REPBLICA DE UNIN EUROPEAREPBLICA DE NICARAGUA

UNIN EUROPEAMinisterio de Fomento Industria y Comercio

Programa de Apoyo a la Mejora del Clima de Negocios e Inversiones en Nicaragua

DCI-ALA/2007-019-011

Documento Taller de Capacitacin

Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales para el Sector LcteoSector Lcteo

Impartido por el Centro de Produccin ms Limpia de Nicaragua

La presente publicacin ha sido elaborada con la asistencia de la Unin Europea. El contenido de la misma es responsabilidad exclusiva del Centro de Produccin ms Limpia de Nicaragua y en ningn caso debe considerarse que

refleje los puntos de vista de la Unin Europea.

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INTRODUCCIN

El agua es uno de los recursos naturales ms fundamentales, y junto con el aire, la tierra y la energa constituye los cuatro recursos bsicos en que se apoya el desarrollo. La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoci el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en da, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua esta fuera de toda duda. El agua es uno de los compuestos ms abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie de la tierra. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Mas del 97% del agua total del planeta se encuentra en los ocanos y otras masas salinas, y no estn disponibles para casi ningn propsito. Del 3% restante, por encima del 2% se encuentra en estado slido, hielo, resultando prcticamente inaccesible. Por tanto, podemos terminar diciendo que para el hombre y sus actividades industriales y agrcolas, slo resta un 0,62 % que se encuentra en lagos, ros y agua subterrneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es an su distribucin irregular en el planeta. El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos ms claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales. Si se entiende por desarrollo sostenible aquel que permita compatibilizar el uso de los recursos con la conservacin de los ecosistemas. Hay que considerar tambin que el hombre influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien directamente mediante extraccin de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien indirectamente alterando la vegetacin y la calidad de las aguas.

Nuestro mundo por muchos aos ha sido descuidado y maltratado por nosotros los seres humanos. La industrializacin y el modernismo son algunos factores que ayudan a la contaminacin de nuestro ambiente.

I. GENERALIDADES

1.1 Clasificacin de Agua Residual Segn su Origen

Antes de hablar de los tratamiento de las aguas residuales debemos conocer un poco de los tipos de aguas residuales que existen, los tipos de contaminantes, la clasificacin de los contaminantes, la contaminantes habituales en las aguas residuales, las consecuencias que acarrean los

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vertidos, los mtodos analticos para el control de la calidad del agua para poder as familiarizarnos con los diferentes tratamientos. Las cuatro fuentes de aguas residuales son:

1. Aguas domesticas o urbanas Son los vertidos que se generan en los ncleos de poblacin urbana como consecuencia de las actividades propias de stos. Los aportes que generan esta agua son:

Aguas negras o fecales Aguas de lavado domstico

Las aguas residuales urbanas presentan una cierta homogeneidad cuanto a composicin y carga contaminante, ya que sus aportes van a ser siempre los mismos. Pero esta homogeneidad tiene unos mrgenes muy amplios, ya que las caractersticas de cada vertido urbano van a depender del ncleo de poblacin en el que se genere, influyendo parmetros tales como el nmero de habitantes, la existencia de industrias dentro del ncleo, tipo de industria, etc

La cantidad de agua residual domestica normalmente se expresa en litros per capita por da (L/cap.dia) y se asume como fraccin (70-85%) del consume especifico de agua que oscila entre 60 y 350 L/cap da. El caudal de agua residual domestica que entra al sistema de alcantarillado puede variar considerablemente durante el da.

Figura 1. Fluctuacin del caudal de agua residual domestica durante el da

2. Aguas pluviales.

Estas aguas provienen del sistema de drenaje de calles y avenidas, producto de lluvias o lixiviados (a menudo se les ve como parte de aguas domsticas). En los

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25

Tiempo, horas

Caud

al, %

del

pro

med

io

Area pequea Area mediana Area grande

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pases desarrollados esta agua nunca entra a las plantas de tratamiento de agua residual. En el caso de que el alcantarillado sea combinado, el agua de lluvia entra al alcantarillado y causa problemas a las plantas de tratamiento por lo que provoca picos en el caudal de entrada hasta 3-5 veces el caudal normal del tiempo seco. Estos picos perturban el funcionamiento normal de la planta. Por esta razn, los sistemas de alcantarillado separado se hacen cada vez mas atractivos:

- el costo total de inversi6n y de mantenimiento de una planta de tratamiento aumenta con el aumento de la capacidad de diseo.

- el funcionamiento de las plantas de tratamiento se ve mas afectado por los picos hidrulicos y de carga orgnica durante la temporada de lluvias.

El agua pluvial urbana a menudo esta contaminada con emisiones de transito como grasas, hidrocarburos y metales pesados, en el rea rural, con pesticidas, fertilizantes y estircol.

3. Aguas residuales industriales Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de produccin, transformacin o manipulacin se utilice el agua. Son enormemente variables en cuanto a caudal y composicin, difiriendo las caractersticas de los vertidos, no slo de una industria a otro, sino tambin dentro de un mismo tipo de industria.

A veces, las industrias no emite vertidos de forma continua, si no nicamente en determinadas horas del da o incluso nicamente en determinadas pocas de ao, dependiendo del tipo de produccin y del proceso industrial. Tambin son habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo del da.

Estas son ms contaminadas que las aguas residuales urbanas, adems, con una contaminacin mucho ms difcil de eliminar.

Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio especfico para cada caso.

4. Aguas de usos agrcolas

Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90%) provienen del uso domestico e industrial , la de usos agrcolas y pluviales urbanas estn adquiriendo cada da mayor importancia, debido a que los escurrimientos de fertilizantes (fosfatos) y pesticidas representan los principales causantes del envejecimiento de lagos y pantanos proceso llamado eutrofizacin.

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1.2. Clasificacin de los Contaminantes

Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son muchas y diversas. Los contaminantes del agua se clasifican en tres categoras:

1.2.1 Contaminantes qumicos. Estos componen tanto productos qumicos orgnicos como inorgnicos. El aspecto fundamental de la contaminacin de productos orgnicos es la disminucin del oxigeno como resultante de la utilizacin del existente en el proceso de degradacin biolgica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgnicos el resultado ms importante es su posible efecto txico, mas que una disminucin de oxigeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgnicos presentan una demanda de oxigeno, contribuyendo a la disminucin del mismo.

Contaminantes Orgnicos: Son compuestos cuya estructura qumica est compuesta fundamentalmente por carbono, hidrgeno, oxgeno y nitrgeno. Son los contaminantes mayoritarios en vertidos urbanos y vertidos generados en la industria agroalimentaria.

Los compuestos orgnicos que pueden aparecer en las aguas residuales son:

a) Protenas: Proceden fundamentalmente de excretas humanas o de desechos de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y responsables de malos olores. Son portadores de nitrgeno y fsforo.

b) Carbohidratos: Incluimos en este grupo azcares, almidones y fibras celulsicas. Proceden, al igual que las protenas, de excretas y desperdicios.

c) Aceites y Grasas: Son todas aquellas sustancias de naturaleza lipdica, que al ser inmiscibles con el agua, van a permanecer en la superficie dando lugar a la aparicin de natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier tipo de tratamiento fsico o qumico, por lo que deben eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un agua residual. Son altamente estables, proceden de desperdicios alimentarios en su mayora, a excepcin de los aceites minerales que proceden de otras actividades.

d) Otros especficos: Incluiremos varios tipos de compuestos, como los tensoactivos, fenoles, organoclorados y organofosforados, etc. Su origen es muy variable y presentan elevada toxicidad.

Contaminantes Inorgnicos: Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, xidos, cidos y bases inorgnicas, metales pesados, etc.

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Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son ms abundantes en los vertidos generados por la industria.

Los componentes inorgnicos de las aguas residuales estarn en funcin del material contaminante as como de la propia naturaleza de la fuente contaminante. Un ejemplo clsico de contaminante inorgnico es arena. Entendemos como tales, a una serie de particular de tamao apreciable y que en las masas de agua cuando estn en movimiento, o bien forman depsitos de lodos si encuentran condiciones adecuadas para sedimentar.

1.2.2 Contaminantes Fsicos

Incluyen:

Cambios trmicos, la temperatura es un parmetro muy importante por su efecto en la vida acutica, en las reacciones qumicas, velocidades de reaccin y en la aplicabilidad del agua a usos tiles, como el caso de las aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes despus de ser usadas en intercambiadores.

El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin embargo como quiera los compuestos orgnicos son descompuestos por las bacterias, el oxigeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro.

La turbidez originada por los slidos en suspensin. Espumas y la radioactividad

1.2.3 Contaminantes Biolgicos Son organismos que pueden ir en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que son capaces de producir o transmitir enfermedades (el clera y la tifoidea).

1.2.4 Composicin de Agua Residual

Por lo general los contaminantes del agua residual domestica constituyen una mezcla muy compleja de compuestos orgnicos e inorgnicos que prcticamente es imposible obtener un anlisis completo de cada uno de los componentes presentes. Sin embargo, para disear y operar una planta de tratamiento es suficiente conocer algunos parmetros bsicos para caracterizar el estado de agua cruda a tratar.

Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos componentes, se clasifica en fuerte, media y dbil. Debido a que la concentracin como la composicin va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo se pretende dar una orientacin para la clasificacin de las aguas servidas.

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Tabla 1. Concentracin de diferentes contaminantes en el agua residual (mg/l) Constituyente Fuerte Media Dbil

Slidos, en total

Disueltos, en total

Suspendidos, en total

1200

850

350

700

500

250

350

250

100

Demanda Bioqumica de Oxigeno

300 200 100

Nitrgeno

Amoniaco Libre

Fsforo

Alcalinidad

Grasa

85

50

20

200

150

40

25

10

100

100

20

12

6

50

50

1.3 Consecuencias en Medio Ambiente Provocado por los Vertidos 1.3.1 Aparicin de fangos y flotantes Existen en las aguas residuales slidos en suspensin de gran tamao que cuando llegan a los cauces naturales pueden dar lugar a la aparicin de sedimentos de fango (lodo) en el fondo de dichos cauces, alterando seriamente la vida acutica a este nivel, ya que dificultar la transmisin de gases y nutrientes hacia los organismos que viven en el fondo.

