Deben eliminarse resinas y regeneradoagotados (es dácidos, cáusticos salinos).Altas concentraciones

sólidos suspendpueden disminuir eficiencia de la resina.

Carbón activado El proceso de carbónactivado utiliza carbón, yasea granular o pulverizado,para tratar el agua residual yabsorber muchoscompuestos orgánicos einorgánicos. Una vezalcanzada la capacidad del

carbón, éste deberegenerarse.

Remoción de varioscompuestosorgánicos einorgánicos.Trata los desechosorgánicos (con altospuntos de ebullición,baja solubilidad y

polaridad),hidrocarburosclorados yaromáticos.Captura loscompuestosorgánicos volátiles enlas mezclas de gas.

El costo como una funde la frecuencia regeneración del carbóLa concentración contaminante debe inferior a 10.000 ppm.Sólidos suspendimenos que 50 ppm.

Sustancias inorgándisueltas, y aceitesgrasa menos que 10 pp

Sedimentación La sedimentación es unproceso de asentamientoque permite que los sólidosmás pesados se separen deuna solución por gravedad.

Remoción de lossólidos más densosque el agua.

No es adecuado paguas residuconstituidas por aceemulsificados.

Filtración La filtración separa y eliminalos sólidos suspendidos deuna solución al hacerlapasar a través de un medioporoso (por ejemplo, tela,malla, material granular)

Deshidratación desedimentos y pastasaguadas.Remoción de lossólidos suspendidosde los líquidos.

No es adecuado preducir la toxicidad agua residual.No es adecuado psólidos gelatinosos.Limitaciones en




Tratamiento previo ala remoción desólidos a fin de evitarla obstrucción de lossiguientes

dispositivos para eltratamiento (porejemplo, intercambiode iones, ósmosisinversa, adsorcióncon carbón).

concentración de sólsuspendidos de líquidos.

Evaporación La evaporación es unproceso de separación físicaen el que se aplica energíapara volatilizar una solucióna fin de separar un líquido

de los sólidos disueltos osuspendidos.

Tratamiento de losdesechos desolventes que notienen componentesvolátiles (por ejemplo,

aceite, grasa, resinaspoliméricas, sólidosde pintura).Separación de lossólidos suspendidos ydisueltos.

La eficacia depende dvolatilidad de la solucióCosto

Deshidratación La deshidratación incluyeuna serie de procesosfísicos (por ejemplo,filtración al vacío, secado delsedimento, filtro de

prensabanda) utilizados parareducir la humedadcontenida en lossedimentos.

Reducción de lahumedad contenidaen los sedimentos.

Las limitaciones dependel proceso deshidratación que utilice para el particular de sedimento

Fuente: FREEMAN, Harry M. Manual de Prevención de la Contaminación Industrial. 1988.Pág. 618-619

LECCION 10. NORMATIVIDAD AMBIENTAL

La Constitución y la ley colombiana consagran los propósitos, derechos y procedimientospara proteger la vida y el ambiente, sin embargo la existencia de los mismos no garantiza sucumplimiento; así a diario se observa atentados contra la vida, contra el medio ambiente(emisiones atmosféricas, residuos líquidos y sólidos con presencia de elementos tóxicos),ríos convertidos en cloacas donde la única fauna son roedores insectos portadores deenfermedades patógenas.




Los principios fundamentales de la legislación ambiental colombiana son.

1. Declaración de Estocolmo del 5 de junio de 1.972: se constituye en el origen de lapolítica global de protección del medio humano, contenida en una proclamación de 7 puntosy 26 principios generales, por medio los cuales la ONU alerta sobre la necesidad de

desarrollar una verdadera política de bienestar social.2. Declaración de Río de Janeiro (1.992): La Declaración de Estocolmo fue retomada ymejorada. En ella se destacaron dos posiciones frente al medio ambiente: Unos proponíanseguir desarrollando los países sin importar los daños ambientales que se suscitaron, otrosdecían que no se debían desarrollar los países a costa del aprovechamiento y deterioro delmedio ambiente natural, para concluir en una posición que se denomina Desarrollosostenible: Crecimiento económico con equidad social y ambiental.

Principios constitucionales y Legales.

La Constitución Política de 1991 consagró derechos y obligaciones relacionados con el deberde los ciudadanos de proteger los recursos naturales y creó las acciones correspondientespara lograrlo.

Adicionalmente, se asignaron competencias a diferentes entes estatales para adelantar lastareas de planeación, prevención y defensa del medio ambiente.

La reglamentación relacionada con la protección y el manejo de los recursos naturales seexpidió con la promulgación en 1974 del Código de Recursos Naturales Renovables y deProtección al Medio Ambiente. Posteriormente se expidió la Ley 99 de 1993 por la cual secreó el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, se organizó elSistema Nacional Ambiental, SINA, y se establecieron los principios que rigen el ejercicio delas funciones ambientales de las entidades territoriales. En la Figura 18 se relaciona estaestructura.




FIGURA No. 18 ESTRUCTURA DEL DERECHO AMBIENTAL COLOMBIANO

De acuerdo con la constitución las autoridades ambientales jerárquicamente son:

10.1. MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

El Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial es el organismo rector dela gestión del medio ambiente y de los recursos naturales renovables, y como tal, elencargado de definir las políticas y regulaciones para la recuperación, conservación,ordenamiento, manejo, uso y aprovechamiento de los recursos naturales renovables y elmedio ambiente.




10.2. CORPORACIONES AUTÓNOMAS REGIONALES Y UNIDADES AMBIENTALESURBANAS

Las Corporaciones Autónomas Regionales son entes públicos, integradas por las entidadesterritoriales de áreas que constituyen un mismo ecosistema o que conforman una unidad

geopolítica, biogeográfica o hidrogeográfica.Están dotadas de autonomía financiera y administrativa y cuentan con patrimonio propio.Las Unidades Ambientales Urbanas de los municipios, distritos o áreas metropolitanas conpoblación mayor a 1’000.000 de habitantes ejercen las mismas funciones de lascorporaciones autónomas regionales dentro del perímetro urbano.

La misión prevista para las Corporaciones Autónomas Regionales, CAR, y para las UnidadesAmbientales Urbanas, es la de ejercer como autoridades ambientales en sus respectivasáreas de jurisdicción, ejecutando dentro de un régimen de autonomía, las directricesgenerales establecidas por el Ministerio del Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial

y cumplen las funciones de evaluación, control y seguimiento del uso de los recursosnaturales. Sin embargo, las Corporaciones autónomas regionales podrán ser auditadas por laContraloría General de la República, entidad que podrá realizar los ajustes estructuralesnecesarios para su correcto funcionamiento.

Actividad Complementaria: Investigue Cuales son la corporaciones Autónomas, áreas de jurisdicción. Puede consultar la página del Ministerio de Medio Ambient(www.minambiente.gov.co), o de alguna Corporación ej: www.corporinoquia.gov.co

Algunas disposiciones legales referentes al recurso agua son:

Decreto 1594 de 1984, en el cual también se reglamentan los permisos de vertimiento ylos criterios de calidad para la destinación del recurso. Decreto 1541 de 1978: Las normas aplicables al régimen de aguas y al derecho a usarlas.

Los ríos y todas las aguas que corren por cauces naturales son de uso público y suaprovechamiento, cualquiera sea el fin, requiere de una concesión que se sujeta a lasdisponibilidades del recurso.

Decreto 901 por el cual se reglamentan las tasas retributivas por utilización directa oindirecta del agua como receptor de los vertimientos puntuales y se establecen las tarifasde esta.

Resolución 0081 por la cual se adopta un formulario de información de tasas retributivas. Resolución 273: Por la cual se fijan las tarifas mínimas de las tasas retributivas por

vertimientos líquidos para los parámetros de DBO y SST.Las diferentes leyes, decretos y resoluciones pueden ser consultadas en:www.minambiente.gov.co, www.ideam.gov.co.

10.3 INSTRUMENTOS ECONOMICOS

La legislación colombiana provee de instrumentos económicos a las autoridadesambientales, a través del cobro de tasas retributivas, tasas compensatorias y tasas por uso

http://www.minambiente.gov.co/


http://www.ideam.gov.co/








por ello es importante conocer el significado de cada una de ellas, que se deben tener encuenta para liquidar los costos por el uso del agua en un proceso industrial en latransformación de alimentos.

Tasa: Remuneración que deben pagar los particulares por cierto servicio que presta elestado.

Diferencia entre Tasa e Impuesto: La tasa es una contraprestación por usar un serviciopúblico, es voluntaria siempre y cuando se acceda al servicio.

El impuesto es de obligatorio cumplimiento y no se está pagando un servicio específico óretribuyendo una prestación determinada.

Las tasas que contempla la legislación Colombiana son:

TASAS RETRIBUTIVAS Las tasas retributivas buscan una contraprestación por el efectonocivo que se causa a los recursos como consecuencia de su utilización.

TASAS COMPENSATORIAS, por su parte, pretenden que el usuario del recurso pague losgastos de hacer renovable el mismo.

TASAS POR USO: El usuario paga por utilizar el recurso. En este sentido el gobiernonacional ha presentado a la consideración del Congreso de la República el proyecto de leyNo. 365, “Ley del agua”, por el cual se establecen medidas para orientar la planificación yadministración del recurso hídrico en el territorio nacional”.

El alcance de este módulo solo se dará información mas detallada de las tasas retributivas,queda a iniciativa del estudiante complementar información referente a los otros dos tipos detasas.

10.3.1. Tasas Retributivas. La tasa retributiva tiene por objeto disminuir el nivel decontaminación. Por lo tanto se busca igualar la Tasa Retributiva con el Costo Marginal deDescontaminación este costo es el valor que habría que pagar para que el medio receptordespués de recibido un agente contaminante retornará sus condiciones iniciales. Se basa enel principio “EL QUE CONTAMINA PAGA”

Las Tasas Retributivas se entienden como el costo marginal que representa el utilizar uncuerpo de agua como “basurero” y su valor depende del usuario, quien decide si vierte más ypaga más o disminuye sus vertimientos con base en un análisis costo-efectivo.

La primera vez que se mencionan las tasas retributivas en la legislación ambientalColombiana es en el Decreto 2811 de 1974, las cuales se podían cobrar a las “actividadeslucrativas”. El Decreto 1594 de 1984 estableció una formula para el cobro de la tasaretributiva, cobrando la DBO5, DQO y SS a las entidades con animo de lucro. La Ley 99 de1993 modifica la concepción de las tasas, ya que ellas deben reflejar el costo social causado




por la contaminación, incluyendo el impacto negativo que generan las actividadesproductivas y no productivas sobre el bienestar de la comunidad y los recursos naturales.

Cálculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas (Según Decreto 901/97)

El monto de la tasa retributiva se calcula así:TRj = Trj x Ccj x T

j = Sustancia contaminante motivo del cobro (DBO5 y SST)TRj = Monto a cobrar por concepto de tasa retributiva por vertimientoTrj = Tarifa regional correspondiente a (j) en cada cuerpo de agua por parámetroCcj = Carga contaminante diaria de las sustancias (kg/día)T = Período de descarga (mensual, trimestral, semestral)

Trj = Tmj x Fr

Tmj=Tarifa mínimaFr: Factor regional

La tarifa mínima que fija el Ministerio (Tmi) se multiplica por el factor regional que es igual a1 para la primera declaración de vertimientos (autodeclaración) y se incrementa 0,5 cadasemestre si no se alcanza la meta de reducción (concertada entre empresa y corporaciónautónoma de la jurisdicción). Con esta política de incrementar semestralmente el valor apagar por tasa retributiva el gobierno busca que para las empresas sea mas atractivo invertiren sistemas de tratamiento o depuración de aguas, que en pago semestral de la tasa.

Calculo de la Tarifa de las Tasas Retributivas

Las cargas contaminantes se calculan mediante el siguiente algoritmo:

Ccj = Q x Cj x F

Ccj = Carga contaminante diaria por sustancia (kg/día)Q = Caudal (L/s)Cj = Concentración de la sustancia contaminante mg/L.F = factor de conversión

Ejemplo de cálculo de la carga contaminante :

El análisis del agua residual vertida por una empresa X reportó los siguientes datos:

PARAMETRO CONCENTRACION (mg/L)DQO 3,020DBO 1,840SOLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES (SST) 76




El caudal promedio resultado del aforo volumétrico manual fue de 3,4 L/s. Con base en estasconcentraciones estimar la carga contaminante mensual.Carga contaminante diaria (CCj) = Ci * Q;

Para la DBO (kg/mes) CC = 1,840 (mg/L) *3,4 (L/s)*86,400 (s/día)*10-6 kg/mg* 30día/mesDBO (kg/mes) = 4,769.28.

Para los otros contaminantes:

CONTAMINANTE CARGA (kg/mes)DQO 26,614.65DBO 16,215.55Sólidos Suspendidos Totales (SST) 669.76

La legislación Colombiana prevee el cobro de la tasa retributiva por DBO y SST. (Resolución273/97)

Se han presentado varias discusiones sobre la efectividad de estas tasas para disminuir lacontaminación, la comisión económica para América Latina CEPAL en su serie MedioAmbiente y Desarrollo No 47. “Evaluación del impacto de la tasa retributiva en el sector industrial colombiano” ilustra al respecto; invito a los estudiantes a analizar este documento.(Anexo)

AUTOEVALUACION 2

ACTIVIDAD 4.

Realice la lectura documento anexo “Guía Buenas Prácticas para el sector alimentos “ Haga un resumen del documento.

Elabore un ensayo mínimo tres páginas en el cual trate los siguientes temas.1. Componentes del sistema de gestión ambiental en la industria de alimentos.2. Ventajas y desventajas para la implementación de sistemas de

Gestión ambiental (recurso agua).3. Indicadores de gestión hídrica

Comparta con su pequeño grupo de trabajo el ensayo, elaboren un documento grupal en elque relacionen las diferentes reflexiones y preséntenlo a su tutor para su evaluación yretroalimentación.




ACTIVIDAD 5.

En pequeños grupos colaborativos, consulten con industriales, en la corporación de su jurisdicción, ONGs, a través de Internet las experiencias en el cobro y pago de la tasa

retributiva. Exponga los diferentes puntos de vista de empresarios y autoridad ambiental, yplantee su propio punto de vista.Participe en un debate organizado por el tutor sobre el tema.

Una ayuda para el desarrollo de esta actividad es el documento anexo.”Tasas Retributivas”

CAPITULO 3 OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO PRIMARIODEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCION

En los capítulos anteriores se relacionaron los parámetros que permiten caracterizar el aguaresidual procedentes de las empresas, la diferencia en ellos supone por tanto distintasformas y métodos para depurarla; La selección del tratamiento dependerá del destino finaldado al efluente tratado, la naturaleza del agua residual, la compatibilidad de las distintasoperaciones y procesos, los medios disponibles de evacuación de los contaminantes finalesy la posibilidad económica de las distintas combinaciones.

El tratamiento del agua residual al igual que la transformación de una materia prima implicala combinación de operaciones unitarias y procesos unitarios, por lo cual se debe recordar ladiferencia entre los dos.

Las operaciones unitarias son aquellas etapas del proceso de tratamiento del agua que serealizan mediante la aplicación de fuerzas físicas, por lo tanto no hay cambios en suestructura química, mientras que un proceso unitario será aquel en el cual se presentanreacciones químicas obteniendo productos de características muy diferentes a la sustanciade origen.

El capítulo a través de sus diferentes lecciones presenta los conceptos fisicoquímicos de lasdiferentes operaciones y procesos unitarios que constituyen el tratamiento primario ypreliminar del agua residual.

OBJETIVOS

GENERAL

Describir los fundamentos y conceptos fisicoquímicos de las operaciones y proceso unitariosmas empleados en el tratamiento del agua residual




ESPECIFICOS.

Identificar las operaciones y procesos que hacen parte del pretratamiento y el tratamientoprimario.

Explicar los principios y el funcionamiento de los diferentes equipos que conforman eltratamiento primario. Determinar las características finales del agua después de ser sometida a tratamiento

primario.

GENERALIDADES.

La identificación de las etapas que componen un sistema de tratamiento de agua residualdepende de las condiciones del agua, del nivel de tratamiento al que se quiera llegar y defactores como disponibilidad de área y equipos entre otros; esto quiere decir que no existe

una única forma de hacer las cosas, todo lo contrario hay diversas combinaciones deoperaciones y procesos unitarios que permiten obtener un efluente de buena calidad.Para facilitar la definición y diseño del diagrama de flujo del sistema de tratamiento, este sedivide en tres fases cada una con un objetivo específico:

Pretratamiento y tratamiento primario, implica las operaciones y procesos que se realizande forma previa y al inicio del tratamiento y buscan por lo general la separación yeliminación de elementos de gran tamaño, de materia orgánica fácilmente sedimentable;estos procesos tienen un efecto limitado de eliminación de la mayoría de especiesbiológicas presentes en el agua residual, sin llegar a reducir de forma eficaz laconcentración de bacterias o virus contenidos en ella.

Tratamiento secundario, también llamado biológico consiste en la eliminación de la materiaorgánica biodegradable soluble y coloidal y es llevado a cabo por procesos biológicos enpresencia o ausencia de oxígeno.

Tratamiento terciario permite disminuir algunos de los componentes del agua residual queno es posible reducir mediante el tratamiento secundario. Puede llegar a eliminar unafracción elevada de los virus y las bacterias presentes en el afluente.

La figura No 19 presenta el diagrama general del tratamiento y en ella se pueden establecerlas diferentes operaciones y proceso unitarios que conforman cada una de las etapas.




De acuerdo con el tipo de afluente un sistema de tratamiento de aguas residuales puedeestar constituido únicamente por unidades de pretratamiento y tratamiento primario.

LECCION 11. OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO

La etapa preliminar está destinada a la preparación o acondicionamiento de las aguasresiduales con el objetivo específico de proteger las instalaciones, el funcionamiento de lasobras de tratamiento y eliminar o reducir sensiblemente las condiciones indeseablesrelacionadas principalmente con la apariencia estética de las plantas de tratamiento.

Dentro de las diferentes operaciones y procesos que hacen parte están:

11.1. DILACERACION:

Es la trituración de sólidos gruesos en tamaños menores y más homogéneos. Estaoperación se realiza para mejorar los procesos posteriores y evitar problemas que puedencausar los sólidos de diferente tamaño; los trituradores empleados constan básicamente deun tambor con ranura a través de las cuales pasan las aguas residuales, simultáneamenteun conjunto de dientes cortadores va atravesando las ranuras y trituran el materialpartículado.

Sólidos suspensión Materia Orgánica Sales disueltasColoides Biodegradable MicrocontaminantesAceites y grasas

HomogenizaciónNeutralizaciónAjuste de pHCoagulación-floculaciónSedimentaciónFlotaciónDesarenadoDesaceitado

TratamientosBiológicosLodos activadosFiltros biológicosLagunajeDigestión

AnaerobiaDigestión aerobia

Procesos membranaMicrofiltraciónUltrafiltraciónOsmosis inversaElectrodiálisisEvaporación

Interc. IónicoAdsorción C.A.Procesos RedoxPrecipitación químicaArrastre aire/vaporIncineración

FIGURA No. 19 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DEL TRATAMIENTODE AGUA RESIDUAL

PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO TRATAMIENTOY TRATAMIENTO SECUNDARIO TERCIARIOPRIMARIO

Sólidos suspensión Materia Orgánica Sales disueltas

Coloides Biodegradable MicrocontaminantesAceites y grasas

HomogenizaciónNeutralizaciónAjuste de pHCoagulación-floculaciónSedimentaciónFlotaciónDesarenadoDesaceitado

Procesos membranaMicrofiltraciónUltrafiltraciónOsmosis inversaElectrodiálisisEvaporación

Interc. IónicoAdsorción C.A.Procesos RedoxPrecipitación químicaArrastre aire/vaporIncineración

FIGURA No. 19 OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS DEL TRATAMIENTODE AGUA RESIDUAL

PRETRATAMIENTO TRATAMIENTO TRATAMIENTOY TRATAMIENTO SECUNDARIO TERCIARIOPRIMARIO




11.2. HOMOGENIZACION DE CAUDALES:

Cumple el objetivo de tener caudales de tratamiento iguales y concentración decontaminantes mucho más homogéneos. En la unidad uno del módulo se referencia las

diferentes fluctuaciones que el caudal puede presentar, la homogenización permite disminuirese problema.

Las principales ventajas que produce la homogeneización de los caudales son las siguientes:

1. Mejora del tratamiento biológico, ya que se eliminan o reducen las cargas de choque, sediluyen las sustancias inhibidoras, y se consigue estabilizar el pH.

2. Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentaciónsecundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes.

3. Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los

rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes.

4. En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el controlde la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del proceso.

Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de tratamiento, lahomogeneización del caudal es una alternativa para incrementar el rendimiento de lasplantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas.

Por lo anterior la localización del sistema de homogenización es clave y para cada empresaparticular puede variar dependiendo del sistema de conducción de las aguas y de lascaracterísticas de las mismas. En ocasiones, se recomienda situar la homogeneización

después del tratamiento primario y antes del biológico, pues así se reducen los problemasoriginados por el fango y las espumas. Si las instalaciones de homogeneización se sitúan pordelante de la sedimentación primaria y del tratamiento biológico, el proyecto debe tener encuenta la provisión de un grado de mezclado suficiente para prevenir la sedimentación desólidos y las variaciones de concentración y dispositivos de aireación suficientes para evitarlos problemas de olores.

El sistema de homogenización o igualación esta compuesto por un tanque impermeabilizadoprovisto de un sistema de mezcla para asegurar un igualamiento adecuado y para prevenirel asentamiento de sólidos.

11.3 DESBASTE:

Consiste en la eliminación de sólidos gruesos y sedimentables por retención en lassuperficies, como son las rejas y los tamices.

