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• Andrés Barrionuevo Castañeda

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PRE-TRATAMIENTO

Freddy Muñoz Tobar Ingeniero Civil, Sanitario M.Sc. in Municipal Water and Infrastructure Profesor cátedra “Tratamiento de Aguas” Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Universidad Central del Ecuador

Tratamiento de Aguas. Aguas Servidas

Contenido 

Procesos para el pre-tratamiento de las aguas residuales



Tanque de tormentas



Cribado o desbaste 

Rejas



Tamices



Dilacerador



Desarenador



Desengrasador



Homogeneizador

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

Tratamiento de Aguas. Aguas Servidas

Introducción La misión del tratamiento previo es la separación de materias y cuerpos gruesos (maderas, plásticos, ramas, telas, etc.) y arenosos que son arrastrados junto con las aguas, y que de no ser apartados:  

Dañarían mecánicamente los equipos de las siguientes fases de tratamiento. Sedimentarían en las tuberías y conductos de la instalación, obstruyéndolos.

Además, a la PTAR también llegan aceites y grasas de todo tipo, y si estas grasas y aceites no son eliminados en el pre-tratamiento, hace que el tratamiento biológico se ralentice y el rendimiento de dicho tratamiento decaiga, obteniendo un efluente de baja calidad. En base a lo antes indicado, con un pre-tratamiento pretendemos separar del agua residual, tanto por operaciones físicas como por operaciones mecánicas, la mayor cantidad de materias que por su naturaleza (grasas, aceites, etc.) o por su tamaño (ramas, latas, etc.) crearían problemas en los tratamientos posteriores (obstrucción de tuberías y bombas, depósitos de arenas, rotura de equipos). Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Introducción (2) Las operaciones de pre-tratamiento incluidas en una E.D.A.R. dependen de:  La procedencia del agua residual ( doméstica, industrial, etc.)  La calidad del agua bruta a tratar (mayor o menor cantidad de grasas, arenas sólidos,...)  Del tipo de tratamiento posterior de la EDAR  De la importancia de la instalación

Los pre-tratamientos más frecuentes son:  Tanque de tormentas  Separación de grandes sólidos (pozo de gruesos)  Cribado o desbaste (rejas)  Tamizado  Dilaceración  Desarenado  Desengrasado  Homogeneización Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Introducción (3) En una planta depuradora no es necesaria la instalación de todas estas operaciones, dependerá de las características antes descritas. Por ejemplo, para un agua residual industrial raramente será necesario un desbaste.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanque de tormentas La misión del aliviadero o tanque de tormentas es evacuar el excedente de caudal en épocas de lluvia hacia el cauce fluvial o, de forma alternativa, a un depósito intermedio para su reintroducción gradual hacia la depuradora. El aliviadero debe dimensionarse para almacenar un volumen mínimo correspondiente a un tiempo de permanencia del agua de 20 a 30 minutos, que es cuando se supone un mayor grado de contaminación del agua de lluvia y a la diferencia entre el caudal máximo en época de lluvias y el caudal admisible por el reactor biológico.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Pozo de gruesos Cuando se prevé la existencia de sólidos de gran tamaño o de una gran cantidad de arenas en el agua bruta, se debe incluir en cabecera de instalación un sistema de separación de estos grandes sólidos, este consiste en un pozo situado a la entrada del colector de la depuradora, de tronco piramidal invertido y paredes muy inclinadas, con el fin de concentrar los sólidos y las arenas decantadas en una zona especifica donde se puedan extraer de una forma eficaz. La extracción de los residuos se realiza, generalmente, con cucharas anfibias o bivalvas de accionamiento electrohidráulico. Los residuos separados con esta operación se almacenan en contenedores para posteriormente transportarlos a un vertedero o llevarlos a incineración.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Pozo de gruesos (2) En este sistema nuestra tarea consistirá en la retirada de estos grandes sólidos, para evitar que estos dificulten la llegada del agua residual al resto de la Planta, y la de limpiar el fondo del pozo para que no se produzca anaerobiosis, y consecuentemente malos olores.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Cribado o desbaste El cribado mediante rejas o tamices es una operación sencilla pero llamativa, ya que en ella se retienen los sólidos de gran tamaño que pueden representar de por sí una forma de contaminación (sólidos en suspensión), y pueden dañar u obstaculizar las fases sucesivas de tratamiento. Estos sólidos son una verdadera muestra de la actividad que se ha realizado en la población unas horas antes, ya que en su mayoría proceden de los restos que se arrojan por los inodoros y los fregaderos urbanos. Así, encontramos desde restos de comida hasta pelos, plásticos, trozos de cristales, y algunos sorprendentes (pieza dentales, etc.).

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Cribado o desbaste (2) Los objetivos del cribado son: 



Proteger a la EDAR de la posible llegada intempestiva de grandes objetos capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación. Separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua, que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos posteriores.

Esta operación consiste en hacer pasar el agua residual a través de una reja, de esta forma, el desbaste se clasifica según la separación existente entre los barrotes de la rejas, en:  

Desbaste fino: con separación libre entre barrotes de 10-25 mm. Desbaste grueso: con separación libre entre barrotes de 50-100 mm.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Cribado o desbaste (3) En cuanto a los barrotes, estos han de tener unos espesores mínimos según sea:  

Reja de gruesos: entre 12-25 mm. Reja de finos: entre 6-12 mm.

También tenemos que distinguir entre los tipos de limpieza de rejas igual para finos que para gruesos:  

Rejas de limpieza manual Rejas de limpieza automática

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Rejas de limpieza manual En el canal de entrada del agua a una Planta Depuradora lo habitual es encontrar una reja, constituida por barras paralelas que forman un ángulo de 30 a 80° respecto a la superficie del agua (aunque también las hay horizontales y verticales).

En esta reja quedarán retenidos todos aquellos cuerpos voluminosos, flotantes y en suspensión, arrastrados por el agua y cuyas dimensiones superen la luz de paso de la reja. Las rejas mas simples son las de limpieza manual que suelen presentar una separación entre barras de 5 a 10 centímetros (rejas de separación gruesa). Otras aprovechan la limpieza hidráulica efectuada por el mismo flujo del influente.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Rejas (2) Ambos sistemas presentan bajos costos de instalación, pero no garantizan un alto rendimiento de separación y además deben controlarse continuamente. Estas rejas se emplean frecuentemente en instalaciones de pequeño tamaño y actualmente se tiende a instalar equipos de limpieza automática para facilitar las operaciones y reducir al máximo los trabajos manuales. En los casos en los que se utilicen, su longitud no deberá exceder de la que permita su correcta limpieza, es decir, unos 3 metros. Los sólidos recogidos suelen depositarse en una cesta de chapa perforada para separar los escurridos. Frente a las citadas, encontramos las rejas de limpieza automática con separación de sus barras entre 1 y 5 centímetros (rejas de separación media). Estas disponen de unos “peines” o “rastrillos” que, movidos por un sistema tractor de cadenas, arrastran los objetos retenidos hasta el interior de un cesto o los descargan sobre una cinta transportadora o a un sistema de evacuación neumático para su transporte a una tolva de almacenamiento, compactador o incinerador.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Rejas (3) El peine rascador puede funcionar de manera continua o se puede activar al superarse cierto valor establecido de pérdida de carga o mediante temporizador. El canal de las rejas se debe proyectar de forma que se evite la acumulación y sedimentación de arenas y otros sólidos de gran tamaño, y para ello se recomiendan velocidades de aproximación superiores a 0,4 m/s. A caudales punta, la velocidad de paso a través de las barras no deberá ser superior a 0,9 m/s para evitar el arrastre de basuras a través de las rejas.

También son muy utilizadas las rejas auto-limpiables sin sistema de rastrillo. El diseño mas común es colocar en la entrada del colector a la estación depuradora una reja de apertura gruesa de limpieza manual, como pre-tratamiento respecto a la reja de apertura media colocada a continuación. En cualquiera de los casos, todo lo recogido en las rejas es escurrido y compactado, mediante prensas hidráulicas o mecánicas, para facilitar su transporte a una incineradora o vertedero.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Rejas (4) Limpieza manual

Limpieza automática

Anchura (mm)

5-15

5-15

Profundidad (mm)

25-37,5

25-37,5

Separación entre barras (mm)

25-50

15-75

Pendiente en relación a la vertical (º)

30-45

0-30

Velocidad de aproximación (m/s)

0,3-0,6

0,6-1,1

Pérdida de carga admisible (mm)

150

150

Característica

Tamaño de la barra

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Tamices Con los tamices se busca un proceso de eliminación de residuos sólidos mas afinado que el que se logra usando rejas, ya que la separación libre entre barras de los tamices oscila entre 0,2 y 1,5 mm. El sistema auto-limpiable debe ser sencillo y debe permitir la eliminación de arenas gruesas y hasta porcentajes del 30% de grasas y sobrenadantes. Los primeros tamices eran de tipo circular o de disco y se empleaban como medio para proporcionar un tratamiento primario, en lugar del actual tanque de sedimentación. Los tamices modernos son de tipo estático (fijos) o de tambor giratorio, provistos de una malla fina de acero inoxidable o de un material no férreo. Los sistemas de tamizado mas usados son: Tamices estáticos. Normalmente son de limpieza hidráulica por ducha de agua que acelera la caída del fango retenido (el cual rueda sobre la superficie del tamiz debido a la energía cinética residual), evitándose así que se reseque y quede depositado sobre la superficie del tamiz, obturándolo.

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Tamices estáticos

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tamices rotativos La limpieza puede ser hidráulica o mecánica automatizada. Son muy efectivos para la eliminación de algas o en los casos en los que se quieren aprovechar los sólidos tamizados.