Por otra parte, ciertos slidos, dadas sus caractersticas, pueden acumularse en las orillas formando capas de flotantes que resultan desagradables a la vista y adems, pueden acumular otro tipo de contaminantes que pueden llevar a efectos ms graves. 1.3.2 Agotamiento del contenido de oxgeno Los organismos acuticos precisan del oxgeno disuelto en el agua para poder vivir. Cuando se vierten en las masas de agua, residuos que se oxidan fcilmente, bien por va qumico o por va biolgica, se producir la oxidacin con el consiguiente consumo de oxgeno en el medio.

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Si el consumo de oxgeno es excesivo, se alcanzarn niveles por debajo del necesario para que se desarrolle la vida acutica, dndose una muerte masiva de seres vivos.

Adems, se desprenden malos olores como consecuencia de la aparicin de procesos bioqumicos anaerobios, que dan lugar a la formacin de compuestos voltiles y gases. 1.3.3 Dao a la salud pblica

Los vertidos de efluentes residuales a cauces pblicos, pueden fomentar la propagacin de virus y bacterias patgenos para el hombre. 1.3.4 Eutroficacin Un aporte elevado de nitrgeno y fsforo en los sistemas acuticos propicia un desarrollo masivo de los consumidores primarios de estos nutrientes; zoo y fitoplancton y plantas superiores. Estas poblaciones acaban superando la capacidad del ecosistema acutico, pudiendo llegar a desaparecer la masa de agua. 1.3.5 Otros efectos

Pueden ser muy variados y van a ser consecuencia de contaminantes muy especficos, como valores de pH por encima o por debajo de los lmites tolerables, presencia de txicos que afecta directamente a los seres vivos, etc.

En la tabla 2 est presentado un resumen de lo anterior

Tabla 2. Principales contaminantes del agua residual municipal y su impacto

Contaminante Impacto que ocasiona en el Medio Ambiente Slidos Suspendidos Llevan a deposici6n de lodos lo que provoca condiciones Compuestos orgnicos biodegradables

Ejercen demanda del oxigeno lo que crea condiciones anaerobias y provoca malos olores

Patgenos Las enfermedades infecciosas pueden transmitirse por medio de los patgenos en el agua residual. Este factor es especialmente importante cuando el agua residual tratada se pretende usar en agricultura para el riego.

Nutrientes Nitrgeno y fsforo son nutrientes esenciales para la vida acutica. La presencia de estos provoco un excesivo crecimiento de algas lo que conlleva a reducci6n de la biodiversidad acutica, disminucin de la concentracin del oxigeno y problemas txicos.

Compuestos orgnicos refractarios

Estos compuestos resisten al tratamiento convencional. Ejemplo tpico de estos es: detergentes, fenoles y pesticidas.

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Metales pesados Tiene importancia cuando el agua residual o lodos estn en mira de reuso

Inorgnicos disueltos Los slidos disueltos tienen relevante importancia cuando el agua residual es usada en la agricultura. La producci6n de granos, de protena en acuacultura (pescado, plantas acuticas) puede

1.4 Necesidad del Tratamiento de Aguas Usadas

Tradicionalmente las excretas humanas formaban las aguas negras y se depositaban en sistemas sanitarios tipo letrinas o tanques spticos (sistema en el sitio). La parte slida se acumulaba en el misino tanque y posteriormente se biodegradaba de manera natural. La parte liquida de las deposiciones se infiltraban en subsuelo o se descargaban a los canales (abiertos o cerrados) del drenaje de agua de lluvia.

Sin embargo, con la urbanizacin y el crecimiento de la poblacin se increment el consumo del agua {en litres por capita por da) de tal manera que supera la capacidad de infiltracin local del sucio. En las reas de alta densidad de poblacin las alcaldas se ven obligadas recolectar y transportar todos los flujos de agua residual por medio de sistemas de alcantarillado separados o combinados hacia las plantas de tratamiento. En Europa la cobertura del alcantarillado convencional difiere de pas a pas: 50% en Grecia, mas de 98 % en Holanda. En Estados Unidos la cobertura es menor por la existencia de muchas comunidades de baja densidad poblacional.

ltimamente, se ha incrementado un gran inters por prevenir o minimizar la contaminacin del agua tanto del uso domestico como industrial.

El principal objetivo del tratamiento de agua residual es proteccin del Medio Ambiente de:

1) alto contenido de slidos suspendidos 2) alta carga de materia orgnica y consecuentemente bajo nivel de oxigeno 3) alto contenido de nutrientes (como N y P) que provocan eutroficacin 4} carga de las sustancias peligrosas no-biodegradables 4) contaminacin de (micro)-organismos patgenos

Con el fin de:

1) establecer y mantener saludable el medio acutico para la flora y fauna 2) garantizar a la humanidad el uso de recurso acutico para

diferentes propsitos

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3) (abastecimiento de agua, recreacin, pesca, navegacin, irrigacin etc.) 4) prevenir las enfermedades que se transmiten por agua.

El Gobierno de Nicaragua en conjunto con el Ministerio de Medio Ambiente en 1995 estableci las normas para los efluentes que provienen de las industrias y son descargadas en los receptores naturales de agua. Ahora la palabra la tienen los ingenieros sanitarios, civiles y ambientalistas en general para encontrar las soluciones ms viables en materia de tratamiento de estas aguas.

1.5 Mtodos Analticos para el Control de la Calidad del Agua 1.5.1 Color, olor y sabor

La coloracin de un agua puede clasificarse en verdadera o real cuando se debe slo a las sustancias que tiene en solucin, y aparente cuando su color es debido a las sustancias que tiene en suspensin. Los colores real y aparente son casi idnticos en el agua clara y en aguas de escasa turbidez.

La coloracin de un agua se compara con la de soluciones de referencia de platino-cobalto en tubos colorimtricos, o bien con discos de vidrio coloreados calibrados segn los patrones mencionados.

El olor puede ser definido como el conjunto de sensaciones percibidas por el olfato al captar ciertas sustancias voltiles. El procedimiento normalmente utilizado es el de ir diluyendo el agua e examinar hasta que o presente ningn olor perceptible. El resultado se da como un nmero que expresa el lmite de percepcin del olor, y corresponde a la dilucin que da olor perceptible. Debido al carcter subjetivo de la medida, es recomendable que la medida la realicen al menos dos personas distintas, comparando la percepcin con la de un agua desodorizada. Debe evitarse, como es lgico, en todo lo posible, la presencia de otros olores en el ambiente.

Por ltimo, la evaluacin del sabor, se realiza por degustacin del agua a examinar, comenzando por grandes diluciones, que se van disminuyendo hasta la aparicin del sabor. Este ensayo no se realiza mas que en aguas potables.

1.5. 2 Turbidez

La turbidez de un agua se debe a la presencia de materias en suspensin. Finamente divididas; arcillas, limos, partculas de slice, materias inorgnicas. La determinacin de la turbidez tienen un gran inters como parmetro de control en aguas contaminadas y residuales. Se puede evaluar en el campo o en el laboratorio.

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1.5.3 Materia slida La materia slida presente en un agua suele agruparse en tres

categoras. La clasificacin se basa en diferente tamao de las partculas, y segn ste pueden ser divididos en disueltos, coloidales o suspendidos.

La materia decantable se determina dejando en reposo un litro de agua en un cono o probeta graduada. El resultado se expresa como mililitros de materia decantada por litro de agua.

La determinacin de las materias en suspensin en el agua puede realizarse por filtracin o por centrifugacin. La filtracin se realiza a vaco sobre un filtro. El filtro con el residuo es nuevamente secado y pesado. La diferencia entre este peso y el que tenamos antes del filtro solo, proporciona el valor de los slidos. 1.5.4 pH

Las medidas de PH se realizan con un electrodo de vidrio, el cual genera un potencial que vara linealmente con el PH de la solucin en la que est inmerso. El electrodo consiste en una clula con un potencial controlado por la actividad del protn a cada lado de una membrana de vidrio muy fina.

Este mtodo se utiliza si se quiere obtener medidas muy precisas y puede aplicarse a cualquier caso particular.

1.5.5 Dureza

Tambin llamada grado hidrotimtrico, la dureza corresponde a la suma de las concentraciones de cationes metlicos excepto los metales alcalinos y el ion hidrgeno En la mayora de los casos se debe principalmente a la presencia de iones calcio y magnesio, y algunas veces tambin se unen hierro, aluminio, manganeso y estroncio.

1.5.6 Acidez y Alcalinidad

La acidez de un agua corresponde a la presencia de anhdrido carbnico libre, cidos minerales y sales de cidos fuertes y bases dbiles.

La alcalinidad de un agua corresponde a la presencia de los bicarbonatos, carbonatos de hidrxidos.

La depuracin de las aguas residuales es un proceso que persigue eliminar en la mayor cantidad posible la contaminacin que lleva un vertido antes de que ste incida sobre un cauce receptor, de forma que los niveles de contaminacin que queden en el efluente ya tratado puedan ser asimilados de forma natural.

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1.6 El Grado de Purificacin de Agua Residual

Tcnicamente, aguas residuales municipales pueden ser purificadas hasta el punto de convertirse en agua potable cumpliendo con todos los parmetros estndares para la misma. Sin embargo, el costo del tratamiento crece exponencialmente con el grado de remocin de los contaminantes.

Los procesos de tratamiento del agua residual segn el grado de remocin de contaminantes que se puede lograr se clasifican en los siguientes:

Tratamiento primario (o preliminar) consiste en remocin fsica del material (basura) flotante y suspendida del agua residual cruda.

Tratamiento secundario incluye procesos biolgicos para remover materia orgnica. Esta comprobado que !os procesos fsico-qumicos de tratamiento para reducir BOD tienen baja eficiencia y elevados costos, adems a menudo presentan dificultades operacionales.

Tratamiento terciario (o avanzado) intenta eliminar los contaminantes que no han sido removidos en el tratamiento primario ni secundario. Este se refiere a procesos dirigidos a remocin de N y P de alto grado, as como una profunda remocin de slidos suspendidos y materia orgnica, desinfeccin y eliminacin de micro contaminantes no-biodegradables.

Figura 2. Relacin de costos de tratamiento de agua residual en dependencia de la calidad del efluente

Remocin, % DBO TSS TN TF

Preliminar Primario

Secundario

Terciario

30 60 15 15

50 -70 80-90 25 75

>95 >95 >80 >90

90-95 90-95 40 90

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Existen varios procesos y operaciones unitarias para llevar a cabo los mtodos de tratamiento mencionados arriba. La selecci6n de la tecnologa mas apropiada depende de las condiciones locales como disponibilidad de personal calificado, equipamiento, abastecimiento energtico confiable, disponibilidad del terreno y sobre todo los fondos suficientes.