Una reja consiste básicamente de un sistema de barras paralelas inclinada o vertical,igualmente espaciadas y colocadas en la sección transversal del canal que conduce lasaguas residuales. La rejilla siempre deberá estar antes de los sistemas de bombeo,




sedimentador, desarenador para evitar que troncos de madera, sólidos suspendidos gruesosafecten el funcionamiento de estos sistemas.

En algunas ocasiones, posterior al sistema de rejilla se utilizan tamices con aberturas máspequeñas para remover un porcentaje más alto de sólidos. Los tamices rotatorios consisten

de tambores cilíndricos con una malla ajustada al área de circunferencia. El Agua Residualpuede ir desde el interior hasta el exterior o viceversa.

11.4. DESARENADOR:

Permite la retención y eliminación de arena, tierra, sólidos o partículas con gravedadespecifica muy superiores a los del agua (cerca de 2,6). La remoción de estas partículastiene como finalidad evitar obstrucciones en tubería, abrasión en bombas y formación delodos, la separación se efectúa gracias a la fuerza de la gravedad, las unidades en las que selleva acabo esta operación son los desarenadores.

Los desarenadores pueden localizarse antes de todas las demás unidades de tratamiento ydespués del sistema de dilaceración y desbaste. El tipo de desarenador mas usado es el deflujo horizontal, en el cual el agua pasa a lo largo del tanque en dirección longitudinal. Estetipo de desarenador se diseña para una velocidad horizontal de flujo que permita eltransporte de la mayor parte de las partículas orgánicas, pero permitiendo el asentamiento dematerial pesado inorgánico., así por lo general se diseñan para remover todas las partículasde diámetro mayor de 0,21 mm; si se toma como referencia la arena con una densidadrelativa de 2,65, la velocidad de asentamiento es 1,15m / min.

11.5 NEUTRALIZACIÓN:

Un sin número de descargas industriales ocurren en condiciones de acidez o alcalinidad queson incompatibles con las normas de descarga o con los procesos biológicos o físicoquímicos posteriores. La neutralización es un proceso unitario y puede utilizarse para lossiguientes fines:

Ajuste final del pH del efluente último antes de la descarga al medio receptor: 5,5 - 9,0. Antes del tratamiento biológico: pH entre 6,5 - 8,5 para una actividad biológica óptima. Precipitación de metales pesados.

Se debe buscar producir un efluente neutro para lo cual se realiza una reacción con ácidos obases, los procedimientos más comunes son:

11.5.1. Neutralizar ácidos en lechos de caliza. La caliza se da en forma natural comopiedras y tal nombre se refiere al carbonato de calcio. Los lechos pueden ser tanto de flujoascendente como descendente.

Si hay ácido sulfúrico, la concentración de ácido no debiera exceder un 0,6% de H 2SO4 parano formar una capa excesiva de CaSO4 (no reactiva) y se debe vigilar que la evolución deCO2 no sea excesiva (pues produce un efecto tampón)




11.5.2. Mezcla de ácidos con lodos de cal. Se suele llamar "cal" al hidróxido de calcio,también citado como "cal viva" (cuando la "cal apagada" es el óxido de calcio). El grado deneutralización dependerá del tipo de cal utilizada. Si hay una fracción magnésica, la reacciónde neutralización es muy rápida y llega a pH menor que 4,2.

La reacción de la cal se acelera -como muchas otras- por calor y por agitación física. Ensistemas altamente reactivos, se requieren unos diez minutos. La cal se utiliza en lodos del 8a 15 %.

Otros agentes neutralizantes (alcalinos) típicos son el NaOH, el Na2CO3 o el NH4OH.

11.5.3. Neutralización de Residuos alcalinos, también llamados básicos . Se puede utilizarcualquier ácido fuerte. Por consideraciones prácticas, la elección se limita a considerar elácido sulfúrico (en la máxima dosis tolerable sin exceder la norma de descarga de sulfatos) yel ácido clorhídrico (para completar la neutralización). La reacción es prácticamenteinstantánea.

Si se dispone de gases de combustión con CO2 en el orden del 14%, se puede burbujeareste gas en la solución alcalina. El CO2 establece un equilibrio con gas carbónico, HCO3- cuya capacidad ácida se utiliza para neutralizar la carga alcalina. La reacción es -naturalmente- más lenta que la de los ácidos fuertes en fase líquida pero suele ser de muchomenor costo y aporta al abatimiento de la carga atmosférica de gases invernadero.

En una planta de aguas residuales el control de pH puede ser crítico, sin embargo esto no esfácil debido a:

Grandes fluctuaciones de caudal y pH en el afluente, lo que no permite un flujo uniformede neutralizante.

El pH de un afluente industrial puede variar con cinéticas tan altas como 1 unidad de pHpor minuto Una pequeña dosis de neutralizante debe mezclarse con una cantidad relativamente

enorme de líquido en un lapso breve.

LECCION 12. OPERACIONES DEL TRATAMIENTO PRIMARIO

El tratamiento primario tiene como objetivo la remoción por medios físicos o mecánicos deuna parte sustancial del material sedimentable o flotante, es capaz de remover no solamentela materia suspendida, sino también una fracción importante de la carga orgánica y quepuede representar entre el 25% y el 40% de la DBO y entre el 50% y el 65% de los sólidos

suspendidos. Las principales operaciones que conforman esta parte del tratamiento setienen:

12.1. SEDIMENTACIÓN

Es la separación por medio de asentamiento gravitacional, de las partículas en suspensiónmás pesadas que el agua.




La sedimentación se utiliza como operación en varias etapas de la depuración de aguasresiduales como en los desarenadores, decantación primaria luego de los procesosbiológicos y en la precipitación química entre otras.

La sedimentación puede ser muy diferente según el tamaño, peso y concentración de las

partículas del agua residual. Se pueden considerar cuatro tipos diferentes de sedimentación:1. Sedimentación Discreta2. Sedimentación floculante3. Sedimentación Zonal4. Sedimentación por compresión

Veamos los principios y diferencias de cada una de ellas.

12.1.1. Sedimentación Discreta. Aquí, las partículas sedimentan como entes individuales y

no hay interacciones entre ellas (no chocan); no cambian de tamaño, forma o densidad. Estetipo de sedimentación se produce de una forma única en los desarenadores.

En este caso la velocidad terminal de la partícula es:

(1)

donde v es la velocidad terminal; g la aceleración de gravedad; la densidad de la

partícula; la densidad del líquido; D el diámetro de la partícula y C d el coeficiente de

arrastre sobre la partícula. El coeficiente de arrastre se relaciona con las condiciones de flujo(mediante el número de Reynolds) pues puede ser resultado de las fuerzas viscosas o lasinerciales.

Así:Re < 1 Cd = 24/Re

Re > 1000 Cd = 0,4

1 < Re < 1000 Cd = 24/Re + 3/Re1/2 + 0,34

Para las condiciones de flujo Re < 1, Cd = 24/Re, recordando Re = ( * v* D) / , Remplazando en (1) se obtiene:

(2),




que constituye la ecuación que representa la ley de Stokes, y permite dimensionar el tanquede sedimentación.

La velocidad de caída de las partículas, se referencia contra una tasa de carga v 0 o tasa de

rebalse definida por la ecuación (3)

(3)

donde, Q es el flujo volumétrico a través del tanque, mientras que A es el área del mismo.

Todas las partículas cuya velocidad de sedimentación, v , exceda v 0 serán completamenteremovidas del caudal. Aquellas partículas cuya velocidad de sedimentación sea menor, seránparcialmente removidas en la razón de v/v 0 .

En general, en un residuo industrial que exceda la norma legal de sólidos suspendidos se

encontrará una diversidad de tamaños de partículas y el diseñador debe seleccionar aquellavelocidad de diseño que permite remover sólidos en el grado necesario, o buscar mediospara homogenizar un poco, por ejemplo, mediante desbaste o una filtración.

La profundidad de un sedimentador, por otra parte, se debe obtener de otrasconsideraciones, asociadas a:

Tiempo de residencia hidráulico que se puede sostener para el agua residual (porejemplo, en algunos casos se podría producir putrefacción);

Costos de construcción (la profundidad significa costos); con la capacidad de retencióndel sólido separado (a mayor volumen de estanque, mayor será la capacidad de retener elsedimento dentro del estanque, disminuyendo la frecuencia de retiro de ese material).

12.1.2. Sedimentación floculante. En ésta, los sólidos en suspensión se deben flocular,mediante una unión entre las partículas para que adquieran suficiente peso para sedimentar.Son sustancias mucho mas pequeñas que en el caso de sedimentación discreta

La gran mayoría de los sólidos presentes en las aguas residuales caen dentro de este tipo desedimentación, su carácter orgánico les da la posibilidad de adherirse entre sí, de esta formala velocidad de sedimentación aumenta a medida que descienden

Dada la naturaleza de las asociaciones entre partículas, no es posible calcular lasvelocidades de sedimentación con la ecuación de Stokes, y es necesario medirlas en unlaboratorio.




FIGURA No 20 MÉTODO PARA MEDIR VELOCIDAD DE SEDIMENTACIÓN

FLOCULANTE

La medición se realiza en una columna estándar, de unos 15 cm dediámetro y unos 2,5 m de altura. La columna debe disponer, cada 50cm, de salidas laterales para la toma de muestras a las que se lesdetermina el contenido de sólidos suspendidos. La figura de laderecha contiene una reseña de este tipo de columnas (dimensionesen centímetros).

En cada uno de los puntos de toma de muestras se colecta unpequeño volumen, a una frecuencia dada (cada 10 minutos, porejemplo), durante unas 2 horas (si fuese necesario). A estas muestrasse les determina el contenido de sólidos suspendidos, a fin deorganizar los puntos en una gráfica (o para alimentar un modelomatemático, que es lo mismo).Los puntos de dicha gráfica permiten diseñar un conjunto de curvassuaves que muestran los porcentajes de remoción en cada punto demuestra en función del tiempo. Estas curvas suaves indican lasvelocidades de sedimentación (para diversos tamaños de flóculos queno se especifican) que se utilizan para diseño (es decir, en el diseñose debe elegir a que velocidad de rebalse operar para remover unporcentaje de sólidos proyectado

Las tazas de rebalse pueden alcanzar valores entre 20 y 50 m3 /d/m2 (unidades que, de simplificar por m2, serían m/d; pero, se suelen usaren m3 /d/m2 a fin de enfatizar que se trata de la razón de caudalvolumétrico a área de sedimentación).

12.1.3. Sedimentación Zonal. En este tipo de sedimentación las partículas que precipitaninteractúan entre sí, de tal forma que una porción de ellas lo hacen con otra porción,sedimentando en conjunto como una unidad o zona espacial.

Este tipo de sedimentación se produce generalmente en los tanques de decantaciónsecundaria, posteriormente al tratamiento biológico, así como en los tanques desedimentación de la precipitación química.




12.1.4. Sedimentación por compresión. La comprensión implica la formación de unaestructura de partículas sedimentadas que precipitan al comprimirse adquiriendo una mayorestructura. La compresión ocurre por el peso de las partículas que sedimentan desde lasuperficie hacia los lodos.

Este tipo de sedimentación se produce poco en los tanques de tratamiento primario pero esmás importante en los de sedimentación secundaria y en los de precipitación química.

Conforme avanza la sedimentación, crece la densidad de sólidos en la parte inferior de lacolumna de líquido y este aumento de densidad dificulta la sedimentación. Además, en elfondo de la columna los sólidos se comprimen y forman una masa más bien espesa.

No es fácil encontrar los anteriores fenómenos de precipitación completamente puros; suelenocurrir algunos simultáneamente, como se evidencian en la figura 21.

LECCION 13. FLOTAClON

La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidaso líquidas de una fase líquida, mediante la introducción de pequeñas burbujas, normalmenteaire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas, y la fuerza ascensional queexperimenta el conjunto partícula-burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del

FIGURA No. 21 ESQUEMA DE LAS ZONAS DE SEDIMENTACIÓN PARA UNFANGO ACTIVADO.

Prof undida

d

Zona de Agua clarificada

Zona sedimentación discreta (tipo 1)

Zona sedimentación discreta (tipo 2)

Zona compresión(Tipo 4)

Zona sedimentaciónRetardada (Tipo 3)

TiempoCilindro




líquido. De esta forma, es posible llevar a la superficie partículas cuya densidad es mayorque la del líquido, de aquellas partículas con menor densidad como el caso de las de aceite.

En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de lamateria suspendida y para la concentración de los fangos biológicos La principal ventaja delproceso de flotación frente al de sedimentación consiste en que permite eliminar mejor y enmenos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta. Una vez laspartículas se hallan en superficie, pueden recogerse mediante rascado superficial.

La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas residualesse limita, en la actualidad, al uso del aire como agente responsable del fenómeno. Lasburbujas se añaden, o se induce su formación, mediante uno de los siguientes métodos:

1. Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de la presión aque está sometido el líquido (flotación por aire disuelto FAD).

2. Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).

3. Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del vacío al líquido(flotación por vacío).

En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y rendimiento mediantela introducción de aditivos químicos.

13.1. FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO FAD.

En los sistemas FAD (Flotación por Aire Disuelto), el aire se disuelve en el agua residual auna presión de varias atmósferas, y a continuación se libera la presión hasta alcanzar la

atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar a 275-230 kPamediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose el aire comprimido en latubería de aspiración de la bomba. El caudal se mantiene bajo presión en un calderín durantealgunos minutos, para dar tiempo a que el aire se disuelva, enseguida el líquido presurizadose alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cualprovoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujasdistribuidas por todo el volumen de líquido.

En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso de FAD(entre el 15 y el 20 %), el cual se presuriza, y se semisatura con aire. El caudal recirculado semezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la entrada al tanque de flotación, lo

que provoca que el aire deje de estar en disolución y entre en contacto con las partículassólidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la flotación por aire disueltose centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.

13.2. FLOTACIÓN POR AIREACIÓN.

En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen directamente enla fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireación directa durante




cortos periodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que lossólidos floten. La instalación de tanques de aireación no suele estar recomendada paraconseguir la flotación de las grasas, aceites y sólidos presentes en las aguas residualesnormales, pero ha resultado exitosa en el caso de algunas aguas residuales con tendencia agenerar espumas.

13.3. FLOTACIÓN POR VACÍO.

La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual (1) directamente en eltanque de aireación, o (2) permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración deuna bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma deburbujas diminutas, las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden a lasuperficie formando una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo derascado superficial. La arena y demás sólidos pesados, que se depositan en el fondo, setransportan hacia una zona central de fangos para su extracción por bombeo. En el caso de

que la instalación esté prevista para la eliminación de las arenas y si el fango ha de serdigerido, es necesario separar la arena del fango en un clasificador de arena antes delbombeo a los digestores.

LECCION 14. FILTRACION

La filtración se emplea, de modo generalizado, para conseguir una mayor eliminación desólidos en suspensión (incluida la DBO partículada) de los efluentes de los procesos detratamiento biológicos y químicos, y también se emplea para la eliminación del fósforoprecipitado por vía química.

La operación de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración(comúnmente llamada lavado a contracorriente). Mientras la descripción de los fenómenosque se producen durante la fase de filtración es, prácticamente, idéntica para todos lossistemas de filtración que se emplean para las aguas residuales, la fase de lavado esbastante diferente en función de sí el filtro es de funcionamiento continuo o semicontinuo. Talcomo expresan sus nombres, en los filtros de funcionamiento semicontinuo la filtración y ellavado son fases que se dan una a continuación de la otra, mientras que en los filtros defuncionamiento continuo ambas fases se producen de forma simultánea.

En los filtros semicontinuos la filtración en la que se elimina la materia particulada, se lleva acabo haciendo circular el agua través de un lecho granular, con o sin la adición de reactivos

químicos. Dentro del estrato granular, la eliminación de los sólidos en suspensión contenidosen el agua residual se realiza mediante un proceso en el que intervienen uno o másmecanismos de separación como el tamizado, interceptación, impacto, sedimentación yadsorción.

El final del ciclo de filtrado (fase de filtración), se alcanza cuando empieza a aumentar elcontenido de sólidos en suspensión en el efluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable,o cuando se produce una pérdida de carga prefijada en la circulación a través del lechofiltrante. Idealmente, ambas circunstancias se producen simultáneamente. Una vez se ha




alcanzado cualquiera de estas condiciones, se termina la fase de filtración, y se debe lavar elfiltro a contracorriente para eliminar la materia (sólidos en suspensión) que se ha acumuladoen el seno del lecho granular filtrante. Para ello, se aplica un caudal de agua de lavadosuficiente para fluidificar (expandir) el medio filtrante granular y arrastrar el materialacumulado en el lecho. Para mejorar y favorecer la operación de lavado del filtro, suele

emplearse una combinación de agua y aire. En la mayoría de las plantas de tratamiento deaguas residuales, el agua de lavado, que contiene los sólidos en suspensión que se eliminanen el proceso de filtración, se retorna a las instalaciones de sedimentación primaria o alproceso de tratamiento biológico.

14.1. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE FILTRACIÓN.

Los principales tipos de filtros de medio granular se clasifican atendiendo a:

(1) tipo de funcionamiento;

(2) tipo de medio filtrante empleado;

(3) sentido de flujo durante la fase de filtración;

(4) procedimiento de lavado a contracorriente

(5) método de control del flujo.

14.1.1. Según Tipo de funcionamiento. En relación con el tipo de funcionamiento, los filtrosse pueden clasificar en continuos y semicontinuos. Los filtros semicontinuos se mantienen enfuncionamiento hasta que se empieza a deteriorar la calidad del efluente o hasta que seproduce una pérdida de carga excesiva en el filtro .Cuando se alcanza este punto, se detiene

el filtro y se procede a su lavado para eliminar los sólidos acumulados. En los filtroscontinuos, los procesos de filtración y lavado se llevan a cabo de manera simultánea.

14.1.2. Según el Sentido del flujo durante la filtración. Los principales tipos de filtrosempleados para la filtración de efluentes de aguas residuales se pueden clasificar en filtrosde flujo ascendente y filtros de flujo descendente. El más común es el filtro de flujodescendente.

14.1.3. Según Tipos de materiales filtrantes y configuración de los lechos filtrantes. Losprincipales tipos de configuración de los lechos filtrantes empleados actualmente para lafiltración de aguas residuales se pueden clasificar en función del número de capas dematerial filtrante, lo cual da lugar a los filtros de una única capa, los de doble capa y los filtrosmulticapa. En filtros de flujo descendente convencionales, los tamaños de los granos de cadacapa se distribuyen, de menor a mayor, después del lavado a contracorriente. En los filtrosque cuentan con más de una capa, el grado en que se mezclan los materiales de lasdiferentes capas depende de la densidad y de la diferencia de tamaños entre los granos delmaterial que compone cada una de las capas.




Los lechos filtrantes de doble y triple capa, así como los de capa única profundos, sedesarrollaron para permitir que los sólidos en suspensión presentes en el líquido a filtrarpuedan penetrar a mayor profundidad dentro del lecho filtrante, con lo cual se aprovecha másla capacidad de almacenamiento de sólidos dentro del filtro. En cambio, en los filtros de capaúnica poco profundos, se ha podido comprobar que gran parte de la eliminación de sólidos

en suspensión se produce en los primeros milímetros de la capa filtrante. El hecho de que lossólidos penetren a mayor profundidad, también permite ciclos de filtración más largos, puestoque se reduce el ritmo de aumento de las pérdidas de carga producidas

14.1.4. Según Presión actuante en la filtración. Tanto la fuerza de la gravedad, como lacreada por una presión aplicada, se pueden emplear para vencer la resistencia por friccióncreada por el flujo que circula a través del lecho filtrante. Los filtros de gravedad del tipoindicado son los más comúnmente empleados en la filtración de efluentes tratados en plantasde tratamiento de gran tamaño. Los filtros a presión funcionan igual que los de gravedad y seemplean en plantas pequeñas .La única diferencia entre ambos consiste en que, en los filtrosa presión, la operación de filtrado se lleva a cabo en un depósito cerrado, bajo condicionesde presión conseguidas mediante bombeo. Los filtros a presión suelen funcionar conmayores pérdidas de carga máximas admisibles, lo cual conduce a ciclos de filtración máslargos y a menores necesidades de lavado.

14.1.5. Según variaciones de caudal: Se dividen en filtración a caudal constante y a caudalvariable.

Filtración a caudal constante. En el proceso de filtración a caudal constante elcontrol del caudal de entrada se realiza mediante vertederos o bombeo, mientras que elcontrol del caudal efluente se lleva a cabo mediante la instalación de una válvula deaccionamiento manual o automático. Al inicio del ciclo, gran parte de la fuerza actuantedisponible se disipa en la válvula, que se encuentra casi cerrada. Al irse incrementando la

pérdida de carga en el paso por el filtro, la válvula se va abriendo progresivamente. Dado quelas válvulas de control necesarias son elementos caros y que se han producido diversosproblemas de funcionamiento con estos elementos, se han desarrollado sistemas alternativosde control del caudal cuyo uso está más extendido, como los vertederos y los sistemas debombeo

Filtración a caudal variable. En el proceso de filtración a caudal variable, el caudalque pasa a través del filtro va disminuyendo conforme aumenta la pérdida de carga. Elcontrol del caudal que circula por el filtro también se puede llevar a cabo, tanto a la entradadel filtro como a la salida. Cuando el caudal alcanza el valor del caudal mínimo de proyecto,se detiene el filtro y se procede a su lavado.

14.2. VARIABLES DEL PROCESO DE FILTRACIÓN.

En la aplicación de la filtración para la eliminación de sólidos en suspensión remanentes, seha comprobado que las variables más importantes del proceso de diseño son, la naturalezade las partículas presentes en el agua a filtrar, el tamaño del material o materiales quecomponen el filtro, y el caudal de filtración.