Los tamices son mucho mas eficaces que las rejas pero sus costos son mas representativos (especialmente los rotativos) y, aunque requieren un escaso mantenimiento, éste debe ser realizado por personal especializado. Por estos motivos se adaptan sólo a instalaciones de una cierta importancia. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Pérdida de carga en tamices La pérdida de carga en la circulación de agua a través de diversos tamices puede estimarse a partir de la fórmula del orifico: hL= [(1 / (C · 2 · g)] · (Q / A)2

(m)

En donde:

C: coeficiente adimensional de descarga del tamiz g: aceleración de la gravedad (9,8 m/s2) Q: caudal que atraviesa el tamiz (m3/s) A: superficie efectiva sumergida del tamiz (m2) La pérdida de carga a través de un tamiz limpio es casi despreciable, por lo que lo importante es determinarla durante el funcionamiento, donde dependerá de la cantidad y tamaño de los sólidos presentes en el agua residual, del tamaño de las aberturas, y del método y frecuencia de las operaciones de limpieza.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Dimensionado del canal de desbaste El ancho del canal será único para las distintas unidades de desbaste instaladas en serie: rejas de gruesos, rejas de finos y tamices. Se calculará para las condiciones de caudal máximo. Se puede estimar el ancho del canal en la zona de rejillas mediante la siguiente expresión: W = [F / (V · D)] · [(B + S) / S] + C

(m)

En donde: F: caudal máximo de paso de agua (m3/s) V: velocidad máxima del agua en las rejillas (m/s) D: nivel de aguas arriba de la rejilla a caudal máximo (m). Se calcula como: D = 0,15 + 0,74 · (Qmáx)-0,5 B: ancho de las barras (m) S: separación libre entre barrotes (m) C: coeficiente de seguridad (m). C = 0,1 m para rejas finas y C = 0,3 m para rejas gruesas

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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DESCRIPCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE DESBASTE Dispositivo

Tamaño

Intervalo de paso (cm)

Material

Aplicación

Rejas

Grueso

1,5-3,75

Acero, acero inoxidable

Pre-tratamiento

Inclinado (fijo)

Medio

0,025-0,25

Malla de cuña de acero inoxidable

Tratamiento primario

Inclinado (giratorio)

Grueso

0,075 x 0,025 x 5,0

Placas de bronce o de cobre pulido

Pre-tratamiento

Grueso

0,25-0,50

Malla de cuña de acero inoxidable

Pre-tratamiento

Medio

0,025-0,25

Malla de cuña de acero inoxidable

Tratamiento primario

Fino

6-35 micrómetros

Mallas de poliéster y de acero inoxidable

Eliminación de sólidos en suspensión residuales secundarios

Medio

0,025-0,1

Acero inoxidable

Tratamiento primario

Fino

0,0025-0,05

Acero inoxidable

Tratamiento primario

Fino

0,005-0,05

Acero inoxidable, poliéster y diversos tipos de telas

Tratamiento primario, tratamiento secundario con tanque de sedimentación, eliminación de sólidos en suspensión residuales secundarios

Tambor (giratorio)

Tamices

Disco giratorio

Centrífugo

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Dilaceración Algunas estaciones de depuración cuentan con unos mecanismos dilaceradores como sustitutos de las rejas o tras una reja grosera. Normalmente se trata de Plantas Depuradoras que reciben aguas que no contienen plásticos. El dilacerador es un aparato que tritura los sólidos gruesos en vez de separarlos del flujo. Para realizar esta operación se cuenta con unos discos cortantes o unas cuchillas que convierten estos sólidos en partículas de un tamaño menor y m as homogéneo, de modo que no entorpecen el funcionamiento de las instalaciones posteriores (sistemas de bombeo). La ventaja de la sustitución de las rejas por un dilacerador radica en que se minimiza el problema de acumulación de los residuos sólidos, cuyos depósitos generan malos olores y atracción de ratas e insectos , y que en zonas frías se pueden congelar dificultando el influente y sedimentan en etapas posteriores del tratamiento.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Dilacerador

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Desarenado El desarenador se utiliza para separar la arena arrastrada en suspensión por el influente. En el tratamiento de aguas residuales se catalogan como arena a aquellas sustancias sólidas densas, no putrescibles y con una velocidad de sedimentación notablemente superior a la de los solidos orgánicos putrescibles. Esta arena origina depósitos en canales y tubería, abrasión y desgaste sobre los elementos mecánicos en movimiento y dificulta la eliminación y digestión de los lodos separados en los tanques de sedimentación. Los sedimentos recogidos en los desarenadores son recogidos, lavados y acarreados para su posterior incineración o transporte a vertedero. Existen dos tipos generales de desarenadores según el procedimiento utilizado en la separación:  Separación natural por decantación: son los desarenadores de flujo horizontal.  Aspirador dinámico con procesos que utilizan la inyección de aire o efectos de separación centrífuga: son los desarenadores de flujo inducido.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Desarenado de flujo horizontal Es el mas frecuente desarenador. Está constituido por un tanque o un conjunto de canales de sedimentación, diseñados de forma que favorezcan un a velocidad de la corriente de agua inferior a los 20-30 cm/s, ya que de este modo se produce la separación por gravedad de las partículas pesadas de un diámetro superior a 0,2 mm. La eficiencia del desarenador depende fundamentalmente de su superficie horizontal y de la velocidad de caída de las partículas en suspensión, mientras que otros factores como la profundidad, la sección transversal del tanque y la velocidad horizontal de circulación tienen una importancia secundaria. El principal problema de los desarenadores de flujo horizontal es que una parte de la materia orgánica se separa junto con la arena, produciéndose al descomponerse, olores desagradables. Para minimizar este problema, hay que lavar las arenas que se han separado e incluir el agua de lavado dentro del proceso de tratamiento de aguas residuales.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Desarenado de flujo horizontal (2) Otras desventajas, respecto de los desarenadores de flujo inducido son:  Mayor pérdida de carga (pérdida de presión)  Mayor superficie requerida para su implementación  Mayor costo por instalación

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Desengrasado Este proceso consiste en la separación, en forma de espumas flotante, de las grasas y aceites arrastrados por el agua residual. Se considera que en las aguas residuales urbanas, las grasas constituyen hasta un 28% de los sólidos en suspensión, creando numerosos problemas en el proceso de depuración. Entre estos se destacan:  Adhesión a aparatos, conductos o depósitos, dificultando la depuración  Obstrucción de las rejilla finas  Formación de una capa en la superficie de los decantadores que dificulta la sedimentación, al traer hacia arriba pequeñas partículas de materias orgánica  Dificulta la correcta aireación en la depuración por fangos activos  Perturba el proceso de digestión de lodos La grasa residual que puede quedar tras el desengrasado se separa en las balsas de decantación, siendo retirada por medio de rasquetas superficiales. Las grasas retiradas se conducen a un depósitos y de ahí se transportan para su recuperación o incineración. Es muy frecuente que el desarenado y desengrasado se realicen conjuntamente en una única instalación. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Homogeneización La situación mas habitual es que la entrada de agua residual a la EDAR sea variable en el tiempo, tanto en lo que respecta a caudal como a carga contaminante. Estas desviaciones suelen ser tanto mayores cuanto mas pequeña es la comunidad servida, pudiendo crear notables problemas de gestión en aquellas depuradoras no adecuadamente protegidas de las variaciones de volumen y/o contaminación. Estas variaciones, especialmente las de carga, dificultan el correcto desarrollo de los tratamientos, ya sean de tipo químico-físico o de tipo biológico.

Para solventar tales problemas se puede recurrir a la igualación de caudales y/o a la homogeneización de la concentración de los contaminantes. En pequeñas instalaciones de depuración, donde únicamente se tratan influentes urbanos, la homogeneización es bastante rara ya que, en estos casos, los tratamiento biológicos previstos suelen ser lo suficientemente robustos como para garantizar efluentes aceptables a pesar de las fluctuaciones de carga contaminante.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Homogeneización (2) De hecho, la homogeneización como fase específica de un proceso de depuración de aguas, es sólo adecuada para Plantas grandes de dimensiones y con una presencia importante de influentes de origen industrial. Básicamente, se aplican dos tipos de técnicas de homogeneización: 



Homogeneización en línea: todo el caudal de agua pasa por el tanque de homogeneización. Se consigue así una buena homogeneización y se amortiguan posibles variaciones de la composición de las aguas y del caudal entrante Homogeneización en derivación o paralelo: sólo la parte que supera el caudal medio diario pasa por el tanque de homogeneización. Este sistema es útil en los casos en los que se esperan variaciones importantes del caudal, pero no se amortiguan los posibles cambios de composición de las aguas.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Homogeneización (3) Los tanques de homogeneización pueden ser muy variados: 





Balsas de homogeneización: se trata de una opción bastante frecuente ya que pueden contener grandes cantidades de agua y son de construcción sencilla (pueden consistir en una zanja en el suelo recubierta con material plástico). Tanques de homogeneización metálicos: se utilizan en estaciones depuradoras pequeñas que reciben agua con variaciones mínimas de caudal; la homogeneización se realiza con mecanismos agitadores. Homogeneización con aireación: el sistema de aireación es el que garantiza el mezclado. Este sistema dificulta la formación de sedimentos con lo que se evita la formación de fango y se inhiben las mal olientes fermentaciones anaeróbicas.

En general, la homogeneización constituye el último de los pre-tratamientos en una PTAR.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

TRATAMIENTO PRIMARIO

Freddy Muñoz Tobar Ingeniero Civil, Sanitario M.Sc. in Municipal Water and Infrastructure Profesor cátedra “Tratamiento de Aguas” Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Universidad Central del Ecuador

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Generalidades El tratamiento primario tiene como objetivo la separación por medios físicos, habitualmente complementarios con medios químicos, de los sólidos en suspensión sedimentables no retenidos en el tratamiento previo, así como de las sustancias flotantes como grasas, fibras, etc. Las operaciones unitarias normalmente utilizadas en el tratamiento primario son: Sedimentación o decantación Flotación Coagulación – Floculación Corrección del pH También como tratamiento primario se considera la corrección de pH, ya que las aguas residuales, especialmente aquellas de origen industrial, es frecuentemente que sean ácidas o alcalinas.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sedimentación o decantación La mayor parte de las sustancias en suspensión y disolución en las aguas residuales no pueden retenerse, por razón de su finura o densidad, en las rejas y desarenadores, ni tampoco pueden separarse mediante flotación por ser más pesadas que el agua. Por ello, se recurre a la sedimentación que es la separación de un sólido de la masa líquida por efecto de la gravedad.

