TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALESM. En C. Carlos A. Poot Delgado.Magda Carolina Correal S.

ContenidoCaractersticas de las aguas residualesFuentesCaractersticas fsicasCaractersticas QumicasCaractersticas BiolgicasComposicin de las aguas residuales

ContenidoPrevencin de la contaminacin : Disminucin de consumo y reduccin de aguas residualesMtodos de tratamientoParmetros de diseo de sistemas de tratamientoClasificacin de los mtodosNiveles de tratamientoAplicacin de las operaciones y procesos unitariosElementos de diseo

1. Caractersticas de las Aguas Residuales

Fuentes de las aguas residualesAgua residual domstica:Zonas residencialesZonas comercialesZonas institucionalesCentros recreativosAgua residual no domsticaIndustriasInfiltraciones y conexiones erradas

Caractersticas Fsicas Slidos totales (T=105C) VoltilesorgnicoFijosinorgnicoSuspendidosretenidoDisueltosfiltradoFiltracin (0.45 micras)Temperatura (T 550C)

Ejercicio Los siguientes resultados de laboratorio fueron obtenidos para una muestra de agua residual. Los ensayos se realizaron para una muestra de 50 ml.Determine: Concentracin de Slidos totales, Slidos totales voltiles, Slidos suspendidos, Slidos suspendidos voltilesTara de la cpsula de porcelana = 53.5433 grMasa de la cpsula + residuo, luego de evaporacin a 105C = 53.5793 gr.Masa de la cpsula + residuo, luego de calcinacin a 550C = 53.5772 gr.Tara del filtro = 1.5433 grResiduo en el filtro, luego de secado a 105C = 1.5553 grResiduo en el filtro, luego de calcinacin a 550C = 1.5531 gr

Caractersticas FsicasColorCausado por slidos suspendidos (aparente), material coloidal y sustancias en solucin (verdadero).Fuentes de color: infiltracin, aportes por conexiones erradas, descargas industriales, y descomposicin de compuestos orgnicos.Caf claro, gris claro, gris oscuro o negro.

Caractersticas FsicasOlor:Agua residual fresca: olor inofensivoGeneradores de olores: indol, eskatol, mercaptanos, sulfuro de hidrgeno.Mtodos de medicin: mtodos sensoriales e instrumentales.

Principales compuestos olorosos

Nombre del compuesto

Frmula qumica

Peso molecular

Volatilidad a 25C

Ppm (v/v)

Umbral de deteccin de olor

ppb (v/v)

Umbral de reconocimiento de olor

ppb (v/v)

Carcter o palabra descriptiva del olor

Compuestos con azufre

Methyl mercaptan

CH3SH

48

Gas

0.5

1.0

rotten cabbage

Hydrogen sulfide

H2S

34

Gas

0.5

4.7

rotten eggs

Sulfur Dioxide

SO2

64

Gas

2700

4400

pungent, irritating

Compuestos con Nitrgeno

Ammonia

NH3

17

Gas

17000

37000

pungent, irritating

Indole

C6H4(CH)2NH

117

360

0.1

fecal, nauseating

Trimethyl amine

(CH3)3N

59

Gas

0.4

pungent, fishy

Skatole

C9H9N

131

200

1.0

50

fecal, nauseanting

Otros compuestos

Acetaldehyde

CH3CHO

44

Gas

67.0

210

pungent, fruity

Ozone

O3

48

Gas

500

pungent, irritating

Chlorine

Cl2

71

Gas

80

310

pungent, suffocating

Caractersticas FsicasTemperatura:Regiones clidas: 13C - 30C Regiones fras: 7C - 18CAfecta las reacciones qumicas, velocidades de reaccin, uso del agua, vida acutica.T ptima vida bacteriana: 25C - 35CDetencin de procesos aerbicos y de nitrificacin: 50CDetencin produccin de metano: 15CDetencin procesos nitrificantes: 5C

Caractersticas FsicasConductividadCapacidad de una solucin para conducir la corriente elctrica. Indicador de la concentracin de slidos disueltos totales

Caractersticas QumicasConstituyentes orgnicosProtenasGrasas y aceitesCarbohidratos

Constituyentes inorgnicosElementos individuales (Ca, Cl, Fe, Cr, Zn, etc.)Compuestos (NO3, SO4)

Caractersticas QumicaspH: Intervalo existencia vida biolgica: 5 - 9Parmetros importante para el tratamientoMedicin: pH metro

Caractersticas QumicasNitrgeno:Nutriente esencial - eutrofizacinEn aguas residuales: nitrgeno amoniacal, nitritos, nitratos y nitrgeno orgnico.Nitrgeno amoniacal:Ion amonio: pH9.3Medicin: mtodos colorimtricos, titulacin, electrodos

Caractersticas QumicasFsforo:Nutriente esencialAguas residuales domsticas pueden tener entre 4 - 12 mg/L como P.Formas comunes: ortofosfatos, polifosfatos (sufren hidrlisis en soluciones acuosas y se convierten en ortofosfatos) y fsforo orgnico (en aguas industriales).

