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MATERIA: Plantas de tratamiento de aguas residuales

TEMA: Investigación tarea 1, tema 2

CATEDRÁTICO: ING. Ramón Hernández Cambrano

ALUMNO: Deyder bersain Vázquez Sánchez

CARRERA: Ingeniería Civil

SEMESTRE Y GRUPO 7 “B”

22 de septiembre del 2020

PRETRATAMIENTO. Engloba a aquellos procesos que se sitúan a la entrada de la planta depuradora para eliminar residuos sólidos, arenas y grasas, que de no ser separados dañarían mecánicamente los equipos de las siguientes fases de tratamiento y sedimentarían en las tuberías y conductos de la instalación, obstruyéndolos o bien producirían pérdida de eficacia (p.e. grasas en el reactor biológico). En todos los procesos se eliminan los contaminantes del agua residual por medios físicos. Las principales operaciones de pretratamiento son: desbaste, desarenado, desengrasado y homogeneización. Desengrasado. El desengrasado consiste en la separación de las grasas y aceites arrastrados por el agua residual. Las grasas en las aguas residuales crean numerosos problemas en el proceso de depuración, entre los que destacan: Adhesión a aparatos, conductos o depósitos, dificultando la depuración. Obstrucción de las rejillas finas, Formación de una capa, en la superficie de los decantadores, que dificulta la sedimentación al atraer hacia arriba pequeñas partículas de materia orgánica. Dificulta la correcta aireación en la depuración de fangos activos.

2.1 REJILLAS. REJILLAS MANUALES Y AUTOMÁTICAS  Las rejillas TEMMISA para limpieza de corrientes de agua tienen múltiples aplicaciones en los servicios municipales y privados como: Drenajes Plantas de tratamiento de aguas residuales Colectores Canales a cielo abierto o cerrados Estaciones de Rebombeo Obras de toma de ríos, entre otras. Su objetivo principal es el de separar los sólidos dela gua y disponerlos en la superficie. En general el agua atraviesa un enrejado el cual se somete a un desbaste de acuerdo al Entrehierro (Eh, separación entre barrotes de enrejado) solicitado, que para su selección puede ser:

Desbaste Fino: 3 a 10 mm Desbaste Medio: 10 a 30 mm Desbaste Grueso: 30 a 100 mm Los principales tipos de rejillas fabricados son: Rejillas Inclinadas. Rejillas Verticales. Unidades compactas Las rejillas cumplen un papel fundamental en el tratamiento de aguas residuales por el método de plantas de tratamiento de aguas. Debido a que las aguas sucias por lo general llegan con desechos muy voluminosos, es necesario utilizar un sistema que garantice que estos no lleguen a la PTAR. Para ello se utilizan las rejillas, estas retienen todo el material sólido grueso que puede causar daños a toda la instrumentación de la planta (Válvulas, bombas, etc).

2.2 DESARENADORES. El proceso de desarenado se utiliza para separar la arena, grava, etc., arrastrada en suspensión por el influente. Esta arena origina depósitos en canales y tuberías, abrasión y desgaste sobre los elementos mecánicos en movimiento y dificulta la eliminación y digestión de los lodos separados en los tanques de sedimentación, al aumentar su densidad. Tecnología utilizada para la remoción de arenas y grasas con el fin de proteger el proceso biológico en los reactores. Diseñado para ser instalado en tanques de forma rectangular y tanques cónicos. Extracción, clasificación y lavado de arena. Tamaños y capacidades: Unidades individuales a 21 MGD Flujos máximos. Tamaños de tanque: 8 'x 8' x 10 'AWD a 30' x 30 'x 14' AWD. Proporciona un sistema de extracción y manejo de arena total. Incluye colección de arena (unidad RollAer), extracción (GritLift), limpieza y deshidratación (GritWasher o HydroSeparator). Bajos requerimientos de energía Se puede usar un suministro de aire de la planta o un soplador separado de baja potencia. Las unidades múltiples en cuencas rectangulares largas no requieren paredes de partición.

Requiere solo la mínima atención del operador.

La simple supervisión del aire mantiene la eficiencia de la unidad.

