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INTRODUCCIÓN El aprovechamiento del agua no es un hecho que tenga origen actual, tiene sus raíces en la antigüedad.

En el año 97 D.C.

ya existían acueductos que

suministraban este recurso a los habitantes de la gran ciudad de Roma. (Fuente: Instalaciones Sanitarias, por Jorge Ruiz Araneda y Rafael Pérez Carrasco, 1988). Desde entonces, el desarrollo de las ciudades y el crecimiento continuo de la población mundial, ha generado un aumento increíble en la proyección y construcción de las instalaciones sanitarias necesarias para la captación, almacenamiento, distribución y posterior consumo del agua por parte de las personas como un elemento de vital importancia. Pero no sólo la obtención y distribución del agua constituyen las instalaciones sanitarias, sino también, su saneamiento y disposición final después de ser utilizada. Chile no está ajeno a este desarrollo, el tema está siendo materia de gran preocupación, sobre todo en lo que se refiere a la disposición final del agua residual en los cursos de agua natural, y al daño a que éstos están sometidos debido a la gran cantidad de contaminantes que el agua residual trae consigo. Es por ello que cada día el tema adquiere una mayor importancia, relacionada directamente con la preocupación existente tanto de las autoridades gubernamentales como de los afectados en forma más directa.

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1.- AGUAS SERVIDAS Las aguas servidas, como inminente portadora de enfermedades por sus residuos contaminados; física, química y biológicamente, han sido materia de gran preocupación e importancia en el desarrollo de la población a nivel mundial. La necesidad de eliminar aguas negras, tiene sus raíces en la antigüedad y actualmente aún se conservan en servicio importantes obras como el gran alcantarillado de Roma, conocido como la cloaca máxima, construido para drenar el foro romano. La canalización, tratamiento y disposición final de las aguas, como control de los efectos perjudiciales al bienestar físico, mental y social del hombre son parte básica para alcanzar un buen nivel de higiene y salud y así prevenir enfermedades tales como el cólera, fiebre tifoidea y otras provocadas por bacterias que utilizan el agua como principal agente de movilización. La continua búsqueda del hombre en el aprovechamiento de los recursos naturales, es parte inherente al desarrollo y bienestar de la población, adquiriendo cada uno de estos recursos especial relevancia. Así en el caso del saneamiento del agua residual es posible encontrar una diversidad de soluciones para un mismo problema, debiendo plantearse alternativas que se conjuguen en base a criterios que tienden a optimizar la calidad funcional y costo, que al fin se transforman en puntos claves que permiten enfrentar el manejo y toma de decisiones.

1.1.- GENERALIDADES SOBRE EL AGUA El agua es uno de los recursos naturales fundamentales y junto con el aire, la tierra y la energía constituye los cuatro recursos básicos en que se apoya el desarrollo de los seres vivos.

3 La importancia de la calidad del agua ha tenido un lento desarrollo. Hasta finales del siglo XIX no se reconoció el agua como origen de numerosas enfermedades infecciosas. Hoy en día, la importancia tanto de la cantidad como de la calidad del agua está fuera de toda duda. El agua es uno de los compuestos más abundantes de la naturaleza y cubre aproximadamente las tres cuartas partes de la superficie terrestre. Sin embargo, en contra de lo que pudiera parecer, diversos factores limitan la disponibilidad de agua para uso humano. Más del 97 % del agua total del planeta se encuentra en los océanos y otras masas salinas, y no están disponibles para casi ningún propósito. Del 3 % restante, por encima del 2 % se encuentra en estado sólido, hielo, resultando prácticamente inaccesible. Por tanto, se puede terminar diciendo que para el hombre y sus actividades industriales y agrícolas, sólo resta un 0.62 % que se encuentra en lagos, ríos y aguas subterráneas. La cantidad de agua disponible es ciertamente escasa, aunque mayor problema es aún su distribución irregular en el planeta (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.) El uso de los recursos naturales provoca un efecto sobre los ecosistemas de donde se extraen y en los ecosistemas en donde se utilizan. El caso del agua es uno de los ejemplos más claros: un mayor suministro de agua significa una mayor carga de aguas residuales; teniendo en cuenta, que el hombre como principal responsable de la conservación, también influye sobre el ciclo del agua de dos formas distintas, bien directamente mediante extracción de las mismas y posterior vertido de aguas contaminadas como se ha dicho, o bien indirectamente alterando la vegetación y la calidad de las aguas.

1.2.- AGUAS RESIDUALES La contaminación actúa sobre el medio ambiente acuático alterando el equilibrio de los diversos ecosistemas. Aunque el hombre no es un ser acuático,

4 depende vitalmente de éste medio, por lo cual utiliza el agua con su contaminación la que es difícil de eliminar. No se pretende afirmar que antes de llegar el hombre con su tecnología, el agua era pura. Aún después de la aparición del hombre, tuvieron que pasar muchos años antes de que hubiera ningún cambio en el ambiente. Cuando las poblaciones empezaron a verter sus desechos en ríos y lagos fue cuando las aguas se empezaron a deteriorar. Desde el punto de vista de las fuentes de generación, se puede definir el agua residual como la combinación de los residuos líquidos, o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de residencias como de instituciones públicas y establecimientos

industriales

y

comerciales,

a

los

que

puede

agregarse,

eventualmente, aguas subterráneas, superficiales y aguas lluvia. Si se permite la acumulación y estancamiento de agua residual, la descomposición de la materia orgánica que contiene puede conducir a la generación de grandes cantidades de gases malolientes. Por esto, la evacuación inmediata y sin molestias del agua residual de sus fuentes de generación, seguida de su tratamiento y eliminación, es no sólo deseable sino también necesaria en toda sociedad industrializada.

1.3.- SITUACIÓN ACTUAL 

Problema de los vertidos industriales: El número de industrias que vierten residuos a las redes de alcantarillado aumenta notablemente con el tiempo. Se está replanteando la validez de la práctica general de combinar vertidos industriales (pretratados) con vertidos domésticos debido a los efectos tóxicos que a menudo generan los residuos industriales, incluso cuando su presencia se da en concentraciones muy bajas. Se está estudiando la posibilidad de tratar ambos tipos de vertido por separado, o bien exigir un tratamiento más

5 avanzado de los vertidos industriales antes de caer en colectores de aguas domésticas, con el fin de que no produzcan daño alguno. 

Impacto de las aguas lluvias y las fuentes no localizadas de contaminación: A medida que va aumentando el número de plantas con tratamiento secundario o avanzado, aumenta la importancia de las aguas lluvia y fuentes no localizadas de contaminación (aguas que provienen de zonas de regadío y que pueden contener abonos, fertilizantes, etc.) en la calidad de los cursos de agua.



Vertido de caudales de colectores unitarios: El vertido de caudales de las redes de alcantarillado de tipo unitario, está considerado como un problema difícil y complejo que es preciso resolver, especialmente en el caso de las ciudades más antiguas. El vertido de grandes caudales puede tener un efecto importante en la calidad del agua, y puede impedir que se alcancen los objetivos establecidos.

El control de éste fenómeno puede conducir a

importantes modificaciones en los sistemas de recogida de las aguas, contemplando la posibilidad de la construcción de depósitos que puedan absorber parte de los caudales, o la adopción de medidas e instalaciones de tratamientos adicionales, los cuales a la vez conforman una elevada inversión. 

Operaciones de tratamiento, procesos y conceptos:

Actualmente la

mayoría de las operaciones y procesos empleados en el tratamiento de aguas residuales están siendo sometidos a una continua e intensa investigación, tanto desde el punto de vista de ejecución como de aplicación de los mismos. Como consecuencia de ello se han desarrollado nuevas operaciones y procesos de tratamiento y se han llevado a cabo muchas modificaciones en los procesos y operaciones existentes con el objetivo de conseguir su adecuación a los crecientes y rigurosos requerimientos que se establecen para la mejora ambiental de los cursos de agua. Además de las innovaciones y mejoras de los métodos de tratamiento convencionales, se están investigando y desarrollando métodos y tecnologías alternativas, como puede ser el caso del uso de plantas acuáticas.

La aparición de métodos de

tratamiento y caracterización de aguas residuales más avanzadas depende de

6 los buenos resultados obtenidos siguiendo ambas líneas de investigación (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.). 

Problemática de la salud pública y del medio ambiente: La preocupación por la salud pública y el medio ambiente está desempeñando un papel cada vez más importante en la elección y diseño tanto de la red de alcantarillado como de las plantas de tratamiento, siendo

los olores unas de las

preocupaciones ambientales más serias. 

Efectividad de los procesos de tratamiento: Debido al cumplimiento de las cada vez más exigentes normativas sobre vertidos, será necesario el diseño de plantas de tratamiento más modernas cuya explotación y mantenimiento sean más sencillos. Los costos de explotación y mantenimiento desempeñan un papel importante.



Plantas pequeñas y sistemas individuales de tratamiento: En el último tiempo el interés por los sistemas de tratamiento de pequeño tamaño se ha visto opacado por la construcción y explotación de grandes estructuras. Las plantas de pequeño tamaño se habían concebido, con frecuencia, como simples modelos a escala reducida de grandes plantas. Como consecuencia de ello, muchas consumen gran cantidad de energía, e incurren en elevados gastos de explotación con los cuales sería posible el funcionamiento de otras plantas más grandes.

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2.- CAUDALES y CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES En este capítulo se tratarán los caudales de las aguas residuales más importantes para la elección del diseño y posterior proyección de las instalaciones, al igual que las características que identifican las aguas en su grado de contaminación como el estudio necesario para su determinación.

2.1.- CAUDALES DE AGUAS RESIDUALES La determinación de los caudales de agua residual a eliminar de una determinada población es fundamental a la hora de proyectar las instalaciones para su recogida, tratamiento y evacuación.

Para obtener un diseño adecuado a las

necesidades, es preciso conocer datos sobre los caudales que se quieren tratar. En aquellos casos en que éstos datos sean escasos o inexistentes, es preciso estimarlos partiendo de otras fuentes de información, como puede ser el caso de los datos sobre consumo de agua. 2.1.1.- COMPOSICIÓN DE LOS CAUDALES DE AGUAS RESIDUALES La composición de los caudales de aguas residuales de un sector depende en gran medida del sistema de recogida que se emplee, y puede incluir los siguientes componentes:



Agua residual doméstica o sanitaria: Procedente de zonas residenciales o instalaciones comerciales, públicas y similares.



Agua residual industrial: industriales.

Agua residual en la cual predominan vertidos

8 

Infiltración y aportaciones incontroladas: Agua que entra tanto de manera directa como indirecta en la red de alcantarillado.

La infiltración hace

referencia al agua que penetra en el sistema a través de juntas defectuosas, fracturas y grietas o paredes porosas.

Las aportaciones incontroladas

corresponden a aguas lluvias que se descargan

a la red por medio de

alcantarillado de aguas lluvias, bajadas de aguas lluvias y tapas de cámaras de inspección. 

Aguas lluvias:

Agua resultante del escurrimiento

superficial. Para la

evacuación de las aguas residuales y aguas lluvia se emplean tres tipos de redes de alcantarillado: redes sanitarias, de aguas lluvia y unitarias. En los casos en los que se recoge por separado las aguas residuales (red sanitaria) y las aguas lluvia (red de aguas lluvia), los caudales de aguas residuales están compuestos por agua residual doméstica, agua residual industrial e infiltración y aportaciones incontroladas. En los casos en que se emplea una única red de alcantarillado (red unitaria), se debe añadir las aguas lluvia a estos tres componentes. En ambos casos los porcentajes atribuibles a cada uno de los componentes dependen de las características particulares de la zona y de la época del año. En las zonas dotadas de red de alcantarillado, la determinación de los caudales se lleva a cabo, normalmente, a partir de series históricas o de datos obtenidos en aforos por medición directa. Para las redes de nueva construcción, los caudales correspondientes se obtienen del análisis de los datos de población y las dotaciones de agua previstas, así como a partir de estimaciones de los caudales de agua residual per cápita en poblaciones de características similares. En aquellos casos en los que no es posible medir directamente los caudales de aguas residuales y no se dispone de series históricas de los mismos, los datos sobre el abastecimiento de agua potable pueden resultar de ayuda para estimar los caudales de aguas residuales.

9 2.1.2.- AGUA PARA USO PUBLICO Normalmente se suele dividir el uso público del agua en cuatro categorías: - USO DOMESTICO Comprende el agua abastecida a zonas residenciales, comercios e instituciones y espacios recreacionales y se mide a partir de medidores individuales.



Zonas residenciales: Los usos a los que se destina incluyen el agua que se bebe, la usada para la limpieza, higiene, evacuación de residuos y regado de jardines y zonas verdes particulares.



Comercios: El agua consumida para fines higiénicos y sanitarios depende en gran medida del tipo de actividad que se desarrolla, como por ejemplo el consumo de una oficina comparado con el consumo de un restaurante.



Instituciones: El agua que se consume en hospitales, colegios y residencias se mide normalmente en base a alguna medida del tamaño y servicio que se presta, como por ejemplo el consumo de un colegio comparado con el de un internado.



Espacios recreacionales: Instalaciones tales como piscinas, camping, centros turísticos y clubes deportivos incluyen usos de agua de diversa índole.

- USO INDUSTRIAL La cantidad de agua con que se abastecen las industrias para su uso en los diferentes procesos de producción presenta una gran variabilidad. Las industrias grandes consumidoras de agua, como las refinerías las químicas y las conserveras, suelen abastecerse al margen de las redes públicas de abastecimiento de agua (pozos).

En cambio, industrias cuyas necesidades y consumos son bastante

menores, como las dedicadas a productos de tecnología, si se abastecen a través de las redes públicas. - SERVICIO PUBLICO

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El agua destinada a servicios públicos representa el menor de los componentes del uso público del agua, e incluye el abastecimiento de los edificios públicos, las bocas de incendios, la irrigación de áreas verdes y el mantenimiento de infraestructuras. - PERDIDAS EN LA RED Y FUGAS Con este término se engloban los usos y conexiones no autorizados, las lecturas y calibraciones incorrectas de los medidores mal dimensionados y los sistemas de control inadecuados. Las fugas se producen debido al envejecimiento de la red, calidad de los materiales de construcción y falta de mantenimiento. 2.1.3.- FACTORES QUE AFECTAN EL USO PUBLICO DEL AGUA Existen ciertos factores, los cuales, marcan de alguna u otra manera la cantidad de agua consumida en una población.



Clima:

La temperatura y las precipitaciones pueden afectar de manera

considerable a los valores de los consumos. Debido fundamentalmente al aumento en las necesidades de riego, el consumo se maximiza en épocas secas y con altas temperaturas 

Tamaño de la población: No afecta tan sólo a los valores de consumo por habitante sino también a los consumos máximos. Los consumos presentan mayores variaciones respecto al consumo medio cuanto menor es el tamaño de la población.



Densidad: En cuanto a la estructura de la vivienda ( unifamiliar, conjuntos habitacionales y departamentos), influye tanto en los consumos interiores y exteriores.

Las viviendas unifamiliares suelen tener más aparatos

consumidores de agua, en cambio, el consumo exterior es menor en los

11 bloques de departamentos y conjuntos habitacionales que en las viviendas unifamiliares, principalmente por la menor necesidad de riego. 

Nivel económico: El nivel económico y adquisitivo de una población también afecta al consumo del agua, y en consecuencia, al caudal de agua residual que genera. El consumo de agua y el caudal residual son mayores cuanto mayor es el nivel de vida, aumento que puede ser debido, al mayor uso de aparatos que consumen agua.



Fiabilidad y calidad del servicio: Un servicio de calidad y que sea fiable favorece el consumo de agua. Un servicio pobre, en términos de escasez o falta de presión en periodos secos, de mal sabor o con alto contenido en minerales, puede derivar en un menor consumo de agua.



Economía del agua: Se puede dar de diferentes maneras: la introducción de restricciones en casos de emergencia, como las sequías, para conseguir una reducción de consumo a corto plazo; o la implantación de programas de actuación de largo alcance para conseguir la reducción permanente del consumo.



Redes de servicios dotadas de medidores: El cobro a los usuarios de redes de distribución dotadas con medidores se lleva a cabo normalmente en función del agua consumida, donde el hecho de introducir medidores y hacer las facturas en base a tarifas prefijadas evita de manera indirecta el despilfarro por parte de los usuarios de la red, tendiendo a reducir el consumo.



Fluctuaciones en el consumo de agua: Es importante conocer los consumos medios, pero también las fluctuaciones en el consumo. El consumo máximo se presenta generalmente en los meses de verano, para satisfacer las necesidades de riego de calles y jardines.



Agua de abastecimiento que llega a las alcantarillas: Una parte importante del agua abastecida no llega a la red de alcantarillado, ya sea por su uso en procesos de producción, irrigación de áreas verdes, mantenimiento de infraestructuras, apagado de incendios, etc.

2.1.4.- ORIGEN Y CAUDALES DE LAS AGUAS RESIDUALES

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Son varias las fuentes de generación que dan origen a los caudales de aguas residuales, entre ellas están las fuentes domésticas, industriales, infiltraciones y aportaciones incontroladas. - ORIGEN Y CAUDALES DE LAS AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS Las zonas residenciales y los centros comerciales constituyen las principales fuentes de generación de aguas residuales domésticas, aunque también debe tenerse en cuenta la importante contribución que representan las instituciones públicas y los espacios recreacionales.



Zonas residenciales: La determinación de los caudales de agua residuales suele hacerse en base a la densidad de población y a la contribución de las aguas residuales por habitante.

En grandes zonas residenciales es

aconsejable realizar las estimaciones en función a la superficie que ocupan y a las densidades de población previstas. En caso de que sea posible es conveniente basarse en datos reales de zonas residenciales de características similares. 

Zonas comerciales: La obtención de los caudales de agua residual que se generan en las zonas comerciales se basa normalmente en la comparación con datos de zonas existentes o de futura implantación. Debido a esta gran variabilidad, no deberían escatimarse esfuerzos en la búsqueda de datos referentes a instalaciones similares.



Instituciones públicas:

Es conveniente hacer notar de nuevo, que los

valores varían considerablemente en función de la región, el clima, y el tipo de institución.

Referente al proyecto de instalaciones la mejor fuente de

información es siempre la de centros existentes de similares características. 

Espacios y centros de recreo: Los caudales que se generan en este tipo de instalaciones varían en función de la época del año, dado que su actividad es marcadamente de temporada.

13 - ORIGEN Y CAUDALES DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Los caudales de aguas residuales no domésticas generadas en las diferentes industrias dependen del tipo y tamaño del centro industrial, el grado de reutilización del agua y el pretratamiento que se dé al agua utilizada, en el caso de que exista pretratamiento alguno. Para las industrias en las que no se reutiliza internamente el agua, se puede asumir que entre el 85% y 95% del agua empleada en los diversos procesos se convierte en agua residual, mientras que en las grandes industrias con sistemas de reutilización de aguas es preciso llevar a cabo estudios más detallados (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). - INFILTRACIÓN Y APORTACIONES INCONTROLADAS La infiltración y las aportaciones incontroladas en algunos casos son constituyentes de importancia en los caudales de aguas residuales.



Infiltración: Agua que entra en la red de alcantarillado a través de tuberías defectuosas, juntas, conexiones entre elementos de la red y paredes de los pozos de registro.



Aportaciones permanentes:

Agua proveniente del drenaje de sótanos y

cimentaciones, circuitos de refrigeración y drenaje de zonas pantanosas y manantiales. Este tipo de aportaciones permanentes pueden ser medidas e incluidas como parte de la infiltración. 

Aportaciones directas:

Incluyen las aportaciones del escurrimiento

superficial a la red sanitaria, circunstancia que provoca el aumento casi instantáneo de los caudales de agua residuales. Los posibles orígenes son los bajadas de aguas lluvia, drenajes de terrazas y patios, tapas de cámaras de inspección y conexiones incorrectas entre alcantarilla de aguas lluvia y de aguas residuales. 

Total de aportaciones incontroladas:

Son la suma de las conexiones

directas en cualquier punto de la red y la suma de todos los caudales

14 recogidos en la red aguas arriba de ese punto, ya sea gracias a desbordamientos, bypasses de estaciones de bombeo o similares. 

Aportaciones retardadas: Aguas lluvia cuyo drenaje e incorporación a la red de alcantarillado se produce al cabo de unos días después de las precipitaciones

- VARIACIONES EN LOS CAUDALES DE AGUA RESIDUAL Las variaciones de los caudales dependen tanto de la hora que transcurra del día, de la época del año o de alguna otra naturaleza como por ejemplo variaciones internas en industrias.



Variaciones a corto plazo: En las primeras horas de la mañana, en las que el consumo de agua es mínimo, también son mínimos los caudales que se registran, caudales compuestos fundamentalmente por aguas infiltradas y pequeñas cantidades de agua residual doméstica.



Variaciones estacionales: Las variaciones estacionales en los caudales de aguas residuales ocurren especialmente en zonas turísticas, pequeñas localidades con colegios y universidades y en zonas en las que tanto las actividades comerciales e industriales se concentran en diferentes épocas del año. La variación depende tanto de la actividad que se desarrolla como del tamaño de la localidad.



Variaciones industriales: Es difícil predecir la distribución en el tiempo de los caudales residuales de origen industrial, pues aunque las industrias generan

caudales aproximadamente constantes, éstos pueden

variar

notablemente si se produce el cierre temporal de una fábrica, o se decide limpiar una instalación o renovar el agua de los circuitos internos. Los vertidos industriales son especialmente problemáticos en plantas de tratamiento de pequeño tamaño, en las que la capacidad de absorber descargas instantáneas es bastante limitada.

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- CAUDALES DE DISEÑO



Caudal medio diario: Es el caudal medio en 24 horas obtenido a partir de los datos de todo el año. Los caudales medios se emplean para la determinación de la capacidad de una planta de tratamiento y para obtener los caudales de diseño.

También se puede emplear para evaluar los costos de bombeo,

inversión en productos químicos, volumen de lodos y carga orgánica. 

Caudal máximo diario: Máximo caudal en 24 horas obtenido a partir de los datos anuales de explotación.

Es de especial interés en el proyecto de

elementos que contemplan un cierto tiempo de retención, como puede ser el caso de tanques de homogeneización o de cloración. 

Caudal punta horario: Es el caudal horario punta que se da en un periodo de 24 horas, obtenido a partir de los datos de explotación anuales. Es de interés para el diseño de colectores, estaciones de bombeo de aguas residuales, medidores de caudal de aguas residuales, desarenadores, tanques de sedimentación, tanques de cloración, y conducciones y canales de una planta de tratamiento.



Caudal mínimo diario: Es el caudal mínimo registrado en 24 horas a partir de los datos de explotación.

Conocerlo es importante para el diseño de

conducciones en las que se pueda producir sedimentación cuando circulan caudales pequeños. 

Caudal mínimo horario: Es el caudal horario permanente mínimo que se presenta en un periodo de 24 horas, obtenido a partir de datos anuales. La información sobre caudales horarios mínimos es necesario para determinar posibles efectos sobre algunos procesos y para el dimensionamiento de caudalímetros, especialmente de aquellos que controlan los sistemas de adición de reactivos.

En algunas plantas, tales como la de filtros

percoladores, se precisa la recirculación del efluente tratado para mantener el proceso durante periodos en los que el caudal afluente es bajo. Los caudales

16 mínimos son importantes en el bombeo de las aguas residuales, con objeto de asegurar la adecuación de los grupos motobomba a los caudales que hay que bombear. 

Caudal permanente: Es el caudal cuyo valor persiste o es excedido durante un número especificado de días consecutivos, obtenido a partir de datos anuales.

La información sobre los caudales permanente es útil para el

dimensionamiento de tanques de regulación y otros elementos hidráulicos de la planta.

2.2.- CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES El conocimiento de la naturaleza del agua elaboración del

residual es fundamental para

proyecto y explotación de las infraestructuras tanto de recogida

como de tratamiento y evacuación de las aguas residuales, así como para la gestión de la calidad medioambiental. Las aguas residuales se caracterizan por su composición física, química y biológica. En la tabla 2.1 se muestran las principales propiedades físicas del agua así como sus principales constituyentes químicos y biológicos y su procedencia. En la tabla 2.2 se describen los contaminantes de interés en el tratamiento del agua residual. Las normas que regulan los tratamientos secundarios están basadas en las tasas de eliminación de la materia orgánica, sólidos en suspensión y patógenos presentes en el agua residual.

Las normas

recientes son más exigentes en lo que se refiere al control de la eliminación de nutrientes y de contaminantes prioritarios. 2.2.1.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL AGUA RESIDUAL Las características físicas más importantes del agua residual son el contenido total de sólidos, término que engloba la materia en suspensión, la materia sedimentable, la materia coloidal y la materia disuelta.

Otras características

importantes son el olor, la temperatura, la densidad, el color y la turbiedad.