La Tabla 3 presenta un resumen de las tecnologas mas comunes para el tratamiento de agua residual domestica:

Tabla 3. Clasificacin de los procesos de tratamiento de agua residual en

primario, secundario y terciario Tratamiento primario Tratamiento secundario Tratamiento terciario

Calidad minima Calidad media Alta calidad Cribado Lodos activados Remocion biologica de

nutrientes Remocin de arenisca Aireaci6n extendida Filtraci6n Sedimentacin Lagunas aerbicas Precipitacin qumica Flotacin Lagunas de estabilizaci6n Adsorcin Separacin de aceites Filtro percolador Intercambio inico

Discos rotatorios Electrodilisis Mtodos anaerobios Desinfeccin

1.7 Seleccin de la Tecnologa para el Tratamiento de Agua Residual

Como y en que condiciones una comunidad toma la decisin de tratar sus aguas residuales?

Existen dos maneras para llegar a esta decisin:

1. La comunidad toma la conciencia de la necesidad de tratar las aguas residuales cuando atraviesa series problemas de la salud publica ocasionados por la extrema contaminaci6n ambiental.

2. Presionados por las regulaciones del Gobierno.

Para enfrentar la tarea de tratar las aguas residuales la comunidad necesita contar con los cientficos para asentar las normas de calidad de agua tratada, con los ingenieros para encontrar la soluci6n mas viable de tratamiento y disear la planta, y por ultimo se necesitan los tcnicos para operar la planta.

En los piases como el nuestro, de escasos recursos pero abundante no-calificada (y por lo tanto muy barata) mano de obra, las soluciones de

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tratamiento deben dirigirse hacia tecnologas menos mecanizadas, con el menor nivel de automatizacin de los procesos de control, de tal manera que para la construccin, operacin, mantenimiento y reparacin se aprovecha el recurso humano nacional y no se importen mecanismos y tecnologas sofisticadas.

Cabe mencionar, que en vista que la demanda del agua potable crece de da a da al nivel mundial, es necesario agotar todas las posibilidades de dar un segundo uso al agua servida, despus del tratamiento esta puede ser utilizada en la agricultura, en acuicultura o para recarga de agua subterrnea.

El objetivo operacional de las plantas de tratamiento es alcanzar dichas normas de calidad de agua que se descarga a los receptores naturales.

Figura 3. Seleccin de la tecnologa de tratamiento apropiada

II. MTODOS DE TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL

Los mtodos de tratamiento en los que predominan la aplicacin de principios fsicos se conoce como Tratamiento Primario. Los mtodos de tratamiento en los que la eliminacin de contaminantes se efecta por actividad qumica o biolgica es conocido como Tratamiento Secundario. Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados.

SELECCIN DE LA

TECNOLOGA

Recreacin Eutroficacin Transporte Ecologa Re-uso

OR

IGEN

DEL

AG

UA

RES

IDU

AL

Patgenos Demanda de O2 Nutrientes (N y P) Slidos sedimentables Microcontaminantes

Tecn

olog

a d

el tr

atam

ient

o

Primario Secundario Terciario Tratamiento fsico-qumico Tratamiento natural

OBJETIVOS DEL TRATAMIENTO NORMAS DE CALIDAD

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2.1 Tratamiento Primario

El tratamiento primario del agua residual domestica se refiere a procesos mecnicos para remover basura flotable y slidos suspendidos en orden de preparar el caudal para ser tratado en las operaciones subsiguientes. Es por eso que el tratamiento primario a veces llaman tratamiento mecnico y este incluye: cribado, desarenado y sedimentaci6n primaria.

2.1.1 Cribado

Las Cribas y rejillas sirven para eliminar partculas contaminantes gruesas (como papeles, bolsas plsticas y otras basuras flotantes) para evitar daos en las bombas, aireadotes y vertederos.

Segn el tamao de las partculas que retienen (lo que determina la distancia entre las barras de una criba) las cribas se puede clasificar en finas, medianas y gruesas. Las cribas finas pueden lograr un nivel muy alto de remocin de slidos pero tienen problema de un frecuente atascamiento. Las cribas gruesas usan en pre-cribado para proteger y asegurar el buen funcionamiento de la criba fina que lo sigue.

En trminos de operacin, las cribas pueden ser divididas en manuales y mecnicas.

Las barras de las cribas manuales tienen un grosor de 10 mm y estn inclinadas entre 30-40. De esta manera se aumenta el rea de la seccin por donde pasa el flujo del agua entre las barras lo que facilita la remoci6n (limpieza) manual del cribado. El ancho del canal de flujo de agua hacia la criba no puede ser mas de 0.5 m y la profundidad no mas de 1.5 m para facilitar el trabajo manual de limpieza. Las cribas mecnicas tienen inclinaci6n de 45 a 80 respecto al horizonte, la profundidad del canal siempre es ms grande en comparaci6n a la criba manual. Los sistemas con el cribado mecnico proporcionan mejores condiciones de la limpieza, esta es mas confiable y mas frecuente (es regular). El cribado mecnico es mas eficiente, lo que se demuestra por mayores cantidades del material desechado capturado en el agua residual. El rgimen de operacin de una criba mecnica puede ser: 1) encendido - apagado manual, 2) instalacin de un timer-control (por ejemplo limpieza cada 5 minutos), o 3) interruptor electrnico segn el nivel del agua.

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Figura 4. Criba manual (a) y mecnica (b)

2.1.2 Desarenado

La remocin de arenisca de las aguas residuales en las primeras etapas del tratamiento es necesaria por varias razones:

1. Prevenir el desgaste y rayado de los equipos mecnicos como bombas, aireadores

2. Reducir la formaci6n de las deposiciones de material arenoso y consecuentemente atascamiento en las unidades de operacin subsiguientes y tubos de transporte.

3. Evitar la acumulaci6n de los s61idos incites en el lodo primario que perjudicara el funcionamiento del reactor de lodos.

El objetivo del desarenado es remover las pesadas partculas de arena (arenisca) con el dimetro mayor de 0.2 mm. Al mismo tiempo, las partculas de materia orgnica (de bajo peso) tienen que permanecer en la suspensin para ser tratadas en las subsiguientes etapas. Eso puede ser logrado por medio de:

- manteniendo la velocidad horizontal del flujo de agua vH, a 0.3 m/s. - creando condiciones de turbulencia (hidrulicamente, mecnicamente o por

aireacin) lo que previene la sedimentacin de las partculas orgnicas.

- proporcionando suficiente tiempo para que las partculas de arenisca se sedimenten con una velocidad de precipitacin vs.

Para las partculas de la arenisca con la velocidad de sedimentacin vs (m/h) el tiempo requerido para alcanzar el fondo del desarenador con la profundidad D es:

t = D/vs

a)

b)

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El tiempo de retencin hidrulica en el desarenador es igual a ste t:

t = D.vs = V/Q vs = Q/L.W = Q/A

donde Q es la mximo caudal, m/h L, W, D son el largo, ancho y alto de la unidad del sistema de

desarenador A es el rea de la superficie de la unidad del sistema

desarenador

De esta ecuacin se puede ver que la velocidad de sedimentacin vs es igual a Q/A, o sea que la profundidad del desarenador no afecta la eficiencia de la remocin de arenisca sino el rea del sistema. Por esta razn, vs generalmente es llamada "carga superficial". Normalmente vs es igual a 30-40 m3/m2 h, esta velocidad asegura que todas las partculas de arenisca del >0.2 mm precipite segn la ley de Newton.

Para llevar a cabo el proceso de desarenacin se utilizan diferentes estructuras y mecanismos.

A) Canales abiertos son las estructuras simples en el diseo y operacin y se utilizan como desarenadores en las pequeas plantas de tratamiento. El desarenador rectangular tiene la velocidad horizontal

VH = Q/W D

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Figura 5. Perfil de un drenaje con by-pass

Figura 6. Plano de un desarenador de dos canales abiertos Otra opcin para mantener vH, y v, constante en el marco de los limites es crear un desarenador con la forma parablica de perfil. En este caso cuando aumenta el caudal aumenta el rea superficial y v, se amortigua contra mayores fluctuaciones. Para mantener constante la VH, en el final de los canales parablicos acostumbran ubicar vertederos, mecanismos que permitan controlar la velocidad.

Para reducir la frecuencia de la limpieza de un desarenador a 1-2 veces por semana, en la parte inferior del mismo se provee una pila de almacenamiento de arenisca. Normalmente, la pila de almacenamiento se hace de 0.2-0.3 m de profundidad para recolectar el material inerte durante varios das de operacin continua. El proceso de remocin puede ser manual o mecnico, el ltimo es ms caro pero ms practico cuando se trata de una planta de tratamiento grande.

En la operacin de un desarenador el "lavado de arenisca" es una practica comn Este proceso asegura que a cierta velocidad del caudal las partculas orgnicas son re-suspendidas mientras del fondo del desarenador, mientras la arenisca permanece sedimentada. Este procedimiento reduce la cantidad del material recolectado, reduce su impacto medioambiental, sirve para prevenir la formaci6n de malos olores.

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La velocidad horizontal del flujo de agua para asegurar la resuspensin de las partculas orgnicas debe ser mas de 0.1 m/s. Para el diseo de los desarenadores el valor de VH que se utiliza con mayor frecuencia es de 0.3 m/s.

B) Desarenador de aeracin. Adems de los canales abiertos, para remover arenisca se utilizan otros tipos de sistemas como desarenador aireado con el flujo helicoidal. El flujo helicoidal esta creado por un difusor de aire instalado en el sistema. Las partculas orgnicas se mantienen en la solucin mientras que las pesadas partculas de arena y arenisca precipitan en el fondo.

Normalmente el tiempo mnimo de retenci6n de 3-4 minutos y el flujo del aire 0.5-1.0 m3 aire/m3 de volumen del desarenador por hora es suficiente para la separacin de las partculas.

Figura 7. Desarenador de flujo helicoidal en cmara de aire

Este sistema del desarenador se recomienda utilizar en plantas de tratamiento grandes. La ventaja de desarenacin aireada es el "refrescamiento" de las aguas residuales lo que permite reducir las posibilidades de formacin de olores durante la siguiente etapa de tratamiento: sedimentaci6n primaria.

