JCMM_Introducción a las Plantas de tratamiento de aguas.pdf

Introduccin a las Plantas de tratamiento de Aguas Residuales (PTAR)

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

FES CUAUTITLN. CAMPO 1

Elabor: M. en I. Julio Csar Morales Meja

Aguas Residuales (PTAR)


Caractersticas fundamentales del agua residual municipal

DBO5 (mgOD/L) 190 350 DQO (mgOD/L) 250 800SST (mg/L) 120 400Alcalinidad (mgCaCO3/L) 60 120


Calcio, Magnesio (mg/L) 6 16; 4 10 Fsforo de ortofosfatos (mgP/L) 3 - 25Nitrgeno orgnico (mgN/L) 8 30Nitrgeno de amoniacal (mgN/L) 10 80Aceites y grasas (mg/L) 50 100Coliformes fecales (NMP/100 mL) 10 E 7 10 E 9

Sntesis histrica del tratamiento del agua residualHasta la Edad Media el drenaje fue prcticamente desconocido. La aparicin del clera en forma epidmica en Europa, principalmente Inglaterra, a mediados del siglo XIX oblig al Parlamente a impulsar el alcantarillado en Londres. En Pars tambin una epidemia de clera oblig a disear y construir un sistema de alcantarillado en 1832.Antes de ello no se permita la descarga de desechos a los sistemas de alcantarillado (eran para el agua de lluvia) y los residuos se recolectaban en


alcantarillado (eran para el agua de lluvia) y los residuos se recolectaban en las noches y se empleaban en la agricultura. La invencin del retrete en el siglo XIX ya no permiti este manejo por la gran cantidad de residuos generados.

Sntesis histrica del tratamiento del agua residualPara resolver este problema las ciudades empezaron a usar los sistemas naturales de drenaje y los alcantarillados pluviales para conducir los residuos.Las alcantarillas no resolvieron a largo plazo el problema ya que las corrientes de aguas residuales se descomponan y contaminaban el agua en localidades rurales aguas abajo. Sin embargo, el tratamiento inici hasta que la capacidad de autopurificacin de los sistemas naturales fue superada.


la capacidad de autopurificacin de los sistemas naturales fue superada.El tratamiento del agua residual se prob e inici a finales del siglo XIX y a principios del XX.

Sntesis histrica del tratamiento del agua residual


Plantas de tratamiento de aguas residuales en Mxico

PTARs municipales e industriales 2006

100

1,000

10,000

N

m

e

r

o

MunicipalIndustrial


1

10

Estad

os

Unido

s Mex

icano

s

Baja C

alifor

nia

Cam

pech

e

Colim

a

Chihu

ahua

Dura

ngo

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Jalisc

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po

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ga

San

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ra

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s

Vera

cruz

de

Ignac

io de

la Lla

veZa

catec

as

Estado

N

m

e

r

o

Capacidad instalada para tratamiento de aguas residuales en Mxico

Capacidad instalada 2006

1,000

10,000

100,000

c

a

p

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(

L

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d

(

L

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s

)

Produccin

Variaciones estacionales de la cantidad y composicin del agua residual municipal

Mxico: 3 600 000 Ton DBO/aoInfraestructura existente: remueve 9 % de esta

DBO (Jimnez, 2001)


DBO (Jimnez, 2001)Tratamiento de 35 % del agua residual municipal y

17 / del agua residual industrial (SEMARNAT, 2006)

Consumo biolgico de sustrato

DBO


Proceso de diseo de una PTAR El proceso de diseo de una PTAR se efecta con base en la

siguientes actividades (Valdez y Vzquez, 2003):

Definir la calidad del efluente Proponer varias alternativas de tratamiento en forma de

diagramas de flujo y de procesos Efectuar un aforo, muestreo y pruebas de tratamiento


Efectuar un aforo, muestreo y pruebas de tratamiento Seleccionar criterios de diseo Dimensionar las instalaciones y los equipos Efectuar un balance de slidos Elaborar el diagrama de distribucin general de equipos (Layout) Ver la distribucin de las instalaciones sobre el terreno Perfiles hidrulicos Planos de especificaciones Estimacin de costos

Calidad del efluente La calidad requerida de los efluentes est dictada por

Normatividad aplicable de acuerdo con el destino del efluente

Requerimientos especficos para agua de reuso en


Requerimientos especficos para agua de reuso en un proceso industrial, comercial o habitacional dados.