Caractersticas QumicasAlcalinidad:Neutralizar cidosPresencia de hidrxidos, carbonatos y bicarbonatosEn sistemas anaerobios o de nitrificacin amortigua cidos

Caractersticas QumicasOtros constituyentes inorgnicos:Azufre: Ion sulfato en aguas de abastecimiento y residualesSulfatos se reducen biolgicamente a sulfurosMetalesTodos los organismos los requieren.Medicin: absorcin atmica, plasma acoplado por induccin o colorimetra.Clases de metales: disueltos, suspendidos, totales, extractables en cido (en solucin, cido mineral en caliente).

Caractersticas QumicasConstituyentes orgnicos agregados:Materia orgnica en las AR: protenas (40 - 60%), carbohidratos (25 - 50%) y grasas y aceites (8 - 12%). Urea (mayor constituyente de la orina)

Anlisis: caracterizar AR, eficiencias STAR, comportamiento fuentes receptores.Mtodos: DBO5, DQO, COT.

Caractersticas QumicasDemanda Bioqumica de Oxgeno:Si hay suficiente oxgeno disponible, la descomposicin del desecho continua hasta que se ha consumido.Tres actividades ocurren:Oxidacin: desecho oxidacin a productos finales, generan energa.Sntesis: desecho a tejido celular usando la energa liberadaRespiracin endgena: cuando se acaba la MO, las nuevas celular consumen su propio tejido celular para obtener energa.

Demanda Bioqumica de OxgenoDesechos orgnicos : COHNSTejido celular: C5H7NO2.Reacciones qumicas:OxidacinCOHNS + O2 + bacterias CO2 + H2O + NH3 + energaSntesisCOHNS + O2 + bacterias + energa C5H7NO2Respiracin endgenaC5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3

Demanda Bioqumica de OxgenoOxidacin Carbono orgnico: DBOltima

Prueba estndar:Botella de DBO (300 ml)Agua saturada con oxgeno y nutrientesMedir [O2] inicial (D1), incubar a 20C por 5 das y medir [O2] final (D2).DBO (mg/L) = (D1 - D2) / PP es la fraccin de agua residual contenida en la muestra

Ejercicio (10)La siguiente es la informacin de un ensayo de DBO a 5 das para una muestra de agua residual. Un volumen de 15 ml de agua residual se agreg en una botella de incubacin de 300 ml. El OD inicial de la muestra diluida fue de 8.8mg/L y el OD final, despus de 5 das de incubacin fue de 1.9 mg/L. Cul es la DBO5 de la muestra? Cules cree que son las limitaciones del ensayo?

Demanda Bioqumica de OxgenoLimitaciones: perido de 5 das, consumo de oxgeno.Demanda adicional de oxgeno para oxidacin del amonio a nitrato (Demanda Nitrogenada de Oxgeno). Las reacciones del proceso de nitrificacin son:Conversin de amonio a nitrito (Nitrosomonas)Conversin de nitrito a nitrato (Nitrobacterias)Esta demanda ocurre 5 a 8 das despus de iniciada la prueba de DBO. Ojo si hay muchos nitrificantes.

Demanda Qumica de OxgenoMedir material orgnico de las AR, susceptible de ser oxidado qumicamente.Se oxidan sustancias orgnicas difciles de oxidar biolgicamente (lignina)Hay sustancias inorgnicas que se oxidanAlgunas sustancias pueden ser txicas para los microorganismos.Se realiza en 3 horas.

DBO5 / DQO

DBO5/DQO entre 0.3 y 0.8 = ARD.DBO5/DQO > 0.5, tratamiento biolgicoDBO5/DQO < 0.3 constituyentes txicos y/o aclimatacin.

Caractersticas QumicasGrasas y aceites Liquidos a T ambiente: aceitesSlidos a T ambiente: grasasEsteres compuestos de cidos grasos, alcohol y glicerol.