14.2.1. Características del agua a filtrar. Las características más importantes del agua afiltrar son la concentración de sólidos en suspensión, el tamaño y la distribución de tamañosde las partículas, y la consistencia de los flóculos. Generalmente, la concentración desólidos en suspensión en el efluente de plantas de fangos activados y de filtros percoladoresvaría entre 6 y 30 mg/L. Debido a que esta concentración suele ser el parámetro de mayor

interés, para el control práctico del proceso de filtrado se suele emplear el valor de laturbidez. Se ha podido comprobar que, dentro de ciertos límites, existe una correlación entrela concentración de sólidos en suspensión en las aguas residuales tratadas y los valoresmedidos de la turbidez.

14.2.2. Características del medio filtrante. La característica del medio filtrante que másafecta al proceso de filtración es el tamaño del grano. El tamaño del grano afecta tanto a lapérdida de carga en la circulación del agua a través del filtro como a la tasa de variación dedicho aumento durante el ciclo de filtración .Si el tamaño de grano efectivo del medio filtrantees demasiado pequeño, la mayor parte de la fuerza actuante se empleará para vencer laresistencia de fricción provocada por el lecho filtrante, mientras que si el tamaño efectivo esdemasiado grande, muchas de las partículas de menor tamaño presentes en el agua a filtrarpasarán directamente a través del filtro sin ser eliminadas.

14.2.3. Velocidad de filtración. La velocidad de filtración es un parámetro importante porcuanto afecta a la superficie necesaria del filtro. Para una aplicación dada del filtro, lavelocidad de filtración dependerá de la consistencia de los flóculos y del tamaño medio degrano del lecho filtrante. Por ejemplo, si los flóculos son de débil consistencia, lasvelocidades de filtración elevadas tenderán a romper los flóculos y a arrastrar gran parte delos mismos a través del filtro. Se ha observado que las velocidades de filtración dentro delintervalo de 4,8 a 19,2 m3 /m2. h, no afectan la calidad del efluente del filtro, debido a lapropia resistencia del floculo biológico.

14.2.4. Mecanismos de eliminación de las partículas. Los principales mecanismos deeliminación y retención de partículas se resumen a continuación:

TABLA No. 13 MECANISMOS DE ELIMINACIÓN Y RETENCIÓN DE PARTÍCULAS

MECANISMO DESCRIPCION

RETENCION

MECANICA

Las partículas de mayor tamaño que el poro del medioson retenidas mecánicamente

CONTACTOALEATORIO

Las partículas de tamaño menor que los poros del mediofiltrante quedan atrapadas dentro del filtro por contactoaleatorio

SEDIMENTACIÓN Las partículas sedimentan sobre el medio filtrante

IMPACTO Las partículas pesadas no seguirán las líneas de corrientedel medio filtrante




INTERCEPCIÓN Muchas de las partículas que se mueven según las líneasde corriente se eliminan cuando entran en contacto con lasuperficie del medio filtrante

ADHESION Las partículas floculentas llegan a adherirse a la superficie

del medio filtrante al pasar por el. Dada la fuerza creadapor el agua que fluye, parte de la materia es arrastradaantes de quedar firmemente adherida y es transportada azonas mas profundas dentro del lecho. Al obturarse ellecho, la fuerza de arrastre superficial aumenta hasta unpunto en el que no se puede eliminar mas materia. Esposible que una cierta cantidad de material atraviese elfondo del filtro, causando la aparición de turbidez en elefluente.

ADSORCIÓN Una vez una partícula ha entrado en contacto con la

superficie del medio filtrante o con otras partículas, estaspueden ser adsorbidas por fuerzas químicas,electrostáticas, electrocinéticas.

FLOCULACION Las partículas mayores alcanzan a las menores, se juntancon ellas y forman partículas de tamaños aún mayores.Estas partículas son posteriormente separadas poralgunos de los mecanismos de eliminación indicadosanteriormente.

CRECIMIENTO

BIOLOGICO

El crecimiento biológico dentro del filtro reducirá el

volumen del poro y puede mejorar la eliminación departículas mediante alguno de los mecanismos deeliminación antes mencionados.

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Agua Residuales. Tomo 1, México 1996. Pág. 298.

LECCION 15 TRANSFERENCIA DE GASES - AIREACION

Otro de los procesos importantes es la transferencia de gases; ésta se puede definir como elfenómeno mediante el cual se transfiere gas de una fase a otra, normalmente de la fase

gaseosa a la líquida. Es una componente esencial de gran número de los procesos detratamiento del agua residual. Por ejemplo, el funcionamiento de los procesos aerobios, talescomo la filtración biológica, los fangos activados y la digestión aerobia, depende de ladisponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. Para alcanzar los objetivos dedesinfección se transfiere cloro en forma gaseosa a una disolución en agua. Es frecuenteañadir oxígeno al efluente tratado después de la cloración (postaireación). Uno de losprocesos de eliminación de los compuestos del nitrógeno consiste en la conversión delnitrógeno en amoníaco y la posterior transferencia del amoníaco al aire




A continuación se presentan los conceptos fundamentales de transferencia de gas desde lafase vapor a la fase disolución, estos aplican a un gran número de procesos fisicoquímicos, ybiológicos:

El proceso de la disolución de un gas en el agua se trata generalmente como una

transferencia de materia que ocurre en cuatro pasos: El primero implica el paso del gas através de la fase vapor hacia la interfase gas- liquido. El segundo corresponde a el paso delgas a través del vapor que forma la interfase gas- liquido, el tercero es la transferencia através de la película liquida situado en el liquido de la interfase, en el cuarto el gas debedispersarse en la masa principal de la solución. En la figura 22 se esquematiza este proceso.

Desde luego estos cuatro pasos se dan a velocidad diferente, por tanto la velocidad detransferencia estará controlada por el paso mas lento así: Cuando la masa principal de la

disolución en la cual el gas se esta disolviendo esta suficientemente agitada, la etapa quecontrola la velocidad en el proceso de transferencia global será posiblemente el paso del gasa través de la interfase gas-liquido, lo contrario ocurre si las condiciones son de estanqueidado muy poco agitados, en este caso el controlador de velocidad será el paso de gas a lasolución.

La aplicación más común de la transferencia de gases consiste en la transferencia deoxígeno, acá se relacionan diversas operaciones en las cuales se requiere:

FASEVAPOR

CONCENTRACION DEOXIGENO

PELICULA GAS

PELICULA LIQU

FASESOLUCION

x c

c

p

o

FIGURA No. 22 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA TRANSFERENCIA DELOXIGENO EN CUATRO PASOS DESDE LA FASE VAPOR A LAFASE SOLUCIÓN.




1. Durante un corto tiempo como pretratamiento para aumentar la eficacia de lostratamientos posteriores como oxidación biológica y sedimentación. La preaireación esparticularmente útil en caso que el agua de entrada carezca de oxigeno disuelto y existaelevada concentración de sulfuros disueltos.

2. La flotación con aire es otra aplicación, y se usa para eliminar grasa, sólidos y concentrarfangos.

3. En los procesos de tratamiento biológico el aire se utiliza con dos fines: primerosuministrar el oxigeno metabólico necesario en el tratamiento de los organismos, ysegundo procurar mezclado dentro de las cámaras. Algún tipo de aireación forzada seutiliza para tanques de aireación de fangos activados, lagunas de aireación y en fosas deoxidación, con estos propósitos.

El aire es una mezcla de gases, compuesto principalmente por nitrógeno (79 %) y oxigeno(21 %) con menores porcentajes de anhídrido carbónico, agua y gases nobles. La solubilidaddel mismo en el agua se puede definir por la ley de Henry, la cual establece que para

soluciones diluidas en equilibrio, la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a lapresión parcial del gas en equilibrio con la solución. Matemáticamente se expresa:

Pi = K” * Xi;

Pi = Presión parcial del gas.

Xi = Fracción molar del gas disuelto en el Líquido.

K” = es la constante de proporcionalidad, depende de la naturaleza del gas y latemperatura.

La ley de Henry solo se cumple para soluciones diluidas, y su aplicación se extiende a gascomo O2, N2, H2 y He en agua. Es más común expresar la solubilidad de un gas en unlíquido, en función de la concentración en mol/L, en este caso la ley de Henry se puedeescribir como:

S = Kh * Pi,

Donde S es la concentración del gas en la solución, Pi la presión parcial del gas y Kh, laconstante de proporcionalidad o coeficiente de absorción.

La solubilidad es función de la presión parcial del gas presente en la atmósfera que esta encontacto con el agua, de la temperatura del agua y de la concentración de impurezas. Lasolubilidad de un gas disminuye al aumentar la temperatura y la concentración de impurezasiónicas. La tabla No. 14 se ilustra el efecto de la temperatura sobre la solubilidad, loscoeficientes de absorción Kh, de los diferentes componentes del aire.




TABLA No. 14 SOLUBILIDADES DE GASES EN EL AGUA PARA DIFERENTESTEMPERATURAS

Temperatura Coeficiente de absorción (ml/L)°C °F Aireb Oxigeno Nitrógeno Dióxido de

carbono0510152025303540

3241505968778695104

29,225,722,820,618,717,115,6--

48,942,938,034,231,028,326,124,423,1

23,520,918,616,915,514,313,412,611,8

1713142411941019878759665592530

a Handbook of Chemistry and Physicsb Sin dióxido de carbono y amoníacoFuente: Walter J. Weber. Control de la Calidad del Agua. Procesos fisicoquímicos. Pág. 527

Dada la reducida solubilidad del oxígeno y por tanto la baja velocidad de transferencia, enmuchas ocasiones la cantidad de oxígeno que penetra en el agua a través de la interfaseaire-superficie del líquido no es suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno deltratamiento aerobio, es preciso generar condiciones adicionales para aumentar latransferencia de oxigeno, inyectando burbujas de oxígeno puro, o atomizando el aguapermitiendo mayor área de contacto entre aire – agua.

En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales, la aireación se lleva a cabomediante la dispersión de burbujas sumergidas a profundidades de hasta 10 m. En algunosdiseños se han llegado a introducir las burbujas a profundidades superiores a los 30 m. Losdiferentes sistemas de aireación incluyen placas y tubos porosos, tubos perforados, ydiferentes configuraciones de difusores metálicos y de plástico. También se pueden emplearaparatos de cizalladura hidráulica, que rompen las burbujas en burbujas de menor tamaño alhacer circular el fluido a través de un orificio. Los mezcladores de turbina se pueden emplearpara dispersar burbujas de aire introducidas en el tanque bajo el centro del elementoimpulsor.

Los aireadores de superficie, método alternativo para la introducción de grandes cantidadesde oxígeno, consisten en turbinas de alta o de baja velocidad o en unidades flotantes de altavelocidad que giran en la superficie del líquido parcialmente sumergidas. Estos aireadores se

proyectan, tanto para mezclar el contenido del tanque, como para exponer el líquido a laacción de la atmósfera en forma de pequeñas gotas. En la tabla 15 se relacionan estossistemas:




TABLA No. 15 TIPOS DE AIREADORES

Clasificación Descripción Uso o aplicación

Sumergido

Poroso (burbujasFinas)

Burbujas Generadas por tubos y placasde cerámica porosos, fabricados conproductos cerámicos vitrificados yresinas

Todos los procesos defango activado

Poroso (burbujasMedianas)

Burbujas generadas con membranaselásticas o tubos de plástico perforados


No poroso (burbujasgruesas)

Burbujas generadas con orificiosinyectores y toberas


Mezclador estático Tubos cortos con deflectores interiores

diseñados para retener el aire inyectadopor la parte inferior del tubo en contactocon el agua.

Laguna de aireación y

procesos de fangoactivado

Turbina sumergida Consiste en una turbina de bajavelocidad y sistema de inyección de airecomprimido


Tobera a chorro Aire comprimido inyectado en el liquidomezcla al ser bombeado bajo presión através de una tobera


Turbina de bajavelocidad

Turbina de gran diámetro utilizada parapromover la exposición de las gotas deliquido a la atmósfera

Laguna de aireación yprocesos de fangoactivado

Aireador flotante dealta velocidad

Hélice de pequeño diámetro que se usapara promover la exposición de lasgotas de agua a la atmósfera

Lagunas aireadas

Aireador de rotorhorizontal

Las paletas montadas sobre un ejecentral giran en el seno líquido. El

oxigeno se introduce en un liquido por laacción de salpicadura creada por laspaletas y por la exposición de las gotasdel liquido a la atmósfera

Zanja de oxidacióncanales de aireación y

lagunas aireadas

Cascada El agua residual fluye por encima deuna lámina, en cascada a baja altura.

Post-aireación

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 316




15.1. COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN

La Coagulación consiste en la desestabilización de las partículas coloidales, empleandoproductos químicos (coagulantes) que neutralizan la carga eléctrica de los coloides; laFloculación consiste en la agrupación de las partículas coloidales desestabilizadas,formando agregados de mayor tamaño denominados “flóculos”, los cuales sedimentan por gravedad. Para favorecer la formación de flóculos más voluminosos y mejorar susedimentación, se suelen utilizar determinados productos químicos (floculantes),generalmente de naturaleza polimérica. Estos floculantes establecen puentes de unión entrelos flóculos inicialmente formados. La coagulación es un proceso químico mientras lafloculación es una operación unitaria.

Los principales compuestos químicos usados como coagulantes se relacionan en la tabla

No. 16

TABLA No. 16 PRODUCTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL TRATAMIENTO DEL

AGUA RESIDUAL

Producto químico Fórmula

Sulfato de alúmina Al2(S04)3 18H2O

Al2(S04)3. l4H2O

Cloruro férrico FeCI3

Sulfato férrico Fe2(S04)3

Fe2(S0)3 3H20

Sulfato ferroso(caparrosa)

FeS04. 7 H20

Cal Ca(OH)2

Fuente: Metcalf & Eddy Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 1. 1996. Pág. 346.




Sulfato de alúmina. Sí el agua contiene alcalinidad en forma de bicarbonatos decalcio o magnesio la reacción es la siguiente:

El hidróxido de aluminio insoluble es un floculo gelatinoso que sedimenta lentamente en elagua residual, arrastrando materia suspendida.

Cal. Las reacciones son las siguientes:

Sulfato de hierro y cal.

La reacción del sulfato en ausencia de cal es:

Si es agregada cal en forma de hidróxido:

Posteriormente ocurre una oxidación del hierro gracias al oxigeno disuelto en el agua:

Al2(S04)3. 18 H20 + 3 Ca(HCO3)2 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6 CO2 + 18 H20

Ca(OH)2 + H2C03 CaCO3 + 2 H2O

Ca OH + Ca HCO 2 CaCO + 2 H 0

FeSO4 .7 H2O + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7 H2O

Fe(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 Fe(OH)2 + 2 CaCO3 + 7H20




El hidróxido férrico es insoluble, forma un floculo que precipita.

Cloruro de hierro:

Cloruro de hierro y cal

Lo anterior permite concluir que la precipitación química es una consecuencia de losprocesos de floculación y coagulación, busca la eliminación de la materia en suspensión ofloculos, es básicamente una operación de sedimentación floculenta.

El grado de clarificación resultante depende tanto de la cantidad de productos químicos quese añade como del nivel de control de los procesos. Mediante precipitación química, esposible conseguir efluentes clarificados básicamente libres de materia en suspensión o enestado coloidal y se puede llegar a eliminar del 80 al 90 % de la materia total suspendida,entre el 40 y el 70 % de la DBO5, del 30 al 60 % de la DQO y entre el 80 y el 90 % de lasbacterias. Estas cifras contrastan con los rendimientos de eliminación de los procesos desedimentación simple, en los que la eliminación de la materia suspendida sólo alcanzavalores del 50 al 70 % y en la eliminación de la materia orgánica sólo se consigue entre el 30y el 40 %.

La eficiencia de los procesos de coagulación floculación y precipitación dependen en granmedida de las condiciones de reacción, y la facilidad de contacto entre reactivos, esto selogra mediante un buen mezclado, siendo esta otra operación de gran importancia en eltratamiento de aguas residuales.

FeCI3 + 3H20 Fe(OH)3 + 3H+ + 3 Cl-

3H

+

+ 3HCO3

-

3H2CO3

Fe(OH)2 + O2 4 Fe(OH)2 + 2H20

2 FeCI3 + 3 Ca(OH)2 3 CaCl2 + 2Fe(OH)3




15.2. MEZCLADO

La mayoría de las operaciones de mezclado relacionadas con el tratamiento de las aguasresiduales puede clasificarse en mezcla rápida (30 segundos o menos) y mezcla continua.La primera suele emplearse la coagulación para producir la precipitación química (reaccióndel coagulante con las impurezas del agua), mientras que el segundo tipo de mezclado seaplica en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del reactoro del depósito. En los siguientes apartados se analiza cada uno de estos tipos de mezclado.

15.2.1. Mezcla rápida de productos químicos. En el proceso de mezcla rápida, el principalobjetivo consiste en homogenizar completamente una sustancia con otra. Puede durar desdeuna fracción de segundo hasta 30 segundos, mediante el uso de diversos sistemas, entreellos:

1. Resaltos hidráulicos en canales2. Dispositivos Venturi3. Conducciones4. Por bombeo5. Mediante mezcladores estáticos6. Mediante mezcladores mecánicos

En los cuatro primeros, el mezclado se consigue como consecuencia de las turbulencias quese crean en el régimen de flujo. En los mezcladores estáticos, se producen comoconsecuencia de la disipación de energía, mientras que en los mezcladores mecánicos seconsiguen mediante la aportación de energía con impulsores giratorios como las paletas,hélices y turbinas.

15.2.2. Mezcla continua en reactores y tanques de retención. En el proceso de mezclacontinua, el principal objetivo consiste en mantener en un estado de suspensión total dentrodel tanque de retención. El mezclado continuo puede llevarse a cabo mediante sistemascomo:1. Los mezcladores mecánicos2. Mecanismos neumáticos3. Mezcladores estáticos4. Por bombeo.

Entre los mas usados están: canales con pantallas deflectoras, agitadores de paletas, estosgiran lentamente puesto que tienen una superficie grande de acción sobre el fluido. Losagitadores de paletas se emplean como elementos de floculación cuando se añaden al aguaresidual, o a los fangos, coagulantes como el sulfato férrico o de aluminio, o adyuvantes a lacoagulación como los polielectrolitos y la cal.

La coagulación se promueve, mecánicamente, con una agitación moderada con palasgirando a velocidades bajas. Esta acción se complementa, en ocasiones, con la disposiciónde unas hojas o láminas estáticas entre las palas giratorias para reducir el movimientocircular de la masa de agua y favorecer así el mezclado. El aumento del contacto entrepartículas permiten incrementar el tamaño del floculo, pero una agitación demasiado vigorosapuede producir tensiones que destruyan los flóculos formando partículas de menor tamaño.Es importante controlar adecuadamente la agitación, de modo que los tamaños de los




flóculos sean los adecuados y sedimenten rápidamente, requiriendo generalmente de untiempo de retención entre 10 y 30 minutos.

Los fabricantes de equipos han llevado a cabo numerosos estudios para obtener lasconfiguraciones idóneas de las dimensiones de las paletas, separación entre ellas yvelocidad de rotación. Se ha podido constatar que una velocidad lineal de aproximadamente,0,6 a 0,9 m/s en los extremos de las paletas crea suficiente turbulencia sin romper losflóculos.

AUTOEVALUACION 3

1. En la siguiente tabla se encuentran diferentes operaciones y procesos unitarios, usteddeberá hacer una pequeña descripción, y clasificarlo como operación o proceso en lasiguiente columna; inicialmente no emplee ninguna ayuda bibliográfica, compare con suequipo de trabajo sus respuestas y con ayuda del tutor revise y complemente la actividad.

NOMBRE DESCRIPCION CLASIFICACION(OPERACIÓN O PROCESO)

FILTRACIONSEDIMENTACIONCOAGULACIONNEUTRALIZACIONHOMOGENIZACIONRESPIRACIONCRIBADOCOMBUSTIONINOCULACION

DESBASTEOZONIZACIONFERMENTACIONMEZCLADOFLOCULACIONFLOTACIONTAMIZADOCLORACIONNITRIFICACIONADSORCIONABSORCION

EVAPORACIONOXIDACIONEUTROFIZACION




2. Con ayuda de consulta bibliográfica (textos de fisicoquímica, Internet), en pequeñosgrupos colaborativos diligencie el siguiente cuadro:

OPERACION PRINCIPIO DEOPERACION CRITERIOS DEDISEÑO EJEMPLO DE APLICACIÓN

SEDIMENTACIONFLOTACIONFLOCULACIONFILTRACION

Preséntelo a su tutor para evaluación y retroalimentación.

Es importante anotar las fuentes bibliográficas en el documento.




UNIDAD DOS : TRATAMIENTO SECUNDARIO Y

TERCIARIO DEL AGUA RESIDUAL

CONTENIDO DE LA UNIDAD

CAPÍTULO 1. TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESDUAL

CAPÍTULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO

CAPITULO 3. TRATAMIENTO TERCIARIO




CAPITULO I : TRATAMIENTO BIOLOGICO DEL AGUA RESIDUAL

INTRODUCCIONLa comprensión y aplicación de los procesos biológicos al tratamiento de aguas residuales,requiere conocer los principios y fundamentos que nos ofrecen la bioquímica y labiotecnología, en este capitulo solo se esbozarán algunas generalidades por lo cual usteddeberá reforzar estos conceptos en los módulos respectivos.

El objetivo principal del tratamiento biológico del agua residual es la eliminación de materiaorgánica así como de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, mediante la acción dediferentes microorganismos presentes en el agua, principalmente bacterias y hongos. Parafacilitar el estudio, éste capítulo se ha dividido en tres secciones:

1. Características de los principales microorganismos presentes en el agua residual.2. Metabolismo microbiano: Digestión aerobia3. Metabolismo microbiano: Digestión anaerobia.

