GESTIÓN Y OPERACIÓN DE
PLANTAS DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES
GESTIÓN Y OPERACIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
3.2 Tratamiento Primario
Niveles de
Tratamiento
Pretratamiento
Primario
Secundario
Terciario o
Avanzado
Eliminación de materia flotante
Desarenado
Homogeneización y almacenamiento
Separación de grasas y aceites
Neutralización
Sedimentación
Flotación
Tratamiento primario avanzado
Físicoquímicos
Biológicos
Coagulación química
Oxidación
Precipitación
Anaerobios
Aerobios
Medio fijo
Medio suspendido
Medio fijo
Medio suspendido
Coagulación
Adsorción
Intercambio iónico
Filtración
Nitrificación y Desnitrificación
Oxidación
Ósmosis Inversa
Desinfección
Cloración
Ozonación
Radiación ultavioleta
Otros
Sedimentación
Es la separación de partículas suspendidas máspesadas que el agua, mediante la acción de lagravedad.
Se basa en la diferencia de gravedad específicaentre el material sedimentable y el agua.
Se utiliza para la remoción de arenas, flóculosquímicos y biológicos y como principio para elespesamiento de lodos.
MECANISMOS SEDIMENTACIÓN.
Sedimentación de partículas
discretas.
Son aquellas que durante el proceso no cambian de características (forma, tamaño y densidad). Se denomina sedimentación simple al proceso de depósito de partículas discretas.
Sedimentación de partículas
floculentas.
Son aquellas producidas por la unión de partículas. Se denomina sedimentación floculenta al depósito de partículas floculentas.
Sedimentación zonal.
Cuando existen altas concentraciones de partículas, se producen colisiones que las mantienen en una posición fija, ocurriendo su depósito masivo.
Partículas discretas.
Son aquellas que durante el proceso no cambian decaracterísticas (forma, tamaño y densidad). Sedenomina sedimentación simple al proceso dedepósito de partículas discretas.
Partículas floculentas.
Son aquellas producidas por la unión de partículaspor medio de agentes químicos o de forma natural.Se denomina sedimentación floculenta al proceso dedepósito de partículas floculantes.
Sedimentación zonal.
Cuando existen altas concentraciones de partículas,se producen colisiones que las mantienen en unaposición fija, ocurriendo su depósito masivo.
Zona de compactación.
Cuando existen muy altas concentraciones departículas, como se presentan en las tolvas de lossedimentadores y en los espesadores.
La remoción de sólidos suspendidos está en función
de la carga hidráulica superficial, la cual se expresa
como caudal medio diario de aguas residuales
dividido entre el área superficial del sedimentador:
CHS = Qm/As
CHS = Carga hidráulica superficial, m3/m2 día.
Qm = Caudal medio, m3/día.
As = Área superficial, m2.
Remoción de Sólidos Suspendidos.
Diseño de tanques de sedimentación.
El diseño de tanques de sedimentación requiere de
grandes conocimientos en la práctica, así como en
la teoría.
Los tanques de sedimentación en las plantas de
tratamiento de agua son clasificados en: Tanques
rectangulares, tanques circulares.
Tanques rectangulares.
Este tipo de unidades son empleadas en plantas que
tratan grandes flujos. Este tipo de unidades es más
estable hidráulicamente y el control de grandes flujos a
través de ellos es más sencillo.
El diseño típico consiste en tanques con longitudes de 3 a
4 veces su ancho y de 10 a 15 veces su profundidad. Su
fondo es ligeramente inclinado para facilitar la
eliminación de los lodos.
Un ligero movimiento de palas (rastras) conducidas por
cadenas, continuamente empujan el material
sedimentado a una tolva de donde son extraídos
periódicamente.
Esquema de un tanque rectangular.
Tanques rectangulares.
Un sedimentador rectangular puede ser dividido en cuatro
zonas funcionales:
• Zona de entrada: Los bafles presentes interceptan el agua
de entrada y distribuyen el flujo uniformemente hacia
abajo y horizontalmente a través del tanque.
• Zona de salida: El flujo de agua es ascendente y llega a la
tubería de salida.