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CARACTERÍSTICAS Propiedades físicas Color Olor Sólidos Temperatura Constituyentes químicos Orgánicos: Carbohidratos, grasas y aceites Pesticidas Fenoles Proteínas Contaminantes prioritarios Agentes tensoactivos Compuestos orgánicos volátiles Otros Inorgánicos: Alcalinidad Cloruros Metales pesados Nitrógeno pH Fósforo

PROCEDENCIA Aguas residuales domésticas e industriales, degradación natural de materia orgánica. Agua residual en descomposición, residuos industriales. Agua de suministro, aguas residuales domésticas e industriales, erosión del suelo, infiltración y conexiones incontroladas. Aguas residuales domésticas e industriales. Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Residuos agrícolas Vertidos industriales Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Degradación natural de materia orgánica Aguas residuales domésticas, agua de suministro, infiltración de agua subterránea Aguas residuales domésticas, agua de suministro, infiltración de agua subterránea Vertidos industriales Residuos agrícolas y aguas residuales domésticas Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales Aguas residuales domésticas, comerciales e industriales y aguas de escorrentía

Contaminantes prioritarios

Azufre Gases: Sulfuro de hidrógeno y metano Oxígeno Constituyentes biológicos Animales y plantas Protistas: Eurobacterias y arqueobacterias Virus

Agua de suministro, aguas residuales domésticas e industriales Descomposición de residuos domésticos Agua de suministro , infiltración de agua superficial Cursos de agua y plantas de tratamiento Aguas residuales domésticas, infiltración de agua superficial, plantas de tratamiento Aguas residuales domésticas

18 TABLA 2.1.- Características físicas, químicas y biológicas del agua residual y sus procedencias. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). CONTAMINANTES Sólidos en suspensión Materia orgánica biodegradable

Patógenos Nutrientes

Contaminantes prioritarios Materia orgánica refractaria Metales pesados

Sólidos inorgánicos disueltos

RAZÓN DE LA IMPORTANCIA Los sólidos en suspensión pueden dar lugar al desarrollo de depósitos de lodo y de condiciones anaerobias cuando se vierte agua residual sin tratar el entorno acuático Compuesta principalmente por proteínas, carbohidratos, grasas animales, la materia orgánica biodegradable se mide, en la mayoría de las ocasiones, en función de la DBO y de la DQO. Si se descargan al entorno sin tratar su estabilización biológica, puede llegar al agotamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas Pueden transmitirse enfermedades contagiosas por medio de los organismos patógenos presentes en el agua residual Tanto el nitrógeno como el fósforo, junto con el carbono son nutrientes esenciales para el crecimiento. Cuando se vierten al entorno acuático, estos nutrientes pueden favorecer el crecimiento de una vida acuática no deseada. Cuando se vierten al terreno en cantidades excesivas, también pueden provocar la contaminación del agua subterránea Son compuestos orgánicos o inorgánicos determinados en base a su toxicidad conocida. Muchos de estos compuestos se hallan presente en el agua residual Esta materia orgánica tiende a resistir los métodos convencionales de tratamiento. Ejemplos típicos son los agentes tensoactivos, los fenoles y los pesticidas agrícolas Los metales pesados son, frecuentemente, añadidos al agua residual en el curso de ciertas actividades comerciales e industriales, y puede ser necesario eliminarlos si se pretende reutilizar el agua residual El calcio, el sodio y los sulfatos se añaden al agua de suministro como consecuencia del uso del agua

TABLA 2.2.- Contaminantes de importancia en el tratamiento de agua residual. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).



Sólidos totales: Corresponde a la materia que se obtiene como residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación entre 103 y 105 ºC. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).



Olores: Normalmente, los olores son debidos a los gases liberados durante el proceso de descomposición de la materia orgánica. El agua residual reciente tiene un olor peculiar, algo desagradable, que resulta más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del agua residual séptica es

19 el debido a la presencia de sulfuro de hidrógeno que se produce por acción de microorganismos anaerobios.

Las aguas residuales industriales pueden

contener compuestos olorosos en sí mismos, o compuestos con tendencia a producir olores durante los diferentes procesos de tratamiento. 

Efectos de los olores: A bajas concentraciones, la influencia de los olores sobre el normal desarrollo de la vida humana tiene más importancia por la tensión

psicológica que generan que por el daño que puedan producir al

organismo. Los olores molestos pueden reducir el apetito, inducir a menores consumos de agua, producir desequilibrios respiratorios, náuseas y vómitos y crear perturbaciones mentales. En la tabla 2.3 se indican las principales clases de olores molestos y los compuestos que intervienen en su generación. Todos estos compuestos pueden estar presentes en las aguas residuales domésticas o generarse a partir de ellas, dependiendo de las condiciones locales. 

Caracterización y medida de olores: Para la completa caracterización de un olor, se sugieren cuatro factores independientes: la intensidad, el carácter, la sensación de desagrado, y la detectabilidad (Tabla 2.4). No obstante, hasta hoy en día, el único factor que se ha tenido en cuenta en el desarrollo de normativas reguladoras de malos olores ha sido la detectabilidad.

COMPUESTOS OLOROSOS Aminas Amoniaco Diaminas Sulfuro de hidrógeno Metilo y etilo Butilo y crotilo Sulfuros orgánicos Eskatol

CALIDAD DEL OLOR A pescado Amoniacal Carne descompuesta Huevos podridos Coles descompuestas Mofeta Coles podridas Materia fecal

TABLA 2.3.- Compuestos olorosos asociados al agua residual. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

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FACTOR Carácter

DESCRIPCIÓN Se refiere a asociaciones mentales hechas por el sujeto al percibir el olor. La determinación puede resultar muy subjetiva El número de diluciones requeridas para reducir un olor a su concentración de olor umbral mínimo detectable La sensación de agrado o desagrado relativa a un olor sentido por un sujeto La fuerza en la percepción del olor, se puede medir con el olfatómetro de butanol o se calcula según el número de diluciones hasta el umbral de detección cuando la relación es conocida

Detectabilidad Sensación Intensidad

TABLA 2.4.-

Factores que caracterizan el olor.

(Fuente: Ingeniería de aguas

residuales, Metcalf & Eddy).



Temperatura: La temperatura del agua residual suele ser siempre más elevada que la del agua de suministro, hecho principalmente debido a la incorporación de agua caliente procedente de las casas y de los diferentes usos industriales. La temperatura del agua es un punto muy importante dada su influencia, tanto sobre el desarrollo de la vida acuática como sobre las reacciones químicas y velocidades de reacción. Es preciso tener en cuenta que en un cambio brusco de temperatura puede conducir a un fuerte aumento en la mortalidad de la vida acuática. Además, las temperaturas anormalmente elevadas pueden dar lugar a una indeseada proliferación de plantas acuáticas y hongos.



Densidad: Es una característica física importante del agua residual dado que de ella depende la potencial formación de corrientes de densidad en lodos de sedimentación y otras instalaciones de tratamiento.



Color: Antiguamente, para la descripción de un agua residual, se empleaba el término condición junto con la composición y la concentración. Este término

21 se refiere a la edad del agua residual, que puede ser determinada cualitativamente en función de su color y de su olor. El agua residual reciente suele tener un color grisáceo.

Sin embargo, al aumentar el tiempo de

transporte en las redes de alcantarillado y al desarrollarse condiciones más próximas a las anaerobias, el color del agua residual cambia gradualmente de gris a gris oscuro, para finalmente adquirir color negro. Llegado este punto, suele clasificarse el agua residual como séptica. Algunas aguas residuales industriales pueden añadir color a las aguas residuales domésticas. 

Turbiedad: La turbiedad, como medida de las propiedades de transmisión de la luz de un agua, es otro punto que se emplea para indicar la calidad de las aguas vertidas o de las aguas naturales en relación con la materia coloidal y residual en suspensión.

La materia coloidal dispersa absorbe la luz

impidiendo su transmisión. Aún así, no es posible afirmar que exista una relación entre la turbiedad y la concentración de sólidos en suspensión de un agua no tratada. No obstante, si están ligados la turbiedad y los sólidos en suspensión en el caso de efluentes procedentes de la decantación secundaria en el proceso de lodos activados. 2.2.2.- CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS El estudio de las características químicas de las aguas residuales se aborda en los siguientes cuatro puntos: la materia orgánica, la medición del contenido orgánico, la materia inorgánica y los gases presentes en el agua residual. El hecho de que la medición del contenido en materia orgánica se realice por separado viene justificado por su importancia en la gestión de la calidad del agua y en el diseño de las instalaciones de tratamiento de aguas. - MATERIA ORGÁNICA Son sólidos que provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Los

22 compuestos orgánicos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, con la presencia, en determinados casos de nitrógeno. También pueden estar presentes otros elementos como azufre, fósforo o hierro. Se puede clasificar en:



Proteínas: Están presentes en todos los alimentos de origen animal o vegetal cuando estos están crudos. La composición química de las proteínas es muy compleja

e

inestable,

pudiendo

adoptar

muchos

mecanismos

de

descomposición diferentes; algunas son solubles en agua, mientras que otras no lo son. 

Hidratos de carbono: Ampliamente distribuidos por la naturaleza, incluyen azúcares, almidones, celulosa y fibra de madera, compuestos todos ellos presenten en el agua residual. Los hidratos de carbono contienen carbono, oxígeno e hidrógeno. Algunos hidratos de carbono son solubles en agua, principalmente los azúcares, mientras que otros, como los almidones, son insolubles.



Grasas, grasas animales y aceites: El término grasa, de uso extendido, engloba las grasas animales, aceites, ceras y otros constituyentes. La presencia de grasas y aceites en el agua residual puede provocar problemas tanto en la red de alcantarillado como en las plantas de tratamiento. Si no se elimina el contenido en grasas antes del vertido del agua residual, puede interferir con la vida biológica en aguas superficiales y crear películas y acumulaciones de materia flotante desagradables.



Agentes tensoactivos:

Están formado por moléculas de gran tamaño,

ligeramente solubles en agua, y que son responsables de la aparición de espumas en las plantas de tratamiento y en la superficie de los cuerpos de agua receptores de los vertidos de agua residual. Durante el proceso de aireación del agua residual se concentran en la superficie de las burbujas de aire creando una espuma muy estable.

Los agentes tensoactivos están

formados principalmente por detergentes de usos domésticos e industriales.

23 

Componentes prioritarios:

La elección de que contaminantes deben ser

considerados como prioritarios se ha hecho en función de su relación con procesos carcinógenos, mutaciones, teratomas, o su alta toxicidad. Muchos de los contaminantes prioritarios de origen orgánico corresponden a compuestos orgánicos volátiles. En las redes de alcantarillado y plantas de tratamiento se pueden eliminar, transformar, generar o simplemente transportar, sin cambio alguno, los contaminantes prioritarios de origen orgánico. 

Compuestos orgánicos volátiles (COV):

Normalmente se consideran

aquellos compuestos orgánicos que tienen su punto de ebullición, por debajo de los 100°C. El vertido de estos compuestos a la red de alcantarillado y a las plantas de tratamiento, especialmente a las obras de cabecera de planta, tiene especial importancia por cuanto puede afectar directamente a la salud de los trabajadores de la red de alcantarillado o de las plantas de tratamiento. 

Pesticidas y productos químicos de uso agrícola:

Los compuestos

orgánicos que se hallan a nivel de traza, tales como pesticidas, herbicidas y otros productos químicos de uso agrícola, son tóxicos para la mayor parte de las formas de vida y, por lo tanto, pueden constituir peligrosos contaminantes de las aguas superficiales. Estos productos no son constituyentes comunes de las aguas residuales, sino que suelen incorporarse a las mismas, fundamentalmente, como consecuencia del escurrimiento de

campos

agrícolas. - MEDIDA DEL CONTENIDO ORGÁNICO A lo largo de los años, se han ido desarrollando diferentes ensayos para la determinación del contenido orgánico de las aguas residuales. En general, los diferentes métodos pueden clasificarse en dos grupos, los empleados para determinar altas concentraciones de contenido orgánico, mayores de 1 mg/ l, y los empleados

para

determinar

las

concentraciones

a

nivel

de

traza,

para

concentraciones en el intervalo de los 0,001 mg/ a 1 mg/ l. El primer grupo incluye

24 los siguientes ensayos de laboratorio: demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO)

y carbono orgánico total (COT).

Como

complemento a estos ensayos de laboratorio se emplea la demanda teórica de oxígeno (DteO). 

Demanda bioquímica de oxigeno (DBO): El parámetro de contaminación orgánica más ampliamente empleado, aplicable tanto a aguas residuales como a aguas superficiales, es la DBO a 5 días (DBO 5). La determinación del mismo está relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica. Los resultados del ensayo de DBO 5 se emplean para: determinar la cantidad

aproximada

de

oxígeno

que

se

requerirá

para

estabilizar

biológicamente la materia orgánica presente, dimensionar las instalaciones de tratamiento de aguas residuales, medir la eficacia de algunos procesos de tratamiento, y controlar el cumplimiento de las limitaciones a que están sujetos los vertidos.

A pesar de ser un sistema muy utilizado, posee algunas

limitaciones tales como, la necesidad de disponer de una elevada concentración de bacterias activas y aclimatadas que desarrollen el papel de inóculo, la necesidad de un pretratamiento cuando haya residuos tóxicos y la necesidad de reducir el efecto de los organismos nitrificantes, el arbitrario y prolongado periodo de tiempo requerido para la obtención de resultados, el hecho de que sólo se midan los productos orgánicos biodegradables y, por último, que el ensayo no tenga validez estequiométrica una vez utilizada la materia soluble presente en la muestra. 

Demanda química de oxígeno (DQO): Este ensayo se emplea para medir el contenido de materia orgánica tanto de las aguas naturales como de las residuales. En el ensayo, se emplea un agente químico fuertemente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente de oxígeno de la materia orgánica que puede oxidarse, y a la vez, debe realizarse este proceso a altas temperaturas.



Carbono orgánico total (COT): Este es otro método para medir el contenido orgánico del agua, especialmente indicado para pequeñas concentraciones.

25 Se lleva a cabo inyectando una cantidad conocida de la muestra en un horno a alta temperatura o en un medio químicamente oxidante. 

Demanda teórica de oxígeno (DteO): Normalmente, la materia orgánica de origen animal o vegetal presente en las aguas residuales, proviene de combinaciones de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Los principales grupos de compuestos de este tipo presentes en las aguas residuales son, como ya se ha comentado, los hidratos de carbono, las proteínas, los aceites y las grasas, y los productos de la descomposición biológica de estas sustancias.

- MATERIA INORGÁNICA Son varios los componentes inorgánicos de las aguas residuales y naturales que tienen importancia para la determinación y control de la calidad del agua. Las concentraciones de las sustancias inorgánicas en el agua aumentan tanto por el contacto del agua con las diferentes formaciones geológicas, como por las aguas residuales , tratadas o sin tratar, que a ella se descargan. Esta se puede clasificar en:



pH: El agua residual con pH inadecuado presenta dificultades de tratamiento con procesos biológicos, y el efluente puede modificar las características naturales de los cursos de agua receptores, afectando la vida acuática.



Cloruros: Los cloruros que se encuentran en el agua natural proceden de la disolución de suelos y rocas que los contengan y que están en contacto con el agua. En el caso de aguas costeras, su presencia también es debida a la intrusión de aguas saladas. Otra fuente de cloruros es la descarga de aguas residuales domésticas, agrícolas e industriales a aguas superficiales.



Alcalinidad:

La alcalinidad de un agua residual está provocada por la

presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, el magnesio, el sodio, el potasio o el amoniaco. La alcalinidad ayuda a regular los cambios de pH producidos por la adición de ácidos. Normalmente,

26 el agua residual es alcalina, propiedad que adquiere de las aguas de tratamiento, el agua subterránea y los materiales añadidos en los usos domésticos.

La concentración de alcalinidad en un agua residual es

importante en aquellos casos en los que se empleen tratamientos químicos y en la eliminación biológica de nutrientes. 

Nitrógeno:

Los elementos nitrógeno y fósforo son esenciales para el

crecimiento de protistas y plantas, razón por la cual reciben el nombre de nutrientes. Trazas de otros elementos, tales como el hierro, son necesarios para el crecimiento biológico. No obstante, el nitrógeno y el fósforo son los nutrientes más importantes. 

Fósforo: El fósforo también es esencial para el crecimiento de algas y otros organismos biológicos.

Debido a que en aguas superficiales tienen lugar

nocivas proliferaciones incontroladas de algas, actualmente existe mucho interés en limitar la cantidad de compuestos de fósforo que alcanzan las aguas superficiales por medio de vertidos de aguas domésticas, industriales y a través del escurrimiento natural. 

Azufre: Este se encuentra en el agua potable como en el agua residual. Para la síntesis de proteínas, es necesario disponer de azufre, elemento que posteriormente será liberado en el proceso de degradación de las mismas.



Compuestos tóxicos inorgánicos: El cobre, el plomo, la plata, el cromo, el arsénico y el boro son tóxicos en mayor o menor grado para los microorganismos, razón por la cual deben ser considerados en el tratamiento biológico.



Metales pesados:

Como constituyentes importantes de muchas aguas,

también se encuentran cantidades, a nivel de traza, de muchos metales. Entre ellos podemos destacar el níquel, el manganeso, el plomo, el cromo, el cadmio, el cinc, el cobre, el hierro y el mercurio. Muchos de estos metales están catalogados como contaminantes prioritarios.

Algunos de ellos son

imprescindibles para el normal desarrollo de la vida biológica, y la ausencia de cantidades suficientes de ellos podría limitar el crecimiento de las algas, es

27 por ello , que a menudo, resulta conveniente medir y controlar las concentraciones de dichas substancias. - GASES Los gases que con mayor frecuencia se encuentran en aguas residuales brutas son el nitrógeno, el oxígeno, el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno, el amoniaco y el metano. Los tres primeros son gases de común presencia en la atmósfera, y se encuentran en todas las aguas en contacto con la misma. Los tres últimos proceden de la descomposición de la materia orgánica presente en las aguas residuales. En el tratamiento de aguas servidas los más importantes son:



Oxígeno disuelto: El oxígeno disuelto es necesario para la respiración de los microorganismos aerobios, así como para otras formas de vida. Sin embargo, el oxígeno es sólo ligeramente soluble en agua. Debido a que la velocidad de las reacciones bioquímicas que consumen oxígeno aumenta con la temperatura, los niveles de oxígeno disuelto tienden a ser más críticos en las épocas estivales. El problema se agrava en los meses de verano, debido a que el caudal de los cursos de agua es generalmente menor, razón por la cual la cantidad total de oxígeno disponible es también menor. Dado que evita la formación de olores desagradables en las aguas residuales, es deseable y conveniente disponer de cantidades suficientes de oxígeno disuelto.



Sulfuro de hidrógeno:

Es un gas incoloro, inflamable, con un olor

típicamente característico que recuerda al de huevos podridos.

El

ennegrecimiento del agua residual y del lodo se debe, generalmente, a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con el hierro presente para formar sulfuro ferroso u otros sulfuros metálicos. 

Metano:

El principal subproducto de la descomposición anaerobia de la

materia orgánica del agua residual es el gas metano.

El metano es un

hidrocarburo combustible de alto valor energético, incoloro e inodoro. Normalmente, no se encuentra en grandes cantidades en el agua residual,

28 puesto que pequeñas cantidades de oxígeno tienden a ser tóxicas para los organismos responsables de la producción del metano.

No obstante, en

ocasiones, se produce metano como resultado de un proceso de descomposición anaerobia que puede darse en depósitos acumulados en el fondo. En las plantas de tratamiento, el metano se genera en los procesos de tratamiento anaerobios empleados para la estabilización de los lodos de aguas residuales. 2.2.3.- CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS Es necesario tener un conocimiento claro de las características biológicas de las aguas residuales. Se debe tener en cuenta los siguientes temas: principales grupos de microorganismos biológicos presentes, tanto en aguas superficiales como residuales, así como aquellos que intervienen en los tratamientos biológicos,

y

métodos empleados para determinar la toxicidad de las aguas tratadas. - MICROORGANISMOS En la Tabla 2.5 se clasifican los principales microorganismos presentes tanto en aguas residuales como superficiales.

GRUPO Eucariotas

ESTRUCTURA CELULAR Eucariota

Eubacterias

Procariota

Arquebacterias

Procariota

CARACTERIZACIÓN Multicelular, con gran diferenciación de las células y el tejido Unicelular, con escasa o nula diferenciación de tejidos Química celular parecida a las eucariotas Química celular distintiva

MIEMBROS REPRESENTATIVOS Plantas de semilla, musgos, helechos, animales, vertebrados e invertebrados Protistas: algas, hongos y protozoos La mayoría de las bacterias Metanógenos, halófilos y termacidófilos

29 Tabla 2.5

Clasificación de los microorganismos.

(Fuente: Ingeniería de aguas

residuales, Metcalf & Eddy).



Bacterias: El papel que desempeñan las bacterias en los procesos de descomposición y estabilización de la materia orgánica, tanto en el marco natural como en las plantas de tratamiento, es amplio y de gran importancia. Por ello, resulta imprescindible conocer sus características, funciones, metabolismo y proceso de síntesis.



Hongos: Junto con las bacterias, los hongos son principales responsables de la descomposición del carbono en la biosfera.

Desde el punto de vista

ecológico los hongos presentan ciertas ventajas sobre las bacterias: pueden crecer y desarrollarse en zonas de baja humedad y en ámbitos con pH bajos. Sin la colaboración de los hongos en los procesos de degradación de la materia orgánica, el ciclo del carbono se interrumpiría en poco tiempo, y la materia orgánica empezaría a acumularse. 

Algas:

Las algas pueden presentar serios inconvenientes en las aguas

superficiales, puesto que pueden reproducirse rápidamente cuando las condiciones son favorables. Este fenómeno, que se conoce con el nombre de crecimiento explosivo, puede conducir a que ríos, lagos y embalses sean cubiertos por grandes colonias flotantes de algas. La presencia de algas afecta al valor del agua de abastecimiento, ya que puede originar problemas de olor y de sabor. La determinación de la concentración de algas en aguas superficiales se realiza tomando muestras por alguno de los métodos conocidos y haciendo un recuento al microscopio. 

Protozoos: Tienen una importancia capital, tanto en el funcionamiento de los tratamientos biológicos como en la purificación del curso de agua, ya que son capaces de mantener el equilibrio natural entre los diferentes tipos de microorganismos.



Plantas y animales: importancia

son

Las diferentes plantas y animales que tienen

muy variados:

desde

los gusanos y los rotíferos

microscópicos hasta crustáceos macroscópicos.

El conocimiento de estos

30 organismos resulta útil a la hora de valorar el estado de lagos y corrientes, al determinar la toxicidad de las aguas residuales evacuadas al medio ambiente, y a la hora de determinar la efectividad de la vida biológica en los tratamientos secundarios empleados para destruir los residuos orgánicos. 

Virus: No tienen capacidad para sintetizar compuestos nuevos. En lugar de ello, invaden las células del cuerpo vivo que los acoge y reconducen la actividad celular hacia la producción de nuevas partículas virales a costa de las células originales.



Organismos patógenos: Los organismos patógenos que se encuentran en las aguas residuales pueden proceder de desechos humanos que estén infectados o que sean portadores de una determinada enfermedad.

Las

principales clases de organismos patógenos presentes en las aguas residuales son: las bacterias, los virus, los protozoos y el grupo de los helmintos. Los organismos bacterianos patógenos que pueden ser excretados por el hombre causan enfermedades del aparato intestinal como la fiebre tifoidea y paratifoidea, la disentería, diarreas y cólera. - ENSAYOS DE TOXICIDAD Los ensayos de toxicidad han sido empleados para diversos fines, que incluyen: constatación de la aptitud de las condiciones ambientales para el desarrollo de las determinadas formas de vida acuática; establecimiento de concentraciones aceptables de los diferentes parámetros en las aguas receptoras (oxígeno disuelto, turbiedad, temperatura); estudio de la influencia de los parámetros de calidad del agua sobre la toxicidad de la misma; constatación de la toxicidad de las aguas residuales para múltiples variedades de especies de peces marinos y de agua dulce; establecimiento de la sensibilidad relativa de un conjunto de organismos acuáticos determinado a los efluentes y a los contaminantes habituales; determinación del nivel de tratamiento de las aguas residuales necesario para alcanzar los límites establecidos por la legislación relativa al control de la contaminación de aguas; determinación de la efectividad de los procesos de tratamiento de aguas residuales;

31 establecimiento de los límites autorizados de descargas de efluentes; y determinación del cumplimiento de la legislación relativa a la conservación de la calidad del agua. Estos ensayos proporcionan resultados útiles para la protección de la salud pública y de la vida acuática frente al impacto causado por la descarga de contaminantes a las aguas superficiales.

32

3.- PROCESOS Y OPERACIONES UNITARIAS Para una comprensión acabada del ciclo de purificación al que es sometida el agua residual, los métodos individuales suelen clasificarse en operaciones físicas unitarias, procesos químicos unitarios y procesos biológicos unitarios, a pesar de que estas operaciones y procesos se utilizan conjuntamente en los distintos sistemas de tratamiento.

3.1.- MÉTODOS DE TRATAMIENTO Los procesos y operaciones unitarias se combinan y complementan para dar lugar a diversos niveles de tratamiento de aguas. Tradicionalmente los términos “pretratamiento” y/o “primario” se refiere a las operaciones físicas unitarias; el término “secundario” se refiere a los procesos químicos o biológicos unitarios y se conoce con el nombre de “tratamiento terciario” o “avanzado”, a las combinaciones de los tres. Actualmente consiste, en primera instancia, en establecer el nivel de eliminación de contaminantes (tratamiento) necesario antes de reutilizar o verter las aguas residuales al medio ambiente. A partir de esto, basándose en consideraciones fundamentales, es posible agrupar las diferentes operaciones y procesos unitarios necesarios para alcanzar el nivel de tratamiento adecuado. En la tabla 3.1 se pueden ver los contaminantes mas importantes de las aguas residuales y las operaciones y procesos unitarios que se pueden emplear para eliminarlos. 3.1.1.- PRETRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES El pretratamiento se define como el proceso de eliminación de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia pueda provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares.