OBJETIVOS

GENERAL

Comprender y explicar la forma en que los microorganismos presentes en el agua residualdegradan la materia orgánica.

Describir y aplicar las diferentes operaciones relacionadas con los procesos biológicosutilizados en el tratamiento de aguas residuales.

ESPECIFICOS

Caracterizar los principales microorganismos presentes en el agua residual. Describir los procesos metabólicos de los microorganismos. Identificar las diferencias entre procesos aerobios y anaerobios.

Identificar las diferentes reacciones, productos de la descomposición biológica Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleando

procesos biológicos. Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías. Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos.




LECCION 16. MICROORGANISMOS PRESENTES EN EL AGUA RESIDUAL.

Los seres vivos se dividen en tres reinos: animal, vegetal y protisto, este último es el denuestro interés. Ver Tabla No.17, a su vez el reino protisto contiene micro-organismos

subdivididos en: Procariótidos o micro-organismos unicelulares sin verdadero núcleo,comprenden las bacterias y las algas verde-azules y los eucarióticos o micro-organismos decélulas con “verdadero” núcleo, como son las algas, los hongos y los protozoos.

TABLA No. 17 CLASIFICACIONES DE LOS ORGANISMOSGRUPO ESTRUCTURA

CELULARCARACTERISTICAS MIEMBROS

REPRESENTATIVOSEUCARIOTAS

EUBACTERIAS

ARQUEBACTERIAS

EUCARIOTICA(Contiene núcleoverdadero encerradodentro de una

membrana nuclear)

PROCARIOTICA(Sin membrananuclear)

PROCARIOTICA(Sin membrananuclear)

Multicelulares condiferenciación amplia decélulas y tejido.Unicelulares o

miceliales con poca oninguna diferenciaciónde tejido.Química celular similara los eucariotas.

Química celularcaracterística.

PlantasAnimales

Protistas (alga

hongos, protozoos).

Bacterias

MetanógenasHalófilasTermacidófilas

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág. 189.

Desde el punto de vista del modo de obtención de energía para las reacciones metabólicas yla síntesis de nuevo material celular, los organismos vivos se dividen en autótrofos yheterótrofos. Los organismos autótrofos obtienen su energía directamente de la luz solar opor reacciones inorgánicas.

Los organismos autótrofos tienen la propiedad de convertir compuestos inorgánicos oxidadosen compuestos orgánicos que almacenan la energía de la luz solar o de las reacciones deoxido-reducción en enlaces químicos de alta energía. El CO2 es para ellos, la fuente delcarbono orgánico y en general, de toda la biomasa existente en la tierra. Así mismo son losque fijan la energía solar e inician el ciclo de transmisión de energía a través de la cadena

alimentaría o cadena trófica, que da vida al resto de organismos.

Los organismos heterótrofos sólo pueden obtener energía a través de la oxidación de materiaorgánica, es decir, requieren compuestos sintetizados por organismos autótrofos. Estosorganismos obtienen el carbono orgánico de compuestos orgánicos al degradarlosobtienen la energía para sobrevivir.

Los micro-organismos, tanto eucarióticos como procarióticos, pueden obtener energía demanera autótrofa o heterótrofa como sus diferencias taxonómicas son mas importantes que




el modo de alimentación, no se pueden clasificar como animales o vegetales sino en el reinoprotisto.En el agua residual se encuentran diferentes tipos de microorganismos, bacterias, hongos,algas, protozoos, siendo las bacterias las que en mayor porcentaje actúan y degradan lamateria orgánica.

16.1. BACTERIAS

16.1.1. Características Generales. Las bacterias son organismos procariotas unicelulares,de forma esférica, cilíndrica o helicoidal. Las esféricas pueden estar individualmente (cocos),por pares (diplococos) o formando cadenas (estreptococos) y ramilletes (estafilococos). Lascilíndricas pueden venir individualmente (bacilos) o en cadenas (estreptobacilos); lasespirales (espirilos) se mantienen desunidas de otras compañeras generalmente.

En general, las bacterias tienen una membrana celular (citoplasma) y contiene unasuspensión coloidal de proteínas, carbohidratos, y otros compuestos orgánicos. La

concentración interna de sales del citoplasma es mucho mayor que la del medio que larodea, esto hace que la presión osmótica hacia el exterior sea grande, por lo cual sonnecesarias la pared celular y la cápsula para conservar la forma.

Dentro del citoplasma se encuentran los ribosomas, cuerpos que contienen ácidoribonucléico ARN, parte principal de la maquinaria de síntesis de proteínas. También en suinterior se encuentra la zona del núcleo, no completamente definida, y muy rica en ácidodesoxiribonucléico ADN. El ADN contiene toda la información genética para la reproduccióny se considera como la clave fundamental de la vida.

Las bacterias están compuestas en un 75-80% de H2O y un 20% de material seco, del cual el80-90% es orgánico y el resto inorgánico. La composición química aproximada es C

5H

7NO

2,

lo que significa que aproximadamente la mitad de la parte orgánica es carbono. Loscompuestos inorgánicos principales son: P2O5, SO3, Na2O , CaO , MgO , K2O y Fe2O3

El medio ambiente de las bacterias es muy importante para su supervivencia. El pH debeestar preferiblemente entre 6,5 y 7,5. La temperatura puede fluctuar entre -2°C y 75°C deacuerdo con la subdivisión mostrada en la Tabla No. 18, según el rango de temperatura parala supervivencia. Las tasas de reacción metabólicas, en general, se duplican con unincremento de 10°C dentro de los rangos presentados.

TABLA No. 18 Rangos típicos de temperatura para las bacterias

TIPO DE BACTERIA RANGO DE TEMPERATURA (°C)GENERAL OPTIMOCriofílicasMesofílicasTermofílicas

2 – 2020 – 4545 – 75

12 – 1825 – 4055 – 65

Fuente: OROZCO JARAMILLO, Alvaro. Tratamiento Biológico de las Aguas Residuales.Universidad de Antioquia. Pág. 183




Las bacterias son principalmente heterótrofas, o también autótrofas. Las más comunes entrelas autótrofas son quimiosintéticas, pero algunas son fotosintéticas (bacteria Púrpura delAzufre y la bacteria Verde del Azufre).

16.1.2. Crecimiento Bacteriano. El número de microorganismos presentes en el agua

residual (principalmente bacterias), resulta fundamental en el porcentaje de remoción demateria orgánica, estos organismos requieren unas condiciones especiales para sureproducción y alimentación, como todo ser vivo nacen, crecen, se reproducen y mueren.Desde el punto de vista de población microbiana y disponibilidad de alimento se diferenciancuatro fases: figura 23

1. Fase de Retardo: Tiempo requerido por las bacterias para aclimatarse al nuevo medio.

2. Fase de crecimiento exponencial: En esta fase existe una cantidad excesiva de alimentoalrededor de los microorganismos, el único limitante en su crecimiento es su propiacapacidad de metabolizar el alimento (substrato).

3. Fase Decreciente: La masa de bacterias disminuye como consecuencia de la limitadadisponibilidad de alimento.

4. Fase endógena: Los microorganismos se ven forzados a metabolizar su propioprotoplasma sin reposición del mismo debido a la escasez de alimento. En esta etapa losnutrientes que quedan en las células muertas se difunden proporcionando alimento a lascélulas vivas.

Tiem o

Fase de Muerte

Fase de Crecimientoexponencial

Fase estacionaria

N u m

e r o r e l a t i v o d e m i c r o o r g a n i s m o s

F a s e d e r e t a r d o

FIGURA No. 23 ETAPAS DEL DESARROLLO MICROBIANO




LECCION 17. OTROS TIPOS DE MICRO-ORGANISMOS

Existen otros micro-organismos del reino protisto de interés para el Tratamiento de aguasresiduales, las consideraciones generales en cuanto a composición celular, métodos deobtención de energía y respiración, etc., son bastante similares a las explicadas para las

bacterias, pero otras características difieren fundamentalmente, por lo que conviene darlesun vistazo por separado. Así:

17.1 HONGOS.

Los hongos pueden ser considerados como microorganismos multicelulares y heterótrofos.La mayoría de los hongos son estrictamente aerobios y pueden tolerar ambientes de bajopH, con rango general de 9,0 - 2,0 y un valor óptimo del pH de 5,6. Además son de bajosrequerimientos de nitrógeno, por lo que pueden competir favorablemente con las bacterias enambientes ácidos con bajo contenido de nutrientes. Tienden a crecer en formas filamentosasllamadas micelios, que se componen de unidades microscópicas llamadas hopas. No

sedimentan bien y por ser filamentosos tienen una relación área de absorción a volumen demicro-organismos baja, aunque son eficientes para la remoción de materia orgánica.

17.2. ALGAS

Son micro-organismos multi o unicelulares, autótrofos y fotosintéticos. Son indeseables parael suministro de agua potable, pero esenciales en los sistemas de tratamiento por lagunas deoxidación, para la producción de O2 que requerirán las bacterias en lagunas aerobias yfacultativas.

LECCION 18. METABOLISMO MICROBIANO

Las bacterias son las grandes responsables de la descomposición o estabilización de lamateria orgánica, la cual es medida a través de la DBO y/o DQO.

El metabolismo consiste en la utilización por parte de las bacterias, de la materia orgánicacomo fuente de energía y carbono para generar nueva biomasa. Cuando la materia orgánicaes metabolizada, parte de ella es transformada químicamente a productos finales, en unproceso que es acompañado por la liberación de energía llamado “Catabolismo”. Otroproceso denominado “Anabolismo ó Síntesis” ocurre simultáneamente, donde parte de lamateria orgánica se transforma en nuevo material celular (ver Figura 24).




El anabolismo es un proceso que consume energía y solamente es viable si el catabolismoestá ocurriendo para proporcionarle la energía necesaria para la síntesis celular. Por otrolado, el catabolismo solo es posible si existe la presencia de una población bacteriana viva.

El catabolismo se divide en dos procesos fundamentalmente diferentes: (1) CatabolismoOxidativo y (2) Catabolismo Fermentativo. El catabolismo oxidativo es una reacción redox,donde la materia orgánica es el reductor que es oxidada por el oxígeno, nitrato o sulfato,pero si es el nitrógeno la reacción es anóxica. El catabolismo fermentativo se caracteriza porno haber presencia de un oxidante: el proceso resulta en un reordenamiento de loselectrones de la molécula fermentada de un modo tal que se forman como mínimo dosproductos. Generalmente son necesarias varias fermentaciones para que se formenproductos estables.

Para comprender mejor estos fenómenos recuerde, la sustancia que se oxida pierde unelectrón, que debe ser recibido por el aceptor, que a su vez se reduce. Generalmente lamateria orgánica cede el electrón a través de la cesión de hidrógeno, por lo cual el procesode oxidación también se llama deshidrogenación.

Cuando el aceptor de hidrógeno es oxígeno molecular, se dice que hay respiración aerobia,la cual es llevada a cabo por las bacterias aeróbicas. Por ejemplo en el proceso denitrificación de NH3 por las nitrosomonas el O2 recibe H2 para formar H2O, como sigue:

ANABOLISMO

CATABOLISMO

CELULAS NUEVAS

PRODUCTOS + ENERGIA

ENERGIA PARA EL

AMBIENTE

DECAIMIENTO

BACTERIANO

RESIDUO

METABOLISMO

MATERIA OGANICA

FIGURA No. 24 REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DEL METABOLISMO




Cuando el aceptor de H2, no es oxígeno molecular, se dice que el proceso de oxidación esanaerobio y realizado por las bacterias anaerobias. Si no existe aceptor de H2 externo, sinoque un compuesto orgánico se divide en dos, uno más oxidado y otro más reducido, se diceque hay fermentación como en el caso de la glucólisis que se puede resumir como sigue:

Si hay un compuesto aceptor de hidrógeno, distinto del O2 se dice que hay respiraciónanaerobia, como en el caso de la desnitrificación:

El ión nitrato se comporta como un aceptor de hidrógenos.

Las bacterias anaerobias llevan a cabo la fermentación y la respiración anaeróbica. Ciertasbacterias pueden sobrevivir en ambiente aerobio y anaerobio y entonces son llamadasbacterias facultativas. Este último tipo de bacterias es el más importante para el Tratamientobiológico, pues en él se desarrollan ambos ambientes sucesivamente, por lo que bacteriasfacultativas son las que prosperan principalmente.

LECCION 19. DIGESTIÓN AEROBIA

En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como elcatabolismo oxidativo requiere de la presencia de un oxidante de la materia orgánica, el cualno se encuentra en las aguas residuales, siendo suministrado. La forma más conveniente dehacerlo es disolviendo oxígeno del aire mediante la aireación mecánica, lo que implica altoscostos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO

Nitrosomonas2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + energía

C6H12O6 CH3CH2OH + 2CO2 + 57kcal

Glucosa etanol dióxido de Carbono energía

(Oxidación intermedia) (producto reducido) (producto oxidado)

6NO-3 + 5 CH3OH 5 CO2 + 3N2 + H2O




de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de materialvivo que debe ser estabilizado.

La composición química de la materia orgánica se puede expresar como CxHyOzN(sustrato) por lo que se puede expresar la reacción de remoción así:

Por las características de la materia orgánica, en el laboratorio esta es medida a través desólidos suspendidos volátiles (SSV), si se considera la composición C5 H7 N O2 se puedeestimar la demanda de oxigeno estequiometricámente como sigue:

El factor gravimétrico correspondiente es:

5 x 32 g O2 g O2 ---------------- = 1,42 ------------------;113 g SSV g SSV

esto quiere decir que por cada gramo de sólidos suspendidos volátiles se requieren 1,14gramos de oxígeno, por ello, para que el proceso se de en forma aerobia, es necesario elsuministro continuo suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno, esto se puede hacercon agitadores o difusores (proceso de lodos activados). También puede ser llevado a caboen reactores de medio fijo, efectuando aireación por contacto con el aire (filtros biológicos), elproceso microbiológico en sí es similar en todos los casos y puede ser explicado con losmismos fenómenos.

C5 H7 N O2 + 5 O2 5CO2 + 2H2O + NH3

MATERIA

ORGANICA Microorganismos

Aerobios

CO2 + H2O +microorganismos+ O2

FIGURA No. 25 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA.

CxHyOzN + n O2 C5 H7 N O2 + CO2 + H2O

Sustrato + oxígeno micro-organismos




19.1. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN AEROBIA

NITRIFICACION: El nitrógeno puede encontrarse en las aguas como nitrógenoorgánico, nitrógeno amoniacal, nitritos y nitratos. En aguas residuales no tratadas la mayor

parte del nitrógeno se encuentra como nitrógeno orgánico y como nitrógeno amoniacal. Enaguas residuales tratadas básicamente aparece como nitrógeno amoniacal.

En la naturaleza, el nitrógeno amoniacal y el orgánico se transforman primero en nitritos yposteriormente en nitratos; estas reacciones se producen con consumo de oxígeno. Si elagua residual, antes o después de un tratamiento, se vierte al medio ambiente, concontenidos elevados de nitrógeno en forma orgánica, amoniacal o nitritos, existirá una fuerte

Lisis y autooxidación

Nitrógeno orgánico(proteínas y urea)

Descomposición

Bacterianae hidrólisis

Nitrógeno amoniacal Nitrógeno orgánico(células bacterianas)

Nitrógeno orgánico(Crecimiento neto)

Nitrito (NO-2)

Nitrato (NO-3)

Nitrógeno gas (N2) Desnitrificación

Carbono Orgánico dación

O2

O2

NITRIFICACIÓN

FIGURA No. 26 TRASFORMACIONES DEL NITROGENO EN LOSPROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO




demanda de oxigeno. En aguas residuales de este tipo el problema puede evitarse mediantela transformación de los distintos compuestos de nitrógeno en nitratos o eliminando elnitrógeno del agua.

El sistema de nitrificación en cultivos en suspensión consiste en un tratamiento biológico

mediante microorganismos (bacterias nitrificantes autótrofas aerobias), estosmicroorganismos están presentes en casi todos los procesos aerobios de tratamientobiológico, pero con un número limitado.El grado de nitrificación dependerá del mantenimiento de las condiciones adecuadas para el

crecimiento de las bacterias nitrificantes; por ejemplo, en climas cálidos se consigueaumentando el tiempo de retención celular y el suministro de aire.El proceso de nitrificación depende principalmente de las siguientes variables: relaciónDBO/NKT (nitrógeno Kjeldahl total), concentración de oxigeno disuelto, temperatura y pH.

La fracción de microorganismos nitrificantes depende de la relación de DBO/NKT, de talforma que para valores comprendidos entre 1 y 3, la fracción de microorganismos

nitrificantes se encuentra entre 0,210 y 0,083. Para relaciones de DBO/NKT mayores que 5,la fracción de microorganismos nitrificantes decrece a partir de un valor aproximado de0,054, En la tabla No. 19 se relaciona.

TABLA No. 19 RELACIÓN ENTRE LA FRACCIÓN DE ORGANISMOS NITRIFICANTES YLA RELACIÓN DE DBO/NKT DE LAS AGUAS RESIDUALES

Relación

DBO/NKT

Fracción de

nitrificantes

Relación

DBO/NKT

Fracción de

nitrificantes

0,5

1,0

2,0

3,0

4,0

0,5

0,1

0,12

0,083

0,.064

5

6

7

8

9

0,054

0,043

0,037

0,033

0,029

Fuente: Metcalf & Eddy. Ingeniería de Aguas Residuales. Tomo 2. 1996. Pág. 791.

El aumento de temperatura de los sistemas ejerce un efecto importante en el aumento de lastasas de nitrificación, de igual forma para un pH comprendido entre 7,2 y 9,0 se encuentraque la tasa de nitrificación es máxima, manteniendo las otras variables.




LECCION 20. DIGESTIÓN ANAEROBIA

La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobiode las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica ametano y de CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones

bacterianas.

En la reacción se puede apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamientoanaerobio de aguas residuales, comparando el balance de DQO del tratamiento de ladigestión aerobia y anaerobia (ver Figura 28 y 29), se observa la gran producción de lodosoriginados en la digestión aerobia (50%), respecto al 10 % de la anaerobia. Esto ocurreporque la digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de lamateria orgánica, como no hay presencia de un oxidante en el proceso. En vista de que nohay oxidación, se tiene que la mayor parte de la DQO es convertida a metano (90 – 97 %), yuna mínima parte en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en ladigestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía es liberada, mientras que lamayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

BALANCE ANAEROBIO DE LA DQO

DQO

10%

90%

LODO

CH4

FIGURA No 28 BALANCE ANAEROBIO DE LA MATERIA

MATERIA

ORGANICAMicroorganismos

Anaerobios

CH4 + CO2 + Micr. +Biogas

FIGURA No. 27 REPRESENTACION DE LA DIGESTION ANAEROBIA




La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra cuatro pasos de transformación:

20.1. HIDRÓLISIS.

Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles(polisacáridos, proteínas y lípidos) en otros compuestos más sencillos y solubles en aguacomo los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los alcoholes, Esta etapa esfundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilizaciónanaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las etapassiguientes.

20.2. FERMENTACION ÁCIDA (ACIDOGENESIS).

Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por lasbacterias generadoras de ácidos, como resultado se produce su conversión en ácidosorgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico.

Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una granvariedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además estaconversión ocurre con gran rapidez.

20.2.1. Acetagenesis. Los productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógenoy dióxido de carbono

20.2.2 Metanogenesis. Una vez que se han formado ácidos orgánicos, y acetato, unanueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente enmetano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido decarbono es un gas estable, que forma parte de la atmósfera.

BALANCE AEROBIO DE LA DQO

DQO

50%

50%

LODO

Calor

+O2

FIGURA No. 29 BALANCE AEROBIO DE LA MATERIA ORGANICA




Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación demateria orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO5 o DQO del medio.

A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capacesde desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho

más sensibles a distintas condiciones ambientales.Los productos finales de la degradación son: Metano Bióxido de Carbono Ácido sulfhídrico Agua

De los dos grupos de bacterias referidos anteriormente, las bacterias “formadoras demetano” son las más importantes para el proceso anaerobio.

En la figura No. 30 se muestra el proceso.




Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesosque ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica:

1. Según la Figura 30 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánicaafluente es convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición

necesaria para obtener una óptima remoción de la materia orgánica en un sistemaanaerobio, es que la metanogénesis se desarrolle eficientemente.

2. La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos grasosvolátiles (AGVs) y otros productos intermedios, mientras que la metanogénesis solo sedesarrolla cuando el pH esta cercano al neutro, por lo tanto, si por alguna razón la tasa deremoción de AGVs a través de la metanogénesis no acompaña a la tasa de producción deAGVs, puede surgir una situación de inestabilidad que baja significativamente el pH delsistema, causando la inhibición de las bacterias metanogénicas. Esta Acidificación del

ACETOGENESIS8% 11% 11%

12% 35% 23%

70% 30% METANOGENESIS

21% 40% 39% HIDROLISIS

5% 34%

66% 34%

ACIDOGENESIS

20%

ACETOGENESIS8% 11% 11%

12% 35% 23%

70% 30% METANOGENESIS

MATERIA ORGANICA

PROTEINAS POLISACARIDOS LIPIDOS

AMINOACIDOS AZUCARES ACIDOS GRASOS

PROPIONATO BUTIRATO

H2 + CO2 ACETATO

CH4

FIGURA No. 30 ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA




sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios. Loanterior puede ser evitado cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentación ácida y lafermentación metanogénica, manteniendo una alta capacidad metanogénica y buenacapacidad buffer en el sistema.