Caractersticas QumicasTensoactivos:Agentes de actividad superficialMolculas orgnicas grandes compuestas de un grupo hidroflico y uno hidrofbico.En AR provienen de descargas de detergentes, lavanderas industriales, etc.Causan aparicin de espumasMedicin: cambio de color de una muestra estndar de azul de metileno.SAAM - Sustancias Activas al Azul de Metileno

Caractersticas BiolgicasImportancia: enfermedades, descomposicin y estabilizacin.Microorganismos presentes en Aguas superficiales y subterrneas:Bacterias, hongos, algas, protozoos, plantas y animales vivos, virus.Clasificacin: eucariotas, eubacterias y arqueobacterias.Eucariotas : ncleo recubierto, varias molc. de ADN. Procariotas (bacterias y arqueobacterias).

Caractersticas BiolgicasFuente de carbono: hetertrofos (requieren carbono orgnico) y auttrofos (carbono celular se deriva del CO2).Requerimientos de oxgeno: aerobios obligados, anaerobios facultativos, anaerobios aerotolerantes y anaerobios obligados.Requerimientos ambientales: por T: psicroflicas (-10 - 20C), mesoflicas (10 - 50C), termoflicas (40 - 70C) e hipertermoflicas (70 - 95C) pH ptimo para crecimiento bacterial: 6.5 - 7.5

Caractersticas BiolgicasUso de microorganismos indicadores:Se emplean los organismos coliformes (fcil identificacin y presencia abundante).Siempre presentes en el tracto intestinal; c/persona evacua entre 100.000 - 400.000 millones de bacteria coliformes por da.Indicador de posible presencia de organismos patgenos.No son efectivos para indicar presencia de virus y protozoos.Se est analizando el uso de bacterifagos como indicador de virus entricos (virus que pueden infectar clulas procaritas).

Caractersticas BiolgicasMicroorganismos patgenos: Bacterias, parsitos (protozoos y helmintos) y virus

Mtodos de conteo: conteo directo, cultivo de placa, filtro de membrana, fermentacin en tubos mltiples.

2. Composicin de las Aguas Residuales

Composicin de las ARValores comunes de la cantidad total de contaminantes por habitante (Tabla 4.11 y 4.14).Valores comunes de ARD (RAS Res 1096/00)ParmetroIntervaloDBO5 (gr/hab-da)25 - 80SST (gr/hab-da)30 100Nitrgeno total Kjeldahl (gr/hab-da)9.3 13.7Coliformes totales (#/hab-da)2X108 2X1011

VariacionesVariaciones:en la concentracin en el caudalen la carga msica:Concentracin media integrada: proporcional al caudal, se obtiene de la sumatoria del producto de los valores de caudal y concentracin del constituyente de inters (para muestras horarias de 24 horas), dividida por la sumatoria del caudal.Calcular la concentracin media integrada y la concentracin media aritmtica y comparar los resultados. Ejercicio (10)

Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984U. ExistenteU. NuevopH 5 - 9 unidadesTemperatura < 40CGrasas y aceites>80%>80%SST>50% >80%DBO domst>30%>80%DBO indust>20%>80%

Normas de vertimiento Decreto 1594 de 1984Arsnico0.5 mg/LBario5.0 mg/LCadmio0.1 mg/LCromo 0.5 mg/LMercurio0.02 mg/LPlomo0.5 mg/LCianuro1.0 mg/L

3. Prevencin de la contaminacin

Prevencin de la ContaminacinObjetivo: Reducir el uso de agua potableMinimizar la generacin de aguas residuales

Programa P2 recomendado:Reduccin en el flujo de agua y aguas residualesReciclado Recuperacin de subproductosReuso

Beneficios vs. Restricciones

Area

Beneficio potencial

Restriccin potencial

Tcnica

Recuperacin de subproductos comerciables

Necesidad adicional de tratamiento para cumplir con requisitos de reutilizacin.

Econmica

Ahorros en gastos por consumo de agua y materia prima

Ahorro en inversiones futuras

Mayores costos de operacin y mantenimiento de sistemas de tratamiento

Requerimiento de disposicin de residuos

Reglamentaria

Simplificacin en procesos de obtencin de licencias y permisos.