33 CONTAMINANTE

OPERACIÓN UNITARIA, PROCESO UNITARIO O SISTEMA DE TRATAMIENTO

Sólidos en suspensión

Desbaste y dilaceración Desarenado Sedimentación Filtración Flotación Adición de polímeros Coagulación/sedimentación Sistemas naturales (evacuación al terreno) Variantes de lodos activados Película fija: filtros percoladores Película fija: biodiscos (RBC) Variantes de lagunaje Filtración intermitente en arena Sistemas físico-químicos Sistemas naturales Arrastre por aire Tratamiento de gases Adsorción en carbón Cloración Hipocloración Cloruro de bromo Ozonación Radiación UV Sistemas naturales

Materia orgánica biodegradable

Compuestos orgánicos volátiles Patógenos

Nutrientes Nitrógeno

Fósforo

Nitrógeno y fósforo Materia orgánica refractaria Metales pesados Sólidos orgánicos disueltos

Variantes de sistema de cultivo en suspensión con nitrificación y desnitrificación Variantes de sistemas de película fija con nitrificación y desnitrificación Arrastre de amoniaco Intercambio iónico Cloración al breakpoint Sistemas naturales Adición de sales metálicas Coagulación y sedimentación con cal Eliminación biológica del fósforo Eliminación biológica-química del fósforo Sistemas naturales Eliminación biológica de nutrientes Adsorción en carbón Ozonación terciaria Sistemas naturales Precipitación química Intercambio iónico Sistemas de tratamiento por evacuación al terreno Intercambio iónico Osmosis inversa Electrodiálisis

TABLA 3.1.- Operaciones y procesos unitarios utilizados para la eliminación de la mayor parte de los contaminantes presentes en el agua residual. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

34 3.1.2.- TRATAMIENTO PRIMARIO DE LAS AGUAS RESIDUALES En el tratamiento primario se elimina una fracción de los sólidos en suspensión y de la materia orgánica del agua residual. Esta eliminación suele llevarse a cabo mediante operaciones físicas tales como el tamizado y la sedimentación. El efluente del tratamiento primario suele contener una cantidad considerable de materia orgánica y una DBO alta. 3.1.3.- TRATAMIENTO SECUNDARIO El tratamiento secundario de las aguas residuales esta principalmente encaminado a la

eliminación

de los

sólidos en suspensión y de

los

compuestos orgánicos biodegradables, aunque a menudo se incluye la desinfección como parte del tratamiento secundario. Se define el tratamiento secundario convencional como la combinación de diferentes procesos normalmente empleados para la eliminación de estos constituyentes, e inclusive el tratamiento biológico con lodos activados, reactores de lecho fijo, sistemas de lagunaje y la sedimentación. 3.1.4.- TRATAMIENTO AVANZADO El término “tratamiento avanzado” tiene diversas definiciones. Se define como tratamiento avanzado el nivel de tratamiento necesario, mas allá del tratamiento secundario convencional, para la eliminación de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atención, como los nutrientes, los compuestos tóxicos y los excesos de materia orgánica o de sólidos en suspensión. Además de los procesos de eliminación de nutrientes, otros procesos u operaciones unitarias que habitualmente emplean los tratamientos avanzados son la coagulación química, floculación y sedimentación seguida de filtración y carbón activado. También se emplea el tratamiento avanzado para diversas posibilidades de reutilización de las aguas residuales para las cuales es preciso conseguir efluentes de alta calidad, como puede ser el caso del agua empleada para la refrigeración industrial o para la

35 recarga de aguas subterráneas. En términos de calidad del efluente, algunos procesos de tratamiento natural (también llamado tratamiento en terreno) pueden resultar equivalentes al tratamiento avanzado de aguas residuales 3.1.5.- CONTROL Y ELIMINACIÓN DE NUTRIENTES La eliminación y control de los nutrientes presentes en el agua residual es importante por diversas razones: 

Vertido a cuerpos de agua receptores confinados, en los que se pueda crear o acelerar los procesos de eutrofización.



Vertidos a cursos de agua en los que la nitrificación pueda limitar los recursos de oxígeno o en los que puedan proliferar el arraigamiento de plantas acuáticas.



Recarga de aguas subterráneas que puedan ser usadas, indirectamente, para el abastecimiento público de agua. Los principales nutrientes contenidos en las aguas residuales son el nitrógeno

y el fósforo y su eliminación puede llevarse a cabo por procesos químicos, biológicos o una combinación de ambos. En muchos casos, la eliminación de nutrientes se realiza en combinación con el tratamiento secundario; por ejemplo se pueden añadir sales metálicas en los tanques de aireación para provocar la precipitación del fósforo en el proceso de decantación final, o se puede llevar a cabo un proceso de lodos activados que produzca un efluente nitrificado. 3.1.6.- TRATAMIENTO DE RESIDUOS TÓXICOS En los vertidos industriales a las redes de alcantarillado, las concentraciones de contaminantes tóxicos suelen controlarse mediante pretratamientos específicos antes de su vertido a la red. En algunos casos, la eliminación de las sustancias tóxicas se lleva a cabo en las plantas de tratamiento. Muchas de las sustancias tóxicas, como los metales pesados, se eliminan mediante algún tratamiento físico –

36 químico como la coagulación química, floculación, sedimentación o filtración. También es posible eliminarlos parcialmente en los tratamientos secundarios. Las aguas residuales que contienen compuestos orgánicos volátiles se pueden tratar mediante adsorción carbónica o arrastre con aire. 3.1.7.- TRATAMIENTO DE AGUAS PROCEDENTES DE VERTEDEROS DE LAS REDES DE ALCANTARILLADO UNITARIAS Estas aguas consisten en grandes descargas intermitentes de aguas residuales que resultan de la mezcla de agua residual con aguas lluvia. Excepto en el caso de las primeras descargas, las concentraciones de los constituyentes importantes suelen ser menores que en aguas residuales domésticas o industriales. El tratamiento de estas aguas suele centrarse en la eliminación de los sólidos en suspensión y de los organismos patógenos. La eliminación de sólidos en suspensión puede hacerse por sedimentación o desarenado y la desinfección suele llevarse a cabo por cloración. 3.1.8.- TRATAMIENTO DE LODOS La mayor parte de los procesos de la tabla 3.1, antes mencionada, están diseñados para el tratamiento de la fracción líquida del agua residual. Sin embargo el tratamiento de los lodos obtenidos del agua residual tiene un rol de igual o mayor importancia. Es por ello que también es necesario conocer los métodos, procesos y operaciones unitarias que se emplean para tratar los lodos. Los principales métodos que se emplean hoy en día se detallan en la tabla 3.2.

3.2.- DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS Y TRATAMIENTOS Los diagramas de flujo de procesos son representaciones gráficas de las combinaciones de las operaciones y los procesos unitarios que se emplean para

37 alcanzar los objetivos específicos del tratamiento. El objetivo de este capítulo es la descripción de los principales elementos que hay que tener en cuenta para la elección de los diagramas de flujo de procesos. En la figura 3.1 se puede apreciar un ejemplo típico de diagrama de flujo.

PROCESO O EVACUACIÓN Operaciones preliminares

Espesamiento

Estabilización

Acondicionamiento Desinfección Deshidratación

Secado térmico Reducción térmica

Evacuación final

OPERACIÓN UNITARIA, PROCESO UNITARIO O MÉTODO DE TRATAMIENTO Bombeo de lodos Trituración de lodos Almacenamiento y homogeneización de lodos Desarenado de lodos Espesamiento por gravedad Espesamiento por flotación Centrifugación Espesamiento con filtros de banda Espesamiento con tambor giratorio Estabilización con cal Tratamiento térmico Digestión anaerobia Digestión aerobia Compostaje Acondicionamiento químico Acondicionamiento térmico Pasteurización Almacenamiento durante largos periodos de tiempo Filtro de vacío Centrífuga Filtro de banda Filtro de prensa Eras de secado Lagunaje Variantes de horno de secado Evaporador de efecto múltiple Incinerador de pisos Incinerador de lecho fluidificado Incineración conjunta con residuos sólidos Oxidación por vía húmeda Reactor vertical profundo Evacuación al terreno Distribución y comercialización Vertedero controlado Lagunaje Fijación química

TABLA 3.2.- Métodos de tratamiento y evacuación de lodos. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

38

agua residual

lodo o sólidos

FIGURA 3.1.- Diagrama de flujo típico para un tratamiento de lodos activados. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

3.3.- ELECCIÓN DE LOS PROCESOS DEL TRATAMIENTO 

El análisis y elección de los procesos de tratamiento que permitan cumplir con los rendimientos de eliminación establecidos en los permisos de vertido es uno de los aspectos mas interesantes del proyecto de una planta de tratamiento. La metodología del análisis

de procesos que conduce

a la

elección de los procesos de tratamiento para una planta determinada, consta de diferentes pasos y evaluaciones que varían en función de la complejidad del proyecto. - ELECCIÓN DE LOS PROCESOS DE TRATAMIENTO Uno de los factores mas importantes que hay que tener en cuenta en el proyecto de una planta es la elección de procesos compatibles con las variaciones

39 de caudales y cargas que sean capaces de producir un efluente de calidad permanente y dentro los limites permitidos.



El tratamiento mínimo que debe llevarse a cabo debe incluir siempre el tratamiento primario y desinfección de la totalidad del caudal y el tratamiento secundario de una fracción del mismo. Los factores de mayor importancia en la valoración y selección de los

procesos y operaciones unitarios se exponen en la tabla 3.3. FACTOR Potencial de aplicación del proceso

Intervalo de caudal aplicable Variación de caudal aplicable

Características del agua a tratar Constituyentes inhibidores y no afectados Limitaciones climáticas Eficacia Residuos del tratamiento Limitaciones ambientales

COMENTARIO El potencial de aplicación de un proceso se evalúa en base a la experiencia anterior, datos de planta a escala industrial y en planta piloto. Si se presentan condiciones nuevas o no usuales, los estudios en planta piloto son fundamentales. El proceso se debe corresponder con el intervalo de caudal esperado. Por ejemplo los estanques de estabilización no son adecuados para caudales elevados. La mayoría de las operaciones y procesos unitarios trabajan mejor a caudal constante, a pesar de que pueden tolerar variaciones. Si la variación de caudal es demasiado grande se necesitará regulación. Las características del agua a tratar afectan a los tipos de proceso a utilizar y las exigencias para su adecuada explotación. Se debe evaluar que constituyentes son parcialmente inhibidores y están presentes, bajo que condiciones se manifiestan y cuales no se ven afectados por el tratamiento. La temperatura afecta a la velocidad de reacción en la mayoría de los procesos químicos y biológicos y también puede afectar las operaciones físicas. La eficacia se suele medir en función de la calidad del efluente, que debe estar de acuerdo con las exigencias de la normativa de vertido efluentes. Se hace necesario estimar los tipos y cantidades de residuos sólidos, líquidos y gaseosos producidos. Factores como vientos predominantes, núcleos de población en las proximidades pueden implicar restricciones, especialmente en el caso de los procesos que puedan generar olores.

TABLA 3.3.- Factores importantes que se deben tener en cuenta en la selección y evaluación de operaciones y procesos unitarios. (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

40 -

ANÁLISIS

CINÉTICO

EN

LA

ELECCIÓN

DE

LOS

PROCESOS

DE

TRATAMIENTO El tratamiento de las aguas residuales se lleva a cabo en tanques o depósitos de diferentes tipos y formas bajo condiciones controladas. Las transformaciones químicas o biológicas tienen lugar en reactores y los productos de las reacciones suele separarse por decantación. Cada planta de tratamiento debe contar como mínimo con un tipo de reactor para el tratamiento químico o biológico y, en la mayoría de los casos, como mínimo, un decantador. Debido a que se trata de un factor clave en la elección de los procesos de tratamiento, debe prestarse mucha atención a la cinética de las reacciones que se producen y a la elección del tipo de reactor. Los recipientes, tanques y depósitos en los que tienen lugar las reacciones químicas y biológicas suelen recibir el nombre de reactores. Los principales tipos usados en el tratamiento de aguas residuales son:



Reactor de flujo discontinuo



Reactor de flujo en pistón



Reactor de mezcla completa



Reactores de mezcla completa conectados en serie



Reactor de flujo arbitrario o aleatorio



Reactor de lecho fijo



Reactor de lecho fluidificado La clasificación de los cinco primeros se basa en sus características

hidráulicas. En esta clase de reactores suelen llevarse a cabo reacciones de tipo homogéneo, mientras que las reacciones heterogéneas suelen llevarse a cabo en reactores de las dos últimas clases.

41

3.4.- OPERACIONES FÍSICAS UNITARIAS Los métodos de tratamiento en los que predomina la acción de las fuerzas físicas se conoce como operaciones físicas unitarias. Puesto que la mayoría de estos métodos han evolucionado directamente a partir de las primeras observaciones de la naturaleza por parte del hombre, fueron los primeros en ser aplicados al tratamiento de las aguas residuales. El desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación, transferencia de gases y filtración son operaciones unitarias típicas. 3.4.1.- DESBASTE La primera operación unitaria que tiene lugar en las plantas de tratamiento es la operación de desbaste, que consiste en la retención de los sólidos gruesos contenidos en el agua residual por medio de elementos separadores. Los elementos separadores pueden ser tamices o rejas. El material separado por éstos elementos recibe el nombre de basuras o residuos de desbaste. Según el método de limpieza que se emplee, los tamices y rejas pueden ser de limpieza manual o automática. Los elementos de uso mas frecuente en operaciones de desbaste son los que aparecen en la tabla 3.4. - REJAS En los procesos de tratamiento del agua residual, las rejas se utilizan para proteger bombas, válvulas, conducciones y otros elementos contra los posibles daños y obturaciones provocados por la presencia de trapos y de objetos de gran tamaño. Las plantas de tratamiento de aguas industriales pueden no precisar la instalación de rejas, dependiendo de las características de los residuos. En la figura 3.2 se ilustra una reja típica usada en plantas de tratamiento.

42 SUPERFICIE DE DESBASTE TIPO DE DISPOSITIVO Reja de barras Tamices: Inclinado (fijo)

Grueso

Intervalo de paso (cm) 1,5 – 3,75

Medio

0,025 – 0,25

Inclinado (giratorio)

Grueso

0,075 x 0,225 x 5,0

Tambor (giratorio)

Grueso

0,25 – 0,50

Medio

0,025 – 0,25

Fino

6 – 35 micras

Medio Fino Fino

0,025 – 0,1 0,0025 – 0,05 0,005 – 0,05

Disco giratorio Centrifugo

Tamaño

Material

APLICACIÓN

Acero, acero inoxidable

Pretratamiento

Malla de cuña de acero inoxidable Placas de bronce o de cobre pulido Malla de cuña de acero inoxidable Malla de cuña de acero inoxidable Mallas de poliéster y de acero inoxidable

Tratamiento primario

Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable, poliéster y diversos tipos de telas

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

TABLA 3.4.- Descripción de los dispositivos de desbaste empleados en el tratamiento de aguas residuales. (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

FIGURA 3.2.- Reja autolimpiante típica en sus tres fases de funcionamiento.(Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

43 - TAMICES Los primeros tamices eran de disco inclinado o de tambor y se empleaban como medio para proporcionar tratamiento primario, en lugar de tanques de sedimentación. Su campo de aplicación se extiende desde el tratamiento primario hasta la eliminación de los sólidos en suspensión residuales de los efluentes procedentes de los procesos de tratamiento biológico. Los tipos principales de tamices se ilustran en la figura 3.3. 3.4.2.- HOMOGENIZACIÓN DE CAUDALES La homogeneización del caudal es una medida que se emplea para superar los problemas de explotación que estas variaciones provocan en las instalaciones y para mejorar la efectividad de los procesos de tratamiento aguas abajo. Esta operación consiste, simplemente en amortiguar por laminación las variaciones del caudal, con el objeto de conseguir un caudal constante o casi constante. Esta técnica puede aplicarse en situaciones diversas, dependiendo de las características de la red de

alcantarillado.

Las

principales

aplicaciones

están

concebidas

para

la

homogenización de :



Caudales en tiempo seco



Caudales procedentes de redes de alcantarillado separativas en épocas lluviosas



Caudales procedentes de redes de alcantarillado unitarias, combinación de aguas lluvia y aguas residuales sanitarias.

Las principales ventajas que produce la homogeneización de los caudales son los siguientes:

44

FIGURA 3.3.- Elementos de tamizado típicos. (a) tamiz inclinado estático autolimpiante (sin la cubierta), (b) tamiz de tambor rotatorio, (c) tamiz de disco giratorio, (d) tamiz centrífugo. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

45 

mejora del tratamiento biológico, ya que eliminan o reducen las cargas de choque, se diluyen las sustancias inhibidoras y se consigue estabilizar el pH



mejora de la calidad del efluente y del rendimiento de los tanques de sedimentación secundaria al trabajar con cargas de sólidos constantes



Reducción de las superficies necesarias para la filtración del efluente, mejora de los rendimientos de los filtros y posibilidad de conseguir ciclos de lavado mas uniformes. Aparte de la mejora de la mayoría de las operaciones y procesos de

tratamiento, la homogenización del caudal es una opción alternativa para incrementar el rendimiento de las plantas de tratamiento que se encuentran sobrecargadas. La localización de las instalaciones de homogeneización varía en función del tipo de tratamiento, de las características de la red de alcantarillado y de las del agua residual, siendo lo mas común situar la homogenización después del tratamiento primario y antes del biológico, pues así se reducen los problemas originados por los lodos y las espumas. 3.4.3.- MEZCLADO El mezclado es una operación unitaria de gran importancia en muchas fases del tratamiento de aguas residuales, entre otras se puede citar:



Mezcla completa de una sustancia con otra



Mezcla de suspensiones líquidas



Mezcla de líquidos miscibles



Floculación



Transferencia de calor La mayor

tratamiento

parte de las operaciones de mezclado relacionadas con el

de las aguas residuales puede clasificarse en continuas y rápidas

46 continuas (30 segundos o menos). Estas últimas suelen emplearse en los casos en los que debe mezclarse una sustancia con otra, mientras que las primeras tienen su aplicación en aquellos casos en los que debe mantenerse en suspensión el contenido del reactor o del depósito. En la figura 3.4 se ilustran algunos dispositivos empleados para el mezclado en plantas de tratamiento de aguas servidas. 3.4.4.- SEDIMENTACIÓN La sedimentación consiste en la separación, por la acción de la gravedad, de partículas suspendidas cuyo peso especifico es mayor que el del agua. Es una de las operaciones unitarias más utilizadas en el tratamiento de las aguas residuales. Los términos sedimentación y decantación se utilizan indistintamente. Esta operación se emplea para la eliminación de arenas, de la materia en suspensión en flóculo biológico en los decantadores secundarios en los procesos de lodos activados y para la concentración de sólidos en los espesadores de lodo. En la mayoría de los casos, el objetivo principal es la obtención de un efluente clarificado, pero también es necesario producir un lodo cuya concentración de sólidos permita su fácil tratamiento y manejo. En función de la concentración y de la tendencia a la interacción de las partículas, se pueden producir cuatro tipos de sedimentación: discreta, flocúlenta, retardada (también llamada zonal), y por compresión. Es frecuente que durante el proceso de sedimentación, esta se produzca por diferentes mecanismos en cada fase, y también es posible que los cuatro mecanismos de sedimentación se lleven a cabo simultáneamente.

47

FIGURA 3.4.- Agitadores típicos. (a,b) agitador de hélice, (c) mezclador de turbina, (d) mezclador estático en línea, (e) mezclador de turbina en línea (corte y elevación en la dirección del flujo). (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

48 La sedimentación tipo 1 o “de partículas discretas”, se refiere a la sedimentación de partículas en una suspensión con baja concentración de sólidos. Las partículas sedimentan como entidades individuales y no existe interacción sustancial con las partículas vecinas. Se presenta preferentemente en la eliminación de las arenas del agua residual. Sedimentación tipo 2 o “floculenta”, se refiere a una suspensión bastante diluída de partículas que se agregan o floculan, durante el proceso de sedimentación. Al unirse, las partículas aumentan de masa y sedimentan a mayor velocidad. Su aplicación es en la eliminación de una fracción de los sólidos en suspensión del agua residual bruta en los tanques de sedimentación primaria, y en la zona superior de los decantadores secundarios. También elimina los flóculos químicos de los tanques de sedimentación. En soluciones relativamente diluidas, las partículas no se comportan como partículas discretas sino que tienden a agregarse unas a otras durante el proceso de sedimentación. Conforme se produce la floculación, la masa de partículas va aumentando, y se deposita a mayor velocidad. La medida en que se desarrolle el fenómeno de floculación depende de la posibilidad de contacto entre las diferentes partículas, que a su vez es función de la carga de superficie, profundidad de tanque, gradiente de velocidad del sistema, concentración de partículas y de los tamaños de las mismas. Sedimentación tipo 3 o “retardada”, se refiere a suspensiones de concentración intermedia, en las que las fuerzas entre partículas son suficientes para entorpecer la sedimentación de las partículas vecinas. Las partículas tienden a permanecer en posiciones relativas fijas, y la masa de partículas sedimenta como una unidad. Debido a la alta concentración de partículas, el liquido tiende a ascender por los intersticios existentes entre aquellas. Como consecuencia de ello, las partículas que entran en contacto tienden a sedimentar en zonas o capas, manteniendo

entre

ellas

las

mismas

posiciones

relativas.

Conforme

van

49 sedimentando las partículas, se produce una zona de agua relativamente clara por encima de la región de sedimentación. Las partículas dispersas, relativamente ligeras, que permanecen en esta región sedimentarán como partículas discretas o floculadas. En la mayoría de los casos, se presenta una interfase bien diferenciada entre la zona de sedimentación discreta y la región de sedimentación retardada. La velocidad de sedimentación de la zona 3 es función de la concentración de sólidos y de sus características. Este tipo de sedimentación se presenta en los tanques de sedimentación secundaria empleados en las instalaciones de tratamiento biológico. Sedimentación tipo 4 o por “compresión”, se refiere a la sedimentación en la que las partículas están concentradas de tal manera que se forma una estructura, y la sedimentación solo puede tener lugar como consecuencia de la compresión de esta estructura. La compresión se produce por el peso de las partículas, que se van añadiendo constantemente a la estructura por sedimentación desde el liquido sobrenadante. Se ha observado que la agitación sirve para compactar el lodo en la región de compresión, al promover la rotura de los flóculos y la circulación del agua. Los equipos de los tanques de sedimentación incluyen rascadores de fondo para transportar el lodo y conseguir una mayor compactación. El fenómeno de sedimentación ocurre cuando se introduce en un cilindro graduado una suspensión concentrada, con concentración inicialmente uniforme, se esquematiza en la figura 3.5. Para la eliminación de arenas del agua residual se han desarrollado numerosos aparatos que aprovechan tanto la acción de las fuerzas gravitacionales, como la acción de la fuerza centrífuga y las velocidades inducidas. Los principios en los que se basa uno de estos aparatos, conocido como separador Teacup (separador en forma de taza de te, figura 3.6).

50

FIGURA 3.5.- Esquema de las zonas de sedimentación para un lodo activado. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

FIGURA 3.6.- Separador tipo teacup. (a) esquema general de una unidad típica(b) esquema definitorio. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

51 El agua residual se introduce tangencialmente cerca del fondo del cilindro y se extrae por la parte superior del mismo, también tangencialmente. La arena se extrae por una abertura dispuesta en el fondo del elemento. Dentro del separador, debido a que la parte superior esta cerrada, el flujo giratorio crea un vórtice libre. Debido a la magnitud de la fuerza centrífuga en la proximidad de la abertura de salida de las arenas, algunas partículas quedarán retenidas en el interior del vórtice libre mientras que otras escapan con el flujo de salida del aparato. Este diferente comportamiento de las partículas depende de su tamaño, densidad y resistencia al arrastre: las partículas de arena quedaran retenidas, mientras que las partículas orgánicas quedaran libres y saldrán del separador por la parte superior del mismo. Las partículas retenidas en el vórtice acabaran sedimentando debido a la acción de la fuerza de la gravedad. En algunas ocasiones también sedimentan algunas partículas orgánicas, que suelen ser aceites y grasas unidos a partículas de arena. 3.4.5.- FLOTACIÓN La flotación es una operación unitaria que se emplea para la separación de partículas sólidas o líquidas de una fase líquida. La separación se consigue introduciendo finas burbujas de gas, normalmente aire, en la fase líquida. Las burbujas se adhieren a las partículas y la fuerza ascensional que experimenta el conjunto partícula – burbuja de aire hace que suban hasta la superficie del liquido. De esta forma, es posible hacer ascender a la superficie partículas cuya densidad es mayor que la del liquido, además de favorecer la ascensión de las partículas cuya densidad es inferior, como en el caso del aceite en el agua. En el tratamiento de aguas residuales, la flotación se emplea para la eliminación de la materia suspendida y para la concentración de lodos biológicos. La principal ventaja del proceso de flotación frente al de sedimentación consiste en que permite eliminar mejor y en menos tiempo las partículas pequeñas o ligeras cuya

52 deposición es lenta. Una vez que las partículas se hallan en la superficie, pueden recogerse mediante un rascado superficial. La aplicación práctica de la flotación en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas se limita, en la actualidad, al uso del aire como agente responsable del fenómeno. Las burbujas se añaden, o se induce su formación, mediante uno de los siguientes métodos:



Inyección de aire en el líquido sometido a presión y posterior liberación de la presión a que está sometido el líquido (Flotación por aire disuelto).