2.3 DESMENUZADORES. Los trituradores de 2 vías, para aguas residuales, ofrecen capacidades de reducir los sólidos sin paralelo y deberían de ser instaladas incluso antes de las trampas de sólidos. Los trituradores ayudan a preparar los deshechos y previenen mantenimientos inesperados a las bombas de lodos o sistemas de desagüe. Más importante, eliminan los riesgos de seguridad que los operadores enfrentan al remover los deshechos a mano. Hay 2 tipos de pre-acondicionadores de aguas residuales: El macerador de una vía, alta velocidad el cuál corta los sólidos y mezcla los lodos en trozos más pequeños; y el triturador de 2 vías, baja velocidad, pero alto torque el cual rebana los deshechos en pedazos más pequeños. Este último corta los deshechos duros de manera más confiable porque tiene tres veces más torque y 5 veces más fuerza de corte que el macerador. Los maceradores de alta velocidad frecuentemente necesitan períodos de mantenimiento y por lo mismo reducen la confiabilidad bajo ambientes demandantes. Cómo el siguiente caso de estudio indica, seleccionar un triturador de 2 vías para la reducción de sólidos puede llevarnos a mejorar el rendimiento de la planta así como a un intervalo más largo entre visitas de servicio y elimina la limpieza manual. Caso #1: Coeur D’Alene, Idaho. La planta de tratamiento en la ciudad de Coeur D’Alene, Idaho, estaba

experimentando continuos problemas con 2 maceradores de deshechos, en parte debido a la duración del macerador. Durante la etapa de diseño de la planta la presión más alta se contempló en 150 PSI, mientras que en realidad la presión máxima del macerador es 30 PSI. Eventualmente uno de los maceradores falló e inundó el cuarto de bombas con aguas residuales. Este incidente se llevó cerca de 12 horas para limpiar todo. La cuadrilla puso un triturador, Muffin Monster, que tenían en el inventario; el cual resolvió el problema de las aguas residuales de manera inmediata. Impresionados con el rendimiento y la calidad del triturador, el administrador de la planta pidió autorización para comprar 3 trituradores mas de la Serie 10K (Muffin Monster). Con los maceradores, los operadores realizaban mantenimientos cada 120 horas (cada 5 días). Con los trituradoras Muffin Monster la cuadrilla realiza una inspección visual cada pocas semanas y la planta no ha experimentado, todavía, ningún tipo de problema cómo limpieza o atascamiento de los trituradores. Caso #2: Shertz, Texas. Por muchos años una planta de reciclaje de agua, en la ciudad de Shertz Texas, pudo operar con 2 bombas de doble disco de aguas residuales. En 2011 esta planta, que trata aproximadamente 6 millones de galones por día, entró en expansión y agregó maceradores de alta velocidad para las aguas residuales, antes de cada bomba, con la esperanza de combatir las limpiezas y prevenir el daño a las bombas por los desechos sólidos. Sin embargo, muy pronto después de arrancar, los maceradores fueron incapaces de cortar los sólidos y las líneas de succión de las bombas frecuentemente se atascaban generando retroceso de las bombas así cómo mantenimientos. Buscado cortar trapos, cabellos y otros deshechos duros, la planta tenía que parar 2-3 veces al día. Esto estropeo las cuchillas de los maceradores, las cuales requirieron constantemente ser cambiadas. Después de un año de estar sufriendo estos problemas, el superintendente de mantenimiento de la planta busco un triturador de deshechos que fuera confiable y escogió el Muffin Monster de la serie 10K. Esto resultó crucial para proteger el sistema de manejo de sólidos de la planta y, después de varios meses, 3 trituradores más reemplazaron los maceradores restantes. Desde la instalación no ha habido necesidad de parar el sistema para reparar las bombas de aguas residuales.

2.4 VERTEDEROS. En nuestro planeta, cada vez más poblado, los desperdicios son inevitables, pero, en lugar de dejar que se descompongan, ahora puede aprovecharlos de manera que realmente ayude al medioambiente y, al

mismo tiempo, impulse su negocio. Genere calor y energía con los motores de gas Jenbacher, que funcionan con el gas recogido de vertederos y aguas residuales, y reduzca así el uso de combustible convencional y los contaminantes ambientales, lo que le permitirá además alcanzar elevados niveles de eficiencia.