Planeacin del Programa P2Paso 1: Evaluacin de toda la planta: (cmo se usa el agua, generacin de AR) Incluye revisin registros histricos, muestreos y anlisis de laboratorio, identificacin de fuentes de suministro y descargas).Paso 2: Areas potenciales para conservar, reciclar y reutilizar el agua:Incluir aguas de uso sanitario, proceso productivo, otros

Planeacin del Programa P2Factores a tener en cuenta:Identificar posibles fuentesDeterminar los requisitos de calidad para el agua.Comparar los requisitos de calidad del agua con los valores actuales o que podran obtenerse mediante algn tipo de tratamiento.Estimar los flujos de aguas residuales producidas y requeridas y volmenes a ser almacenados.Analizar las objeciones de los usuarios en relacin con el uso de agua reciclada.Realizar estimaciones de costos actuales del agua y del agua residual tratada y costos previstos.

Planeacin del Programa P2Paso 3: Definir las metas de reduccin de agua de suministro y agua residual.Metas: especficas, cuantificables, asignables, realistas y tiempo necesario para alcanzarlas.Ejm: reducir el consumo de agua en (rea) en (%) para (fecha)Paso 4: Poner en marcha el programa (ojo flexible, monitoreo)

Tcnicas para reducir las AR dentro de la plantaObjetivo: minimizacin de uso de agua.Areas relacionadas:Capacitacin de personal Modificacin y/o cambios operacionales en proceso productivo.Minimizacin de uso de agua en servicios sanitarios, mediantes dispositivos para restringir el flujo y dispositivos de cierre automtico.

Capacitacin de personalPromover la concientizacin del personal respecto a la necesidad de reducir el consumoEstablecer metas cuantificables para dicha reduccin.Capacitar al personal en las diversas tcnicas de reduccin del agua residual y mtodos de minimizacin.Vigilar el avance del programa (grficos mensuales de consumo) y reajustar los objetivos del programa si se observa necesario

En el proceso productivoModificaciones en el proceso:Cambios en el equipo, por ejemplo:Usar enjuagues de roco a alta presin en lugar de tanques de inmersin.Sistemas de enfriamiento con aire en lugar de agua.Reemplazar la torre de enfriamiento por sistema de enfriamiento a base de refrigerante.Ponderar costo vs beneficio.

En el proceso productivoCambios en las operaciones:Mejorar operaciones de limpieza del equipo:Dispositivos mecnicos de limpieza, limpieza en seco, cortina de aire, enjuague a contracorriente.Maximizar la vida efectiva del agua de produccin:enjuague a contracorriente, medicin de conductividad.Optimizacin del consumo:Evitar sellos defectuosos en tubos y equipos, equipos de control automtico, reductores de flujo, cubiertas, control de nivel del agua.

En servicios sanitariosUso de dispositivos y sistemas para reducir el consumo (Tabla No.36-4)

Fuentes de generacin de aguas residuales: lavadoras, bebederos, duchas, grifos, inodoros.

Tcnicas para reciclar AR no tratadaReciclado de aguas residuales industrialesDepende de los requisitos del proceso que recibe las aguas. Tabla 36-5Purga de torres de enfriamiento para lavado.Agua de enfriamiento de 1 uso (sin contacto) para intercambiador de calor y almacenamiento para enfriamiento sin contacto.Reciclado de aguas de uso sanitario:Agua residual gris (agua de lavado de duchas, lavadoras de ropa o vajillas) para inodoros o riego.

Recuperacin de SubproductosObjeto: regular la descarga de contaminantesCriterios de seleccin:Comparar el valor del subproducto recuperado con el costo derivado de su disposicin y de la materia prima equivalente.Tecnologa de recuperacin disponible y apropiada.Demanda del producto garantizada.Produccin mnima garantizadaEfecto sobre la lnea de produccinTabla 36-6

Tecnologas para la recuperacinEvaporacin (e.g. Solventes en forma de vapor)Ultrafiltracin (e.g. Recuperacin de pesticidas) Biotecnologa (e.g. Formacin de metano)Extraccin de solventes (dos fases lquidas no miscibles, e.g. Metales solubles)Precipitacin selectiva (de iones por control de pH)Tabla 36-7

Reutilizacin del agua residualCriterios: calidad requerida, tecnologa disponibleIrrigacin agrcola: cultivos o viverosIrrigacin de jardines: parques, patios, cementerios.Reutilizacin en la industria: aguas para sistemas de enfriamiento, de proceso.Usos recreativos/ambientales: recarga de lagos, acuiferos.Usos urbanos: proteccin contra incendios, inodorosTabla 36-8

Trabajo (15 das) = 30%Caracterizacin aguas residuales producidas por la Universidad:CaudalesCaractersticas fsicas, qumicas y biolgicasPropuesta de programa de prevencin de contaminacin:Diagnstico (fuentes de agua y de consumo, descargas, caudales, uso de dispositivos de ahorro, reuso, reciclaje)Propuesta: reas potenciales, metas

4. Mtodos de tratamieno de las Aguas Residuales

Mtodos de tratamientoClasificacin:Operaciones fsicas unitarias: floculacin, sedimentacin, flotacin, filtracin, tamizado.Procesos qumicos unitarios: Precipitacin, adsorcin y desinfeccin.Procesos biolgicos unitarios: mtodos donde la remocin se realiza gracias a la actividad biolgica. Se usan principalmente para remocin constituyentes orgnicos biodegradables y nutrientes.