2.1.3 Sedimentacin primaria

El proceso de sedimentacin primaria tiene por objetivo remover la materia orgnica suspendida de las aguas residuales a tratar y de esta manera reducir la carga contaminante para la siguiente etapa: tratamiento biolgico. En la sedimentacin primaria la eficiencia de la remoci6n de los slidos orgnicos suspendidos depende de los siguientes factores:

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- velocidad de la sedimentacin (la carga superficial), vs - tiempo de retencin hidrulica, t - concentraci6n de los TSS en el caudal

Normalmente para el agua residual domestica la vs debe ser en el rango de 1-2.5m/h, mientras que el tiempo de retencin puede oscilar entre 1-2 horas. Como puede ser observado en la Figura 8, la remocin de BOD y TSS son fuertemente afectados por el grado de contaminacin del agua residual.

Figura 8. Remocin de BOD y TSS en por ciento como funcin del tiempo de retencin

El grado de remocin se puede aumentar hasta 65-85% utilizando la coagulacin qumica y floculacin. Al mismo tiempo esto permite reducir el contenido de fsforos. Cabe mencionar que este grado de remoci6n solo se puede mantener en las condiciones cuando el caudal de entrada al tanque sedimentador es estable. En la prctica, el viento, cambio de temperaturas del aire, densidad del flujo del agua a tratar reducen la eficiencia de remocin de BOD y de los slidos suspendidos (TSS).

El viento provoca la circulacin del agua

Tiempo, horas

Rem

oci

n, %

21

Surge el gradiente de temperatura

c) flujos de mayor densidad

Figura 9. Las condiciones no-ideales en la circulaci6n de un tanque de precipitacin

2.1.3.1 Tipos de tanques para sedimentacin primaria

Los tanques de sedimentaci6n pueden ser clasificados en:

tanques rectangulares y circulares con el fondo piano tanques de los flujos verticales y horizontales tanques sedimentadores tipo Imhoff

La mayora de los tanques tienen el fondo piano y utilizan el flujo horizontal de agua residual, son muy confiables en operacin y proporcionan alta remocin de TSS. Esos tanques necesitan un mecanismo para recolectar y evacuar el lodo que se forma en el fondo.

Para los tanques rectangulares generalmente, la relaciona L: B es de 4-6 y L: D es de por lo menos 12, aunque nunca el largo mximo de un tanque es de 60 metros. La relacin L: D de 25: 1 asegura un flujo estable y como consecuencia, alta eficiencia de la remocin de slidos. El tiempo de retencin es de 1.5 a 2.0 horas.

Las ventajas de un tanque sedimentador rectangular son las siguientes:

22

- relativamente baja demanda del terreno - alta estabilidad del flujo - posibilidad de construir series de tanques utilizando las paredes comunes.

Hablando de los tanques circulares, son muy susceptibles a las perturbaciones de las corrientes del viento y cambio de temperatura. A la hora de construir varios tanques los elementos de uno no se puede usar para el otro (como las paredes comunes de los tanques rectangulares) y eso encarece la obra, adems que se requiere mas rea para construccin. El alto de la pared del tanque circular normalmente es de 2-3 m, solo en el caso de que el nivel de las aguas subterrneos sea muy alto, la altura del tanque no accede a 1.5-2 m. La pendiente del fondo del tanque en la parte de sedimentaci6n es de 8-10%, mientras que en la parte de la deposicin de lodo es de 60. El dimetro de los tanques circulares llega hasta 20m.

Los tanques tipo Imhof tienen doble funcin: sedimentaci6n del material suspendido y digestin de las partculas sedimentadas. Esto se debe a que el tanque Imhoff posee dos compartimientos, en el compartimiento superior se da la sedimentaci6n y acumulacin de lodos, mientras que en la parte inferior tiene lugar el proceso de digesti6n y almacenamiento de lodo. Los tanques Imhoff fueron desarrollados en Alemania para simplificar el diseo de una planta de tratamiento (en un equipo se dan dos operaciones). La decisin de la construccin de un Imhoff en lugar de un tratamiento tradicional donde la sedimentacin se realiza separado de la digesti6n, se hace en dependencia de las condiciones locales como: costo del terreno, estabilidad del suelo, nivel del agua subterrnea, capacidad de planta de tratamiento, temperatura del ambiente. Los tanques Imhoff en ocasiones llegan hasta ms de 10 metros de altura debido a que poseen 2 compartimientos. Estos no necesitan ningn mecanismo para remover el lodo que se acumula se el fondo del primer compartimiento ya que la pendiente que llevan las paredes es de 60 y eso facilita que lodo escurre por su propio peso a la secci6n de deposito de donde se evacua despus de un tiempo prudente de digesti6n. En

Figura 10. Perfil de un tanque de sedimentacin primaria

23

la actualidad los tanques tipo Imhoff casi no se construyen por las dificultades que presenta su construcci6n en las reas donde el suelo no es suficientemente estable o el nivel fretico es alto.

Figura 11. Perfil del tanque Imhoff con tres compartimientos

2.1.3.2 Flotacin

Si el proceso de sedimentacin no es efectivo para un cierto tipo de agua residual, para eliminar la materia suspendida se puede implementar el mtodo de flotacin. El mtodo de flotacin consiste en lo siguiente: las burbujas de agua liberadas bajo presin en la parte inferior del tanque de flotacin suben arrastrando a la superficie los slidos suspendidos en forma de torta que puede ser eliminada con un mecanismo de escarbador especial. Normalmente este tipo de remocin primaria de slidos suspendidos se utiliza para las aguas residuales de los procesos de produccin de celulosa y papel ya que el proceso de flotacin es muy efectivo para recuperaci6n de los materiales fibrosos antes de desechar el agua al alcantarillado. Otra ventaja que tiene esta operacin unitaria es que la unidad es muy compacta. El mtodo de flotacin, con diferentes dispositivos tambin se utiliza para remover las grasas y aceites en el tratamiento preliminar. 2.2 Tratamiento Secundario (Tratamientos Biolgicos)

Los materiales inorgnicos como la arcilla, sedimentos y otros residuos se pueden eliminar por mtodos mecnicos y qumicos; sin embrago, si el material que debe ser eliminado es de naturaleza orgnica, el tratamiento implica usualmente actividades de microorganismos que oxidan y convierten la materia orgnica en CO2, es por esto que nos tratamientos de las aguas de desecho son procesos en los cuales los microorganismos juegan papeles cruciales.

El tratamiento de las aguas residuales da como resultado la eliminacin de

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microorganismos patgenos, evitando as que estos microorganismos lleguen a ros o a otras fuentes de abastecimiento. Especficamente el tratamiento biolgico de las aguas residuales es considerado un tratamiento secundario ya que este esta ligado ntimamente a dos procesos microbiolgicos, los cuales pueden ser aerobios y anaerobios.

El tratamiento secundario de las aguas residuales comprende una serie de reacciones complejas de digestin y fermentacin efectuadas por un husped de diferentes especies bacterianas, el resultado neto es la conversin de materiales orgnicos en CO2 y gas metano, este ultimo se puede separar y quemar como una fuente de energa. Debido a que ambos productos finales son voltiles, el efluente lquido ha disminuido notablemente su contenido en sustancias orgnicas. La eficiencia de un proceso de tratamiento se expresa en trminos de porcentaje de disminucin de la DBO inicial.

A. Procesos Aerbicos

En el tratamiento aerbico de las aguas residuales se incrementa fuertemente el aporte de oxigeno por riego de superficies slidas, por agitacin o agitacin y aireacin sumergida simultaneas. El crecimiento de los microorganismos y su actividad para degradar crecen proporcionalmente a la tasa de aireacin. Las sustancias orgnicas e inorgnicas acompaantes productoras de enturbiamiento son el punto de partida para el desarrollo de colonias mixtas de bacterias y hongos de las aguas residuales, los flculos que, con una intensidad de agitacin decreciente, pueden alcanzar un dimetro de unos milmetros dividindose o hundindose despus. La formacin de flculos se ve posibilitada por sustancias mucilaginosas extracelulares y tambin por las microfibrillas de la pared bacteriana que unen las bacterias unas con otras. El 40 50% de las sustancias orgnicas disueltas se incorporan a la biomasa bacteriana y el 50 60% de las mismas se degrada.

La accin depuradora de los microorganismos en un proceso se mide por el porcentaje de disminucin de la DBO en las aguas residuales tratadas. Dicha disminucin depende de la capacidad de aireacin del proceso, del tipo de residuos y de la carga de contaminantes de las aguas residuales y se expresa asi mismo en unidades de DBO. El numero de bacterias de los fangos activados asciende a muchos miles de millones por ml, entre ellas aparece regularmente la bacteria mucilaginosa Zooglea ramigera, que forma grandes colonias con numerosas clulas encerradas en una gruesa cubierta mucilaginosa comn, las clulas individuales libres se mueven con ayuda de flagelos polares. Entre las bacterias de los flculos predominan las representantes de gneros con metabolismo aerobio-oxidativo como Zooglea, Pseudomonas, Alcalgenas, Arthrobacter, Corynebacterium, Acinetobacter, Micrococcus y Flavobacterium. Pero tambin se presentan bacterias anaerobias facultativas, que son

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fermentativas en ausencia de sustratos oxigenados, de los generos Aeromonas, Enterobacter, Escherichia, Streptococcus y distintas especies de Bacillus. Todas las bacterias contribuyen con las cpsulas de muclago y con las microfibrillas al crecimiento colonial y a la formacin de los flculos.

En las aguas residuales con una composicin heterognea, la microflora se reparte equitativamente entre muchos grupos bacterianos. En la seleccin de bacterias y en la circulacin y formacin de flculos juegan un importante papel los numerosos protozoos existentes, la mayora de ellos ciliados coloniales y pedunculados de los gneros Vorticela, Epystilis y Carchesium, aunque tambin puedan nadar libremente como los Colpidium que aparecen a la par de ellos, alimentndose de las bacterias de vida libre que se encuentran tanto sobre la superficie como fuera de las colonias. Su funcin es esencial en la consecucin de unas aguas claras y bien depuradas. La salida de los fangos activados sintticos libres de ciliados se ve contaminada y enturbiada por la presencia de bacterias aisladas. Se realiza una inoculacin de ciliados que crecen rpidamente, favoreciendo con su actividad depredadora el crecimiento y la circulacin de las bacterias de los fangos, con lo que posibilitan un efluente mas limpio. Adems en los fangos activados aparecen regularmente hongod edaficos y levaduras, siendo las mas frecuentes las especies de Geotrichum, Trichosporum, Penicillium, Cladosporium, Alternaria, Candida y Cephalosporium. Tras la depuracin biolgica, las aguas residuales contienen compuestos orgnicos, fosfatos y nitratos disueltos que solo se degradaran ya lentamente. Los nitratos se forman por oxidacin del amonio desprendido en la degradacin de compuestos orgnicos nitrogenados. Esta es una tarea de las bacterias Nitrificantes, uno de cuyos grupos esta reprensado en las aguas residuales principalmente por Nitrosomonas y Nitrosospira, que nicamente llevan a cabo la reaccin de oxidacin del amonio a nitrito para obtener energa metablica, mientras que un segundo grupo de bacterias, que aparece siempre junto al ya citado y que esta reprensado por Nitrobacter, oxida el nitrito a nitrato y obtiene energa gracias exclusivamente a este proceso:

Oxidacin del amonio:

a. NH4 + O2 NH2OH + H b. NH2OH + O2 + 2ADP + 2PO4 HNO2 + H2O + 2 ATP

Oxidacin del nitrito:

NO2- + O2 + ADP + PO4 NO3- + ATP

Otros microorganismos que tambin intervienen en el tratamiento aerobio de aguas residuales son: Citrobacter, Serratia, mohos y levaduras que actan mas de componentes acompaantes que de degradantes y algunas algas como Anabaena que convierte los poliuretanos en H2; Chrorella los alginatos los

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convierte en glicolato; Dulaniella los alginatos en glicerol; Nostoc el agar el H2; Algas como el Volvox, Tabellaria, Anacistis y Anabaena; las algas que obstruyen los filtros son Anacistis, Chorella, Anabaena y Tabellaria.