Beneficios: Usar el gas residual como fuente de energía más limpia Reducir las tarifas con el uso de energías renovables Obtener créditos de carbono con la reducción del metano Obtener hasta el 90 % de eficiencia en sistemas CHP Obtener entre el 42-43 % de eficiencia eléctrica con el uso de gas residual Aprovechar la venta del exceso de energía a la red de servicios públicos Aprovechar los acuerdos de servicios contractuales flexibles Facilitar la movilidad y el ajuste sencillo a las necesidades cambiantes con unidades en contenedores de bajo peso  Operar con fluidez incluso con fluctuaciones en la composición del gas y la presión, así como un bajo poder calorífico.        

Los principales problemas del agua de los vertederos son la presencia de contaminantes orgánicos (o una elevada demanda química de oxígeno, DQO) y la presencia de amonio. Esta última, estimula el crecimiento de algas acelerando la eutrofización del medio lo que conlleva a una disminución de la concentración de O2 disuelto y con ello a un aumento de la toxicidad del mismo. Además, estas aguas presentan composiciones muy complejas y son difíciles de tratar mediante métodos convencionales tales como degradación biológica, oxidación química, precipitación química, coagulación-floculación, adsorción con carbón activo o procesos de membrana pues presentan desventajas como la formación de lodos, su baja eficiencia y su alta sensibilidad a volúmenes y concentración de contaminantes. Una alternativa para tratar dichas aguas de vertedero la constituyen los procesos de oxidación avanzada (AOPs) y entre ellos los procesos electroquímicos ya que no producen lodos y presentan costes de operación bastante bajos si el proceso está optimizado. Las aguas procedentes del vertedero municipal de Limeira, San Pablo (Brasil) se trataron en un sistema continuo con recirculación. Para este estudio se empleó un ánodo estable recubierto con Ti/TiO2 y RuO2. Para optimizar las condiciones de tratamiento electroquímico se empleó una metodología de superficie de respuesta, Box-Behnken ya que reduce el número de ensayos y los costes asociados a los experimentos. En la optimización se estudió el efecto de 3 variables: densidad de corriente, tiempo de tratamiento y dosis del electrolito (NaCl y Na2SO4). Al aplicar las condiciones óptimas a las aguas reales de vertedero se obtuvo 55 % de eliminación de DQO y 71% de eliminación de amonio. Durante el transcurso de la oxidación electroquímica la eliminación de los contaminantes presentes en dichas aguas se debió principalmente a la oxidación indirecta, utilizando Cl2/hipoclorito procedente de la oxidación anódica del Cl2 presente en el agua del

lixiviado. La eliminación de contaminantes mejoró cuando la densidad de corriente aumentó probablemente debido a la activación del Cl2 formado. No obstante, la eliminación de amonio estuvo favorecida por la presencia del electrolito (NaCl) pues con una densidad de corriente muy baja se generó hipoclorito capaz de oxidar el amonio del medio. El estudio reflejó la posibilidad de emplear este tratamiento para tratar aguas de vertederos ya que la regeneración de las aguas residuales constituye uno de los principales problemas a los que se enfrenta la sociedad actual.

2.5 CANAL PARSHALL. La canaleta Parshall es un elemento primario de caudal con una amplia gama de aplicaciones para medir el caudal en canales abiertos. Puede ser usado para medir el flujo en ríos, canales de irrigación y/o de desagüe, salidas de alcantarillas, aguas residuales, vertidos de fábricas, etc… La Canaleta Parshall Arkon está fabricada con polipropileno, lo que le permite resistir temperaturas de hasta 80º al aire libre (sin embargo, el agua que fluye por la canaleta no puede estar congelada). Además, la Canaleta Parshall Arkon puede resistir soluciones de sales inorgánicas, ácidos y bases que no presenten fuertes propiedades de oxidación, y una alta concentración de disolventes orgánicos. El tamaño máximo de los sólidos en suspensión no puede ser superior al 80% de la anchura del cuello de la canaleta (dmax = 0.8 w). Arkon Flow Systems también proporcionará un control gratuitamente de sus proyectos hidráulicos relacionados con nuestras Canaletas Parshall y el cálculo hidráulico para la instalación de las mismas (vía email).