La decantación se produce minimizando la velocidad de circulación de las aguas residuales, con lo que el régimen de circulación se vuelve cada vez menos turbulento y las partículas en suspensión se van depositando en el fondo del sedimentador. En los esquemas convencionales de tratamiento de un agua residual, la sedimentación es aplicable en dos situaciones:

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Sedimentación o decantación (2) 

Como tratamiento primario: la “sedimentación primaria” se realiza inmediatamente después de los pre-tratamientos con la finalidad de separar los sólidos en suspensión sedimentables que, en un agua residual, suponen entre el 50 y 70% de los sólidos totales. Esta operación también permite una remoción de la carga de sustancias orgánicas que llegan a la fase biológica (tratamiento secundario), disminución de un 25 a 35% de la DBO5. Esta circunstancia limita el dimensionado y los costos de gestión del tratamiento biológico, pero tiene la desventaja de producir un residuo (fango) muy putrescible que requiere un tratamiento de estabilización.



Como tratamiento secundario: la “sedimentación secundaria” es, por el contrario, el necesario complemento de un tratamiento biológico. Es ésta la fase en la cual el material orgánico, transformado en sedimentable por la acción de los microorganismos, se separa del agua.

Fundamento de la sedimentación La sedimentación es un proceso físico de separación por gravedad, que fundamentalmente es función de la densidad del líquido, del tamaño, del peso específico y de la morfología de las partículas. Durante el proceso de sedimentación, y de una forma empírica, pueden observarse las siguientes zonas de sedimentación:

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Sedimentación o decantación (3) 

Zona de partículas discretas. En esta zona se da un proceso simple de decantación; es decir, se trata de la sedimentación libre de partículas, sin interacción entre ellas y a una velocidad constante de caída.



Zona floculante. Conforme las partículas van sedimentando aumenta su concentración, por lo que comienzan a chocar entre ellas, aglomerándose por adsorción o coalescencia y originando flóculos.



Zona retardada. Se trata de un proceso de sedimentación de una suspensión bastante concentrada, en las que las partículas están tan próximas, aunque sin llegar a tocarse, que el agua que desplazan en su caída se opone al movimiento y frena su descenso. Este fenómeno hace que se denomine sedimentación impedida o retardada.



Zona de compresión. Formada por los sólidos depositados en el fondo del tanque de sedimentación. En esta zona hay contacto físico entre las partículas, las cuales acaban formando una masa compacta que se va comprimiendo con la sedimentación.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tipos de sedimentadores o tanques de decantación Estas unidades se caracterizan por su gran tamaño, en relación al resto de unidades de la PTAR, y por sus puentes móviles. Después del proceso de sedimentación se obtienen dos productos: un agua clarificada y un decantado (lodo o fango primario). En ocasiones, y si las condiciones de vertido al cauce y la legislación lo permiten, la sedimentación primaria puede ser el único tratamiento al que se someta el agua residual, pero lo normal es que forme parte de un proceso con otras operaciones unitarias. Los dos tipos de decantadores mas habituales son: 

Tanques de decantación circulares. Sedimentadores de sección circular en los que el agua fluye del centro a la periferia.



Tanques de decantación rectangulares. Sedimentadores de sección rectangular en los que el agua fluye horizontalmente de un extremo del decantador al otro.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación circulares Estos tanques son los mas extendidos y su diámetro oscila entre 10 y 60 metros. Los dispositivos mas importantes de esta estructura son:  La entrada del agua normalmente se realiza a través de una campana deflectora que la reparte de forma uniforme en las zonas inferiores del decantador y, además, produce una importante pérdida de carga, evitándose con ella turbulencias que podrían afectar a todo el depósito y dificultar la sedimentación.  La salida de barrido de fangos sedimentados se efectúa, en los decantadores de pequeño diámetro, mediante un eje de rasquetas de barrido de fondo que es accionado desde un eje central. En los grandes decantadores suele recurrirse a un puente giratorio de rasquetas de tracción periférica (la tracción es de la periferia mediante un carro tractor) para descargar de esfuerzos el eje.  La poceta de recogida de los fangos barridos por las rasquetas puede ser o bien central o bien longitudinal intermedia si el decantador es grande (se reduce a la mitad el trayecto del fango en el fondo del decantador).  La purga de fangos puede hacerse por una tubería de fondo que los recoge de la poceta central y los conduce a otra adosada, o bien, aprovechando la presión hidrostática del fondo, se extrae a un nivel superior.  La retirada de grasas y sobrenadantes suele hacerse con una barredera superficial que recoge y vierte sobre la poceta. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación rectangulares Los dispositivos mas importantes de esta estructura son: 

Para la entrada del agua se suele emplear el tipo de entrada por vertederos, que la reparte uniformemente por las cargas inferiores del decantador, con una mampara frontal para reducir la energía con la que entra el agua (pérdida de carga).



Para la salida del agua suelen usarse el mismo tipo de rebosaderos dentados ya mencionados para los sedimentadores circulares, situados en la pared opuesta a la entrada del influente.



El barrido de fangos sedimentados se hace mediante rasquetas situadas sobre un puente, este puente puede ser de barrido longitudinal, el cual conducirá los fangos hasta unas pocetas situadas en el extremo de llegada del agua, o bien puede ser de barrido transversal, el cual conducirá los fangos hacia una poceta corrida a lo largo del decantador. Una alternativa al puente de rasquetas la constituyen las rasquetas arrastradas por cadena sin fin. Las rasquetas, por tanto, o bien son varias situadas en el extremo del decantador o bien es una longitudinal corrida. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tanques de decantación rectangulares (2) 





El barrido de fangos sedimentados se hace mediante rasquetas situadas sobre un puente, este puente puede ser de barrido longitudinal, el cual conducirá los fangos hasta unas pocetas situadas en el extremo de llegada del agua, o bien puede ser de barrido transversal, el cual conducirá los fangos hacia una poceta corrida a lo largo del decantador. Una alternativa al puente de rasquetas la constituyen las rasquetas arrastradas por cadena sin fin. Las rasquetas, por tanto, o bien son varias situadas en el extremo del decantador o bien es una longitudinal corrida. La purga de fangos se hace por sistemas similares a los descritos para los decantadores circulares; es decir, existen sistemas de salida de fondo y de salida a nivel superior. La retirada de grasas y sobrenadantes suele llevarse a término por una barredera superficial que los arrastra hasta un canal en la pared de entrada.

Sistemas de drenaje de los sedimentos  Los sedimentos generados en los tanques de sedimentación deben ser evacuados o drenados de la línea de depuración de aguas. Para realizar esta operación se pueden emplear varios sistemas, ayudados o no de algún medio mecánico (raspador, tornillo sinfín, etc.) Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación La flotación es un proceso físico de separación sólido-líquido fundamentado, al igual que la sedimentación, en la diferencia de densidades.

Se ha visto que la sedimentación permite separar aquellas partículas que poseen una mayor densidad que la del fluido que las contiene, al predominar en ellas el efecto de la gravedad debido a su peso sobre las fuerzas de rozamiento y la fuerza de empuje del liquido que se oponen a su caída. La flotación, en cambio, permite separar las partículas de menor densidad que la del fluido, por ascenso de estas hasta la superficie del fluido, ya que en este caso, las fuerzas que tiran hacia arriba (rozamiento y empuje del liquido) superan a la fuerza de la gravedad. El ultimo de los procesos descritos es la flotación natural que, en el tratamiento de las aguas residuales, únicamente se emplea para eliminar los glóbulos de grasa o aceite (etapa de desengrasado). Frente a esta, y para superar sus limitaciones, existe la fase liquida, a las que se adhieren partículas, subiendo hasta la superficie el conjunto partícula-burbuja. Esta adhesión es consecuencia de la aparición de una zona de presión negativa en la parte inferior de la burbuja de aire en su ascenso a través del liquido, y es esta depresión la que capta y arrastra las partículas. La flotación acelerada posibilita el ascenso de partículas de densidad mayor que la del liquido, además de favorecer el de las partículas de densidad inferior al incrementar su velocidad ascensional. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (2) En el proceso de depuración de las aguas residuales la flotación puede emplearse con diferentes objetivos:  Separación de grasas.  Espesar los lechos originados por las partículas floculadas químicamente y que son de baja densidad.  Espesar los fangos biológicos en aquellos casos en los que sean difíciles de separar mediante sedimentación secundaria. En cuanto a las ventajas que presenta la flotación frente a la sedimentación hay que mencionar como las mas importantes:  Menor inversión de implantación, pues se trata de un sistema compacto que ocupa poca superficie.  Permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya deposición es lenta. Frente a las ventajas enumeradas, la flotación presenta el inconveniente de que requiere para su desarrollo de muchos elementos mecánicos, tal y como se verá a continuación (motores, válvula reductora, etc.), lo que provoca mayores costos de explotación al necesitar una mayor infraestructura de mantenimiento. En la actualidad se emplean cuatro sistemas diferentes para realizar la flotación: por disolución de aire, por inyección de aire, por vacío, y en cámaras de tranquilización. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (3) Flotación por disolución de aire En este sistema de flotación, parte del caudal a tratar (que puede ser todo en el caso de instalaciones de pequeño tamaño), es mezclado con aire en un deposito de retención presurizado donde permanece durante algunos minutos; para dar tiempo a que le aire se disuelva una vez transcurridos estos minutos, se inyecta esta mezcla al líquido en tratamiento en el tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y se expanda en forma de pequeñas burbujas que arrastran las partículas en suspensión hacia la superficie de la cámara de flotación. Las principales aplicaciones de la flotación por disolución de aire seco están en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (4) Flotación por inyección de aire comprimido En este sistema, el aire se inyecta directamente a la fase líquida en el tanque de flotación por medio de difusores o turbinas sumergidas. Las burbujas de aire que se generan empelando este sistema son mucho mayores que las obtenidas en la flotación por disolución de aire, ya que su diámetro es de algunos milímetros. Esta característica provoca una velocidad ascensional mas alta y, por tanto, un menor tiempo de recorrido en el tanque y un menor efecto sobre la suspensión, lo que origina un bajo rendimiento a la hora de conseguir que los sólidos floten. La flotación por inyección de aire únicamente se emplea para mejorar los procesos de flotación natural en la separación de aceites, grasas, etc., y en el tratamiento de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas en las que dé buenos resultados. Flotación por vacío En este sistema, el agua residual es saturada con aire, ya sea directamente en el tanque de flotación o permitiendo la entrada del aire en la línea de alimentación. El aire ingresa en forma de micro-burbujas, las cuales arrastran en su ascenso a las partículas solidas que a ellas se adhieren hasta la superficie, donde son barridas por un sistema de rascado superficial hacia la periferia del tanque, punto desde el cual se extraen de la instalación por bombeo. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Flotación (5) Para facilitar el proceso de flotación es frecuente el uso de productos químicos coagulantes o sílice activada, que se introducen en la línea de alimentación previo a la inyección de aire, y que actúan creando, por agregación de partículas sólidas, una superficie o una estructura que permite atrapar fácilmente las burbujas de aire. Separadores o cámaras de tranquilización Estos sistemas se utilizan en aquellos casos en lo que interesa separar hidrocarburos o aceites del efluente. Estos equipos trabajan en ausencia de aire y utilizan la diferencia de viscosidad entre el agua y los hidrocarburos al deslizarse sobre una superficie. Están constituidos por un conjunto de placas paralelas e inclinadas por donde se hace circular el agua de arriba abajo, de modo que los hidrocarburos quedan separados en la parte superior de las placas y el agua queda en la parte inferior.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación El objetivo del tratamiento primario es la eliminación de los sólidos en suspensión, incluyendo las materias coloidales.