En la Tabla 20, se consignan las principales reacciones:TABLA No. 20. REACCIONES BIOQUÍMICAS EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA DE LA

MATERIA ORGÁNICATIPO DE REACCIÓN ECUACIÓN

Fermentación de glucosa aAcetato Glucosa + 4H2O CH3COO- + 4H+ + 4H2 Fermentación de glucosa aButirato Glucosa + 2H2O C4H7O2 + 2HCO3

- + 3H+ + 2H2 Fermentación del butirato aacetato e H2 Butirato + 2H2O 2CH3COO- + H+ + H2 Fermentación delpropionato a acetato Propionato + 3H2 CH3COO- + HCO3

- + H+ + H2 Acetogénesis a partir de H2 y CO2 HCO3

- + H+ + H2 CH3COO- + 2H2OMetanogénesis a partir delCO2 e H2 HCO3

-+ 4H2 4 + 3H2OMetanogénesis a partir delAcetato Acetato + H2O 4 + HCO3

- + H+ Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág.240.

20.3. APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA.

La digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para estabilizar lodos provenientes deplantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, y en una menor proporción, pero conuna tendencia de aumento significativo en aguas residuales proveniente de industrias dealimentos.

Dentro de las aplicaciones se tiene:

Sulfato Reducción. El proceso durante el cual el sulfato se reduce a sulfuro dehidrógeno, mediante la participación de las bacterias sulfo reductoras (BSR) es un procesoanaerobio de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales, en la figura No. 31 semuestra la reacción:




Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, puede ocurrir que las bacteriasutilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar también compuestoscomo el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los donadores de electrones másutilizados son H2, lactato, piruvato entre otros. En la figura 32 se muestran las diferentes

etapas de la reducción.

MATERIA

ORGANICA Bacterias Sulforeductoras

H2S + HCO3- + S04=

FIGURA No. 31 REDUCCION BIOLOGICA DEL SULFATO




MATERIA ORGANICA

PROTEINAS POLISACARIDOS LIPIDOS

AMINOACIDOS AZUCARES ACIDOS GRASOS

HIDROLISIS

INTERMEDIARIOS DE LA FERMENTACION

Alcoholes, Lactato, Piruvato

ACIDOS GRASOS VOLATILES

Acetato, Propionato, Butirato

SO42-

S2-

Bacterias

Sulforeductoras

ACIDOGENESIS

SO42-

S2-

BSR

SO42-

S2-

CO2 H2

ACETATO

CO2

CO2

CO2

SO42-

S2-

BSR

CO2

BSR

SO42-

S2-

ACETOGENESIS

FIGURA NO. 32 SULFATO REDUCCIÓN EN LA DEGRADACIÓN DE LA MATERIAORGÁNICA




En general, durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, la sulfato reducciónpuede interferir con la metanogénesis, generando problemas como:

1. competencia entre las Bacterias sulfatoreductoras y las metanogénicas por sustratoscomunes y la consecuente disminución en la producción de metano;

2. inhibición de varios grupos bacterianos por la presencia de H2S;3. toxicidad generada por el H2S, malos olores y corrosión.

A pesar de los problemas que ocasiona la sulfato reducción al interior de los reactoresanaerobios, también presenta algunas ventajas:

1. contribuye a mantener un bajo potencial de óxido-reducción en el sistema;2. constituye un método biotecnológico para la remoción de sulfato;3. los complejos Metal-S2- tienen baja solubilidad, propiedad que puede ser utilizada para laprecipitación de metales pesados como Co, Ni, Pb, y Zn.

Desnitrificación. Es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos anitrógeno gaseoso.

Las desnitrificación es utilizada en postratamientos de aguas residuales para removernutrientes.

Bio Remediación. La digestión anaerobia puede ser utilizada para la biodegradacióno biotransformación de contaminantes tóxicos. Comunidades de microorganismos enambientes anaerobios, puede causar la oxidación de contaminantes a productos estables(CO2) o pueden causar la biotransformación de contaminantes a sustancias menos tóxicas.La bio remediación anaerobia puede ser utilizada en el tratamiento de efluentes industrialesque contienen sustancias tóxicas, como es el caso de la industria del plástico, cuyas aguasresiduales contienen altas concentraciones de terepthalato:

MATERIA

ORGANICA

Bacterias

desnitrificantes

N2 + CO2 + NO3

-

FIGURA No. 33 REACCIÓN DE DESNITRIFICACIÓN




FIGURA No. 34 ACCIÓN DE BACTERIAS ANAEROBIAS SOBRE EL TEREFTALATO

AUTOEVALUACION 4

Seleccione la opción correcta, una vez terminada la lectura del capítulo retome la autoevaluación, compare y saque sus propias conclusiones.

3. Los principales microorganismos responsables de la descomposición de la materiaorgánica son:

a. Hongos.b. Algasc. Bacterias

d. Amebas

4. La degradación de la materia orgánica se mide principalmente a través de :

a. pH.b. Oxígeno Disuelto.c. DBO.d. Sólidos suspendidos.

5. Los productos de la digestión aerobia son:a. Metano y Oxígeno.

b. Metano y agua.c. Dióxido de carbono y Oxigeno.d. Dióxido de carbono y agua.

6. Los productos de la digestión anaerobia son:e. Metano y Oxígeno.f. Metano y agua.g. Dióxido de carbono y Oxigeno.h. Dióxido de carbono y agua.

Fermentación Acetogénesis Metanogenesis

COO- COO- 3 CH3COO- 3 CH4 + 3 HCO3-

HCO3-

HCO3-

3 H2 3/4 CH4

COO- Tereftalato Benzoato Acetato e Hidrógeno Metano




5. El proceso de lodos activados es:

a. Anóxico.b. Anaerobio.c. Facultativo.

d. Anaerobio.6. Un producto de la nitrificación es :

a. Nitritos.b. Nitratos.c. Amoníaco.d. Nitrógeno.

7. Un producto de la desnitrificación es:

a Nitritos.b. Nitratos.c. Amoníaco.d. Nitrógeno.

8. NO es un sistema aerobio:

a. Biodiscos.b. UASB.c. Zanjones de oxidación.d. Filtro percolador

9. Los principales nutrientes de los microorganismos son:

a. Azufre y calciob. Hierro y potasio.c. Potasio y calciod. Nitrógeno y fósforo.

10. Es una tecnología de tratamiento biológico que no emplea lechos de soporte:a. Filtro percolador.b. Filtros anaerobios.c. Biodiscos.d. Lodos activados.

11 Una de las desventajas de los procesos anaerobios respecto a los procesos aerobioses:

a. Porcentaje de remoción baja.b. Operación compleja.c. Altos costos de tratamiento.d. Producción de lodos elevada.




CAPITULO 2. TECNOLOGIAS DE TRATAMIENTO BIOLOGICO.

INTRODUCCION

Una vez comprendida la acción de los microorganismos, el siguiente paso es el desarrollo delas diferentes tecnologías, las cuales buscan aprovechar la población microbiana presente enel agua residual, es importante comprender criterios de diseño, las ventajas y desventajasde cada una de las tecnologías, los requerimientos energéticos, equipos, áreas yporcentajes de remoción obtenidos, estos conocimientos junto con una buena caracterizacióndel agua residual permiten el diseño del sistema de tratamiento.

Las tecnologías que se presentan a continuación se han dividido en tecnologías que empleanmicroorganismos aerobios y sistemas o tecnologías anaerobias, sin embargo las plantas detratamiento de agua residual puede combinar procesos aerobios, anaerobios y anóxicos.

OBJETIVOS

GENERAL

Describir las diferentes tecnologías aplicadas par el tratamiento biológico del agua residual.

ESPECIFICOS

Describir las tecnologías aplicadas al tratamiento de aguas residuales empleandoprocesos biológicos.

Analizar las ventajas y desventajas de las diferente tecnologías. Proponer sistemas de tratamiento biológico para un afluente de una industria de alimentos.

LECCION 21. PROCESOS AEROBIOS

21.1. FANGOS O LODOS ACTIVADOS

En este tratamiento las aguas a tratar se introducen en un reactor donde se mantiene uncultivo bacteriano aerobio en suspensión. En el reactor se produce la transformación de losnutrientes en tejido celular y diversos gases. La demanda de oxigeno se atiende mediantedifusores o aireadores mecánicos.

Las bacterias constituyen el grupo más importante de microorganismos en el proceso delodos activados, siendo muy comunes la de los géneros Alcaligenes flavobacterium, bacillusy pseudonomas, otros microorganismos presentados son los hongos.

La comunidad de los lodos activados es muy variable y depende de:




1. Naturaleza del suministro alimenticio.2. Concentración del alimento3. Turbulencia4. Temperatura

5. Tiempo de aireación6. Concentración de lodos

En la figura No. 35 se esquematiza el proceso de lodos activados

Las aguas residuales crudas fluyen en el tanque de aireación con su contenido de materiaorgánica (DBO) como suministros alimenticios. Las bacterias metabolizan y producen

residuos y nuevas bacterias utilizando oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono. Losprotozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse, Una porción delcrecimiento bacteriano muere, liberando su contenido celular en la solución para una nuevasíntesis de células microbiales. La mezcla liquida, aguas residuales con flock biológico ensuspensión es separada en un sedimentador; se recircula flock sedimentado continuamenteal tanque de aireación y se descarga el efluente clarificado.

El sistema de lodos activados es un proceso estrictamente aerobio.

Nuevocrecimiento

bacterial

Nuevascélulas

OD CO2 OD CO2

Materia Orgánica - bacterianaProtozoos

Afluente agua residual

Recirculación de material orgánico celularliberado en la muerte o lisis de células

Incorporación de residuos orgánicos en el floc biológicomediante síntesis bacterial y protozoos depredadores

Tanque de aireación mezclado

Flor biológico sedimentado recirculado al tanque de aireación

FlorBiológicosuspendidoen el agua residual

Separación porgravedad

Efluente

Sedimentador

FIGURA No. 35 PROCESO DE LODOS ACTIVADOS




Con la figura No. 36 se indica el esquema del flujo del proceso biológico convencional delodos activados.

En este sistema el tanque de aireación tiene un tamaño fijo y por consiguiente un tiempo deretención fijo para un caudal determinado. Dentro de dicho periodo de retención se efectuarála actividad biológica de los microorganismos. En un proceso de lodos activados, tipocochada, cuando comienza la aireación la relación Alimento/microorganismo (A/M) es muygrande, los microorganismos están ante un exceso de alimento permitiéndole sureproducción y aumento rápido (logarítmico) de la población. A medida que se consume elalimento y se producen nuevas células la relación A/M disminuye y se llega a un punto enque el alimento ya no se encuentra en exceso sino que empieza a ser el factor limitante,inicia entonces la fase de decrecimiento, algunas células comienzan a perecer y el flockempieza a formarse. La concentración de alimento continúa disminuyendo, la relación A/Malcanza un valor mínimo y se inicia la fase endógena (muerte bacteriana ), durante la cual losmicroorganismos son incapaces de obtener suficiente energía del alimento remanente en elresiduo y comienzan a metabolizar sus propias reservas de alimento (lisis), aumentandorápidamente la tasa de formación de flock biológico. Si el tiempo de aireación se prolonga losuficiente, todas las formas biológicas morirían y solamente permanecerían la porción inertede las células. El proceso de lodos activados nunca se deja llevar a tales extremos, puestoque se requerirían tiempo de retención de varios meses.

En general, cuando se obtiene la fase endógena, el flock biológico formado es separado dela fracción líquida mediante sedimentación y recirculado al tanque de aireación. Larecirculación del flock biológico concentrado hace que la concentración de microorganismossea mayor que la inicial; la relación A/M será también menor que la relación inicial y lasbacterias empiezan de nuevo el periodo de crecimiento. Si el tiempo de aireaciónpermaneciera constante, el sistema progresaría poco a poco dentro de la fase endógena y seobtendría una mejor floculación y un efluente más claro.

El tamaño del tanque de aireación, en un proceso de lodos activados, debe ser suficientepara permitir que los microorganismos alcancen la fase endógena durante los periodos decaudal máximo y máxima carga orgánica. Si el tanque de aireación no es lo suficientementegrande como para que esto ocurra el efluente se hará turbio, pues se perderán

Tanque deaireación

Sedimentadorsecundario

ResiduoEfluente

Lodos Activados

Exceso de Lodos

FIGURA No. 36 ESQUEMA DEL PROCESO CONVENCIONALDE LODOS ACTIVADOS




microorganismos. Solucionar la oscilación y desequilibrios frecuentes de losmicroorganismos es el problema básico para un diseño adecuado y una operación exitosa delas unidades de lodos activados.

La aireación, de los reactores de lodos activados, tiene como propósito:

Suministrar oxigeno a las células. Mantener las células en suspensión Mantener en contacto íntimo el residuo de los

lodos activados.

En tanque de aireación es el corazón del proceso de lodos activados, y debe ser del tamañoadecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención, usualmente 0.5 a 24 horas,dependiendo del tipo de proceso.

El proceso de lodos activados es un proceso aerobio, y por ello es necesario mantenercondiciones aerobias en todo el tanque de aireación, sosteniendo un nivel de Oxígeno

disuelto (OD) mínimo de 0,5 mg/L en todo punto del tanque. Esto se logra manteniendo unaconcentración de 2 mg/L de OD en el efluente del tanque de aireación.

El suministro adecuado de oxigeno busca el predominio de clases óptimas de organismos enel sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables. La falta deoxigeno trae como resultado un efluente turbio puesto que los protozoos, por ejemplo, no sedesarrollan y se promueve el crecimiento de bacterias filamentosas, las cuales retardan lasedimentación del flock. Por otra parte, es importante un suministro adecuado de aire paramantener un contacto íntimo entre el residuo y el lodo activado y hacer que el procesofuncione, así como también para que los sólidos estén en suspensión y no permitir suasentamiento dentro del tanque de aireación.

Para diseño, en general, las normas recomiendan que el equipo de aireación sea capaz demantener un mínimo de 2 mg/L de OD en el licor mezclado, en todo momento y proporcioneuna mezcla vigorosa del contenido de agua en el tanque de aireación.

Requisitos nutricionales: En todo proceso de tratamiento biológico se requiere que losmicroorganismos reciban los elementos necesarios para formar el protoplasma, algunasaguas residuales contienen los elementos suficientes, existen otros afluentes que presentandeficiencias principalmente en Nitrógeno y fósforo, ocasionando graves problemas decrecimiento bacteriano y por tanto de remoción.

Teóricamente, una relación de DBO/N/P de 100/5/1 es adecuada para tratamiento aerobio,con pequeñas variaciones según el tipo de proceso de tratamiento y modo de operación.Para tratamiento en procesos de mezcla completa de lodos activados se ha sugerido unarelación DBO/N/P de 100/3,0/0,7.

Cuando un agua residual presenta deficiencias en estos elementos se suministra Nitrógenoen forme de urea o amoniaco deshidratado, y si se requiere fósforo se agrega ácido fosfórico(H3PO4).




Entre los microorganismos que degradan la materia orgánica presente en el agua residual,existe un grupo de bacterias llamadas filamentosas, que poseen la propiedad de expandirsey aumentar su área superficial, permitiéndoles tomar mayor cantidad de alimento. Estacaracterística hace que dichas especies adquieran mayor flotabilidad pero que a la vezpierdan sedimentabilidad.

Este inconveniente puede ser debido a:

Problemas de diseño : Tiempo de retención hidráulica inadecuado.

Problemas Operativos : inapropiada recirculación, formación de zonas sépticas,incorrecta concentración de oxígeno, o cualquier otro inconveniente causado por lapersona encargada de operar la planta.

Si la cantidad de organismos filamentosos presentes es elevada, podemos encontrarnos condos tipos de problemas biológicos:

1) Esponjamiento filamentoso o bulking

Se produce debido al crecimiento excesivo de bacterias filamentosas, que hace que lasmismas interfieran en la compactación del flóculo en el decantador secundario, provocandoproblemas de sedimentación, ya que las mismas forman entramados, flotando en lasuperficie. Por este motivo, resulta primordial, analizar la muestra, a través de la observaciónmicroscópica, como método de detección de estos microorganismos.

Los métodos biológicos, mecánicos y químicos que se pueden aplicar para solucionar lasdificultades ocasionadas por la presencia de bulking son los siguientes:

Biológicos:

- Agregar bacterias comerciales que compitan y degraden a las filamentosas.-Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores decrecimiento, como por ejemplo, ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no loaprovechan de manera apropiada.

Mecánicos:

- Airear

-Recircular-Eliminar zonas muertas

Químicos-Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos en cuestión-Ajustar los nutrientes.

-Efectuar los procesos de coagulación y floculación en la salida del sedimentador secundario

2) Espumamiento biológico o Foaming:

Se produce debido a que los microorganismos filamentosos originan una espesa espumacoloreada (en colores del blanco al marrón) y en muchos casos, abundantes flotantes, que




hacen que el lodo no sedimente. Generalmente se debe a la presencia de Nocardias yGordonas, dos organismos filamentosos. Por este motivo, al igual que en el caso de bulking,es muy importante mandar a analizar la muestra para saber las especies existentes en elefluente y con base a los resultados corregir dicho inconveniente.

Los métodos que se pueden utilizar, en este caso, para solucionar dicha dificultad, son lossiguientes:

Biológicos-Adicionar a los otros microorganismos presentes en el agua a tratar, potenciadores decrecimiento, como por ejemplo, el ácido fólico, ya que las bacterias filamentosas no loaprovechan bien.

Mecánicos-Disminuir la aireación

-Incorporar lluvia con inyección de aire y antiespumante.

-Recircular

Químicos-Colocar microbicidas (por ejemplo Cloro) para eliminar a los microorganismos que causanproblemas.

21.2. LAGUNAS AIREADAS

En las lagunas aireadas se utilizaba un depósito excavado en el terreno, de profundidadentre 2 y 5 m, y el oxigeno necesario se introduce con aireadores de superficie o bienmediante difusores. El proceso es esencialmente el mismo que el de lodos activados. Unalaguna aireada se diseña como laguna aerobia, con un dispositivo mecánico losuficientemente potente para mantener los lodos en suspensión, o facultativa o de mezclaincompleta cuando el dispositivo apenas genera turbulencia y permite la sedimentación desólidos, un sistema de tratamiento de lagunas aireadas, permite obtener remociones de DBOmayores del 90% y remociones de coliformes del 90 al 95% con periodos de aireación de 2 a6 días.

Las lagunas aireadas surgieron como solución a los problemas de malos olores existentes en

las lagunas naturales de oxidación. En lagunas aireadas, con alta temperatura y bajascargas, es posible obtener un grado alto de nitrificación.

En el pasado, las lagunas aireadas solían ir seguidas de grandes estanques desedimentación y sin recirculación de lodos, en la actualidad se utilizan muchas lagunasaireadas complementadas con instalaciones de sedimentación e incorporando recirculaciónde sólidos biológicos.

En la figura No. 37 se encuentra el esquema de tratamiento de una laguna aireada.




21.3. ZANJONES DE OXIDACION

El zanjón de oxidación es un proceso de lodos activados, del tipo de aireación prolongada,que usa un canal cerrado, con dos curvas, una para la aireación y mezcla y la otra para lasedimentación. Como equipo de aireación y circulación del licor mezclado usa aireadoresmecánicos del tipo cepillos horizontales, de jaula o de discos.

La planta típica de un zanjón de oxidación no incluye sedimentación primaria, utilizan un solocanal concéntrico, un sedimentador secundario y lechos de secado de lodos. Los canales deaireación tienen profundidades entre 1,2 y 1,8 m con paredes laterales a 45°; sin embargo,se construyen también canales más profundos de 3,0 a 3,6 m. En general el zanjón sereviste de concreto o de otro material apropiado para prevenir la erosión y la infiltración. Losaireadores pueden instalarse fijos o flotantes, sobre uno o más sitios a lo largo del canal parasuministrar suficiente velocidad dentro del zanjón, generalmente mayor de 0,30 m/s, asícomo para mantener el nivel de oxigeno disuelto requerido y los sólidos del licor mezclado ensuspensión. La mayoría de los cepillos opera a velocidades de 60 a 110 RPM, sumergidos 5a 30 cm, y producen tasas de transferencia de oxigeno entre 1,5 y 10 kg O2 /h. Generalmentese instalan dos aireadores como mínimo para asegurar la aireación permanente del licormezclado. La unidad de salida del sedimentador puede ser una caja con una compuerta demadera que permita variar el nivel del agua en el zanjón y ajustar la inmersión de las paletasdel cepillo de aireación. Para el sedimentador secundario se utilizan cargas superiores dediseño de 15 a 20 m3/d para caudales promedio y de 40 a 80 m3/d para caudales pico; serecomiendan profundidades de 3,0 a 4,2 m. El zanjón de oxidación, adecuadamentediseñado y operado, prevee remociones promedio de DBO y SS mayores del 85%; tiene

AFLUENTE

LODO SECO

LAGUNAAIREADAAEROBIA

LAGUNA DESEDIMENTACION

Y LODOS

LAGUNA DEMADURACION

LAGUNAAIREADAAEROBIA

TANQUEDE

SEDIMENTACION

AFLUENTE EFLUENTE

DIGESTORAEROBIO

LECHOS DESECADO

FIGURA No. 37 PLANTAS DE TRATAMIENTO CON LAGUNAS AIREADAS




capacidad de afectar un nivel alto de nitrificación por el tiempo de retención prolongado (24horas) y contar con edades de lodos mayores de diez días. El zanjón de oxidación tambiénse ha usado para remover nitrógeno mediante la producción de zonas aerobias y anóxicasdentro del canal, controlando la tasa de transferencia de oxigeno para que el OD de licormezclado se agote en una porción del canal de aireación. La fuente de carbono para la

desnitrificación, en la zona anóxica, se provee, en estos casos, alimentando el residuo crudoal canal, aguas arriba del inicio de la zona anóxica; con una operación cuidadosa se puedenlograr remociones de nitrógeno del 80%. Para una construcción económica, el zanjón debelocalizarse con su longitud en paralelo con las curvas de nivel y el terreno debe permitir flujopor gravedad.