La calidad real de un efluente esta dada por el proceso de tratamiento y la eficiencia del mismo

Diagramas de flujo Un diagrama de flujo es un conjunto ordenado y

secuencial de operaciones y procesos unitarios enfocados a lograr un objetivo de tratamiento u obtener uno o varios productos.

Elaboracin:


Elaboracin: Caractersticas del agua residual y nivel de tratamiento Pruebas de tratamiento Experiencia del proyectista o diseador Criterios sobre aplicacin de mtodos especficos Disponibilidad de proveedores Costos (fijos, O & M)

Diagramas de flujo


Aforo, muestreo y pruebas de tratamiento

Aforo: Medicin del caudal. Mnimo, medio, mximoMuestreo: Colectar una porcin del agua a tratar

suficientemente chica para manejarla en laboratorio, pero representativa de la composicin del afluente.


Tomar las muestras en donde el flujo sea turbulentoExcluir partculas mayores a 6 mmNo incluye sedimentos, crecimientos o material flotante acumulados en el punto de muestreoLas muestras deben analizarse pronto o conservarse en condiciones adecuadas.Muestreo accesible, seguro, fcil y con equipo adecuado


Muestras: Puntuales (simples) y compuestas

Compuestas: Si Q y C no varan notoriamente, tomar muestras cada hora, por 12 horas

Si Q y C varan mucho, tomar muestras cada 30


Si Q y C varan mucho, tomar muestras cada 30 o 15 minutos, por 4, 8 o 12 horas (ver personal y uso de la muestra)

Ajustar volumen de muestras puntuales a Qi

V/Qi = (Volumen total de la muestra compuesta)/(caudal medio No. De

muestras)

Ejemplo



Pruebas de tratamiento

Pruebas en laboratorio enfocadas a determinar la cantidad de coagulantes, floculantes, antiespumantes y otros qumicos (jar test) o a obtener coeficientes cinticos de procesos


(jar test) o a obtener coeficientes cinticos de procesos qumicos o bioqumicos propuestos para tratar el agua.

Establecen si las operaciones y procesos unitarios propuestos son adecuados

Obtienen datos preliminares de diseo

Procesos bsicos de una PTAR

- Tratamiento primario - Tratamiento secundario- Tratamiento terciario


Recepcin del agua a la PTAR


Tratamiento primario Cribado (rejillas)

Retencin de slidos grandes que podran tapar equipo posterior


equipo posterior

Cribas gruesas: 6 15 cm Cribas finas: 0.6 cm menor

Limpieza: manual y mecnica

Tratamiento primario Rejillas

m=35-40oLimpieza


Limpieza Manualm=30oLimpieza mecnica

Fuente: MIT

Tratamiento primario RejillasLimpiezamanual


manual

Tratamiento primario RejillasLimpieza

mecnica


mecnica

Rejillas Velocidad mnima: 0.4 m/s para mantener arena y

compuestos orgnicos en suspensin. Velocidad mxima: 0.9 1.2 m/s (limpieza manual

o mecnica, respectivamente)


o mecnica, respectivamente) Remocin media de 10 80 % de los SST La velocidad se mantiene con un vertedor o canal Si su altura es menor a 70 cm, reja de 0.25 in x

0.75 in Nunca pegarlas a los muros del canal

Tipo Rango NotasPara basura

Apertura 38-150 mm Usada en sistemas combinadosLimpieza manual

Apertura 25-50 mm En pequeas plantas o canales con bypass

Velocidad 0.3 a 0.6 m/sLimpieza mecnica

Apertura 6-38 mm Una apertura de 18 mm es considerada


Apertura 6-38 mm Una apertura de 18 mm es considerada satisfactoria

Velocidad mxima 0.6-1.2 m/sVelocidad mnima 0.3-0.6 m/s Para prevenir acumulacin de arena

ContinuaApertura 6-38 mm Es efectiva en el rango de 6 a 18 mmVelocidad mxima 0.6-1.2 m/sVelocidad mnima 0.3-0.6 m/sPrdida de carga

permisible0.15 0.6 m

Fuente: MOP 8, Vol. 1

Rejillass

( )22

/2.1/9.0max

max

max

;