Los coloides presentan una gran dificultad de agregación debido a las cargas eléctricas que poseen, generadoras de fuerzas de repulsión que evitan su unión. De esta manera, su sedimentación por medios físicos es imposible por mucha calma que haya. Actualmente, es necesario ayudar al agua en su proceso de decantación con la incorporación de productos químicos que permitan acelerar y optimizar dicha operación, facilitando a su vez la reducción de los espacios necesarios para la precipitación de las partículas suspendidas. De esta manera, se optimiza el proceso global de tratamiento, tanto en lo que se refiere a la calidad, como al costo del producto final y el aspecto estético. El uso de estos aditivos químicos produce una apreciable mejora e el rendimiento del tratamiento primario, tal y como se muestra en la siguiente tabla. REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES

SIN ADITIVOS

CON ADITIVOS

Sólidos en suspensión

50 – 70%

65 – 85%

DBO5

25 – 40%

60 – 80%

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (2) Paralelamente, estos mismos productos químicos (coagulantes y floculantes) pueden emplearse en otros procesos complementarios como el espesado y la deshidratación de fangos, la precipitación de fosfatos o la eliminación de olores por precipitación de sulfuros. La sedimentación se produce provocando la desestabilización de las cargas eléctricas superficiales de las micelas, normalmente mediante la dosificación de sales metálicas (de calcio, hierro, aluminio), lo que imposibilita el contacto entre ellas y su consecuente aglomeración, formando flóculos con masa suficiente para sedimentar. Este proceso de clarificación del agua consiste en una separación de la fase líquida y de la sólida, llevándose a cabo a través de dos mecanismos: a)

Coagulación. Se entiende como la neutralización de las cargas eléctricas y desestabilización de los coloides, seguido de una adsorción superficial de las partículas desestabilizadas sobre el hidróxido formado.

a)

Floculación. Es el proceso a través del cual los micro-flóculos o coágulos primarios formados se agregan entre sí a través de enlaces o puentes de unión, constituyendo los flóculos secundarios con entidad suficiente para decantar por gravedad.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (3) La coagulación/floculación se puede aplicar con diferentes objetivos en el tratamiento de aguas residuales: • Disminuir el contenido de los sólidos en suspensión y de la DBO a la salida del decantador primario (mejora del rendimiento de la decantación). • Acondicionar el agua residual que contenga vertidos industriales. • Mejorar la eficacia de los decantadores secundarios, especialmente cuando se trata del proceso de fangos activos.

En algunas PTAR´s, la coagulación/floculación se realiza en los mismos equipos donde se realiza la sedimentación, adicionando previamente el coagulante en la conducción de entrada al sedimentador. De todos modos, lo mas común es disponer de un tanque de floculación específico en el que, justo antes, puede situarse también un tanque adosado de hormigón de pequeño tamaño, en el que se efectúa el mezclado de las sustancias coagulantes con el agua mediante una potente agitación. Así, se consigue un alto grado de contacto con los coagulantes. Una vez realizada la mezcla en este tanque, se adiciona un floculante, con una agitación menos vigorosa de modo que el crecimiento del floculo no se vea afectado por el esfuerzo de corte o cizalladura. Como norma general, el dispositivo está formado por un tanque de hormigón rectangular y por un agitador. La función del agitador es la de poner en contacto las partículas de modo que se facilite su aglomeración, pero manteniendo una velocidad lo suficientemente baja como para evitar que las partículas se vuelvan a separar por un esfuerzo de corte.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (4) Reactivos empleados en los procesos de coagulación Entre los diversos reactivos aplicados en los procesos de coagulación pueden distinguirse dos grupos principales: el de las sales de aluminio y el de las sales de hierro. También pueden incluirse las sales mixtas de hierro y aluminio , y otros productos coadyuvantes o agentes auxiliares de coagulación, que ayudan a neutralizar el potencial zeta o bien modificando el pH del agua. Entre estos últimos se encuentra la cal, el carbonato de sodio y la sosa caústica. PRODUCTOS QUÍMICOS COAGULANTES SALES DE ALUMINIO

SALES DE HIERRO

Sulfato de aluminio líquido (SAL)

Cloruro férrico

Sulfato de aluminio sólido (SAS)

Cloruro ferroso Sulfato férrico

Policloruros de aluminio

Sulfato ferroso

Reactivos empleados en los procesos de floculación El proceso de floculación complementa la acción del coagulante, de manera que los flóculos primarios se forman al añadir los reactivos químicos. Los flóculos se unen entre si a través de puentes debido a la actuación de productos cadena que son capaces de adsorber los coloides micro-agregados para generar reticulados que originen el floculo secundario. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (5) Estos productos capaces de crear los puentes de unión son los poli-electrolitos. Generalmente, son polímeros orgánicos que difieren unos de otros por su peso molecular, por su carácter iónico y por su naturaleza de su monómero base. Aparte de los polímeros naturales de origen biológico, los mas frecuentes suelen ser de tipo sintético, por polimerización del monómero de base, o la sílice activada preparada a partir del silicato sódico y acido sulfúrico. Según la carga eléctrica en solución acuosa, existen tres tipo de poli-electrolitos, neutros, aniónicos y catiónicos. Dosificación de coagulantes y floculantes En el caso de las aguas residuales, las dosis de productos químicos son difíciles de predecir por lo que debe estudiarse para cada caso en concreto y así establecer la secuencia idónea de tratamiento químico. Simultáneamente, debe valorarse la flexibilidad del sistema para dar fiabilidad al rendimiento del proceso de depuración que se produce, muchas veces un unas condiciones de trabajo un tanto variable.

Los productos químicos mas usados, ya sea en aguas residuales urbanas o industriales, son las sales de hierro, especialmente las trivalentes, las cuales precipitan sulfuros que son responsables de los malos olores en la PTAR´s y colectores. Estos compuestos férricos destacan por su eficacia en la línea de bombeo. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Coagulación/Floculación (6) Fangos Por lo general, en la línea de fangos, concretamente en la fase de deshidratación, se emplean los mismos coagulantes aplicados en la etapa primaria de depuración. En cuanto a las sales de hierro, se han mostrado ser muy eficaces el cloruro, el nitrato y el sulfonitrato. En referencia a los floculantes, en los filtros prensa se emplean polímeros catiónicos o aniónicos (aunque estos últimos son poco habituales), mientras que en los filtros banda o centrífugas se utilizan polielectrolitos de tipo catiónico medio o fuerte, dependiendo de las características del fango. Según los grados de sequedad alcanzables en cada proceso de deshidratación, los consumos de polímeros serán variables, dependiendo del tipo de polielectrolito empleado (carga y peso molecular), dele quipo de deshidratación usado y de la naturaleza del fango.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Corrección del pH Las aguas procedentes de procesos industriales suelen contener productos ácidos o alcalinos que deben ser neutralizados en algunos de los siguientes casos:  



Antes de la descarga del agua a un medio receptor, ya que la vida acuática es muy sensible a variaciones de pH fuera de un intervalo cercano a la neutralidad. Antes de la descarga de estas aguas residuales industriales al alcantarillado, ya que es mas económico esto, que neutralizar los mayores volúmenes de las aguas residuales mixtas (domésticas + industriales). Antes de la realización de los tratamientos químicos o biológicos, tanto para favorecer su desarrollo (por ejemplo, en el tratamiento biológico, el pH deberá estar entre 6,5 – 8,5 para asegurar una óptima actividad microbiana) como para evitar daños a las instalaciones.

El proceso de neutralización obedece a la siguiente ecuación: acido + base  sal + agua Este proceso se suele realizar utilizando, según sea el caso, ácido sulfúrico o lechada de cal, respectivamente. En sustitución de la lechada de cal, que es una suspensión de cal apagada (hidróxido de calcio) en algunas ocasiones se utiliza carbonato sódico o hidróxido sódico, aunque su precio en mas elevado, a fin de disminuir la producción de lodos.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Corrección del pH (2) Por otra parte, en la reacción antes dicha, hay que tener en cuenta tres puntos: Pueden desprenderse gases durante la reacción (por ejemplo, cuando se utilizan carbonatos como bases). La reacción puede generar calor (reacción exotérmica). La sal formada puede ser insoluble, por lo que tendrá que ser retirada.