Tanquede

sedimentaciónfinal

RejillaAfluente

Zanjón de Oxidación

Vertedero de

control de nivel

Cloración

Efluente

RotorLodosedimentado

Bomba derecirculaciónde lodo

Lechos de secadoo

Lagunas de lodos

FIGURA No. 38 PLANTA DE TRATAMIENTO CON ZANJÓN DE OXIDACIÓN




LECCION 22. FILTRO PERCOLADOR

Aunque el nombre de filtro supone retención de partículas, este tipo de filtro biológico noesta diseñado para ejercer una acción de tamizado del agua residual, sino para poner en

contacto aguas residuales con biomasa adherida a un medio de soporte fijo.El medio filtrado suele estar formado de piedra, de diámetro entre 2,5 y 10,0 cm, laprofundidad del lecho se sitúa entre 0,9 y 2,5 metros. Filtros percoladores con medio plástico,biotorres, se constituyen con profundidades hasta de 12 m. Cada filtro tiene un sistema dedrenaje inferior para recoger el agua residual tratada y los sólidos biológicos que sedesprenden del medio. El sistema de drenaje es importante como unidad de recolección ycomo estructura porosa a través de la cual circula el aire.

La materia orgánica presente en el agua residual se degrada por la acción de la población demicroorganismos adherido al medio. La materia orgánica del líquido es adsorbida en la

película biológica, en cuyas capas externas (0,1 a 0,2 mm) se degrada bajo la acción demicroorganismos aerobios. Cuando los microorganismos crecen, aumenta el espesor de lapelícula y al oxigeno se consume antes que penetre en todo el espesor de la película, por lotanto la proximidad de la superficie del medio, se crea un ambiente anaerobio conforme lapelícula aumenta de espesor, la materia orgánica adsorbida se metaboliza antes de quepueda alcanzar los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, enconsecuencia los microorganismos situados cerca de la superficie del medio filtrante, sehallan en la etapa endógeno y pierden capacidad de adherirse a la superficie del medio, enestas condiciones el líquido arrastra la película a su paso por el medio, y se inicia elcrecimiento de una nueva capa biológica.El fenómeno se muestra en la figura No. 39




AER

OBIO

ANAE

ROBIA

ActivaEndogena

MEDIOSOLIDO

DELFILTRO

LAMABIOLOGICA

RESIDUOLIQUIDO

AIRE

SustanciasOrgánicas

SustanciasInorgánicas

O2

CO2

OD

ÁcidosOrgánicos

CH4

H2S

AireO2

Agua Residual

DBO

Capa aerobia

Capa anaerobia

Película Biológica(0,1 – 2,0 mm)

FIGURA No. 39 ESQUEMA DE PELÍCULA BIOLÓGICA EN UN FILTROPERCOLADOR




Los principales factores que hay que tener en cuenta para predecir el funcionamiento de losfiltros percoladores son: Las cargas orgánicas expresadas como la relación de carga deDBO por unidad de tiempo y por unidad de volumen de filtro (kg DBO/m3d) y la cargahidráulica expresada como volumen total de líquido, incluyendo recirculación por unidad detiempo, por área superficial de filtro, se expresa generalmente en m3/m2/d; y el grado de

tratamiento necesario.La unidad de sedimentación es esencial en el proceso de tratamiento al retener los sólidossuspendidos lavados o renovados del filtro. Una acción común consiste en la recirculación delos lodos, ayudando a la inoculación y maduración del filtro, aumentando la eficiencia.

El medio filtrante mas usado es piedra triturada, o grava de río por y entre los mediosintéticos PVC.

En la tabla No. 21 se muestra las características principales de filtros percoladores.

TABLA No.21 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS FILTROS PERCOLADORESCaracterísticas Tasa Baja o

estándarTasaintermedia

TasaAlta

Torresbiológica

Desbaste

Carga hidráulicam3/m2dm3/m3.d

1 – 40,5 – 2,5

4 – 9*--

9 – 37*--

14 – 240* 57 – 171

Carga Orgánicakg DBO/ m3.d

0,08 – 0,320* 0,24 – 0,48+ 0,32 – 1,8+ ≤4,8 >2

Profundidad, m 1,5 – 3,0 1,0 – 2,5 0,9 – 2,5 ≤12 0,9 – 6,0

Medio Piedra,escoria Piedra,escoria Piedra,escoriasintético

Sintético Piedra sintético

Relación deCirculación

0 0,5 – 2,0 0,5 – 4,0 1 – 4 0

Dosificación Intermitente Continua Continua Continua ContinuaMoscas de filtros Muchas Pocas Pocas Pocas PocasRequerimientosde potencia,W/m3

2 – 4 2 – 8 6 – 10 10 – 20 -

Calidad delefluente Nitrificado Nitrificadoparcial No nitrificado NitrificaciónBaja No nitrificado

% de remociónde DBO

80 – 85 50 – 70 40 – 80 65 – 85 40 – 85

* no incluye recirculación+ Excluye recirculación Con cargas menores de 0,08 kg DBO/ m3d y T>20°C se puede lograr una nitrificación

>80%




Con cargas menores de 0,1 kg DBO/ m3d y T>20°C se logran efluentes con DBO<20mg/Ly SS<30 mg/L(2)

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág.560.

22.1. BIODISCOSLos biodiscos son un sistema de tratamiento biológico secundario, para aguas residualesdomésticas e industriales biodegradables, del tipo de crecimiento adherido o reactor depelícula fija. Las lamas o películas biológicas crecen sobre discos, en rotación a través delagua residual, montados sobre un eje horizontal. El proceso es muy similar al de filtrospercoladores, con la película biológica en rotación dentro de agua residual sedimentada ydentro de la atmósfera para proveer de oxigeno a los organismos. El agua residual fluye ensentido paralelo o perpendicular al eje horizontal de rotación, al pasar de una etapa a otra ode un tanque a otro.

Entre las ventajas de los biodiscos están las siguientes: Simplicidad Alta eficiencia de remoción de carbono y nitrógeno Confiabilidad (con pretratamiento apropiado, generalmente sedimentación), resistencia a

cargas choque y tóxicas. Tiempos de retención cortos Poco consumo energético, bajos costos de operación y mantenimiento. Lodos de buena sedimentación Generalmente no hay recirculación de efluente no de lodos Construcción modular

Entre las desventajas se pueden señalar:

Fallas en los discos, los ejes y los motores Fugas de lubricantes

Entre los principales factores de influencia sobre el proceso se indican:

Características del agua residual Carga hidráulica Carga orgánica Velocidad rotacional de los discos Profundidad de inmersión Tiempo de retención Temperatura del agua residual

Los sistemas de biodiscos tratan aguas residuales crudas y pretratadas. Se prefiere tratarefluentes primarios para prevenir depósitos de sedimentos en los reactores. A medida que elagua residual pasa a través del sistema de tratamiento, el sustrato es removido como




resultado de la oxidación biológica. Por lo general no se usa recirculación porque laexperiencia indica que no contribuye apreciablemente a incrementar la eficiencia del proceso.

El exceso de biomasa se desprende de modo continuo de la superficie de los discos comoresultado del esfuerzo cortante originado por la rotación de los discos dentro del agua

residual y por la descomposición celular. En la tabla No 22 se resumen las característicastípicas de los discos biológicos. El medio más usado desde 1972 es el polietileno de altadensidad, por su costo más bajo que el del poli estireno y porque los fabricantes han podidoensamblar así ejes de 8,2 m de longitud con área superficial de 9.300 a 16.700 m2, endiámetro de 3,7 m. Cada fabricante desarrolla configuraciones de medios diferentes,corrugados, para así aumentar la rigidez de los discos, incrementar el área superficialdisponible, prolongar el tiempo de exposición al aire para mejorar la transferencia de oxigenoy mantener un contacto uniforme de la biopelícula con el agua residual.

El biodisco plástico está hecho de hojas circulares, generalmente de 3,6 m de diámetro,unidas y ensambladas sobre ejes de 7,5 a 8,2 m de longitud. El espaciamiento entre hojas

provee el vacío para distribución del agua residual y del aire.Para maximizar la remoción de DBO y de nitrógeno amoniacal se recomienda diseñarunidades de biodiscos de más de cuatro etapas, se aconseja asegurar que la carga orgánicaa cualquier etapa sea menor de 12g de DBO soluble/m2/d o menor de 31 g de DBOtotal/2m/d. Sin embargo, las guías de diseño de los fabricantes varían ampliamente entre sí.

Los tanques son de concreto o acero, por lo general, conformados a la geometría circular delmedio para eliminar espacios muertos en los que podrían acumularse sólidos y causarcondiciones sépticas y olores. Los tanques se dividen comúnmente en cuatro etapas,mediante paredes de concreto o pantallas removibles, para permitir flujo entre ellas y paraque cada una actúe como un proceso separado de tratamiento, maximizando la efectividaddel área superficial de medio provista. Los organismos de la primera etapa están expuestos auna concentración más alta de DBO y la reducen a una tasa alta. A medida que laconcentración de DBO disminuye, de etapa a etapa, la tasa de remoción de DBO disminuye.El mecanismo de impulso del eje de rotación puede ser mecánico o de aire. En el de impulsomecánico se cuenta con un motor, cadena y correa impulsadora, reductor de velocidad ycojinetes. En el de impulso con aire se adhieren copas de plástico, al exterior del medio, paraque un pequeño cabezal de aire, colocando debajo del medio, emita el aire dentro de lascopas y cree una fuerza de empuje que haga rotar el eje. En ambos casos, el eje estásoportado por dos cojinetes principales. En plantas de biodiscos diseñadas para efectuarnitrificación, se debe mantener un control permanente de pH y la alcalinidad. El pH debe serlo más cercano a 8,4 y la alcalinidad del afluente debe ser 7,1 veces la concentración deamoníaco. Si es necesario se debe agregar bicarbonato de sodio para aumentar laalcalinidad y el pH.




TABLA No. 22 CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DE LOS DISCOS BIOLÓGICOS

Afluente SedimentadoCarga Hidráulica

Para remoción de DBOPara DBO/SS < 30/30 mg/LPara remoción de NPara DBO/SS < 15/15 mg/L y nitrificación

0,040 – 0,06 m/d0,02 – 0,08 m/d

0,06 – 0,10 m/d0,06 – 0,24 m/d0,08 – 0,16 m/d0,06 – 0,07 m/d0,03 – 0,08 m/d

Carga OrgánicaSobre la primera etapa

DBO solubleDBO total

50 - 60 g DBO/m2d< 100 g DBO/m2d< 31 g DBO/m2d12 – 20 g DBO/m2d30 – 40 g DBO/m2d

Tiempo de retención 50 – 70 minutosCoeficiente de temperatura 1,02 – 1,04EjesVelocidad de rotaciónLongitudDiámetroMotores

1 – 2 RPM<7.5 m13 – 25 mm3,7 – 5,6 kW

DiscosNúmero de discos por ejeNúmero de etapas por serieDiámetro

EspesorMaterial, planos o corrugadosSumergenciaVelocidad de rotación periféricaSeparaciónÁrea de discos por ejeÁrea superficial específica del medio

40 – 604 – 53,0 – 3,6 m

2 – 3 m10 mmPoliestireno o polietileno40%20 – 30 cm/s3 – 4 cm9.300 – 11700 m2 115 – 175 m2 /m3

Sedimentador secundarioCarga de sólidos para caudal picoTiempo de retención

Carga superficial

147 – 176 kg/m2d4 h

33 m/dEfluenteDBO totalDBO solubleNH3 – NNO3 – N

15 – 30 mg/L7 – 15 mg/L1 – 10 mg/L2 – 7 mg/L

LodosProducción 0,04 – 0,50 kg/kg DBO removida




Concentración de sólidos 2 – 5%EficienciaRemoción de DBO 80 – 95%EnergíaConsumo 0.6 W/m2

Fuente: ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de Aguas Residuales. 2002. Pág.620.

22.2. FILTROS DE PRETRATAMIENTO

Los filtros de pretratamiento tienen como misión fundamental la eliminación de la materiaorgánica fácilmente biodegradable, y se utilizan como instalaciones de pretratamiento paracargas orgánicas altas y como pretratamiento para realizar nitrificación. Generalmente estánconstituidos por materiales plásticos y el proceso microbiológico es igual al de filtrospercoladores, con la excepción de que al utilizar cargas hidráulicas mayores tendrá un efectode arrastre mucho más acusado.

LECCION 23 PROCESOS ANAEROBIOS

En términos generales, se registran tres generaciones de reactores anaerobios, las cuales secaracterizan porque en cada generación se reduce el tiempo de retención hidráulico (TRH) ymejora el contacto entre el lodo y el sustrato, lo cual significa menores volúmenes de reactor,costos más bajos, sistemas más estables y de más fácil operación.

23.1. REACTORES DE PRIMERA GENERACIÓN

El tiempo de retención celular es igual al TRH, por lo que se requieren TRH muy altos, existeun contacto inadecuado entre la biomasa y la materia orgánica – entre estas se tiene:Lagunas Anaerobias, Tanque Séptico, Tanque Imhoff.

23.1.1. Lagunas Anaerobias. Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente comoprimera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenidoen materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducciónde contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de unefluente de alta calidad, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y demaduración, generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cadatipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer unacalidad adecuada durante todo el año.

Algunas ventajas son:

Bajo costo, se requiere de áreas reducidas. Buen rendimiento para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de

materia orgánica. Eficiencia probada en el tratamiento de una variedad de aguas residuales industriales

biodegradables.




Desventajas:

El proceso es sensible a factores ambientales como temperatura y pH. El proceso es sensible a factores operativos como variaciones bruscas de carga. Tienen un aspecto poco agradable y condiciones estéticas desfavorables (formación de

natas, inciden en el mantenimiento). El efluente del proceso tiene alto contenido de materia orgánica y color. Presentan bajas tasas de mortalidad bacteriana, en comparación con otras opciones. Emanaciones de malos olores ocasionales, en especial en los primeros años de

operación. Se deben construir a distancias considerables de los límites urbanos. Rápida acumulación de sólidos, en comparación con otro tipo de lagunas, lo que deteriora

la calidad del efluente. Requiere de limpieza de lodos más frecuentemente.

El ambiente anaeróbico se mantiene debido a:

La abundante carga orgánica hace que el oxigeno introducido en las lagunas con elafluente o por reaireación superficial se consuma rápidamente en la zona inmediatamenteadyacente a la entrada o en la superficie.

La penetración de la luz necesaria para el crecimiento de las algas se ve impedida por lapresencia de sulfuros metálicos en suspensión, como el sulfuro de hierro, responsables dela tonalidad gris de las lagunas anaerobias. Estos sulfuros acaban precipitando en el fondode las lagunas, y provocan la coloración gris oscura o negra que presentan los fangos.

Los sulfuros solubles son tóxicos para las algas, de modo que los cortos períodos de

residencia, la falta de iluminación y un ambiente de composición química hostil impiden elcrecimiento de éstas y en consecuencia, mantienen el medio en condiciones anaerobias.

Puesto que las lagunas carecen de agitación, el aporte de oxigeno atmosférico esdespreciable, debido a que la difusión de este gas en la columna de agua es muy lenta.

Además de las bacterias responsables de las etapas acidogénica y metanogénica de ladegradación anaerobia, en ocasiones se desarrollan en estas lagunas otras bacterias queconfieren una coloración rojiza. Se trata de bacterias fotosintéticas del azufre, que viven enla zona superficial y oxidan los sulfuros a azufre elemental, sus pigmentos le dan a laslagunas una coloración rosa o roja.

23.1.2. Tanques Imhoff. El sistema consta de un compartimiento inferior para digestión delos sólidos sedimentados, y de una cámara superior de sedimentación. Los sólidossedimentados pasan a través de la abertura del compartimiento superior hacia la zona dedigestión. El gas producido en el proceso de digestión, en la cámara de lodos escapa através de la zona de ventilación.La remoción de los sólidos suspendidos puede ser de 45 a 70 %, y la reducción de DBO de25 a 50 %.




23.1.3. Tanque Séptico. El tanque séptico se caracteriza porque en él la sedimentación y ladigestión ocurren dentro del mismo tanque; con lo anterior, se evitan los problemas decomplejidad de construcción y excavación profunda del tanque Imhoff. El tanque sépticoconsiste esencialmente en uno o varios tanques o compartimentos, en serie, de

sedimentación de sólidos. La función más utilizada del tanque séptico es la de acondicionarlas aguas residuales domésticas en lugares donde no existe un sistema de alcantarillado. Enestos casos sirve para:

Eliminar sólidos suspendidos y material flotante. Realizar el tratamiento anaerobio de los lodos sedimentados. Almacenar lodos y material flotante.

La remoción de DBO en un tanque séptico pude ser del 30 al 50%, de grasas y aceites un 70a 80%, de fósforo un 15% y de un 50 a 70% de SS, para aguas residuales domésticas

típicas.

EFLUENTE

Pantalla paraespumas

VENTILACION

CAMA DE LODO

SEDIMENTACION

BIOGAS

ZONA DE DIGESTION

CAMA DE LODO

VENTILACION

AFLUENTE

AFLUENTE

FIGURA No. 40 TANQUE SEPTICO Y TANQUE IMHOFF

Tanque Séptico Tanque Imhoff




LECCION 24. REACTORES DE SEGUNDA GENERACIÓN

Se caracterizan por el hecho de que tienen mecanismos para retención de los lodos. Los dosmecanismos más aplicados son a) inmovilización del lodo por adhesión a material sólido -Filtros anaerobios de flujo ascendente y descendente; b) separación líquido-sólido del

efluente, con el retorno de los sólidos separados al reactor - UASB, el cual usa unsedimentador interno (ver Figura 19b).

24.1. Filtros anaerobios descendentes y ascendentes. Esta constituido por un tanque ocolumna, relleno con un medio sólido para soporte de crecimiento biológico anaerobio. Elagua residual es puesta en contacto con las bacterias adheridas al medio y como lasbacterias son retenidas sobre el medio y no salen en el efluente, se obtiene tiempos deretención celular alta con tiempos de retención hidráulicos cortos. Los filtros anaerobiospueden ser utilizados para desnitrificar efluentes ricos en nitratos o como pretratamiento.

El filtro anaerobio utiliza como soporte piedra, anillos de plástico colocados a l azar. La mayorparte de la biomasa se acumula en los vacíos intersticiales existentes entre el medio.

Varios estudios demuestran que estos filtros logran remociones del 80 % de DBO y hasta el88 %de DQO.

AFLUENTE

MEDIO DETRANSPORTE

BIOGAS

EFLUENTE

FIGURA No. 41 FILTRO ANAEROBIO ASCENDENTE




24.2. Sistema de manto de lodos de flujo ascendente (UASB). En este proceso el agua seintroduce por el fondo del reactor y fluye a través de un manto de lodos biológicosconformado por granos biológicos o partículas de microorganismos con buenascaracterísticas de sedimentación, parte del gas producto de la digestión anaerobia, seadhiere a partículas biológicas , y en conjunto con el gas libre ascienden y chocan contra

unas pantallas deflectoras superiores cuya función primordial es la separación de losgránulos ; los gránulos desgasificados descienden y el gas se libera, la porción líquida esconducida a un sistema sedimentador.

24. 2. REACTORES DE TERCERA GENERACIÓN

Para optimizar el contacto entre el sustrato y la biomasa, esta se adhirió con partículas dearena, alúmina o plástico, constituyendo los reactores de lecho fluidizado o expandido.

24.2..1. Reactores de lecho fluidizado o expandido. Es un proceso en el cual el aguaresidual fluye, mediante bombeo a traves de un lecho compuesto por arena, antracita ocarbón activado, formando un crecimeinto biologico adheridoal medio. Las velocidadesascensionales respecto al sistema UASB son mucho mas altas, para fluidizar el medio. Con

DEFLECTOR

BIOGAS

EFLUENTE

AFLUENTE

G-S-L

MANTO DE LODO

SEPARADOR

FIGURA No. 42 SISTEMA UASB




el proposito de evitar taponamientos el medio de soporte es de gran area superficial porunidad de volumen y se aplica el afluente por la parte inferior. El area superficial de lasparticulas puede ser de 9.000 a 11.000 m2 /m3.Este método ha mostrado gran efectividad para aguas residuales con baja concentración deDQO y sólidos suspendidos, concentraciones elevadas por su bajo tiempo de retención

hidraulica no es aconsejable.

LECCION 25. LIMITACIONES ASOCIADAS CON LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

25.1. ARRANQUE DE REACTORES ANAEROBIOS

una característica particular de los microorganismos anaerobios es su baja tasa decrecimiento; por lo tanto, al iniciar el proceso de arranque del reactor se requiere de unperiodo de tiempo que dependerá de la calidad y cantidad de inóculo utilizado. Sin embargo,en los casos en que no se cuenta con inóculos adecuados, esta etapa se puede prolongar,incluso hasta condiciones críticas en las que nunca alcanza la estabilidad. Por ello, elarranque de reactores anaerobios requiere contar con herramientas apropiadas para laobtención y evaluación de los inóculos más eficientes.

