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UNCUYO – FACULTAD DE INGENIER IA CÁTEDRA INGENIERIA SANITARIA

TRABAJO PRACTICO 5B TEORIA, DISEÑO Y CALCULO - PROCESO DE

BARROS ACTIVADOS CONVENCIONAL

REVISION 2.0 – AÑO 2018

CÁTEDRA INGENIERIA SANITARIA

TRABAJO PRACTICO N° 5B


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1. INTRODUCCION .................................................................................................................................3

2. OBJETIVO ....................................... ....................................................................................................3

3. ALCANCE ........................................ ....................................................................................................3

3.1. DOCUMENTACIÓN GRÁFICA ...................................................................................................................3

3.2. MEMORIA TÉCNICA ..............................................................................................................................3

4. SISTEMA DE TRATAMIENTO DE BARROS ACTIVADOS ..... ..........................................................3

4.1. GENERALIDADES ..................................................................................................................................3

4.2. ESQUEMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO ........................................................................5

4.3. CONCEPTO DEL PROCESO ....................................................................................................................6

4.4. DIAGRAMA DE PREDOMINIO RELATIVO ...................................................................................................8

4.5. SISTEMA CONVENCIONAL DE BARROS ACTIVADOS ............................................................................... 11

4.6. AERACIÓN ........................................................................................................................................ 12

4.7. PARÁMETROS DE DISEÑO PARA EL PROCESO ...................................................................................... 14

4.8. TABLAS DE PARÁMETROS DE DISEÑO Y OPERACIÓN DE LODOS ACTIVADOS ........................................... 16

4.9. ETAPAS ESENCIALES DEL PROCESO DE BARROS ACTIVADOS ................................................................ 17

5. CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO A APLICAR ................................ 18

5.1. PRETRATAMIENTO ............................................................................................................................. 18

5.2. TRATAMIENTO PRIMARIO ................................................................................................................... 18

5.3. TRATAMIENTO SECUNDARIO .............................................................................................................. 19

5.4. TRATAMIENTO DE BARROS PURGADOS ............................................................................................... 20

6. RESUMEN DEL SISTEMA DE DEPURACIÓN ADOPTADO ..... ..................................................... 24

7. DISEÑO DE REJAS PARA RETENCION DE SOLIDOS ...... ........................................................... 24

8. DISEÑO DE SEDIMENTACION PRIMARIA ............... ..................................................................... 25

9. DISEÑO DEL REACTOR BIOLOGICO (TANQUE DE AERACION ) ............................................... 25

10. DISEÑO SISTEMA DE RECIRCULACION DE BIOMASA .... ........................................................ 27

11. DISEÑO SEDIMENTACION SECUNDARIA ............... ................................................................... 27

12. DISEÑO DE LINEA DE TRATAMIENTO DE BARROS ...... ........................................................... 27

13. DISEÑO SISTEMA DE AEREACION ................... .......................................................................... 29

13.1. GENERALIDADES ............................................................................................................................. 29

13.2. TIPOS ............................................................................................................................................. 30

13.3. CLASIFICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE AERACIÓN DISPONIBLE ........................................................... 30

14. DIAGRAMA DE PROCESO EJEMPLIFICATIVO ........... ............................................................... 31

15. BASE DE DATOS PARA LA RESOLUCION DEL T.P. ..... ............................................................ 32

15.1. DATOS DE PARTIDA Y CARACTERIZACIÓN DEL LÍQUIDO RESIDUAL A TRATAR ........................................ 32

15.2. DISEÑO DEL REACTOR BIOLÓGICO (TANQUE DE AERACIÓN) ................................................................ 33

15.3. REÚSO DEL LÍQUIDO DEPURADO Y NORMATIVA PARA SU CONTROL ..................................................... 37

16. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS � ........................................................................................... 38




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1. INTRODUCCION

El presente Trabajo Práctico consiste en la presentación teórica general para que el alumno pueda diseñar y calcular los parámetros básicos necesarios para la ejecución de un sistema de tratamiento de líquidos residuales mediante el proceso de barros activados convencional.

2. OBJETIVO

El sistema de tratamiento a diseñar y calcular, deberá ser un proceso de barros activados convencional. Se utilizará para depurar efluentes cloacales garantizando condiciones óptimas de funcionamiento y parámetros físicos, químicos y biológicos de salida para su reúso, según las normativas vigentes.

3. ALCANCE

Se deberán realizar y presentar la siguiente documentación como contenido mínimo del presente Trabajo Práctico, el cual se compone de las siguientes dos partes:

3.1. Documentación gráfica

Plano de Diagrama de Proceso con la propuesta del tren de unidades para el proceso de depuración de barros activados convencional, plasmando dimensiones reales calculadas en planta de cada unidad y volcando parámetros básicos de entrada y salida (características físico/química y microbiológicas del líquido) y de funcionamiento y operación verificados en el diseño y cálculo de cada proceso interviniente. Incluye pre-tratamiento, tratamientos primario y secundario, y línea de tratamiento de barros purgados.

Se deberá entregar en formato IRAM A3 con rótulo identificatorio.

3.2. Memoria Técnica

Memoria técnica con el diseño y verificaciones básicas del proceso adoptado y propuesto, adjunto a un breve resumen en carácter ejecutivo de la línea de tratamiento propuesta, incluyendo justificación y conclusión de los valores obtenidos.

Se deberá entregar en formato IRAM A4 con rótulo identificatorio.

4. SISTEMA DE TRATAMIENTO DE BARROS ACTIVADOS

4.1. Generalidades

El sistema de depuración y/o tratamiento de líquidos residuales urbanos (cloacales) y/o industriales, conocido como barros activados, lodos activados o fangos activados, fue desarrollado en Inglaterra en 1914, y consiste en un proceso donde la estabilización de la materia orgánica se logra a través de bacterias aeróbicas, desarrolladas en un reactor conocido como tanque de aeración, donde la concentración de las mismas se mantiene en el sistema mediante la recirculación del lodo/barro/fango biológico obtenido en la sedimentación posterior a la aeración (sedimentación secundaria).

Por lo tanto podemos decir que el sistema de lodos activados se trata de aguas residuales en contacto con floc biológico previamente formado en el reactor aerado. El lodo formado tiene la propiedad de poseer una superficie altamente activa para la adsorción de materiales coloidales, por lo que finalmente el resultado será una porción de materia orgánica susceptible de descomposición biológica.




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Podemos esquematizar la línea de tratamiento de un sistema de barros activados como muestra la figura N°1. En la misma se aprecian las distintas etapas que lo componen, las cuales se desarrollarán con más detalle posteriormente, tales como el pretratamiento, tratamiento primario y secundario, y la recirculación de lodo biológico.

Figura N°1

La tecnología de tratamiento de barros activados presenta una eficiencia muy elevada en la remoción de materia orgánica (mayores al 90% en términos de DBO) pudiendo además desarrollar una remoción biológica de nutrientes si así fuese requerido. Una particularidad de este sistema es la importante demanda energética que requiere para su funcionamiento y la gran producción de barro generado, por lo que el diseño y ejecución de una línea de tratamiento de ese subproducto resulta indispensable y representa una significancia en los costos operativos del proceso. Se trata de un sistema de tratamiento biológico que ofrece un resultado altamente eficiente, involucrando menor área para su emplazamiento y que presenta costos operativos considerables.

Dada la complejidad en su operación, requiere de personal experto y especializado, y un nivel de control elevado que incluye en la mayoría de los casos, contar con laboratorio microbiológico en la misma planta.

Este tipo de procesos de depuración suele presentar complicaciones de carácter biológico cuando por algún motivo proliferan en el reactor organismos no deseables como lo son un tipo de bacteria con escasa capacidad de sedimentación (filamentosas). Como se podrá deducir estas bacterias le restarán eficiencia al sedimentador secundario dificultando además la recirculación y como consecuencia deteriorando la calidad final del efluente. Podemos resumir las características positivas y negativas del proceso de barros activados convencional en la siguiente tabla

Ventajas Desventajas

Elevada eficiencia en la remoción de DBO Costos de instalación y operación elevados




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Nitrificación usualmente obtenida

Posibilidad de remoción biológica de N y P

Bajo requerimiento de área

Proceso confiable

Posibilidades reducidas de malos olores, insectos y gusanos

Elevado consumo de energía

Necesidad de mano de obra especializada para operación

Elevado índice de mecanización

Relativamente sensible a descargas tóxicas

Necesidad de tratamiento completo del barro y su disposición final

Posibles problemas de impacto ambiental debido a ruidos (sistema de aeración)

4.2. Esquema general de los sistemas de tratamiento

Se presenta a continuación, la clasificación de recolección y tratamiento de líquidos residuales, y luego un cuadro resumen sobre los tipos de tratamiento y sus objetivos generales, con el objeto de encuadrar e identificar el proceso de barros activados en un marco general global de las tecnologías de depuración existentes.

Figura N°2

Por lo tanto podemos encuadrar y clasificar al proceso de barros activados con las siguientes características generales:

� Para procesos de depuración de aguas residuales urbanas y/o industriales � Mediante sistema mecanizado � Biológico Aerobio de cultivo en suspensión � Convencional: para tratamiento secundario, es decir, remoción de materia orgánica.