La neutralización debe ser realizada de manera precisa. En el caso de sistemas automatizados de medida y corrección de pH, no es costos controlar el sistema de dosificación, pero se necesita un mantenimiento cuidadoso para evitar, en caso de un mal funcionamiento, la generación de efectos negativos opuestos a los que se pretendían originalmente. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

TRATAMIENTO SECUNDARIO Freddy Muñoz Tobar Ingeniero Civil, Sanitario M.Sc. in Municipal Water and Infrastructure Profesor cátedra “Tratamiento de Aguas” Carrera de Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Universidad Central del Ecuador

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Generalidades El tratamiento secundario tiene como objetivo la eliminación de la materia orgánica biodegradable no sedimentable (materia orgánica finamente dividida y disuelta en el agua residual), junto a otros varios contaminantes. Básicamente, consiste en provocar el crecimiento de microorganismos que asimilan la materia orgánica, los cuales se reproducen y originan nuevos microorganismos insolubles que después son separados del flujo tratado (y con ellos varios contaminantes) como un fango destinado a una digestión definitiva, directa o indirecta, como enmienda del terreno. De hecho, se trata de una aplicación controlada de los sistemas naturales de autodepuración de las aguas, por lo que a este tipo de tratamiento se le llama tratamiento biológico. Los tratamientos secundarios pueden subdividirse en dos categorías, la primera que va en función del tipo de instalación empleada, siendo: 

Tratamientos biológicos de tipo natural: son aquellos tratamientos secundarios de agua cuyos requerimientos mecánicos y de instalaciones son mínimos.



Tratamientos biológicos de instalación: son aquellos tratamientos secundarios de agua que conllevan unos equipos de operación y que requieren de unas instalaciones adecuadas. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Generalidades (2) La otra subdivisión de los tratamientos biológicos esta en función del uso o no de oxígeno, siendo: 

Sistemas aerobios. Los microorganismos obtienen su energía (catabolismo) oxidando sustancias, predominantemente orgánicas, en presencia de oxigeno.



Sistemas anaerobios. Es un proceso microbiológico que se desarrolla en ausencia de oxigeno. Consiste en una descomposición de la materia orgánica, que genera como productos finales un gas de alto contenido energético (biogás) y un lodo residual.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Clasificación de tratamientos SEGÚN LA UTILIZACIÓN DEL OXIGENO AEROBIOS

ANAEROBIOS

Lagunas aireadas

Estanques de estabilización anaerobios

Estanques de estabilización aerobios

Reactores de tanque agitado

Fangos activos

Reactores de contacto

Filtros percoladores o biológicos

Filtros biológicos

Biodiscos o contactores biológicos rotativos

Reactor de lecho biológico fluidizado Reactores de lecho de lodos anaerobios

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Clasificación de tratamientos (2) SEGÚN EL TIPO DE INSTALACIÓN TRATAMIENTOS DE TIPO NATURAL Lagunas aireadas

TRATAMIENTOS DE INSTALACIÓN Sistemas de Biomasa Suspendida

Estanques de estabilización

Fangos activos

Sistemas de estabilización o percolación en el terreno (vertido directo en el terreno)

Reactores de tanque agitado (ANIFLOW)

Reactores de contacto (ANCONT) Reactores de lecho de lodos anaerobios (UASB) Sistemas de Biomasa Fija Filtros percoladores o biológicos Biodiscos o contactores biológicos rotativos Filtros biológicos (ANBIOF)

Reactor de lecho biológico fluidizado (FANBIOF)

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Procesos aerobios y anaerobios Los sistemas mas extendidos son los aerobios porque depuran más rápidamente el agua residual. Esto es así debido a que el rendimiento energético que obtienen los microorganismos en el proceso bioquímico de oxidación anaeróbica es más bajo que el que se logra por el proceso aerobio; por ello, la tasa de reproducción de las bacterias anaeróbicas, y por extensión la masa celular originada, es inferior, lo que se traduce en una menor velocidad de tratamiento del agua residual. Además, la puesta en marcha de los sistemas anaerobios es muy lenta y delicada (es difícil eliminar todo el oxígeno, resulta complicado lograr el muy bajo potencial redox requerido, etc.) y los efluentes que se obtienen deben someterse a un post-tratamiento que acabe de degradar la materia orgánica presente y también conseguir la de-nitrificación cuando sea necesaria. El sistema aerobio presenta, sin embargo, los inconvenientes de producir una gran cantidad de fangos no estabilizados y tener un mayor costo energético (la incorporación de oxígeno al agua residual representa un consumo energético). El sistema anaerobio genera poco fango y requiere de un mínimo aporte de energía y de él es posible obtener un subproducto como el metano (CH4) útil como fuente energética y que es el principal componente del biogás.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Procesos aerobios y anaerobios (2) El proceso de digestión anaerobia comprende un conjunto de reacciones sumamente complejas, ligadas al metabolismo de los numerosos microorganismos que actúan como intermediarios en la transformación de la materia orgánica en sustratos directamente asimilables que acaban convirtiéndose en biogás. Los procesos anaerobios se emplean casi exclusivamente cuando se tiene una muy alta carga contaminante; por ejemplo, para tratar el fango de los purines o aquellos procedentes de un sistema aerobio, como tratamiento inicial de aguas residuales industriales con una elevada carga de contaminante y cuya depuración se finaliza con sistemas aerobios, etc. Este tipo de tratamiento son adecuados en aquellos casos en que el influente es una masa homogénea en la que no se puede distinguir entre la fase líquida y la sólida. El lodo residual anaerobio es una mezcla de materia orgánica y microorganismos vivos o muertos bien estabilizada, por lo que normalmente, tras el secado, puede acumularse en vertederos o ser usado para acondicionar tierras de labor. Estos tipos de lodos son un valioso fertilizante ya que, al no degradarse los nutrientes por completo, aparecen en formas fácilmente asimilables por las plantas; de hecho su composición es similar al humus; sin embargo, es necesario un control periódico del suelo donde se use como fertilizante porque puede producir una acumulación de fósforo y potasio.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Procesos aerobios y anaerobios (3) PROCESO AEROBIO

PROCESO ANAEROBIO

Necesario aporte de oxígeno

Costos operativos bajos

Límite en la carga que puede tratar

Capacidad para altas cargas orgánicas e hidráulicas

Gran producción de fangos no estabilizados

Pequeña producción de fangos

Permite la nitrificación simultánea

Necesita de post-tratamientos

Mayor rendimiento de depuración

Puesta en marcha muy lenta y delicada

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Principios de la depuración biológica La depuración biológica es consecuencia de un fenómeno físico-biológico (bio-floculación) y de un fenómeno exclusivamente biológico (el metabolismo bacteriano). La bio-floculación es el fenómeno mediante el cual se forman los flóculos de materia (que después son separados con los fangos) en el seno del agua a tratar. El componente físico de la bio-floculación es la turbulencia que favorece el encuentro entre partículas “no vivas” o entre colonias de bacterias, mientras que el componente biológico es un no bien conocido efecto de floculación (adsorción de coloides) favorecido por productos del metabolismo de los microorganismos, primordialmente polisacáridos, que pueblan los mismos flóculos, y que actúan de forma análoga a los poli-electrolitos. La bio-floculación no origina ninguna variación química en los contaminantes sino que sólo es un paso de la forma suspendida no sedimentable a la forma suspendida sedimentable. El metabolismo bacteriano es un conjunto de reacciones bioquímicas en las que se emplean compuestos contaminantes solubles para obtener energía (catabolismo) o para producir biomasa bacteriana (anabolismo). El metabolismo bacteriano permite separar sustancias solubles o fácilmente solubilizables en forma de gases que salen del sistema acuoso, en el caso de catabolismo, o en forma de nueva biomasa de bacterias que se adhieren a los flóculos, en el caso del anabolismo. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Principios de la depuración biológica (2) Para realizar el tratamiento biológico no se precisa inocular cultivos especialmente diseñados para estos procesos, ya que se pueden obtener estos organismos aislándolos directamente de los fangos producidos por este mismo tratamiento. Si los fangos no tienen en un principio la mezcla ideal o la cantidad óptima de organismos, la selección natural hace que después de varios ciclos se vayan ajustando las poblaciones, de modo que los microorganismos necesarios para el tratamiento biológico acaban dominando el medio, mientras que los demás desaparecen. La presencia de algas y hongos debe considerarse como accidental, y no están comprendidos en el ciclo tecnológico-biológico del proceso. Las algas no originan daños relevantes pero se acumulan en la parte superficial de los reactores biológicos y deben eliminarse. Sin embargo, los hongos puede influir negativamente sobre la microbiología del proceso porque originan formas filamentosas que obstaculizan la formación de flóculos y, en general, empeoran las características de sedimentabilidad.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Micro-flora predominante Los microorganismos que participan en el tratamiento biológico de las aguas residuales son los siguientes: 

Microorganismos primarios. Constituidos por las bacterias (aerobias, anaerobias y facultativas) y las algas unicelulares. Estos microorganismos son capaces de metabolizar la mayoría de materiales orgánicos.



Algas fotosintéticas. Las algas fotosintéticas no consumen directamente la materia orgánica, pero si CO2, amoníaco y fosfatos para realizar la fotosíntesis, con lo que ayudan a la permanencia de las condiciones aerobias (presencia de oxígeno).



Hongos y algas multicelulares no fotosintéticos. Los hongos pueden metabolizar la mayoría de los compuestos orgánicos. Si bien en condiciones óptimas no pueden competir con las bacteria, sí que pueden llegar a ser predominantes en los influentes que posean un alto contenido en carbohidratos en condiciones de pH bajo (inferior a 6) y déficit de nitrógeno o de oxígeno.