;max

vVk

bA

h

libreanchobsnbbes

ebn

vv

QA

g

paso

gbarrasg

barras

mecnicasmmanualsmQpaso

=

==+

=

==

h


be

( )

2

22

/2.32,..:/,...:

/,....:)43.1.(..:

arg..:2

sftgravedaddenaceleracigsftcribasdeantesvelocidadv

sftcribadetravsavelocidadVfriccindeeCoeficientk

acdeprdidaHg

vVkH =

Tratamiento primario Desarenado

Remocin de arenas y slidos densos (grava, granos de caf, cscaras de huevo).

No debe remover materia orgnica en porcentajes


No debe remover materia orgnica en porcentajes importantes (idealmente 0 %)

Propsitos: Proteger partes mviles de equipos de abrasin

Reducir deposiciones en las lneasReducir la frecuencia de limpieza de

digestores


Comnmente, en el agua residual se tienen entre 0.004 y 0.04 m3arena/m3agua, con un contenido de


0.004 y 0.04 m arena/m agua, con un contenido de slidos de 35 a 80 % y una densidad tpica de 1.6 g/cm3.

Meta de diseo: Dar tiempo de retencin suficiente para que la arena sedimente y a la vez tener una velocidad suficiente para que la materia orgnica no sedimente.

Desarenado Desarenador aerado Desarenador tipo vrtice Tanque de detritus


Tanque de detritus De flujo horizontal Circular Hidro-cicln

Desarenador aerado Ventajas

La misma eficiencia es posible en un amplio rango de caudal Las prdidas de carga son despreciables Al controlar la aeracin se puede remover arena poco


Al controlar la aeracin se puede remover arena poco putrescible

La remocin puede adaptarse a diversas condiciones de campo

Los desarenadores aerados pueden usarse para agregar qumicos, mezclar, pre-airear y favorecer la floculacin antes de sedimentacin primaria

Desarenador aerado Desventajas

Los sistemas aireados consumen mayor potencia Mayor mantenimiento en sistemas aireados


Mayor mantenimiento en sistemas aireados Pueden generarse vapores con COV peligrosos si

el agua residual los contiene.


Ecuacin de Camp-Shields para velocidad de suspensin de materia orgnica (Vc)

kgd 8


Donde: d: dimetro de la partcula orgnica, f: factor de Darcy (0.02 0.03 para agua residual domstica), : densidad (p: partcula y a: agua) y k: constante emprica relacionada con que tan pegajosa es la partcula (0.04 a 0.06)

a

apc f

kgdV

= 8


Tipos: Canal con flujo horizontalCircularesAireados


AireadosTipo vortex


Reto: mantener Vc constante cuando hay fluctuaciones en caudal.


Arenas: dimetros entre 1 y 2 mm, velocidad de sedimentacin de 0.6 m/s

Alternativas: Vertedores (de placa, sutro) Canales Parshall

Informacin tpica de diseo de desarenadores de flujo horizontal.

Parmetro Unidades Rango Tpico Profundidad del agua, m 0.6-1.5 Longitud m 3-25 H s 45 - 90 60


H H a caudal pico s 15 - 90 V horizontal m/s (0.15)0.25 - 0.4 0.3 V sedimentacin (m/min) para remover:

arena de 0.21 mm 1 1.3 1.15arena de 0.15 mm 0.6 0.9 0.75

Longitud agregada por turbulencia de entrada y salida, %25 50 30

Consideraciones: S. G. = 2.65; T = 15.5 C

Informacin tpica de diseo de desarenadores aerados.

Parmetro Unidades Rango Tpico H a Q pico min 2 - 5 3 Profundidad m 2 5 Longitud m 7.5 20


Longitud m 7.5 20 Ancho m 2.5 7 Ancho/Profundidad 1 5 1.5 - 2 Longitud/Ancho 3 5 4 Aire/Longitud m3/mmin 0.2 0.5 (0.74) 0.45 Cantidad de arena L/m3 0.004 0.02 0.015

Factores de caudal pico sostenidoDas con Factorcaudal sostenido1 2.755 2.1


5 2.18 1.8510 1.815 1.6520 1.525 1.45

Ejemplo: Disear un desarenador aerado para el tratamiento de un agua residual municipal si Q medio = 0.5 m3/s. Considere el diseo con 1 da a caudal pico sostenido.