Los procesos de depuración de los líquidos cloacales se agrupan según las propiedades en que se base ese proceso de depuración. Estos procesos se pueden dar en forma parcial o completa según sea el grado de tratamiento o depuración que se pretenda alcanzar y este a su vez según las exigencias del medio o de la imposición de la normativa.




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Figura N°3

Como comentario, podríamos incluir un tratamiento cuaternario cuando se requeriría el reúso del líquido residual para suministro como agua apta para el consumo humano. Básicamente incluye los procesos de ósmosis inversa y tecnologías de membranas.

4.3. Concepto del proceso

El proceso de barros activados tiene como objeto principal la remoción de materia orgánica la cual se encuentra en función del tiempo de contacto en el tanque de aeración, tal como se muestra en la siguiente figura, la cual presenta curvas de procesos de oxidación biológica, de materia orgánica adsorbida y la remoción total producida.

Figura N°4

En la figura anterior se indica que el material sintetizado es proporcional a la oxidación biológica, la cual contribuye muy poco al total removido en los momentos iniciales del proceso de aeración. Cuando se ha usado la capacidad de almacenamiento total del lodo, este deja de ser activo en el sentido adsortivo. Luego de un periodo de aeración, donde el material orgánico se emplea en oxidación y síntesis, la actividad se recupera, llamándose proceso de estabilización del lodo.

En el medio ambiental de un sistema de lodos activados encontramos una gran variedad de especies de bacterias (las más comunes, Bacilus y Pseudomonas), hongos, protozoos y metazoos. La recirculación de lodos hace, sin embargo, el medio más inhóspito para la macrofauna acuática. En el proceso de purificación, las bacterias nitrificantes “nitrosomoas”




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y “nitrobacter” son consideradas como organismo principal para la formación de floc biológico.

Los problemas más comunes es la sedimentabilidad pobre de lodos activados asociados con crecimiento filamentosos, fenómeno conocido como bulking.

Los hongos, generalmente no abundan en lodos activados, como así tampoco cuando se trata de aguas residuales. Sin embargo, son tan efectivos como las bacterias para la estabilización del material orgánico, produciendo también floc biológico flotante. El problema de que se genere por hongos, surge en el tratamiento de residuos ácidos. En general, la ausencia de luz adecuada y la mezcla intensa hace que normalmente no se encuentren algas en los lodos activados.

Los protozoos son los organismos más abundantes, siendo algunos completa o parcialmente sapróbicos y compiten con las bacterias por el material orgánico. otros son los holozóicos, proveyendo un enlace vital en la cadena alimentaria y en el proceso del tratamiento. Los más comunes, posiblemente, sean los protozoos flagelados. Los metazoos son usualmente raros en lodos activados y algunas veces se encuentran rotíferos.

En la Figura N°2 se esquematiza un sistema aerobio de lodos activados

Figura N°5

Básicamente, la comunidad de los lodos activados puede ser muy variable y depende principalmente de:

� Naturaleza del suministro del alimento � Concentración del alimento � Turbulencia � Temperatura � Tiempo de aeración � Concentración de lodos




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Las aguas residuales crudas fluyen con materia orgánica como suministro alimenticio. Las bacterias producen nuevas bacterias, utilizando el oxígeno disuelto y liberando dióxido de carbono:

Figura N°6

Los protozoos consumen bacterias para obtener energía y reproducirse. Una porción del crecimiento bacterial muere, liberando su contenido celular en la solución para una nueva síntesis en células microbiales. La mezcla líquida, aguas residuales con floc biológico en suspensión, es separada en un sedimentador, se recircula floc sedimentado continuamente al tanque de aeración y se descarga efluente clarificado.

4.4. Diagrama de predominio relativo

El proceso de lodos activados y la relación existente entre ellos se puede entender a través del diagrama de predominio relativo que se muestra en la figura N°7. Además en ella se consideran las condiciones ideales, como lo es a una temperatura de 20 °C, pH entre 6,5 y 8,5, OD mayor a 2 mg/l, nutrientes apropiados, ausencia de sustancias tóxicas y un reactor típico discontinuo.

El eje horizontal representa el tiempo de aeración, y el vertical el número relativo de organismos. La escala del gráfico no es real, ya que el número de microorganismos difiere ampliamente, quedando el número de bacterias muy alto en comparación con el de rotíferos.

La curva de rayas discontinua representa el alimento remanente (DBO) que disminuye hasta un valor muy bajo. La curva de puntos representa la masa de microorganismos existentes, que en un principio es muy bajo, incrementándose rápidamente con el tiempo hasta un máximo sustentable por el alimento remanente, y disminuye al entrar la biomasa en respiración endógena. Se observa que, para cualquier tiempo, se tiene una concentración de alimento (DBO) y una masa fija de microorganismos. La relación entre estos dos factores recibe el nombre de A/M (Alimento/Microorganismo).

Como puede verse en la figura, en un proceso discontinuo el alimento disminuye con el tiempo, los microorganismos aumentan hasta un valor máximo y la relación A/M decrece. La curva a rayas y puntos representa la tasa de consumo de oxigeno del proceso, al principio del tratamiento, la tasa es baja, existen muy pocos microorganismos pero luego aumenta a medida que el número de microorganismos crece. Esta tasa de consumo de oxígeno depende de la masa microbial y de la actividad de las células, siendo máxima un poco antes de obtenerse el número máximo de organismos y luego disminuye.




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Figura N°7

� Punto A: Representa el comienzo del proceso discontinuo, donde el agua residual acaba de introducirse en el tanque y la aeración comienza a operar. No se observa en ese punto el predominio de ningún organismo necesario para el tratamiento. Durante el desarrollo del proceso estarán presentes muchos tipos de organismos, pero cuando no se mantienen condiciones de operación apropiadas se pueden desarrollar organismos indeseables.

� Punto B: Este punto representa el momento en que los organismos sarcodina alcanzan su número máximo, siendo estos muy primitivos y de movimiento muy lento. La amiba es más común, existen en gran número sólo cuando el suministro de alimento es alto o cuando se reanuda la operación después de un período en el cual se ha perdido biomasa.

� Punto C: Este representa el punto máximo que alcanzan los protozoos flagelados. En las figuras siguientes se muestran estructuras de estos microorganismos, siendo más compleja que la sarcodina, son mucho más activos. Su movilidad les permite obtener alimento cuando el suministro es muy bajo, para soportar una alta población de sarcodinas. Este punto constituye el primer lugar de interés en el estudio de lodos activados. La presencia de protozoos flagelados se percibe como espuma blanca o carmelita claro. Ésta se coloca en una probeta, notándose que es de sedimentabilidad pobre con un sobrenadante turbio. El nivel alto de la actividad de los protozoos flagelados causa una tasa alta de consumo de oxígeno, ya que los microorganismos requieren de más oxígeno cuando son muy activos. La DBO (alimento) del agua residual la utilizan con un doble propósito: anabolismo y catabolismo. Los protozoos flagelados se multiplican en este punto, permanecen en el sobrenadante y producen la turbiedad del mismo. El efluente del proceso sería de DBO alta y sólidos suspendidos excesivos.

� Punto D: En este punto, los ciliados y las bacterias alcanzan su número máximo. Dicha zona corresponde a la operación de un proceso de lodos activados convencional. Las bacterias remueven el alimento (DBO) del agua residual por absorción, donde la DBO disuelta es absorbida directamente a través de la pared celular, y por adsorción las bacterias atrapan mediante una capa o película gelatinosa pegajosa. Esta última




propiedad adsortiva del lodomediante la secreción de enzimas descomponen o disuelven las partforma que el material puede menos alimento (DBO) y tiene protozoos flagelados. Los ciliados libres utilizan los cilios exteriores de la célula para moverse, tiene menos movilidad que los protozoos y consumen menos oxígenoobserva en el reactor que hay ulodo se encuentra en buenas condiciones de sedimentabilidad y un sobrenadante claro. La capa gelatinosa pegajosa de las bacterias permite que se junten y adhieran.

� Punto E: En este punto, los ciliados adheridos y los rotíferos alcanzan su número máximo. Este momento corresponde a la zona de operación de un proceso de aeración extendida. Esta fase de suministro alimenticio es insuficiente para soportmicrobial existente, los organismos utilizan sus reservas alimenticias para subsistir.Algunas células mueren, se rompen y se separan, y no pueden utilizarse como alimento. Los rotíferos y los ciliados adheridos son capaces de consumir bacteriassubsistir. La observación del reactor en este momento nos indica la existencia de una espuma carmelita oscura con apariencia grasosa, un lodo de sedimentación rápida, floculación pobre y apariencia granular. El lodo posee gran cantidad de ciladheridos, libres y bacterias. El sobrenadante del proceso sería de DBO baja con un nivel alto de sólidos suspendidos, debido a la poca habilidad de la pequeña población bacterial. Las consideraciones anteriores son condiciones ideales, pero en la realidad ninguno opera en estas condiciones ideales y los procesos de lodos activados son de flujo continuo. Se presume la existencia de sistema de flujo pistón, en los cuales el agua residual se trata en tanques largosangostos, en los que las partículas retienen su convencional de lodos activados opera en la zona alcanza el número máximo de bacterias y los extremo final del tanque y entra en el sedimentador, donde los organismos se depositan en el fondo. La mayoría de los microorganismos o biomasa es recirculada al reactor. La concentración de DBO del agua residual representa el alimento y los sósuspendidos volátiles del licor de mezcla (SSVLM) a los microorganismos.