Aireación a presión atmosférica (flotación por aireación).



Saturación con aire a la presión atmosférica, seguido de la aplicación del vacío al liquido (flotación por vacío). En todos estos sistemas, es posible mejorar el grado de eliminación y

rendimiento mediante la introducción de aditivos químicos. - FLOTACIÓN POR AIRE DISUELTO (FAD) En los sistemas FAD, el aire se disuelve en el agua residual sometiéndola a una presión de varias atmósferas y a continuación se libera la diferencia

hasta

alcanzar la presión atmosférica. En las instalaciones de pequeño tamaño, se puede presurizar mediante una bomba la totalidad del caudal a tratar, añadiéndose aire comprimido en la tubería de aspiración de la bomba. El caudal se mantiene bajo presión en un calderín durante algunos minutos, para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuación, al liquido presurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen del líquido. En las instalaciones de mayor tamaño, se recircula parte del efluente del proceso de FAD (entre el 15 y el 20 %), el cual se presuriza y se semisatura con aire.

53 El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la FAD se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de lodos. Un esquema del sistema de flotación por aire disuelto se pude apreciar en la figura 3.7. - FLOTACIÓN POR AIREACIÓN En los sistemas de flotación por aireación, las burbujas de aire se introducen directamente en la fase líquida por medio de difusores o turbinas sumergidas. La aireación directa durante cortos períodos de tiempo no es especialmente efectiva a la hora de conseguir que los sólidos floten. La instalación de tanques de aireación no suele estar recomendada para conseguir la flotación de las grasas, aceites y sólidos presentes en las aguas residuales normales, pero ha resultado exitosa en el caso de algunas aguas residuales con tendencia a generar espumas, como en el caso de los alcantarillados unitarios. - FLOTACIÓN POR VACÍO La flotación por vacío consiste en saturar de aire el agua residual de dos formas, una directamente en el tanque de aireación y la otra permitiendo que el aire penetre en el conducto de aspiración de una bomba. Al aplicar un vacío parcial, el aire disuelto abandona la solución en forma de burbujas diminutas. Las burbujas y las partículas sólidas a las que se adhieren ascienden entonces a la superficie para formar una capa de espuma que se elimina mediante un mecanismo de barrido superficial. La arena y demás sólidos pesados, que se depositan en el fondo, se transportan hacia un cuenco central de lodos para su extracción por bombeo.

54

FIGURA 3.7.- Esquema de los sistemas de flotación por aire disuelto. (a) sin recirculación, (b) con recirculación. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

55 - ADITIVOS QUÍMICOS Normalmente se suelen añadir determinados compuestos químicos para facilitar el proceso de flotación. En su mayor parte, estos reactivos químicos funcionan de manera que crean una superficie o una estructura que permite absorber o atrapar fácilmente las burbujas de aire. Los reactivos químicos inorgánicos, tales como las sales de hierro o de aluminio y la sílice activada, se emplean para agregar las partículas sólidas, de manera que se cree una estructura que facilite la absorción de las burbujas de aire. También se pueden emplear diversos polímeros orgánicos para modificar la naturaleza de las interfases aire – líquido, sólido – líquido, o de ambas a la vez. Por lo general, estos compuestos actúan situándose en la interfase para producir los cambios deseados. 3.4.6.- FILTRACIÓN EN MEDIO GRANULAR A pesar de que la filtración es una de las principales operaciones unitarias empleadas en el tratamiento del agua potable, la filtración de efluentes procedentes de tratamiento de aguas residuales es una práctica relativamente reciente. Hoy en día, la filtración se emplea, de modo generalizado , para conseguir una mayor eliminación de sólidos en suspensión (incluida la DBO particulada) de los efluentes de los procesos de tratamiento biológicos y químicos. La operación completa de filtración consta de dos fases: filtración y lavado o regeneración

(comúnmente

llamada

lavado

a

contracorriente).

Mientras

la

descripción de los fenómenos que se producen durante la fase de filtración es, prácticamente, idéntica para todos los sistemas de filtración que se emplean para las aguas residuales. En la fase de filtración se elimina la materia particulada, haciendo circular el agua residual a través de un lecho granular con o sin la adición de reactivos químicos.

Una vez terminada la fase de filtración se debe lavar el filtro a

56 contracorriente para eliminar la materia (sólidos en suspensión) que se han acumulado en el lecho granular. Para ello, se aplica un caudal de agua de lavado suficiente para expandir el medio filtrante y arrastrar el material acumulado en el lecho. El agua de lavado se retorna a las instalaciones de sedimentación primaria o al proceso de tratamiento biológico. Existen dos métodos de filtración denominados continuo y semicontinuo; en el primero las fases de filtración y lavado se realizan en forma simultánea, en cambio, en el segundo método las fases se realizan en forma alternada. Los filtros de gravedad como los indicados en la figura 3.8, son los mas comúnmente empleados en la filtración de efluentes tratados en plantas de tratamiento de gran tamaño. los filtros a presión del tipo indicado en la figura 3.9 funcionan igual que los de gravedad y se emplean en plantas de menor capacidad.

FIGURA 3.8.- Representación esquemática de un filtro convencional de flujo descendente por gravedad de medio granular. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

57

FIGURA 3.9.- Sección típica de un filtro a presión. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). 3.4.7.- COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES (COVs) En los últimos años, se ha detectado la presencia en el agua residual de compuestos volátiles orgánicos tales como el tricloroetileno (TCE) o el 1,2dibromo-3-cloropropano (DBCP) (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M).

La liberación incontrolada de tales compuestos que se

produce actualmente en las redes de alcantarillado y en las plantas de tratamiento de aguas residuales se ha convertido en materia de creciente preocupación. La eliminación de COVs por arrastre se produce cuando un gas (normalmente aire) queda atrapado temporalmente en el agua residual, o cuando se introduce de manera expresa para conseguir determinados objetivos de tratamiento. Cuando se introduce un gas en el agua residual, se produce la transferencia de COVs del agua residual al gas. Las fuerzas que gobiernan la transferencia de moléculas entre las dos fases son las mismas que se han descrito en la descripción del método de

58 volatilización. Por ello, la mayor efectividad en la eliminación de COVs por arrastre se consigue poniendo en contacto aguas residuales contaminadas con aire puro. En el tratamiento de aguas residuales, la eliminación por arrastre por gas se suele producir en desarenadores aireados, procesos de tratamiento biológico aireados y en canales aireados de interconexión entre procesos. Los principales puntos de las redes de alcantarillado y de las instalaciones de tratamiento en los que se produce la liberación de COVs se resumen en la tabla 3.5.

FUENTE Vertidos domésticos, industriales y comerciales Red de alcantarillado Elementos complementarios de la red de alcantarillado Estaciones de bombeo Rejas de barras Dilaceradores Aforador Parshall Desarenador Tanques de homogeneización Tanques de sedimentación Tratamiento biológico

Canales de interconexión Gas de digestor

MECANISMO DE LIBERACIÓN Descarga de pequeñas cantidades de COV al agua residual Volatilización en superficie debido a la turbulencia inducida por el flujo Volatilización debido a la turbulencia en puntos de conexión de conducciones, etc. Volatilización y arrastre por aire en pozos de registro y cámara de conexión de conducciones Volatilización y arrastre por aire a la entrada del pozo de bombeo Volatilización debido a la turbulencia Volatilización debido a la turbulencia Volatilización debido a la turbulencia En desarenadores convencionales de flujo horizontal, volatilización debido a la turbulencia, en desarenadores aireados, volatilización y arrastre por aire Volatilización en superficie debido a la turbulencia localizada; arrastre por aire en los casos en los que se utiliza difusión de aire Volatilización en superficie; volatilización y arrastre por aire en los vertederos, en el canal efluente y en otros puntos de descarga En los procesos de lodos activados con difusión de aire, arrastre por aire, en procesos de lodos activados con aireadores superficiales, volatilización, volatilización en superficie debido a fenómenos locales de turbulencia Volatilización en superficie debido a la turbulencia local; en canales de interconexión aireados, volatilización y arrastre por aire Emisiones incontroladas de gas del digestor; emisión de gases originados por la combustión o incineración incompleta del gas de digestión

TABLA 3.5.- Fuentes y mecanismos de liberación de COVs del agua residual a la atmósfera. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

59

3.5.- PROCESOS QUÍMICOS UNITARIOS Los métodos de tratamiento en los cuales la eliminación o conversión de los contaminantes se consigue con la adición de productos químicos o gracias al desarrollo de ciertas reacciones químicas, se conocen como procesos químicos unitarios. Fenómenos como la precipitación, adsorción y la desinfección son ejemplos de los procesos de aplicación mas común en el tratamiento de las aguas residuales. En la precipitación química, el tratamiento se lleva a cabo produciendo un precipitado que se recoge por sedimentación. En la mayoría de los casos, el precipitado sedimentado no sólo contendrá los constituyentes que pueden haber reaccionado con los productos químicos añadidos, sino que también estará compuesto por algunas sustancias arrastradas al fondo durante la sedimentación del precipitado. La adsorción es un proceso mediante el cual se eliminan compuestos específicos de las aguas residuales sobre superficies sólidas basándose en la fuerza de atracción entre los cuerpos. 3.5.1.- PRECIPITACIÓN QUÍMICA La precipitación química en el tratamiento de las aguas residuales lleva consigo la adición de productos químicos con la finalidad de alterar el estado físico de los sólidos disueltos y en suspensión, y facilitar su eliminación por sedimentación. En algunos casos, la alteración es pequeña, y la eliminación se logra al quedar atrapados dentro de un precipitado voluminoso constituido, principalmente, por el propio coagulante. Otra consecuencia de la adición de productos químicos es el incremento en los constituyentes disueltos del agua residual. Los procesos químicos, junto con algunas de las operaciones físicas unitarias, se han desarrollado para proporcionar un tratamiento secundario completo a las aguas residuales no tratadas, incluyendo la eliminación del nitrógeno, del fósforo, o de ambos a la vez.

60 También se ha desarrollado otros procesos químicos para la eliminación del fósforo por precipitación química, y están pensados para su utilización en combinación con procesos de tratamiento biológicos. Las sustancias mas empleadas en el tratamiento químico del agua residual son: sulfato de alúmina, cloruro férrico, sulfato férrico, sulfato ferroso y la cal, siendo esta última la menos utilizada. 3.5.2.- ADSORCIÓN El proceso de adsorción consiste, en términos generales, en la captación de sustancias solubles presentes en la interfase de una solución. Esta interfase puede hallarse entre un líquido y un gas, un sólido, o entre dos líquidos diferentes. A pesar de que la adsorción también tiene lugar en la interfase aire – líquido en el proceso de flotación, en esta sección sólo se considerará la adsorción en la interfase entre líquido y sólido. El proceso de adsorción no se ha empleado demasiado a menudo hasta el momento, pero la necesidad de una mayor calidad del efluente de los tratamientos de aguas residuales ha conducido a un estudio mas detallado del proceso de adsorción sobre carbón activado y de sus aplicaciones. El tratamiento del agua residual con carbón activado suele ser considerado como un proceso de refinamiento de aguas que ya han recibido un tratamiento biológico normal. En este caso, el carbón se emplea para eliminar parte de la materia orgánica disuelta. Asimismo, es posible eliminar parte de la materia particulada también presente, dependiendo de la forma en que entran en contacto el carbón y el agua.

3.6.- PROCESOS BIOLÓGICOS UNITARIOS Los procesos de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biológica se conocen como procesos biológicos unitarios. La principal aplicación de los procesos biológicos es la eliminación de las sustancias orgánicas biodegradables presentes en el agua residual en forma, tanto

61 coloidal, como en disolución. Básicamente, estas sustancias se convierten en gases, que se liberan a la atmósfera y en tejido celular biológico, eliminable por sedimentación. Los tratamientos biológicos también se emplean para eliminar el nitrógeno contenido en el agua residual. Mediante un adecuado control del medio, el agua residual se puede tratar biológicamente en la mayoría de los casos. Los objetivos del tratamiento biológico del agua residual son la coagulación y eliminación de los sólidos coloidales no sedimentables y la estabilización de la materia orgánica. En el caso del agua residual doméstica, el principal objetivo es la reducción de la materia orgánica presente y, en muchos casos, la eliminación de nutrientes como el nitrógeno y el fósforo. A menudo, la eliminación de compuestos a nivel de traza que pueden resultar tóxicos, también constituye un objeto de tratamiento importante. En el caso de las aguas de retorno de usos agrícolas, el principal objetivo es la eliminación de los nutrientes que puedan favorecer el crecimiento de plantas acuáticas, como el nitrógeno y el fósforo. En el caso de aguas residuales industriales, el principal objetivo es la reducción de la concentración de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos. A menudo, puede ser necesario llevar a cabo un pretratamiento previo, debido a la potencial toxicidad de estos compuestos para los microorganismos. 3.6.1.- PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS La eliminación de la DBO, la coagulación de los sólidos coloidales no sedimentables, y

la

estabilización

de

la

materia

orgánica

se

consiguen,

biológicamente, gracias a la acción de una variedad de microorganismos, principalmente bacterias. Los microorganismos se utilizan para convertir la materia orgánica coloidal y disuelta en diferentes gases y tejido celular. Dado que el tejido celular tiene un peso específico ligeramente superior al del agua, se puede eliminar por decantación.

62 Es importante señalar que, salvo que se separe de la solución el tejido celular que se produce a partir de la materia orgánica, no se alcanzará un tratamiento completo. Ello es debido a que el tejido celular, que es de naturaleza orgánica, aparecerá como parte de la medida de la DBO del efluente. Si no se separa el tejido celular, el único tratamiento que se habrá llevado a cabo es el asociado con la conversión bacteriana de una fracción de la materia orgánica presente originalmente en diversos productos gaseosos finales. Las aguas residuales suelen contener cantidades de nutrientes (tanto orgánicos como inorgánicos) adecuadas para permitir el tratamiento biológico para la eliminación de la DBO carbonosa. No obstante, en aguas residuales de origen industrial, puede ocurrir que no exista suficiente presencia de nutrientes. En tales casos, es necesario añadir nutrientes para permitir el adecuado crecimiento bacteriano y la consiguiente degradación de los residuos orgánicos. 3.6.2.- CRECIMIENTO BACTERIANO El control efectivo del medio ambiente en que se desarrolla el tratamiento biológico del agua residual se basa en la comprensión de los principios fundamentales que rigen el crecimiento de los microorganismos. Por lo general las bacterias se reproducen por fisión binaria, es decir, por división; la célula original se transforma en dos nuevos organismos. El tiempo necesario para cada fisión, que recibe el nombre de tiempo de generación, puede variar entre días y menos de 20 minutos. En general, los procesos de tratamiento biológico están compuestos por complejas poblaciones biológicas mezcladas e interrelacionadas, en las que cada microorganismo del sistema tiene su propia curva de crecimiento. La posición y forma de la curva particular de crecimiento dentro del sistema, en función del tiempo, depende del alimento y de los nutrientes disponibles, así como de factores

63 ambientales tales como la temperatura y el pH y del carácter aerobio o anaerobio del sistema. En la ilustración 3.10 se muestra un esquema del crecimiento de los microorganismos en un reactor de lodos activados.

FIGURA 3.10.-

Crecimiento relativo de los microorganismos en el curso de la

estabilización de un residuo orgánico en un medio liquido. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). Las condiciones ambientales pueden ser controladas mediante la regulación del pH, la temperatura, la adición de nutrientes o elementos de traza, la adición o exclusión de oxigeno, o también, mediante una mezcla adecuada del medio. 3.6.3.- PROCESOS BIOLÓGICOS DE TRATAMIENTO Existen cinco grupos principales: procesos aerobios, procesos anaerobios, procesos anóxicos, procesos aerobios – anaerobios y anóxicos combinados, y los procesos de lagunaje. Los procesos individuales se pueden dividir, a su vez, dependiendo de si el tratamiento se lleva a cabo en sistemas de cultivo en

64 suspensión, en sistemas de cultivo fijo, o en sistemas resultantes de la combinación de ambos. Todos los procesos biológicos que se emplean en el tratamiento de agua residual, tienen su origen en fenómenos y procesos que se producen en la naturaleza. La descomposición de los residuos se puede acelerar mediante el control del medio ambiente y el entorno de los microorganismos. El proceso de tratamiento biológico consiste en el control del medio ambiente de los microorganismos, de modo que se consigan condiciones de crecimiento optimas. Las principales aplicaciones de estos procesos son:



La eliminación de la materia orgánica carbonosa del agua residual, normalmente medida como DBO, carbono orgánico total (COT), o demanda química de oxigeno (DQO)



Nitrificación



Desnitrificación



Eliminación de fósforo



Estabilización de lodos El principal proceso de tratamiento biológico de cultivo en suspensión

empleado para la eliminación de la materia orgánica carbonosa es el proceso de lodos activados. El residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de líquido mezcla. A pesar de que la reacción de la respiración endógena conduce a la formación de productos finales relativamente sencillos y al desprendimiento de energía, también se forman algunos productos orgánicos estables.

65 El ambiente aerobio en el reactor se consigue mediante el uso de difusores o de aireadores mecánicos, que también sirven para mantener el líquido mezcla en estado de mezcla completa. Al cabo de un período determinado de tiempo, la mezcla de las nuevas células con las viejas se conduce hasta un tanque de sedimentación para su separación del agua residual tratada. Una parte de las células sedimentadas se recircula para mantener en el reactor la concentración de células deseada, mientras que la otra parte se purga del sistema. La fracción purgadas corresponde al crecimiento de tejido celular, asociado a un agua residual determinada. El nivel al que se debe mantener la masa biológica depende de la eficacia deseada en el tratamiento y de otras consideraciones relacionadas con la cinética del crecimiento. 3.6.4.- MICROBIOLOGÍA DEL PROCESO Para proyectar un sistema de lodos activados correctamente y con las debidas garantías de buen funcionamiento, es necesario comprender la importancia de los microorganismos dentro del sistema. En la naturaleza, el papel clave de las bacterias es descomponer la materia orgánica producida por los organismos vivos. En el proceso de lodos activados, las bacterias son los microorganismos mas importantes, ya que son los causantes de la descomposición de la materia orgánica del efluente. En el reactor, o tanque de aireación, las bacterias aerobias o facultativas utilizan parte de la materia orgánica del agua residual con el fin de obtener energía para la síntesis del resto de la materia orgánica en forma de células nuevas. En tanto que las bacterias son los microorganismos que realmente degradan el

residuo

orgánico

del

afluente,

las

actividades

metabólicas

de

otros

microorganismos son, igualmente, importantes en el sistema de lodos activados. Por ejemplo. Los protozoos y rotíferos ejercen una acción de refino de los efluentes. Los protozoos consumen las bacterias dispersas que no han floculado y los rotíferos consumen cualquier partícula biológica pequeña que no haya sedimentado.

66 Así como es importante que las bacterias descompongan el residuo orgánico tan pronto como sea posible, también lo es el que formen un floculo adecuado, puesto que este punto constituye un requisito previo para la separación de los sólidos biológicos en la instalación de sedimentación. Se ha observado que cuando aumenta el tiempo medio de retención celular mejoran las características de sedimentación del floculo biológico. En el caso de aguas residuales domésticas, los tiempos medios de retención celular necesarios para conseguir una buena sedimentación oscilan entre 3 y 4 días. Aunque se obtenga una excelente formación de flóculos, el efluente del sistema podría tener un alto contenido de sólidos biológicos, como consecuencia de un mal diseño de la unidad de sedimentación secundaria, mal funcionamiento de los dispositivos de aireación, o por la presencia de organismos filamentosos. 3.6.5.- INSTALACIONES DE SEDIMENTACIÓN Es importante destacar que el tanque de sedimentación es un elemento integral del proceso de lodos activados. No se puede considerar el diseño de un reactor independientemente de las instalaciones de sedimentación asociadas. Para cumplir con las normativas de vertido en cuanto a sólidos en suspensión y DBO asociados a los sólidos en suspensión volátiles del efluente, es necesario tener la posibilidad de separar los sólidos del líquido mezcla y recircular parte de ellos al reactor. Dado que la microbiología del proceso es variable, las características de sedimentación de los sólidos biológicos del líquido mezcla son diferentes para cada planta, en función de las características del agua residual y las numerosas variables asociadas al diseño y operación del proceso. Cuando se proyectan instalaciones de sedimentación para una planta de tratamiento, tanto nueva como ya existente, se deben realizar ensayos de sedimentación en columna, y el proyecto deberá basarse en los resultados de los mismos.

67 3.6.6.- EL ABULTAMIENTO DE LODO (BULKING) El término bulking se aplica a la condición en la que se da una superabundancia de organismos filamentosos en el líquido mezcla de un proceso de lodos activados. La presencia de organismos filamentosos provoca que los flóculos biológicos del reactor sean voluminosos y poco consistentes. Los flóculos así formados no sedimentan bien, y suelen ser arrastrados, en grandes cantidades, en el efluente de los tanques de sedimentación. El control de los organismos filamentosos se ha conseguido de diferentes maneras, ya sea por adición de cloro o de peróxido de hidrógeno al lodo activado de retorno. 3.6.7.- DIGESTIÓN AEROBIA La digestión aerobia es un método alternativo de tratar los lodos orgánicos producidos en el curso de las diversas operaciones de tratamiento. Los digestores aerobios se pueden emplear para el tratamiento de: únicamente lodos activados o de filtros percoladores; mezclas de lodos activados o de filtros percoladores con lodos primarios; o lodo biológico en exceso de plantas de tratamiento de lodos activados sin sedimentación primaria. Actualmente suelen emplearse dos variantes del proceso de digestión aerobia: el sistema convencional y el sistema con oxígeno puro, aunque también se ha empleado la digestión aerobia termófila. En la digestión aerobia convencional, el lodo se airea durante un largo período de tiempo en un tanque abierto, sin calefacción, empleando difusores convencionales o aireadores superficiales. El proceso se puede llevar a cabo de manera continua o discontinua. En plantas de pequeño tamaño se emplea el sistema discontinuo, en el que el lodo se airea y se mezcla completamente durante un largo periodo de tiempo, dejándose sedimentar a continuación en el interior de la misma cuba. En los sistemas continuos, la decantación y concentración del lodo se realiza en un tanque independiente. La digestión con oxígeno de gran pureza es una modificación del proceso de digestión aerobia en el que se sustituye el aire por oxígeno de gran

68 pureza. El lodo que resulta es parecido al lodo que se obtiene en los procesos de digestión aerobia convencionales. La digestión aerobia termófila representa un refinamiento adicional del proceso de digestión aerobia. Este proceso puede permitir conseguir altos rendimientos de eliminación de la fracción biodegradable (superiores al 80%) en tiempos de detención cortos (3 a 4 días) mediante la acción de bacterias Termófilas a temperaturas entre 25 y 50 °C superiores a la temperatura ambiente. La digestión aerobia como se ha comentado es similar al proceso de lodos activados. Al agotarse el suministro de substrato disponibles, los microorganismos empiezan a consumir su propio protoplasma para obtener energía para las reacciones de mantenimiento celular. Cuando ocurre esto, se dice que los organismos se hallan en fase endógena. El tejido celular se oxida a dióxido de carbono, amoniaco y agua por vía aerobia. En la práctica, solo se puede oxidar entre el 75 y el 80% del tejido celular, puesto que el resto esta formado por componentes inertes y compuestos orgánicos no biodegradables. Si se mezcla lodo activado, o lodo procedente de filtros percoladores, con lodo primario para su digestión aerobia conjunta, se producirá tanto la oxidación directa de la materia orgánica del lodo primario como la oxidación endógena del tejido celular.

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4.- INSTALACIONES PARA EL TRATAMIENTO PRIMARIO Como se vio en el capitulo III de operaciones unitarias, las operaciones físicas se emplean para la separación de sólidos de gran tamaño, sólidos suspendidos y flotantes, grasas y compuestos orgánicos volátiles. Los procesos químicos se emplean para la precipitación de sólidos suspendidos y coloidales, desinfección del agua residual, y control de olores. Las operaciones y procesos unitarios mas utilizados en el tratamiento primario del agua residual comprenden: rejas y tamices, dilaceradores, desarenadores, y sedimentación primaria.

4.1.- REJAS DE BARRAS Y TAMICES El primer paso en el tratamiento del agua residual consiste en la separación de los sólidos gruesos. El procedimiento más habitual se basa en hacer pasar el agua residual bruta a través de rejas de barras o de tamices. Las rejas de barras suelen tener aberturas libres entre barras de 15 mm o mayores, mientras que los tamices se caracterizan por disponer de aberturas libres inferiores a los 15 mm, y se emplean en plantas normalmente de pequeño tamaño, en las que se eliminan del agua residual entrante los sólidos de menor tamaño. Antes de analizar los proyectos de rejas o tamices resulta importante analizar algunas características de los residuos a separar. Los materiales retenidos en las rejas y tamices se conocen con el nombre de residuos o basuras. Cuanto menor es la abertura libre del tamiz, mayor será la cantidad de residuos eliminada. A pesar de que no existe ninguna definición que permita identificar los materiales separables mediante rejas y tamices, y de que no existe ningún método reconocido para la medición de la cantidad de residuos eliminada, estos presentan ciertas propiedades comunes. En la tabla 4.1 se clasifican

70 estas partículas y su porcentaje de retención en los distintos tipos de elementos de separación de sólidos.