• Zona de lodos: Se extiende desde el fondo del tanque
hasta por encima de los mecanismos de arrastre.
• Zona de sedimentación: Ocupa la parte restante del
tanque.
Tanques circulares.
Estos tanques presentan las mismas zonas de
sedimentación que los rectangulares, pero el régimen de
flujo es diferente.
El flujo entra por el centro del tanque, donde se
encuentran los bafles o mamparas, los cuales distribuyen
el flujo radialmente hacia el perímetro, la velocidad
horizontal del agua disminuye continuamente conforme
se incrementa la distancia al centro del tanque.
Así las partículas discretas con cierta velocidad van
experimentando a un cambio en su velocidad absoluta
debido al decremento en la velocidad horizontal. Así, la
ruta de las partículas en estos tanques es una parábola.
Diagrama de un tanque circular.
Los sedimentadores circulares presentan algunas
ventajas. Sus sistemas de rastras son sencillos y
requieren menos mantenimiento.
Los vertedores en los tanques circulares usualmente
consisten en placas de metal con corte en forma de
V, los cuales reducen la velocidad de rebose.
Una distribución desigual y corrientes desiguales
pueden ocasionar cortos circuitos hidráulicos.
Es usualmente recomendable limitar el diámetro de
estos tanques a 30 metros o menos.
Tanques circulares.
Diagrama de un tanque circular.
Eficiencia de los tanques de sedimentación.
➢ Características de los afluentes.
➢ Tamaño de partículas.
➢ Temperatura.
➢ Velocidad de sedimentación.
➢ Densidad de partículas.
➢ Fluctuaciones de flujo.
➢ Pre-tratamiento.
➢ Área superficial del tanque.
➢ Tiempo de retención.
➢ Profundidad del tanque.
➢ Efecto de pared.
➢ Numero de mamparas.
➢ Velocidad del viento.
➢ Operaciones de limpieza.
Criterios de diseño para los sedimentadores.
Los criterios a tomar para el diseño de un sedimentador son
los siguientes:
Carga hidráulica a caudal medio CH = 25 - 40 m3/m2 d
Carga hidráulica a caudal máximo CH = 80 - 120 m3/m2d
Profundidad (sin tolvas) P = 2.1 - 4.5 m
Tiempo de retención hidráulico t = 1.5 - 2.5 h
Carga sobre vertedores CV = 120 - 250 m3/m d
Velocidad lineal de flujo máxima v = 1.2 - 1.5 m/min.
CHS (m3/m2 d) =
Q (m3/d)
A sup (m2)
Carga Hidráulica Superficial
Flotación
La flotación se emplea para la separación
de partículas sólidas o líquidas de una
fase líquida.
Las burbujas de aire formadas en la
unidad llevan una carga negativa.
Según el tipo de partículas y el grado de
aglomeración del sólido, las burbujas de
aire pueden unirse por tres mecanismos:
Mecanismos de la Flotación:
– Simple adhesión, esto ocurre por colisión o
por formación de una burbuja en la
superficie de la partícula.
– Atrapamiento de la burbuja en la parte
inferior del flóculo de lodo, de modo que la
partícula viaje a la superficie.
– Incorporación de las burbujas de aire a las
estructuras del flóculo. Este proceso es
estimulado por el uso de polielectrolitos.
Flotación
Con los sistemas de flotación, una
parte de la materia en suspensión se
acumula en el fondo. Por ello, estos
flotadores deberán ir siempre
equipados con un sistema de
eliminación de lodos de fondo.
FLOTACIÓN POR AIRE INDUCIDO.
– La flotación por aire inducido consiste en
introducir aire en una celda por acción
mecánica y se mezcla con el agua,
transformándose en millones de pequeñas
burbujas. Partículas de aceite y sólidos
suspendidos se pegan a las burbujas y salen a
la superficie del agua.
– Con paletas recolectoras que separan los
sólidos. En condiciones apropiadas los
residuos de aceite son eliminados casi al 100%
del agua y la mayoría de los sólidos
suspendidos se reducen significativamente.
FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO.