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propiedad adsortiva del lodo biológico se debe el nombre lodo activado. Las bacterias mediante la secreción de enzimas descomponen o disuelven las part

material puede absorberse dentro de la célula. Las bacterias requieren menos alimento (DBO) y tiene una tasa de utilización de oxígeno inferior a la de los protozoos flagelados. Los ciliados libres utilizan los cilios exteriores de la célula para moverse, tiene menos movilidad que los protozoos y consumen menos oxígenoobserva en el reactor que hay una cantidad moderada de espuma de color carmelita. El lodo se encuentra en buenas condiciones de sedimentabilidad y un sobrenadante claro. La capa gelatinosa pegajosa de las bacterias permite que se junten y adhieran.

En este punto, los ciliados adheridos y los rotíferos alcanzan su número máximo. Este momento corresponde a la zona de operación de un proceso de aeración extendida. Esta fase de suministro alimenticio es insuficiente para soportmicrobial existente, los organismos utilizan sus reservas alimenticias para subsistir.Algunas células mueren, se rompen y se separan, y no pueden utilizarse como alimento. Los rotíferos y los ciliados adheridos son capaces de consumir bacteriassubsistir. La observación del reactor en este momento nos indica la existencia de una espuma carmelita oscura con apariencia grasosa, un lodo de sedimentación rápida, floculación pobre y apariencia granular. El lodo posee gran cantidad de ciladheridos, libres y bacterias. El sobrenadante del proceso sería de DBO baja con un nivel alto de sólidos suspendidos, debido a la poca habilidad de la pequeña población bacterial. Las consideraciones anteriores son válidas para un reactor condiciones ideales, pero en la realidad ninguno opera en estas condiciones ideales y los procesos de lodos activados son de flujo continuo. Se presume la existencia de sistema de flujo pistón, en los cuales el agua residual se trata en tanques largosangostos, en los que las partículas retienen su identidad. Se puede decir que elconvencional de lodos activados opera en la zona correspondientealcanza el número máximo de bacterias y los ciliados libres. Ademásextremo final del tanque y entra en el sedimentador, donde los organismos se depositan en el fondo. La mayoría de los microorganismos o biomasa es recirculada al reactor. La concentración de DBO del agua residual representa el alimento y los sósuspendidos volátiles del licor de mezcla (SSVLM) a los microorganismos.

Figura Nº8

MICROORGANISMO FILAMENTOSO (GENERACIÒN DE BULKING)

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biológico se debe el nombre lodo activado. Las bacterias mediante la secreción de enzimas descomponen o disuelven las partículas finas en tal

dentro de la célula. Las bacterias requieren una tasa de utilización de oxígeno inferior a la de los

protozoos flagelados. Los ciliados libres utilizan los cilios exteriores de la célula para moverse, tiene menos movilidad que los protozoos y consumen menos oxígeno. Se

na cantidad moderada de espuma de color carmelita. El lodo se encuentra en buenas condiciones de sedimentabilidad y un sobrenadante claro. La capa gelatinosa pegajosa de las bacterias permite que se junten y adhieran.

En este punto, los ciliados adheridos y los rotíferos alcanzan su número máximo. Este momento corresponde a la zona de operación de un proceso de aeración extendida. Esta fase de suministro alimenticio es insuficiente para soportar la masa microbial existente, los organismos utilizan sus reservas alimenticias para subsistir. Algunas células mueren, se rompen y se separan, y no pueden utilizarse como alimento. Los rotíferos y los ciliados adheridos son capaces de consumir bacterias enteras para subsistir. La observación del reactor en este momento nos indica la existencia de una espuma carmelita oscura con apariencia grasosa, un lodo de sedimentación rápida, floculación pobre y apariencia granular. El lodo posee gran cantidad de ciliados adheridos, libres y bacterias. El sobrenadante del proceso sería de DBO baja con un nivel alto de sólidos suspendidos, debido a la poca habilidad de la pequeña población

para un reactor discontinuo en condiciones ideales, pero en la realidad ninguno opera en estas condiciones ideales y los procesos de lodos activados son de flujo continuo. Se presume la existencia de sistema de flujo pistón, en los cuales el agua residual se trata en tanques largos y

identidad. Se puede decir que el proceso correspondiente al punto D, donde se

Además, el flujo sale por el extremo final del tanque y entra en el sedimentador, donde los organismos se depositan en el fondo. La mayoría de los microorganismos o biomasa es recirculada al reactor. La concentración de DBO del agua residual representa el alimento y los sólidos suspendidos volátiles del licor de mezcla (SSVLM) a los microorganismos.

MICROORGANISMO FILAMENTOSO




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4.5. Sistema convencional de barros activados

El esquema especìfico del flujo del proceso biològico convencional de lodos activados (tanque de aeraciòn, sedimentador y recirculaciòn de lodos) se muestran en la siguiente figura:

Figura Nº9

Los lodos recirculados y el agua residual proveniente del sedimentador primario, si lo hay, entran en el tanque de aeración, donde son aerados y mezclados a medida que la mezcla líquida fluye a lo largo del tanque. Los microorganismos estabilizan aerobiamente la materia orgánica en el tanque de aeración y fluyen al sedimentador secundario donde el floc es separado del agua residual, dejando un efluente claro de bajo contenido orgánico. Una porción de los lodos es recirculada al tanque de aeración como simiente, y el exceso es enviado al sistema de tratamiento y disposición de barros. En la figura Nº10 se muestra un esquema de un establecimiento depurador de barros activados convencional con línea de tratamiento de barros. El tanque de aeración tiene un tamaño fijo, y por consiguiente un tiempo de retención fijo para cada caudal de entrada, efectuándose la actividad biológica de los microorganismos.

Figura Nº10




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En un proceso de barros activados cuando se comienza la aeración, la relación A/M (alimento/microorganismos) es muy grande, es decir, el crecimiento logarítmico de los microorganismos llegará al máximo inicialmente. La materia orgánica del residuo se utiliza a la tasa máxima con una tasa óptima de conversión de material orgánico en células nuevas, el nivel de energía es alto, y mantendrá todos los microorganismos completamente esparcidos durante un período de la fase logarítmica. Se llega a un punto en el que el alimento es el factor limitante.

El crecimiento pasa entonces de la fase logarítmica a la fase de declinación, el floc empieza a formarse, las células han perdido energía, ya no se apartan entre ellas y la turbulencia promueve su contacto y aglutinación. Los microorganismos aumentan pero a una tasa cada vez menor, la relación A/M alcanza un valor mínimo y se inicia la fase endógena. Estos son incapaces de obtener suficiente energía del alimento remanente y comienzan a metabolizar sus propias reservas. Si el tiempo de aeración se prolonga lo suficiente, todas las formas biológicas morirían. El proceso de lodos activados nunca se deja llevar a tales extremos.

Generalmente, cuando se obtiene la fase endógena, el floc es separado de la fracción lìquida mediante sedimentación. La recirculación de floc biológico concentrado es mayor que la inicia, y la relación A/M será también menor que la relación inicial. Si el tiempo de aeración permaneciera constante se obtendría una mejor floculación y un efluente más claro. En conclusión, la remoción orgánica es más rápida en la fase de crecimiento logarítmico. Consecuentemente, el diseño del proceso y la operación de la planta deben tener en cuenta las variaciones de carga orgánica y de caudal en las aguas residuales afluentes.

El tamaño del tanque de aeración debe ser suficientemente grande para permitir que los microorganismos alcancen la fase endógena durante los periodos de caudal máximo, de lo contrario se perderán microorganismos. La oscilación y desequilibrio de lodos activados se muestra en la siguiente figura.

Figura Nº11

4.6. Aeración

La aeración tiene como objetivo:

� Suministrar oxígeno a las células




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� Mantener las células en suspensión � Mantener en contacto íntimo el residuo con los barros activados

El tanque de aeración debe tener un tamaño adecuado para proporcionar suficiente tiempo de retención, usualmente 0,5 a 24 horas, dependiendo del tipo de proceso.

Al ser un proceso aerobio, necesariamente se deben mantener las condiciones aerobias en todo el tanque de aeración, sosteniendo un nivel de oxígeno disuelto (OD) de 0,5 mg/l. Esto se logra manteniendo una concentración de 2 mg/l de OD en el efluente del tanque de aeración.

El suministro adecuado de oxígeno busca el predominio de organismos en el sistema y asegurar que sus productos de descomposición sean estables. La satisfacción deficiente de la demanda de oxígeno trae como resultado un efluente turbio, puesto que los protozoos no se desarrollan y se promueve el crecimiento de bacterias que retardan la sedimentación del floc. Por otra parte, es importante el contacto íntimo entre el residuo y el lodo activado y hacer que el proceso funcione, así como también para que los sólidos estén en suspensión en el tanque de aeración. Generalmente, se espera un mejor asentamiento del lodo en el tanque de sedimentación y la agitación del tanque de aeración, tal como se hace en el proceso de aeración gradual. Los sistemas principales de aeración son por difusión subsuperficial y aeración mecánica.

Generalmente las normas recomiendan mantener durante un minuto una concentración de 2 mg/l de OD en todo momento y proporcionar una mezcla vigorosa del contenido de agua en el tanque de aeración. La siguiente tabla presenta la aeración difusa según el proceso a diseñar, referente a la cantidad de metros cúbicos de aire aplicado por kilogramo de materia orgánica en el tanque de aeración.