1. Q pico


1. Q pico2. Volumen desarenador con H y 2 tanques3. Dimensiones: Asumir profundidad4. Tiempo de retencin hidrulica a Q medio5. Aire total requerido6. Arenas removidas por da a Q pico y Q medio

Tratamiento primario Vertedor Sutro o

proporcional)

3(74.2 aHbaQME =


3

YaHaYbX

+=

= ))/(tan1( 5.01

= base desarenador

Canal ParshallMedicin de caudal y control de velocidad


Canal Parshall


Tratamiento primario Igualacin y neutralizacin

Se busca que las variaciones en el caudal y en el pH se minimicen en las etapas posteriores del


pH se minimicen en las etapas posteriores del sistema

Diseo bsico de un tanque de igualacin. Mtodo grfico

De la curva de

Carga de DBO en tanque de igualacin

12000

14000

16000

18000

C

a

r

g

a

d

e

D

B

O

(

g

/

h

)


De la curva de caudales acumulados se determina la pendiente para V mx y V min, paralela a Q medio

0

2000

4000

6000

8000

10000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Hora

C

a

r

g

a

d

e

D

B

O

(

g

/

h

)

Tarea 1 Q*DBO (mg/s)Tarea 1 Q*DBO (mg/s)

Tanque de igualacin

500

600

700

800

900

1000V

o

l

u

m

e

n

a

c

u

m

u

l

a

d

o

(

m

^

3

)


0

100

200

300

400

500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324Hora

V

o

l

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m

e

n

a

c

u

m

u

l

a

d

o

(

m

^

3

)

V

Tratamiento primario Sedimentacin primaria (Partculas orgnicas)


Sedimentacin primariaTipos de sedimentadores

Cuadrangulares y Circulares


Informacin tpica de diseo de sedimentadores primarios seguidos de tratamiento secundario.

Parmetro Unidades Rango Tpico


H h 1.5 2.5 2.0C.H. m3/m2d

Q medio 30 50 40Q max 80 120 100

Dimensiones tpicas de sedimentadores primarios.

Parmetro Unidades Rango TpicoRectangular m

Profundidad 3 4.9 4Largo 15 90 24 - 40


Largo 15 90 24 - 40ancho 3 24 4.9 9.8

Circular mProfundidad 3 4.9 4.2Dimetro 3 60 12 - 45Pendiente del fondo 1/16 1/6 1/12

CH superficial: 32-48 m3/m2d a caudal medio80-120 m3/m2d a caudal pico

Tratamiento secundario Su funcin principal es remover la materia

orgnica disuelta y coloidal mediante su incorporacin a la masa bacteriana y de otros


incorporacin a la masa bacteriana y de otros organismos

C

intica d

e cre

cimie

nto b

acte

riano

N m e r o o c o n c e n t r a c i n d e b a c t e r i a s

F a s e d e c r e c i m i e n t o e x p o n e n c i a l

F a s e d e c r e c i m i e n t o

d e s a c e l e r a d o

F a s e e s t a c i o n a r i a

F a s e d e a u t o - d i g e s t i n

a c e l e r a d a

d i g e s t i n

XC

recim

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Elabor

: M

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Csa

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a c e l e r a d a

F a s e d e a u t o - d i g e s t i n

d e s a c e l e r a d a

Autodig

esti

ndesa

celerad

a

Sistem

a co

ntnuo

Elabor: M. en I. Julio Csar Morales MejaFuente: MOP 9

Metazoarios y otros organismos Mantienen el control de la poblacin bacteriana Evitan el crecimiento de bacterias filamentosas,

las cuales tienen mala sedimentacin


Elabor: M. en I. Julio Csar Morales MejaFuente: MOP 9

Principales sistemas biolgicos Lodos activados (continuo y discontinuo) Biofiltros Contactores biolgicos rotatorios


Contactores biolgicos rotatorios Lagunas Estanques Reactores UASB (RAFA) Wetlands (humedales) Lecho mvil y lecho fluidizado

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