– En la flotación por aire disuelto (DAF, por
sus siglas en ingles) el aire se pone en
contacto con la corriente acuosa a alta
presión, disolviendo el aire.
– La presión en el líquido se reduce por una
válvula de expansión para producir micro-
burbujas que barren el material suspendido
y aceite.
Servicios y Consultoría Manrique y Asociados S.A de C.V.
Existen diferentes sistemas de presurización:
– Presurización Total: se usa cuando el agua contiene
grandes cantidades de material aceitoso y sólidos.
– Presurización parcial: se usa para concentraciones
bajas o moderadas de material aceitoso y sólidos.
– Presurización de recirculación: es un sistema para
tratamiento de sólidos o materiales aceitosos que
pueden degradarse por medio de un intenso
mezclado en otro sistema de presurización.
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Flotación por aire disuelto.
Se inyecta aire mientras el líquido se encuentra
bajo presión, después se libera el aire hasta
alcanzar la presión atmosférica.
La recirculación se emplea cuando son
instalaciones grandes.
Para presiones de 3 a 8 atm, el caudal de agua a
recircular es de 10 a 30% del caudal a tratar con
un consumo de aire de 15 a 50 litros de aire por
m3 de agua tratada.
Criterios de diseño.
Presión de operación P = 2 a 5 atm.
Relación aire/sólidos
(Kg aire/Kg SST) A/S = 0.005 a 0.6
Tiempo en el tanque de retención Tr = 1 a 3 min.
Tiempo en el tanque de separación Tr = 20 a 30 min.
Carga hidráulica superficial CHS = 90 a 230
m3/m2d
Esquema de un sistema de flotación.
Esquema de un sistema de flotación.
3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
3.3 Tratamiento Secundario
Niveles de
Tratamiento
Pretratamiento
Primario
Secundario
Terciario o
Avanzado
Eliminación de materia flotante
Desarenado
Homogeneización y almacenamiento
Separación de grasas y aceites
Neutralización
Sedimentación
Flotación
Tratamiento primario avanzado
Físicoquímicos
Biológicos
Coagulación química
Oxidación
Precipitación
Anaerobios
Aerobios
Medio fijo
Medio suspendido
Medio fijo
Medio suspendido
Coagulación
Adsorción
Intercambio iónico
Filtración
Nitrificación y Desnitrificación
Oxidación
Ósmosis Inversa
Desinfección
Cloración
Ozonación
Radiación ultavioleta
Otros
PROCESOS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICOS.
El proceso de tratamiento biológico es similar al
proceso de depuración natural, con la variante de que
en un sistema de tratamiento biológico, el proceso es
acelerado por la acción de elevadas concentraciones
de consorcios bacterianos para un tipo de proceso
específico.
Objetivo:
El objetivo de este tipo de procesos, es transformar la
materia orgánica disuelta presente en el agua residual
a materia orgánica suspendida o gaseosa, además de
promover la coagulación y eliminación de sólidos
coloidales no sedimentables.
Clasificación de Procesos Biológicos
BIOLÓGICOS
ANAEROBIOS
AEROBIOS
MEDIO FIJO
MEDIO
SUSPENDIDO
FILTROS ANAEROBIOS
LECHO FLUIDIZADO
MEDIO FIJO
MEDIO
SUSPENDIDO
PROCESOS DE CONTACTO ANAEROBIOS
LAGUNAS ANAEROBIAS
PROCESO DE CONTACTO EN 2 ETAPAS
REACTOR DE FLUJO ASCENDENTE
FILTROS ROCIADORES
CONTACTORES BIOLÓGICOS ROTATORIOS
FILTROS BIOLÓGICOS
LODOS ACTIVADOS
NITRIFICACIÓN
DESNITRIFICACIÓN
LAGUNAS AEREADAS
REACTOR SECUENCIAL POR LOTES (SBR)
NATURALES
HUMEDALES SUMERGIDOS
HUMEDALES SUPERFICIALES
LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
TRATAMIENTO EN SUELO
Las bacterias presentan una curva de crecimiento que se puede
dividir en cuatro fases que son:
- Fase de retardo o aclimatación: Tiempo para que los
organismos se aclimaten a las condiciones ambientales.