2.2.1 Filtros percoladores

Los filtros percoladores usualmente son de forma circular y consiste en un lecho del medio altamente permeable rodeado por una pared. Como material de medio puede servir roca quebrada, piedras volcnicas e incluso material plstico. El agua residual pre-sedimentada se vierte uniformemente sobre el lecho del filtro co la ayuda de los distribuidores rotativos. El agua atraviesa toda la altura del material permeable hasta llegar al fondo perforado donde es recolectada.

Figura 12. Esquema de un filtro percolador

Los filtros percoladores fueron desarrollados en Inglaterra a finales del siglo 19. Este tipo de tratamiento lleg a sustituir el mtodo de purificacin de agua donde el flujo de agua usada se regaba sobre el suelo y se le permita infiltrar de manera natural. La gran desventaja de este procedimiento erala alta rea especifica del terreno requerida para tratar las aguas (20-40 m2/EP). Para reducir el rea de tierra necesaria para el tratamiento comenzaron a utilizar los filtros de arena de 0.5 a 1 m de altura. Dos al da el filtro se cargaba con el agua a tratar, de esta manera la demanda del rea se bajo hasta 2-4 m2/EP.

Mas tarde, para evitar problemas del atascamiento del filtro, arena fue sustituida por otros materiales filtrantes (material de relleno) de mayor tamao de medio (de 6 a 8 cm). El aumentar el tamao de medio trajo otro beneficio: mejor aireacin y menor tiempo de retencin lo permita condensar el diseo del filtro y por lo tanto reducir los costos de diseo. Hoy en da los filtros percoladores se utilizan ampliamente en Europa, en algunos pases de Centroamrica (Salvador). Los nuevos, altamente porosos materiales de relleno permiten reducir requerimiento de rea hasta 0.1-0.2m2/EP, sin embargo su popularidad esta decreciendo debido a que las normas de calidad para el agua tratada en Europa cada da se hacen mas estrictos y los filtros percoladores no la garantizan.

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Tabla 4. Ventajas y desventajas de un filtro percolador

Ventajas Desventajas Baja demanda de energa elctrica No garantiza alta calidad del efluente

(BOD

28

Los filtros de baja carga superficial. Este tipo de filtros no emplea la recirculacin, operan con las aguas de bajas cargas orgnicas, la carga hidrulica oscila entre 0.05-0.3 m/h.

Los filtros de alta carga superficial. Este tipo de filtros necesita la recirculacin del efluente, operan con las aguas residuales de alias cargas orgnicas, requieren de alias cargas superficiales para evitar el atascamiento de los filtros. La carga hidrulica tpica para estos filtros es de 0.6-2.0 m/h.

La carga volumtrica (1), la carga superficial (2) y la hidrulica (3) son tres principales parmetros de diseo de los filtros percoladores, por lo tanto es importante detallar estos trminos.

1. Carga volumetrica, Lv:

Lv = (Q m3/dia (BOD mg/l) 10-3) /Vfiltro m3 (kg/m3da)

Carga de materia orgnica (kg de BOD/da) = F

2 Carga superficial (u orgnica) del filtro, OSLR:

OSLR = F kg BOD/dia / (1 000 Abiofilm m2) ( g/m2 .dia)

3. Carga hidrulica, HSLR

HSLR = (Q afiuente+ Q reciciado m3/da) / Aiiter .24 horas (m/h)

2.2.1.2 Diseo de filtros percoladores

La mayora de las ecuaciones para el diseo de los filtros percoladores se basa en la evaluacin estadstica del funcionamiento prctico de los filtros.

En Estados Unidos, despus de analizar los datos operacionales y de funcionamiento de muchos filtros percoladores, el Consejo Nacional de Investigacin (NRC) llego a la siguiente relacin entre la eficiencia de remocin de BOD y carga volumtrica:

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FDAfLa

E

+=

1

100 (1)

Donde

E - eficiencia de remocin de BOD L - carga de BOD, kg/ dia Af- rea del filtro, m2 D - Profundidad del filtro, m a - factor caracterstico del filtro que depende de la temperatura, del nivel de contaminacin del agua a tratar y del tipo de material filtrante (Aespecfica de piedra volcnica es igual a 50-60 m2/m3). F - factor que se introduce cuando el agua en filtro se recircula

2)1.01(1

RRF +

+= , donde R es el nmero de reciclajes (2)

Si R = 0 (no hay recirculacin), F = 1 R=1, F=1.65 R =2, F = 2.08

Aumentando la recirculacin del agua a tratar en el filtro percolador, la explosin del agua a la accin de la pelcula biolgica aumenta y, por lo tanto la eficiencia de remocin de la BOD aumenta. Sin embargo, remocin de BOD aumentara en una menor proporcin que lo hace R debido a que:

1) Mientras mayor es R la carga superficial (OSLR) del filtro aumentara

y como consecuencia, el tiempo de retencin de una "ronda" por el filtro se reducir desminuyendo la eficiencia de la remocin

2) En la primera "ronda" por el filtro se degradar la materia orgnica fcilmente degradable, la materia que degrada con mas dificultad se queda en el agua, su cantidad va a crecer proporcionalmente a la recirculacin, disminuyendo la velocidad de biodegradacin y la eficiencia de remocin de BOD como consecuencia.

Tabla 5. Valores de "a" basados en las observaciones de funcionamiento de los filtros percoladores con las piedras volcnicas como material filtrante, Alemania (Hanisch, 1990) '

30

Temperatura del afluente

100 mg BOD/l 150 mg BOD/l

200 mg BOD/l

12C 0.50 0.46 0.42 16C 0.44 0.40 0.36 20C 0.38 0.34 0.30

Para los filtros de baja carga superficial, donde R = 0 y F - 1 la ecuacin de NRC puede simplificarse de la siguiente manera:

)1(100

LvaE += , debido a que DAf

LLv = (3) Tabla 6. Eficiencia de remocin de BOD en los filtros percoladores asumiendo a=0.44, Aespec. = 60 m2/m3

Lv OSLR, Carga

superficial

Remocin de BOB segn NRC, %

g/m3.d gBOD/m2.d R=0 R=l 100 1.5-2 88 90 300 5 31 84 750 12.5 72 77 1000 15 69 74

En las ecuaciones empricas Schulze y Eckenfelder asumen que el proceso de degradacin de BOD es de primer orden y el flujo es de tipo pistn y describen el tiempo de contacto entre agua residual y pelcula bacteriana como:

nHSLRDat

)(= , donde (4)

t - tiempo de contacto en el filtro, h D - profundidad (altura) del filtro, m HSLR - carga superficial, m3/m2/d a - constante emprica n - constante del filtro (los valores se encuentran en el rango de 0.4 a 0.8)

Los valores a y n dependen mayormente del medio filtrante. Para los filtros percoladores convencionales, los valores de a se encuentran en el rango de 0.02-0.1, mientras que n se toma como 0.67. Esto confirma que el tiempo de contacto es entre 10-20 minutos y difcilmente excede 30 minutos.

31

En calidad de ejemplo, a continuacin estn presentados los datos utilizados para disear un filtro percolador para el tratamiento de agua residual municipal a temperatura 10-20C.

Tabla 7. Datos de diseo y funcionamiento de un filtro percolador para tratamiento de agua residual municipal en condiciones climticas moderadas

Caractersticas Tipo del filtro percolador Carga baja Carga alta Medio filtrante Piedra volcnica, Piedra volcnica, Piezas plsticas

piedra bolon piedra bolon rea especifica m2/m3 45-90 45-90 120-200 Carga hidrulica, m/h 30 Remocin de BOD, % 80-90 50-70 65-80 Nitrificacin,% 60-80 0-50 0-25 TSS en el efluente, mg/L 30 30

2.2.1.3 Aspectos adicionales para el diseo de filtro percolador

Ventilacin Los filtros percoladores no necesitan la aireaci6n artificial. El movimiento natural del aire a travs del filtro crea suficiente ventilaci6n. La fuerza que mueve el aire en el filtro es la diferencia entre la temperatura del mismo y la del agua a tratar. Si la temperatura del agua residual es mas alta que la temperatura del ambiente (como se mas baja que la temperatura del ambiente (situacin comn de los pases tropicales y en los pases fros a la poca del verano); y la ventilacin se da en la direccin de arriba para abajo.

La ecuacin emprica que describe el movimiento natural del aire en el filtro

percolador es:

Aire que entra al filtro = 107 x [Tar - Taire - 2], m3aire/m2filtro.da (5)

Donde: Tar - temperatura del agua residual, K Taire - temperatura ambiente, K

32

La cantidad del oxigeno presente en 1m3 de aire en condiciones estndar (t=0C y P = 1bar) es normalmente igual a 0.30 kg. Asumiendo que a la temperatura de 20C el aire contiene 0.28 kg O2/m3; el oxigeno transferido puede ser encontrado por medio de la formula de arriba (Koot, 1980):

O2 transferido = 0.28.107[Tar-Taire - 2] = 30. [Tar -Taire - 2] (6)

La ventilacin forzada (artificial) puede ser necesaria solamente en casos de tratamiento de agua industrial con extremada carga orgnica. La capacidad de diseo del sistema de ventilacin por lo general se basa en 20 m3 de aire/m2.dia. En Europa la ventilacin artificial en los filtros percoladores se implementa solamente cuando como medio filtrante se usa plstico con alta rea especifica, cuando la carga volumtrica es alta y cuando la altura del filtro excede 5 m.