Niveles de tratamiento

Nivel de tratamiento

Descripcin

Preliminar

Remocin de constituyentes que puedan causar problemas operacionales o de mantenimiento en los procesos de tratamiento y sistemas auxiliares

Primario

Remocin de parte de slidos y de materia orgnica suspendidos.

Primario avanzado

Remocin intensiva de slidos suspendidos y materia orgnica, en general llevada a cabo mediante la adicin de insumos qumicos o filtracin

Secundario

Remocin de compuestos orgnicos biodegradables y slidos suspendidos. Se incluye la desinfeccin.

Secundario con remocin

Remocin de compuestos orgnicos biodegradables, slidos suspendidos y nutrientes.

Terciario

Remocin de slidos suspendidos residuales, en general por filtracin en medio granular. Se incluye la desinfeccin y la remocin de nutrientes

Avanzado

Remocin de materiales disueltos o en suspensin que permanecen despus del tratamiento biolgico convencional. Se aplica cuando se requiere reutilizar el agua tratada o para el control de eutroficacin en fuentes receptoras.

Aplicacin de las operaciones y procesos unitariosTabla 4.29 y 4.30

Constituyente

Operacin unitaria, proceso unitario o sistema de tratamiento

Slidos suspendidos

Sedimentacin, filtracin, adicin de polmeros qumicos, coagulacin/sedimentacin, procesos naturales (humedales artificiales, tratamiento en el suelo)

Compuestos orgnicos biodegradables

Lodos activados, filtros de lecho empacado, lagunas de estabilizacin, procesos naturales, reactores de pelcula adherida (filtros percoladores, contactores biolgicos rotatorios), sistemas fsico-qumicos.

Patgenos

Cloracin, Radiacin UV, procesos naturales, Ozonacin.

Nitrgeno

Nitrificacin/denitrificacin (procesos biolgicos de pelcula adherida, en suspensin), procesos naturales

Fsforo

Remocin biolgica, adicin de sales metlicas, coagulacin con cal/sedimentacin, procesos naturales

Metales pesados

Precipitacin qumica, procesos naturales

Eficiencias tpicas de tratamiento (%)

Unidad de tratamiento

DBO

DQO

SST

Sedimentacin primaria

30-40

30-40

50-65

Lodos activados convencionales

80-95

80-95

80-90

Filtros percoladores

65-80

60-80

60-85

Sistemas anaerobios

65-80

60-80

60-70

Lagunas de estabilizacin

Anaerobias

Facultativas

Aerobias

50 70

80-90

80-95

-

-

-

20-60

60-75

85-95

Configuraciones tpicas de STAR

Hoja1

ZIPAQUIRA II - PTAR

CASETA OPERADOR

NESTRUCTURA

REJILLA CRIBADOINTERCONEXION

POZOCAMARA DE

AFLUENTEEXCESOS

CANALETA

PARSHAL

COMPUERTA

No. 1 Y 2

LAGUNA ANAEROBIA

PANTALLA

RIO NEGROVERTEDERO TRIANGULAREFLUENTE

ESTRUCTURA DE SALIDA

Hoja2

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

DESARENADOR

MEDICIN

REJILLA

AFLUENTE

LECHOS DE SECADO

CASETA CELADURIA

PORTAL DE ENTRADA

EFLUENTE

SEDIMENTADORSECUNDARIO

X

X

X

X

X

X

X

X

VIADUCTO

ALIVIADERO

AFLUENTE

AGUA CLARA

VERTEDERO

Hoja3

Configuraciones tpicas de STAR

Hoja1

TUBERA EXCESOS

X

ENTRADA

ESTACIN BOMBEO

REJILLA

CASETA DECELADURA

ESTRUCTURADESCOLE

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

CANALABIERTO

ESTRUCTURA DE PASO

EFLUENTE

AFLUENTE

MEDICIN

X

X

X

Hoja2

Hoja3

Asignacin artculos (10%)