TAMAÑO DE PARTÍCULA

TIPO DE PARTÍCULA

PORCENTAJE DE RETENCIÓN

Grande (15 mm o mayores)

Piedras, ramas, trozos de chatarra, papel, raíces de árboles, plásticos y trapos Sólidos disueltos sedimentables, grasas, espumas y materia fecal patógena.

60 al 70% del total de residuos en rejas de 25 a 100 mm

Finos (menos de 15 mm)

10 al 15% en tamices de entre 0,75 y 15 mm

TABLA 4.1.- Clasificación de residuos separables. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.)

4.2.- REJAS DE LIMPIEZA MANUAL En los casos en los que se utilice este tipo de rejas, su longitud no deberá exceder de la que permita su correcta limpieza (aproximadamente 3 m). Las barras que conforman la reja no suelen exceder los 10 mm de ancho por 50 mm de profundidad. En la parte superior de la reja deberá colocarse una placa perforada para que los objetos extraídos se puedan almacenar temporalmente para su drenaje. En la figura 4.1 se ilustra una reja de limpieza manual típica. El canal donde se ubica la reja debe evitar la acumulación de arenas y demás materiales pesados, tanto antes como después de la reja. La pendiente del canal deberá ser horizontal o descendiente en la dirección de circulación a través de la reja, sin baches o imperfecciones en las que pudieran quedar atrapados algunos sólidos. Preferiblemente, el canal deberá ser recto y perpendicular a la reja, con la finalidad de conseguir una distribución uniforme de sólidos en el flujo y en la reja. Con objeto de procurar suficiente superficie de reja para la acumulación de residuos en los períodos entre operaciones de limpieza, es esencial que la velocidad de aproximación se limite a, aproximadamente, 0,45 m/s a caudal medio.

71 Conforme se acumulan los residuos, produciendo la obturación parcial de la reja, aumentará el calado aguas arriba de la misma, sumergiendo nuevas zonas de paso del flujo a través de la reja.

FIGURA 4.1.- Reja de barra de limpieza manual. (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

4.3.- REJAS DE LIMPIEZA MECÁNICA Las rejas de limpieza mecánica se han venido empleando en plantas de tratamiento de aguas residuales desde hace mas de 50 años. El proyecto de las rejas ha evolucionado a lo largo de los años con objeto de reducir los problemas de explotación y mantenimiento y para aumentar las posibilidades de separación de residuos. Muchos de los diseños mas modernos incluyen la utilización de materiales resistentes a la corrosión tales como el acero inoxidable o los materiales plásticos. Las rejas de limpieza mecánica se dividen en cuatro tipos principales:

72 1.- Rejas de funcionamiento mediante cadenas, (el tipo mas frecuente) 2.- Rejas de movimiento oscilatorio 3.- Catenarias 4.- Rejas accionadas mediante cables. En la figura 4.2 se ilustran los 4 tipos de rejas de accionamiento mecánico. Las rejas que emplean cadenas se pueden dividir en diferentes categorías según el tipo de limpieza que utilizan. La limpieza puede realizarse por la cara de aguas arriba (anterior) o por la cara de aguas abajo (posterior) de la reja, siendo el tipo de limpieza posterior el mas utilizado. Otra categoría viene dada en función de la cara de la reja utilizada para que el peine rascador se desplace y efectúe la limpieza. A pesar de que el funcionamiento es, básicamente, el mismo, cada tipo de reja tiene sus ventajas y sus inconvenientes. En general, las rejas de limpieza y retorno de aguas arriba son más modernas y eficientes en la retención de sólidos, pero son menos robustas y mas susceptibles a que el peine se encalle por la acumulación de sólidos en la base de la reja. Este tipo de rejas se suele emplear en redes de alcantarillado predominantemente de tipo separativo y no son de uso frecuente en plantas de tratamiento conectadas a redes de alcantarillado unitario, donde la presencia de objetos de gran tamaño puede provocar obstrucciones importantes. En las rejas de limpieza de aguas arriba y retorno por la parte posterior, los rastrillos limpiadores vuelven a la parte inferior de la reja, por su cara posterior, pasan por debajo de ella, y proceden a su limpieza en su movimiento ascendente. De esta manera, se minimiza el potencial de bloqueo del peine, pero es necesario disponer una placa articuladas en la parte inferior para cerrar el espacio que se abre por debajo de la reja. No obstante, la placa articulada también puede presentar problemas de bloqueo.

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FIGURA 4.2.- Rejas de barras de limpieza mecánica: (a) Reja de cadena; (b) Reja oscilante (Franklin Miller); (c) Reja catenaria (Dresser Industries); (d) Reja accionada con cable. (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

74 En las rejas de limpieza por la parte posterior, las barras protegen el rastrillo de posibles daños causados por las basuras. Sin embargo, este tipo de rejas presenta problemas de arrastre de sólidos aguas debajo de la reja, especialmente cuando los rastrillos empiezan a presentar un desgaste importante. La reja del tipo de limpieza y retorno de aguas abajo es menos robusta que las de los demás tipos, ya que la parte superior de la reja no esta diseñada para permitir el paso de los dientes del rastrillo de limpieza. Las rejas de barras de limpieza mediante movimientos oscilatorios imitan la secuencia de movimientos de una persona que rastrilla la reja. El rastrillo se desplaza hasta la parte inferior de la reja, se coloca entre las barras, y asciende arrastrando las basuras hasta la parte superior de aquella, lugar donde son extraídas. Una ventaja importante de este método es que todos los componentes que precisan mantenimiento se sitúan por encima del nivel del agua, de modo que su inspección y mantenimiento no hace necesario el vaciado del canal y que el sistema de limpieza y retorno aguas arriba minimiza el arrastre de sólidos. Este tipo de reja presenta el inconveniente de que dispone únicamente de un rastrillo de limpieza en lugar de los múltiples rastrillos empleados en las rejas de limpieza mediante cadenas, lo cual limita la capacidad de la reja para tratar aguas con altos contenidos en residuos. En el caso de las rejas de catenaria de limpieza y retorno aguas arriba el rastrillo se mantiene en contacto con la reja gracias al peso de la cadena. Una ventaja de este sistema consiste en que el mecanismo de transmisión no tiene ruedas dentadas sumergidas, mientras que el espacio necesario para su instalación, relativamente grande, representa su mayor inconveniente. Las rejas de limpieza mecánica accionadas mediante cables son de limpieza y retorno frontales que emplean un rastrillo pivotante que asciende y desciende por unas guías accionado por un dispositivo formado por un cable y un tambor. El rastrillo desciende por gravedad, pivota hasta engarzarse con la reja, y se eleva por acción del cable. La principal ventaja que presenta es el hecho de que el rastrillo es el único elemento

75 mecánico que se sumerge en el agua residual. Las desventajas que presenta este sistema incluyen la limitada capacidad de rastrillado y los problemas de mantenimiento asociados al destensado de los cables, a su enrollamiento en los tambores, y a fallos en el funcionamiento de los mecanismos de frenado. En la mayoría de las plantas, se suele disponer un mínimo de dos unidades de rejas, de modo que sea posible dejar una de ellas fuera de servicio para realizar las labores de mantenimiento. Es conveniente la instalación de compuertas de canal aguas arriba y debajo de cada reja, de modo que sea posible dejar la unidad en seco, para llevar a cabo operaciones de pintado, sustitución de algún cable o cadena, cambio de dientes, eliminación de obstrucciones y enderezamiento de barras dobladas. Si solo se instala una unidad, es imprescindible incorporar un canal de bypass con una reja de limpieza manual para su uso en casos de emergencia. En algunos casos, la reja manual se instala de forma que pueda tratar los caudales de rebalse que se producirían si la reja mecánica quedara inutilizada, especialmente durante los períodos de tiempo en que la instalación este desatendida. El canal de las rejas se debe proyectar de forma que se evite la acumulación y sedimentación de arenas y otros materiales pesados. Para reducir al mínimo la deposición de sólidos en el canal, 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. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.) La velocidad de paso a través de la reja de barras se puede controlar mediante la instalación de un dispositivo de control aguas debajo de la reja, como un aforador Parshall, o, para el caso de rejas situadas aguas arriba de una planta elevadora, controlando el nivel del pozo de bombeo. Normalmente, los residuos extraídos por el mecanismo de limpieza se descargan directamente a una tolva o a un contenedor, a una mesa de clasificación,

76 o a un compactador de basuras. Como alternativa a este procedimiento, para triturar y desmenuzar las basuras, se pueden emplear dispositivos trituradores. Una vez triturados, los residuos se reintegran al agua residual.

4.4.-TAMICES Los primeros tamices de gruesos empleados eran de tipo circular o de disco, equipados con una placa de bronce perforada con aberturas en forma de ranuras con ancho de 3 mm o inferiores. En la actualidad, muy pocas plantas de tratamiento emplean este tipo de tamices. Los tamices modernos son del tipo estático (fijos) o de tambor giratorio, provistos de una malla fina de acero inoxidable o de fibra de poliéster. Normalmente, las aberturas de los tamices oscilan entre 0,2 y 6 mm. El uso de este tipo de tamices queda limitado a plantas de pequeño tamaño. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). La malla filtrante esta formada por pequeñas barras de acero inoxidable en sección de cuña orientadas de forma que la parte plana de aquella esta encarada al flujo. Para su instalación, estos tamices precisan de una superficie considerable, y se deben limpiar una o dos veces al día con agua caliente a presión, vapor o con un agente desengrasador, para eliminar las acumulaciones de grasa. En el caso del tamiz de tambor, la malla se monta sobre un cilindro giratorio. Existen diferentes esquemas constructivos, especialmente en lo referente a la dirección del flujo a través de la malla del tamiz. El agua residual puede circular, bien entrando por un extremo del tambor y saliendo del mismo a través de la malla filtrante, recogiéndose los sólidos en la superficie interior de esta, o entrando por la parte superior del elemento y saliendo por el interior del tambor, produciéndose la recogida de sólidos en la superficie del tamiz. En el diseño se tiene en cuenta la evacuación en continuo de los sólidos retenidos, operación que se complementa con rociado con agua para mantener limpio el medio separador.

77 La cantidad y características de los residuos extraídos depende del tipo de reja o tamiz empleado, del tamaño de las aberturas de la reja o del tamiz, del tipo de red de alcantarillado, y de la situación geográfica de la instalación. Los métodos para eliminar residuos incluyen: transporte a vertederos, siendo este método de eliminación es el mas comúnmente empleado, soterramiento en la propia planta (sólo en instalaciones pequeñas), incineración, aislada o conjuntamente con lodos y arenas (sólo en grandes instalaciones), eliminación conjunta con residuos sólidos urbanos, o descarga a trituradores, donde se trituran y reintegran al agua residual. En

algunas

vertederos, se exige

plantas, antes de la evacuación de los residuos a

la estabilización de los mismos con cal. Una de las

mayores desventajas de uso de los trituradores de residuos es que requieren un alto nivel de mantenimiento.

4.5.- DILACERACIÓN Como alternativa a las rejas y tamices gruesos, se pueden emplear dilaceradores para la trituración de sólidos gruesos sin separarlos del flujo. Los Dilaceradores se emplean para triturar (dilacerar) los sólidos gruesos con objeto de mejorar las operaciones y procesos que se llevan a cabo a continuación, y para eliminar los problemas que

producen los diferentes tamaños de los sólidos

presentes en el agua residual. Los sólidos se trituran para conseguir partículas de tamaño menor y más uniforme, que se reincorporan al flujo para su eliminación en las operaciones y procesos que hay que llevar a cabo aguas debajo de los dilaceradores. El empleo de dilaceradores resulta especialmente ventajoso en las estaciones de bombeo para la protección de las bombas frente a problemas de obstrucciones producidas por trapos y objetos de gran tamaño, y para evitar tener que manejar y eliminar residuos.

78 Los problemas que los sólidos triturados presentan en los procesos situados aguas abajo del dilacerador suponen uno de los inconvenientes del uso de los mismos. La presencia de trapos genera problemas especialmente graves, ya que tienden a formar cordones cuando sufren la agitación posterior a la dilaceración. Estos cordones pueden provocar diversos impactos negativos tales como el atascamiento de los impulsores en bombas, de tuberías de lodos o intercambiadores de calor, o la acumulación sobre difusores de aire. El dilacerador mas comúnmente usado consiste en un tamiz vertical rotatorio en forma de tambor con ranuras de 6 mm en el caso de maquinas pequeñas y de 10 mm en el caso de maquinas grandes (figura 4.3).

FIGURA 4.3.- Instalación típica de dilaceración. (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). El material grueso se hace pasar por un peine fino donde es triturado por los dientes cortantes y barras de cizalladura del tambor giratorio. Las pequeñas partículas cizalladas atraviesan las ranuras del tambor y salen hacia el canal aguas

79 abajo por una abertura en el fondo, mediante un sifón invertido. Otros tipos de dilaceradores consisten en:



una rejilla fina fija, semicircular, montada en un canal rectangular, provista de discos cortantes circulares rotatorios u oscilantes



una unidad que contiene dos ejes de rotación verticales de gran diámetro dotados de cuchillas



una unidad que contiene una reja fina de forma cónica con el eje paralelo al canal del flujo. Esta unidad también esta equipada con cuchillas. En todos estos tipos de dilacerador, la rejilla intercepta los sólidos de mayor

tamaño, mientras que los sólidos mas pequeños circulan por el espacio libre que se encuentra entre la rejilla y las cuchillas. Los trituradores también se pueden montar en tuberías para desmenuzar los sólidos, especialmente antes de las bombas de aguas residuales y lodos. Para estas aplicaciones, los tamaños oscilan entre diámetros de 100 a 400 mm. Los dispositivos dilaceradores pueden ir precedidos de desarenadores con objeto de alargar la vida del equipo y reducir el desgaste de las superficies cortantes y de las zonas de los mecanismos en las que haya un pequeño espacio libre entre los componentes fijos y los móviles. La instalación de dilaceradores debe contar con un bypass que permita emplear una reja de barras manual en el caso de que el caudal supere la capacidad del dilacerador o ante la eventualidad de un fallo mecánico o del suministro energético. En los casos en los que el desarenador viene precedido por un dilacerador, los dientes cortantes sufren un gran desgaste y precisan ser afilados o sustituidos frecuentemente. Los dispositivos que emplean mecanismos de corte situados antes de los tamices deben contar con un sistema de retención de sólidos gruesos en el canal de aguas arriba del dilacerador que permita recoger los materiales que pudieran dañar las cuchillas.

80

4.6.- ELIMINACIÓN DE ARENAS La eliminación de arenas se puede llevar a cabo en desarenadores o mediante la centrifugación del lodo. Los desarenadores son proyectados para separar arenas, término que engloba a las arenas propiamente tales, y a la grava, cenizas, y cualquier otro material pesado cuya velocidad de sedimentación o peso específico sea considerablemente superior al de los sólidos putrescibles presentes en el agua residual. Al margen de los materiales nombrados con anterioridad, las arenas también incluyen cáscaras de huevo, pedazos de hueso, semillas, granos de café, y partículas orgánicas de gran tamaño tales como residuos de comidas. Generalmente, la fracción que se elimina como arena es básicamente inerte y relativamente seca. No obstante, la composición de las arenas es muy variable, con un contenido de humedad variable entre el 13 y el 65%, y un contenido volátil entre el 1 y el 56%. Para caracterizar a las arenas se suele emplear una densidad global de 1600 Kg/m3. Con frecuencia, las arenas contienen tal cantidad de materia orgánica que si no se procede a su lavado tras su separación del agua residual entran en putrefacción. La mayor parte de los problemas que se dan en los procesos situados aguas debajo de los desarenadores se producen por partículas de arena mayores de 0,2 mm. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.). La granulometría real de las partículas de arena presenta variaciones debido a las diferencias de las características de las redes de alcantarillado, así como variaciones en la eficiencia de eliminación. Generalmente, la mayor parte de las arenas queda retenida en el tamiz N° 100 (0,15 mm), alcanzándose en ocasiones el 100% de retención en este tamiz. No obstante, las arenas pueden ser mucho mas finas. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.).

81

4.7.- DESARENADORES Los desarenadores se instalan para:



proteger los elementos mecánicos móviles de la abrasión y excesivo desgaste



Reducción de la formación de depósitos en el interior de las tuberías, canales y conducciones



Reducción de la frecuencia de limpieza de los digestores provocada por la excesiva acumulación de arenas La eliminación de las arenas es esencial como paso previo a las bombas

centrífugas, intercambiadores de calor y bombas de diafragma de alta presión. Los desarenadores se suelen colocar después del desbaste y antes de los tanques de sedimentación primaria, aunque en algunas instalaciones, el desarenador precede al desbaste. Normalmente, la instalación del desbaste antes del desarenador facilita la explotación y el mantenimiento de los elementos de separación de arenas. Normalmente, la ubicación de los desarenadores antes del bombeo del agua residual, en los casos en los que resulte conveniente, comportará la instalación de los mismos a una profundidad considerable, lo cual implica un costo adicional. Por ello, se suele considerar como mas económico bombear el agua residual, incluidas las arenas, hasta los desarenadores situados en un lugar conveniente en relación a la posición de las restantes unidades de la planta, atendiendo a la mayor labor de mantenimiento que debe realizarse en las bombas. Existen tres tipos generales de desarenadores: de flujo horizontal, de diseño rectangular o cuadrado, aireados y de vórtice. En el primero de ellos, el agua circula a través del elemento en dirección horizontal y la velocidad de circulación es controlada por la propia geometría de la unidad, con compuertas de distribución

82 especiales, y mediante la adopción de vertederos de secciones especiales a la salida del canal. El desarenador aireado consiste en un tanque de aireación de flujo helicoidal en el que se induce una velocidad en espiral que se controla por la propia geometría del tanque y por la cantidad de aire suministrada a la unidad. El desarenador de vórtice consiste en un tanque cilíndrico en el que el agua entra siguiendo una dirección de flujo tangencial creando un flujo en vórtice; las fuerzas centrífugas y gravitatorias son las responsables de la separación de arenas. 4.7.1.- DESARENADORES RECTANGULARES DE FLUJO HORIZONTAL El tipo de desarenador más antiguo empleado en el tratamiento de las aguas residuales es el de flujo horizontal con control de velocidad. Estas unidades se proyectan de modo que se mantenga una velocidad lo más cercana posible, a 0,3 m/s, y que proporcione suficiente tiempo como para que sedimenten en el fondo del canal las partículas de arena. La velocidad de diseño indicada permite la circulación a través del desarenador de la mayor parte de la materia orgánica en suspensión, pero permite la sedimentación de la arena pesada. El proyecto de desarenadores de flujo horizontal deberá realizarse de tal forma que, bajo las condiciones mas adversas posibles, la partícula de arena más ligera alcance el fondo del canal antes de llegar al extremo del mismo. Normalmente, los desarenadores se proyectan para eliminar todas las partículas de arena que quedan retenidas en un tamiz de malla 65 (0,21 mm), aunque muchos desarenadores hayan sido diseñados para eliminar partículas de arena retenidas en un tamiz de malla 100 (0,15 mm). (Fuente, Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). La extracción de las arenas de los desarenadores de flujo horizontal se suele llevar a cabo mediante un mecanismo transportador dotado de rasquetas o cangilones (canastillos). La elevación de las arenas para su posterior lavado y eliminación se realiza mediante tornillos o elevadores de cangilones. En ocasiones, en plantas de pequeño tamaño, el lavado de las arenas se realiza en forma manual.

83 4.7.2.- DESARENADORES CUADRADOS DE FLUJO HORIZONTAL En desarenadores cuadrados de flujo horizontal como el que muestra la figura 4.4, el caudal afluente a la unidad se distribuye en la sección transversal del canal mediante una serie de compuertas o deflectores, y el agua residual distribuida circula a través del tanque siguiendo una trayectoria recta hasta rebosar libremente por un vertedero. Generalmente suele ser recomendable contar con un mínimo de dos unidades o bien disponer de un bypass temporal. Estos desarenadores se proyectan en función de la carga de superficie, que depende del tamaño de las partículas y de la temperatura del agua a residual. Nominalmente, están concebidos para eliminar el 95% de las partículas retenidas en el tamiz N° 100 (0,15 mm) en condiciones de caudal punta.

FIGURA 4.4.- Desarenador cuadrado de Dorr-Oliver. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). En los desarenadores cuadrados, los sólidos son conducidos a un drenaje situado a un lado del tanque mediante un mecanismo de rasquetas. Las arenas

84 sedimentadas se pueden extraer con un mecanismo transportador – clasificador constituido por una rampa provista de un mecanismo de rastrillo oscilante (figura 4.4) o por bombeo desde el tanque a un ciclón para la separación de la materia orgánica y la arena concentrada. Esta puede ser sometida a un proceso de limpieza con clasificador oscilante o un tornillo transportador inclinado. Con ambos métodos se consigue separar de la arena los sólidos orgánicos, que se retornan al tanque desarenador, con lo cual se consigue una arena más limpia y seca. 4.7.3.- DESARENADORES AIREADOS La acumulación de arena en los tanques de aireación de flujo en espiral, precedidos por desarenadores, condujo al desarrollo del desarenador aireado. El excesivo desgaste de los equipos de manipulación de la arena, y la frecuente necesidad de un equipo independiente de lavado de la misma, motivaron la actual popularidad de este tipo de desarenador. Los desarenadores aireados se suelen proyectar para eliminar partículas de tamaño de tamiz N° 65 (0,2 mm) o superior, con tiempos de retención entre 2 y 5 minutos en condiciones de caudal punta. La sección transversal del canal es semejante a la de los tanques de aireación de lodos activados de circulación espiral, con la diferencia de que se incluye un canal de recogida de arenas de unos 0,9 metros de profundidad, con paredes laterales muy inclinadas, que se ubica a lo largo de un lateral del deposito, bajo los difusores de aire (figura 4.5). Los difusores se sitúan entre 0,45 y 0,6 metros por encima de la base normal del tanque. Para el control hidráulico del elemento y para mejorar la eficacia en la eliminación de arenas se suelen usar deflectores tanto en la entrada como en la salida del agua.

85

FIGURA 4.5.- Sección transversal de un desarenador aireado. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). La velocidad de la rotación transversal o la agitación determinan el tamaño de las partículas de un peso específico dado que serán eliminadas. Si la velocidad es demasiado elevada la arena no decantara y se arrastrara fuera del tanque, mientras que si la velocidad es demasiado lenta, sedimentara una parte de la materia orgánica junto con la arena. Con un ajuste adecuado de la cantidad de aire suministrado, se puede alcanzar un porcentaje de eliminación de materia orgánica cercano al 100%. Las arenas que no están bien limpias

contienen materia orgánica

provocando

problemas de olores por descomposición y atracción de insectos. El agua residual circula por el tanque siguiendo una trayectoria helicoidal y pasara dos o tres veces por el fondo del tanque en condiciones de caudal punta, incrementándose el numero de pasadas por la parte inferior del tanque cuanto menor sea el caudal. El agua residual se debe introducir en el elemento siguiendo la dirección de rotación.

86 Para la extracción de arenas, los desarenadores aireados disponen de cucharas bivalvas que se desplazan sobre un monorriel ubicado sobre el canal de almacenamiento y recogida de arena. Una ventaja adicional del sistema de cucharas bivalvas es el mejoramiento en la limpieza de las arenas. Otras instalaciones están equipadas con transportadores de cadena provistas de canastos, que se deslizan a lo largo de los canales de recogida empujando la arena hasta un extremo de los mismos y la elevan por encima del nivel del agua de forma continua. En las zonas en las que se vierten aguas industriales a la red de colectores de la planta, es necesario tener en cuenta el desprendimiento de COVs debido a la agitación por aire que se produce en los desarenadores aireados. En los casos que los desprendimientos de COVs constituye un problema importante, será necesario cubrir las instalaciones o adoptar sistemas de desarenado sin aireación. 4.7.4.- DESARENADORES DE VÓRTICE La separación de arenas también se lleva a cabo en elementos en los que el flujo de agua provoca la formación de un vórtice. El separador tipo teacup mencionado en el capitulo III es representativo de los desarenadores de vórtice (figura 4.6a), tanto la entrada como la salida de agua residual se lleva acabo en dirección tangencial. La turbina giratoria mantiene una velocidad de circulación constante, y sus palas ajustables promueven la separación de la materia orgánica de la arena. En cada giro completo del contenido del tanque, la arena sedimenta por gravedad y se recoge en un cuenco desde donde se puede extraer con una bomba de arenas. La arena extraída con bomba de arenas se puede descargar en un hidrociclón para la eliminación de la materia orgánica. Si se instalan más de dos unidades, es necesario disponer de elementos especiales para la división del caudal. En el segundo tipo de desarenadores (figura 4.6b), la entrada de agua en dirección tangencial por la parte superior del aparato genera un vórtice libre.