Animales microscópicos. Estos animales necesitan más materia orgánica que la que se encuentra en las aguas, por lo que también se alimentan con bacterias. Esta característica hace que se utilicen para separar el exceso de bacterias, contribuyendo a la clarificación de las aguas. Sólo se encuentran en aguas muy limpias. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tratamientos de tipo natural Todos ellos presentan una óptima resistencia a los golpes de carga hidráulica y orgánica. Sin embargo, tienen como inconvenientes el que requieren de mucha superficie, y que, en algunos casos, su rendimiento depurativo está influenciado por las condiciones climáticas. Actualmente, los dos tratamientos biológicos naturales que se emplean son: 

Lagunas aireadas o de aeración, y



Lagunas o estanques de estabilización.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas aireadas o de aeración Las lagunas aireadas constituyen un sistema aerobio de mezcla compleja (característica homogéneas en todo el volumen de la laguna) o próximo a ella, que se lleva acabo en un depósito poco profundo excavado en el terreno y que hace las veces de reactor. En la inmensa mayoría de los casos, el oxígeno se suministra mediante una serie de 2 o 3 ventiladores repartidos por la superficie de la laguna que aseguran, gracias a una velocidad de giro de entre 750 y 1500 rpm, un suministro de oxígeno entre 0,7 y 1,4 veces la DBO5 que se quiera eliminar. El ventilador específicamente es una hélice a motor instalada en el centro de un flotador circular. El proceso de lagunas de aeración se emplea en el caso de aguas residuales (domésticas o industriales) con un elevado contenido de sustancias biodegradables. Los factores de mayor influencia a la hora de su implantación son: 



Disponibilidad de un área adecuada y de una fuente de energía eléctrica Costos de implantación y operación

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas aireadas o de aeración (2) Entre los inconvenientes, se puede mencionar un requisito de energía eléctrica relativamente elevado (de 10 a 20 W/m3), su bajo aporte específico de oxígeno disuelto por unidad de energía eléctrica consumida (del orden de 1 kg O2/kW*h) y el que la alta velocidad de giro “maltrata” los flóculos de los fangos, aunque esto último no es un problema muy serio porque normalmente a los efluentes de lagunas aireadas no se les exige una garantía muy estricta en cuanto a las materias en suspensión. Otro de los aspectos a destacar de las lagunas aireadas en su alto tiempo de retención hidráulica (definible como el tiempo medio de permanencia del agua en la laguna), que se sitúa entre 2 y 10 días, circunstancia que permite disponer de una elevada concentración de bacterias, ya que asegura que la velocidad de evacuación de microorganismos (que viene limitada por el tiempo de retención hidráulica) es inferior a su velocidad de reproducción. La alta concentración de bacterias y el elevado tiempo de retención hidráulica garantiza la eficacia de este sistema de depuración, aunque también debe destacarse que esta eficacia está muy afectada por las variaciones estacionales de temperatura. Finalmente, las lagunas aireadas pueden constituirse con o sin recirculación de biomasa desde el sedimentador, aunque la segunda opción es la situación mas común.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas o estanques de estabilización Las lagunas de estabilización son grandes embalses donde la carga orgánica del influente es depurada por la acción de micro-algas y bacterias saprófitas, principalmente. Este tipo de tratamiento constituye en una buena solución, por su economía de realización y de gestión, para pequeñas comunidades de clima cálido o templado (la temperatura tiene una notable influencia sobre la cinética del proceso). De hecho, son raras las aplicaciones de lagunas de estabilización para grandes plantas de tratamiento y/o en clima frio. También es aplicable sobre aguas residuales industriales, a condición de que éstas posean una significativa presencia de sustancias orgánicas y no contengan sustancias que inhiban la actividad bacteriana. Entre las características de las lagunas de estabilización destacan:  Permiten un aceptable nivel depurativo.  Presentan una cierta flexibilidad frente a las variaciones de carga contaminante.  Permiten una fácil separación y digestión de los fangos.  No hay incorporación artificial de oxígeno, sino que éste procede del aire atmosférico. Pero sin duda, el aspecto que mejor define a estos estanques, y que simultáneamente es su mayor inconveniente, es la gran superficie que ocupan, hecho que lleva a definir la carga (por unidad de superficie y tiempo) que se puede tratar con ellos en kgDBO5&ha*día. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas o estanques de estabilización (2) La forma constructiva mas habitual es la rectangular, que permite un rendimiento depurativo similar al de la circular y es mas simple de realizar. La alimentación del influente se debe realizar en un punto lo mas lejano posible de la salida del efluente para no afectar negativamente el nivel de depuración, además, la entrada debe hacerse a baja velocidad y preferiblemente con largos difusores. Uno de los principales factores negativos de un estanque de estabilización es el crecimiento de algas por la radiación solar, que en climas cálidos es bastante intensa. La elevada concentración de algas determina una disminución en la eficacia del tratamiento, en particular en lo que hace referencia a la separación de sólidos suspendidos. Otro de los problemas que presenta este tipo de sistema es la acumulación de fangos dentro del mismo estanque, lo que reduce su volumen útil y limita su eficacia, además de poder originar malos olores al desarrollarse en ellos procesos anaerobios.

La separación del sedimento fangoso del fondo del estanque se realiza, por termino medio, cada 10 años (en el caso de los anaerobios es a los 5-10 años) y tras su vaciado, aunque en algunos casos se lleva a cabo mediante pequeñas dragas o con bombas sin vaciar el estanque. El fango obtenido puede re-utilizarse en agricultura si se esta en una zona rural, proporcionando buenos resultados por las características químico-biológicas que presenta. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas o estanques de estabilización (3) Existen tres tipos de clasificación: 

De acuerdo al contenido de oxigeno:  Lagunas aérobicas. En ellas predominan los procesos aeróbicos (presencia de oxigeno).  Lagunas anaeróbicas. Fundamentalmente tiene lugar los procesos anaeróbicos (ausencia de oxigeno).  Lagunas facultativas. Predominan tanto los procesos aeróbicos como los anaeróbicos.



De acuerdo al lugar que ocupan en relación a otros procesos:  Lagunas primarias. Reciben aguas residuales crudas.  Lagunas secundarias. Reciben efluentes de otros procesos de tratamiento.  Lagunas de maduración. Su propósito fundamentalmente es reducir el numero de microorganismos indicadores.



De acuerdo a la secuencia de las unidades:  Lagunas en serie. Dependen de la topografía del terreno y del nivel de calidad requerido en el efluente del sistema.  Lagunas en paralelo. Dependen de las etapas de implementación de las unidades y topografía del terreno, y las condiciones de operación y mantenimiento de la instalación. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas o estanques de estabilización (4) Los distintos tipos de lagunas de estabilización difieren esencialmente en el proceso biológico particular que en ellos se desarrolla y que es función de la profundidad que tengan. Así, se distinguen: a)

Lagunas aeróbicas o de alta producción de biomasa. Se caracterizan por tener una profundidad muy reducida (entre 0,3 y 0,5 metros), lo que permite la penetración de la radiación solar hasta el fondo, manteniéndose las condiciones aeróbicas en casi todos los niveles de la masa de agua. Trabajan con baja carga (85 - 170 kg. DBO5/ha*día), con un tiempo de retención hidráulica de 4 - 6 días y permiten una reducción del 80 - 95% de la DBO5. Estas condiciones estimulan la producción de algas en periodos de retención cortos. Tienen su aplicación en climas calientes y con buena radiación solar, y en la producción y cosecha de algas.

b)

Lagunas facultativas. Presentan una profundidad intermedia (entre 1,2 - 2,5 metros) y pueden aplicarse para cargas de entre 100 y 300 kg. DBO5/ha*día (200 – 250 kg. DBO5/ha*día para climas cálidos), siendo su rendimiento depurativo similar al de las lagunas aeróbicas, pero con tiempo de retención hidráulica de 5 a 30 días. Se caracterizan porque mantienen unas condiciones aerobias establecidas en la proximidad de la superficie (degradación aerobia y fotosíntesis), que contrastan con la descomposición anaeróbica de los sólidos sedimentados en el fondo. La interface entre ambos niveles varía en el curso del día en relación a la irradiación solar. Su aplicación radica como laguna primaria única de tratamiento, o bien como una unidad secundaria después de las lagunas anaeróbicas o aireadas. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Lagunas o estanques de estabilización (5) c)

Lagunas anaeróbicas. Son las de mayor profundidad (2,5 - 5 metros) y las que también pueden trabajar con una mayor carga de sustancia orgánica (225 - 600 kg. DBO5/ha*día), inhibiendo la actividad fotosintética de las algas. Los tiempos de retención hidráulica se establecen entre 20-50 días y los rendimientos en la reducción de la DBO5 son del 50-85%. Entre ellas predomina un ambiente falto de luz y oxigeno en casi todos los niveles de la masa de agua, por lo que los procesos depurativos que se instauran son exclusivamente anaerobios, motivo por el cual es menor la eficacia depurativa y, en consecuencia, requieren un tratamiento adicional, pues el efluente obtenido contiene un alto porcentaje de materia orgánica. Su aplicación radica como primera etapa en el tratamiento de aguas residuales domésticas industriales.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tratamientos de instalación Los sistemas biológicos que aquí se incluyen pueden derivarse en dos grupos, en base al modo de cultivo de los microorganismos que realizan la depuración: En este tipo de lagunas, la degradación de la materia orgánica se desarrolla en dos etapas:  Sistemas de biomasa suspendida: los microorganismos se encuentran dispersos por todo el volumen del reactor biológico.



Aerobios:

Fangos activos

Anaerobios:

Sistemas anaerobios de mezcla completa Reactor de lecho de lodos

Sistemas de biomasa fija: los microorganismos se encuentran retenidos sobre algún tipo de soporte sólido. Aerobios:

Lechos bacterianos o Filtros percoladores Biodiscos o contador biológico rotativo

Anaerobios:

Filtros anaerobios biológicos Lecho fluidificado Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Tratamientos de instalación (2) De todos los tratamiento citados, seguramente el de fangos activos sea el de uso mas extendido por tratarse de una instalación simple, bastante compacta, fácil de dirigir por su flexibilidad y con unos costos de funcionamiento moderados. Los sistemas de biomasa fija son mas compactos que los de biomasa suspendida; además, presentan una flexibilidad frente a cargas variables mas limitada y unos costos de realización algo mayores, pero menores costos de gestión.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso aerobio: Fangos activos Desde el punto de vista estrictamente técnico, el proceso de fangos o lodos activos está constituido por un fermentador o reactor aerobio alimentado con el influente a tratar el flujo continuo, completamente mezclado o no (existen diferentes variantes del proceso) y que contiene una población bacteriana heterogénea. La base de la depuración por fangos activos es la formación, mediante el proceso ya citado de bio-floculación, de agregados bacterianos denominados flóculos de fango, de aspecto gelatinoso y de algunos milímetros de tamaño. Estos flóculos están constituidos por sustancias en suspensión primordialmente orgánicas y con frecuencia en estado coloidal, así como de una numerosísima población de microorganismos vivos, principalmente bacterias seleccionadas por las característica del ambiente (pH, luz, oxígeno disuelto, carga orgánica, micronutrientes, sustancias tóxicas). Si bien son las bacterias las que realmente degradan el residuo orgánico del influente, también es importante la actividad de otros microorganismos tales como los protozoos, que consumen las bacterias dispersas que no han floculado o los rotíferos, que degradan cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado.