AFLUENTE

EFLUENTE

LECHOFLUIDIZADO

FIGURA No. 43 REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

RECIRCULACIONAGUASEDIMENTADA

BIOGAS




25.2. POSTRATAMIENTOS

La digestión anaerobia es un proceso eficiente para la remoción de materia orgánica, perotiene poco efecto sobre la concentración de nutrientes (nitrógeno y fósforo), y sobre laremoción de patógenos es apenas parcial. Dependiendo de la disposición final del efluente y

de la legislación local sobre la calidad mínima de vertimientos, puede existir la necesidad depostratamientos para remover la concentración residual de la materia orgánica y de sólidossuspendidos, y para reducir la concentración de nutrientes y patógenos. Los recursostecnológicos más utilizados incluyen procesos biológicos como Lodos Activados, FiltrosPercoladores, Lagunas de Oxidación, Humedales y Plantas Acuáticas; también pueden serutilizados procesos físicos, químicos o fisicoquímicos como Filtración en Arena, Desinfeccióny Floculación- Coagulación (van Haandel, 1994).

25.3. PRODUCCIÓN DE OLORES

Una de las características más llamativas asociada con la tecnología anaerobia es la

producción de malos olores, atribuida a la generación de compuestos azufrados como el H2Sen el biogás. Estos compuestos tienen un olor muy ofensivo que se ha convertido en laprincipal causa para que se exija el cubrimiento total del sistema de tratamiento y unadecuado y efectivo sistema de recolección, tratamiento y disposición del biogás y de losgases generados.

AUTOEVALACION 5

Conforme grupos de trabajo y realicen una visita a una planta de tratamiento de aguasresiduales (preferencialmente empresa de alimentos), identifiquen las operaciones detratamiento que allí se encuentran, elaboren el diagrama de flujo del tratamiento:

Ayudado con la información obtenida en la primera unidad sobre características de las aguasresiduales y con la información suministrada por la empresa, proponga un nuevo diseño(diferente tecnología), muestre las ventajas y desventajas de cada uno, tenga en cuenta lossiguientes criterios.

Facilidad de limpieza y mantenimiento. Eficiencia. Operación.

Área requerida. Porcentaje de remoción. Olores emitidos. Residuos generados. Costos de operación.

Construya un documento, preséntelo a su tutor y socialice a sus compañeros de curso elinforme para discusión y evaluación.




CAPITULO 3. TRATAMIENTO TERCIARIO

INTRODUCCION

Los tratamientos terciarios, avanzados o finales se han hecho necesarios a medida que sehan incrementado los efectos de compuestos que escapan al tratamiento secundario,especialmente compuestos nitrogenados, fósforo, metales pesados, DQO soluble.

Estos tratamientos incluyen operaciones y proceso unitarios como desinfección, adsorción,absorción, ultra filtración entre otros.

Se incluye dentro de los tratamientos terciarios la adecuación y disposición final de lodosoriginados en las diferentes etapas principalmente en el proceso biológico.

OBJETIVOS

Comprender la importancia del tratamiento terciario. Describir las operaciones y procesos empleados en el tratamiento terciario. Establecer los métodos de disposición de lodos. Aplicar una matriz para seleccionar el sistema de tratamiento de aguas residuales

GENERALIDADES

El objetivo principal de los tratamientos terciarios es la eliminación de contaminantes queperduran después de aplicar los tratamientos primario y secundario; son específicos ycostosos, que se usan cuando se requiere un efluente final de mayor calidad que la obtenidacon los tratamientos convencionales. Las principales técnicas son:

- Arrastre con vapor de agua o aire: denominados como procesos de “stripping”, para laeliminación de compuestos orgánicos volátiles (COV), como disolventes clorados(tricloroetileno, clorobenceno, dicloroetileno, etc.) o contaminantes gaseosos (amoníaco,

etc.).- Procesos de membrana: en estos procesos el agua residual pasa a través de unamembrana porosa, mediante la adición de una fuerza impulsora, consiguiendo unaseparación en función del tamaño de las moléculas presentes en el efluente y del tamaño deporo de la membrana.




- Intercambio iónico: sirve para eliminar sales minerales, las cuales son eliminadas del aguaresidual que atraviesa una resina, por intercambio con otros iones (H+ en las resinas deintercambio catiónico y OH- en las de intercambio aniónico) contenidos en la misma.

- Adsorción con carbón activo: para eliminar compuestos orgánicos. Se puede utilizar en

forma granular (columnas de carbón activado granular: GAC) y en polvo (PAC).- Procesos de oxidación: sirven para eliminar o transformar materia orgánica y materiainorgánica oxidable.

Una de las principales funciones del tratamiento terciario es la desinfección, veamos losmétodos mas usados:

LECCION 26. DESINFECCION

La desinfección es la destrucción selectiva de los organismos causantes de enfermedades,no todos los organismos se destruyen durante el proceso. Esto es lo que diferencia ladesinfección de la esterilización, la cual conduce a la destrucción de la totalidad de losorganismos.

La desinfección de las aguas residuales suele realizarse mediante agentes químicos, físicos,medios mecánicos y radiación.

Los agentes químicos utilizados como desinfectantes incluyen el cloro y sus compuestos, elbromo, yodo, ozono, fenol y compuestos fenólicos, alcoholes, metales pesados ycompuestos afines, colorantes, jabones y detergentes sintéticos, compuestos amoniacalescuaternarios, agua oxigenada y diversos álcalis y ácidos.

Un desinfectante químico debe cumplir entre otras con las siguientes características:

Alta toxicidad a disoluciones elevadas. Soluble en agua y en los componentes citoplasmáticos. Persistencia de la acción germicida con el tiempo. Penetrar a través de las superficies celulares. No debe ser inactivado por la mayoría orgánica diferente de los componentescelulares. Efectivo a temperatura ambiente. Disponible en grandes cantidades y a precio razonable.

No existe un desinfectante que presente todas las características anteriores, sin embargosalgunos como los productos químicos oxidantes, especialmente el cloro cumplen con unmayor número de estas.

La luz ultravioleta y el calor son los agentes físicos más utilizados, aunque su aplicación enaguas residuales resulta demasiado costosa.




Los medios mecánicos como los tamices y desarenadores cumplen su propósito principal deseparar los sólidos suspendidos en el agua residual y simultáneamente contribuyen con ladesinfección, disminuyendo la contaminación biológica.

Finalmente, las radiaciones electromagnéticas, acústica y de partículas permiten efectuar la

desinfección debido a su alto poder de penetración.

26.1. MECANISMOS DE ACCION DE LOS DESINFECTANTES

El mecanismo que sigue el proceso de desinfección es el siguiente:

Rompimiento de la pared celular. Modificación de la permeabilidad de la membrana celular. Alteración de la naturaleza coloidal del protoplasma Inhibición de la actividad enzimática.

El daño o destrucción de la pared celular da lugar a la lisis celular y a la muerte de la célula.

26.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACCION DE LOS DESINFECTANTES

La eficiencia de la desinfección es afectada por:

El tiempo de contacto Tipo y concentración del agente químico Intensidad y naturaleza del agente físico Temperatura Población biológica Tipos de organismos Naturaleza del medio líquidoEl tiempo de contacto constituye la variable más importante en el proceso de desinfección,en general, a mayor tiempo de contacto, mayor porcentaje de destrucción de células.

26.3. DESINFECCIÓN CON CLORO

El cloro gaseoso (Cl2), el hipoclorito sodio (NaOCl), el hipoclorito de calcio [Ca(OCl)2], y eldióxido de cloro (ClO2). Son uno de los desinfectantes comúnmente utilizados, El cloro

gaseoso es de color amarillo verdoso, soluble en agua en la proporción de tres volúmenes degas en uno de agua a la presión y temperatura ordinarias (se denomina agua de cloro). Elagua de cloro es un oxidante energético. Lentamente, en la oscuridad y con mayor rapidezbajo la acción de la luz, el agua de cloro se descompone en cloruro e hipoclorito (o ácidohipocloroso), esta descomposición se ve favorecida por los medios básicos, según se puedever en la reacción:




El equilibrio químico en esta reacción se encuentra desplazado hacia la derecha;

consecuentemente, se pueden disolver grandes cantidades de cloro en el agua.El ácido hipocloroso producido en la reacción anterior se ioniza de acuerdo con la reacción

La constante de ionización de esta reacción es:

Ki = [H+] [OCl-] / [HOCl] = 3,7 X 10-8 a 25°C

La cantidad de ácido hipocloroso (HOCl) y de ion hipoclorito (OCl -) presente en el agua sedenomina cloro libre disponible y su distribución relativa es dependiente del pH. La eficienciamicrobicida del HOCl es 40 a 80 veces mayor a la del OCl- por tal razón el porcentaje deestas formas es muy importante.

A pH = 7,5 la concentración de ácido hipocloroso e hipoclorito, será del 50% para cadaespecie. A valores de pH > 7,5 predominará la forma ionizada y a pH < 7,5 predominará elácido sin ionizar.

26.3.1. CLORACIÓN AL BREAKPOINT

La cloración al breakpoint, es el proceso de cloración de las aguas con la cantidad suficientepara producir dos efectos importantes: la presencia de cloro residual libre (lo que nos permitela desinfección total con toda seguridad) y la eliminación del nitrógeno de las aguas.

Debido al elevado poder oxidante del cloro y sus compuestos, al añadir cloro al agua residualse produce la oxidación de las sustancias, transformándose el cloro en ión cloruro, enconsecuencia no existirá cloro residual mientras se mantengan estas reacciones. Cuandotodas las sustancias fácilmente oxidables han reaccionado, empieza la reacción con elamoniaco, formando las cloroaminas y en consecuencia, tendremos en las aguas un cloro

combinado disponible; si se va incrementando la dosis de cloro, la monocloramina y ladicloramina se transforman en tricloruro de nitrógeno, óxido nitroso y nitrógeno, reduciéndoseel cloro a ion cloruro. La dosis de cloro necesaria para que todas las cloraminas se oxiden aóxido nitroso y nitrógeno es lo que se denomina breakpoint.

Las reacciones que tiene lugar durante todo el proceso de cloración son las siguientes:

Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl-

HOCl H+ + OCl-




Estas reacciones son altamente dependientes del pH, de la temperatura, del tiempo decontacto y de la relación inicial entre cloro y amoníaco. Las dos especies que predominan enla mayoría de los casos son la monocloramina y la dicloramina. El cloro presente en estoscompuestos se llama cloro combinado disponible.

Si expresamos el amoniaco como nitrógeno (N) y el ácido hipocloroso como cloro gaseoso(Cl2), teniendo en cuenta que dos moles de amoniaco reaccionan con tres moles de ácidohipocloroso, la reacción en el breakpoint necesitaría una relación de cloro nitrógenoamoniaco de 7,6: 1,0 En la práctica, debido a las diferentes reacciones que hemos descrito yque se pueden realizar, la reacción se encuentra entre 8:1 y 10:1.

Los fenómenos que resultan al añadir cloro a un agua residual que contenga amoníacospueden explicarse con base en la figura No. 44

NH3 + HOCl NH2CL + H2OMonocloramina

NH2Cl + HOCl NHCL2 + H2ODicloramina

NHCl2 + HOCl NCL3 + H2OTricloruro de nitrógeno




Cuando se añade cloro, las sustancias fácilmente oxidantes tales como Fe (II), Mn (II), H2S yla materia orgánica reaccionan con el cloro reduciendo la mayor parte de este a ion cloruro(punto A). Tras satisfacer esta demanda inmediata, el cloro continuará reaccionando con elamoníaco para formar cloraminas entre los puntos A y B. En el caso de relaciones molaresde cloro a amoníaco menores que 1, se formarán monocloramina y dicloramina. Ladistribución de estas formas viene dictada por sus velocidades de formación, que sondependientes del pH y de la temperatura. Entre el punto B y el punto de quiebre (breakpoint)algunas de las cloraminas se convierten en tricloruro de nitrógeno, mientras que lascloraminas restantes se oxidarán a óxido nitroso y nitrógeno (N2), reduciéndose el cloro a ioncloruro. Con la adicción continuada del cloro, todas las cloraminas se oxidarán en elbreakpoint.

Adicionalmente a la reacción de formación del tricloruro de nitrógeno indicada anteriormente,los gases mencionados se forman según las siguientes reacciones:

C l o r o r e s i d u a l , m

/ l

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Destrucción decloraminas ycompuestos

organoclorados

Destrucción

del clororesidual porcompuestosreductores

Cloro residuallibre y combinad

Punto de

(Breakpoint)

0 0,1 A 0,2 0,3 0,4 0,5 B 0,6 0,7 0,8

Cloro residuallibre y

Formación de compuestosOrganoclorados y cloraminas

Formación de cy presencia de c

organoclorados

Cloro añadido, mg/l

FIGURA No. 44 CURVA GENERALIZADA OBTENIDA DURANTE LA CLORACION AL




La adición de cloro más allá del breakpoint dará como resultado un aumento directamente

proporcional del cloro libre disponible (hipoclorito sin reaccionar).

La razón principal para añadir cloro suficiente hasta obtener cloro residual libre, es que ladesinfección se logrará con toda seguridad. A veces, debido a la formación del tricloruro denitrógeno y sus compuestos afines, se han presentado graves problemas de olor durante lasoperaciones de cloración da lugar a su reacción con la alcalinidad del agua residual y en casitodos los casos, la disminución del pH será pequeña.

La presencia de compuestos adicionales que reaccionen con el cloro puede alterar mucho laforma de la curva de breakpoint. La cantidad de cloro que debe añadirse para alcanzar unnivel deseado de cloro residual se llama demanda de cloro.

26.4. DECLORACION

La decloración de las aguas residuales consiste en la eliminación de todo el cloro residualcombinado. Tal como se ha dicho anteriormente, con el cloro reaccionan muchoscompuestos orgánicos, algunos de estos compuestos pueden ser altamente tóxicos para laflora y la fauna del medio en que se vierten las aguas. Algunos estudios han llegado a laconclusión que las aguas cloradas después de un tratamiento biológico o de precipitaciónquímica, aumentan de toxicidad, de aquí la necesidad de la decloración, para eliminar todosestos posibles compuestos tóxicos.

Los mejores agentes de decloración son el dióxido de azufre y el carbón activado. Tambiénse pueden utilizar el sulfito sódico y el metabisulfito sódico.

26.4.1. Decloración con dióxido de azufre. El dióxido de azufre es un gas incoloro, de olorpicante típico y reductor. Si se satura el agua con dióxido de azufre, existe fundamentalmenteeste gas, una bajísima concentración de ácido sulfuroso, algo de bisulfito y muy poco sulfito.Si el medio es básico, la transformación de dióxido de azufre en los compuestos

NH2Cl + NHCL2 + HOCl N2O + 4HCl

4NH2Cl + 3CL2 + H2O N2 + N2O + 10HCl

2NH2Cl + HOCl N2 + H2O + 3HCl

NH2Cl + NHCL2 N2 + 3HCl




mencionados será mayor. Todos los compuestos acuosos que se forman son reductores, deahí la reacción con el cloro y los compuestos clorados, dado el carácter oxidante de estos.En consecuencia, el SO2, SO3H2, SO3H

- y el SO3=, reaccionaran sucesivamente con el cloro

libre, cloraminas, tricloruro de nitrógeno y compuestos policlorados, según las siguientesreacciones:

La misma reacción de oxidación-reducción harán los compuestos en disolución procedentesdel dióxido de azufre.

Debe tenerse en cuenta que tanto el dióxido de azufre como sus compuestos en disolucionesacuosas lo suficientemente reductores como para reaccionar con el oxígeno atmosférico y endisolución, transformarse en ión sulfato, en consecuencia puede resultar un aumento de losvalores de DBO, DQO y un posible descenso de pH.

26.4.2. Adsorción con carbón activado. El proceso por el cual los iones, o las moléculas,son retenidos sobre la superficie de un sólido. El sólido recibe el nombre de adsorbente y lasustancia que es absorbida el nombre de adsórbalo.

El carbón activo es adsorbente utilizado en el tratamiento de aguas residuales y su principalaplicación se encuentra en el refino de las aguas procedentes de tratamientos químicos obiológicos.

La decloración mediante adsorción sobre carbón activado proporciona una completaeliminación tanto del cloro residual libre como del combinado Cuando se emplea carbónactivado las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Reacciones con el cloro:

Reacciones con las cloraminas:

SO2 + HOCl + H2O Cl- +SO4= + 3H+

SO2 + NH2Cl + 2H2O Cl- +SO4= + NH4

+ + 2H+

C + 2Cl2 + 2H2O 4HCl + CO2




Dado que se ha podido comprobar que la utilización del carbón granular en columnas es muyefectiva y fiable, siempre se debe tener en cuenta a la hora de plantearse la necesidad dedecloración. Es de esperar que la principal aplicación del carbón activado se dará ensituaciones en las que también sean necesarios altos niveles de eliminación de materiaorgánica.

26.5. OZONIZACIÓN

El ozono tiene básicamente dos aplicaciones importantes en el tratamiento de aguasresiduales (que son iguales a las del cloro): desinfección y eliminación de materia orgánicarefractaria.

El ozono es un elemento oxidante con propiedades bactericidas similares al cloro. Al añadirozono al agua se convierte rápidamente en oxígeno, en consecuencia, no se obtienen en elefluente tratado ningún compuesto químico residual que pueda requerir su eliminación. Noproduce sólidos en disolución, no reacciona con el amoníaco y no depende del pH del agua

tratada; por otra parte introduce oxigeno puro y cuando en las aguas tratadas con cloro seanecesarias la decloración. Los mayores inconvenientes de la ozonización de las aguas sonsu costo con relación al cloro y que no deja una desinfección residual (caso del cloro, el clororesidual libre).

El ozono (igual que el cloro) puede utilizarse para reducir la materia orgánica residual,procedente de los tratamientos biológicos, que está constituida generalmente porcompuestos orgánicos polares de bajo peso molecular y por compuestos orgánicoscomplejos. Cuando se utiliza el ozono para la destrucción de la materia orgánica refractaria,la desinfección es un beneficio adicional.

LECCION 27. DESINFECCIÓN CON RAYOS ULTRAVIOLETAS

La desinfección de aguas de abastecimiento basada en la radiación emitida por fuentes derayos ultravioletas (UV) se ha empleado encontradas ocasiones desde el siglo XX. Aunquesu primer uso se centraba en la desinfección de aguas de suministro de alta calidad,recientemente se ha experimentado un renovado interés en la aplicación de esta técnica decara ala desinfección de aguas residuales. Se ha podido comprobar que una correctadosificación de rayos ultravioletas es un eficaz bactericida y virucida además de no contribuira la formación de compuestos tóxicos

_ C + 2NH2Cl + 2H2O CO2 + 2NH4 + 2Cl-

C + 4NHCl2 + 2H2O CO2 + 2N2 + 8H- + 8Cl-




27.1. ELIMINACIÓN DE SUSTANCIAS INORGÁNICAS DISUELTAS

La eliminación de sustancias inorgánicas es otro objetivo del tratamiento terciario, se puederealizar con las operaciones siguientes: precipitación química, intercambio iónico, osmosis

inversa y ultrafiltración.De las cuatro operaciones indicadas, quizá la de mayor aplicación sea la precipitaciónquímica. Los procesos de intercambio iónico, ósmosis inversa y ultrafiltración son procesosviables y de futuro, sobre todo en el tratamiento de aguas residuales industriales, ya quedichas operaciones permitirán la reutilización mayoritaria de estas aguas.

27.1.1. Intercambio Iónico. El intercambio iónico es un proceso en el cual los iones endisolución reemplazan a otros iones que están en la matriz insoluble del intercambiador. Lasresinas de intercambio iónico se dividen en catiónicas y aniónicas. El agua a tratar se hacepasar por un intercambiador catiónico donde los cationes disueltos sustituyen a los ioneshidronio de la columna; a continuación pasa el efluente por un intercambiador aniónico, endonde los aniones disueltos sustituyen a los iones hidroxilo de la resina. Losintercambiadores de iones son columnas de lecho compacto con flujo descendente de aguaa tratar. Altas concentraciones de sólidos en suspensión en afluentes a tratar puede producirobturaciones de la columna, causando pérdidas de carga elevadas y disminuir la eficacia deltratamiento.

La materia orgánica se encuentra en las aguas residuales a tratar, puede dar lugar alaglutinamiento de las resinas.

Cuando las resinas están agotadas debe hacerse un lavado de regeneración en contracorriente; en las columnas catiónicas la regeneración se realiza con un ácido fuerte

(clorhídrico o sulfúrico) y en las aniónicas se realiza generalmente con hidróxido sódico.No todos los iones se eliminan por igual en un tipo de resina, y cada tipo de resina secaracteriza por una selectividad determinada para ciertos iones. Se puede obtenereliminaciones de iones en disolución del 90 al 99%.

Recientemente se han estudiado intercambiadores aniónicos y catiónicos con una matrizcelulosíca, denominada cintica rápida, en donde los aniones y cationes minerales, sonfácilmente retenidos y la regeneración de la celulosa es fácil utilizando volúmenesregeneradores muy pequeños, y la capacidad del intercambio es totalmente recobrada encada ciclo. Las aguas coloreadas pueden producir un proceso de tinte en la celulosa en unproceso de tipo poco reversible y, en consecuencia, entorpecer el proceso de regeneración.

Los procesos de intercambio iónico de cintica rápida pueden ser acoplados en serie conotros procesos de tratamiento de aguas residuales aumentando sustancialmente el grado dedepuración de las aguas residuales.

27.1.2. Osmosis Inversa. La ósmosis inversa se emplea para la eliminación de ionesdisueltos y reduce, más selectivamente que otros métodos, la materia orgánica disuelta.




El proceso consiste en separar el agua de las sales disueltas, filtrándola a través de unamembrana semipermeable a una presión mayor que la osmótica causada por las salesdisueltas en el agua.

Los problemas más importantes de la ósmosis inversa son su alto costo, la necesidad de unagua a tratar que no este contaminada con sólidos en suspensión, agua con bajoscontenidos de hierro y manganeso, así como un pH comprendido entre 4,0 y 7.5.