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FIGURA 4.6.- Desarenadores de vórtice. (a) Sistema PISTA (de Smith & Loveless), (b) Sistema Teacup (de Eutek). (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

88 El efluente sale por el centro de la parte superior desde un cilindro rotatorio, u ojo del fluido. Dentro de este cilindro, las fuerzas gravitacionales minimizan la liberación de partículas con densidades mayores que la del agua. La arena sedimenta por gravedad en la parte inferior del aparato, mientras que la materia orgánica, incluida en la materia separada de las partículas de arena por acción de las fuerzas centrífugas, abandona el aparato con el efluente. La materia orgánica que sedimenta junto con las partícula de arena se separa de estas conforme se desplazan por la base inferior de la unidad. La perdida de carga en el desarenador es función del tamaño de las partículas que hay que separar y crece de manera importante cuanto más finas sean las partículas. La arena se extrae del desarenador mediante una cinta transportadora. Debido a su altura total, este tipo de desarenadores requiere de mucha excavación o de una planta elevadora si la unidad se instalará en la superficie. 4.7.5.- ELIMINACIÓN DE ARENAS EN LODOS En algunas instalaciones de tratamiento no se emplean desarenadores, y se permite la sedimentación de la arena en los decantadores primarios. La eliminación de la arena se lleva acabo bombeando lodo primario diluido a un ciclón. El desarenador de ciclón funciona como un separador centrífugo en el que las partículas pesadas de la arena y los sólidos se separan por la acción de un vórtice y se descargan separadamente de las partículas más ligeras y la masa del líquido. La ventaja de este sistema radica en la eliminación del costo de los desarenadores. Las desventajas son:



El bombeo de grandes cantidades de lodo diluido suele obligar a la instalación previa de espesadores de lodo



El bombeo de arenas con el lodo primario provoca mayores necesidades de mantenimiento de los conductos de lodos y de las instalaciones de bombeo de lodos primarios, incrementando, también, el costo del bombeo de lodos.

89 La cantidad de arena varia mucho de un lugar a otro según el tipo de red de alcantarillado, las características de la zona servida, el estado de las alcantarillas, el tipo de residuos industriales, numero de trituradores de basura domésticos, y la cantidad de terreno arenoso en la zona. 4.7.6.- DISPOSICIÓN FINAL DE LA ARENA El método mas comúnmente empleado es la evacuación al terreno como relleno, cubriéndola cuando sea necesario. En algunas plantas de grandes dimensiones, la arena se incinera junto con los lodos. Al igual que con los residuos de desbaste, algunas normativas obligan a la estabilización de las arenas con cal antes de su evacuación a un vertedero. En todos los casos, la eliminación de las arenas se debe llevar a cabo de acuerdo con las normas medioambientales adecuadas. Las características de las arenas recogidas en desarenadores de flujo horizontal y en desarenadores de ciclón varían ampliamente entre lo que normalmente se suele conocer con el nombre de arena limpia hasta arena que presenta un alto contenido de materia orgánica putrescible. Las arenas no lavadas pueden contener hasta un 50% o más de materia orgánica. A no ser que se evacue con rapidez, este material puede atraer insectos y roedores y tiene un olor marcadamente desagradable. La eliminación de la mayor parte de la materia orgánica se puede llevar a cabo mediante separadores y lavadores de arenas. En los casos en los que parte de la materia orgánica más pesada permanece con la arena, se suelen emplear lavadores de arenas para proporcionar un segundo nivel de separación de sólidos volátiles. En la figura 4.7 se muestra una unidad de separación y lavado de arenas.

90

FIGURA 4.7.- Sistema de separación y lavado de arenas (de Wemco). (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy). Existen dos tipos principales de lavadores de arenas. Uno de ellos se basa en un dispositivo con rastrillo oscilante sumergido en su extremo inferior que proporciona la agitación necesaria para la separación de la arena de los materiales orgánicos y, al mismo tiempo, eleva aquella hasta un punto de descarga situado por encima del nivel del agua. Otro tipo emplea un tornillo inclinado que transporta la arena por un conducto inclinado ascendente. Ambos tipos se pueden equipar con dispositivos de rociado con agua para mejorar la acción limpiadora. Las arenas se suelen transportar a los vertederos en camiones. En plantas de grandes dimensiones, se pueden instalar tolvas elevadas de almacenamiento de arenas provistas de compuertas de descarga en la parte inferior. Las dificultades experimentadas a la hora de conseguir que la arena se desplace dentro de las tolvas de almacenamiento se han minimizado adoptando silos de almacenamiento con

91 pendientes fuertes en las paredes, aplicando aire en la parte inferior de las arenas, y empleando vibradores. Es usual instalar dispositivos de drenaje para recoger y evacuar los goteos que se producen en las compuertas de descarga inferiores. También se pueden emplear cucharas bivalvas instaladas sobre sistemas monorraíl para llevar a cabo la carga de los camiones directamente desde los desarenadores. En algunas plantas, el transporte de las arenas a las zonas de evacuación se ha podido llevar a cabo, satisfactoriamente, empleando transporte neumático. Este sistema no precisa tolvas de almacenamiento elevadas y elimina los problemas derivados del almacenamiento y transporte en camiones. Sin embargo, el desgaste de las conducciones, especialmente en codos y tramos curvos es considerable.

4.8.- HOMOGENEIZACIÓN Y REGULACIÓN DEL CAUDAL La homogeneización del caudal previa a las operaciones y procesos subsiguientes se puede llevar a cabo en línea o en derivación. Cuando al mismo tiempo se pretenda homogeneizar las cargas afluentes a la planta, debe emplearse la homogeneización en línea. La homogeneización en derivación se emplea, en ocasiones, para absorber la primera descarga de las redes de alcantarillado unitarias. Desde el punto de vista del proyecto, los principales factores que hay que tener en cuenta son: 

Construcción del tanque, incluyendo la limpieza, el acceso y las condiciones de seguridad.



Necesidades de mezclado y de aireación



Sistema de bombeo y control de los mismos

4.8.1.- CARACTERÍSTICAS DEL TANQUE Los materiales de construcción, la geometría del tanque, y los equipos necesarios para su funcionamiento, son los factores importantes que hay que tener en cuenta en el proyecto de tanques de homogeneización.

92 Los tanques de nueva construcción pueden ser excavados en el terreno, de hormigón o metálicos. Los tanques excavados en el terreno suelen ser los de menor costo. Dependiendo de las condiciones locales, la pendiente de las paredes puede variar entre 3:1 y 2:1. En la figura 4.8 se muestra una sección típica de un tanque excavado en el terreno. Con el fin de evitar la contaminación de las aguas subterráneas, es necesario disponer de un revestimiento. Para evitar la septicidad de las aguas, es necesaria la instalación de difusores de aire o aireadores flotantes. Si la solución adoptada es esta última, se debe incorporar una losa de hormigón bajo el aireador para minimizar la erosión en el fondo del tanque. Cuando se emplean aireadores flotantes, se necesita un nivel mínimo de tanque para garantizar un buen funcionamiento del sistema; normalmente, la profundidad variara entre 1,5 y 2 m. El resguardo necesario depende de la superficie del tanque y de las condiciones de viento locales. Para evitar la erosión inducida por el viento, puede ser necesario proteger los paramentos con una escollera ligera, suelo – cemento u hormigón proyectado.

FIGURA 4.8.- Sección transversal de un tanque de homogeneización. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

93 En zonas en las que el nivel freático sea muy alto, se deben incluir instalaciones de drenaje con el objeto de prevenir el posible derrumbamiento de los paramentos. Con el fin de mejorar la estabilidad de los mismos, la coronación de los diques debe ser suficientemente ancha, lo cual, a su vez, contribuirá a reducir los costos constructivos, especialmente en los casos en los que se empleen equipos de compactación mecánica. 4.8.2.- EQUIPOS COMPLEMENTARIOS Entre los equipos que se deben incluir se tiene: 

Instalaciones para la limpieza con chorro de agua de los sólidos y grasas que tengan tendencia a la acumulación en los paramentos del tanque



Vertedero de emergencia para cubrir la eventualidad de un fallo en el sistema de bombeo



Salida por la parte superior para la eliminación de las materias flotantes y espumas



Rociadores de agua para evitar la acumulación de espuma en las paredes del tanque si se visualiza que la espuma pueda constituir un problema Los sólidos separados en los tanques de homogeneización se deben

reconducir a cabecera de planta para su tratamiento. 4.8.3.- NECESIDADES DE MEZCLADO Y DE AIREACIÓN El equipo de mezclado debe estar dimensionado para mantener homogéneo el contenido del tanque y para evitar la deposición de sólidos en su interior. Para minimizar las exigencias de mezclado, las instalaciones de desarenado se deben situar antes de los tanques de homogeneización. La aireación para un agua residual urbana, es necesaria para evitar que las aguas se vuelvan sépticas y malolientes. En tanques de homogeneización situados a continuación de la decantación primaria y

94 que tengan cortos períodos de detención (inferiores a 2 horas), puede no ser necesaria la aireación. Un método para conseguir tanto el mezclado como la aireación consiste en el uso de aireadores mecánicos. Para asegurar un mezclado adecuado es necesario instalar deflectores, especialmente en casos en los que la geometría del tanque sea circular. Con el fin de proteger el aireador, se deben emplear sondas de detección de nivel bajo para la detención automática de los mezcladores. Dado que puede ser necesario proceder al vaciado periódico de los tanques, los aireadores deben estar equipados con soportes o campanas de aspiración que les permita descansar sobre el fondo del tanque sin sufrir daño. 4.8.4.- BOMBAS Y CONTROL DE BOMBEO Debido a que la homogeneización del caudal impone una altura de carga adicional dentro de la planta de tratamiento, la necesidad de incorporar instalaciones de bombeo es un hecho frecuente. El bombeo puede preceder o seguir a los tanques de homogeneización, pero se suele bombear antes del tanque para mejorar la operación de tratamiento. En algunos casos, puede ser necesario el bombeo tanto del agua que entra en los tanques de mezclado como de los caudales regulados a la salida de los tanques. En aquellos casos en los que sea posible el vaciado por gravedad, es preciso instalar un aparato de regulación de caudal de control automático. Cuando exista un sistema de bombeo, debe dotarse de instrumentación para controlar el caudal regulado preestablecido. Independientemente del método de vaciado empleado, la salida del tanque debe incorporar un medidor de caudal para controlar el caudal regulado.

95 4.8.5.- FLOCULACIÓN El propósito de la floculación del agua residual es formar agregados o flóculos a partir de la materia finamente dividida. A pesar de que, normalmente, no se suele incluir en las instalaciones típicas de tratamiento, vale la pena tener en cuenta el uso de la floculación del agua residual por agitación mecánica o con aire cuando los objetivos sean: 

Aumentar la eliminación de sólidos en suspensión y de la DBO en las instalaciones de decantación primaria



Acondicionar el agua residual que contenga vertidos industriales



Mejorar la eficiencia de los decantadores secundarios especialmente cuando se trata del proceso de lodos activados Cuando se utiliza, la floculación se puede desarrollar en:



Tanques independientes o tanques especialmente proyectados para tal fin



Instalaciones en línea tales como los conductos y tuberías que conectan entre si las unidades de tratamiento



Tanques que combinan en una sola unidad las operaciones de floculación y decantación (figura 4.9) Las paletas para la agitación mecánica deben tener mecanismos de

transmisión de velocidad variable que permitan el ajuste de la velocidad de la parte superior de la paleta por reducción de la misma hasta un 30% del valor máximo. Análogamente, cuando se emplea la floculación por aire, el sistema de suministro de aire se debe poder ajustar de modo que el nivel energético de floculación se pueda variar a lo largo del tanque. Tanto en los sistemas de floculación mecánica como en los de floculación por aire, es común efectuar una disminución gradual de la energía aplicada a lo largo del tanque, de modo que los flóculos formados inicialmente no sufran rotura en su salida de las instalaciones de floculación.

96

FIGURA 4.9.- Clarificador – floculador típico. (Fuente: Ingeniera de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

4.9.- TANQUES DE DECANTACIÓN PRIMARIA Siempre que un líquido que contengan sólidos en suspensión se encuentre en estado de relativo reposo, los sólidos de peso específico superior al del líquido tienen tendencia a depositarse, y los de menor peso específico tienden a ascender. Estos principios básicos se emplean para el proyecto de tanques de decantación para el tratamiento de aguas residuales. La finalidad del tratamiento por sedimentación es eliminar los sólidos fácilmente sedimentables y el material flotante y, por lo tanto, reducir el contenido de sólidos en suspensión del agua. Los tanques de sedimentación primaria pueden proporcionar el principal grado de tratamiento del agua residual, o se pueden emplear como paso previo al tratamiento posterior. Cuando se utilizan como único medio de tratamiento, estos tanques sirven para la eliminación de:

97 

Sólidos sedimentables capaces de formar depósitos de lodo en las aguas receptoras



Aceite libre, grasas y otras materias flotantes



Parte de la carga orgánica vertida a las aguas receptoras Cuando los tanques de sedimentación primaria se emplean como paso previo

de tratamientos biológicos, su función es la reducción de la carga afluente a las unidades de tratamiento biológico. Los tanques de sedimentación primaria bien dimensionados y explotados con eficiencia eliminan entre el 50 y 70% de los sólidos suspendidos y entre el 25 y el 40% de la DBO 5. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.). Los tanques de sedimentación primaria que preceden a los procesos de tratamiento biológico, pueden ser diseñados de forma que sus tiempos de detención sean menores y tengan una carga de superficie más alta que los que se utilizan como medio único de tratamiento, excepto cuando el lodo activado en exceso se envíe a los tanques de sedimentación primaria para su mezcla con el lodo primario. Los tanques de sedimentación también se han empleado como tanques de tormentas, caso en el que se proyectan para proporcionar un tiempo de detención corto a los caudales en exceso aliviados de redes de alcantarillado unitario (10 a 30 minutos). Su finalidad es eliminar una parte sustancial de los sólidos orgánicos que, de otro modo, se evacuarían directamente al agua receptora y podrían formar depósitos de lodo perjudiciales. Tales tanques se han empleado para procurar períodos de tiempo suficientes para la cloración efectiva de los caudales aliviados. Normalmente, los tanques de decantación primaria se proyectan para proporcionar un tiempo de detención entre 1,5 y 2 horas para el caudal medio del agua residual. Los tanques que proporcionan tiempos de detención menores (0,5 a 1 hora), con menor eliminación de sólidos suspendidos, se usan en ocasiones como tratamiento primario previo a las unidades de tratamiento biológico.

98 Casi la totalidad de las plantas de tratamiento utilizan tanques de decantación normalizados, rectangulares o circulares, con dispositivos mecánicos de recogida de lodos. Se debe disponer de dos o más tanques con objeto de que el proceso no se interrumpa mientras uno de ellos está fuera de servicio por razones de reparación o mantenimiento. 4.9.1.- TANQUES RECTANGULARES Los tanques de sedimentación rectangulares pueden incorporar sistemas de rascado de lodos con rascadores accionados por cadenas o puentes de traslación (figura 4.10). Los equipos de recogida de lodos para este tipo de decantador suelen consistir en una doble cadena cerrada que puede ser de aleación de acero, metálica, o termoplástico. sujetos a las cadenas, a intervalos regulares de aproximadamente 3 metros, se colocan tablones de madera o de fibra de vidrio, que se extienden por todo el ancho del tanque. En el caso de plantas pequeñas, los sólidos que sedimentan en el tanque se arrastran a unos cuencos de recogida del lodo, mientras que en las plantas grandes, se arrastran a unos canales de fondo transversales. Estos canales están equipados con sistemas de recolección de cadena y rascadores o de tornillo, que conducen el lodo a uno o más cuencos de lodo. En unidades de gran longitud (más de 50 metros), se pueden conducir los lodos a puntos cercanos al centro del tanque mediante los mecanismos de rascado. En los tanques rectangulares, la extracción del lodo también se puede llevar a cabo empleando mecanismos tipo puente de traslación que se desplazan longitudinalmente, alternando el sentido del movimiento, mediante ruedas de goma o sobre rieles dispuestos en los muros laterales y de los que cuelgan una o más rasquetas de lodo. Algunos de los puentes están diseñados de tal manera que es posible elevar las rasquetas por encima del nivel del lodo en el recorrido de vuelta a la posición inicial.

99

FIGURA 4.10.- Tanque rectangular de decantación primaria. (Fuente: Ingeniera de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

100 En los casos en los que no existen colectores transversales, es necesario instalar múltiples cuencos de recogida de lodos. Estos cuencos presentan problemas de funcionamiento, principalmente debido a la acumulación de lodo en las paredes y en las esquinas e incluso los producidos por la formación de bóvedas por encima de las tuberías de evacuación de lodos. También se puede producir la salida de agua residual por los cuencos de lodos, bypasando parte de los lodos acumulados, pasando a funcionar como un sumidero. Es preferible instalar colectores transversales, posiblemente con excepción de las plantas pequeñas, puesto que permiten extraer un lodo más concentrado y uniforme, además de eliminarse los problemas que se producen en los cuencos de recogida. Los canales de entrada del agua a tratar se deben situar transversalmente a los tanques en las zonas de entrada, de forma similar a los canales de recogida del efluente en la zona de salida. También conviene situar las instalaciones de bombeo de lodo cerca de los cuencos de recogida ubicados en los extremos de los tanques. Una instalación de bombeo puede servir, fácilmente, para dar servicio a dos o más tanques. Las posibilidades de diseño de la entrada de agua al tanque incluyen:



Canales que ocupan todo el ancho del tanque, con vertederos de entrada



Canales de entrada con orificios de entrada sumergidos



Canales de entrada con compuertas grandes y deflectores Los vertederos de entrada, a pesar de que son efectivos en cuanto a la

distribución del flujo en todo el ancho del canal, introducen una componente vertical de la velocidad en los cuencos de recogida de lodos que puede resuspender las partículas de lodo. En las instalaciones que tienen varios tanques rectangulares, se puede construir una galería integrada en los tanques a lo largo del extremo de entrada del agua, con objeto de instalar en ella las bombas de lodo y las tuberías asociadas.

101 Esta galería se puede conectar a la galería de servicios de la planta para facilitar el acceso a otras unidades. Las espumas son recogidas en el extremo de salida de los tanques rectangulares por medio de los rascadores que hacen su camino de retorno por la superficie del liquido. La espuma es arrastrada mediante rascadores hasta un punto en el que se retiene por medio de deflectores para su extracción. La espuma también puede arrastrarse mediante el rociado con agua a presión, y la extracción de la espuma se puede realizar arrastrándola manualmente hasta una rampa inclinada o por medio de dispositivos mecánicos o hidráulicos. Para instalaciones pequeñas, el sistema de recogida de espumas mas común consiste en una tubería horizontal dotada de ranuras que se puede hacer rotar mediante una manivela o tornillo. Excepto en el momento de recogida de las espumas, las aberturas se hallan por encima del nivel normal del agua en el tanque. En el momento de extraer las espumas, se gira la tubería de modo que se sumerjan las aberturas justo por debajo del nivel del agua, permitiendo que las espumas acumuladas fluyan al interior de la tubería. El uso de esta clase de equipos da como resultado un volumen relativamente grande de líquido con las espumas. Otro método de extracción de espumas por medios mecánicos consiste en un barredor helicoidal transversal acoplado a un eje. Este equipo permite arrastrar la espuma de la superficie del agua por encima de una corta rampa inclinada para su descarga a un colector de espumas transversal. A continuación, la espuma se hace circular por medio de un chorro de agua a un eyector de espumas o a una cámara dotada de una bomba de espumas. La espuma también se puede recoger con rasquetas superficiales en los tanques rectangulares dotados con equipos de puente de traslación. En instalaciones donde se recoge una gran cantidad de espumas, las cámaras de recogida suelen ser equipadas con dispositivos de mezclado que generan una mezcla homogénea antes del bombeo. Las espumas normalmente se

102 eliminan con los lodos producidos en la planta, sin embargo en algunas se eliminan por separado. Los tanques rectangulares se prestan a ser construidos adyacentes a los tanques de preaireación y de aireación en las plantas de lodos activados, permitiendo el aprovechamiento de paredes comunes y reduciendo los costos de construcción. 4.9.2.- TANQUES CIRCULARES En los tanques circulares, el sistema de flujo es radial. Para conseguir este sistema de flujo, el agua residual a decantar se introduce por el centro o bien por la periferia del tanque, tal como muestra la figura 4.11, siendo el primero el mas usado. En el diseño de alimentación central, el agua residual se transporta hacia el centro del tanque mediante una tubería suspendida del puente o embebida en hormigón por debajo de la losa. En la zona central, el agua residual pasa por una campana circular diseñada para distribuir el flujo uniformemente en todas direcciones. La campana central tiene un diámetro que suele variar entre el 15 y el 20% del diámetro total del tanque, con una profundidad que varia entre 1 y 2,5 m. El puente rascador gira lentamente y puede tener dos o cuatro brazos equipados con rascadores de fondo. Los puentes también incluyen unos rascadores superficiales para la eliminación espumas. En el diseño de alimentación perimetral, existe un deflector circular suspendido a corta distancia del muro del tanque, formando un espacio anular en el que se descarga el agua residual en dirección tangencial. El agua residual circula en espiral alrededor del tanque y por debajo del deflector, mientras el líquido decantado se recoge por medio de unos vertederos colocados a ambos lados de un canal situado en la parte central. La grasa y la espuma quedan retenidas en la superficie del espacio anular.

103

FIGURA 4.11.- Tanques circulares de decantación primaria. Tanque de alimentación periférica (de Ecodyne y Clow – Yeomans); y tanque de alimentación central (de Infilco Degremont). (Fuente: Ingeniera de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

104 En los tanques circulares de 3,6 a 9 m de diámetro, el equipo de extracción de lodo esta soportado por medio de vigas apoyadas en las paredes laterales. Los tanques de diámetro superior a 10,5 m utilizan un pilar central que soporta el puente rascador y que es accesible por medio de una pasarela. La losa del tanque tiene forma de cono invertido, con una pendiente aproximada de 1/12, y el lodo se arrastra a un cuenco relativamente pequeño situado junto a la zona central del tanque. Cuando la instalación consta de varias unidades, se acostumbra a disponer los tanques en grupos de dos o cuatro unidades. El caudal se divide entre los diferentes tanques mediante una arqueta de reparto situada entre ellos. El lodo se suele extraer mediante bombeo para su descarga a las unidades de evacuación de lodos.

105

5.- PROCESO DE LODOS ACTIVADOS En el tratamiento de las aguas residuales, el proceso de lodos activados (Figura 5.1), como tratamiento biológico muy común, tiene un uso muy amplio, sobre todo en las plantas que poseen grandes dimensiones y que se encargan de procesar grandes caudales de aguas servidas.

FIGURA 5.1.- Diagrama de flujo típico del proceso de lodos activados. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

5.1.- DISEÑO DEL PROCESO En el diseño del proceso de lodos activados, es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones:



Elección del tipo de reactor:

Los dos tipos de reactores que se suelen

emplear son el reactor de mezcla completa (tanque de flujo continuo con agitación) y el reactor de flujo en pistón (Figuras 5.2 y 5.3 respectivamente). Desde un punto de vista práctico, es importante hacer notar que los tiempos de detención hidráulica de muchos de los reactores de mezcla completa y de flujo en pistón que se utilizan en la actualidad son muy parecidos. Otro factor de importancia en este punto es la necesidad de transferencia de oxígeno, al igual que la naturaleza del agua residual.

106

FIGURA 5.2.- Proceso de lodos activados de mezcla completa (esquema típico de un proceso de cuatro reactores. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

Figura 5.3.- Proceso de lodos activados convencional de flujo en pistón. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

107 También se debe considerar las condiciones ambientales locales, donde las más importantes son la temperatura, el pH y la alcalinidad; y por último, un factor muy importante es el costo del proceso (tanto de inversión como de explotación y mantenimiento), a menudo, resulta más económico aumentar el gasto en instalaciones físicas (costo de inversión), para reducir los posteriores costos de explotación y de mantenimiento. 

Criterios de carga: Para el control en el proceso de lodos activados, se han propuesto una serie de parámetros, los más utilizados son dos: la relación alimento / microorganismos y el tiempo medio de retención celular.



Producción de lodo: Tener en conocimiento la producción diaria de lodo es de vital importancia, puesto que afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación de lodo en exceso (purga).



Necesidad y transferencia de oxígeno: La necesidad teórica de oxígeno para la eliminación de la materia orgánica se puede determinar a partir de la DBO del agua residual y de la cantidad de organismos purgados diariamente del sistema.



Necesidades de nutrientes: Para que este sistema biológico funcione en buena forma, es necesario que se hallen presente cantidades adecuadas de nutrientes. Como se mencionó en las características físicas los principales nutrientes son el nitrógeno y el fósforo. Otros nutrientes necesarios para el proceso, pero de menor relevancia son el sodio (excepto para los vegetales), el potasio, el calcio, el fosfato, el cloruro, el sulfato, y el bicarbonato.



Control de organismos filamentosos: El crecimiento de estos organismos es el problema de funcionamiento más frecuente en el proceso de lodos activados; esto conduce a la formación de un lodo de pobres características de sedimentabilidad, normalmente conocido como fango voluminoso (bulking). Para la prevención y control del crecimiento de estos organismos, es la incorporación de un compartimiento separado, llamado selector, como zona de contacto inicial de un reactor biológico, zona en la que se mezclan el efluente primario y el lodo activado recirculado.

108

FIGURA 5.4.- Diagrama esquemático de un reactor de lodos activados Deep Shaft. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).