Medio filtrante

El material de relleno (medio filtrante) se caracteriza por el rea especifica (mientras mayor es el rea, mayor es la eficiencia de la remocin de BOD del filtro), as como por la porosidad (espacios vacos entre las unidades del material). El rea especfica del material filtrante depende de la forma y la porosidad es determinada por la uniformidad en el tamao de las partculas del lecho. De esa manera, las piedras volcnicas, grava, piedras boln que poseen una forma irregular proporcionan un funcionamiento satisfactorio de los filtros percoladores. Las estructuras de matrices plsticos, desarrollados recientemente, para ser utilizados como material filtrante demuestran una alta eficiencia en la remoci6n de BOD incluso para el tratamiento de agua fuertemente contaminada.

Figura 13. Tipos de material de relleno en un filtro percolador

33

2.2.2 Lodos activados

Cerca de los 1880 en Inglaterra fue observado que la aireaci6n artificial de agua domestica reduca considerablemente los malos olores, adems se produca una cantidad adicional de los slidos suspendidos que pareca que participaban en e! proceso de biodegradaci6n. Este fenmeno llev al desarrollo de los mas usados hoy en da sistemas de tratamiento de aguas residuales: sistemas de lodos activados en los cuales el agua residual es intensivamente mezclada con el oxigeno y microorganismos con el objetivo de acelerar el proceso de biodegradaci6n de materia orgnica con el propsito de purificar el agua usada antes de verter la en un receptor de agua natural.

Actualmente el sistema de lodos activados es la tecnologa compacta ms

aplicada en el mundo debido a su gran flexibilidad operacional y alto rendimiento en cuanto a eficiencia de remocin de los contaminantes se refiere. Un operador de la planta puede ajustar las condiciones del proceso de tal manera que la planta va a cultivar y acumular las poblaciones de los microorganismos que mejor degraden los contaminantes especficos.

El pase de burbujas de aire a travs de las aguas de desecho coagula los

coloides y la grasa, satisface parte de la demanda bioqumica de oxgeno (DBO), y reduce un poco el nitrgeno amoniacal. La aireacin tambin puede impedir que las aguas de desecho se vuelvan spticas en uno de los tanques subsiguientes de sedimentacin. Pero si las aguas de desecho se mezclan con lodo previamente aireado y luego se vuelve a airear, como se hace con los mtodos de tratamiento de aguas de desecho utilizando lodo activado, la efectividad de la aireacin se mejora mucho. La reduccin de la DBO y slidos en suspensin en el proceso convencional del lodo activado que incluye pre-decantacin y sedimentacin final, puede variar desde 80 a 95% y la reduccin de las bacterias coliformes de 90 a 95%. Adems, el costo de construccin de una planta de lodo activado puede ser competitivo con otros tipos de plantas de tratamiento que producen resultados comparables. Sin embargo, los costos unitarios de operacin son relativamente altos.

El mtodo del lodo activado es un tratamiento biolgico secundario que

emplea la oxidacin para descomponer y estabilizar la materia putrescible que queda despus de los tratamientos primarios. Otros mtodos de oxidacin incluyen la filtracin, estanques de oxidacin, y la irrigacin. Estos mtodos de oxidacin ponen a la materia orgnica de las aguas de desecho en contacto inmediato con microorganismos bajo condiciones aerbicas.

En el reactor del lodo activado tienen lugar una serie de los procesos: 1. Asimilacin y disimilacin de la materia orgnica.

Como resultado de las investigaciones, se sabe que aproximadamente el 50% de la materia orgnica biodegradable (expresada como BOD) es disimilada para

34

producir energa. En otras palabras, se necesitan 0.5 kg de 02 por cada kg de BOD biodegradable. Energa producida va asimilacin se utiliza para la sntesis de biomasa. La demanda de oxigeno para el proceso de asimilacin es menos de 10% de aquella que se requiere para la disimilacin y por este motivo es casi siempre ignorada en los clculos de consumo de oxigeno en las plantas de tratamiento.

Oxidacin (disimilacin): (COHN)x + O2 + Bacterias CO2 + H2O +NH3 +Energa Sntesis (asimilacin): (COHN)x + O2 + Bacterias+Energa C5H7O2N (biomasa)

2. Autodigestin

Este tipo de respiracin microbiana surge cuando la planta esta operando con los lodos de mayor edad. Una parte de biomasa se puede degradar y servir como substrato para el resto de los microorganismos activos. La parte positiva de este proceso es que la produccin del lodo se reduce, pero a costa de extra demanda del oxigeno lo que encarece el proceso. 3. Nitrificacin y desnitrificacin

El proceso de nitrificacin es realizado por medio de los microorganismos estrictamente aerbicos, Nitrosomonas y Nitrobacter, que convierten ion amonio a nitratos por completo. La ecuacin bioqumica simplificada de este proceso puede ser representada de la siguiente manera:

NH4+ + 3O2 + Notrosomonas 2NO2-+2H2O +4H+ + Energa 2NO2-+ O2 2NO3- + Energa

Es evidente de la ecuacin que el proceso de la nitrificacin demanda una adicional y sustancial cantidad del oxigeno; se requiere aproximadamente 4.56 g de 02 para satisfacer la demanda de 1g N-NH4. Una segunda parte negativa de la nitrificacin, es la liberacin del ion de hidrogeno, cual puede afectar el pH y desestabilizar el proceso en el reactor. Se sabe que los microorganismos nitrificadores tienen muy bajo crecimiento especfico comparando con los microorganismos heterotrficos, eso significa que ellos pueden actuar solamente si el lodo tiene edad suficiente para la acumulacin de los nitrificadores.

El proceso de desnitrificacin consiste en lo siguiente: En ausencia del oxigeno libre, muchos hetertrofos son capaces de utilizar nitratos como alternativa de aceptor de electrones. De esta manera los nitratos se reducen a los nitritos y despus los nitritos al Nitrgeno molecular N2. Para facilitar el

35

proceso descrito arriba, adems de las condiciones atxicas debe haber una fuente del carbono biodegradable. Con metanol, como fuente de carbono, la reaccin simplificada se puede expresar de la siguiente manera: 0.83 CH3OH + NO3- 0.5 N2 +0.83 CO2 +1.17 H2O +OH-

En una planta convencional de lodo activado, las aguas de desecho que

entran pasan primero por un tanque de sedimentacin primaria. Se aade lodo activado al efluente del tanque, generalmente en la relacin de 1 parte de lodo por 3 o 4 partes de aguas negras decantadas, en volumen, y la mezcla pasa a un tanque de aireacin. En el tanque, el aire atmosfrico se mezcla por el lquido por agitacin mecnica o se difunde aire comprimido dentro del fluido mediante diversos dispositivos; placas filtrantes, tubos de filtro, eyectores y chorros. Con cualquiera de los mtodos, se pone a las aguas negras en ntimo contacto con los microorganismos contenidos en el lodo. En los primeros 15 a 45 minutos, el lodo absorbe los slidos en suspensin y los coloides. Segn se absorbe la materia orgnica, tiene lugar la oxidacin biolgica. Los organismos presentes en el lodo descomponen los compuestos de nitrgeno orgnico y destruyen los carbohidratos. El proceso avanza rpidamente al principio y luego decae gradualmente en las prximas 2 a 5 horas. Despus contina con un ritmo casi uniforme durante varias horas. En general el periodo de aireacin dura de 6 a 8 horas ms.

El efluente del tanque de aireacin pasa a un tanque de sedimentacin

secundaria, donde se retiene el fluido, en general de 1 1/2 a dos horas para decantar el lodo. El efluente de este tanque est completamente tratado, y despus de la floracin puede descargarse sin peligro.

Cerca de un 25 a 35% del lodo del tanque de sedimentacin final se

regresa para la recirculacin con las aguas negras de entrada. No debe retenerse el lodo en el tanque. Es necesaria la remocin parcial (a intervalos de menos de 1 hora) o la remocin contina para evitar la desaireacin.

Las cantidades de rebose para la sedimentacin final van, normalmente,

desde unos 800 galones por pie cuadrado por da, para las plantas pequeas, hasta 1 000 para plantas con capacidades mayores de 2 millones de galones por da. Es preferible que las cargas sobre el vertedero no excedan de 10 000 galones por pie lineal por da. Cuando el volumen requerido de tanque sobrepase los 2 500 pies, son convenientes tanques mltiples de sedimentacin.

Se requieren tanques mltiples de aireacin cuando el volumen total del

tanque excede los 5 000 pies cbicos. Los tanques de aireacin en que se use aire comprimido son, por lo general, largos y estrechos. Para conservar espacio, el canal puede hacerse girar varas veces 180, con una pared comn que separe el flujo en direccin opuesta. Se tiende en general, una tubera maestra de aire, a lo largo de la parte superior del tanque, para alimentar los difusores o

36

placas porosas a lo largo de toda su longitud. El aire establece un movimiento espiral dentro del lquido segn fluye por los tanques. Esta agitacin reduce los requisitos de aire. El ancho del canal va de los 15 a los 30 pies. La profundidad es de unos 15 pies.

El oxgeno disuelto debe mantenerse a una concentracin de 2 partes por

milln (miligramos por litro) o ms. Los requisitos de aire varan normalmente de 0.2 a 1.5 pies cbicos por galn de aguas tratadas. La mayora de las autoridades estatales requieren el uso de un mnimo de 1 000 pies cbicos de aire por libra de la DBO aplicada por da.

La aireacin mecnica puede efectuarse en tanques cuadrados,

rectangulares o circulares, segn sea el mecanismo empleado para la agitacin. En algunas plantas, el fluido puede hacerse subir por tubos verticales y descargarlo en lminas, mientras en la parte superior o el lquido puede hacerse bajar por tubos aspirantes, mientras el aire burbujea a travs del fluido. En ambos mtodos, la agitacin en la superficie producida por el movimiento del lquido, aumenta la aireacin. Los periodos de detencin son, generalmente, ms largos, 8 horas o ms, que para los tanques con difusin de aire.