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Proceso aerobio: Fangos activos (2) El proceso que conduce a la eliminación de las sustancias orgánicas contenidas en el influente por medio de los fangos activos, se puede secuenciar de la siguiente forma: 1. 2. 3.

4.

El primer paso es la bioadsorción y biofloculación del sustrato en contacto con los fangos activos. El segundo es la rotura de las sustancias poliméricas y las moléculas grandes en moléculas más pequeñas fácilmente bioadsorbibles y metabolizables por los microorganismos. El tercero esta constituidos por dos procesos que se desarrollan paralela y simultáneamente. Por un lado, la oxidación aeróbica o respiración del material orgánico soluble biodegradable con producción de H20, CO2, etc. (catabolismo celular) y, por otro lado, la síntesis de nuevas células bacterianas (anabolismo celular). Finalmente, cuando disminuye la disponibilidad de sustrato, existe una oxidación del material orgánico inerte y celular de reserva para obtener la energía necesaria para mantener el metabolismo basal. Este fenómeno de auto-oxidación de las células se denomina “respiración endógena” y, como tal respiración, consume oxígeno.

Si bien, teóricamente esta secuencia de procesos podría conducir a la completa eliminación de las sustancias orgánicas, en la realidad es muy raro superar el 95% en su depuración, debido a dos razones:

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Proceso aerobio: Fangos activos (3) 

Motivos técnicos. Rendimientos muy elevados comportan notables y no justificados incrementos en los costos operativos y de implantación de los fangos activos.



Motivos biológicos. Existen sustancias de muy lenta biodegradación. Además, en el efluente final siempre es posible encontrar pequeñas cantidades de metabolitos bacterianos e, incluso, bacterias y finas partículas en suspensión que escapan del sedimentador secundario que prosigue al tratamiento biológico.

Los tratamientos biológicos convencionales por fangos activos finalizan con la denominada sedimentación secundaria, que tiene como objeto la separación de la fase líquida de los flóculos de fango. Para esta operación suelen emplearse tanques de decantación circulares o rectangulares, donde parte del fango depositado en el fondo del sedimentador secundario se recircula para mantener la concentración de microorganismos en el reactor, mientras que el resto se purga. En definitiva, el correcto funcionamiento de un sistema de fangos activos depende de un adecuado suministro de oxígeno que permita:

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Proceso aerobio: Fangos activos (4)  

  

La degradación biológica de la sustancia orgánica Satisfacer la respiración endógena Producir la mezcla completa en el reactor El desarrollo de la nitrificación, si es el caso Mantener una concentración mínima de oxígeno disuelto de 1-2 mg/l para evitar condiciones anóxicas (carencia de oxígeno disuelto).

En este sentido, existen dos sistemas de incorporación de aire al influente:  

Aeración mecánica (agitadores superficiales) Aeración por insuflación (difusores sumergidos)

Los aireadores mecánicos actúan generando una fuerte agitación del agua residual mediante turbinas verticales o rotores horizontales. Ambos sistemas aseguran tanto el aporte de oxígeno al tanque, procedente del aire atmosférico, como una buena agitación del influente. Como inconvenientes de las turbinas podría citarse que son ruidosas y producen salpicaduras.

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Proceso aerobio: Fangos activos (5) La instalación del sistema de aeración por insuflación y de los compresores de aire necesarios requiere una mayor inversión, por lo que solo se utiliza en las PTAR de gran tamaño, en la que se consiguen importantes ahorros energéticos por la mayor eficiencia de la aeración. El insuflado de aire puede realizarse mediante difusores sumergidos de burbuja fina o de burbuja gruesa. Los primeros son los de uso mas frecuente porque presentan una mejor transferencia de oxígeno al medio (proceso de absorción), dado que un menor tamaño de burbuja de aire implica una menor velocidad de ascenso y, por consiguiente, un mayor tiempo hasta llegar a la superficie. Este hecho permite una más alta transferencia de oxígeno, un consumo de aire inferior y, por ende, también energético. Como dato, en los difusores de burbuja fina se utilizan 24-36 m3 de aire/kg DBO5 eliminada, mientras que en los de burbuja gruesa se precisan del orden de 30-55 m3 de aire/kg DBO5 eliminada.

Sin embargo, los difusores de burbuja fina fabricados con cerámica presentan problemas de ensuciamiento y un alto costo de mantenimiento, por lo que deben alimentarse con aire particularmente exento de impurezas; para evitar estos inconvenientes, están siendo sustituidos por los de membrana flexible, que no tienen estas desventajas.

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Proceso anaerobio: Mezcla completa La digestión anaeróbica se lleva a cabo en un tanque cerrado en el que se introduce, de manera continua o discontinua, el agua residual o residuo a tratar. La mezcla completa asegura que la composición del influente en todo el volumen del reactor sea homogénea. Esta mezcla puede realizarse mediante agitación mecánica con una hélice situada en el interior del reactor o por un sistema neumático por recirculación de gas. Dentro de este tipo de tratamiento anaerobio existen dos variantes: 



Reactor de tanque agitado sin recirculación de biomasa (ANIFLOW). Reactor de tanque agitado con recirculación de biomasa o reactor de contacto (ANCONT). En este caso, a continuación del reactor se sitúa un decantador secundario por el que se hace circular el efluente, previa desgasificación de éste por agitación violenta (ya que la presencia de gas podría impedir la sedimentación).

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Proceso anaerobio: Mezcla completa (2) Los tanques de digestión anaerobia contienen grandes cantidades de materia orgánica en suspensión (entre 20 y 100 g/l se considera adecuado). La mayor parte de ese material suspendido es biomasa bacteriana, en concentraciones de hasta 109 – 1010 bacterias por mililitro. Los hongos y protozoos se encuentran en numero muy bajo y no desempeñan un papel significativo en la digestión anaeróbica.

Sin recirculación de biomasa

Con recirculación de biomasa

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Proceso anaerobio: Reactor de lecho de lodos Los reactores anaerobios de esta tipología se denominan UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket o Manto de Fango de Flujo Ascendente). En el interior de estos reactores se favorece la formación de flóculos o agregados de bacterias; al realizarse la alimentación del influente por la parte inferior y generarse gases (principalmente CO2 y metano), estos flóculos pueden mantenerse en suspensión. Tanto el gas libre como las partículas a las que se ha adherido el gas, ascienden hacia la parte superior del reactor donde se produce la liberación de este gas adherido, al entrar en contacto con unos deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas suelen volver a caer y el gas se captura en una bóveda de recogida de gases instalada en la parte superior del reactor.

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Proceso anaerobio: Reactor de lecho de lodos (2) Es decir, permanentemente tenemos un flujo ascendente y otro descendente de agregados bacterianos, aunque no hay una distribución homogénea de los mismos, ya que su concentración es tanto mayor cuanto mas próximos están a la base del reactor. El líquido tratado que sale del reactor y que contiene algunos sólidos residuales y gránulos biológicos, se conduce a una cámara de sedimentación . Los sólidos separados se reintroducen en el reactor. El tiempo de retención del reactor UASB es de 4-12 horas, permitiendo una reducción del 7585% en la DBO. La velocidad de flujo necesaria para mantener el fango en suspensión es de 0,6 – 0,9 m/h.

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Sistemas de biomasa fija La siempre mayor limitación de los espacios y la exigencia de contener dentro de unos valores aceptables los costos de construcción y de ejercicio de los tratamientos de depuración, están llevando a reconsiderar cada vez más las ventajas propias de los reactores biológicos de biomasa fija (biopelículas o biofilms) respecto a los de biomasa suspendida. La mayor parte de los sistemas de depuración utilizan medios de soporte fijos o móviles de una gran superficie y que pueden ser de origen natural (cantos rodados, escoria, antracita, puzolana) o de plástico. Entorno a estos soportes se forma una biopelícula (que no es más que una colección irregular de microorganismos y de sus productos extracelulares) a través de la cual, una vez en contacto con el agua residual, se produce un doble proceso de difusión: El paso de materia orgánica disuelta y de oxígeno desde el agua residual al biofilm, donde se produce la depuración por metabolización microbiana de la materia orgánica. La generación de CO2 y metabolitos de los microorganismos desde el biofilm al agua.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sistemas de biomasa fija (2) Debido a que la migración del sustrato es de 3 a 5 veces menor que la del oxígeno, la biopelícula se desarrolla en dos capas:  

Una capa externa, aerobia, que recibe sustrato y, por tanto, crece. Otra capa más interna, anaeróbica, sin sustrato ni oxigeno y en fermentación, cuyos gases provocan el desprendimiento de trozos de biopelícula que son arrastrados por el agua y separados en la decantación secundaria.

También habrá arrastre de bacterias si el agua residual pasa a gran velocidad, debido al importante esfuerzo cortante que se genera. En cualquier caso, el espacio libre es ocupado rápidamente por nuevas colonias bacterianas. Este fenómeno es la esencia del mecanismo de auto-limpieza que impide el atascamiento del sistema. En cuanto a las ventajas y otras características de estos sistemas, cabe destacar:  Facilitan la separación del líquido y de la biomasa.  Permiten disponer de una elevada concentración de microorganismos en los reactores para cualquier tiempo de retención hidráulico. En estos sistemas, los tiempos de permanencia son relativamente cortos (de 5 a 15 minutos), por lo que si no estuviesen las bacterias fijadas a un soporte, habría un lavado de éstas, por ser este tiempo inferior al tiempo de generación de microorganismos. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Sistemas de biomasa fija (3)    

Dan elevados rendimientos depurativos. Puede favorecerse el crecimiento diferenciado de bacterias en diferentes zonas del reactor, variando el tipo de superficie de soporte. Poseen estabilidad y resistencia ante variaciones de la carga del sustrato. Presentan una mayor resistencia que los sistemas de biomasa suspendida frente a toxinas e inhibidores (por ejemplo, antibióticos). La presencia de estos compuestos afectará, por difusión, a las primeras capas de microorganismos, pero el biofilm podrá recuperarse si esta presencia no es muy duradera.