- Crecimiento exponencial: Las células se dividen a una
velocidad determinada, por su tiempo de generación y
capacidad de procesar alimento.
- Fase estacionaria: El crecimiento de las células se nivela con
la muerte de células viejas.
- Fase de muerte logarítmica (respiración endógena): La tasa
de muerte excede la producción de células nuevas.
Crecimiento Bacteriano.
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
Mecanismos de Remoción de M.O.
Los mecanismos de remoción de materia orgánica y otros
componentes, son los siguientes:
MECANISMO EFECTO
Sorción.
Sorción en la superficie de los flóculos
biológicos de sólidos suspendidos, metales
pesados y materia orgánica no
biodegradable.
Arrastre. Arrastre con aire de compuestos orgánicos
volátiles (VOC’s).
Biodegradación.
Oxidación por los microorganismos,
síntesis de nuevas células y consumo de
oxígeno para la generación de energía.
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
M.O.+aO2+N+ P --------------> Y nuevas células+CO2+H2O+ k residuos no biodegradables
Autodigestión (respiración endógena):
m.o. + b O2 ---------> CO2 + H20 + N+ P + residuos celulares no biodegradables
Síntesis de microorganismos
La reacción bioquímica para la estabilización de la materia orgánica
se expresa como:
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
kd
m.o.
Donde:
M.O. = Materia orgánica.
m.o. = Microorganismos.
N, P = Nutrientes (requeridos 100: 4.3: 0.6).
k = Tasa de biodegradabilidad.
a = Fracción de m.o. oxidados hasta
productos finales para energía.
Y = Fracción de M.O. sintetizada en nuevas
células.
kd = Fracción por día de biomasa oxidada.
b = Oxígeno requerido para autodigestión.
Síntesis y autodigestión de microorganismos
PROCESOS BIOLÓGICOS AEROBIOS
Constantes cinéticas
k = constante específica de velocidad de remoción.
Es la constante que determina la velocidad con que se lleva a
cabo la reacción microbiológica.
a = kg O2 en la oxidación de sustrato
kg de DBO removido
Es el coeficiente de consumo de oxígeno para oxidación del
sustrato.
Y = kg SSVLM producidos / kg DBO removido.
Es el rendimiento del proceso o producción de lodos.
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
Constantes cinéticas
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
kd= kg SSVLM oxidados
día x kg SSVLM del reactor
Es la fracción de m.o. oxidados por día en el reactor
b = kg o2 para respiración endógena / díaKg SSVLM en el reactor
Es el coeficiente de consumo de oxígeno por respiración
endógena
Factores que afectan el proceso
Los procesos biológicos aerobios son afectados por
diferentes factores, tales como:
• Calidad del agua.
• Oxígeno.
• Tiempo de retención celular.
• pH.
• Temperatura.
• Mezclado.
• Efectos hidráulicos
• Toxicidad del medio.
SISTEMAS DE TRATAMIENTO AEROBIOS
PRUEBAS DE TRATABILIDAD
POR LOTES
PRUEBAS DE TRATABILIDAD EN CONTINUO
Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentesdomésticos o industriales con altas cargas orgánicas.
Pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento paraproducir un efluente final adecuado para su disposición final.
Comparación con tratamientos aerobios:
Ventajas:- bajo consumo de energía; no se requiere aporte de O2- posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible (caro)- el lodo obtenido es un lodo ya estabilizado
Desventajas:- largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses)- sensibilidad a variación de condiciones ambientales- menor eficiencia en remoción de MO (aprox.80%)
REACTORES ANAEROBIOS
GENERALIDADES:
REACTORES ANAEROBIOS
MO - compuestos orgánicos complejos(carbohidratos, proteínas, lípidos) Hidrólisis
Acidogénesis
acetato + H2 + CO2
CH4 + CO2
Acetogénesis
Metanogénesis
compuestos orgánicos simples(azúcares, aminoácidos, etc)
ácidos orgánicos(acetato, propianato, butirato, etc)
Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos (material particulado) son transformados en material disuelto más simple, por medio de enzimas producidas por bacterias fermentativas.Acidogénesis: los productos solubles son convertidos en ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc, por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas.