Ventajas  Las principales ventajas de la Canaleta Parshall de Arkon se pueden resumir en:  Perdida de energía relativamente baja (3–4 veces inferior que en crestas pronunciadas)  Poca sensibilidad a la distribución de velocidad en el canal de acercamiento

 Medición de caudal incluso en condiciones de inundado  La velocidad dentro de la canaleta Parshall es suficientemente alta para prevenir la deposición de sedimentos o la acumulación de escombros – Mínimo requisitos de mantenimiento  Amplio rango de caudales  Larga vida útil

¿Cómo funciona un aforador de canal Parshall? Su patente ha sido, y sigue siendo, uno de los instrumentos de medición de flujo en lámina libre más extensamente implementado en cauces, canales de riego, redes de saneamiento, procesos de tratamiento y depuración de aguas, vertidos, etc. Además, su funcionamiento es la mar de simple.

La caracterización hidráulica de los flujos en canales abiertos o lámina libre ha sido una tarea que trajo de cabeza a numerosos científicos a lo largo de la historia. Fue su tratamiento como concepto de energía lo que permitió dar el salto definitivo en el estudio del movimiento de fluidos y el desarrollo de las distintas teorías y formulaciones que posteriormente permitieron la caracterización hidráulica del mismo.

Es en el siglo XVIII cuando Daniel Bernoulli plantea en sus estudios de hidrodinámica los conceptos de altura y conservación de la energía que posteriormente implementó Leonhard Euler en la ecuación que al final acabaría adoptando el nombre del primero como reconocimiento a sus pioneros logros. A lo largo de estos casi tres siglos, el conocimiento en este campo ha ido avanzando gracias a nombres como Venturi, Chezy, Manning o Bakhmeteff, que formularon expresiones y teorías fundamentales en la comprensión del comportamiento de los fluidos... Y basándose en todos estos conocimientos, Ralph Parshall desarrolló su estudio que derivó finalmente en su patente. Así, sabemos que cuando las condiciones por las que transita el flujo son constantes, éste se desarrollará en régimen uniforme, pero si estas condiciones (como por ejemplo la sección de paso) se ven modificadas el régimen del flujo variará gradual o rápidamente dependiendo de cómo sea esa modificación. De este modo, el canal Parshall no es más que una adaptación del principio de Venturi en hidrodinámica de

canales abiertos. Aplicando un estrechamiento de la sección y un levantamiento del fondo del canal, se le aplica una aceleración al flujo para forzar un cambio de régimen de subcrítico a supercrítico, lo que implica que entonces se debe pasar irremediablemente por el calado crítico. Esta variación de régimen se produce además con una pérdida de energía mínima... y se produce gracias a una geometría que enlaza una transición de entrada, un estrechamiento o sección convergente, una garganta o sección estrecha y un ensanchamiento o sección divergente.

Mediante este desarrollo, y después de probar multitud de tamaños y proporciones de secciones de canal, Parshall fue capaz de establecer una relación matemática entre calado y caudal en situación de descarga libre, que se rige por la siguiente expresión:

en la que Q es el caudal, Ha el calado en un punto determinado del canal, y C y n son coeficientes que dependen de las dimensiones del canal. Mediante este desarrollo, y después de probar multitud de tamaños y proporciones de secciones de canal, Parshall fue capaz de establecer una relación matemática entre calado y caudal en situación de descarga libre, que se rige por la siguiente expresión: Dimensiones y mediciones del canal Parshall Como bien habrás supuesto, tanto trabajo de pruebas de tamaños y proporciones se ha traducido en que los rangos de funcionamiento y la geometría de este tipo de aforadores está completamente definida a través de tablas... Si tienes claro en qué rango de caudales se ubicará el flujo a medir, debes tener en cuenta qué anchos de garganta debes imponer, algunos de los cuales tienes reflejados en la siguiente tabla:

Establecido el ancho de garganta, el resto de dimensiones del aforador por canal Parshall viene fijado por el siguiente esquema... fíjate que el punto de toma de lecturas de calado está perfectamente fijado, de modo que el calado de referencia para el cálculo del caudal se ubica a 2/3 de la longitud de la zona convergente desde su sección final. Los valores de las variables dimensionales del canal Parshall son los que se recogen en la siguiente tabla:

Así, a través de los orificios de toma de datos, y por vasos comunicantes, se puede observar en el pozo correspondiente la altura de lámina de agua Ha registrada, y a través de la expresión matemática que he expuesto anteriormente obtener de manera directa el caudal (o gasto) que circula... para ello es preciso conocer los valores de los coeficientes C y n, que también dependen del ancho de la garganta, de manera que para cada dimensión de garganta la expresión matemática queda de la siguiente manera:

Cuando se superan esos umbrales, se dice que la descarga entra en submergencia lo cual repercute en una reducción de los caudales según la siguiente relación: Estas medidas de caudal son válidas si el canal Parshall trabaja a descarga libre, es decir, que la relación entre los calados en zona convergente (Ha) y garganta (Hb) se encuentra por debajo de estos valores:

donde Qs es el caudal aforado bajo condiciones de submergencia, Q el caudal teórico de la expresión matemática general y Qe el caudal de corrección, el cual se obtiene a través de gráficas (cuidado que ahí las unidades son pies, pulgadas, pies cúbicos segundo, etc.)

2.6 OTROS MEDIDORES DE FLUJO. Medición de aguas residuales se realizan generalmente se hace en las plantas de tratamiento. Uno de los objetivos es conocer si el caudal que recibe la planta está dentro de la capacidad. Además en Costa Rica el decreto 39887-S-MINAE menciona que se debe incluir un medidor de flujo en la entrada y la salida de las plantas de tratamiento. En este artículo trataremos diferentes tecnologías para medir aguas residuales. Medición de aguas residuales Existen distintas maneras de medir las aguas residuales, desde usar una cubeta un cronometro para calcular el flujo hasta medidores que tienen un registrador y almacenan la información. Entre los sistemas disponibles están: Medidores de flujo electromagnéticos en línea Los medidores electromagnéticos en línea tienen la ventaja que requieren longitud de tubería recta menor que otras tecnologías. Son muy precisos y al no presentar obstrucciones al flujo no presenta problemas de atoramiento. Para realizar mediciones la tubería tiene que estar totalmente llena, si estuviera parcialmente llena se producen grandes errores en la medición.

Medidores de flujo ultrasónicos Los medidores ultrasónicos utilizan sensores que se instalan en el exterior de la tubería por lo que no hay riesgos de obstrucciones. Al igual que en los medidores electromagnéticos, las tuberías deben estar totalmente llenas porque de lo contrario se darán grandes errores en la medición. La tecnología preferida para la medición de aguas residuales es de efecto doppler, los de tiempo de transito están limitados a aguas limpias y sin sólidos. 

Medidores área velocidad Esta tecnología se usa para medir tuberías parcialmente llenas o canales abiertos. Debido a las dimensiones del sensor la tubería a medir debe ser de 6″ de diámetro a superior. La configuración más común utiliza un sensor que va sumergido y detecta el nivel y la velocidad del agua. Si no se puede tener el sensor sumergido se puede instalar otro tipo en la parte superior para detectar el nivel. La unidad de procesamiento se configura con el diámetro o las dimensiones del canal abierto según la aplicación. El caudal se calcula al multiplicar la velocidad por el área húmeda calculada según el nivel. Los medidores de área velocidad ofrecen las siguientes salidas: caudal instantáneo (analógica) velocidad instantánea (analógica) Nivel (analógica) volumen (salida de pulsos)