2.2.2.1 Parmetros de diseo para el reactor de lodos activados

La planta de tratamiento de lodos activados se puede disear con base en los siguientes parmetros:

1. Carga Volumtrica = Qafluentem3/da / V reactor m3 (da-1)

2. Tiempo de Retencin = V reactor m3/ Q afluente m3/da (horas)

Generalmente, las plantas convencionales de lodos activados requieren de 5-14 horas tiempo de retencin para garantizar la calidad del afluente (BOD

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Relacin F/M cs el parmetro mas importante que se utiliza a la hora de disear una planta de tratamiento de lodos activados. En primer lugar, porque es el nico factor sobre cual el operador tiene un complete control, y en segundo lugar porque esta muy relacionado con la eficiencia de la remocin de los compuestos orgnicos en el tratamiento. Est definido como la carga diaria de BOD (F) que entra al rea de aireacin dividido sobre la cantidad de biomasa (M) presente en el tanque.

Para el buen funcionamiento de los reactores de lodos activados es muy importante contar con una eficiente aireacin.

2.2.2.2 Tipos de aireacin

Los sistemas de aireacin que se emplean en las plantas de tratamiento de lodos activados bsicamente se pueden dividir en 3 grupos:

1. Aireacin por os difusi6n 2. Aireacin mecnica o superficial 3. Aireacin por inyeccin

La seleccin del sistema de aireacin depende de muchos factores: La profundidad del tanque de aireaci6n, necesidad de un diseo de planta compacta, capacidad de la planta de tratamiento. En general, los sistemas mecnicos y de inyeccin se recomiendan para las plantas de pequea capacidad, mientras que la aireacin con difusores es aplicada en las plantas de mayor capacidad.

En la aireacin por difusin el aire (oxigeno) se pone en contacto con el agua por medio de las bombas de presin. El aire se libera en el seno del liquido en forma de burbujas de diferente tamao. La eficiencia de la transferencia del oxigeno esta determinada por el tamao de las burbujas, la cantidad del aire introducido y la profundidad a la que esta sumergido el difusor en el reactor. Los difusores tienen forma de platos, discos o tubos y se hacen de materiales muy porosos como cermica especial, plstico flexible, membranas de resinas. Los difusores se ubican en el fondo de los reactores. La transferencia del oxigeno oscila entre 10-15 g O2/m3.

Los aireadores mecnicos o superficiales airean y mezclan el agua por medio de platos rotatorios que estn ligramele sumergidos al agua. Existen dos tipos de aireadores mecnicos: con el cono rotatorio vertical y horizontal. Los ms comunes son de los conos verticales. Los motores que se emplean para rotar los platos son de 1 a 120kW proporcionando una velocidad de 35-60 rpm. El dimetro del cono llega hasta 4 m. La eficiencia de la oxigenacin en los tanques >5m llega a 1.5-3 kg O2/kWh.

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Los principales problemas en la operacin de las plantas de lodo activado estn relacionados con la inadecuada separacin del lodo en el tanque de sedimentacin secundaria. El problema cuando el lodo que se forma no es completamente granular sino disperso, poroso, liviano lo que dificulta su separacin del licor clarificado. Tambin el proceso de desnitrificacin afecta negativamente la sedimentacin del lodo ya que las burbujas del N2 se adhieren a los flculos del lodo y lo hacen flotar.

Se usan diversas modificaciones para el mtodo de lodo activado, para

mejorar el funcionamiento o disminuir los costos. Entre stos se incluyen la aireacin modificada, activada, en punta y por pasos o fases, entre otros.

La aireacin modificada disminuye el periodo de aireacin a tres horas o

menos, y mantienen el lodo retornado a una baja proporcin. Los resultados son intermedios entre la sedimentacin primaria y un tratamiento secundario completo.

En la aireacin activada, los tanques de aireacin se colocan en paralelo. El lodo activado, procedente de un tanque de sedimentacin final o grupo de dichos tanques, se aade al afluente de los tanques de aireacin. El resto del lodo se concentra y se quita. Los resultados son mejores que con la aireacin modificada y con menos aire.

La aireacin en punta difiere de la aireacin normal en que los difusores de aire no estn uniformemente espaciados. En su lugar, se colocan ms difusores cerca del extremo de entrada de los tanques de aireacin que cerca de la salida. La teora pretende qu la demanda de oxgeno es mayor cerca de la entrada y, por tanto, la eficiencia del tratamiento debe mejorar si se suministra all ms aire. Sin embargo, los resultados dependen del grado de mezclado longitudinal, proporcin del retorno de lodo y las caractersticas de la materia recirculada, por ejemplo, el contenido de aire del lodo o del licor mezclado.

En la aireacin por pasos o fases se aaden las aguas negras en cuatro o ms sitios del tanque de aireacin. Cada incremento reacciona con el lodo que ya se encuentra en el tanque. Por consiguiente, los requisitos de aire casi son uniformes en todo el tanque. La aireacin por mezcla completa obtiene mejores resultados dispersando el afluente del agua de desecho tan uniformemente como sea posible, a lo largo de la longitud total del tanque de aireacin, de manera que se produzca una demanda uniforme de oxgeno a todo lo largo. La aireacin extendida es similar, pero el agua de desecho se area por 24 h en vez de las 6 a 8 h convencionales.

B. Procesos Anaerobios

El tratamiento anaerbico de las aguas residuales supone la descomposicin de la materia orgnica y/o inorgnica en ausencia de oxigeno molecular. La mayor aplicacin se halla en la digestin de los fangos de aguas residuales una vez concentrada, as como parte de residuos industriales.

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El modo mas usual de operar de una instalacin de tratamiento anaerbico de fango concentrado es la utilizacin de un reactor de mezcla completa y mnima recirculacin celular cuyo objeto es el calentamiento contenido en el tanque. El tiempo de detencin del lquido del reactor oscila entre los 10 y 30 das, incluso ms, segn opere el sistema.

Los microorganismos causantes de la descomposicin de la materia se dividen en dos grupos:

Bacterias formadoras de cidos, estas hidrolizan y fermentan compuestos orgnicos complejos a cidos simples, de los cuales los mas corrientes son el cido actico y el cido propinico.

Bacterias formadoras de metano, estas convierten los cidos formados por las bacterias del primer grupo en gas Metano y CO2.

Las bacterias ms importantes de este grupo (las que devoran los cidos Actico y propinico) tienen tasas de crecimiento muy lentas y por ello su metabolismo se considera una limitante de proceso.

Tabla 8 Condiciones optimas para el tratamiento anaerobio

Parmetros Intervalos/especies Temperatura optima, C

Mesofilico

Termofilico

29-39

49-57 Nutrientes biolgicos Nitrgeno y fsforo pH 6.6-7.6

Para el tratamiento de aguas residuales muy cargadas de materia orgnica, cada vez mas popular es el uso de los reactores UASB.

Los reactores UASB (del ingls Upflow Anaerobic Sludge Blanket) son un tipo de bioreactor tubular que operan en rgimen continuo y en flujo ascendente, es decir, el afluente entra por la parte inferior del reactor, atraviesa todo el perfil longitudinal, y sale por la parte superior. Son reactores anaerobios en los que los microorganismos se agrupan formando bio-grnulos.

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Figura 14. Esquema y fotografa de un reactor UASB

El fango granular constituye el corazn de la tecnologa UASB. Un fango granular es un agregado de microorganismos formados durante el tratamiento de agua residual en un medio en el que exista un rgimen hidrulico constante de flujo ascendente. En ausencia de algn tipo de soporte, las condiciones del tipo de flujo crea un ambiente selectivo en el cual slo esos organismos capaces de anclarse a lo otros, sobrevive y prolifera. La configuracin de los agregados dentro de la bio-pelcula densa y compacta es a lo que se denomina grnulo. Debido a su gran tamao de partcula (generalmente en el rango de 0.5 a 2 mm de dimetro), los grnulos resisten el lavado del sistema de reaccin, permitiendo cargas hidrulicas elevadas. Adems, las biopelculas son compactas, permitiendo elevadas concentraciones de microorganismos activos y de este modo poder tratar elevadas cargas volumtricas en los reactores UASB. Un gramo de fango granular (peso seco) puede catalizar la conversin de 0.5 a 1 g de DQO al da. La composicin del grnulo est estratificada. En el centro se localizan los agregados de Methanosaeta (principalmente), y otros organismos metangenos, como Methanothrix y Methanosarcina. En la siguiente capa estn localizados organismos productores y consumidores de hidrgeno, en una asociacin simbitica. En la capa superficial se localizan los organismos que realizan las primeras etapas de degradacin anaerobia, como los acidgenos y otros organimos consumidores de hidrgeno. Esta estructura est condicionada por la presin parcial de hidrgeno, en un delicado equilibrio que slo es posible bajo condiciones determinadas.

El proceso UASB se puede aplicar a una amplia variedad de aguas residuales industriales. Al igual que en otros tipos de tratamiento de aguas residuales, en los UASB tambin son necesarias unas etapas previas de adecuacin del afluente antes de ingresarlas al reactor, como por ejemplo, eliminacin de aceites y grasas, desarenado, correccin de pH. Tras este tipo de pre-tratamientos, el UASB puede convertir el 70-95% de la materia orgnica biodegradable en una corriente de biogas valorizable. De ah que sean posibles

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mayores eficiencias mediante el acople de pre- y/o postratamientos adecuados que aumente el tiempo medio de residencia celular, la composicin y la resistencia frente a txicos del fango.

La tecnologa de alta carga se basa en el crecimiento del fango granular y en el separador de tres fases (biogs-lquido-slido), ha tenido un gran xito comercial con un gran nmero de instalaciones en el mundo.

La industria alimentaria mundial es un usuario activo de esta tecnologa de tratamiento anaerobio. Aunque tambin se ha implantado en industrias como la cervecera, destilera, plantas de procesado de la patata, la industria del papel y la celulosa, industria textil, qumica y farmacutica.

2.2.3 Tratamiento en Lagunas

El uso de lagunas de estabilizacin comenz a introducirse al final de la dcada de los anos cincuenta en los pases de America Latina y el Caribe. En las primeras instalaciones a que hace referencia la literatura se encuentra la laguna de Canas, Guanacaste - Costa Rica (construida en 1958) y las lagunas de Chipre - Panam.

En la dcada de los anos 70, el Banco Mundial evidencia su preocupacin sobre aspectos de salud por el manejo de excretas y lodos de sistemas individuales de saneamiento. Paralelamente el Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), realiza en el Per uno de los trabajos pioneros en la determinacin de parasites en aguas residuales. Mas tarde la Organizacin Mundial de la Salud, reconociendo la importancia de actualizar criterios sobre el reuso de efluentes, conduce una serie de investigaciones y reuniones de expertos que finalmente terminan en la publicacin de las nuevas "Guas de salud para el uso de Aguas Residuales en la Agricultura y Acuicultura".