Proceso m3 de aire / kg de DBO

Convencional > 95

Aeración escalonada > 95

Estabilización y contacto > 95

Tasa alta 25 - 95

Aeración prolongada > 125

A continuación se presenta un esquema para la incorporación de aire requerido para el proceso en el tanque de aeración.

Burbuja de aireTransferencia de

oxígenoR=K (βCs-Ct)

Oxígeno DisueltoOD

Utilizaciónde OD Células Biológicas




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Las burbujas de aire se crean mediante aire comprimido a través de un difusor o mediante agitación mecánica para introducir el oxígeno en el líquido mediante mezcla turbulenta. La tasa de transferencia de oxígeno puede calcularse por la siguiente expresión:

Tasa de transferencia de oxígeno

Descripción / definición

R=K (βCs-Ct)

R: tasa de transferencia de oxígeno del aire en OD [mg/l.h]

K: coeficiente de transferencia, el cual depende del equipo de aireación y de las características del agua residual [h-1]

β: coeficiente de saturación de oxígeno, usualmente adoptamos 0,8 – 0,9

Cs: concentración de saturación de OD [mg/l]

Ct: concentración de OD existente en la mezcla de agua residual [mg/l]

(βCs-Ct): déficit de OD [mg/l]

La tasa de utilización del OD es esencialmente una función de la relación alimento/microorganismo = DBO/SSLM, del tiempo de aeración y de la temperatura. El consumo biológico es generalmente menor de 10 mg/l.h para procesos de aeración extendida, cerca de 30 mg/l.h para procesos convencionales y tan grandes como 100 mg/l.h para procesos de alta tasa. La concentración crítica de OD se toma generalmente igual a 0,5 mg/l, y típicamente 0,2 – 2,0 mg/l. En resumen, el contacto íntimo del agua residual con una cantidad óptima de floc biológico activo en presencia de un adecuado suministro de oxígeno, durante un período de tiempo conveniente, seguido de una separación eficiente de los organismos y del líquido purificado, son los requisitos generales del proceso en estudio.

4.7. Parámetros de diseño para el proceso

Esquemáticamente, una planta de lodos activados puede representarse como la siguiente figura suponiéndose de mezcla completa.

Figura N°12




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Concentración de DBO soluble (S) está formada principalmente por compuestos carbonosos en disolución. La DBO insoluble se separa en sedimentación primaria y secundaria, por lo tanto el diseño en plantas de barros activados se basa en el consumo de la DBO soluble.

La concentración de los sólidos volátiles en suspensión (SSV). Estos sólidos volátiles en suspensión se refieren a los lodos biológicos, constituidos por una población heterogénea de microorganismos. La determinación experimental de los SSV se lleva a cabo midiendo la pérdida de peso de los sólidos totales en suspensión después de incineración en una estufa de laboratorio a 600°C. Esta pérdida de peso corresponde principalmente a la volatilización del lodo biológico. Los sólidos remanentes después de la incineración a 600° C corresponden a los sólidos en suspensión no volátiles. Su naturaleza es distinta de la de los lodos biológicos, estando constituidos por materia inerte tanto orgánica como inorgánica.

Los parámetros de diseño básicos más utilizados son:

Parámetros básicos para el diseño Fórmula de cálculo / definición / descripción

Tiempo de aeración = tiempo de retención hidráulica

θh = V / Q

V: volumen del tanque de aeración

Q: caudal de aguas residuales (sin caudal de recirculación)

Carga orgánica volumétrica o Carga de DBO por unidad de volumen

COV = CO / V

CO = So x Q: carga orgánica del proceso

Q: caudal afluente

So: concentración de DBO

V: Q x θh

Relación A/M = Alimento/Microorganismo

A / M = (Q x So) / (V x X)

Q: caudal afluente

So: DBO del líquido residual

V: volumen tanque de aeración

X: concentración SSV en el tanque de aeración

Tiempo promedio de retención celular = edad de lodos

θc = (V x X) / ((Qw x Xr) + (Qe x Xe))


X: concentración de SSV en el tanque de aeración

Qw: caudal de lodo purgado o dispuesto

Xr: concentración de SSV en el lodo recirculado

Qe = (Q – Qw): caudal efluente tratado

Xe: concentración SSV del efluente tratado




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El tiempo promedio de retención celular, calculado con base en el volumen del tanque de aeración, puede interpretarse como una medida del tiempo promedio de residencia de los organismos en el sistema. Un valor apropiado de edad de lodos da como resultado una depuración de alta calidad.

Si se supone que la concentración de sólidos en el efluente de sedimentación es baja, podemos simplificar la edad de lodos como:

θc = (V x X) / (Qw x Xr)

Además cuando el lodo se dispone directamente del efluente del reactor:

θc = V / Qw, donde Qw = V / θc

De esta manera, el proceso puede controlarse enviando a disposición diariamente, un caudal igual al cociente entre el volumen del tanque y el tiempo promedio de retención celular o edad de lodos. El lodo dispuesto se extrae de la recirculación, y se desprecian los sólidos del efluente. Ese lodo dispuesto se puede calcular como:

Qw = (V x X) / (θc x Xr)

La tasa de recirculación de lodos (R) del sedimentador secundario al tanque de aeración, se acostumbra a expresarla como porcentaje del caudal recirculado:

R (%) = Qr x 100 / Q

Por lo tanto adoptando una tasa de recirculación recomendada podemos obtener el caudal de recirculación aproximado.

4.8. Tablas de parámetros de diseño y operación de lodos activados

A continuación se presentan tablas resumen de los parámetros de diseño y operación de los lodos activados en función de las diferentes variantes del proceso en estudio.




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4.9. Etapas esenciales del proceso de barros activa dos

Luego del estudio realizado, podemos globalizar dentro de un marco general las etapas esenciales y fundamentales para un proceso de barros activados:

Figura N°13

5°Etapa de disposición del lodo activado en exceso del circuito a fin de mantener el equilibrio de la biomasa.

4°Etapa de recirculación del lodo activo separado en la sedimentación secundaria al afluente del reactor aeróbico.

3° Etapa de separación de la fase sólida (lodo activado) y la fase líquida (efluente tratado) del licor de mezcla: sedimentación secundaria

2° Etapa de aeración manteniendo el reactor aeróbico y en suspensión el licor de mezcla.

1° Etapa de contacto, adsorción o floculación del agua residual y el barro activado




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5. CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO A APLICAR

5.1. Pretratamiento

Permite la remoción de constituyentes tales como sólidos en suspensión groseros y arena, que pueden causar problemas de mantenimiento u operativos en las instalaciones de tratamiento.

Rejas

(a adoptar para el TP)

Utilizadas para la remoción de residuos de tamaño r elativamente grande que pueden producir daños en las estaciones de bombeo o depósitos en los canales, provocando obstrucciones. Se colocan antes de los pozos de bombeo. Para rejas gruesas se podrá retener partículas con diámetro entre 4 y 10 centímetros, p ara rejas medias entre 2 y 4 centímetros y para rejas finas entre 1 y 2 centímetros.

Tamizado Los tamices son utilizados para la remoción de residuos de tamaño comprendido entre 0,25 y 2,5 cm de diámetro, que pueden producir daños en las estaciones de bombeo o depósitos en los canales, provocando obstrucciones y acumulaciones en la planta de tratamiento. Suelen colocarse a continuación de los sistemas de rejas.

Desarenado Remoción de arena y sólidos discretos con el objeto de proteger los equipamientos subsecuentes contra la abrasión, evitar obstrucciones, canalizaciones y depósitos de materiales inertes en los decantadores y digestores.

Compensación Se utiliza para atenuar variaciones y obtener un efluente líquido de caudal y calidad uniformes, cuando se tienen oscilaciones significativas en cuanto a la cantidad y calidad de la corriente de desecho. Esta operación reduce la variabilidad del tratamiento, permitiendo la utilización de plantas más compactas con un mejor aprovechamiento de todas las unidades.

Separación de aceites y grasas

Se utilizan desengrasadores gravitatorios de diseño simple que permiten la separación de grasas no emulsionadas por el efecto de flotación natural, y sin el agregado de aire en el efluente.

Neutralización Consiste en el agregado de soluciones ácidas o alcalinas para llevar el pH extremadamente alto o bajo de un efluente líquido, a valores cercanos a la neutralidad (rango de pH: 6 a 9).

5.2. Tratamiento primario

Consiste en la remoción física de una porción de los sólidos suspendidos y materia orgánica

Sedimentación

(a adoptar para el TP)

Remoción de las partículas sedimentables, granulare s y floculentas por la acción de la gravedad.

Flotación Separación de la materia suspendida. Se utiliza principalmente para lograr el espesamiento de suspensiones de barros químicos o biológicos. Consiste en la inyección de aire a presión en la masa líquida, la cual se conduce a un tanque a presión atmosférica, provocando la liberación del aire disuelto en pequeñas burbujas que permiten el ascenso de las




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partículas suspendidas, para ser recogidas en la superficie.

Coagulación Es el proceso de adición de reactivos químicos para producir la desestabilización de las partículas coloidales y permitir en la etapa de floculación su aglomeración con otras partículas suspendidas, de modo tal que se puedan formar agregados capaces de sedimentar en forma más rápida.

Floculación Consiste en la aplicación de agitación suave a la corriente que ha sido sometida a una etapa de coagulación, para promover el contacto entre las partículas y posterior formación de partículas mayores.