Características del efluente:

El contenido de materia orgánica es un

parámetro de calidad del efluente que tiene gran importancia. Este contenido puede estar compuesto por los siguientes constituyentes: 1.- Materia orgánica soluble biodegradable 2.- Materia orgánica en suspensión 3.- Materia orgánica no biodegradable

5.2.- CONTROL DEL PROCESO El control del proceso de lodos activados es de importancia para mantener elevados niveles de rendimiento frente a una gran variedad de condiciones de funcionamiento, en este control intervienen diversos factores que son:

109 

Control del oxígeno disuelto: En teoría, la cantidad de oxígeno transferido en los tanques de aireación es igual a la cantidad de oxígeno demandada por los microorganismos del sistema de lodos activados para oxidar la materia orgánica y para mantener los niveles operativos de oxígeno disuelto residual. Cuando el nivel de oxígeno limita el crecimiento de microorganismos, puede predominar la existencia de organismos filamentosos, que como ya se dijo, empobrece las características de sedimentabilidad del lodo.



Control de la recirculación de lodo activado: La misión de la recirculación de lodo es mantener una concentración suficiente de lodo en el tanque de aireación, de modo que se pueda alcanzar el grado de tratamiento establecido en el intervalo de tiempo deseado. Esta recirculación desde el decantador final a la entrada del tanque de aireación es el elemento fundamental del proceso.

Se debe disponer de una capacidad de bombeo de lodo de

recirculación holgada, y también es necesario, evitar la pérdida de sólidos del lodo con el efluente. 

Purga de lodo: La producción diaria de lodo activado en exceso se debe purgar del sistema para mantener una relación alimento / microorganismos o un tiempo medio de retención celular predeterminados. Lo más común, es purgar el lodo desde la línea de recirculación, puesto que se trata de un lodo más concentrado y precisa de sistemas de bombeo de menor capacidad. Este lodo se descarga a los decantadores primarios, a espesadores u otras instalaciones de espesamiento del lodo.



Tasa de utilización de oxígeno:

Los microorganismos presentes en el

proceso de lodos activados utilizan oxígeno a medida que consumen alimento. Esta utilización de oxígeno es un parámetro de gran utilidad en la explotación de una planta.

5.3.- PROBLEMAS DE EXPLOTACIÓN Los problemas más frecuentes en la explotación de los procesos de lodos activados son el fango voluminoso, el fango ascendente, y la espuma Nocardia.

110 Conviene estudiar la naturaleza de estos fenómenos, ya que generalmente las plantas de tratamiento se encuentran con estos inconvenientes.



Fango voluminoso:

Es aquel que posee bajas características de

sedimentabilidad y escasa compactabilidad.

Se han podido identificar dos

tipos principales de problemas de fango voluminoso: uno producido por el crecimiento de organismos filamentosos u organismos que crecen en forma filamentosa bajo condiciones adversas, y el otro problema se produce por el agua embebida en el flóculo, de forma que las células que están en aquel se hinchan con agua hasta el punto en que se reduce su densidad y no sedimentan. 

Fango ascendente:

Algunas veces sucede que un lodo de buenas

características de sedimentabilidad flote o ascienda hacia la superficie después de un periodo de sedimentación relativamente corto.

Esto se

produce como consecuencia de la desnitrificación , donde este nutriente se convierte a nitrógeno gas. El fango ascendente se puede diferenciar del fango voluminoso observando las pequeñas burbujas de gas adheridas a los sólidos flotantes. 

Nocardia: En las plantas de lodos activados, la formación de una espuma viscosa, marrón, que cubre los tanques de aireación y los decantadores secundarios, provoca problemas de seguridad, efluentes de baja calidad y malos olores. La formación de esta espuma se asocia a la presencia de un organismo filamentoso de crecimiento lento. Existen algunas medidas de control de la Nocardia, entre las cuales se pueden mencionar: reducción de la edad del lodo, reducción del suministro de aire para reducir el espesor de la capa de espuma, incorporación de un selector para controlar el crecimiento de organismos filamentosos, inyección de un aditivo que provoque la mutación de bacterias, cloración del lodo de retorno, rociado con una solución de cloro directamente sobre la espuma, y reducción del pH del líquido mezcla por adición de productos químicos.

111

5.4.-

INSTALACIONES FÍSICAS PARA EL PROCESO DE LODOS

ACTIVADOS Entre los elementos físicos empleados para el diseño de sistemas de tratamiento de lodos activados se encuentran los siguientes: 5.4.1.- AIREACIÓN CON DIFUSORES Los dos principales métodos para la aireación del agua residual son: la introducción de aire u oxígeno puro mediante difusores sumergidos u otros sistemas de aireación, y agitación mecánica del agua residual para promover la disolución de aire de la atmósfera. Un sistema de aireación con difusores está formado por unos difusores sumergidos en el agua residual, las conducciones de aire, y los sopladores y demás equipos auxiliares por los que circula el aire. - DIFUSORES: En el pasado los difusores se han clasificado en dos tipologías, los difusores de burbujas finas y los difusores de burbujas gruesas, a partir del hecho que las burbujas finas resultan más eficaces en la transferencia de oxígeno. Actualmente se prefiere clasificar los sistemas de aireación con difusores en función de las características físicas de los equipos. Se definen tres categorías: difusores porosos o de poros finos, difusores no porosos, y otros sistemas de difusión, tales como los difusores de chorro, los aireadores por respiración y los aireadores de tubo en U (Figura 5.5).



Difusores porosos: Los difusores porosos se fabrican con diversas formas, siendo las más comunes los difusores de placa, domo, disco y de tubo. Los difusores de placa se instalan sobre soportes de aluminio u hormigón, que sujeta seis o más placas, y que se pueden colocar en entalladuras practicadas en la solera o directamente sobre la solera del tanque de conducción de aire a intervalos fijos a lo largo de todo el tanque, controlándose cada grupo mediante una válvula independiente.

112

113

FIGURA 5.5.- Difusores: (a) difusor de domo; (b) difusor de disco; (c) difusor de tubo; (d) sparger; (e) difusor de orificio con válvula; (f) aireador de tubo estático; (g) aireador por inyección; (h) dispositivo de aspiración; e (i) aireador de tubo en U. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

114 Para la fabricación de los difusores porosos se han empleado diversos materiales, que suelen ser plásticos y materiales cerámicos rígidos, plásticos flexibles, o envolventes flexibles de tela, goma o plástico. 

Difusores no porosos: Existen varios tipos de difusores no porosos. Los difusores de orificios de tamaño fijo o variable producen burbujas más grandes que los difusores porosos, razón por la cual tienen menor rendimiento de aireación, pero presentan ventajas de menores costos, necesidades de mantenimiento y de limpieza del aire. En el aireador estático, el aire se introduce por la parte inferior de un tubo

circular de altura variable (entre 0,5 y 1,25 m). Para mejorar el contacto del aire con el agua, los tubos están equipados con placas deflectoras situadas en su interior. Debido a que el aireador estático actúa como una bomba de emulsión de aire, se consigue el efecto de mezcla. Los aireadores estáticos se suelen colocar siguiendo disposiciones en forma de malla en el fondo de los tanques.



Otros tipos de difusores: Se incluyen los difusores de chorro, difusores de aspiración, y la aireación con tubos en U.



Rendimiento de los difusores: La eficiencia de la transmisión de oxígeno depende de muchos factores, entre los cuales se halla el tipo de difusor, dimensiones y geometría de los difusores, el caudal de aire, la profundidad de inmersión, la geometría del tanque, incluidas la posición de las conducciones y de los difusores y las características del agua residual. La eficiencia de los dispositivos de aireación se suele evaluar en agua limpia, ajustándose los resultados a las condiciones de campo mediante la aplicación de factores de conversión equivalentes al agua residual.



Sopladores:

Actualmente se utilizan dos tipos de sopladores: sopladores

centrífugas y de desplazamiento positivo (Figura 5.6).

En las plantas de

tratamiento de aguas residuales, los sopladores deben suministrar caudales de aire variables dentro de un intervalo de presiones muy limitado, bajo condiciones ambientales diversas. La necesidad de adaptar los caudales y

115 presiones de aire a demandas variables de una planta de tratamiento, implica que, el sistema de sopladores debe incorporar algún sistema de regulación o de variación del caudal. Los métodos de control o de regulación de potencia son: purga o bypasado de caudal, estrangulamiento de las sección de aspiración, difusores de descarga variable, motores de velocidad variable, y funcionamiento paralelo de varias unidades.

FIGURA 5.6.- Sopladores típicos empleados en los sistemas de difusión de aire: (a) soplador centrífuga; y (b) soplador de desplazamiento positivo. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).



Conducciones de aire:

Las conducciones de aire están formadas por

tuberías, válvulas, medidores y piezas especiales necesarias para el transporte del aire comprimido desde los sopladores hasta los difusores. Debido a que las presiones son reducidas (inferiores a 0,7 Kg./cm 2), se pueden emplear tuberías ligeras. Estas conducciones se suelen dimensionar en función de la velocidad de circulación. Excepto en los tramos en los que

116 las conducciones de aire se hallan sumergidas en el agua residual, no se producen problemas de condensaciones, ya que la temperatura del aire que descargan los sopladores es elevada (entre 60 y 80º C) ; sin embargo, es fundamental tener en cuenta las posibles dilataciones y contracciones de las conducciones. 5.4.2.- AIREADORES MECÁNICOS Los aireadores mecánicos se suelen clasificar en dos grupos en función de las principales características de diseño y de funcionamiento: aireadores de eje vertical y aireadores de eje horizontal.

Ambos grupos se subdividen en aireadores

superficiales y aireadores sumergidos. En los aireadores superficiales, el oxígeno se obtiene de la atmósfera, en los aireadores sumergidos el oxígeno también se obtiene de la atmósfera y, en algunos tipos de aireadores, a partir de aire u oxígeno puro que se introduce por la parte inferior del tanque. En ambos casos, la acción agitadora de bombeo de los aireadores contribuye a mantener mezclados los contenidos del tanque de aireación. En cuanto a su rendimiento los aireadores se clasifican atendiendo a su capacidad de transferencia de oxígeno. Los ensayos y evaluación de los aireadores se suele llevar a cabo, comúnmente, con agua limpia, desairada con sulfito de sodio.



Necesidades energéticas para el mezclado: Al igual que con los sistemas de difusión de aire, las dimensiones y la geometría del tanque son muy importantes para conseguir un mezclado efectivo. Los tanques de aireación pueden ser rectangulares o cuadrados, y pueden contar con uno o más aireadores.

La profundidad y anchura de los tanques de aireación que

empleen aireadores mecánicos superficiales dependen de las dimensiones de estos.

117

5.5.- GENERACIÓN Y DISOLUCIÓN DE OXIGENO PURO Una vez que se determina la cantidad de oxígeno necesaria, en los casos en los que se utiliza oxígeno puro, es preciso establecer el tipo de generador de oxígeno óptimo para cubrir las necesidades de la planta.

Existen dos tipos básicos de

generadores de oxígeno: un sistema de adsorción a presión alternativa (PSA), para las plantas de menor o más común tamaño, y el proceso tradicional de separación criogénica del aire, para plantas de grandes dimensiones.

También se puede

transportar oxígeno líquido en camiones y almacenarlo en la planta.



Adsorción a presión alternativa:

Este sistema emplea un proceso de

adsorción de varias etapas para conseguir un flujo continuo de oxígeno gas. El principio operativo del generador de adsorción a presión alternativa es la separación

del

oxígeno

del

aire

por

adsorción

a

altas

presiones,

regenerándose el adsorvente al reducirse la presión, repitiéndose este proceso en forma cíclica alternando las dos principales etapas: adsorción y regeneración. 

Separación criogénica del aire: Este proceso implica la licuefacción de aire seguido por una destilación fraccionada para separar el aire en sus diferentes componentes (principalmente nitrógeno y oxígeno). Primeramente el aire que entra se filtra y se comprime, luego unos intercambiadores de calor reversibles enfrían y eliminan el vapor de aire y el dióxido de carbono congelando estas mezclas en su superficie. Así sucesivamente hasta obtener por un lado un líquido rico en oxígeno y por otro lado nitrógeno residual que se somete a un intercambio de calor junto con el oxígeno producido para recuperar toda la capacidad de refrigeración disponible y regenerar los intercambiadores de calor reversibles.



Disolución de oxígeno comercial: El oxígeno, incluso el oxígeno puro, es altamente insoluble en agua, y precisa un sistema especial para asegurar una elevada eficiencia de adsorción.

Los equipos de disolución de oxígeno

diseñados exclusivamente para el uso de aire optimizan el consumo de

118 energía gracias a que el aire es gratuito y la eficiencia de la adsorción de oxígeno no es importante.

No obstante, debido al costo del oxígeno

comercial, las instalaciones utilizadas para la disolución de oxígeno se deben proyectar, tanto para absorber

eficientemente el oxígeno comercial, como

para minimizar el costo energético de cada unidad. 

Tiempo de disolución: Un factor importante que hay que considerar en los sistemas de disolución de oxígeno que se comercializan es el tiempo de retención.

Algunos sistemas de disolución de oxígeno puro consumen la

misma energía para disolver una tonelada de este que un aireador superficial convencional para disolver una tonelada del oxígeno del aire. Un sistema que proporciona un tiempo prolongado de contacto de las burbujas de oxígeno y que presenta elevadas tasas de transferencia de oxígeno, es una cámara de forma cónica denominada cámara de contacto de burbujas descendente. Otro sistema de transferencia que presenta algunas características favorables para la disolución eficiente de oxígeno comercial con bajo consumo energético, es la cámara de contacto de tubo en U. Para absorber eficazmente el oxígeno comercial, los sistemas de aireación con difusores o con aireadores superficiales, deben funcionar cubiertos;

normalmente, para cerrar el tanque, se suele colocar una losa de

hormigón.

5.6.- TANQUES DE AIREACIÓN Y OTROS ELEMENTOS Una vez que se haya seleccionado el proceso de lodos activados y el sistema de aireación y realizado un diseño previo, el siguiente paso consiste en proyectar los tanques de aireación y las instalaciones relacionadas con ellos.



Tanques de aireación:

Los tanques de aireación se suelen construir de

hormigón armado y abierto al aire libre. En plantas de grandes dimensiones los tanques suelen ser largos.

Los tanques que disponen de difusores a

ambos lados o de difusores centrados permiten la adopción de mayores

119 anchuras, siendo punto importante en la limitación de la anchura del tanque el evitar puntos muertos o zonas de mezclado insuficientes. Los tanques de aireación

deben

tener

una

cimentación

adecuada

que

impida

los

asentamientos y que, en terrenos saturados, impidan la flotación del elemento cuando se proceda al vaciado de ellos. 

Reparto de caudal: En las plantas de tratamiento que disponen de varios tanques de decantación primaria y de aireación, es importante asegurar la distribución homogénea del caudal a todos los tanques de aireación. Los métodos más utilizados son las arquetas de reparto dotadas con vertederos o válvulas de control, o la colocación de compuertas a la entrada de los tanques de aireación. En los casos en los que el transporte de agua a los tanques de aireación o la evacuación del efluente de los mismos se lleva a cabo con canales, éstos deberán ser equipados con difusores de aireación para evitar la deposición de sólidos.



Sistema de control de la espuma: El agua residual suele contener jabón, detergentes y otros agentes tensoactivos que producen espumas durante la aireación del agua residual. Si la concentración de sólidos suspendidos en el líquido mezcla es elevada, la tendencia a la formación de espuma se minimiza. Durante la puesta en marcha del proceso, en presencia de agentes tensoactivos, se pueden formar grandes cantidades de espuma que contiene sólidos de lodos, grasa y grandes cantidades de bacterias de agua residual. El viento puede levantar la espuma por los alrededores contaminando así todo lo que toque. También es un riesgo para los trabajadores, ya que es muy resbaladiza, y una vez seca es difícil de limpiar. El rociado con agua limpia rompe físicamente la espuma mientras se está formando. Otra posibilidad es dosificar pequeñas cantidades de productos químicos antiespumantes a la entrada del tanque de aireación o preferentemente en el agua de rociado.

120

5.7.- INSTALACIONES PARA LA SEPARACIÓN DE SÓLIDOS La función del decantador en el proceso de lodos activados es separar los sólidos de los lodos activados del líquido mezcla. La separación de los sólidos es el último paso en la producción de un efluente estable, y con bajo contenido en DBO, y sólidos suspendidos y , como tal, representa un punto crítico en la operación de un proceso de tratamiento de lodos activados.



Tipos de tanques:

Los tipos de tanques de sedimentación de lodos

activados comúnmente empleados son los tanques circulares (figura 5.7) y los rectangulares. En algunas ocasiones se ocupan tanques cuadrados, pero no son tan eficaces en la retención de sólidos como los anteriores, ya que en ellos se produce acumulación de sólidos en las esquinas, los que posteriormente escapan por el vertedero, debido a la agitación provocada por los dispositivos de recogida de lodo. Existen dos tipos de tanques circulares, de alimentación central y de alimentación periférica.

Ambos tipos utilizan

mecanismos rotatorios para transportar y evacuar el lodo del fondo del clarificador. En los tanques rectangulares se utilizan dos tipos de sistemas de extracción: rascadores múltiples, y puentes de traslación.

Los rascadores

múltiples son similares a los que se utilizan en los tanques de decantación primaria y el puente de traslación es similar a un puente grúa, que se desplaza a lo largo de los laterales del tanque, o si se emplean varios puentes, sobre una estructura soporte. 

Características de sedimentabilidad del lodo: Desde el punto de vista de funcionamiento, las instalaciones de decantación secundaria deben desarrollar dos funciones. Separación de sólidos suspendidos del líquido mezcla del agua residual tratada, lo cual da como resultado un

efluente clarificado, y

espesamiento del lodo de retorno. Debido a que ambas se ven afectadas por la profundidad del decantador, es importante elegir una determinada profundidad, de modo de disponer del volumen necesario para el normal desarrollo de ambas funciones.

121

FIGURA 5.7.- Tanques de sedimentación secundaria circulares para la extracción rápida del lodo: (a) lodo extraído con tubos de succión; y (b) lodo extraído por tubería colectora múltiple. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

122 

Cargas de superficie y cargas de sólido: En algunas ocasiones se hace necesario diseñar las instalaciones de sedimentación sin la ayuda de ningún tipo de ensayo.

Cuando se produce esta situación, es necesario utilizar

valores publicados de las cargas de superficie y de las cargas de sólidos. Debido a que gran cantidad de los sólidos pueden escapar con el efluente si se sobrepasan los criterios elegidos para el diseño; las cargas de superficie se deben basar en el caudal punta. 

Diseño a la entrada del tanque: Si el agua entra al tanque mal distribuida o a una gran velocidad, puede aumentar la formación de corrientes de densidad y la resuspensión del lodo sedimentado, provocando un rendimiento poco satisfactorio del decantador. Los dispositivos de entrada de agua al tanque deberían disipar la energía del agua entrante, distribuir uniformemente el flujo, tanto en dirección vertical como horizontal, eliminar las corrientes de densidad, minimizar las perturbaciones a la capa de lodo y a la vez favorecer el proceso de floculación.



Eliminación de espumas:

En muchas plantas de tratamiento secundario

bien operadas, en los decantadores secundarios se produce muy poca espuma, pero a veces, se presentan situaciones en las que aparecen materias flotantes que se deben eliminar. En las instalaciones donde no existan decantadores primarios, la eliminación de espumas en los decantadores finales es fundamental. Los equipos típicos de recogida de espumas incluyen las cajas flotantes con rampa de rascado, el canal desnatador y tuberías ranuradas.

123

6.1.- DESINFECCIÓN La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan enfermedades. No todos los organismos se destruyen durante el proceso, punto en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y la esterilización, proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. En el campo de las aguas residuales, las tres categorías de organismos entéricos de origen humano de mayores consecuencias en la producción de enfermedades son las bacterias, los virus y los quistes amebianos. Las enfermedades Bacterianas típicas transmitidas por el agua son: el tifus, el cólera, el paratifus y la disentería bacilar, mientras que las enfermedades causadas por los virus incluyen, entre otras, la poliomelitis y la hepatitis infecciosa. Un desinfectante ideal debería tener una gran variedad de características. A pesar de que tal compuesto puede no existir, es preciso tener en cuenta los requisitos propuestos a la hora de valorar los desinfectantes propuestos o recomendados. También es importante que los desinfectantes sean seguros en su aplicación y manejo, y que su fuerza o concentración en las aguas tratadas sea medible y cuantificable. Los métodos mas empleados para llevar a cabo la desinfección son: agentes químicos, agentes físicos, medios mecánicos y radiación. 1.- Agentes químicos: Los agentes químicos utilizados para la desinfección incluyen: el cloro y sus compuestos, el bromo, el yodo, el ozono, el fenol y los compuestos fenólicos, los alcoholes, los metales pesados y compuestos afines, los colorantes, los jabones, los compuestos amoniacales cuaternarios, el agua oxigenada, y ácidos y álcalis diversos. Los desinfectantes mas corrientes son los productos químicos oxidantes, de los cuales el cloro es el mas universalmente empleado, aunque también se ha utilizado, para la desinfección del agua residual, el bromo y el yodo. El ozono es un desinfectante muy eficaz cuyo uso va en aumento, a pesar de que no deja una

124 concentración residual que permita valorar su presencia después del tratamiento. El agua muy ácida o muy alcalina también se ha empleado para la destrucción de bacterias patógenas, ya que el agua con pH inferior a 3 o superior a 11 es relativamente toxica para la mayoría de las bacterias 2.- Agentes físicos: Los desinfectantes físicos que se pueden emplear son la luz y el calor. El agua caliente a la temperatura de ebullición, por ejemplo, destruye las principales bacterias causantes de enfermedades y no formadoras de esporas. El calor se suele emplear con frecuencia en las industrias lácticas y de bebidas, pero su aplicación al agua residual no es factible debido al alto costo que supondría. Sin embargo, la pasteurización del lodo es una práctica habitual en toda Europa. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.). La luz solar también es un buen desinfectante, especialmente la radiación ultravioleta. En la esterilización de pequeñas cantidades de agua, el uso de lámparas especiales ha resultado exitoso. La eficacia de este proceso depende de la penetración de los rayos en el agua. La geometría de contacto entre la fuente emisora de luz ultravioleta y el agua es de gran importancia debido a que la materia en suspensión, las moléculas orgánicas disueltas y la propia agua, además de los microorganismos, absorberán la radiación. Por lo tanto, la aplicación de la radiación ultravioleta como mecanismo de desinfección no resulta sencilla en sistemas acuosos, especialmente por la presencia de materia particulada. 3.- Radiación: Los principales tipos de radiación son la radiación electromagnética, la acústica y la radiación de partículas. Los rayos gamma se emiten a partir de elementos radioisótopos, como el cobalto 60. Dado su poder de penetración, los rayos gamma se han utilizado tanto para la desinfección (esterilización) del agua potable como del agua residual.

125 6.1.1- DESINFECCIÓN CON CLORO

De todos los desinfectantes empleados, el cloro es quizás el mas universalmente utilizado. La razón de este hecho hay que buscarla en que satisface la mayoría de los requerimientos planteados. Los compuestos de cloro mas comúnmente empleados en las plantas de tratamiento de aguas residuales son el cloro gas, el hipoclorito sódico, el hipoclorito de calcio y el dióxido de cloro. Los hipocloritos sódico y cálcico se suelen emplear en las plantas pequeñas, especialmente en las prefabricadas, en las que la simplicidad y seguridad son criterios de mayor peso que el costo. El hipoclorito de sodio también se emplea en las plantas de gran tamaño, principalmente por cuestiones de seguridad relacionadas con las condiciones locales. El dióxido de cloro también se emplea en las instalaciones de tratamiento, debido a que tiene algunas propiedades poco frecuentes (no reacciona con el amoniaco). El agua residual no tratada siempre contiene nitrógeno en forma de amoniaco y diversas formas de materia orgánica combinada. El efluente procedente de la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales también contiene cantidades significativas de nitrógeno, generalmente en forma de amoniaco, o en forma de nitrato si la planta esta preparada para desarrollar la nitrificación. 6.1.2.- DECLORACIÓN La declaración es la práctica que consiste en la eliminación de la totalidad del cloro combinado residual presente en el agua después de la cloración, para reducir los efectos tóxicos de los efluentes descargados a los cursos de agua receptores o destinados a la reutilización. La cloración es uno de los métodos mas comúnmente utilizados para la destrucción de los organismos patógenos y otros perjudiciales que pueden poner en

126 peligro la salud humana. Sin embargo, como se ha señalado anteriormente, algunos de los compuestos orgánicos presentes en el agua residual pueden causar interferencias en el proceso de cloración. Muchos de estos compuestos pueden reaccionar con el cloro para formar compuestos tóxicos, que pueden tener efectos adversos a largo plazo sobre los usos de las aguas a las que se descargan. A fin de minimizar los efectos de esta toxicidad potencial del cloro residual sobre el medio ambiente, se ha considerado necesario declorar el agua residual previamente clorada. El producto químico mas usado en el proceso de decloración, tanto si es necesaria para cumplir las limitaciones de vertidos, como si se aplica para mejorar la calidad del efluente de la cloración para la eliminación del nitrógeno amoniacal, es el dióxido de azufre. También se ha empleado con este fin el carbón activado. 6.1.3.- DESINFECCIÓN CON DIÓXIDO DE CLORO El dióxido de cloro es otra sustancia bactericida cuyo poder de desinfección es igual o superior al del cloro, y que se ha comprobado que resulta mas efectivo que el cloro en la inhibición e inactivación de virus. Una explicación posible de este fenómeno se basa en el hecho de que una proteína, la peptona, puede absorber el dióxido de cloro. Dado que los virus tienen un recubrimiento proteínico, es posible que la inactivación del virus venga provocada por la adsorción del dióxido de cloro en la superficie de dicho recubrimiento. En el pasado, el uso del dióxido de cloro no había sido considerado viable debido a su alto costo económico. La generación de este compuesto debe llevarse a cabo in situ debido a que se trata de un gas inestable y explosivo.