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Proceso aerobio: Lechos bacterianos o filtros percoladores En este sistema de depuración biológica, el agua residual, generalmente decantada para evitar un rápido atascamiento, se derrama sobre un lecho de grava o piezas de plástico, en la que se adhieren los microorganismos constituyendo una biopelicula. Es aquí donde se elimina una gran parte de la materia orgánica.

Este relleno se debe repartir en un reactor, que normalmente es de diseño circular con distribución rotativa del agua residual, por ser éste el sistema más sencillo y eficaz para producir una buena equi-repartición del influente y un buen contacto entre ambas fases. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso aerobio: Lechos bacterianos o filtros percoladores (2) En algunos casos, los reactores son de construcción rectangular con distribuidores fijos (aspersores) en las esquinas. La solera de estos reactores tiene un falso fondo que soporta el material, permitiendo que salga el agua residual y que entre el aire (la casi totalidad de los lechos bacterianos utilizan la ventilación natural ascendente). A la salida del filtro percolador se sitúa un canal de recogida de las aguas que puede ser interior o exterior; situado en el exterior, alrededor del lecho, es visitable y más fácil de limpiar. Una inclinación del fondo, al menos del 2%, proporciona una buena velocidad de circulación del agua y evita los depósitos. A continuación del filtro percolador es conveniente instalar un sedimentador para eliminar los sólidos que puedan desprenderse del filtro. Estos sólidos, en su caída, absorben una parte de los materiales no sedimentables, coloidales, no eliminados en la decantación primaria y que, por tanto, entran con el agua residual en el lecho bacteriano. Normalmente, se recircula parte del agua procedente del decantador secundario si la entrada de agua al filtro no es suficiente como para asegurar que esté permanentemente mojado (pero no sumergido, pues no entraría oxigeno), para evitar que se seque el biofilm. Además, con la recirculación se consigue una siembra en la superficie y se contribuye a la homogeneidad del filtro.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso aerobio: Lechos bacterianos o filtros percoladores (3) Se busca que los filtros percoladores funcionen por gravedad, sin una sola bomba, con lo que la potencia instalada será mínima, así como el mantenimiento requerido. Estas circunstancias los hacen muy indicados para instalaciones pequeñas en zonas de baja población. Finalmente, los dos principales inconvenientes de este sistema son: 1.

Sobre la superficie del filtro pueden crecer todo tipo de organismos (algas, protozoos, gusanos, insectos, etc.), lo que unido al hecho de tener el lecho bacteriano en contacto con el aire (las bacterias están mojadas y no sumergidas), termina por originar malos olores. Para solucionar este problema se puede recurrir a cubrir el reactor con una lona o con otro tipo de estructura sencilla, aunque ello incrementa los costos.

2.

Debido al corto tiempo de residencia del agua residual en los lechos bacterianos, no es posible realizar la nitrificación, ya que no se puede completar la fase de amonificación, es decir, la transformación del nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. Como solución, en los casos en que se busque eliminar el nitrógeno orgánico, se puede realizar una primera etapa de tratamiento con lechos bacterianos o por fangos activos, en la que se elimine entre el 80 y el 90% de la contaminación carbonatada, seguida de una segunda etapa con lecho bacteriano para la oxidación biológica del nitrógeno amoniacal.

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Proceso aerobio: Biodiscos El sistema de biodiscos consiste en una batería de discos paralelos (en serie) que giran sobre un eje horizontal y se sumergen, del orden de un 40%, de forma cortante en la superficie del agua a tratar. Sobre el material de rellenos de los discos se adhieren los microorganismos formando el biofilm, de forma similar a como sucede sobre el relleno de los filtros percoladores. Al girar los biodiscos sobre su eje, el biofilm se sumerge en las aguas residuales y contacta con el oxigeno atmosférico de forma alternativa, por lo que los sólidos del agua estén en suspensión y no sedimenten.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso aerobio: Biodiscos (2) Este sistema permite un mejor control del proceso que los filtros percoladores, ya que la velocidad de paso del agua residual y la depuración pueden controlarse a través de la velocidad de giro de los biodiscos y de la distancia entre éstos. Sin embargo, al tener partes móviles, requiere un mayor consumo de energía eléctrica (aunque menor al de los procesos tradicionales) y presentan inconvenientes mecánicos que pueden provocar hasta la rotura del eje horizontal y de giro, en caso de estar infra-dimensionado respecto a la carga aplicada, a causa del exceso de peso de la biomasa. Por otro lado, se ha podido demostrar teóricamente y en ensayos de laboratorio que es posible lograr la eliminación combinada de la materia orgánica y del nitrógeno en un único reactor, controlando las cargas y concentraciones de sustancias orgánicas, la temperatura y la presión parcial de oxigeno en la fase gaseosa.

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso anaerobio: Filtro anaerobio Los filtros anaerobios se emplean cada vez más por su reducido espacio, por lo que son especialmente útiles en pequeñas industrias, actuando como mini-estaciones de tratamiento de agua móviles. Consisten en una columna de relleno sobre la que se desarrollan y fijan las bacterias anaeróbicas. Al encontrarse los microorganismos adheridos sobre un medio sólido se pueden lograr tiempos de retención celular muy elevados, del orden de 100 días, con bajos tiempos de retención hidráulica. Esta circunstancia permite que estos filtros sean recomendables en tratamientos de aguas residuales de alta concentración contaminante. Existen dos variantes de este tratamiento según el sentido del flujo del agua a tratar: 

Filtro anaerobio de flujo ascendente: En este caso, el agua a tratar pasa de abajo a arriba por el interior de la columna, llevándose a cabo la mayor parte de la depuración por los microorganismos adheridos sobre el soporte inmóvil. Estos microorganismos suman, aproximadamente, el 70% de las bacterias totales presentes en el sistema, ya que hay una parte de ellas que son arrastradas por el influente y reemplazadas sobre el soporte, según el ya mencionado mecanismo de auto-limpieza que confiere estabilidad y resistencia a cambios de caudal. El borboteo del metano generado produce que la fase líquida esté completamente agitada y sea homogénea la carga contaminante. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso anaerobio: Filtro anaerobio (2) 

Filtro anaerobio de flujo descendente: Aquí el influente entra por la parte superior y sale por la inferior. Se diferencia del anterior, además del sentido del flujo, por una distinta distribución del soporte en el seno del reactor y por darse una gran turbulencia en la cabeza del mismo (lugar donde la concentración de carga contaminante es mayor) debido a la circulación en contracorriente del líquido (descendente) y del metano (ascendente).

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Proceso anaerobio: Lecho fluidificado Se trata de un reactor relleno parcialmente de biopartículas en estado fluidizado, es decir, libremente suspendidas por la corriente líquida. Dicha corriente está formada por la recirculación y por el influente a tratar, que circula en flujo ascendente a través de las partículas. Las citadas biopartículas están constituidas por un soporte inerte (granos de arena, carbón, conglomerante expandido) entorno al cual se fija la biomasa microbiana. En muchas ocasiones se emplea un inoculo de lodo, procedente de un reactor anaerobio, para conseguir una biopelícula biológica bien adherida al soporte, aunque se requerirá de un elevado tiempo de adaptación de los microorganismos al nuevo sustrato y de una temperatura adecuada Una de las características de un sistema como el descrito es que si, una vez alcanzada la velocidad de flujo que permite lograr el estado fluidificado, ésta aumenta, se incrementa la longitud del lecho sin que se observe una variación significativa en la caída de presión. La diferencia de presión se mantiene, pues, sensiblemente constante e igual al peso de las partículas por unidad de superficie (la caída de presión a través del lecho equilibra a la fuerza de gravedad, lo que significa que la fuerza total de fricción sobre las partículas debe ser igual al peso efectivo del lecho).

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso anaerobio: Lecho fluidificado (2) También se observa que las biopartículas no son iguales, al ser variable el espesor de la biopelícula fijado al soporte, siendo la densidad global de la biopartícula tanto menor cuanto mayor sea el grosor del biofilm. Esta circunstancia es la responsable de que en el lecho haya una distribución de tamaños de biopartículas, fenómeno que recibe el nombre de estratificación. Uno de los principales inconvenientes que presenta este sistema de tratamiento es el arrastre de biopartículas por las burbujas de metano en el recirculado, que originan serios problemas de abrasión en conducciones (pueden llegar incluso a ser perforadas), rodetes de bombas, etc. por donde es vehiculada la fracción que se recircula. La recirculación de efluente se realiza para diluir el agua entrante y para mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halle expandido. De hecho, si bien los lechos fluidificados son mas eficientes que los filtros anaerobios y que los reactores UASB, son los menos instalados porque, además de unos elevados costos de explotación, en buena parte debidos al problema de corrosión física, son complicados de diseñar y requieren múltiples mecanismos de control. Esto último se debe al hecho de que al arrancar el reactor, el lecho esta formado por partículas de material inerte, pero a medida que los microorganismos se adhieren a la superficie, la densidad, tamaño y forma de las partículas evolucionen, obligando a modificar las condiciones de operación. Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.

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Proceso anaerobio: Lecho fluidificado (3) En los lechos fluidificados se pueden lograr concentraciones de masa superiores a 1500040000 mg/l. Estas concentraciones tan elevadas de biomasa permiten que el tratamiento del agua residual se pueda realizar con tiempos de retención hidráulica muy pequeños.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

Muy alta capacidad de tratamiento

Alto consumo energético

Muy bajo tiempo hidráulico de residencia

Dificultas para controlar la expansión del lecho

Aplicable a diferentes aguas residuales

Elevado nivel de sólidos suspendidos en el efluente

Aplicable a aguas con sólidos

Poca experiencia a escala industrial

Aplicable a aguas con tóxicos

Elevado coste de relleno

Ing. Freddy Muñoz Tobar, M.Sc.