5.3. Tratamiento secundario

Este tipo de tratamiento se utiliza para la remoción de la materia orgánica coloidal y disuelta presente en un efluente líquido. Algunas sustancias orgánicas suspendidas también serán metabolizadas y por las características naturales de floculación y sedimentación de la biomasa producida en el tratamiento, podrán removerse en la etapa posterior de sedimentación.

� Biológicos aeróbicos de cultivo suspendido

Barros activados convencional

(a adoptar en este TP)

En general el barro activado convencional se diseña con un tiempo de retención celular promedio de entre 5 y 1 5 días de permanencia. Este valor se corresponde con un tiemp o de residencia hidráulica de entre 4 y 8 horas para líquido cloacal doméstico si la concentración de sólidos suspendidos del líquido mezcla es de alrededor de 2000 mg/L. La recirculaci ón generalmente oscila entre el 25 y el 75% del caudal de la alimentación y el barro de purga puede provenir tan to de la línea de recirculación como de la cámara de aeración.

Barro activado aeración extendida

La versión de la aeración extendida en el proceso de barro activado fue concebida para superar dos inconvenientes del sistema convencional: la gran cantidad de barro residual que debe ser dispuesto y la necesidad de controlar de cerca la operación del proceso. Se caracteriza por favorecer un contacto prolongado entre el líquido y la masa de microorganismos, de modo tal que se obtenga una elevada eficiencia del proceso y una oxidación en la fase endógena, hasta que el lodo residual presente características de buena sedimentabilidad y filtrabilidad, sin presencia de olor.

Reactor Discontinuo Secuencial (SBR)

Este sistema es un tipo de barro activado, en el cual se combinan en un único reactor las funciones de aeración, sedimentación y decantación. El proceso emplea un ciclo de cinco etapas: llenado, reacción, sedimentación, vaciado y eliminación del barro. Durante la etapa de llenado, el efluente ingresa al tanque y se mezcla con la biomasa sedimentada remanente del ciclo anterior. A continuación comienza la etapa de reacción, que implica la aeración del efluente y del licor mezcla para oxidar la materia orgánica presente. La aeración y agitación se detienen durante la etapa de sedimentación, permitiendo que los sólidos sedimenten. El líquido sobrenadante se clarifica durante la etapa de decantación y finalmente los sólidos se remueven del fondo del tanque durante la etapa de vaciado. La mayoría de las instalaciones




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cuenta con dos o más tanques en paralelo, de modo tal que cuando el primer tanque finaliza su ciclo, el segundo reactor se encuentra en la etapa de llenado.

Zanjas de Oxidación

Este tipo de sistema de tratamiento conserva los mismos principios básicos de los sistemas de barros activados, con períodos de aeración mayores de los que se adoptan en general, en los procesos convencionales, y características que lo incluyen entre la modalidad de aeración prolongada u oxidación total.

5.4. Tratamiento de barros purgados

Previo a la disposición final de los líquidos residuales de una localidad o planta industrial debe procederse a su tratamiento. Como consecuencia del tratamiento aplicado se tendrá un líquido mucho más apto para su volcamiento final, pero también se tendrán lodos. Estos lodos contienen las sustancias y partículas contaminantes del líquido residual, en su estado original o modificado por el proceso, pero en un estado mucho más concentrado. Aun cuando se los denomina "lodos" o "fangos", los mismos están compuestos en casi un 99% por agua.

Dado un barro genérico, los procesos de tratamiento que se le aplicarán previo a su disposición final son:

Etapas Tecnología de aplicación

Espesamiento (a adoptar en este TP) Espesado por gravedad

Flotación por aire disuelto

Digestión

Digestión aerobia

Digestión anaerobia

Tanque Imhoff

Acondicionamiento Acondicionamiento químico

Tratamiento térmico

Deshidratación y secado (a adoptar en este TP)

Playas de secado

Centrifugación

Filtros prensa / banda

Disposición final

Relleno sanitario (adoptado en este TP)

Fertilizante o acondicionador de suelo

Lagunaje

Por supuesto, no todos los tipos de barros deben pasar por todas estas etapas de tratamiento. Por ejemplo, los barros provenientes de lagunas de estabilización ya están digeridos, debido a los largos tiempos de residencia implicados. Por lo tanto, en ellos se pueden obviar, en general, las 3 primeras etapas. Igualmente, los barros provenientes de plantas depuradoras por aeración extendida usualmente no originan barros primarios pues carecen de una unidad de sedimentación primaria. Por este motivo puede estudiarse la posibilidad de obviar la digestión.




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Espesamiento

El objetivo del espesamiento es reducir sensiblemente el volumen de barros a tratar. Esto se logra aumentando la concentración de sólidos, de forma que se eliminará un importante volumen de agua (la cual es reingresada a la planta de tratamiento). La reducción de volumen puede llegar al 75% si se tiene en cuenta que, por ejemplo, para un proceso de barros activados convencionales, los lodos generados tienen una concentración del 0,5% al 1% y que luego del espesamiento esta concentración aumenta al 4%.

� Espesadores a gravedad (a aplicar en el presente Tr abajo Práctico)

Como ya se dijo, la principal finalidad del espesamiento es reducir el volumen de fangos a tratar en las etapas posteriores, lo que se logra quitando el agua intersticial que contienen los mismos. En los espesadores a gravedad se aprovecha la propiedad de los lodos de compactarse en el fondo de los tanques de sedimentación para lograr esta reducción de volumen. Por ello se realiza en reactores similares a los sedimentadores secundarios. Pueden ser circulares o rectangulares, con barredores de fondo y de superficie, y la pendiente del fondo de los reactores es más pronunciada que en el caso de los sedimentadores secundarios, de manera que el barro fluye mejor hacia el fondo del tanque y además se obtiene una capa de fangos más alta que aumenta el espesamiento obtenido. El espesamiento por gravedad puede aplicarse tanto a barros primarios como a secundarios y mixtos, pudiendo estar los mismos digeridos o sin digerir.

Figura N°14




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Proceso de cálculo Para la sedimentación tipo IV no se tienen modelos teóricos de aplicación práctica. El dimensionamiento se realiza por métodos empíricos o semiempíricos entre los que se pueden mencionar: v Método del flujo de sólidos. v Método de Talmadge y Fitch. v Método de la carga de sólidos. Los dos primeros requieren que se hagan ensayos sobre el barro a tratar. El último es un método empírico que suele usarse para el diseño si el barro no está disponible aun para ser analizado. Se citan distintas cargas superficiales de sólidos típicos según el tipo de barros a tratar como se muestra en la Tabla:

Utilizando este último método, el área W se calcula con:

W = q/qs

Siendo q la carga de sólidos del afluente, medida usualmente en kg. de SST por hora o por día, y qs la carga superficial de sólidos (en unidades de caudal por unidad de superficie), valor que se obtiene de la tabla anterior. La carga de sólidos se calcula de la forma habitual con:

q = SST x Q

Donde SST es la concentración de sólidos suspendidos totales en el afluente, expresada en miligramos por litro o gramos por metro cúbico.




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Digestión

Esta etapa tiene como finalidad estabilizar los barros provenientes de aquellos procesos en los que esta estabilización no fue completa. Los lodos que se originan en procesos de depuración con cortas edades de la materia celular deben necesariamente ser sometidos a digestión para evitar que entren en putrefacción en las etapas posteriores. En cambio, si provienen de procesos con largas residencias celulares, se admite que ya están lo suficientemente estabilizados como para que no exista posibilidad de putrefacción posterior. La digestión puede ser: Anaerobia o Aerobia

Acondicionamiento

Esta etapa es necesaria cuando el proceso posterior de deshidratación requiere condiciones especiales del barro a tratar o bien cuando el tipo de barro así lo exige. Un caso típico es el agregado de coagulantes previo a una deshidratación con filtros prensa o filtros de bandas. El acondicionamiento puede ser: Químico o Térmico

Deshidratación y secado

El objetivo de esta etapa es reducir los tenores de humedad del barro de valores superiores al 90% a rangos cercanos al 35% o 40%. Nuevamente, se tienen importantes reducciones de volumen. El lodo pasa de un estado semisólido a otro que puede considerarse como sólido, por lo que se vuelve más manejable. Los procesos de deshidratación y secado admiten una primera clasificación según la forma en que ésta se produce:

Deshidratación natural: En estos procesos la humedad es removida por evaporación natural y por drenaje gravitatorio o inducido. Puede haber alguna asistencia mecánica, como durante el mezclado y volteado del barro en las playas pavimentadas o alguna asistencia por vacío para mejorar el drenaje, pero el movimiento del agua se controla por fuerzas naturales.

Deshidratación mecánica: En este caso el movimiento del agua es inducido por fuerzas externas que se generan en dispositivos mecánicos, como la fuerza centrífuga en el caso de las centrífugas, o las presiones positivas (filtros prensa y filtros de bandas) o negativas (filtros de vacío) que se aplican al barro.

Generación estimada de barros por sistema de tratamiento – tabla comparativa

Barros producidos por distintos sistemas de tratamiento para líquidos residuales urbanos de una misma población.