La ósmosis inversa, más que un tratamiento directo de aguas residuales, es un tratamientopara la reutilización de aguas residuales tratadas o, si se emplea directamente en aguasresiduales industriales, debe ser un agua que no nos produzca incrustaciones en lasmembranas ya que se pueden llegar a obturarlas.

27.1.3. Ultrafiltración. Al igual que el intercambio iónico y la osmosis inversa, laultrafiltración es un proceso de tratamiento y reutilización de aguas residuales industriales,con o sin ningún tratamiento previo, así como de aguas residuales urbanas con tratamientosconvencionales previos.

La ultrafiltración nos permite también la recuperación de productos utilizados en los procesosindustriales.

El agua residual a tratar se hace circular a presión, a lo largo de una membrana, con porosde diámetro suficiente, para retener las moléculas de productos diferentes al agua; de estaforma se consigue al final de la ultrafiltración un permeato con poca contaminación (agua ymoléculas del mismo o menor tamaño) y un concentrado con las sustancias contaminantesde mayor tamaño molecular que el agua.

La recirculación del concentrado en los ultrafiltros, aumentará la concentración del producto arecuperar.

LECCION 28. MANEJO Y DISPOSICION DE LODOS

El tratamiento de las aguas residuales produce una serie de subproductos como son losresiduos de las rejas, desarenadores y sedimentadores. Este caso específico se refiere a losproductos retenidos en los sedimentadores tanto primarios como secundarios y que vienen aconformar la parte más importante de los subproductos.

Los lodos antes de su disposición final deben ser acondicionados a causa del alto contenidode materia orgánica putrescible y que no pueden ser dispuestos libremente. El lodoprocedente de las plantas de tratamiento, varía según el tipo de planta.

En líneas generales se puede indicar que los lodos provienen de la sedimentación primaria yrepresenta entre el 0,22% y el 0,93% del volumen de agua residual y el contenido de sólidosvolátiles es del 63% al 83%.

En el caso de los lodos provenientes de la sedimentación secundaria, varían en función delos procesos. Los lodos resultantes de los filtros percoladores muestran un rendimiento de0,08% a 0,10% del caudal tratado y el contenido de sólidos volátiles es del 60% en promedio.




Los lodos activados comúnmente presentan rendimiento del 1,2 al 1,5 del volumen de aguatratado con un contenido de humedad de 97% al 99%.

En el Tabla No. 23 se resumen las características de los lodos procedentes de diferentesprocesos de tratamiento.

TABLA No. 23 CARACTERÍSTICAS DE LODOS TIPO DELODO

ASPECTO OLOR SECADO HUMEDAD(%)

Primario Pardo ypegajoso

Fuerte Difícil 95.0 - 97.5

Secundario Filtro biológico Ceniciento

floculentoMedio Medio 92,0 – 95,0

Lodo activado Marrónfloculento Suave Difícil 98,5 – 99,5

Precipitaciónquímica

Cenicientogelatinoso

Fuerte Difícil 93,0 – 95,0

Lodo séptico Negro FuerteLodo digerido Negro

homogéneogranular

Suave Fácil S.P. 87F.B. 90L.A. 93P.Q. 90

S.P. Sedimentador primario F.B. Filtro biológicoL.A. Lodo activado P.Q. Precipitación químicaFuente: Curso Internacional “Gestión Integral de Tratamiento de Aguas Residuales”.CEPIS/OPS- OMS. Septiembre de 2.002.

En la figura 45 se representa los posibles tratamientos del lodo, las flechas indican el flujo dellodo, cada proceso genera residuos que pueden ser llevados a una nueva operación o adisposición final. La parte derecha relaciona las diferentes alternativas tecnológicas de cadaoperación, su aplicación depende de criterios técnicos y económicos.

En términos generales las operaciones de manejo de lodos son: concentración, digestión,deshidratación, secado, incineración y disposición final en rellenos sanitarios o en terreno




Concentración

Digestión

Deshidratación

Secado

Incineración

Sedimentación y resedimentaciónpor gravedad

Concentración Mecánica

Flotación Biológica y a presión ovacío.

Aireación aeróbica extendida

Digestión anaeróbica

Flotación

Filtración al vacío

Centrifugado

Secado al aire y en lechos

Secado por fluizado ycalentamiento

Oxidación húmeda porcalentamiento y presión.

En hornos de hogar múltiples delos lodos deshidratados

Fluidizada de los sólidos secadospor calor,

FIGURA No. 45 FLUJO PARA MANEJO DE SÓLIDOS

Disposición final

LODOS




De éstos, la digestión, incineración u oxidación por vía húmeda son los más empleados parala reducción de la materia orgánica, y la concentración, acondicionamiento y deshidrataciónpara la eliminación de la humedad.

El tratamiento de la materia orgánica persigue:

(a) Reducción apreciable del contenido de la materia orgánica volátil.(b) Aumento del contenido de sólidos fijos.(c) Reducción del contenido de humedad.(d) Mayor posibilidad de drenaje del agua contenida en los lodos.(e) Producción de gases, principalmente metanos.

Veamos algunas consideraciones generales de estos procesos:

28.1 ESPESAMIENTO.

Para concentrar los sólidos se utiliza espesamiento por gravedad. Los sedimentos primariosse pueden espesar hasta 6 o 8% y los secundarios hasta 2%. El espesamiento por gravedadtiene algunos aspectos negativos; la actividad microbiana crea olores molestos e hidrolizaparte de los compuestos orgánicos. El flujo de retorno devuelve algunos sólidos ycompuestos orgánicos solubles al sistema de tratamiento, para su eliminación por segundavez.

28.2. FLOTACION

La flotación con aire es satisfactoria para concentrar sedimentos secundarios hastaaproximadamente 4%. Por lo general, los sólidos que entran se saturan con aire a unapresión de 275 a 350 kPa (40 a 50 psi) antes de llegar al tanque de flotación. A medida queel aire entra en contacto con la solución, las burbujas finas recolectan en su parte inferior lossólidos en suspensión y los transportan a la superficie del tanque. Los sólidos espesados seraspan de la superficie, en tanto que el efluente se extrae de la mitad del tanque y sedevuelve al sistema de tratamiento.

28.3. CENTRIFUGACION

Las centrifugas dan por resultado una captación de sólidos de 85 a 90%, con una buenaoperación. El problema es que la zona central del centrifugado contiene los sólidos finos,cuya eliminación no es fácil y, por lo general es la parte del producto centrifugado sedevuelve al proceso de tratamiento, de donde puede ser extraída o no. Desde el punto devista económico, las centrifugas no se recomienda a menos que la concentración de la tortade sedimento producida tenga por lo menos de 20 a 25% de sólidos.

28.4. DIGESTION ANAEROBIA

Ya que los componentes orgánicos del sedimento primario o secundario contienencompuestos biodegradables, los sedimentos concentrados se pueden tratar mediante unadigestión anaerobia. Los digestores anaerobios son grandes tanques cubiertos con tiempos




de retención que varían entre 20 y 30 días, en función del volumen de sedimento que seagrega diariamente. Se construyen dos digestores anaerobios de iguales a dimensiones y seoperan en serie, para que cada unidad tenga un tiempo de retención de 10 a 15 días.

La digestión anaerobia da por resultado la conversión de los compuestos orgánicos

biodegradables en metano, bióxido de carbono y células microbianas. Debido a la energíacontenida en el metano, la producción de masa microbiana es bastante baja.

28.5 FILTRACION ANAEROBIA

La digestión anaerobia está limitada por la capacidad del sistema para retener un alto nivelde bacterias formadoras de metano. El filtro anaerobio se desarrolló para retener estasbacterianas en un medio fijo, con objeto de tratar altos volúmenes de compuestos orgánicosrelativamente diluidos con digestión anaerobia y la producción de metano gaseoso. Con unmedio fijo, el tiempo de retención del fluido se reduce a unas cuantas horas o díasdependiendo de la concentración de los lodos.

28.6. GIGESTION AEROBIA

El sedimento activado a desechar se trata más fácilmente en los sistemas aerobios que enlos anaerobios. En el tanque de aireación se realiza una digestión aerobia parcial delsedimento; sin embargo, en la mayor parte de los casos sólo se logra una digestión de 25 a35% del sedimento activado de desecho. Un periodo adicional de aireación de 15 a 20 díases adecuado para reducir la masa biodegradable de residuos a un nivel suficiente para sufiltración y regreso al medio ambiente. Uno de los problemas en la digestión aerobia es laimposibilidad de concentrar los sólidos a niveles mayores a 2%. El segundo problema es lanitrificación. La alta concentración de proteína en los sólidos biodegradables da por resultadola liberación de amoniaco, que se puedo oxidar durante los largos periodos de retención en eldigestor aerobio. La limitación de la transferencia de oxígeno en el digestor aerobio es elmejor método para controlar la nitrificación y el bajo pH resultante. Los altos costos depotencia en la digestión aerobia ayudan a mantener el suministro de oxígeno cercano al nivelrequerido.

28.7 ACONDICIONAMIENTO QUÍMICO.

La cal, el alumbre y varias sales ferricas se utilizan para acondicionar el sedimento antes defiltrarlo. La cal reacciona para formar cristales de carbonato de calcio, que actúa como unamatriz sólida para mantener separadas las partículas de sedimento y permitir que el aguaescape durante el filtrado o el desaguado. El alumbre y las sales de hierro ayudan adesplazar parte del agua unida a los compuestos orgánicos hidrofílicos y a formar parte de lamatriz inorgánica. El acondicionamiento químico incrementa en 10 a 25% la masa desedimento final a manejar, dependiendo de las características del sedimento individual. Estetratamiento también ayuda a eliminar parte de las partículas finas, al incorporarlas en losprecipitados químicos insolubles.

28.8. ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO.




El acondicionamiento térmico de los sedimentos a desechar se desarrolló para oxidartotalmente los compuestos orgánicos, pero surgieron problemas de operación al cambiar eltratamiento térmico de un proceso de oxidación total a un proceso de acondicionamientotérmico de un proceso de oxidación total a un proceso de acondicionamiento térmico. Por logeneral después de la reacción térmica los sólidos se separan en un tanque cubierto de

sedimentación. Los gases emitidos tienen olor desagradable y generalmente se pasan a uncalcinador para su total combustión. El líquido que sobrenada se devuelve al proceso detratamiento y se vuelve a tratar.

28.9. FILTRACION AL VACIO

La filtración al vacío es el método más común para filtrar o desaguar los sedimentos. Losfiltros al vacío constan de un tambor rotatorio cubierto con un medio filtrante de tela, quepuede ser de diversas fibras plásticas o de lana. El filtro opera mediante la aplicación devacío al tambor que gira dentro del sedimento acondicionado químicamente. El vacíomantiene adherida una capa delgada de sedimento, que se desagua a medida que el tambor

sale de la tina de sedimento. Cuando el tambor gira al otro lado, chorros de aire a presiónreemplazan el vacío y separan la torta de sedimento del medio filtrante a medida que la telase aleja del tambor y se desplaza sobre una serie de rodillos, donde el sedimento se separapor medio de una cuchilla y cae por gravedad a un transportador de banda. El sedimentofiltrado se transporta por la banda hasta el siguiente punto de concentración, en tanto que elmedio filtrante se lava con rocío y regresa al tambor antes de entrar a la tina de sedimento.

28.10. FILTRACIÓN A PRESIÓN.

Los filtros a presión constan de una serie de placas y marcos separados por un medio detela. La presión fuerza el paso del sedimento al filtro mientras se extrae el filtrado. El filtroprensa opera a presiones que varían entre 689 y 1380 kPa (100 a 200 psi) y el calcio apresión requiere de 1,5 a 4 h. Por lo general, se necesitan de 20 a 30 minutos para eliminarla torta del filtro. Las tortas de sedimento varían de 20 a 25% para el sedimento activado adesechar, hasta 50% para el sedimento primario. Se requiere acondicionamiento químicopara obtener una buena filtración del sedimento.

28.11. LECHOS DE ARENA.

Los filtros de lecho de arena se utilizan para filtrar sedimentos digeridos en forma anaerobiao aerobia. Estos filtros operan mejor en sistemas de tratamiento relativamente pequeñosinstalados en áreas más o menos secas. El lecho de arena consta de grava gruesa hastaarena fina en una serie de capas y con una profundidad de 0,42 a 0,6 m (1,5 a 2 ft). Elsedimento digerido se coloca sobre toda la superficie del filtro hasta una profundidad de 0,3m y se deja hasta que seca. El agua que pasa a través del lecho de arena se lleva a unsistema de tubos de subdrenaje y se saca del filtro. El secado atmosférico elimina lentamenteel agua restante. El lodo o sedimento debe eliminarse a mano del lecho antes de agregar lasegunda capa de sedimento.




28.12. INCINERACIÓN.

La incineración se utiliza para reducir el volumen del sedimento después del filtrado. Lasfracciones orgánicas presentes en los sedimentos se incineran por si mismas si no tienendemasiada agua. Para la combustión del sedimento se utilizan incineradores de hogar

múltiple y de lecho fluidificado. El incinerador de hogar múltiple consta de varías cámarasdentro de un horno cilíndrico vertical. El sedimento filtrado se alimenta a la cámara superior yse empuja lentamente a través del incinerador y cae por gravedad a la siguiente cámara onivel, hasta que finalmente llega a la cámara de fondo.

En el incinerador de lecho fluidificado se utilizan arena caliente como depósito de calor parasecar el sedimento y quemar los compuestos orgánicos. La turbulencia creada por el aire y lasuspensión de arena requiere que los gases de salida se traten en un depurador en húmedoantes de descargarlos. Las cenizas se extraen del agua del depurador mediante unseparador tipo ciclón. Por lo general, el agua se devuelve al proceso de tratamiento y sediluye con el efluente total de la planta. La ceniza se entierra.

28.13. DISPOSICIÓN EN RELLENOS SANITARIOS.

A menudo, el sedimento seco, digerido o no, se entierra en un relleno sanitario paraminimizar el impacto al medio ambiente. Recientemente se ha incrementado la preocupaciónrespecto a los rellenos sanitarios, por lo que es más difícil el simple entierro de lossedimentos secos. Es necesario asegurarse de que no existen filtraciones en los rellenossanitarios y deben monitorearse con regularidad, para determinar que no causan daño almedio ambiente. El contenido de humedad de la mayor parte de los sedimentos hace queconstituyan un problema en los rellenos sanitarios diseñados para los desperdicios sólidos yes necesario enterrarlos por separado, incluso en el mismo relleno.

28.14. DISEMINACIÓN EN EL TERRENO.

El contenido de nutrientes en la mayor parte de los sedimentos posibilita su uso comofertilizantes y acondicionadores de tierra si se mezclan en forma adecuada con la superficiedel terreno. La diseminación en el terreno ha ganado popularidad en las áreas agrícolas. Porlo general, la proporción de aplicación del sedimento al terreno se controla mediante elcontenido de nitrógeno del sedimento. Ya que los requerimientos de nitrógeno varían segúnlos diferentes cultivos, la aplicación de nitrógeno no está limitada aproximadamente de doblede los requerimientos de nitrógeno del cultivo propuesto. En el sedimento se dispone deaproximadamente la mitad de nitrógeno requerido. La liberación de los nutrientes delsedimento es más lenta que en los fertilizantes químicos, lo que permite disponer de losnutrientes a medida que el cultivo los requiere. El sedimento activado es un excelenteacondicionador de tierra debido al humus que contiene y que proporciona una buena matrizpara el crecimiento de la raíz, mientras que los elementos nutrientes se liberan en unacombinación adecuada, para el óptimo crecimiento de la planta. Existe preocupación sobre lapresencia de metales pesados en algunos sedimentos y deben tomarse las mediasnecesarias para reducir al mínimo la concentración, dado que estos no pueden eliminarsefácilmente, es importante evitar que entren al sistema de tratamiento de agua residual.




LECCION 29. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE LOS PROCESOS DETRATAMIENTO

A esta instancia se han estudiado los diferentes aspectos técnicos que involucran eltratamiento de aguas residuales, las diferentes alternativas tecnológicas, sus ventajas ydesventajas, sin embargo en ese gran universo de posibilidades, seleccionar la mejoralternativa comprende el análisis y ponderación de varios aspectos: Técnicos, económicos,legales, y sociales.

Se han desarrollado sistemas matriciales como herramientas que permiten la selección dealternativas de tratamiento, acá se relaciona la propuesta por Juan Manuel MorganSagastume, Ingeniero de la Universidad Nacional Autónoma de México, cuya metodologíase encuentra en el archivo anexo.

La matriz de decisión propuesta considera y pondera en la toma de la decisión los siguientesrubros: aplicabilidad del proceso, costo de inversión inicial, costo de operación ymantenimiento, la generación de residuos, el requerimiento de reactivos, los requerimientosenergéticos, la aceptación por parte de la comunidad, la generación de subproductos convalor económico o de reúso, la vida útil, el requerimiento de área, aspectos de diseño,construcción y operación así como la influencia sobre el entorno e impacto al medioambiente.

LECCION 30. OPERACIÓN DE LA MATRIZ DE DECISIÓN

La matriz consta de 5 columnas (A, B, C, D, E) y 35 renglones, en la columna B se listan losaspectos que serán ponderados según los requerimientos del cliente (columna A) yevaluados según la propuesta técnica que efectúe el contratista (columna C).

La suma de los valores ponderados en la columna A debe sumar 100. Los valores de lacolumna A deben ser fijados considerando la importancia que tiene cada rubro dentro de lascondiciones específicas de cada proyecto y deberán permanecer constantesindependientemente de que sistema de tratamiento de aguas se esté evaluando.

En la columna C se evalúa cada aspecto de la columna B al otorgar un valor de cero paracuando el aspecto evaluado no aplique, 1 cuando el proceso cumpla con el aspecto en formadeficiente, 3 cuando cumpla con el aspecto en forma adecuada y 5 cuando el procesocumpla con el aspecto evaluado en forma muy buena o excelente.

En la columna D se divide la calificación asignada a cada rubro en C entre la calificaciónmáxima que pueden obtener (es decir 5) excepto para los resultados en las casillas 7.3 D,8.3 D, 9.5 D, 10.6 D y 11.6D, pues esto ya se hizo.

En la columna E se multiplica el valor de cada renglón de la columna D por el valorponderado de la columna A y finalmente se suman todos los renglones de la columna E para




obtener la calificación global (ponerla en la casilla 12 E) del proceso aplicado bajos lascondiciones ponderadas en la columna A. El proceso que obtenga la mayor calificación seráel seleccionado.

MATRIZ DE DECISION

A B C D E# % ASPECTO EVALUADO CALIFICACIÓ

N0= no aplica1= suficiente3=adecuado5=muy bueno

C/5(exceptoenrenglones7.3, 8.39.5, 10.6y11.6)

D*A

1 APLICABILIDAD DEL PROCESO

2 GENERACIÓN DE RESIDUOS3 ACEPTACIÓN POR PARTE DE LA

COMUNIDAD4 GENERACIÓN DE SUBPRODUCTOS CON

VALOR ECONÓMICO O DE REUSO5 VIDA ÚTIL6 REQUERIMIENTO DE ÁREA7 COSTO7.1 Inversión7.2 Operación y mantenimiento7.3 Sumar las casillas 7.1 y 7.2 y dividir el

total entre 10. El resultado anotarlo en lacasilla 7.3 D

8 INSUMOS8.1 Requerimiento de reactivos 8.2 Requerimientos energéticos 8.3 3 Sumar las casillas 8.1 y 8.2 y dividir el

total entre 10. El resultado anotarlo en lacasilla 8.3 D

9 9 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

9.1 Criterios de diseño 9.2 Experiencia del contratista 9.3 Tecnología ampliamente probada9.4 Complejidad en la construcción y

equipamiento 9.5 Sumar las casillas 9.1C, 9.2C, 9.3C y 9.4C

y dividir el total entre20. El resultado anotarlo en la casilla 9.5D

10 10 OPERACIÓN




10.1 Flexibilidad de operación 10.2 Confiabilidad del proceso 10.3 Complejidad de operación del proceso 10.4 Requerimiento de personal 10.5 Disponibilidad de repuestos y centros de

servicio 10.6 6 Sumar las casillas 10.1C, 10.2C, 10.3C,10.4C y 10.5C y dividir el total entre 25. Elresultado anotarlo en la casilla 10.6D

11 11 ENTORNO11.1 Influencia de la temperatura 11.2 Producción de ruido 11.3 Contaminación visual11.4 Producción de malos olores 11.5 Condiciones para la reproducción de

animales dañinos

11.6 Sumar las casillas 11.1C, 11.2C, 11.3C,11.4C y 11.5C y dividir el total entre 25. Elresultado anotarlo en la casilla 11.6D

12 100 SUMAR LOS VALORES DE LA COLUMNAE Y ANOTAR EL RESULTADO EN LACASILLA 12E

AUTOEVALUACION 6

1. Con los tratamientos primarios y secundarios se puede llegar a remover hasta un 90 %de DBO y de Sólidos Suspendidos totales; cumpliendo de esta forma con el porcentaje deremoción exigido por las autoridades ambientales, ¿considera usted que es suficiente conestos tratamientos?

2. En un cuadro resuma las características fisicoquímicas y microbiológicas obtenidasdespués de estos tratamientos, compárelas con las características originales del aguautilizada en el proceso industrial, saque sus propias conclusiones y compártalas con suscompañeros. Preséntelas al Tutor para Evaluación.

3. En actividades anteriores usted ha planteado mínimo dos alternativas de tratamientode aguas residuales procedente de una empresa de alimentos. Ayudado con el documentoanexo Matrizdecision.pdf, seleccione la mejor alternativa y expóngala a sus compañeros.

4. Analice y sí es el caso sugiera cambios en la matriz propuesta. Consultebibliográficamente otras herramientas que permitan la selección de los sistemas detratamiento.




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