6.2.- DISPOSICIÓN DE LODOS El lodo producido en las operaciones y procesos de tratamiento de las aguas residuales suele ser un líquido o líquido semisólido con un contenido en sólidos,

127 dependiendo de las operaciones y de los procesos de tratamiento, variable entre 0,25 y el 12% en peso. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.).

De los constituyentes eliminados en el tratamiento, el lodo es, con

diferencia, el de mayor volumen y su tratamiento y evacuación es, quizás, el problema más complejo al que hay que enfrentarse. Los problemas derivados del manejo de los lodos son complejos debido a que: el lodo está formado principalmente por sustancias responsables del carácter desagradable de las aguas residuales no tratadas; la fracción del lodo a evacuar, generada en el tratamiento biológico del agua residual, está compuesta principalmente por la materia orgánica presente en aquella, aunque en forma diferente a la original, que también está sujeta a procesos de descomposición que la pueden hacer indeseable; y por último, sólo una pequeña parte del lodo está compuesta por materia sólida. El espesamiento, acondicionamiento, deshidratación y secado del lodo, se utilizan para eliminar la humedad del mismo; la digestión, el compostaje, incineración, y los reactores de tubo vertical, se utilizan principalmente para tratar o estabilizar la materia orgánica contenida en el lodo. 6.2.1.- PROCEDENCIA Y CARACTERÍSTICAS DEL LODO Para proyectar convenientemente las instalaciones para el tratamiento y evacuación del lodo, es necesario conocer la procedencia y características del lodo a tratar. 1.- Procedencia: Ésta varía en función del tipo de planta y del modo de explotación. En un proceso de lodos activados de mezcla completa, si la purga de lodo se realiza desde la conducción del líquido mezcla o desde el tanque de aireación, el tanque de sedimentación del lodo activado no constituye una fuente de lodo. En cambio, si la purga de lodo se realiza desde el conducto de recirculación de lodos, el tanque de

128 sedimentación del lodo activado si constituye una fuente de lodo. Si el lodo del líquido mezcla o del tanque de aireación se conduce al tanque de sedimentación para su espesado, puede no ser necesario disponer de un espesador, lo cual reduce en una unidad el número de fuentes de lodo de la planta de tratamiento.

Los

procesos que se emplean para el espesado, digestión, acondicionamiento y deshidratación del lodo generado en los tanques de sedimentación primarios y secundarios, también constituyen fuentes generadoras de lodo. 2.- Características:

Para tratar y evacuar el lodo generado en las plantas de

tratamiento de la manera más eficiente posible, es importante conocer las características de los sólidos y del lodo que se va procesar. Las características varían en función del origen de los sólidos y del lodo, de la edad del lodo y del tipo de procesos a que han sido sometidos. Se pueden mencionar las siguientes características del lodo producido durante el tratamiento del agua residual: residuos del desbaste, arena, espumas / grasas, lodo primario, lodo de precipitación química, lodo activado, lodo de filtros percoladores, lodo digerido (aerobio y anaerobio), lodo compostado, y líquido de fosas sépticas. Muchos de los constituyentes químicos, incluidos los nutrientes, son de gran importancia a la hora de considerar la evacuación final del lodo tratado y del líquido extraído del lodo durante su tratamiento. En los casos en los que se considera la utilización de métodos de aplicación al terreno o incineración, es necesario determinar el contenido de metales pesados, pesticidas e hidrocarburos.

El

contenido energético (térmico) del lodo es importante en aquellos casos en los que se considere el uso de procesos de reducción térmica tales como la incineración. Las características del lodo que afectan a su aptitud para la aplicación al terreno y usos beneficiosos incluyen el contenido en materia orgánica, nutrientes patógenos, metales y compuestos orgánicos tóxicos.

El valor del lodo como

fertilizante se basa principalmente en su contenido de nitrógeno, fósforo y potasio, y

129 se debería determinar en aquellos casos en los que el lodo se vaya a emplear como acondicionador de suelos. En la mayoría de los sistemas de aplicación al terreno, el lodo proporciona suficientes nutrientes para el buen crecimiento de las plantas. Otro punto importante del lodo que vale la pena mencionar en la cantidad, la cual puede tener variaciones como las tasas medias y puntas de producción de lodo, la capacidad de almacenamiento potencial de las unidades de tratamiento de la planta. 6.2.2.- BOMBEO DE LODOS Y ESPUMAS El lodo producido en las plantas de tratamiento de aguas residuales se debe transportar, de un punto a otro de la planta, en condiciones que pueden variar entre un lodo líquido o espuma, hasta un lodo espeso. El lodo también se puede bombear fuera de la planta, a distancia considerable, para su tratamiento y evacuación. Para cada tipo de lodo y aplicación de bombeo, puede ser necesario disponer de un tipo de bomba diferente. 1.- Bombas : Las bombas que se suelen utilizar más frecuentemente para el transporte del lodo incluyen las bombas de émbolo, de cavidad progresiva, centrífugas, de vórtice, de diafragma, de pistón a alta presión, y de émbolos rotativos. Las bombas de diafragma y las centrífugas también se han empleado, ampliamente, para el bombeo de espumas. Los tipos de lodos a bombear son lodos primarios, lodos químicos, lodos procedentes de filtros percoladores y lodos activados, espesados y digeridos. También, es necesario bombear la espuma que se acumula en diferentes puntos de las plantas de tratamiento. 2.- Conducciones para el lodo: En las plantas de tratamiento de aguas residuales, las conducciones convencionales con revestimiento para el transporte del lodo no

130 deben ser de diámetro inferior a 150 mm, aunque también se han utilizado, con resultados satisfactorios, tuberías de vidrio de diámetros menores.

Las

conducciones de extracción de lodos de funcionamiento por gravedad no deben ser de diámetro inferior a 200 mm. En la práctica habitual es frecuente disponer cierto número de puntos de acceso para la limpieza en forma de piezas en T dotadas de bridas ciegas en lugar de codos, lo cual permite la introducción de varillas de limpieza si es necesario. Las conexiones a las bombas no deben ser de diámetro inferior a 100 mm. La grasa tiene tendencia a formar películas en el interior de las conducciones que se emplean para el transporte de lodos primarios y espumas. La acumulación de grasa en las conducciones es más problemática en plantas de grandes dimensiones que en plantas pequeñas. La película que se forma provocando una disminución del diámetro efectivo y un gran aumento en la altura de bombeo. Debido a su mayor capacidad, las bombas centrífugas se utilizan para el bombeo de lodo más diluido que suele contener una fracción de agua residual. El aumento de altura generado por la acumulación de grasa tiende a producirse más lentamente en sistemas en los que se bombea lodo más diluido. 6.2.3.- OPERACIONES DE PRETRATAMIENTO Para conseguir que la alimentación del lodo a las instalaciones de tratamiento del mismo sea relativamente constante y homogénea, es necesario dilacerar, desarenar, mezclar y almacenar el lodo. La mezcla y almacenamiento se puede llevar a cabo en una única unidad diseñada para cumplir ambas funciones, o de forma separada en otros elementos de la planta. 1.- Dilaceración del lodo: Éste es un proceso en el que los sólidos de gran tamaño contenidos en el lodo son cortados o desmenuzados en partículas más pequeñas para evitar obturaciones y la formación de madejas en los equipos rotatorios.

131 2.- Desarenado del lodo: En algunas plantas de tratamiento, en las que no se dispone de desarenadores antes de los decantadores primarios, o en las que las instalaciones de desarenado no son adecuada para el manejo de los caudales punta y las cargas punta de arena, puede ser necesario desarenar el lodo antes de proceder a su tratamiento.

En los casos en los que se va a proceder al

espesamiento del lodo primario, es de buena práctica tener en cuenta la posibilidad del desarenado del mismo. El método más efectivo de eliminar arenas del lodo consiste en la aplicación de fuerzas centrífugas a una masa en movimiento para separar la arena del lodo orgánico. Para conseguir un desarenado efectivo, el lodo debe ser relativamente diluido. Cuanto mayor sea la concentración del lodo, menor es el tamaño de las partículas susceptibles de ser eliminadas. 3.- Mezclado del lodo: El lodo se genera en los procesos de tratamiento primario, secundario y avanzado. El lodo primario está formado por sólidos sedimentables existentes en el agua residual.

El lodo secundario está formado por sólidos

biológicos y sólidos de origen químico. El lodo se mezcla para conseguir que la alimentación a los subsiguientes procesos y operaciones de tratamiento sea un material uniforme. La uniformidad de la mezcla adquiere mayor importancia en el caso de sistemas de corto tiempo de detención, como puede ser el caso de la deshidratación del lodo, el tratamiento térmico, o la incineración. El mezclado de los lodos se puede llevar a cabo de diferentes formas:



En tanques de decantación primaria: Los lodos secundarios o terciarios se pueden retornar a los decantadores primarios para su sedimentación y mezcla con el lodo primario.



En tuberías:

Para asegurar un mezclado adecuado, este procedimiento

requiere un cuidadoso control de los puntos de generación del lodo y de las velocidades de alimentación. 

En instalaciones de tratamiento de lodos que procuran largos tiempos de detención.



En un tanque de mezcla independiente.

132 4.- Almacenamiento del lodo: Éste se debe realizar para eliminar las fluctuaciones de la producción de lodos y permitir la acumulación de los mismos durante los periodos en los que las instalaciones de tratamiento subsiguientes se hallan fuera de servicio. El almacenamiento del lodo es particularmente importante en el caso de los procesos de estabilización con cal, tratamiento térmico, deshidratación mecánica, secado y reducción térmica, para los cuales es importante asegurar que la alimentación se lleve a cabo a caudal constante.

El almacenamiento durante

periodos superiores a dos o tres días provoca su deterioro, y aumenta la dificultad del proceso de deshidratación. Para evitar el desarrollo de condiciones sépticas y para evitar el mezclado, el lodo se suele airear. 6.2.4.- ESPESADO El espesado es un procedimiento que se emplea para aumentar el contenido de sólidos del lodo por eliminación de parte de la fracción líquida del mismo. Se suele llevar a cabo mediante procedimientos físicos, que incluyen el espesado por gravedad, flotación, centrifugación, y filtros de banda por gravedad. La reducción del volumen del lodo resulta beneficiosa para los procesos de tratamiento subsiguientes tales como la digestión, deshidratación, secado y combustión, desde los siguientes puntos de vista: capacidad de tanques y equipos necesarios, cantidad de reactivos químicos necesarios para el acondicionamiento del lodo, y cantidad de calor necesario para los digestores y cantidad de combustible auxiliar necesario para el secado o incineración, o para ambos. La reducción de volumen es muy deseable en los casos en los que se transporta lodo líquido por medio de camiones cisterna para su aplicación directa al terreno como acondicionador de suelos. 6.2.5.- ESTABILIZACIÓN La estabilización del lodo se lleva a cabo para: reducir la presencia de patógenos, eliminar los olores desagradables, e inhibir, reducir o eliminar su potencial de putrefacción.

El éxito en la consecución de estos objetivos está

133 relacionado con los efectos del proceso u operación de estabilización sobre la fracción orgánica o volátil del lodo. Los medios de estabilización disponibles para eliminar el desarrollo de estas condiciones desagradables son: reducción biológica del contenido de materia volátil, oxidación química de la materia volátil, adición de agentes químicos para hacer el lodo inadecuado para la supervivencia de los microorganismos, y aplicación de calor con el objeto de desinfectar o esterilizar el lodo. - Estabilización con cal: En el proceso de estabilización con cal, se añade suficiente cal al lodo para elevar su pH por encima de 12. Este valor elevado del pH crea un entorno que no favorece la supervivencia de los microorganismos.

Cómo

consecuencia de ello, mientras se mantenga este pH, el lodo no se pudrirá, no creará olores y no provocará riesgos para la salud pública. Para la estabilización del lodo con cal, se emplean dos métodos: adición de cal al lodo antes del proceso de deshidratación, práctica conocida con el nombre de pretratamiento con cal, y adición de cal al lodo después del proceso de deshidratación (FIG. 6.1).

FIGURA 6.1.- Sistema típico de postratamiento con cal. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales. Metcalf & Eddy).

134 6.2.6.- COMPOSTAJE El compostaje es un proceso en el que la materia orgánica sufre una degradación biológica hasta alcanzar un producto final estable. El lodo compostado adecuadamente es un material tipo humus, higiénico y libre de características desagradables.

Conforme se produce la descomposición de la materia orgánica

contenida en el fango, el compost se calienta hasta alcanzar temperaturas situadas en el intervalo de pasteurización (50 a 70 ºC), lo cual permite la destrucción de organismos patógenos entéricos. Un lodo bien compostado se puede emplear como acondicionador de suelos en usos agrícolas y hortícolas, o ser enviado a vertedero, cumpliendo siempre las limitaciones aplicables a los constituyentes del lodo. Las pilas se mezclan y voltean periódicamente durante el tiempo de compostaje (FIG. 6.2).

En algunas aplicaciones se incorpora aireación mecánica adicional.

En

condición de operaciones normales, las pilas se voltean un mínimo de cinco veces mientras la temperatura se mantiene

por encima de 55 ºC.

El periodo de

compostaje oscila entre 21 y 28 días.

FIGURA 6.2.- Pilas estáticas aireadas (sistema típico de compostaje). (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

135 6.2.7.- ACONDICIONAMIENTO El lodo se acondiciona expresamente para mejorar sus características de deshidratación. Los dos métodos más comúnmente empleados implican la adición de reactivos químicos y el tratamiento térmico. El uso de productos químicos para el acondicionamiento del lodo para su deshidratación es una práctica económica debido al aumento de la producción y a la mayor flexibilidad que se obtiene. El acondicionamiento químico permite reducir la humedad del lodo desde el 90-99% al 65-85%. (Fuente: Depuración de aguas residuales, Dr. Aurelio Hernández M.).

El acondicionamiento químico da lugar a la

coagulación de los sólidos y a la liberación del agua absorbida.

El

acondicionamiento se lleva a cabo antes de sistemas de deshidratación mecánica, tales como los filtros al vacío, centrifugación, filtros banda y filtros prensa.

Los

productos químicos que se emplean incluyen el cloruro férrico, la cal, la alúmina y polímeros orgánicos. 6.2.8.- DESINFECCIÓN En la aplicación del lodo al suelo, la protección de la salud pública obliga a controlar el posible contacto con organismos patógenos. Existen muchos medios para conseguir la eliminación de los patógenos presentes en los lodos líquidos y deshidratados.

Los métodos que se indican a

continuación, se han empleado para conseguir una reducción de patógenos superior a las conseguidas por medio de los procesos de estabilización:



Pasteurización



Otros procesos térmicos como el acondicionamiento térmico, secado térmico, incineración o combustión con deficiencia de aire.



Tratamiento a pH elevado, normalmente con cal.

136 

Almacenamiento a largo plazo del lodo líquido digerido.



Compostaje completo a temperaturas superiores a 55°C, y maduración por almacenamiento.



Adición de cloro para la desinfección y estabilización de lodos.



Desinfección con otros productos químicos.



Desinfección por radiación de alta energía. El almacenamiento a largo plazo y el compostaje son, probablemente, los

métodos más efectivos en la desinfección de lodos digeridos, aerobia y anaerobiamente, y deshidratados. 6.2.9.- DESHIDRATACIÓN La deshidratación es una operación unitaria física (mecánica) utilizada para reducir el contenido de humedad del lodo por alguna o varias de las siguientes razones:



Los costos de transporte del lodo por camión hasta el lugar de su evacuación final son notablemente menores cuando se reduce el volumen por deshidratación.



El lodo deshidratado es, generalmente, más fácil de manipular que el lodo líquido o espesado.



La deshidratación del lodo suele ser necesaria antes de la incineración para aumentar su poder calorífico por eliminación del exceso de humedad.



La deshidratación es necesaria antes del compostaje para reducir la cantidad de material de enmienda o soporte.



En algunos casos, puede ser necesario eliminar el exceso de humedad para evitar la generación de olores y que el fango sea putrescible.



La deshidratación del lodo suele ser necesaria antes de su evacuación a vertederos controlados para reducir la producción de lixiviados en la zona del vertedero.

137 Los filtros de banda son dispositivos de deshidratación de lodos de alimentación continua que incluyen el acondicionamiento químico, drenaje por gravedad, y aplicación mecánica de presión para deshidratar el lodo (Fig. 6.3). 6.2.10.- OTROS USOS BENEFICIOSOS DEL LODO Los usos beneficiosos del lodo están recibiendo una atención creciente como consecuencia de la reducción de la disponibilidad de vertederos controlados y del interés por aprovechar las propiedades nutritivas y como acondicionador de suelos del lodo.

El lodo se puede distribuir y comercializar para usos residenciales y

comerciales como enmienda y acondicionador de suelos. El lodo también se puede tratar químicamente para su estabilización y posterior uso como recubrimiento de vertederos controlados o para su uso en proyectos de recuperación o de tratamiento paisajístico de terrenos.

FIGURA 6.3.- Etapas básicas del proceso de deshidratación en filtros de banda. (Fuente: Ingeniería de aguas residuales, Metcalf & Eddy).

138 6.2.11.- TRANSPORTE, ALMACENAMIENTO Y VERTIDO DEL LODO Los sólidos eliminados como lodo en procesos de pretratamiento y biológicos se espesan y estabilizan por medios biológicos y térmicos y se reducen en volumen como paso previo a la evacuación final. Dado que los métodos de transporte y evacuación final determinan, a menudo, el tipo de estabilización necesario y la reducción de volumen a conseguir, se analizan a continuación brevemente. 1.- Métodos de transporte: El transporte de lodo a largas distancias se puede realizar

de las siguientes formas: en tubería, con camiones, en barcazas, por

ferrocarril, y cualquier combinación de éstos. El método de transporte seleccionado

y sus costos dependen de los

siguientes factores: la naturaleza, consistencia y cantidad de fango a transportar, la distancia entre origen y destino, la disponibilidad y cercanía de los medios de transporte desde los puntos de origen y destino, el grado de flexibilidad que hay que exigir del método de transporte seleccionado, y la vida útil estimada de la instalación de la evacuación final. 2.- Almacenamiento del lodo: Generalmente, es necesario almacenar el lodo digerido antes de su evacuación o uso beneficioso. El almacenamiento de lodos líquidos se lleva a cabo en depósitos donde aumenta su concentración y sufre un proceso de estabilización adicional; y por otro lado, los lodos deshidratados son mantenidos en playas de almacenamiento. 3.- Evacuación final: La evacuación final del lodo y los sólidos que no se emplean para usos beneficiosos suelen implicar, generalmente, algún tipo de aplicación al suelo. Además de esparcir el lodo en el suelo, existen otras opciones de evacuación final del lodo, entre las que se incluyen el lagunaje y el transporte a vertederos.

139 

Lagunaje: El uso de técnicas de lagunaje es un método de común aplicación para la evacuación del lodo, ya que es una opción sencilla y económica en el caso de que la planta de tratamiento se halle en una zona remota.

Una

laguna es un estanque excavado en el terreno en el que se descarga lodo crudo o digerido.



Vertederos: Si se dispone de un emplazamiento adecuado, la evacuación de lodos, grasas, arenas y otros sólidos, se puede realizar en un vertedero controlado. En algunos casos será necesario estabilizar el fango antes de su aplicación.

Para reducir el volumen a transportar, y para controlar la

generación de lixiviados en el vertedero, suele ser necesario deshidratar el lodo. En muchos casos, la concentración de sólidos es un factor importante en la determinación de la aptitud de un lodo para su evacuación a un vertedero. Al seleccionar el emplazamiento para la evacuación del lodo es aconsejable tener en cuenta los siguientes aspectos: zonas ambientalmente sensibles, tales como terrenos pantanosos, llanuras de inundación y hábitat de especies en extinción;

control de la escorrentía de aguas superficiales;

protección de las aguas subterráneas; contaminación atmosférica; y aspectos de seguridad relacionados con la presencia de materiales tóxicos, incendios y accesos.

140

CONCLUSIONES 

Queda claro, que las aguas servidas son un problema de creciente preocupación, tanto para Chile como para el resto del mundo; problema que se ve aumentado con el constante desarrollo de la sociedad, tanto en número de centros poblados como en el volumen de producción industrial.



El tratamiento de las aguas servidas es definitivamente necesario, para evitar el deterioro de los cursos naturales, del medioambiente y como consecuencia de ello de la salud de los seres humanos.



Esta investigación en todos sus márgenes permite poner en conocimiento a futuros profesionales constructores, del proceso general de tratamiento de aguas servidas y del funcionamiento de sus instalaciones, para poder internarse en una nueva área ya sea de administración o de mantenimiento de plantas de tratamiento de aguas servidas.



Si bien es cierto, que tomando en cuenta la realidad de nuestro país, la proyección, construcción y puesta en marcha de plantas de tratamiento de aguas residuales implica una gran inversión inicial, en el largo plazo los beneficios en salud pública y aprovechamiento de recursos compensarán largamente esta iniciativa. Debido a esto hoy en nuestro país ya esta vigente una legislación referente al tema de las aguas residuales que normaliza a las empresas sanitarias en el adecuado uso y disposición de las aguas servidas, exigiendo la construcción de plantas de tratamiento en cada centro poblado dotado de red de alcantarillado, asimismo a las industrias debiendo estas construir su propia planta de tratamiento o disponer de sus aguas residuales en una planta externa para su depuración.



En definitiva, se cumplen los objetivos planteados

al comienzo de la

investigación, logrados a través del desarrollo y comprensión de la tesis.

141

BIBLIOGRAFÍA 

Titulo: Ingeniería de aguas residuales Autor: Metcalf & Eddy Editorial: McGraw Hill



Titulo: Depuración de aguas residuales Autor: Dr. Aurelio Hernández Muñoz



Titulo: Instalaciones sanitarias Autor: Jorge Araneda Ruiz , Rafael Pérez Carrasco



Titulo: Aguas residuales Urbanas Autor: Mariano Seoanez Calvo Editorial: Mundi prensa



Título: Programa de capacitación región del Bío Bío, curso de gestión de aguas servidas Autor: Centro Eula-Chile Editorial: Universidad de Concepción



Titulo: Internet Autor: www.tamarugo.cec.uchile.cl www.cepis.org.pe www.costena.com.mx

142

GLOSARIO 

Contaminación: Cierto grado de impurificación del aire, agua o suelo, que pueda originar efectos adversos a la salud de un número representativo de personas durante periodos previsibles de tiempo.



Desnitrificación anóxica: Es el proceso por el cual el nitrógeno de los nitratos se transforma, biológicamente en nitrógeno gas en ausencia de oxigeno. Este proceso se conoce también con el nombre de desnitrificación anaerobia.



Desnitrificación: Proceso biológico mediante el cual el nitrato se convierte en nitrógeno y gas y en otros productos gaseosos.



Eliminación biológica de nutrientes: Termino que se aplica a la eliminación de nitrógeno y fósforo mediante procesos de tratamiento biológico.



Eliminación de la DBO carbonosa: Es la conversión biológica de la materia carbonosa del agua residual en tejido celular y en diversos productos gaseosos. En la conversión, se supone que el nitrógeno presente en los diferentes compuestos se convierte en amoniaco.



Estequiometría: Estudio de las relaciones numéricas con que reaccionan químicamente las sustancias.



Materia coloidal: Cuerpo que al disgregarse en un liquido aparece como disuelto por la extrema pequeñez de sus partículas en que se divide, pero se diferencia de la materia disuelta en que no es difundido por su disolvente si tiene que atravesar laminas porosas.



Nitrificación: Es el proceso biológico mediante el cual el amoniaco se transforma, primero en nitrito y posteriormente en nitrato.



Procesos aerobios: Son los procesos de tratamiento biológico que se dan en presencia de oxigeno.



Procesos anaerobios: Procesos de tratamiento biológico que se dan en ausencia de oxigeno.

143 

Procesos de cultivo en suspensión: Son los procesos de tratamiento biológico en los que los microorganismos responsables de la conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del agua residual en gases y tejido celular, se mantienen en suspensión dentro del liquido.



Procesos de cultivo fijo: Son los procesos de tratamiento biológicos en los que los microorganismos responsables de la conversión de la materia orgánica u otros constituyentes del agua residual en gases y tejido celular están fijados a un medio inerte, tal como piedras, escorias, o materiales cerámicos y plásticos especialmente diseñados para cumplir con esta función. Los procesos de cultivo fijo también se conocen con el nombre de procesos de película fija.



Procesos facultativos: Son los procesos de tratamiento biológico en los que los organismos responsables pueden funcionar en presencia o ausencia de oxigeno molecular. Estos organismos se conocen con el nombre de organismos facultativos.



Substrato: Es el termino empleado para representar la materia orgánica o los nutrientes que sufren una conversión o que puedan constituir un factor limitante en el tratamiento biológico. Por ejemplo, la materia orgánica carbonosa presente en el agua residual es el substrato objeto de conversión en el tratamiento biológico.



Traza: Vestigio de un contaminante contenido en el agua residual en pequeñas cantidades, generalmente metales o residuos químicos.