Figura N°15

Gran generación de barros, por lo tanto es necesaria una “línea de

tratamiento de los mismos”




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6. RESUMEN DEL SISTEMA DE DEPURACIÓN ADOPTADO

ETAPA PROCESO TECNOLOGIA OBJETIVO GENERAL

Pretratamiento Tamizado Rejas gruesas Remoción de sólidos en suspensión groseros

Tratamiento Primario

Sedimentación primaria

Desarenador convencional

Remoción física de una porción de los sólidos suspendidos

Tratamiento secundario

Barros Activados convencional + Sedimentación

secundaria

Tanque de aeración (reactor biológico) y

sedimentador circular a gravedad

Remoción de materia orgánica coloidal y disuelta

Tratamiento de barros

producidos

Espesamiento

Deshidratación

Espesador circular a gravedad con barredor de fondo y playas de

secado

Aumento de la concentración de sólidos a disposición final

A continuación se presentan lineamientos generales para el diseño de los procesos seleccionados. Se aclara que al final del proceso de depuración, se realizará una desinfección con solución clorada, sistema que escapa el alcance del presente T.P.

7. DISEÑO DE REJAS PARA RETENCION DE SOLIDOS

� Se adopta como pretratamiento: Reja automática a cable para desbaste grueso a instalarse en canal abierto revestido de sección rectangular.

� Las variables básicas para tener en cuenta su diseño son: � Caudal de diseño del proceso (Q): � Ángulo de instalación respecto a la horizontal (α): � Separación libre entre barrotes (Sb): � Dimensiones del canal a instalarse (B y H): � Tirante de agua antes del ingreso a la reja (hLIQ))

� Cálculo y verificación hidráulica (según COFAPYS) � Determinación del coeficiente β:

Forma de las barras de la reja Valores de β

Rectangular con aristas sin redondear 2,42

Rectangular con aristas redondeadas 1,67

Redonda 1,79

Perfilada 0,76

� Espesor barrote en dirección del flujo (e): � Coeficiente de gasto (K): β (e/Sb)

3/4 � Velocidad de aproximación (U): Q / (B.hLIQ) � Pérdida de carga en reja limpia (Phrl)): K (Ua

2/2g) � Cantidad de barrotes (Nb): � Velocidad de paso (Up): Q / ((B-Nb.e) hLIQ




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� Velocidad de paso recomendada a verificar entre 0,6 y 1,2 m/s � Determinar modelo comercial disponible en el mercado

o http://www.estruagua.com/es/solidos-gruesos-y-medios/reja-automatica-a-cable-cablerake-r.html

8. DISEÑO DE SEDIMENTACION PRIMARIA

� Se adopta como sedimentación primaria: Sedimentación tipo 1, desarenador para partículas discretas.

� Las variables básicas para tener en cuenta su diseño son: � Caudal de diseño del proceso (Q) � Diámetro y densidad de partícula discreta adoptada: d=0,25 mm y γ=2650 kg/m3 � Carga superficial de diseño adoptada: Cs= 2000 m3/m2.día (aplicar coeficiente de

seguridad de 1,25) � Dimensiones geométricas: B=ancho ; L=largo ; H=profundidad � Cálculo de velocidad horizontal: VH = Q/(B x H) ; Cs= Q/(B x L) � Limitación superior para evitar resuspensión de partículas discretas e inferior para

evitar sedimentación de materia orgánica : VH < 0,35 m/s

9. DISEÑO DEL REACTOR BIOLOGICO (TANQUE DE AERACION )

� Determinamos los parámetros básicos de diseño


θh = V / Q


Q: caudal de aguas residuales (sin caudal de recirculación)

Forma y dimensiones del reactor

Tipo de agitador: a turbina c/variador de frecuenci a: http://www.crismet.com.ar/

Tanque abierto con dimensiones:

Cantidad: > 1

Ancho – Largo:

Profundidad:


COV = CO / V

CO = So x Q: carga orgánica del proceso

Q: caudal afluente

So: concentración de DBO

V: Q x θh


A / M = (Q x So) / (V x X)

Q: caudal afluente

So: DBO del líquido residual

V: volumen tanque de aeración

X: concentración SSV en el tanque de aeración




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θc = (V x X) / ((Qw x Xr) + (Qe x Xe)


X: concentración de SSV en el tanque de aeración

Qw: caudal de lodo purgado o dispuesto

Xr: concentración de SSV en el lodo recirculado

Qe: caudal efluente tratado

Xe: concentración de SSV en el efluente tratado

Podemos suponer que la concentración de sólidos en el efluente es baja, por lo que simplificamos la expresión anterior:


Concentración de SSV en el lodo recirculado

Xr = 1000 / 0,85 IVL

IVL: índice volumétrico de lodos = Volumen de 1 gramo de licor de mezcla de SS expresado en ml/g después de 30 minutos de sedimentación en el cono Imhoff

Caudal de lodos dispuesto Qw = V x X / θc x Xr

Tasa de recirculación de lodos del sedimentador secundario al reactor

R = Qr / Q

R: tasa de recirculación

Caudal de recirculación Qr = Q x R

Biomasa en el reactor X = ( θc/θ) x [(Y(So – Se)) / (1+ kd θc)

Y: producción de barros

Se = DBOe – 0,63 (SSe): DBO del efluente

Kd: coeficiente de declinación endógena

Eficiencia del proceso E = (So – S) / So

Cálculo de aeración (incorporación de aire al reactor)

Procedemos a estimar la demanda de oxígeno por día requerido para el proceso (para cada reactor). Utilizamos la siguiente expresión que tiene incorporados coeficientes que salen de la estequiometria en función de la composición típica de DBO estabilizada y de la DBO de la biomasa extraída en el proceso (C5H7NO2+5CO2+2H2O+NH3):

DO = 1,5 Q (So-Se) – 1,42 Qw Xr

El resultado nos indicará la masa de oxígeno por dí a a incorporar a cada reactor expresada en [Kg O 2/día], parámetro básico para la selección de equipos y dis eño del sistema de aeración. Expresamos los caudales en m3/día.




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10. DISEÑO SISTEMA DE RECIRCULACION DE BIOMASA

� Sistema de bombeo para caudal de recirculación: Selección de equipo de bombeo adecuado y verificación de cañería de impulsión.

� Una bomba funcionando y una en reserva, en función de Qr y altura manométrica Hm = Htop + Σ pérdidas de carga (despreciar altura topográfica y adoptar sólo pérdidas por frotamiento)

� Se presenta una aplicación gratuita online para seleccionar equipo de bombeo que se ajuste a las características del líquido bombeado.

o https://product-selection.grundfos.com/front-page.html?%252525252525253D=&qcid=322742476&time=1473273603786

� Iteración del diámetro y verificación de velocidad de líquido en la impulsión (< 2,0 m/s)

11. DISEÑO SEDIMENTACION SECUNDARIA

� Las variables básicas para tener en cuenta su diseño son: � Caudal de diseño del proceso: Q + Qr � Fi: flujo de sólidos = FG + FF + Fe � FG: flujo de sólidos sedimentando por gravedad; FF: flujo de fondo (para

recirculación); Fe: flujo que sale en el efluente � Considerando que el flujo de sólidos que sale en el efluente es despreciable respecto

a FG y FF, entonces: Fi = FG + FF � Flujo de sólidos que sedimenta a través de un área unitaria de la zona de

sedimentación: FG [kg SS/m2.h) = X x Vs = (X x Q) / Ap o X: concentración de SS en la zona de sedimentación o Vs = Q/A: velocidad de sedimentación o Ap: área en planta de la zona de sedimentación

� Flujo de sólidos extraídos del fondo: FF = X x UL o X: idem anterior o UL= Qr / Ap: velocidad descendente del volumen de lodos en el fondo del

sedimentador o Ap: área en planta de la zona de sedimentación

� Fi = [(X x Q)/Ap] + [(X x Qr)/Ap] = Css: Carga superficial sedimentador = 30 m3/m2 dia (cofapys)

� Adoptando un valor de diseño para Css y sabiendo que R=Qr/Q, entonces: o Ap = [(1+R) x Q x X]/Css

� Tiempo de permanencia: 2 hrs.

12. DISEÑO DE LINEA DE TRATAMIENTO DE BARROS

� Espesamiento: se adopta espesador por gravedad con barredor mecánico de fondo




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o Tipo: planta circular con tolva tronco-cónica, con pantalla aquietadora de entrada y egreso de sobrenadante superficial mediante vertederos de caída libre con retorno al comienzo del circuito de la planta de tratamiento.

o Tiempo de permanencia hidráulica máxima: t= 24 hrs o Rango de diámetro del espesador recomendado: 3 a 30 m. En caso de

superarse límite superior, adoptar mayor número de unidades. o Altura recomendada total espesador: 3 a 6 m o Altura máxima cuenco en tolva para aspiración de lodos: 0,90 m (evitar

septicidad y formación de gases) o Volumen del espesador: Ve = Qw x t o Área líquida del tanque circular: A = SS/Css

� SS: masa de sólidos suspendidos totales (kg SS/d) o Carga superficial másica (kg SS/d.m2): Css o Velocidad de giro recomendada para barredor de fondo: 0,02 a 0,05 rpm. o Presentación comercial de barredor de fondo

� http://www.estruagua.com/es/espesadores/espesador-circular-de-losdos-pacific-r.html

� Playas / lechos de secado o Los lechos de secado convencionales son estanques de poca profundidad,

en donde el lodo se aplicará en capas de hasta 0,20 m a 0,30 m de espesor (normalmente 0,25 m).