2.7 HOMOGENIZACIÓN DE CAUDALES. La situación más habitual es que la entrada de agua residual a la planta depuradora sea variable en el tiempo, tanto en lo que respecta a caudal como a carga contaminante. Estas variaciones, especialmente las descargas, dificultan el correcto desarrollo de los tratamientos, ya sean de tipo físico-químico o biológico. Para solventar tales problemas se puede recurrir a la igualación de caudales y/o a la homogeneización de la concentración de contaminantes. Es decir, optimizar las condiciones operativas de las fases siguientes. Las variaciones de caudal presentan problemas usualmente de tipo operativo, razón por la que los tanques de homogenización son opción para superar esta dificultad generando así efluentes constantes, además; reduce el tamaño y los costos de las unidades de tratamiento ubicadas aguas abajo. La homogenización es una práctica útil en plantas pequeñas de tratamiento que experimentan variaciones entre los máximos y mínimos caudales y cargas de los efluentes contaminados. Existen dos tipos de unidades para la homogenización de caudales denominados unidad en línea o unidad de derivación. Pueden ser tanques de homogenización en línea y difusa. Los primeros se deben diseñar para lograr mezcla completa para amortiguar la concentración. Estrictamente se puede

decir que la homogenización se refiere a unificar las características del agua residual e igualación cuando se requiere regular el flujo o caudal. Se requiere que este tanque (homogenización o igualación) debe mantenerse bien mezclado para prevenir malos olores y sedimentación de sólidos. Para dimensionar una unidad de igualación se debe realizar un balance de masas, método “donde se compara el volumen afluente a la planta de tratamiento con el volumen de agua promedio horario para un tiempo de 24 horas”, en su defecto; debe medirse la variación de caudal cada hora. Si el volumen afluente es menos que el promedio, se debe drenar el tanque de homogenización; si el volumen afluente es mayor que el promedio, el tanque se comienza a llenar con el exceso del agua residual. En la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales se originan variaciones tanto del caudal de agua residual como de su concentración. La homogeneización del caudal es un proceso que se utiliza para superar los problemas de explotación que estas variaciones provocan en las instalaciones y para mejorar la efectividad de los procesos de tratamiento situados aguas abajo. No son normalmente empleados en las EDAR urbanas debido a los grandes caudales que normalmente se tratan en estas plantas y a que la variabilidad de concentración de las aguas residuales urbanas no es significativa. No obstante, suele ser un ejercicio de gran importancia en el caso de las depuradoras industriales, donde tropezamos normalmente con una gran diversidad de caudales y concentraciones que hacen más complejo el proceso de tratamiento. La homogeneización reside en amortiguar, por laminación, las variaciones de caudal con el objeto de conseguir un caudal constante o casi constante.

ESTA TÉCNICA PUEDE APLICARSE EN DIVERSAS SITUACIONES, ENTRE LAS QUE SE ENCUENTRAN:

Caudales en tiempo seco. Caudales procedentes de redes de alcantarillado separativas en épocas lluviosas. Caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias, combinación de aguas pluviales y aguas residuales sanitarias. En la aplicación de la homogeneización de caudales en línea, la totalidad del caudal pasa por el tanque de homogeneización. Este sistema permite homogenizar las concentraciones de los diferentes constituyentes y amortiguar la variación de los caudales de forma considerable. En la disposición en derivación, solo se hace pasar por el tanque de homogeneización el caudal que excede un límite prefijado (también se denomina depósito pulmón, al cual se alivian los caudales que exceden del máximo de diseño de la planta).

Aunque con este segundo sistema se minimizan las necesidades de bombeo, la homogenización de la concentración de los diferentes constituyentes no es tan alta como con el primero.

LAS PRINCIPALES VENTAJAS QUE PRODUCE LA HOMOGENEIZACIÓN DE LOS CAUDALES SON:

Mejora del tratamiento biológico, ya que eliminan o reducen las cargas de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras y se consigue estabilizar el pH. Mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes. Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado más uniformes. En el tratamiento químico, el amortiguamiento de las cargas aplicadas mejora el control de la dosificación de los reactivos y la fiabilidad del proceso. Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de tratamiento, la homogeneización del caudal es una opción alternativa para incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas.

DESARENADO Y DESENGRASADO

En el tratamiento de aguas potables lo que se pretende lograr es retirar todas aquellas partículas de granulometría superior a 200 micras con el objetivo de evitar que se produzcan sedimentaciones en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión y para evitar sobrecargas en las fases de tratamiento siguiente.