Acetogénesis: los productos generados en la etapa anterior son transformados en sustrato para las bacterias metanogénicas.Metanogénesis: finalmente se produce metano a partir de
acetato (bacterias metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas).
H2S + CO2
Sulfurogénesis: cuando hay sulfatos las bacterias sulfato reductoras compiten por el sustrato con las demás (se genera H2S y baja prod.CH4, hay problema de olores e inhibición).
DIGESTION ANAEROBIA:
Los procesos biológicos de tipo anaerobio están basados en
la digestión anaerobia, proceso en el que se produce la
descomposición de la materia orgánica e inorgánica en
ausencia de oxígeno molecular.
Sus principales aplicaciones son la estabilización de lodos
concentrados provenientes de la plantas de tratamiento de
agua residual, y de determinados residuos industriales.
En la digestión anaerobia se consideran tres etapas
teóricas:
•Hidrólisis
•Acidogénesis
•Metanogénesis
SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIOS
Se sabe que las sustancias que sirven como substrato a los
organismos metanogénicos son: bióxido de carbono más
hidrógeno, formiato, acetato, metanol, metilaminas y
monóxido de carbono.
Las reacciones típicas de producción de energía ligadas a
estos compuestos son las siguientes:
CO2 + 4H2 CH4 + 2CH2O
4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O
CH3COOH CH4 + CO2
4CH3OH 3CH4 + CO2 +2H2O
4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
SISTEMAS DE TRATAMIENTO ANAEROBIOS
PRUEBAS DE TRATABILIDAD ANAEROBIAS POR LOTES
Proceso Ventajas Desventajas
Aerobio
•Alta eficiencia en laremoción de materiaorgánica.•Procesos relativamenteestables.
•Requiere de aereación.•Produce 10 veces mas lodobiológico.•Inadecuado para tratarresiduos líquidos con altoscontenidos de materiaorgánica.
Anaerobio
•Menor producción delodo biológico.•Posibilidad de tratardesechos con altocontenido de materiaorgánica.•Utilización de metanopara producir energía.•Períodos prolongados sinalimentación.•El lodo biológico enrango termofílico
•Lentitud en el arranque.•Adaptación lenta avariaciones en laalimentación.•Productos reducidos en elefluente.•Complejidad como sistemade distribución.•Dificultad en la construcciónsi son profundos.•El agua resultante tiene altacantidad de amonio.
3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Sedimentación Secundaria
Sedimentación secundaria
Composición elemental
de las velocidades
Clarificación
Espesamiento
Sedimentación secundaria
Parámetros de diseño de sedimentadores secundarios. Fuente: MAPAS libro 25, CONAGUA
Tanques
circulares
Fuente: MAPAS libro 25, CONAGUA
https://www.google.com.mx/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.monografias.com%2Ftrabajos81%2Fdiseno-tratamiento-primario%2Fdiseno-tratamiento-primario2.shtml&psig=AOvVaw36fh8E1HdPdjmTNu83j9i8&ust=1590890779115000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCLDQ_va_2ukCFQAAAAAdAAAAABAD
Tanques circulares
Criterios de diseño de sedimentadores secundarios circulares. Fuente: MAPAS libro 25, CONAGUA
Tanques circulares
Criterios de diseño de sedimentadores secundarios circulares. Fuente: MAPAS libro 25, CONAGUA
Sedimentadores
secundarios
rectangulares
https://www.google.com.mx/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Fwww.sumyt.com%2Fclarificadores%2F&psig=AOvVaw335gdS43MgF7VpArK-vrJt&ust=1590891943646000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCOiOx6LE2ukCFQAAAAAdAAAAABAJ
Sedimentadores secundarios rectangulares
Criterios de diseño de sedimentadores secundarios rectangulares. Fuente: MAPAS libro 25, CONAGUA
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
ING. EMILIO JAVIER MANRIQUE RAMÍREZ
Cel y whats: 55 2109 9862
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