o El fondo drenante estará asentado en el suelo natural o revestido con una camada delgada de hormigón u otro material aislante

o El manto filtrante comprenderá las siguientes capas: o Una capa inferior de 0,20 a 0,40 m de espesor de grava o piedra partida,

donde se alojarán los tubos de drenaje. o Un lecho de arena con un espesor entre 0,10 a 0,30 m sobre el manto de

piedras. El tamaño efectivo de la arena estará entre 0,3 a 0,75 mm y coeficiente de uniformidad no mayor de 4.

o Protección del manto de arena mediante ladrillos acostados, con juntas abiertas de 2 a 3 cm, tomadas con arena de la misma granulometría.

o La cañería drenante serán caños perforados plásticos, con inclinación de 0,5 % hacia la salida de 110 mm de diámetro mínimo con JE.

o El líquido drenado será recogido por un canal o cañería colectora, el cual funcionará por descarga libre.

o El ingreso del lodo se hará con descarga de caída libre y la cañería de acceso y distribución deberá diseñarse para mantener una velocidad no menor a 0,75 m/s.

o La capacidad de cada playa de secado dependerá del volumen diario de lodo a deshidratar. Para el diseño, se considerará que el llenado se completará en 3 días. Por lo tanto, el volumen de cada playa deberá diseñarse para la producción estimada de lodos de la Planta en ese lapso.

o Cada unidad tendrá las siguientes dimensiones, las que se compatibilizarán a fin de no tener una distancia superior a 10,00 m para el transporte manual de lodo seco en su interior: � Ancho b, entre 3,00 y 6,00 m.




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� Longitud L, no mayor a 30,00 m. � Relación longitud/ancho L/b, no mayor a 5.

o Superficie de las playas de secado podrán calcularse en base al criterio del área necesaria por habitante (m2/hab): 0,04 m2/hab. (cofapys)

o Corte transversal ejemplificativo:

� Relleno Sanitario o El diseño del relleno sanitario se ajustará a las disposiciones emanadas de la

autoridad ambiental competente. o El relleno sanitario de lodos consistirá en el enterramiento de los diferentes

tipos de sólidos provenientes del sistema de tratamiento y su cobertura con una capa de terreno con espesor mínimo de 0,30 m con compactación posterior.

o Las características del barro a disponer en relleno sanitario serán compatibles con las establecidas por la autoridad ambiental competente.

o Cuando se mezcle el barro a disponer con suelo, podrán aplicarse capas de 0,30 m de espesor de la mezcla, siendo la concentración mínima del barro empleado de 15% de sólidos. La cobertura final de terreno será de 0,60 a 1,00 metro.

o Cuando la disposición se realice en forma conjunta con residuos sólidos domiciliarios, el lodo podrá conformar hasta el 10% de la mezcla residuos sólidos/barro. La cobertura intermedia de las capas sucesivas de la mezcla podrá tener un espesor mínimo de 0,30 m del terreno, mientras que la cobertura final será de 0,60 m como mínimo.

o El proyectista indicará y justificará el sistema de colección y tratamiento previsto para el líquido lixiviado y el agua de escurrimiento superficial del relleno sanitario a utilizar.

13. DISEÑO SISTEMA DE AEREACION

El diseño del sistema de aeración escapa el alcance del presente T.P.

A continuación se darán a conocer los conceptos generales y clasificaciones utilizadas comúnmente en procesos que requieran la incorporación de oxígeno para su funcionamiento.

13.1. Generalidades

El proceso de aeración consiste en transferir oxígeno desde el aire al agua. Su principal aplicación está en el tratamiento de líquidos residuales mediante procesos biológicos aeróbicos. En éstos últimos el diseño de los sistemas de aeración es de fundamental




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importancia, tanto desde el punto de vista económico, como del funcionamiento del sistema. El sistema de aeración constituye parte importante del costo de construcción de las plantas de tratamiento y por otra parte si el sistema de aeración no funciona y no se calibra adecuadamente, el sistema falla.

13.2. Tipos

Los equipos aeradores utilizados en el tratamiento de aguas residuales se dividen en tres grandes grupos: los aeradores mecánicos superficiales, los de sistema de aire difuso y sistemas que combinan ambos procesos.

13.3. Clasificación de la tecnología de aeración di sponible

A continuación se presenta una clasificación de los equipos aeradores en función a su forma de impulsar el aire. Encontramos dos grandes grupos:

Se recomienda la utilización de la tecnología en función a los requerimientos de aeración, para los procesos de depuración de aguas residuales según la siguiente tabla:

Debemos diferenciar claramente los conceptos de aeración, que contempla la incorporación de aire a un reactor, y la de aireación, que considera la expulsión de aire de un sistema (pudiendo ser natural o forzada)




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14. DIAGRAMA DE PROCESO EJEMPLIFICATIVO

Ejemplo: Establecimiento Depurador Series de Lagunas Aeradas + Facultativas

El objeto del diagrama de procesos es visualizar en un plano con símbolos, esquemas y circuitos, el funcionamiento general del sistema, indicando parámetros de diseño y operativos de mayor relevancia.

Se adjunta en ANEXO: DOCUMENTACION GRAFICA




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15. BASE DE DATOS PARA LA RESOLUCION DEL T.P. A continuación se realizará el diseño de un sistema de tratamiento por barros activados convencional. A fines académicos y con el objeto de definir el alcance de la resolución, sólo se procederá a desarrollar el diseño y verificación del reactor biológico (tanque de aeración) perteneciente a un sistema de tratamiento completo. Por lo tanto se presentará características de un líquido residual urbano (cloacal domiciliario) y se adoptarán parámetros básicos para el diseño del reactor según lo expuesto, y luego se realizará un esquema del diagrama de proceso correspondiente.

15.1. Datos de partida y caracterización del líquid o residual a tratar

Se adoptará un Caudal de Diseño (Q) de 20 l/s para diseñar el reactor.

Se presenta caracterización del líquido residual a tratar, el cual tiene procedencia de una población urbana tipo de la provincia de Mendoza.

Parámetro Unidad Valor

Representativo Mínimo Máximo N

pH U de pH 7,5 7,1 9,5 43

Conductividad específica µS/cm 1120 155 1840 43

Sólidos sedim. 10 min. ml/l 1,3 0,2 7,0 11

Sólidos sedim. 2 hs ml/l 2,5 1,0 8,0 11

Sól. en susp. totales mg/litro 142 75 383 11

Sól. en susp. fijos mg/litro 19,5 10 83 10

Sól. en susp. volátiles mg/litro 107,5 65 300 10

Sulfato (SO4=) mg/litro 108,0 90 280 3

Alcalinidad total mg/litro 357 303 435 11

Sulfuros totales (S=) mg/litro 0,20 0,20 4,50 11

Nitrógeno amoniacal (N-NH3) mg/litro 38,2 29,4 79,3 11

Nitrógeno de nitrato (N-NO3-) mg/litro 0,01 0,01 0,01 9

D.B.O. (5 días,20°C) mg/litro 201 98 350 11

D.Q.O. mg/litro 475 108 1524 43

Fósforo total (PO4-3) mg/litro 18,6 13,6 23,6 2

Escherichia coli NMP/100ml 3,91E+07 1,20E+07 2,40E+08 42

Helmintos Huevos/litro 16 12 30 10




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15.2. Diseño del reactor biológico (tanque de aerac ión)


Adoptamos el tiempo de retención hidráulica según recomendaciones:

θh = 5 hs = 18000 s

Luego determinamos el volumen total del reactor con el TRH adoptado y el caudal de diseño.

V = θh x Q = 18000 s x 20 l/s = 360000 lts = 360 m3

Forma y dimensiones del reactor

Se adopta tanque de aeración abierto de sección cuadrada en planta (A = L), con agitadores a turbina con variador de frecuencia.

Por conveniencia operativa (limpieza, reparación, etc.) se adoptan tres líneas de tanques aerados en paralelo. Los cuales deberán ser verificados para tratar el caudal de diseño total para cuando una línea sale de servicio.

V1=V2=V3= V/3 = 360 m3/3 = 120 m3

Adoptando una altura de líquido (Hliq) de: 3 m

Las dimensiones de cálculo de cada tanque serán:

V = V1 = V2 = L2 x Hliq

L = (V / Hliq)^(1/2) = 6,32 m

Por conveniencia constructiva adoptamos un L = A = 6,50 m

Calculamos el volumen real de cada tanque:

V real c/tanque = (6,50 m)2 x 3,00 m = 126, 75 m3

Por seguridad ante picos de caudal no considerados en el sistema (conexiones clandestinas, descargas indeseadas de líquidos industriales y/o pluviales) adoptamos una revancha de 0,50 m en el reactor, lo que queda una altura total de 3,50 m.

Procedemos a verificar el sistema con un tanque fuera de servicio, utilizando 0,40 m de la revancha adoptada:

V a verificar por tanque = 360 m3/2 = 180 m3

(6,50 m)2 x 3,40 m = 143,65 m3 (NO VERIFICA)

Por tanto procedemos a un redimensionado adoptando un volumen mínimo por tanque de 180 m3 para cumplir el objeto operativo de la planta, y luego corregir el tiempo de retención hidráulica adoptado:

L = (V / Hliq)^(1/2) = (180 m3 / 3 m)^(1/2)= 7,74 m

Adoptamos L = A = 7,75 m.