2.2.3.1 Nomenclatura

Lagunas de estabilizacin: Describe estanques construidos de tierra, de profundidad reducida (< 5.0 m), diseados para el tratamiento de aguas residuales por medio de la interaccin de la biomasa (algas, bacterias, protozoarios, etc.), la materia orgnica de desecho y otros procesos naturales (submodelos hidrulicos y factores fsicos, qumicos y meteorolgicos). La finalidad de este proceso es entregar un efluente de caractersticas mltiples establecidos (DBO, DQO, OD, SS, algas, nutrientes, parasites, enterobacterias, coliformes, etc.).

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Lagunas de oxidacin: Termino aplicado en el pasado para implicar la oxidacin de la materia orgnica con el oxigeno producido por las algas a travs de la fotosntesis.

Por otro lado, existen varias formas de clasificar las lagunas de estabilizacin:

a) De acuerdo con el contenido de oxigeno, pueden ser: anaerobia, aerobias y facultativas. Si el oxigeno es suministrado artificialmente con aeracin mecnica o aire comprimido se denominan lagunas aireadas.

b) De acuerdo al lugar que ocupan, con relacin a otros procesos, las

lagunas pueden clasificarse como primarias o de aguas residuales crudas, secundarias si reciben afluentes de otros procesos de tratamiento y, de maduracin si su propsito fundamental es reducir el numero de microorganismos indicadores.

c) De acuerdo con la secuencia de las unidades, pueden clasificarse en

lagunas en serie o en paralelo, pudiendo encontrarse combinaciones de varios tipos. El nmero de unidades en serie tiene relacin primordial con la topografa del terreno y en menor grado con el nivel de calidad requerido en el efluente del sistema. En cambio, el nmero de lagunas en paralelo tiene relacin con otros factores como las etapas de implementacin de las unidades, la topografa del terreno y las condiciones de operacin y mantenimiento de la estacin.

d) De acuerdo a las condiciones de descarga, la laguna de descarga

continua, lagunas de retencin completa y lagunas de regulacin y descarga controlada. Las unidades de retencin completa, llamadas tanbien lagunas terminales, no tienen efluente y el lquido se dispone a travs de percolacin y evaporacin. Las lagunas de descarga controlada son conocidas tambin como de flujo intermitente, de regulacin o de almacenamiento. Las lagunas de regulacin, son las ultimas unidades de mas serie y su funcin bsica esta de almacenar el agua residual tratada antes del reuso agrcola.

e) De acuerdo con la funcin especfica pueden clasificarse en: lagunas para la reduccin de compuestos orgnicos, lagunas para la reduccin de organismos patgenos y lagunas para criterios mltiples de calidad del efluente.

f) Grupo de lagunas airadas, existen 4 tipos de unidades; todos ellos con el propsito fundamental de reduccin de compuestos orgnicos:

Lagunas airadas de mezcla completa o biomasa en suspensin, tienen una alta densidad de energa y la presencia de algas no es

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aparente.

Lagunas airadas facultativas, son frecuentes en climas calidos y consiste en un estanque con aeracin y una densidad de energa mas baja que la anterior para mantener la biomasa en suspensin parcial. En este tipo de unidad, la produccin de oxigeno por fotosntesis juega un papel muy reducido y todo el oxigeno necesario es abastecido por los aireadores.

Lagunas facultativa con agitacin mecnica, es un estanque del tipo facultativo en el que se ha instalado un mecanismo de mezcla con una baja densidad de energa. En esta situacin el oxigeno necesario para la estabilizacin de la materia orgnica es abastecido va fotosntesis.

Laguna de estabilizacin airada, en la cual la oxigenacin es

principalmente via fotosntesis, suplementada con difusin de aire comprimido desde el fondo, a travs de tuberas y difusores de varios tipos. Como las tuberas de conduccin del aire estn colocadas en el fondo, no es recomendable permitir la acumulacin de lodo, por lo cual se disean con cargas bajas, las que las hacen no atractivas para pases en desarrollo.

2.2.3.2 Lagunas Anaerobias

Son estanques con profundidades de 2.5 a 5.0 m; reciben cargas orgnicas elevadas, se encuentra ausencia de oxigeno en todos sus niveles. En estas condiciones las lagunas actuaran como un digestor anaerbico abierto sin mezcla y debido a las altas cargas orgnicas que soportan, el efluente contiene un alto porcentaje de materia orgnica y requiere de otro proceso complementario de tratamiento.

Estas unidades son utilizadas preferentemente para el tratamiento de desechos industriales o desechos domsticos con un elevado aporte industrial. En este sentido, una de las grandes ventajas de las lagunas anaerobias es reducir las concentraciones de compuestos txicos o inhibidores presentes.

Los mecanismos de degradacin tienen dos fases bien diferenciadas que dependen del desarrollo de dos grupos especficos de bacterias.

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Etapa 1: Fermentacion Acida Lodo crudo + Microorganismos A Productos

intermedios de degradacin

+ nuevos microorganismos A

Complejos orgnicos Substratos Carbohidratos Grasas Protenas

Formadores de acidos Saproficos Facultativos

Orgnicos simples Acidos orgnicos CO2, H2O

Otros productos intermedios

Etapa 2: Fermentacion de Metano Productos + intermedios de degradacion

Microorganismos B Productos finales y gas

+ nuevos microorganismos B

Orgnicos simples Acidos orgnicos CO2, H2O

Formadores de metano Anaerobios obligatorios

CH4, CO2, H2S, H2O, otros productos de degradacin

Otros productos finales

Si bien ambas fases estn sucedindose simultneamente, la primera etapa de fermentacin acida es llevada a cabo por organismos formadores de cidos que atacan las sustancias orgnicas y las transforman en compuestos orgnicos mas simples y cidos orgnicos. La segunda etapa es llevada a cabo por un grupo de organismos estrictamente anaerobios que utilizan los productos intermedios de la etapa anterior para producir gases como el metano (CH4), dixido de carbono (CO2) y otros productos de degradacin.

De los dos grupos de microorganismos descritos, los formadores de metano son muy sensibles a condiciones ambientales como variaciones de carga, pH y temperatura y la eficiencia del proceso depende de su desarrollo, el mismo que ocurre en poblaciones reducidas debido a que pierden gran cantidad de energa en la produccin de metano.

Las lagunas anaerobias pueden ser usadas como una primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domesticas e industriales y presentan una serie de factores positivos y negativos que tienen que ser considerados antes de su uso.

Entre las ventajas se mencionan:

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Bajo costo, en razn de su reducido requisito de rea. Son atractivas para el tratamiento de desechos de altas concentraciones. Han sido empleadas con xito en el tratamiento de una variedad de desechos

industriales biodegradables.

Los aspectos desfavorables son:

El proceso es muy sensible a factores ambientales y operativos como: temperatura, variaciones bruscas de carga y pH, lo cual puede producir periodos de baja eficiencia con un efluentes de calidad pobre.

La normal acumulacin de natas presenta un aspecto poco agradable y condiciones estticas desfavorables, lo cual normalmente incide en el mantenimiento.

El efluente del proceso tiene un alto contenido de materia orgnica y calor, lo que hace necesario una siguiente fase de tratamiento.

La tasa de mortalidad bacteriana es muy reducida en comparacin con otras opciones.

Los malos olores ocasionales y sobre todo en los primeros aos de operacin.

Rpida acumulacin de slidos, requiriendo una limpieza de lodos mas frecuentes.

Elementos de diseo de lagunas anaerobias

El diseo anaerobias esta todava en desarrollo. Los principales parmetros usados en el dimensionamiento son:

Carga superficial Carga volumtrica Profundidad Eficiencia Acumulacin de slidos.

El primer criterio de carga orgnica superficial, especifica que la carga de trabajo debe estar muy por encima de los 1,000 kg DBO5/Ha.da

El criterio mas empleado en el dimensionamiento de lagunas anaerobias cs el de carga volumtrica, la que debe ser superior a 100 g DBO5/m3.d. Para el caso de aguas residuales domesticas, se sugiere una carga maxima de 400g DBO5/m3.d. La OMS, recomienda de 100 a 300 g DBO5/m3.d. Para temperatura sobre los 20C.

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La profundidad recomendada en la mayora de los casos esta entre 2.5 y 5.0m

Las eficiencias estn en funcin del periodo de retencin (segn masa) son:

TR (d)

% Reduction DBO5

1 50 2.5 60 5 70

Otro criterio recomendado es el de intervalos de temperaturas, periodos de retencin y eficiencia.

Temperatura (C)

TR (d) DBO5> (%)

10-15 4-5 30-40 ' 15-20 2-3 40-50 20-25 1-2 50-60 25-30 1-2 60-80 Los slidos se acumulan principalmente en las unidades primarias y requieren de limpieza despus de un cierto periodo de operacin. El lodo sedimentado sufre una degradacin anaerobia reduciendo los slidos voltiles en una proporcin de por lo menos el 50% y adems es sometido a un proceso de espaciamiento. La tasa de acumulacin de lodo en el fondo de una laguna anaerobia esta en el intervalo de 0.08 - 0.113 l/Hab.da y para propsitos de diseo se puede tomar el limite superior que equivale a 40 m3/Hab.ao.

La profundidad es por lo general suficiente de manera que no es necesario considerar, una profundidad adicional para la acumulacin de lodos. En la prctica se considera conveniente efectuar una limpieza cuando la altura de lodos alcanza la mitad de la profundidad. En cases en los cuales se observe que hay una acumulacin visible de material de fondo cerca de la entrada de la laguna, se podr disminuir el periodo entre limpiezas. En nmero de aos de operacin entre dos limpiezas consecutivas puede calcularse mediante la siguiente relacin:

n = (0.5.V)/(ta.P)

donde n es el numero de aos de operacin para limpieza, V es el volumen de laguna (m3), ta es la tasa de acumulacin de lodos, normalmente 0.04 m3/Hab.ao; y P es la poblacin equivalente servida.

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2.2.3.3 Lagunas Aerobias

Son conocidas tambin como fotosintticas, son estanques de profundidad reducida (0.3 -0.45 m), lo cual permite la penetracin de luz hasta el fondo y diseados para una mxima produccin de algas con cortos perodos de retencin. En estas lagunas se mantienen condiciones aerobias a todo nivel y tiempo y la reduccin de materia orgnica es efectuada por la accin de organismos aerobios.

En estas lagunas el oxigeno se suministra por