V real = (7,75 m)2 x 3 m = 180, 18 m3




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Por lo tanto el tiempo de retención hidráulica:

θh = V real / Q por tanque = 180, 18 m3 / 0,01 m3/s = 18018 s = 5,01 hs.

Lo que implica que cuando tenemos un reactor fuera de servicio, los otros dos tanques cumplen con el tiempo de retención hidráulica. (tabla inciso 4.8)

Cuando tenemos una operación normal del establecimiento, es decir con tres tanques operando (Q/3), el tiempo de retención hidráulica es:

θh = V real / Q por tanque = 180, 18 m3 / 0,006 m3/s = 27027 s = 7,51 hs.

Por lo que cumplimos también con los tiempos de retención recomendados. (tabla inciso 4.8)

Por lo que el tiempo de aeración es igual a 7,51 hs = tiempo de retención hidráulica.

Dimensiones finales de cada reactor:

L = A = 7,75 m

Altura de líquido = 3,00 m

Volumen útil reactor = 180,18 m 3

Revancha = 0,50 m

Altura total = 3, 50 m


Procedemos a calcular la carga orgánica por unidad de volumen de cada reactor.

La carga orgánica del proceso se calcula en función de la concentración de DBO y el caudal afluente:

CO = So x Q c/reactor = 201 mgDBO/l x 6,67 l/s = 1340,67 mgDBO/s

El volumen de cada reactor:

V = 180,18 m3

COV = CO / V = 1340,67 mgDBO/s / 180,18 m3 = 7,44 mg/s.m3 = 642, 82 g/dia.m3

Lo que indica que estamos en el límite superior para el proceso respecto a la carga orgánica por volumen de reactor. (tabla inciso 4.8)

COV= 642, 82 g DBO/dia.m 3


Procedemos a calcular la relación alimento versus microorganismos de cada reactor, parámetro de regulación del sistema de tratamiento.

So x Q c/reactor = 201 mgDBO/l x 6,67 l/s = 1340,67




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mgDBO/s = 115833,89 gDBO/día

V x X = 180,18 m3 x 2000 mgSSV/l = 360360 m3.mgSSV/l = 360360 gSSV

Obtenemos entonces la relación entre Carga Orgánica y Biomasa en el reactor:

A / M = (Q x So) / (V x X) = 0,32

Parámetro recomendado de la relación 0,2 a 0,4, por lo tanto VERIFICA para un tratamiento convencional. (Tabla inciso 4.8)

A/M=0,32


Procedemos a calcular el tiempo promedio de residencia de los microorganismos en el sistema, lo que para un tiempo adecuado nos indica un afluente de alta calidad.

θc = (V x X) / ((Qw x Xr) + (Qe x Xe)

Podemos suponer que la concentración de sólidos en el efluente es baja, por lo que simplificamos la expresión anterior:


Además cuando el lodo se dispone directamente del efluente del reactor: X=Xr:

θc = V / Qw

Qw = V / θc

Por lo que el proceso puede controlarse enviando a disposición diariamente un caudal igual al cociente entre el volumen del tanque y el tiempo promedio de retención celular. Por lo tanto verificaremos el caudal purgado para los tiempos de promedio de retención celular recomendados:

θc = 5 días � Qw = 180,18 m3 / 5 día = 36,04 m3/día


Por lo que para mantener una edad de lodos dentro de los parámetros recomendados deberíamos mantener un caudal de purga (Qw) entre 12,01 y 36,04 m3/día.

Si adoptáramos una edad de lodos de 10 días, deberíamos purgar un caudal de:


Concentración de SSV en el lodo recirculado

Xr = X = 2000 mgSSV/l

Caudal de lodos dispuesto Qw = 18,02 m 3/día = 0,20 l/s




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Tasa de recirculación de lodos del sedimentador secundario al reactor

Adoptamos una tasa de recirculación recomendada para el proceso:

R=50%

Caudal de recirculación El caudal recirculado necesario para un reactor según la tasa de recirculación adoptada será:

Qr = Q x R = 6,67 l/s x 0,5 = 3,335 l/s

Qr = 3,335 l/s

Biomasa en el reactor X = 2000 mgSSV/l � valor adoptado

θc/θh = 240 hs/7,51 hs = 31,95

Adoptando kd (inciso 4.8): coeficiente de declinación endógena, obtenemos

1 + kd x θc = 1 + (0,06 día-1 x 10 día) = 1,6

Luego adoptando Y (inciso 4.8): relación de la masa de células formadas a la masa de sustrato consumido, obtenemos

Y = 0,6 mg SSV/mg DBO

Por lo tanto despejando (So-Se) de la siguiente expresión:

X = (θc/θh) x [(Y(So – Se)) / (1+ kd θc)

Y calculando:

(So-Se) = 166,93 mgDBO/l

Eficiencia del proceso E = (So – Se) / So = (166,93 mgDBO/l) / 201 mgDBO/l

E = 0,83 = 83 %

La eficiencia en la reducción de materia orgánica e s aproximadamente de un 83% lo que indica que el proceso verificado se encuentra sobre el límite inferior para los parámetros recomendados.

Cálculo de aeración (incorporación de aire al reactor)

Procedemos a estimar la demanda de oxígeno por día requerido para el proceso (para cada reactor). Utilizamos la siguiente expresión que tiene incorporados coeficientes que salen de la estequiometria en función de la composición típica de DBO estabilizada y de la DBO de la biomasa extraída en el proceso (C5H7NO2+5CO2+2H2O+NH3):

DO = 1,5 Q (So-Se) – 1,42 Qw Xr

El resultado nos indicará la masa de oxígeno por dí a a incorporar a cada reactor expresada en [Kg O 2/día], parámetro básico para la selección de equipos y diseño del sistema de aeración. Expresamos los




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caudales en m3/día .

DO = 1,5 x 576,28 x 166,93 – 1,42 x 18,02 x 2000 = 93121 g O2/día = 93,12 kg O2/día

Por lo tanto el sistema de aeración para cada reactor debería erogar como mínimo la cantidad de 93,12 kg O2/día.

Demanda de oxígeno total del sistema = 279,36 kg O2/día (3 reactores en funcionamiento)

15.3. Reúso del líquido depurado y Normativa para s u control

Reúso para riego de cultivos restringidos especiales.

Como teoría complementaria podemos mencionar que el correcto funcionamiento y dimensionamiento de la Planta Depuradora se verificará en función de la eficiencia lograda en el tratamiento, efectuando los muestreos que se requieran en el punto de entrega del líquido previo al ACRE. El tratamiento a lograr deberá cumplimentar con los requerimientos de la resolución N°400/2003 del HTA del DGI.




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16. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS �

� CALCULO DE BARROS ACTIVADOS

Apunte teórico – práctico de Tratamiento de Lodos Activados

Carrera de grado Ingeniería Civil. Cátedra Ingeniería Sanitaria. UNcuyo. Mendoza

� COFAPYS (1993)

Normas de estudio y criterios de diseño y presentación de proyectos de desagües cloacales para localidades de hasta 30.000 habitantes

Fundamentación de Normas – Volumen V y VI

� METCALF & EDDY (1991)

Wastewater Engineering. Treatment, Disposal, Reuse.

Mc Graw-Hill, Inc.

� AURELIO HERNANDEZ MUÑOZ

Depuración de aguas residuales

Colegio de ingenieros de caminos – Madrid 1990

� WINKLER M. (1995)

Tratamiento Biológico de aguas de desecho

Limusa, Noriega Editores.

� VON SPERLING M.

Critérios e Dados para uma seleção preliminar de Sistemas de Tratamento de Esgotos

Revista de la Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental (ABES)

� DROSTE R. (1997)

Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment.

John Wiley & Sons, Inc.

� ENVIRONMENTAL PROTECCION AGENCY (EPA) (1992)

Manual: Wastewater Treatment/Disposal for Small Communities. EPA/625/R-92/005

� ENVIRONMENTAL PROTECCION AGENCY (EPA) (1987)

Design Manual: Dewatering Municipal Wastewater Sludges. EPA/625/1-87/014

� PACHECO JORDÃO E., ARRUDA PESSÔA C. (1995)

Tratamento de Esgotos Domésticos

Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental (ABES)

� ING. DURÁN J. (2017)

Tratamiento de efluentes industriales “Sistemas de Tratamiento Aerobio”

Posgrado Especialización en Ingeniería Sanitaria. Universidad Nacional de Rosario.

� ING. FERNANDEZ R. (2017)




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Tratamiento de líquidos cloacales “Lodos Activados”


� ING. BALLAN G. (2016)

Tratamiento de efluentes industriales “Tratamiento de barros I y II”


� ING. BACHUR (2016)

Diseño de Reactores “Flujo en Reactores y Operaciones Unitarias”


� AERZEN (2018)

Presentación y catálogo de productos en Aguas Mendocinas

Aerzen – Tecnología en equipos para aireación en efluentes

� ECKENFELDER W. (1997)

Developing Industrial Water Pollution Control Programs. A Primer.

� CAMPOS J. et.al. (1999)

Tratamento de Esgotos Sanitários por Processo Anaeróbio e Disposição Controlada no Solo. Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (PROSAB)




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ANEXO

DOCUMENTACION GRAFICA

-DIAGRAMA DE PROCESOS EJEMPLO-

-DIAGRAMA DE PROCESOS BARROS ACTIVADOS-

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Transcript of UNCUYO – FACULTAD DE INGENIER IA CÁTEDRA INGENIERIA...